化學談奇 元素簡介 吳遵勝

一、元素的涵義及變化

世上物體，數目之多令人目不暇接，色彩之多令人眼花繚亂，千變萬化令人困惑不解。例如上百種的寶石，上千種的礦石，上萬種的天然和人造顔料，等等。

在物理變化（物質只改變其形態而不改變其成分）中，例如原有深棕色、有金屬光澤、固體的碘，經加熱後，即昇華變成紫色的蒸氣。【固態物體不經過液體而直接變成氣體的作用，叫做昇華（sublimation）】。金塊打成極薄的箔，金黃色變成藍綠色；不透明變成半透明如雲母。這變形不變質、面目全非的改變，已足使人目瞪口呆。

在化學變化（物質的分子、組成、性質等方面發生的變化）中，例如：自燃的氫在助燃的氧中燃燒，生成滅火的水，2 H₂ + O₂ → 2 H₂O。易燃、烈性輕金屬的鈉，在有毒的氯氣中燃燒，生成無毒的食鹽，2 Na + Cl₂ → 2 NaCl。碳在不充足的空氣中燃燒，生成有毒、易燃的一氧化碳，2 C + O₂ → 2 CO；如在充足、過剩的空氣中燃燒，則生成無毒、滅火的二氧化碳。C + O₂ → CO₂。一氧化碳燃燒又變成二氧化碳，2 CO + O₂ → 2 CO₂。這變形又變質的變化，更使人匪夷所思，如墜雲裏霧中！

儘管物質千變萬化，似乎雜亂無章，毫無規律，然而人們逐漸明白，一切物體均有極小的、不能用一般化學方法使其分解成更爲簡單物質的組成部分，謂之元素。上述例中的碘、金、鈉、氯、氫、氧、炭均爲元素。

二、物質不滅定律或質量守恒定律（The Law of Conservation of Mass）

法國化學家拉瓦錫Lavosier（1743－1794）將一塊錫Sn放在一個密封的玻璃容器中，用天平稱重後，用一大型放大鏡，使陽光聚光在錫塊上，使其熔化，逐漸變成灰白色、酥松的氧化錫SnO₂的粉末。他再次用天平稱之，驚奇地發現Sn變成SnO₂所增加地重量，恰恰等於容器中氧所失去的重量，即Sn + O₂ → SnO₂。以克分子（元素或化合物以克爲單位所表示之量）計算，118.7克的Sn與32克的O₂，生成（118.7 + 32）克的SnO₂；反應式左右兩邊的總重量完全相等。

他又用磷塊P照樣作上述試驗，發現容器壁上的白霜物即磷酸酐P₂O₅，比磷P重量所增加的重量，正是容器中氧所消耗的重量，即4P（123.88克）+ 5O₂ （160克）＝ 2 P₂O₅（283.88克）。

上述試驗證實了物質不滅定律，即：在物理或化學反應中，物質不能被創造或被毀滅。反應物與生成物的總重量相等。

三、阿佛加德羅常數（Avogadro’s Number）

1908年法國物理學家Perrin（1870－1942），用X光衍射法（Diffraction of X Ray）及其他方法，發現1克分子的單質或化合物，約含有6.02×10²³個分子。此常數因紀念意大利物理－化學家Avogadro（1776－1856）而命名。因它的固定不變數值而被稱爲常數。

1克分子的單質（未與其他元素化合、獨立存在於自然界的元素，例如鎂Mg爲24.3克），或1克分子的化合物（兩種或多種物質化合所形成的新的物質，例如Na₂SO₄ = 2×22.99 + 32.07 + (4×16) = 142.05克），均含有6.02×10²³個分子。

任何物質氣態的體積，都與溫度成正比，壓力成反比而改變。爲了有準確的比值，所以採用了標準情況（溫度爲0^o C，壓力爲1個大氣壓，即：760mm汞（Hg）柱）；所得的體積是22.4升（liter），被指爲氣體克分子體積，且爲一常數。

例如1克分子的水H₂O（2×1.008 + 16）= 18.016克的固態（冰）或液態（水），或氣態（水蒸氣）在標準情況下的22.4升，均含有6.02×10²³個分子。

例如計算元素最輕的氫分子的重量：1克分子H₂爲2×1.008 = 2.016克，2.016克 / 6.02×10²³分子 = 3.34×10^-24克/分子，或1.67×10^-24克/原子。H₂分子的體積 = 22.4×1000 cm³ / 6.02×10²³分子 = 3.72×10^-20 cm³/分子或1.86×10^-20 cm³/原子。

由此可見，阿佛加德羅常數可用以計算單質或化合物的分子及原子的重量和大小。因此它具有十分實際的功用，使人們可對分子、原子有更進一步的認識。

四、門捷列夫與周期律

俄國傑出天才的門捷列夫（Mendeleev，1834－1907）在1869年按著原子量（以碳C的原子量定爲12，其他元素與碳相比所得的值，即爲該元素的原子量，例如氫和氧的原子量，分別是1.008和16.00）的多少，由少到多排列元素。他所排列的周期表，包括10個縱列的7個周期，8個橫行的8個族（0－7族）。

他發現橫行族的元素，從左到右，其金屬性遞減而非金屬性遞增。例如分別爲第1、2、3、4、5、6、7族的鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟，第1族的金屬性最強；第2族金屬性減弱；第3族則出現非金屬性，因而金屬性與非金屬性參半。從第4到第7族，非金屬性遞增，而以第7族的非金屬性最強。

他又發現，每經過一定的間隔，就有相似的元素出現。當他排列氟後，又出現另一周期的，分別是第1到第7族的鈉、鎂、鋁、矽、磷、硫、氯，而同一族相對應的元素，例如鋰與鈉……氟與氯的性質頗爲相似。

因此他明智、偉大地發現了元素的周期律（The Periodic Law of Elements），即：元素的性質，都以原子量的增多而有周期性的改變。

1、門氏大膽地預告新元素

門氏排列周期表時，只有64個元素，（現有102個元素）。他根據周期表的每一個位置即可以反映出其一定的物理、化學性質，而大膽、胸有成竹地預告一些元素，使科學家大爲震驚：

A.法國化學家Bioshandran（1838－1912）在1875年，用光譜分析（Spectroscopical Analysis），在光譜上看到一個陌生的紫色光線而發現了新的元素鎵，其密度5.9 gm/cm³，竟與門氏所預告者相同，遂占周期表＃31空格。

B.瑞典化學家Nilson（1840－1899）在1880年，在稀有的矽－鈹－鐿的礦中，發現了新的元素鈧，遂占周期表＃21空格。

C.德國化學家Winkler（1838－1904）在1886年，在銀的礦中，發現了新的元素鍺，它的密度1.887 gm/cm³，與門氏在1870年所預告的1.9gm/cm³，幾乎相同，遂占周期表＃32空格。

2、門氏根據元素原子量的多少的排列法，將原來的鉀與氬、鎳與鈷、碘與碲所顛倒的排列，作了更正。

3、這個偉大的發現，爲以後的化學研究，開闢了新的領域；解決了以前許多化學家曾經花費許多精力而沒有解決元素分類的問題；啓發和指導了原子結構的研究。

五、原子結構

原子的直徑爲1－5 Å（1Å是一千萬分子之1mm）。在原子核內有電中性的中子（neuton）及有正電子（positon）的質子（proton）；在原子核周圍有負電子（negaton）的電子（electron）。電子的重量爲9.109×10^-28克即9萬億億億分之一克；而質子的重量比電子重1,836倍。使人驚奇的是，它們的數目相等；雖它們的重量相差千倍之多，但正電子和負電子所含的電量卻完全相等，使整個原子呈電中性。正、負電子的數目也是該元素的原子序數（atomic number），即它在元素周期表所占的位置；例如鉀有19個質子，19個電子，原子序數爲19，在元素周期表占第19個位置。

原子核內質子的正電子，與核外的負電子相互吸引，産生了電子的向心力。一個運轉物體所産生的離心力，與物體的重量及速度成正比。由於電子的重量極輕，它圍繞原子核旋轉的速度極快，爲光速的80％（光速爲每秒300,000公里）。凡運轉之物必因與其他物體産生摩擦而使其能量減少，速度減慢，離心力降低；但電子從未與原子核相撞，表示它旋轉的速度始終未有減慢，亦即能量未曾消耗，這是力學所不能解釋的。

電子的排列有7層之多，且有上、下；左、右；前、後的立體軌道之分，及各有自己的空間。在快速運轉中，互不幹攪相撞！酷似太陽系中行星圍繞太陽旋轉。可見宇宙中最大的星球與最小的原子的結構，乃出於一位深邃卓越的設計師和創造者。

六、原子結構與元素的化學活潑度（chemical activity）的關係

化學活潑度乃指元素或化合物與其他元素或化合物進行化學反應的速度。例如：

1、第1族元素：

A.化學活潑度

第1族的鋰、鈉、鉀、銣、銫是典型金屬性、比水還輕的輕金屬。它們儲放在煤油中，以免與空氣中的氧化合成氧化物。例如將鋰放在水中，它浮在水面，恬靜地生出氫來，發出噝噝之聲，2 Li + 2 H₂O → 2 LiOH + H₂↑。當銣放在水中，其化學反應所産生的熱量，足以使生成的H₂燃燒。當銫放在空氣中，它與氧進行化學反應所産生的熱量之多，足以使它自燃，生成氧化物，4 CS + O₂ → 2 CS₂O。由此可見，它們的化學活潑度是鋰 < 鈉 < 鉀 < 銣 < 銫。

B.原子結構

電子的排列最多的電子是第1層爲2個；第2層爲8個；第3－17層爲18個。

鋰、鈉、鉀、銣、銫分別有2、3、4、5、6個電子層，但各最外層的外形排列（electronic configuration），是只有1個電子。它們失去1個電子以形成2個或8個電子、穩定的外形排列的傾向，遠比它們奪取7個電子以形成8個電子、穩定的外形排列者大得多，因此它們在化學反應中，總是失去1個電子。

由於它們電子層數依次增多，最外層的那個電子與原子核中質子的距離依次增大，它們的吸引力依次減少，失去電子的傾向依次增大。所以它們的化學活潑度是：鋰 <鈉 < 鉀 < 銣 < 銫。

2、第7族元素的原子結構及化學活潑度

原子失去1個電子，必需消耗一定能量；獲得1個電子則釋放一定能量。

第7族元素，氟、氯、溴、碘是典型非金屬性的元素。它們的原子序數分別是9、17、35、53；電子分別有2、3、4、5層；最外層均有7個電子。以能量的多寡而論，它們得到1個電子比失去7個電子容易得多。因此它們都容易得到1個電子以形成8個電子、穩定電子結構。

原子的電子結合成穩定電子結構時所釋放出的能量，稱爲元素對電子的親和力（affinity）。金屬元素無親和力；非金屬性元素，以第7族典型的非金屬性元素爲例，其親和力以氟最大，以碘最小。爲此，它們的化學活潑性是：氟 > 氯 > 溴 > 碘。

3、第0族元素的原子結構與化學活潑度

第0族的氦、氖、氬、氪、氙氣體，不與任何物質化合，被稱爲惰性氣體（inert gas），（inert是無活動力之意）。英國物理學家Rayleigh（1842－1919）發現了氬。他在兩年中，用凍、火、酸、堿等幾十種方法使其與其他物質進行化學反應，但它始終“我行我素”，堅不“就範”。

這一族其他氣體與氬一樣，正如《老子》：“鄰國相望，雞犬之聲相聞，民至老死，不相往來”，又如《莊子•在宵》：“出入六合，遊乎九州，獨來獨往，是謂獨有”。它們是元素中的“隱士”，爲此氪被命名爲Krypton（希臘文是隱密之意）；氬被命名爲Argon（希臘文是不活潑之意）。

值得一提的是1868年法國天文學家Lockyer（1836－1920），用分光鏡（Spectroscope）對準太陽，發現了一個陌生的黃色線，遂先於在地球發現了氦Helium（希臘文是太陽之意）。

七、結語

1、世上萬物並非雜亂無章，而有嚴謹、深奧的規律，引人入勝，發人深思。元素周期表闡明了元素的規律性，甚至可藉以預告未發現的元素的物理、化學性質。電子有7層、6個方向的軌道；電子旋轉飛快，卻互不相撞。其旋轉的動力從何而來？動力始終不減，從而速度不變而與力學相違，使人困惑不解。正因如此，組成物質的基本的原子，不致破壞，人類得以生存！ 神的智慧高於天（伯11：8）。 神說，“我是全能的 神”（創35：11）。

2、物質不滅定律是 神賦予物質的特性，是人無從掌握的。倘全球幾十億人口坐吃山空，則物質消耗殆盡，指日可待。但物質可轉換、回收，例如世上的人和動物不停地吸進氧氣以供身體之需，呼出二氧化碳的同時，植物進行光合作用，即綠色植物的葉綠素在日光照射下，把水和二氧化碳合成有機物質並放出氧。這樣，氧可取之不盡，用之不竭；二氧化碳不致過剩成災（空氣中的二氧化碳含量固定在0.03％左右。1％的二氧化碳可使人致命）。這是“知識全備者奇妙的作爲”（伯37：16）。 神說，“我要行事，誰能阻止呢？”（賽43：13）

3、任何最先進的工廠的産品，均有在允許範圍數字內的次品、廢品，因人、機器、原材料等均非萬無一失。阿佛加德羅常數，指明任何1克分子的單質或化合物，均有6.02×10²³（6千萬億億）相等數目的分子。例如上述之例，Sn + O₂ → SnO₂ ，由物質不滅定律可以證明：反應物Sn及O₂各有6.02×10²³個分子；每個原子的電子排列，必需無誤，並且完好、無疵，才能使原子全部參與化學反應；才能使生成物SnO₂具有與上述相同數目的分子。若以工商企業家來看，原材料完全合乎使用標準；工藝流程流暢無阻；無損耗，無浪費；成品是100％正品，無次、廢品；這是不可能的。誠然，天衣無縫，因 神說，“我是全能的 神”（創35：11）。 神在創造過程中，聖經多次提到，“ 神看著是好的”（創1：10，12，18，21，25）。

4、原子以失去或獲得電子，形成2、8、18個電子的穩定結構而進行化學反應的現象，是 神賦予原子的特性，否則化學反應不能進行；具有許多化學反應的人體，亦不能存在！“ 神說有就有，命立就立”（詩33：9），是“ 神將生命、氣息、萬物賜給萬人”（徒17：25）的基礎。

5、原子雖小，原子核中尚有中微子（neutrino），超子（hyperon），介子，重電子（meson），重介子（K meson），輕介子（L meson），中介子（neutretto）等20多種，或可能有待發現新的粒子。它們蘊藏著深邃的知識，足以使科學家窮竭心力，畢生鑽研。知識如大海之深，而“ 神的知識奇妙，是我不能測的；至高，是我不能及的”（詩139：6）。

總之， 神所創造浩瀚無際的天體與微乎其微的原子，均有嚴密的結構，井然有序。元素、原子、電子天賦的特性，不但形成完美的物質，且可取之不盡，用之不竭，使人可以存活。 神以知識爲人類所費的苦心孤旨，超越愛心，無以復加。

正如河有其源頭，萬物並非自然而有，“因爲房屋都必有人建造，建造萬物的就是 神”（希3：4）。有人認爲看不見 神，因此沒有 神。 神是聖潔的（利11：44），我們不能見 神（出33：20），但“自從造天地以來， 神的永能和神性是明明可知的。雖是眼不能見，但藉著所造之物，就可以曉得，叫人無可推諉”（羅1：20）。