看得到的化學－美麗的元素：最美的第一堂化...

名人推薦：國立臺灣師範大學化學系副教授／李祐慈　審定
國立清華大學生命科學系助理教授、泛科學專欄作者／黃貞祥
國立臺灣師範大學化學系主任／林文偉

發現週期性──混沌中挖掘出的週期性

碳、金、銀、銅、錫、鉛、鐵等，可說是人類最初發現並使用的元素。中世紀時，鋅因為煉金術實驗而發現，銻、砷等元素則是緊接在之後發現。
不過，直到18世紀，近代化學開始發展，才陸續找出更多元素。之後，英國化學家約翰．道耳頓（John Dalton）提出原子說，主張原子是實際存在的物質，且各有特定質量（原子量）。由於不同元素中常見到許多相似的化學性質，讓人轉而思考元素之間，或許有什麼法則存在。
而成功整合出這個法則的人，就是19世紀的俄羅斯化學家門得列夫（Dmitri Mendeleev）。門得列夫將截至當時發現的近60種元素，以卡牌遊戲為依據，將原子量由小到大依序排列。他是從當時的已知元素氫、氮、碳等排序中，留意到元素會週期性出現相似的性質。這份列表於1869年發表後，歷經多次改良，成為至今依然使用的週期表。

大量存在於太陽系中，地球上卻很稀有──氦

氦是無色無味，隸屬第18族的惰性氣體元素。太陽系中占比約27％，僅次於氫。但氦在地球上由於重量過輕而飛往宇宙，因此含量極為稀少。再加上惰性氣體反應活性低的特質，故天然化合物中也不存在。
日常中的氦，幾乎都從天然氣中提取。而氦因為比空氣輕又不易燃，不像氫那樣容易爆炸，所以除了用於灌入飛船或氣球外，液態氦也會使用在磁振造影（Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI），或磁浮列車的超導磁鐵冷卻劑上。
另外，作為派對道具使用（混入氧氣）的氦氣罐，當人吸入一口後再開口，會發出高亢的聲音。這是因為聲音在氦氣中會傳達得比空氣快，使聲音的震動頻率提高所致。不過，要注意氦氣中是否混入氧氣，若吸入不含氧的氦氣，會導致肺缺氧。
1868年，在印度觀察日全蝕的法國天文學家皮埃爾．讓森（Pierre Jules César Janssen），發現太陽光中有未知的光譜。同一時期進行觀測的英國天文學家洛克爾與艾華．弗朗克蘭（Edward Frankland），也透過光譜分析得到相同事實，將這個新元素命名為氦。

硫酸的原料──硫

想必有人一聽到硫，就會先想到溫泉的臭味，但其實純的硫沒有臭味。那種獨特的臭味是來自於硫化氫化合物。雖然火山噴氣口附著了許多黃色硫晶體，但在工業上也會以提煉石油的次要產物（二氧化硫）獲得。
硫的代表性化合物有毒性很強的「硫化氫」和「二氧化硫」（亞硫酸氣體）。另一方面，硫能大幅提升天然橡膠的品質。在天然橡膠中添加碳會增加強度；添加硫則能增加彈性。目前硫元素最主要的用途，就是製造硫酸。對生命體來說，構成蛋白質的胺基酸中也含有硫。

強度高、耐腐蝕性、耐熱性──鈦

鈦在地殼中的含量排名第十。存於金紅石和鈦鐵礦等礦物中，大部分開採到的都是氧化鈦。產量雖多但很難精煉，因此價格高昂。以承重度來說強度最高，加上耐高溫、耐腐蝕性，是飛機、建材不可或缺的材料。
鈦常應用在高爾夫球桿、電腦機殼、白色顏料等。一般認為鈦不容易被人體排斥，故用於製作人工關節，加上有隔離紫外線的作用，所以也會用於防晒乳或化妝品上。有一項日本研發的技術「光觸媒」效應（本多─藤嶋效應），能使二氧化鈦透過水吸收光（紫外線），來分解汙染物質（按：因環保實用而受注目）。

有殺菌效果的貴金屬──銀

銀自古即作為貨幣和飾品使用，約莫五千多年前的美索不達米亞文明遺跡中，便有留下銀製飾品。另外，大約7世紀時，人們發現從硫化礦物方鉛礦（galena）的雜質中，分離出銀的方法。
銀最大的特點，便是其導電性與可見光的反射率，為所有金屬中最高的。其次，銀擁有僅次於金的延展性，1公克的銀能拉長到2,000公尺的程度。不過，由於銀很容易氧化，並和空氣中的硫反應而變黑，幾乎很少像金一樣應用在電子儀器上。另一方面，據說古時候使用銀製食器，就是利用其變色性質，偵測食物中是否混入硫化砷（arsenic sulfide）等毒物。
到了近代，銀則用來作為照片的感光材料。這是利用了底片上的感光乳劑，所含的溴化銀或碘化銀化合物受光照射後，銀粒子會游離的性質。早期的電影會將銀塗在投影幕上，故至今仍以「銀幕」稱呼。
進入20世紀後，人們發現銀離子有殺菌效果，故將銀製成抗菌劑或殺菌劑。加上銀不像汞或鉛有強烈毒性，今後可能更廣泛的活用於醫療領域上。

引發國際衝突的炙熱焦點──稀有金屬與稀土元素

極受歡迎的家用遊戲機PlayStation 2（以下簡稱PS2）於2000年上市，只不過，鮮少有人知道這款遊戲機，曾在非洲中央的剛果民主共和國引發紛爭。究竟日本的遊戲機和非洲的紛爭有何關聯？
事實上，製造PS2電子電路的電容器和積體電路時需要的稀有金屬，必須從剛果民主共和國進口。該國擁有豐富的銅、鈷、鑽石和石油等資源，而鉭鐵礦石是鉭鐵礦（tantalite）和鈮鐵礦（columbite）的總稱，又名鈳鉭鐵礦。鈳鉭鐵礦的需求量在PS2發行後急速上升，由於產量不足導致價格上漲。接著，政府與反政府勢力開始爭奪出產鈳鉭鐵礦的礦山，最後引發衝突。
稀有金屬是手機、電腦、複合動力車零件和太陽能電池等，高科技產業不可或缺的金屬，而其流通量少到正如其名。
另外，稀有金屬的產地若位在政治不安定的國家或地區，常常發生爭奪利益的衝突。由於出售礦產的獲利能當作武裝勢力的活動資金，某些情況下會引發進一步衝突。這種成為爭端的礦物就稱作「衝突礦產」（Conflict minerals）。舉例來說，除了鉭、鎢、錫、金，還有祕魯里約布蘭科（祕魯北部高山區）的銅和鉬、新喀里多尼亞的鎳、尚比亞的鈷等，都屬於衝突礦產。
衝突礦產和同為紛爭源的鑽石，目前都是全球關注的問題。由於換購手機或電腦等於助長這個世界的紛爭，甚至有越來越多人呼籲應限制購買紛爭國稀有金屬的運動。為此，獎勵回收不再使用的手機和電腦、從產品中回收稀有金屬再利用，皆被致力推廣。然而，至今還是有採購來源不明的資源被拿來利用。
稀有金屬中，釔和鑭系元素等17種元素稱作稀土元素，對於電子產品的小型化和性能提升來說不可或缺。至於蘊藏量並非指字面上的「稀有」，而是因為化學性質相近，故分類和煉製要花不少工夫。其生產量95％來自於中國，美國為第一大的進口國、日本第二。
這些資源一旦價格上漲或實行出口限制，就會直接反映到全球產業和經濟上。為了確保供給穩定，需要配合回收技術研究、開拓新供給源或開發取代材料為佳。

發現週期性──混沌中挖掘出的週期性

碳、金、銀、銅、錫、鉛、鐵等，可說是人類最初發現並使用的元素。中世紀時，鋅因為煉金術實驗而發現，銻、砷等元素則是緊接在之後發現。
不過，直到18世紀，近代化學開始發展，才陸續找出更多元素。之後，英國化學家約翰．道耳頓（John Dalton）提出原子說，主張原子是實際存在的物質，且各有特定質量（原子量）。由於不同元素中常見到許多相似的化學性質，讓人轉而思考元素之間，或許有什麼法則存在。
而成功整合出這個法則的人，就是19世紀的俄羅斯化學家門得列夫（Dmitri Mendeleev）。門得列...

元素以及它們的產地

國立清華大學生命科學系助理教授、泛科學專欄作者／黃貞祥

這本《看得到的化學──美麗的元素》讓我回想起中學和大學時，充滿好奇心的在化學實驗室裡上課的美好時光。化學元素反應產生的神奇變化，真是叫人目瞪口呆。

我們放眼所及的萬事萬物，無不由各種最基本的化學元素構成。化學元素之間鍵結的可能性，如天文數字般的數量，可能比宇宙所有的原子數都還多很多。

俄國科學家門得列夫在19世紀末，綜合科學家們的苦心研究，從看似雜亂無章的元素性質中，摸索出精妙無比的規律，製作出世界上第一份元素週期表──就是在化學教科書和實驗室中常見的元素週期表。他把化學元素按原子量的大小排序的同時，還把原子價相似的元素上下排成縱列，並據此預見了12種尚未發現的元素。

化學元素的差異在質子數。科學極富魅力，門得列夫一旦製作出元素週期表，就立刻展現出強大的預測力，讓科學家能按圖索驥的進行更多研究。就像一位原本用古地圖到叢林尋寶的探險家，找到的第一個寶物居然是高精確度的GPS，就像如虎添翼、如有神助。化學知識於是在過去百年有了爆炸性的成長，還深遠的影響近代物理學的發展。

即使沒有化學元素週期表，中西方的老祖宗也早已發現許多元素及化合物的多種用途，讓人類從石器時代演進至銅器乃至鐵器時代。人類之所以能如此不斷提升物質文明，是因為我們能高效的累積知識。然而，現代科學的濫觴，讓我們能更高效的發現元素的各種性質，並且合成各種化合物，使用在五花八門乃至千奇百怪的用途上。

有了元素週期表，科學家已無法滿足自然界已存在的化學元素研究，利用科學理論的計算和推導，科學家利用最頂尖、最先進的科學儀器設備，居然還能透過將兩種元素高速撞擊的方法，增大自然存在的元素原子核的質子數，達到增大原子序數的目的，於是製造出新的人工合成元素。

這種「逆天」的行為，迄今已製造出二十幾種人工合成元素，儘管它們均是半衰期，從幾年到只有數毫秒的不穩定放射性元素。不管存在時間有多短，科學家也都能突破極限，偵測到並研究它們的性質；有些在自然界中存量極其稀少的化學元素，科學家也能透過人工合成的方式產生，並且為它們找到合適的用途。
這本書用圖文並茂的方式，深入淺出的解說化學元素的主要知識，並讓我們同時見識到自然和科學之美。書中列舉的許多化學元素及它們的化合物等用途，雖然僅是所有人類科技知識的冰山一角而已，但足以讓人目眩神迷。真是感恩化學元素、讚嘆化學元素！

元素以及它們的產地

國立清華大學生命科學系助理教授、泛科學專欄作者／黃貞祥

這本《看得到的化學──美麗的元素》讓我回想起中學和大學時，充滿好奇心的在化學實驗室裡上課的美好時光。化學元素反應產生的神奇變化，真是叫人目瞪口呆。

我們放眼所及的萬事萬物，無不由各種最基本的化學元素構成。化學元素之間鍵結的可能性，如天文數字般的數量，可能比宇宙所有的原子數都還多很多。

俄國科學家門得列夫在19世紀末，綜合科學家們的苦心研究，從看似雜亂無章的元素性質中，摸索出精妙無比的規律，製作出世界上第一份元素週期...

元素週期表
推薦序　元素以及它們的產地／黃貞祥

元素的基本
何謂元素？
元素與原子的差別
元素的起源
發現週期性
看懂週期表

第1週期
1 宇宙誕生後最初形成的元素：氫
2 大量存在於太陽系中，地球上卻很稀有：氦
專欄　元素的產生

第2週期
3因電池需求使用量增加的輕巧金屬元素：鋰
4祖母綠的成分之一：鈹
5耐熱玻璃的原料：硼
6含有各種同素異形體：碳
7讓大地循環的營養素：氮
8燃燒物質等於使其氧化：氧
9反應性大的鹵素元素：氟
10使都市多彩繽紛的惰性氣體：氖
專欄　稀有金屬與稀土元素

第3週期
11因「食鹽」廣為人知的元素：鈉
12葉綠素的主要成分：鎂
13隨氧化增加耐腐蝕性：鋁
14以半導體素材之姿，引領電子文明：矽
15有各種色彩的同素異形體：磷
16硫酸的原料：硫
17食鹽和鹽酸的源頭：氯
18日光燈中的低活性氣體：氬
專欄　生物的必要元素

第4週期
19肥料類植物的必要元素：鉀
20構成人體骨骼的必要元素：鈣
21稀土元素之首：鈧
22強度高、耐腐蝕性、耐熱性：鈦
23可增加鋼強度的稀有金屬：釩
24同時具有美麗光澤與超強耐腐蝕性：鉻
25應用於煉鐵和電池上：錳
26人體及文明發展的必要金屬元素：鐵
27可製成美麗的藍色著色顏料：鈷
28也用於電池中的合金素材：鎳
29自古伴隨文明史沿用至今：銅
30比鐵更容易生鏽：鋅
31成為半導體素材的稀有金屬：鎵
32用於光學相關產業的稀有金屬：鍺
33雖然有毒卻活躍於尖端工業：砷
34照到光時會產生電流：硒
35有刺鼻臭味的鹵素元素：溴
36即便LED正盛，仍沒被淘汰的氣體：氪
專欄　環境汙染與有毒元素

第5週期
37能測出地球和宇宙的年代：銣
38讓煙火斑斕絢麗的稀有金屬：鍶
39用於雷射元件的結晶體上：釔
40仿製鑽石的素材：鋯
41其合金在極低溫下會變成超導體：鈮
42作為合金鋼的添加劑而有用：鉬
43活躍於醫療界、世界最早人工放射性元素：鎝
44提高硬碟磁性信號密度的貴金屬：釕
45協助淨化廢氣的貴金屬：銠
46能有效吸收氫氣的鉑系元素：鈀
47有殺菌效果的貴金屬：銀
48引發「痛痛病」的物質：鎘
49液晶顯示器必備的稀有金屬：銦
50廣泛應用於合金和電鍍的穩定素材：錫
51運用於半導體和阻燃劑的類金屬：銻
52尖端工業不可或缺的稀有金屬：碲
53以消毒漱口藥水廣為人知：碘
54也用於離子發動機：氙
專欄　確認元素與顏色
專欄　放射性元素

第6週期
55表示一秒時間的基準：銫
56用於胃鏡的顯影劑：鋇
57活躍於氫能社會：鑭
58防紫外線很有效的稀土元素：鈰
59可用於焊接護目鏡或綠色顏料：鐠
60日本發明的釹磁鐵元素：釹
61鑭系元素中唯一的放射性元素：鉕
62與鈷的合金可製成永久磁鐵：釤
63應用於色彩鮮豔的紅色螢光體：銪
64可用於磁振顯影劑或核子反應爐控制棒：釓
65多用於「磁致伸縮」的材料：鋱
66需求量隨電動車市場擴大而增加：鏑
67雷射大幅活躍於醫療領域：鈥
68光纖的必要元素：鉺
69用於光纖或螢光體：銩
70命名源自瑞典的礦產地：鐿
71價格比金還貴的稀土元素：鎦
72與鋯相似的金屬元素：鉿
73電子裝置不可或缺的稀有金屬：鉭
74耐熱性與強度均優秀的元素：鎢
75如幻影消失的「日本」元素：錸
76密度最大的鉑系元素：鋨
77解開恐龍滅絕之謎的線索：銥
78常用在飾品或催化劑：鉑
79有史以來最貴重的元素：金
80有毒的汞蒸氣和有機汞：汞
81以毒藥廣為人知：鉈
82能吸收X射線的元素：鉛
83能在極低溫下成為超導體：鉍
84居禮夫婦發現的放射性元素：鉍
85地球上的存量推估為28公克：砈
86由鐳產生的惰性氣體：氡
專欄　元素的發現史

第7週期
87最後一個在自然界中發現的放射性元素：鍅
88付出生命換來的發現：鐳
89鈾礦中發現的放射性元素：錒
90大量存在地殼中的放射性元素：釷
91用途受限的放射性元素：鏷
92用於核能發電與核彈的放射性元素：鈾
93史上最初發現的超鈾元素：錼
94運用於核能發電燃料與核武上：鈽
95產自鈽的元素：鋂
96二戰結束後於廣播節目中首度發表：鋦
97具有強烈放射性的銀白色金屬元素：鉳
98可應用於檢查爆炸物等用途：鉲
99元素名取自物理學家愛因斯坦：鑀
100另一個因海上核試爆而合成的元素：鐨
101元素名取自發現元素週期性的門得列夫：鍆
102元素名取自發明矽藻土炸藥的諾貝爾：鍩
103最後一個錒系元素：鐒
專欄　原子彈與元素
104元素名取自原子核物理學之父拉塞福：鑪
105元素名取自俄羅斯的小鎮杜布納：𨧀
106以氧離子撞擊鉲合成：𨭎
107元素名取自物理學家波耳：𨨏
108和鋨的化學性質很像：𨭆
109以鐵離子撞擊鉍合成：䥑
110初次產生的鐽半衰期僅0.00017秒：鐽
111元素名取自發現X射線的倫琴：錀
112元素名取自提出日心說的哥白尼：鎶
113元素名取自「日本」：鉨
114以鈣離子衝撞鈽合成：鈇
115元素名取自美國莫斯科州：鏌
116以鈣離子撞擊鋦合成：鉝
117元素名取自美國田納西州：Ts
118元素名於2016年受到認定：Og
專欄　尚未獲得公認元素的序數命名法
專欄　探求新元素

元素名稱由來一覽表
參考文獻
照片提供

元素週期表
推薦序　元素以及它們的產地／黃貞祥

元素的基本
何謂元素？
元素與原子的差別
元素的起源
發現週期性
看懂週期表

第1週期
1 宇宙誕生後最初形成的元素：氫
2 大量存在於太陽系中，地球上卻很稀有：氦
專欄　元素的產生

第2週期
3因電池需求使用量增加的輕巧金屬元素：鋰
4祖母綠的成分之一：鈹
5耐熱玻璃的原料：硼
6含有各種同素異形體：碳
7讓大地循環的營養素：氮
8燃燒物質等於使其氧化：氧
9反應性大的鹵素元素：氟
10使都市多彩繽紛的惰性氣體：氖
專欄　稀有金屬與稀土元素

第3週期
11...