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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

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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。

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。

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。

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。

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。

 

——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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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不想染疫,只要吃五種食物就好?沒那麼簡單!
科學新聞解剖室_96
・2022/08/28 ・5689字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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  • 「科學新聞解剖室」案件編號 38
  • 文/黃俊儒、賴雁蓉、陳儀珈

案情

2020 年 1 月 21 日,自中央流行疫情指揮中心公布[1]台灣第一個新冠肺炎確診案例開始,疫情至今已延燒兩年多。過程中,我們歷經了兩個多月的全國疫情警戒第三級[2]、清零的舉國歡騰,但很遺憾,疫情仍未宣告結案。今年四月,新一波 Omicron 所開始造成的確診數節節攀升,再度拉扯我們的焦慮神經。在防疫政策逐漸從清零轉向共存,確診數連日破萬的今日,我們該如何避免成為確診者?如何提升免疫力與保護力?如何成為獨特的天選之人?等等,儼然成為最具話題性的議題。

隨著疫情拉長戰線,各種防疫知識、妙方、偏方與日俱增,解剖員就在不同的親友的 LINE 群組中看到這一則許多人都轉傳的熱門影音[3],扛著「不想染疫?名醫教你 5 招自救法:預防確診、快速康復」的響亮標題,頗有為無助大眾指點明燈的救世感。

影/YouTube

簡單明瞭的「5 招」自救法,實在為焦慮的民眾提供了一條明確又簡單的防疫大道,加上又是醫生現身說法,實在太安心了。但解剖員仔細觀看影片內容,仍不禁冒出幾個疑惑——如果這麼容易,為什麼確診數依舊居高不下?疫情指揮中心為何不參考作為全民指引呢?面對諸多疑慮,就和解剖員一起深入探查防疫的灰色地帶!

解剖

一、台灣的名醫快要跟孝子一樣多了!?

「不想染疫?名醫教你 5 招自救法:預防確診、快速康復」,瘟疫蔓延的年代,來自「名醫」的建議,或許足以作為許多民眾心中的慰藉。但是,到底符合什麼樣的資格,才可以算得上是「名醫」呢?只要是「有名」的醫生,都適合為疫情代言嗎?

這段期間,各大媒體無不熱衷談論、討論、辯論疫情的種種:要打哪個廠牌的疫苗?小孩要打疫苗嗎?要如何預防?疫情指揮中心的政策是否合宜?在媒體前侃侃而談的醫生們,儼然成為世人的救世主,但是也偶爾會發現,醫生之間的言論也有矛盾之處。那麼,我們要相信誰說的呢?

例如,胸腔外科蘇醫師在臉書上發表[4]:「當國外都在強調會重複感染,卻只有台灣在強調感染會有『無敵星星』」。對此,前台大感染科林氏璧醫師則協助緩頰澄清無敵星星的概念:「主要論點是「混合免疫」(Hybrid immunity),強調的是混合感染後產生的免疫力,對未來的任何變種病毒應該都更有免疫記憶、更能防重症,如此而已。」[5] 兩位都是很有名的醫師,觀點卻不盡相同,我們要相信誰呢?

再者,這麼複雜的疫情,哪一科的醫生最適合為新冠疫情發聲呢?胸腔科的醫師適合嗎?身心科的醫師呢?和疫情最直接相關的醫生專家應該是誰呢?「事實查核中心」的醫生專訪[6]中提到,就學理上,小兒感染科或許才是最熟悉疫苗的專家,他們替民眾施打過最多疫苗,因此最瞭解。但我們也常看到很多不是疫情控制相關領域的醫師抒發意見,大多數是善意提醒民眾應注意的事情,從各種角度來防堵疫情。

這倒也無妨,但可以確定的是,面對這麼複雜的百年一疫,所謂的「名醫」或是「專家」,都不是這麼容易的可以輕易地界定出來。

回過頭來看,影片中提出五招自救法的江醫師,算是「名醫」嗎?經過解剖員抽絲剝繭地搜尋後,發現江醫師在網路媒體平台[7]上寫著腎臟科專科醫師,長期研究保健食品、癌症預防、血管通路問題診斷及治療等,涉獵十分廣泛。除了醫生本業之外,江醫師同時也是一位很成功的健康食品經營者,所經營的公司[8]營運販售多樣健康食品和保健品。

此外,搜尋的過程中,也很意外地發現,江醫師經常於許多媒體中曝光,同時也是幾個社會新聞裡面的當事人[9]。所以,如果從媒體曝光的角度來看,江醫師確實「很有名」,但是誠如先前的討論,這樣的「有名」是不是可以轉換成足以針對疫情提供專業意見的「名醫」,這可能就待商榷了。台灣媒體界有個笑話,就是新聞報導中「女的都是正妹,男的都是肥宅,出車禍的都是孝子! 」

當新聞中的「名醫」快要跟「孝子」一樣多的時候,也是閱聽人需要小心判斷的時候。

二、維生素 D、魚油、藻油、蜂膠真的神奇好棒棒嗎?

在這一部訪談影片中,所謂的「5 招自救法」指的是維生素 D、魚油/藻油、蜂蜜/蜂膠、鋅、鹽水漱喉這五項。江醫師引經據典、旁徵博引了許多論文數據,還有看起來「很科學」、「很實證」的實驗統計結果,告訴觀眾哪些營養補充品真的可以有效預防重症,甚至減緩新冠疫情的症狀。

經過解剖員的查證,江醫師引用的醫學研究確實存在,不過這些研究結果真的如同影片中所描述的這麼篤定嗎?我們從最廣為人知的疫情營養補充品——維生素 D 開始說起。影片中,江醫師秀出了一篇統合分析(Meta-analysis)論文的數據,言之鑿鑿地告訴大家,攝取維生素 D 補充劑,不僅可以讓住院率降低一半,也可以讓插管率降低大約 26%,「它是有效的,可以幫忙避免轉成中症、轉成重症!」。

江醫師引用的數據。資料來源/Clinical Nutrition ESPEN

然而,面對一樣的圖表數據,原始論文的作者,卻遠遠沒有江醫師所演繹的這般篤定,文章[10]是這麼寫的:「維生素 D 『可能』和較低的插管率、較短的住院天數『有關』」,而且在最後指出:「需要更進一步的研究,才能確認這些數據之間真正的關係。」因此,不能說江醫師所引述的資料毫無根據,但是最主要的差別在於研究結果的篤定程度。當然,謹慎的醫學研究者會十分小心地推論及下結論,但是媒體訪談往往更在乎戲劇效果。

為了進一步瞭解這個問題,解剖員索性在許多醫學研究人員常檢索的 PubMed 期刊搜尋網站[11]中,搜尋維生素 D、鋅、茶葉、漱口水、蜂蜜/蜂膠、藻膠等經常被熱議的偏方關鍵詞。針對 2022 的期刊研究結果,可以發現不同研究主題的研究關注度有落差(篇數如下圖所示):維生素 D 及鋅的研究比較多,其他主題的研究則比較少。

再分析裡面的內容,例如可以發現學者們用過各式各樣的統計和研究法,探討維生素 D 在感染率、住院天數、重症率和死亡率上的關係。不過,這些論文的意見並不一致,多數可以區分為三種狀況:「正面,但有條件」、「有些狀況有效果,有些沒有」、「有點效果,但沒有顯著差異」,其中有不少論文認為維生素 D 跟某些數據有關,但也有不少研究認為無關。

更重要的是,維生素 D 對 COVID-19 在人體內的影響機制一點都不明朗。對此,美國國立衛生研究院(NIH)也在 COVID-19 的治療指引(COVID-19 Treatment Guidelines)[12],很明確地寫道:目前學界仍然沒有足夠的證據可以推薦或反對使用維生素 D 來預防或治療 COVID-19。

此外,江醫師在節目中大力推廣的魚油、鋅、蜂蜜和蜂膠,也多存在類似的狀況。其中,江醫師在「蜂蜜」的說明中指出蜂蜜裡面有雙氧水(過氧化氫的水溶液),吃了就可以幫你的鼻子和喉嚨消毒,而且蜂蜜含有的高良薑素、白楊素等成分,可以成功打斷病毒的複製。最棒的是,吃了「真正的」蜂蜜後,不會增加你的血糖!隨後,他也引用了一份巴基斯坦的論文,告訴閱聽眾,吃蜂蜜可以降低四分之一的死亡率。

依據解剖員的理解,雖然蜂蜜進入我們的體內後,的確會產生過氧化氫,但過氧化氫非常微量,跟可以拿來消毒用的雙氧水濃度相差甚遠,恐怕難以藉此殺死我們喉嚨中的病毒!而高良薑素、白楊素是否真的可以阻斷病毒複製?如同前述一樣,目前學界也同樣地無法有如此高度共識的認證。

再來,就是蜂蜜不會增加血糖的這個說法。蜂蜜與所有碳水化合物都一樣,不僅會提高血糖,而且對疾病管理和血糖控制並無好處,這是國健署都曾經公開澄清過的錯誤傳言[13]。此外,若真的按照江醫師所言,60 公斤的人每天要攝取 60 公克的蜂蜜,再加上平時所攝取的糖分,長期吃下來,可能要小心在成功抵擋病毒之前,就先變成一個大胖子囉!

蜂蜜不僅會提高血糖,對抵擋病毒、控制血糖也都沒有幫助。圖/Pixabay

從 2020 年 COVID-19 疫情爆發,直到這部受訪影片上線,隨著病毒不斷產生變異病毒株,各國的疫情瞬息萬變,對於步步謹慎的科學研究來說,兩年半的時間,真的太短了! 雖然疫情期間,COVID-19 的研究百花齊放,但在這麼短的時間內,科學家能做到的,也只能慢慢累積數據,還沒有辦法在各種細節上這麼快地得到共識。因此,科學家們發表論文時,用詞與結論通常也都不會非常斬釘截鐵。他們知道自己單一的研究論文面臨許多限制,沒有辦法直接成為科學界的代言人,更不可能藉此強烈主張某個行動或是食品有直接的療效。

若我們細細解剖江醫師所引用的文獻,會發現他是在尚且渾沌、並未凝聚共識的科學界中,挑出部分支持他論點的文獻,並宣稱這是有「科學研究支持」的補品。或許,江醫師是急著想要守護民眾的健康,也或許是媒體需要有一些節目效果,所以無法像專業醫學研究人員那般謹慎溫吞,但事實是,這些內容及態度確實不是目前醫學界的共識。

由於這「5 招自救法」並沒有什麼立即的危險性,所以一般民眾如果抱著「有病治病,無病強身」的態度姑且參考之,或許也無大礙。但如果可以審慎地瞭解這些自救法並沒有影片中這麼「絕對」與「篤定」的效果,對於我們判斷其他更為相關及迫切議題,都將會是有幫助的!

三、順便賣點東西又何妨?

其實解剖員很願意相信,在這一次疫情中,許多醫生積極地發言討論疫情,多是基於對社會的責任感。當然,如果在這樣的過程中,可以帶來一些實質的好處,應該也是不錯的選擇,畢竟此乃人之常情。

在這則影片中,江醫師搭配國外知名期刊的研究,逐一分享該研究大致上如何進行、該營養補充品在什麼時間點能發揮效果,善心地為大家整理出四項增強免疫力的保健補充品,外加一項非常容易執行的食鹽漱口方法。江醫師運用自己的專業,搜尋並整理出有效的保健產品,無非也是希望大家都不要染疫,能夠健健康康地挺過這場戰役。

只是,當解剖員循著江醫師的建議搜尋相關保健品時,一不小心地就滑進了主講醫生自營商店[14]的頁面,也意外地發現影片中提到的幾項保健抗病毒產品,例如魚油、蜂膠、維生素 D 等,都是商店裡面的熱銷產品,甚至有幾項產品在解剖員查閱時已售罄。在蜂膠產品頁面中,還貼心地提醒使用者在疫苗施打前後該如何補充,算是非常佛心。只是,這些看似不經意卻又密切的連結,不免讓解剖員感受到一股濃濃的置入性行銷味道。

江醫師販售多樣健康食品,無非也是希望大家都健康,卻不免有股置入性行銷的味道。圖/Pixabay

台灣人一直對於各種健康食品情有獨鍾,根據經濟部統計[15]資料:「隨人口結構高齡化,預防保健意識提升,機能性保健及營養補充食品需求漸增,帶動保健營養食品 109 年產值達 195 億元續創新高,年增 9.78%,連續 6 年正成長」。平時就穩定成長的狀況下,再碰上大疫情時代就更不得了,有「名醫」加持的保健方法當然無庸置疑地成為大家追逐的焦點,而這也成為疫情期間另類的一門好生意。

基於民眾面對病毒時的焦慮而進行恐懼行銷,向來就是生意人屢試不爽的商業模式。雖然保健商品不是一種會立即造成危險的消費,但是當媒體訪談的專家夾帶專業權威形象和過度篤定的口吻,引起行銷效果時,則不免造成某些衝動性消費,甚至不當地把保健跟防疫進行過度連結。雖然暫時不傷身,但如果經常這樣傷荷包,可能也不是一件好事喔!

總結

兩年多來的防疫期間,我們走過、路過在各種場合、各種媒體中最常聽到的防疫提醒,就是做好個人防疫。像是口號,也像是標語,雖然心累,但也的確是生活中無法切割的一部分。為了提高免疫力,買點保障、吃點保養品補足營養當然沒有什麼不好,但如果因為媒體透過名人的推波助瀾而導致心慌,使得從早到晚狂吞各種營養品,或搶購名人掛保證販售的商品,這就真的大可不必。

據此,本解剖室給予這系列新聞以下評價:

註解與參考資料

  1. 我國藉由登機檢疫即時發現首例中國大陸武漢移入之嚴重特殊傳染性肺炎個案 指揮中心提升中國大陸武漢之旅遊疫情建議至第三級警告
  2. 因應本土疫情持續嚴峻,指揮中心自 110 年 5 月 19 日至 5 月 28 日止提升全國疫情警戒至第三級,各地同步加嚴、加大防疫限制,嚴守社區防線
  3. 【健康】不想染疫?名醫教你 5 招自救法:預防確診、快速康復!ft. 江守山醫師|下班經濟學 254
  4. COVID 感染完會有無敵星星?
  5. 「無敵星星」真的威!何美鄉再提綜合免疫力神威:不要恐懼被 OMICRON 感染!
  6. 疫情謠言鋪天蓋地,專家如何突破同溫層傳遞正確醫學知識?上億點閱醫師部落客經營新媒體平台心法大公開。專訪林氏璧(感染科醫師)
  7. 江守山醫師
  8. 江醫師健康鋪子/魚鋪子
  9. 名醫江守山詐健保費被解雇 他不滿告新光醫院確定輸了
  10. Beran A, Mhanna M, Srour O, Ayesh H, Stewart JM, Hjouj M, Khokher W, Mhanna AS, Ghazaleh D, Khader Y, Sayeh W, Assaly R. (2022). Clinical significance of micronutrient supplements in patients with coronavirus disease 2019: A comprehensive systematic review and meta-analysis. Clinical Nutrition ESPEN , 48, 167-177. doi: 10.1016/j.clnesp.2021.12.033.
  11. PubMed
  12. Vitamin D|COVID-19 Treatment Guidelines
  13. 健康網》糖友吃蜂蜜不會影響血糖值? 國健署:錯
  14. 江醫師健康鋪子/魚鋪子
  15. 無畏疫情來襲,食品製造業 109 年第 1 季產值逆勢成長 2.41%
科學新聞解剖室_96
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兩百年前的原子量是怎麼誕生的?
姚荏富_96
・2021/03/08 ・2200字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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說到原子量大家可能想到的就是什麼氧是 16、碳是 12……之類的元素與數字的關係,但你知道為什麼氧是 16 碳應該是 12 嗎?又或者原子量到底要用來幹嘛的呢?我想大部分的人在課堂中並不會得到比較具體的答案,所以筆者想在這裡和大家聊聊原子量到底是什麼。

原子量其實就是「一顆原子的質量」,今天如果想要測量一個物質的質量,通常是把物質放到天秤上來測量,但若要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,並不是不可能啦,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到(當然,還有要用什麼砝碼來跟「一顆原子」平衡,什麼樣的天秤才足夠靈敏之類的問題)。

要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,其實並不是不可能,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到。圖/Wikipedia

有趣的是,早在 18 世紀末期,原子量就出現了!還有具體的數字以及對照表(雖然說跟現在比起來有不少的誤差),兩百多年前可沒什麼「光聶」可以用,想必當時的科學家肯定不是用天秤量出「一顆原子」的質量,那這些原子量是怎麼出現的呢?

當年「元素」是物質的「最純形態」

在 18 世紀後期,科學家們將組成物質的「最純型態」叫做「元素」,而組成物質的「最小單位」叫做「原子」,在十八世紀以前雖然有「原子」這種講法,但當時「原子」與我們現在所學的概念並不相同,在更早以前的人認為所有的物質拆到最小都會是同樣的原子小球,會有不同元素的差異是因為原子排列方式的不同所造成。但其實「每種元素都有屬於自己的原子」,像是氫就有氫原子、氧就有氧原子,你是什麼元素就會決定你是什麼原子。

而這些概念的確立就要討論到 18 世紀末期科學家陸續發現的「定比定律」以及「倍比定律」兩大定律。

定比定律是同一種化合物他裡面的成分質量比都會是固定的,以水為例,水中含有氫與氧,但不管是你的合成水或是野外裝到的水,他的質量比都會是 1:8,這就好像上帝的食譜一樣,每個化合物都會有自己的元素配方和指定的質量比例。

而倍比定律呢?則是成份元素如果種類相同的話,每種物質他們的相同的元素也會出現簡單的整數比關係,舉例來說甲烷和乙烯,兩個都是由碳與氫組成的化合物,這時候分析裡面碳與氫的質量組成比例,就會發現當我碳固定質量時,甲烷和乙烯的的氫質量比就會呈現 2:1。

瞭解這兩個原理之後,科學家發現了相同化合物裡面的元素質量,和不同化合物的元素質量之間,都有著微妙的比例關係,但他們有一個問題遲遲無法解決,那就是不同元素的「一份」應該分別是多重。這時英國科學家道爾吞在 1803 年開了第一槍,他將化合物分為最簡單的二元 (AB)、三元 (A2B or AB2) 以及四元 (AB3 or A3B),並簡單粗暴的認定如果 A、B 兩種元素組合後只能有一種化合物的話,那這種化合物就會是一比一組成的二元化合物。現在看來這個判斷稍嫌武斷,但如果道爾吞沒有這樣定義的話原子量的概念就不會這麼早出來。

如果道爾吞沒有將化合物定義為最簡單的二元 (AB)、三元 (A2B or AB2) 以及四元 (AB3 or A3B),原子量的概念就不會這麼早出來。圖/Wikipedia

道爾吞依據前面的兩個定律與他提出的組成原則,將化合物中通常質量比數字都是最小的氫定為原子量 1(雖然現在我們的氫也是 1 但與這時的氫原子量概念並不完全相同),並以此為基準做了大量的原子量計算,像是根據氨的重量分析,其中氫和氮的重量組成 20:80,那依照上面氫原子量是一的情況下,氮的原子量就是 4(現在看是錯的喇因為當時他認為氨是 NH 但事實上氨是 NH3),又或者是根據水的重量分析,其中氫與氧的重量組成是 15:85,所以氧的原子量是 5.66,又在用氧的原子量去分析碳酸氣(二氧化碳),得出碳的原子量就是 4.5,以上述的原子量推定方式來看就可以知道原子量並不是一個絕對的數字,而是一個相對質量的概念,所以原子量又可以稱之為相對原子質量。

不過你可能會覺得 18、19 世紀的原子量跟我們現在學的數字根本就不一樣,但這又是另一個故事了,我們暫且打住。不過原子量的測定邏輯,基本上還是從道爾吞製作的第一張原子量表延續到現在,其概念就是「既然我們無法抓一顆原子來測定他的質量,我們還可以找出物質化合的質量比例,來找出不同元素的原子之間他們的相對質量」而這就是原子量的基本概念。

相關科學史事件

  •  1789年 愛爾蘭化學家希金斯發表《燃素與反燃素理論的比較》,除了支持拉瓦節的觀點外,他也推測原子只能按一定比例進行化合
  • 1792~1802年 李希特(J.B Richter)提出定比定律
  • 1799年 法國藥劑師普羅斯用人工與天然的鹽基碳酸銅去做測定,確定定比定律
  • 1800年 戴維在《化學和哲學研究》分析了N2O、NO、NO2的重量組成(倍比定律的起始)
  • 1801年 貝托萊在《親和力之定律的研究》中反對定比定律
  • 1803年 道爾吞在論文中假定原子按簡單比例化合
  • 1804年 道爾吞分析甲烷和乙烯之比例,提出倍比定律
  • 1808年 道爾吞出版《化學哲學新體系》

參考資料

  1. 化學通史 – 凡異出版
  2. 化學史傳 – 商務印書館

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姚荏富_96
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成大化學畢,文字/影像工作者,LIS初代科學史圖書館,著有《科學史上最有梗的20堂化學課》。興趣廣泛,涉足科普寫作、影像製作、投資理財、社會觀察、社群經營......技能樹持續擴張中,目標是將學會的知識或技能用有趣簡單的方式分享給大家。