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穿越150年淺談金屬元素

 


文/古建國

科學是先人的發現和經驗的不斷累積與持續研究發展而來。以元素為例，先發現不同種類元素，再瞭解每種元素的特性，累積其基本知識，透過分類與歸納，找出規則性，最後可以得到系統性成果。

1869年門得列夫（Dmitri Mendeleev, 1834-1907）根據當時已知的原子量大小，依據其大小順序排列，同時將性質相近且原子價相似的元素上下排成縱列（即為現在所稱的同族），探究其元素的週期性並排列成表，完成現在我們看到的元素週期表，並根據此表預測12種尚未被發現的元素。門得列夫並於1868~1870年發表《化學原理》，用此週期說明了無機化學的基本原理。在這段年間，中國出版了兩本化學的書，第一本為1870年（清穆宗同治九年）化學書籍《化學初階（第一、二卷）》(見圖1)，這本書是由美國嘉約翰(John Kerr)口譯，羊城何瞭然筆述，並由廣州博濟醫局出版，內容屬化學的無機部分，1874年出版第三、四卷，內容是實驗教學內容。第二本本是1875年由徐壽所寫的《化學鑑原補編》(以下簡稱第二本書)，也是談無機化合物,敘述到1875年發現的新元素鎵 (Ga)，這兩本書雖然沒有用到化學式或反應式說明化學反應，但閱讀時同時參考週期表各元素的相對位置，更能領悟文字對化學原理的描述。

圖1. 化學初階（二卷）(來源：翻拍於內蒙古師範大學)

在這兩套書出版近150年前夕，本文配合聯合國大會將2019年定為「國際化學元素週期表年(IYPT)」以彰顯門得列夫在1869年的重大發現對全球文明進展的貢獻，淺談幾則當時對金屬理解程度，使更能體會週期表是很多人努力由來。因緣巧合下，筆者於2017年到內蒙古師範大學交流，偶遇這兩本書，列舉兩本書(以下簡稱第一本書)提到金屬和部分金屬元素與現行國中自然科介紹相關內容的對照，讓現在國中學生一窺兩本書中的
奧秘，並了解原來現在談到金屬其化合物反應相關內容，早在近150年前化學書籍就出現了，希望能引起學生對元素學習興趣。

1. 金屬
化學初探談到當時的金屬共有44種，半數是化學家所用，在日常生活中通用的金屬不多，約14種，例如金銀銅鐵……，但比太古以前所知七種還多。第一本書中說：
金之類四十四種，世間恆用者不多品也，四十四中，半歸化學家所用，然亦非日所恆需，其外為世通用止十四種，如金銀銅鐵等是也，太古僅知金類七種，即華之金銀銅鐵錫鉛汞是也。

金屬有別於非金屬，並列舉金屬的性質，包括金屬會造成光的反射：「金之類能返光，返光以鋼與水銀為最佳」。
金屬具有較佳的導電與導熱特性以及比重概念：「金之類不過光而傳熱電、重數或比水較輕，或比水較重……」。
另外也談到金屬具有質硬性質：「論剛硬首推鈦與錳，此二物比鋼硬有加，……」。
以及金屬型態，包括液態的金屬：「流質者汞」。
第一本書也提供一些實驗裝置，例如製鐵爐和鍊熟鐵等(見圖2)。另外也介紹檢驗金屬的方法，例如驗氧化銅(見圖3)。

圖2. 冶鐵爐與鍊熟鐵(來源：翻拍於內蒙古師範大學之《化學初階》)


圖3. 驗銅養(來源：翻拍於內蒙古師範大學之《化學初階》)

2. 黃金
第一本書談到黃金具有展性，可以將黃金打成薄片，同時黃金具有延性，可以將黃金拉成線，第一本書還比較黃金與其他金屬延展性的順序：「能開片張最多者，則如黃金等，今列級如下：金銀銅錫…，扯線最佳者列級如下：金銀鉑鐵……」。
另外，第一本書特別談到黃金的延性，一兩黃金可以拉210里長：「黃金每兩能扯二百一十里之線」。

3. 銀
第二本書卷六中描述銀於空氣中並不活潑，加熱亦同，但會與一些物質反應形成化合物：
銀雖不收空氣內之養氣……銀綠此質之取法用鐵綠，遇銀即成其式……銀溴為知李國所產之礦，係罕見之物，……遇乾空氣或溼空氣俱不能收養氣，雖加大熱亦不收養氣，若遇電臭氣，即收養氣，或遇輕硫氣，色乃變暗，因成銀硫……。

另外銀的質地軟而容易磨損，所以製造銀幣時候必須要加銅，不同國家銀幣加的銅也不同，例如英國與法國就不一樣：然其質軟而易致消磨，故以銀造器必加純銅少許，若製錢幣又有定率，英國之例，
每一千分，銀居九百二十五分，銅居七十五分，法國之例，銀居九百分，銅居一百分』。

第二本書卷六中談到鍍銀，採用電鍍法，將欲鍍物放在陰極之銀離子溶液中進行電鍍：
鍍銀之法：將賤金類作器而浸於銀水之內，外面即黏銀一層……將欲鍍之器接連於發電器之鋅片，即負極點，電氣能分開其鉀衰與銀，故銀必在器面粘結……。
第二本書卷六談到銀有很好傳導性，與第一本書描述(見圖4)一致：「銀為傳電氣最易之質」。

圖4. 《化學初階（二卷）》所繪鍋銀(來源：翻拍於內蒙古師範大學)

第二本書卷六談到銀硫為黑色物質，若將銀和硫一起裝在罐內，蓋緊蓋子並加熱會形成銀硫，俗名是亮銀礦，外型包括方形顆粒與八面顆粒且質軟可塑：
產銀之礦，五種最多，俗名亮銀礦，其光色極美觀，有方形顆粒……凡含銀之水遇輕硫即變銀硫，為黑色之質……銀硫其質軟而可打薄，又可用模打成杯形或錢形……。

4. 鉛
第一本書（二卷）對鉛也多所描述(見圖5)，例如介紹元素符號為Pb，鉛來自於礦石，藉由採礦鍊成鉛：「礦多鉛，鉛礦，中華所產，甚盛，此等鑛長兼產銀、鍊法以礦泥研細置倒燄爐中，所傾銷而成」。

圖5. 《化學初階（二卷）》之鉛與製鉛粉(來源：翻拍於內蒙古師範大學)

鉛柔軟，顏色藍白，有不錯延展性：「成薄片，牽為線」。
鉛受熱至攝氏三百多度即成液體，冷卻後會縮第一本書也談到鉛具有毒性，可由飲食進入人體：「鉛雜質入身，毒極酷烈厥毒漸積至十年或數十年乃發，疾劇者軟腹痛軟風癱等症」。
因為鉛具有毒性，特別提醒從業人員，例如油漆工，常會有機會接觸鉛化合物，要特別注意：「凡鉛作油漆等匠及藉由管透汲者均應加倍留意」。
第一本書中還特別介紹如何檢驗水中是否含鉛，列出幾種檢驗方式，例如其中一種是加入硫酸根離子形成白色物沈澱，因水不能溶解：「將其水加磺養數滴，若果函鉛則磺氧合鉛而成白粉墜底，此物即鉛磺養」。

5. 錫
第一本書談到錫元素符號為Sn，產地不多，分布於英國及孟加拉、中國雲廣等地方。質地不硬具延展性：「質不甚硬能搥成極薄之片」。
錫的顏色為銀白色，具有反光性，屬於不活潑金屬：「色白如銀、返光、與養氣不甚牽合，常熱非濕不易發繡」。
錫的熔點不高，受熱會融化成液體，燃燒的時候會發出白光並形成氧化錫：「易鎔為液……受熱至二百二十八分則鎔……焚時發白光而化為錫養」。

6.汞
汞在常溫為唯一的液體金屬，於負39度為固體，660度為沸點：金類之質能在平熱度內鎔為流質者祇此一種，受冷負三十九度使結定質，故最宜於寒暑表並風雨表之，其沸點界為六百六十度……。
英國不產汞礦，產汞礦國家有奧地里、西班牙、中國與舊金山等，其礦為汞硫，即朱砂，而純汞在土石之地會結成小圓粒：「汞硫即朱砂，或在土石內之四處結成小圓粒，間有純汞」。奧地理國將汞硫加在窯內加熱處理(見圖6)，會形成硫氧與汞。

圖6. 製汞之窯(來源：翻拍於內蒙古師範大學)

汞與氧作用可以得到兩種的氧化汞：一種是紅色氧化汞，一種是黃色氧化汞：「汞與養化合有二種，為己知者即汞養與汞養，此二質能與配質合成鹽類質」。
汞如果加熱溫度低於分解溫度，汞與空氣結合，生成黑色物質，即為氧化汞，取出冷卻後顏色轉為紅色：「汞久加熱至沸借再令多遇空氣，面上生黑色之質，即汞養，取出待冷變為紅色……」。

7. 其他金屬與化合物
第一本書也提到多種金屬及其氧化物，說明如下：

（1） 含鉀和氮與氧原子的硝酸鉀：「
鉀養淡養俗名硝，鉀養淡養再漸化分而發出淡氣與養氣，餘賸者即為本質」。
（2） 含鈉和氮與氧原子的硝酸鈉，又名秘魯硝：「
鈉養淡養俗名方粒硝，又名秘魯硝」。
（3） 其他還有：「
鎴養淡養俗名紅火硝……鉍養淡養輕養俗名片白……銀養淡養俗名月色各息的」。

兩本書也描述非金屬元素，例如炭（碳）、淡（氮）、輕（氫）、養（氧）、綠（氯）、溴、碘等的基本性質、化合物與相關反應，尤其是這些元素看似彼此獨立，但有些元素卻彼此相似，若能參考門得列夫所提出的週期表，會有眼睛一亮感覺，更能理解書中對化學原理的描述。故建議剛接觸化學的學生，在學習的時候能參考週期表，當然心中也要好好感謝門得列夫。








古建國
臺北市立大學應用物理暨化學系教授