收集者并序

 


原子: 鉑 (Pt) 針狀結晶的場離子顯微鏡照片(x200萬倍), 每個光點代表一個(或簇)原子 [圖片錄自參閱文獻]

 

化學元素為延陵科學綜合室的研習基礎, 它直接影響了本室成員的發展。如以古稀之齡算之, 今天筆者仍未及半數, 雖未到達對月悲風的落幕之年, 但人生經驗就是這樣: 多少風流人物隨歲月消磨, 世情似今是而昨非,  回首前塵有如夢蝶之感。

收集化學元素的興趣, 始終八六年的少年時代, 按當時的可搜尋種類很有限, 後來獲一位中學化學老師的所贈的鎂和溴元素, 同年五月三十日,  所有元素樣本意外被摧毀,  成為延陵科研史上的大浩劫! 事件發生後, 少年時代的復原能力確實很高, 到了暑假結束的九月前, 不僅尋回散失的所有品種, 還增添了鈉、鉀和鈣等金屬的藏品, 但由於缺乏儲存知識, 同年八月下旬因氧化作用而報銷。由於收藏條件的限制, 各種樣本僅收取少量, 可以大大提供安全性, 這種習慣一直沿用至今。

人社會中, 收集元素似乎不是一般收藏者的興趣, 它祗是少數中學以至大學的實驗室為了示教而為之。但是在歐美國家, 私人的元素收藏者卻不乏於見, 他們當中的一些人對化學元素的熱誠與付出, 可謂使筆者汗顏!

筆者對收集元素可謂情有獨鍾, 但必須在此聲明: 敝室絕不鼓勵讀者貿然展開化學元素的收集之旅, 因為元素的性質各異, 對人體及環境的影響極為複雜: 強腐蝕性、易燃性、易爆、劇毒性以至放射性等的元素星羅棋佈於週期表中。收集者必須先了解所要收集元素的特性, 對環境的影響, 評估過風險之後才有為之。 如果為了收集而使自己以至他人身體受傷, 摧毀自己的家園, 或破壞生態等等, 這一切都不是筆者所願見到的!  應該再要闡明: 化學元素的標本是具有活性的物質, 它們不是一般的藏品, 更不是玩具, 一旦把它們兼收并儲, 便要對它們他人以及自己負責。


中華文明的五行學說

     
五行學說的各種元素 
(左) 金    (中)木     (右)水

   
 
(左) 火    (右)

中國自古以來已經對萬物的組成產生多種解釋, 其中以五行學說, 流傳最廣。五行為金(Metal)、木(Wood)、水(Water)、火(Fire)、土(Earth), 是構成人世間萬物的基本"材料"。按現時的科學闡釋當然是不盡可能, 但無可置疑: 從人類在長期的演化過程中, 這五種"材料"確實是生產勞動中不可或缺的部分。水是生命之源, 孟子曰: 民非水火不生活, 昏夜扣人之門求水火, 無不與者。金屬、木材及火作加工媒介, 人類依賴它們製作工具。草木為糧食之來源, 更能用它們製他舟車及農具, 更複雜的人工製品, 如陶瓷, 則來自水、土和火, 由於木(指木炭)、火和石(指某幾種礦石)的相互作用, 可獲得金, 金是製造強力工具的材料, 逐漸地, 人們總結以下定律:

天生五材, 民并用之, 廢一不可

 戰國時代之後, 五行學說已發展到相當成熟的階段, 之後與"陰陽之說"結合, 形成了"陰陽五行"之說, 這學說一直影響中華文明長達數千年之久

其他古文明的學說

印度的哲學家認為萬物皆由地風(氣)四種要素加上"以太"(空間)構成, 這和下列古希臘的學說很相似, 也許是源襲而來

希臘文明對元素闡釋為: 四種基本性原始物質, 分別是冷(Cold)熱(Hot)、乾(Dry)、濕(Wet), 其中兩者雙雙結合, 便會形成土、水、氣、火。四原素按不同比例結合, 便會形成各類物質
冷 + 濕 -> 水;   熱 + 乾 ->火;  冷 + 乾 -> 土; 熱 + 濕 ->氣(風), 這稚學說稱為四原性說, 後來的大哲學家亞里士多德(Aristotle, ca. 384~322BC)極力的支持, 到了中世紀還奉為經典, 但科學的黎明時代, 它便遭受嚴峻的考驗了

埃及和巴比倫把水、空氣及土視為構成世界物質的原始


概 述

1986年和1989年化學元素標本展示模式的演變

本室自1986年開始收集各種元素, 而收集元素的定義乃獲得并成功保存該元素的單質狀態 (本室喜歡稱為元素)為準, 為達到此目的, 必須以各種化學方法如熱化學分解電化學分離等方法進行化合物分離, 并以特徵的定性化學分析進行確定, 所得元素再經幾次提純, 所得物質被熔封於玻璃管內, 以作長久保存, 而活潑性強的金屬元素 (如鹼金屬等) 必須以煤油保護或以惰性氣體灌注玻管作為保存劑, 方能使原有光澤保持以適於展示。


超新星爆炸與元素的形成

太陽的連續光譜 ~ 弗朗和斐線 (Fraunhofer's lines)

太陽及類似星體的形成

星間物質 (質子?) 在無盡的宇宙中互相吸引而聚集, 當質子密度為1~100000/m3時, 新生星的 "星卵" 已告形成, 當星卵的質子聚結至某一大集團之時, 其內部溫度便會昇高, 當溫度高達100000K時(絕對溫度或凱氏度), 便可能引發猛烈的核反應 : 2 1H(游離質子,氫核) -> 2He(氦核),由上程式可推敲出宇宙中氫及氦元素佔所有元素的90以上的原因之一。氦核形成後形成巨大的核聚變, 更產生進一步的驟變, 從而形成碳核(6C),氧核(8O)及其他更重的元素核子, 而一部分能量則由光及熱的形成, 星體便變為發光體, 太陽就是這樣的一個發光星體, 估計發生核驟變的時間已有50億年。

超新星爆炸及元素種類的分化

因於核聚變不斷形成較重的原子核, 大部分星光由於存在大量重原子核而引發極為急劇的核裂變反應, 而發生猛烈的超新星大爆炸, 結果大量的重原子核在極短時間內被破壞, 大部分粒子恢復故有的單質子狀態(氫核), 星系之間遍佈很多不同種類的輕原子核, 而且還會形成一些未能分解的重原子核, 這團"核塵"結為塊狀狀態飄蕩在星際空間, 密度巨大的原子核塊狀結構形成白矮星及中子星。

由於星體的榮衰, 伴隨不斷的原子核作用,各種不同的原子核亦不斷形成及被毀滅,這種周而復的作用, 雖然各個星體的元素豐度會隨時間而產生變化, 但一般的比例還是較為相近的。

地球的物資大部分處於中間層及地核中,就地表的天然元素而言, 至今已確定的約有90多種, 其中43號及61號因核穩定差而不見於地球表面; 超鈾元素亦可能因壽命短而早已於這星球中絕跡了。


氣體元素的收集

本室自1986年起以排水收集各種氣體: 氫(H2)氧(O2)氮(Cl2)及短期收集氯及二氧化碳(CO2)等作為化學實驗之用, 由於上述氣體較容易製備, 排水收集僅作暫存之用, 而進行長期保存則為另一碼事。 為解決長期保存氣體元素所遇到的問題, 曾進行多次的試驗而最終總算獲得較滿意的結果, 其法如下: 首先將一段玻管在其中央部分以高溫將相隔某距離 (該距離為氣體的儲存容器) 的兩處燒至接近融合 (必須留有狹窄通道), 然後小心地把玻管其中一段與氣體發生器相連; 另一後藉膠喉接入水中, 以防止空氣的侵入, 裝置安裝完備後, 啟動氣體發生器,待氣體發生完畢後 (以證明玻管內空氣被排去, 全段玻管皆充滿待取元素氣體, 發生器由於接往水中, 故可藉無氣泡從水中溢出以確定反應停止),以較低溫 (~攝氏300度) 的尖點熱焰融合玻管兩端 (必須先融合近發生器的一端,後融合近水的一端,以減低實驗的危險性), 融合的正常過程必須可見破管呈"v"形合併而非開缺後再合併, 再者可能氣體在高溫時已發生了化學反應而實驗已告失敗! (必須注意融封氫元素是極端危險!!)


非氣體元素的收集

除氣體元素外, 其他物態的元素的融封已稱無甚難度可言, 一般皆採用在預先融合一端的玻管中將元素投入或注入(液態元素如溴及汞) 後融封另一端而成。由於溴元素的危害性很強, 必須在上述玻管的另一端預融合至僅留狹窄通道, 再小心把溴注入管內, 繼而融封, 此舉可將融合溫度及時間大為降低, 減輕實驗的危險性, 汞亦可採用上法。容易氧化的金屬元素可以煤油浸漬後融封, 而黃磷則以水作保護媒介; Ia, IIa族及稀土金屬(如鑭及鈰)及鈾則以氣體法以充入惰性氣體 (如氦或氬等) 作保護氣氛。


元素的自然分類

圖片展示了本館所藏各種元素的樣本, 為使讀者清楚各元素的外觀, 拍攝者己從眾多的照片中選取最能表現原色狀態的作品, 即使如此, 本志所示元素的外觀可能有異於其他化學的文獻描述或照片, 這與樣本的物理狀態有關(特別是金屬的密緻性不同,其光澤有明顯的差異); 而且元素被封藏於玻璃管內, 加上拍攝時的採光情況不同等, 亦是主要原因, 敬請留意


同位素與同素異形體

    

[左] 氘 (Deuterium) 氫的同位素  [右] 幾種元素的同素異形體 (延陵自然歷史博物館藏)

具有相同質子數而質量數不同的原子品種, 它們被歸納為同一種元素, 同種元素的各同位素的化學性質基本相似(但不是相同),但物理性能卻有明顯的分別。

英國放射化學家F.索迪 (Frederick Soddy, 1877~1956) 研究天然放射系的各種核素的化學性質時, 於1913年提出同位素(Isotope)的理論, 并於1910年引入放射性同位素的概念。

人類對同位素的進一步研究, 不僅製造了不少具有特殊用途的人造同位素, 以至不存於自然界的人造元素; 最為人所熟知的碳同位素的古物鑑定法是基於碳-12(C-12)與碳-14(C-14)的不同比例確定被測物件的大概年代。自然界中, 同一種元素大多由各種 (有些僅一種) 同位素按比例混和在一起,構成了物質世界,化合物被分解而其組成元素部分時, 有些品種的元素的原子由於處於不同的條件而形成不同的分子結構, 從而形成同一種元素構成不同性質的物質系列, 這系列物質稱為同素異形體(或 同素異構體)。

這類型的物質群具有相同的化學成分, 其物理及化學性質皆有的差異, 例如世界上最硬的物質金剛石, 脆性的石墨以及有機物不完全燃燒所產生的碳黑, 都是碳元素的同素異形體。元素的同素異構現象發生於III A ~ VIIA族中最為明顯, 其他族類的元素亦有之。


延陵化學元素標本

正型標本: 本室成員研究了近廿載, 到了2010年以前可能是世界上最小型及最完善的元素系統收集匣, 但近年來不少元素收集者製作的週期系統更為精美, 但若以元素種類和同素異形體的的完善情度而言, 本藏仍算手屈一指的

副型標本 : 可以拿在手上觀摩的元素, 按原子序數排列在塑膠匣中, 該匣被保護於木製的盒內

部份供研究用途的元素及副型標本

 


後記

 

迄今為止, 當前人類知的百多種化學元素中, 鈾為已知最重的天然元素, 超鈾元素都是以人工合成, 而半衰期甚短, 它們一般都是頂尖國家級理化研院中的昂貴"玩物"。一般而言, 元素的原子序數越大, 核內中子及質子數目越多, 當中-質子數量比例不和而彼此產生排斥時, 原子核因不穩定而蛻變, 最後形成別的元素。但有學者假設: 原子序數達到某一數序後的元素可能存在於 "超穩定島" 的區間內, 此時的極重元素反形成超穩定結構的原子核, 人們或許還在苦心研究, 為迎接 "超穩定島" 元素而努力!

2002年10月的補注曾言道: " 本室現已完全終止對未知元素的探索, 對於多年辛勤但始未能分離的氟元素, 亦祗好擱下分離計劃, 因為此舉實在太危險了 , 回顧 2000年7月, 找到了鈾元素, 同年9月及11月, 把最後可收集的兩種稀土元素(Tm, Lu)納入系統 ,所有可供研究的天然元素己經全部獲得! ", 但到了2003年4月起, 本室得到美國的化研者協助, 成功獲得釙、鎇及氟元素, 以間接法收集且展示氡元素似乎是唯一的可行方法, 在可見的將來, 我們會繼續努力, 務求將鐳、錒、鍀、及可以穩定存在的幾個錒系成員收集, 果真如此, 將擁有人類已知所有化學元素而且可以收集的一切!

(Technetium, Tc) -  半哀期: 2.13 x 105
(Promethium, Pm) -  半哀期: 17.7
(Radium, Ra) -  半哀期: 1602
(Actinium, Ac) -  半哀期: 21.77

(Protactinium, Pa) -  半哀期: 3.25 x 10
4年 
(Neptunium, Np) -  半哀期: 2.14 x 10
6年 
(Plutonium, Pu) -  半哀期: 8.3 x 10
7年 
(Cerium, Cm) -  半哀期: 1.56 x 10
7年 
(Berkelium, Bk) -  半哀期: 1.4 x 10
3年 
(Californium, Cf) -  半哀期: 898

上述元素為本室未知而人類技術範圍內可收集的全部種類, 除此之外, (Astatine)、鈁(Francium)及其他幾種錒系成員因為半衰期甚短(由數分鐘至少於1年), 人類無法收集可見質量進行研究, 迄今為止, 似乎未有人目賭它們甚至其化合物的真面目, 除非可以發現它們的穩定同位素或能研究 "原子核能量凝結技術" 阻止核內自發性的衰變, 否則人類將無法駕馭它們!

這是一個妙想天開的要求, 但實踐總先寄居在夢幻之中, 我們這輩人不能為之, 子孫輩是有可以將之真現的

最後, 本室僅此向多年支援本室成員化學研究的各方人仕深表謝意 !

2002年10月補注於 延陵科學綜合室


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