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Mg Cu Li Zn,那就讓化學元素週期表告訴你什麼叫做「銅鋰鋅」!——《完全圖解 元素與週期表》

PanSci_96
・2019/12/10 ・3186字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

一「銅」改變人類歷史

  • 銅 Cu (Copper)
  • 元素名稱由來:拉丁語為古代銅的生產地「賽普勒斯島」(Cuprum)。
  • 發現時的小插曲:自古以來即為人所熟知的元素之一。
  • 主要的化合物:硫酸銅(CuSO4)、氫氧化銅(Cu(OH)2)、氧化銅(CuO)、氯化銅(CuCl2)
  • 主要的同位素:63Cu(69.15%)、65Cu(30.85%)
銅塊。圖/人人出版提供

銅是在古早以前就融入人類生活的元素之一。考古學家在伊拉克北部發現大約在西元前 8800 年左右,推測應該是由自然銅製成的小銅珠。

銅即使延展得很薄也不易遭破壞,具有良好的延展性。此外,在導熱性和電導率方面都是僅次於銀,名列第二高,因此常被用來製作調理鍋和電線等。

銅與其他金屬混合所成的合金種類非常多,像是青銅、黃銅等都是。黃銅是純銅(俗稱紫銅)與鋅的合金,常是打造佛具、管樂器的材料。此外,鋁與銅的合金耐腐蝕性強,被用來製作裝飾品。

日常生活中常見的銅製品

目前流通的 1、5、10、20、50 圓幣共 5 種面額的硬幣材質中,都含有銅。圖/人人出版提供

銅與我們每天所使用的硬幣息息相關,在目前流通的 1、5、10、20、50 圓幣共 5 種面額的硬幣材質中,都含有銅。其中 1 圓硬幣是銅(92%)、鎳(6%)、鋁(2%)的合金。

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而 5、10 圓銅幣皆為銅鎳合金,含鎳 25%。而 20 圓銅幣的材質是外環銅質(含鎳 2% 及鋁 6%)、內餅銅質(含鎳 25%),新版的 50 圓幣銅幣則是含鎳 2% 及鋁 6%。

銅製料理鍋。圖/人人出版提供

因為銅的導熱性很好,因此是製作調理鍋、煮水壺、平底鍋的材料。以銅製的平底鍋為例,不是僅接觸火焰的部位會熱,整個鍋底都會均勻受熱,因此具有食物較不易燒焦的優點。

改變人類生活的「青銅器」

青銅器(銅鐸)。圖/人人出版提供

據研究,銅的出現改變了以石器為主要工具之古代人類的生活。銅中混入錫所成的「青銅」,與銅單質相較,硬度明顯提高。青銅在較低溫的情況下也能熔化,因此就算以當時人的技術,也能將熔化的青銅液倒入鑄模中,製成各式各樣形狀的物品。

依地區和時代的不同,使用青銅製作的物品可謂琳朗滿目,食器、貨幣、飾品、樂器等等皆是。照片是從日本出土的「銅鐸」,大約 2000 年前彌生時期製作的青銅器。考古學家推測可能是使用於祭祀的禮器,但是並不十分了解其真正用途。

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同樣是金屬,為什麼銅的顏色跟別種金屬不一樣?

同樣是金屬,金、銀、銅的顏色卻完全不同。銅的顏色是泛紅的「赤金色」,為什麼銅會呈現出這樣的顏色呢?

一般而言,金屬的結構是金屬原子規律排列的晶體。排列如此井然有序的金屬原子呈將最外層電子予以釋放的離子狀態。被釋放的電子因可以在金屬離子間自由活動,因此稱為「自由電子」。

自由電子會將幾乎所有的光都反射出去。但是根據金屬種類的不同,也有某特定波長的光不會反射,而會被吸收的情形發生。銅的自由電子會吸收波長 500 奈米(1 奈米為 10 億分之 1 米)左右的光,換言之就是會吸收由藍到綠的光。結果,銅反射的光,紅色的比率升高,看起來就呈「赤金色」了。

金屬藏在手機「鋰」

  • 鋰 Li (Lithium)
  • 元素名稱由來:希臘語「石頭」(Lithos)之意。
  • 發現時的小插曲:是在分析「透鋰長石」(petalite)這種礦物時發現的。
  • 主要的化合物:LiOH、Li2O、Li2CO3
  • 主要的同位素:6Li(7.59%)、7Li(92.41%)
鋰蘊藏在礦石和礦泉中,元素名稱源自希臘語的「石頭」(lithos),它同時也是金屬中質量最輕的。圖/人人出版提供

鋰跟氫、氦一樣都是在宇宙誕生之初就已經被製造出來的元素。鋰蘊藏在礦石和礦泉中,元素名稱源自希臘語的「石頭」(lithos),它同時也是金屬中質量最輕的。

一提到鋰,大家腦海中立即浮起的可能就是「鋰離子電池」。鋰離子電池因為重量輕且容量大、充電效率高,因此筆記型電腦、手機等都使用鋰離子電池做為行動電源。另外,雙極性疾患(bipolar disorder,俗稱躁鬱症)的治療藥「碳酸鋰」(鋰鹽)也是鋰的用途之一。

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生活中常見的鋰

鋰被用來作為鋰離子電池、躁鬱症的治療藥、在太空船等密閉空間的二氧化碳吸收劑、潤滑膏、製造合成橡膠原料「異戊二烯」(isoprene)之際的催化劑、強化玻璃、琺瑯、合金等的原料。

油電混合車等環保車款所使用的鋰離子電池。圖/人人出版提供

鋰離子電池因為重量輕、容量大、充電效率高,所以被用來做為筆電和手機的電源。上面照片是油電混合車等環保車款所使用的鋰離子電池,由於油電混合車、電動汽車等的普及,在 2006 年到 2007 年曾經一度面臨鋰離子電池供不應求的局面。根據預測,全球製造鋰離子電池所需的鋰,未來將會有大幅增加的趨勢。

雙極性疾患治療藥中的鋰離子具有干擾「IMPA2」的功能,可抑制神經元內部的化學反應。圖/人人出版提供

接收到訊號的神經元(也稱神經細胞,neuron)會從細胞膜釋放出名為 IP3 的物質到細胞質內,該物質就會與內質網(endoplasmic reticulum)結合,然後釋放出鈣離子。

雙極性疾患(躁鬱症)病人之神經元內部的鈣離子濃度高,而雙極性疾患治療藥中的鋰離子具有干擾「IMPA2」(在 IP3 重新返回細胞膜過程中發揮作用之酵素)的功能,因此可抑制神經元內部的化學反應。

鋰的寶庫「亞他加馬鹽沼」

亞他加馬鹽沼。圖/人人出版提供

智利的亞他加馬鹽沼位在標高 2300 公尺的高地,這裡過去曾經是海洋,由於安第斯山的造山運動而隆起,海洋乾涸,於是便有大量的鋰蘊藏於此。這裡一整年只有數天降雨的乾燥氣候,對於鋰的開採生產大有助益。

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身體中不可缺少的「鋅」

  • 鋅 Zn( Zinc)
  • 元素名稱由來:波斯語的「石頭」(sing),德語的「叉子尖」(Zink)。
  • 發現時的小插曲:據傳最早開始製造出單質的鋅金屬是在 13 世紀左右的印度。1746 年,馬格拉夫從菱鋅礦(smithsonite)精煉出金屬鋅,並在書中留下該方法。
  • 主要的化合物:ZnSO4、Zn(OH)2
  • 主要的同位素:64Zn(48.63%)、66Zn(27.90%),67Zn(4.04%)、68Zn(18.45%)、70Zn(0.61%)

鋅由於顏色和形狀似鉛,故也稱亞鉛,古稱倭鉛。

使用鋅銅合金「黃銅」製成的銅管樂器。圖/人人出版

薄鐵板鍍鋅可提高耐腐蝕性,是蓋屋頂的材料,現在仍廣為使用。此外,銅中添加鋅所製成的合金稱為「黃銅」,強度夠又容易加工,因此,也被用來製作樂器。此外,大多數鈕扣電池的陰極會使用鋅,而硫化鋅常被用來作為布朗管(陰極射線管)的螢光劑。

不鏽鋼基材鍍鋅的屋頂建材。圖/人人出版

過去的人認為鋅跟鉛一樣都是具有毒性的金屬,但其實鋅是人體所必需的礦物質,可將體內的有害物質轉變為無害,且能幫助有害金屬的排出,在生物生存上扮演著舉足輕重的角色。另外,鋅也存在於感知味道的味蕾,體內缺鋅時,會導致味覺障礙。

生物體內也含有鋅,例如:我們舌頭上感知味道的味蕾就含有鋅。再者,很多人都知道牡蠣體內含有大量的鋅。圖/人人出版

鋅與肌肽(carnosine)的化合物被用來作為治療胃潰瘍的藥物。最近,研究者又發現鋅有新的生理作用,亦即具有可降低血糖值,改善糖尿病和代謝症候群(metabolic syndrome)的效果。

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——本文選自《完全圖解 元素與週期表:解讀美麗的週期表與全部118種元素!》,2019 年 9 月,人人出版

 

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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最理想的元素週期表?其實元素週期表有很多種!——《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》
日出出版
・2023/06/10 ・2017字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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前面幾章都在談元素週期表,但還有一個重要面向沒有提到。為什麼有這麼多元素週期表出版,而且為什麼現在的教科書、文章、網路,提供這麼多種元素週期表?有沒有「最理想的」元素週期表?追求最理想的元素週期表有意義嗎?如果有,我們在找出一份最佳週期表的過程中取得那些進展?

種類數量可觀的元素週期表

愛德華.馬蘇爾斯(Edward Mazurs)關於週期表歷史的經典著作中,收錄自一八六○年代首張元素週期表繪出以來,大約七百張的元素週期表。

馬蘇爾斯的書本出版已過了四十五年左右;之後,期間至少又有三百張週期表問世,如果再加上網路上發表的就更多了。為什麼會有這麼多元素週期表,這件事情需要好好解釋。當然,這些元素週期表中,許多並沒有新的資訊,有些從科學的觀點來看甚至前後矛盾。但即使刪除這些具有誤導性的表,留下的數量還是非常可觀。

元素週期表的變體:有圓形的還有立體的?

我們在第一章看過元素週期表的三個基本形式:短元素週期表中長元素週期表長元素週期表。這三類基本上都傳達差不多的訊息,但相同原子價(編按:原子的價數,金屬為正價、非金屬為負價)的元素,在這些表中有不同的分族。

此外,有些週期表不像我們一般認識的表格那樣四四方方。這種變體包括圓形橢圓的週期系統,比起長方形的元素週期表,更能強調元素的連續性。不像在長方形的表上,在圓形或橢圓形的系統中,週期的結尾不會中斷,例如氖和鈉、氬和鉀。

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但是,不像時鐘上的週期,元素週期表的週期長度不同,因此圓形元素週期表的設計者需要想辦法容納過渡元素的週期。例如本菲(Benfey)的元素週期表(圖 37),過渡金屬排列的地方從主要的圓形突出來。也有三維的元素週期表,例如來自加拿大蒙特簍的費爾南多.杜福爾(Fernando Dufour)所設計的(圖 38)。

圖 37/本菲(Benfey)的圓形元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表
圖 38/費爾南多.杜福爾(Fernando Dufour)的三維元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表

但我認為,這些變體都只是改變週期系統的描繪形式,它們之間並無根本上的差異。稱得上重要變體的,是將一個或多個元素放在和傳統元素週期表中不同的族。討論這點之前,我先談談元素週期表一般的設計。

元素週期表的概念好像很簡單,至少表面上是,因此吸引業餘的科學家大展身手,發展新的版本,也常宣稱新的版本某些地方比過去發表的更好。

當然,過去有過幾次,化學或物理學的業餘愛好者或外行人做出重大貢獻。例如第六章提過的安東.范登.布魯克,他是經濟學家,也是首先想到原子序的人,他在《自然》等期刊發展這個想法。另一個人是法國工程師夏爾.雅內(Charles Janet),他在一九二九年發表「左階式元素週期表」(Left-step periodic table),後來持續受到週期表的專家和業餘愛好者的關注(圖 39)。

圖 39/夏爾.雅內(Charles Janet)的左階式元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表

「理想」的追求

那麼,追求最理想的元素週期表真的有意義嗎?我認為,這個問題的答案取決於個人對週期系統的哲學態度。一方面,如果一個人相信,元素性質近似重複的現象是自然世界的客觀事實,那麼他採取的態度是實在論。對這樣的人而言,追求最理想的元素週期表非常合理。最能代表化學週期性事實的就是最理想的元素週期表,即便這樣的表還沒制訂出來。

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另一方面,工具論者或反實在論者看待元素週期表,可能會認為元素的週期性是人類強加給自然的性質。若是如此,就不必熱切尋找最理想的元素週期表,畢竟這種東西根本不存在。對約定俗成論者或反實在論者來說,元素究竟如何呈現並不重要,因為他們相信我們處理的,不是元素之間的自然關係,而是人造關係。

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》,2023 年 4 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

日出出版
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寫在起司工廠邀請函背面的曠世巨作:元素週期表出現的這一天——《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》
日出出版
・2023/06/09 ・1127字 ・閱讀時間約 2 分鐘

雖然門得列夫一直思考著元素、原子量、分類,但是足足想了十年之久,才終於迎來「我發現了!」這個時刻,就是一八六九年二月十七日這一天,也許可以訂為「我發現了!」紀念日。這一天,他取消了以顧問身分視察起司工廠的行程,決定投入研究他日後最膾炙人口的代表作——元素週期表

真正的發現

首先,他在起司工廠邀請函的背後,把幾個元素的符號列成兩行:

接著,他列出一個稍微更大的陣列,包括十六個元素:

當天晚上,門得列夫就把整個元素週期表都畫了出來,包括六十三個已知元素。此外,這張表還留了幾個空格給當時未知的元素,甚至預測這些未知元素的原子量。

他將這張表複印兩百份,寄給整個歐洲的化學家。同年三月六日,門得列夫的同事在俄羅斯化學學會一場會議上宣布這項發現。一個月內,這個新成立的學會就在期刊上刊登了一篇文章,另一篇更長的則在德國發表。

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多數關於門得列夫的大眾讀物和紀錄片會說他在夢中想到他的元素週期表,或在玩紙牌接龍時把牌當成一個個元素。這兩個故事,尤其後者,現在已經被許多門得列夫的傳記作者視為是杜撰的,例如科學史家麥克.戈爾丁(Michael Gordin)。

原則的堅持

還是回來討論門得列夫的科學方法吧。他和對手洛塔爾.邁耶爾很大的不同是,他不相信所有物質的統一性,也不支持普洛特關於元素具有複合性質的假說。門得列夫也刻意與三元素組的想法保持距離。例如,他提出氟應該和氯、溴、碘放在一起,形成一個至少四個元素的族。

洛塔爾.邁耶爾專注於物理原則,主要關注元素的物理性質,而門得列夫則非常熟悉元素的化學性質。然而,說到分類元素最重要的標準時,門得列夫堅持以原子量排序,不容許有任何例外。當然,許多在門得列夫之前的人,例如尚古多、紐蘭茲、奧德林,以及洛塔爾.邁耶爾都承認原子量的重要性,儘管程度不一。但是門得列夫對原子量與元素的本質有更深層的哲學理解,得以一探尚未被人發現的元素,進入這個未知領域

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》,2023 年 4 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

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