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。
在華人社會中, 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、易爆性、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)土
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
古印度的哲學家認為萬物皆由地、水、火、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。
古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。
古埃及和巴比倫把水、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),由上方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。
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。
正型標本 : 本室成員研究了近廿載, 可能是世界上最小型及最完善的元素系統收集匣
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
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周 期 |
IA | 本室己收集的化學元素 (1986 ~ 2003) | 0 |  |
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|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 1s |
1 |
IIA |
|
IIIA | IVA | VA | VIA | VIIA | 2 4.0026 |
|
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|
2 |
3 6.941 |
4 9.0122 |
5 10.811 |
6 12.011 |
7 14.007 |
8 15.999 |
9 18.998 |
10 20.180 |
|
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| 3 3s 3p |
11 22.990 |
12 24.305 |
13 26.982 |
14 28.086 |
15 30.974 |
16 32.066 |
17 35.453 |
18 39.948 |
|
||||||||||||||||||
| 4 4s 3d 4p |
19 39.098 |
20 40.078 |
21 44.956 |
22 47.867 |
23 50.942 |
24 51.996 |
25 54.938 |
26 55.845 |
27 58.933 |
28 58.693 |
29 63.546 |
30 65.39 |
31 69.723 |
32 72.64 |
33 74.922 |
34 78.96 |
35 79.904 |
36 83.80 |
|
||||||||
| 5 5s 4d 5p |
37 85.468 |
38 87.62 |
39 88.906 |
40 91.224 |
41 92.906 |
42 95.94 |
43 (98) |
44 101.07 |
45 102.91 |
46 106.42 |
47 107.87 |
48 112.41 |
49 114.82 |
50 118.71 |
51 121.76 |
52 127.60 |
53 126.90 |
54 131.29 |
|
||||||||
| 6 6s[4f]5d6p |
55 132.91 |
56 137.33 |
57 - 71 鑭系 La-Lu |
72 178.49 |
73 180.95 |
74 183.84 |
75 186.21 |
76 190.23 |
77 192.22 |
78 195.08 |
79 196.97 |
80 200.59 |
81 204.38 |
82 207.2 |
83 208.98 |
84 (209) |
85 (210) |
86 (222) |
|
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| 7 7s[5f]6d7p |
87 (223) |
88 (226) |
89 -103 錒系 Ac-Lr |
104 (261) |
105 (262) |
106 (266) |
107 (264) |
108 (277) |
109 (268) |
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鑭系元素 4f |
57 138.91 |
58 140.12 |
59 140.91 |
60 144.24 |
61 (145) |
62 150.36 |
63 151.96 |
64 157.25 |
65 158.93 |
66 162.50 |
67 164.93 |
68 167.26 |
69 168.93 |
70 173.04 |
71 174.97 |
|
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鑭系元素 5f |
89 (227) |
90 232.04 |
91 231.04 |
92 238.03 |
93 (237) |
94 (244) |
95 (243) |
96 (247) |
97 (247) |
98 (251) |
99 (252) |
100 (257) |
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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!
鍀
(Technetium, Tc) - 半哀期:
2.13 x 105年
鉕 (Promethium,
Pm) - 半哀期:
17.7 年
鐳 (Radium,
Ra) - 半哀期:
1602 年
錒 (Actinium, Ac) - 半哀期:
21.77年
鏷 (Protactinium, Pa) - 半哀期:
3.25 x 104年
鎿 (Neptunium, Np) - 半哀期:
2.14 x 106年
鈈 (Plutonium, Pu) - 半哀期:
8.3 x 107年
鋦 (Cerium, Cm) - 半哀期:
1.56 x 107年
錇 (Berkelium, Bk) - 半哀期:
1.4 x 103年
鐦
(Californium, Cf) - 半哀期:
898 年
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, 砹(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
主要參考文獻
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