益智化學續編

本書分成「對化學元素的一些新認識」、「多了解水」、「化學與生活藝術欣賞」、「聚合物」與「認識能源」五個單元。「對化學元素的一些新認識」共七篇，分別介紹氫、氦、稀土金屬與鈾的特性與用途，以及2011年國際化學聯合會（IUPAC）對原子量所下的新定義等。「多了解水」也有七篇，除了水的多種性質，還介紹了水資源以及與永續發展的相關性，並破除「磁化水」等迷思。「化學與生活藝術欣賞」的四篇中則介紹如何留住花香，化學和提琴美音的關係，及串珠綴成化學分子模型之藝術等。「聚合物」之三篇文章乃較為深入介紹一些常用的聚合物，並說明兩年前不肖商人掺入食品的「起雲劑」真相。「認識能源」有四篇，包括〈石油用完了怎麼辦〉，介紹核能與核能發電，及輻射作用等正確知識，並請參看第一個單元中〈蘊藏巨大能量的元素—鈾〉一文。各單元之文章序列依《科學月刊》刊出時序而定。內容只有少數曾予刪節，唯第三單元的「珠璣化學」一篇，特煩原作者補充與增圖，俾使讀者更易了解。
最後要說明，因所輯各篇常為不同作者所寫，難免偶有重複，盼讀者見諒；若對選文內容有意見，請與出版者或編者聯繫。

主編 劉廣定
臺灣大學化學系畢業。美國普渡大學博士。曾任臺灣大學化學系教授、國科會自然科學發展處處長，現為臺灣大學名譽教授。

曾獲教育部理科學術獎，中國化學會學術獎章，中山學術著作獎。並膺選英國皇家化學會會士(FRSC)，中國科學院自然科學史研究所「竺可楨科學史講席教授」。曾發表化學論文百餘篇，文史、教育、科技政策等其他論著約兩百篇。已出版《中國科學史論集》（2002年），《化外談紅》（2006年）等。

A. 對化學元素的一些新認識
什麼是「元素」？ 劉廣定
認識化學名辭的正確意義—以「原子量」為例 劉廣定
不知「氫」重？ 施建輝
我就是第一名—神奇的氫原子 宋文德、李芳靜、王文竹
最優良的冷卻劑—氦氣 古煥球
工業的維他命—稀土金屬 陳登銘
蘊藏巨大能量的元素—鈾 柯廣裕
B. 多了解水
能量水、磁化水的迷思 林秀玉
永續發展教育與水 劉廣定
水資源與水科技 周珊珊、張王冠、黃盟舜、陳建宏
從水天一色談溫室效應 劉廣定
二氧化碳濃度與海水酸化 陳鎮東
萬水行化學—水樣酸鹼值，全民一起來 劉陵崗
至弱莫若水 至強莫若水 王文竹
C.化學與生活藝術欣賞
誰能複製完美琴音？—歷時兩百年的另類口水戰 葉偉文
從分析化學看義大利名琴塗漆—價值兩千萬美金的祕密 戴桓青
留住花香 吳淳美
珠璣科學—八字編與正多面體 金必耀、左家靜
D. 聚合物(與塑化劑)
乙烯聚合物的真情告白—化學大分子的魅力 陳宗應、陳品嫻、陳幹男
起雲劑和塑化劑 王文竹
塑膠時代的必備常識 黃景忠、陳幹男
E. 認識能源
蘊藏在原子核中的能量—充裕、高效的能源 李敏
福島核電廠輻射外釋事件—灰色的春天 魏和祥
幅射與生活 張仕康、門立中
石油用完了怎麼辦？ 高憲章、王文竹

什麼是「元素」？
劉廣定

科學中「元素」一詞乃自element譯成。台灣的中學化學教科書通常將「元素」定義為「純物質的一種〔註一〕，由一種原子所組成，不能再以任何化學方法將其分解成其他物質。」但這實於「原子」的定義相似。又有「同素異形體（allotrope）」表示「由相同元素原子構成，但性質、結構有差異者。」這樣的定義對初學者，或非化學相關專業者是容易造成混淆的。例如氧氣（O2）常簡稱氧，和臭氧（O3）是「同素異形體」，依定義，兩者都屬於「元素」。然而，臭氧易因光分解成氧原子（O ．）和氧氣（O2），氧原子（O．）與另一臭氧（O3）反應生成兩個O2。即：
2 O3→3 O2，而與定義不合。

按照國際純粹及應用化學聯合會（IUPAC）對「化學元素（chemical element）」的定義有二：

1.原子的一種，其所有原子的原子核中的質子數皆相同。
2.一種由原子核中的質子數皆相同的原子所組成的純化學物質。有時稱為「elementary substance」以與前一定義區別。化學元素的這兩個概念是經常並用的。

大陸的「中國化學會」1980年將elementary substance 譯為「單質」以與「化學元素」定義1有所區別。並說明：

「單質名稱一般均與元素相同。通常為氣態的單質元素可稱為某氣，例如氫氣。金屬單質可在元素名稱前冠以金屬二字，例如金屬鈉。非金屬固體元素的後面可以加一素字，例如碘素。此外，在行文中也可以適當地採用一些慣用的雙音單質俗名如黃金，硫磺…等。」

拙見以為改用「單質」表示只含單一元素的純物質不易造成混淆，利於學生學習。建議今後中學教科書予以採用。

[註一]另一種純物質為化合物。

認識化學名辭的正確意義—以「原子量」為例
劉廣定

科學家創用新的科學名辭時，必會賦與一定的意義，這就是此一新名辭的定義。但在科學發展的過程中，不同的科學家可能對於同一名辭給與不同的定義，也可能對於同一定義使用不同的名辭。

約自二十世紀開始，許多國際性的學會陸續成立，例如1911 年成立的國際純粹及應用化學聯合會（簡稱IUPAC）。其目的之一即是討論、協調，謀求科學名辭及其定義的統一，以利溝通與了解。經過不同國家代表組成相關委員會通過後，即可視為該學科國際共同認定者。IUPAC 編有《化學辭彙》（IUPAC Compendium of Chemical Terminology），隨時補充、更新〔註一〕。該會制定的化學名辭，名義上雖僅是「推薦（recommendation）」而無強制性，實際上幾乎是世界各國一致遵照採用的。

然而近來筆者發覺有些中學化學教科書〔註二〕對於某些化學名辭的定義或解釋，與IUPAC 推薦的不一致，將有礙學生日後之進階學習。本文先說明「原子量」一辭之正確意義以及其最近發展，以供讀者參考。

從國中化學介紹原子開始，教科書就講到原子量。原子量的英文是atomic weight ，但實際上與「重量」（weight）無關。這是因為1808年道耳吞出版他的《化學哲學新體系》第一部分時就用「原子量」來表達原子以氫為1的相對重量（relative weight），而沿用至今。1961年IUPAC通過以一個碳–12同位素原子的1/12 為原子質量單位（u）〔註三〕。其他的元素，如氟的穩定同位素只有氟–19，它每個原子的質量為18.9984032u ，故原子量為18.998（5 位有效數字）或19.00（4 位有效數字）。其他有不只一個穩定同位素的元素原子量即以其各種穩定的同位素，依天然組成比例與u 比較而得。例如銅有銅–63（69.174％）和銅–65（30.826％）兩種穩定同位素，原子質量分為62.930u 和64.928u ，因此銅元素的原子量為：
69.174％ × 62.930
＋ 30.826％ × 64.928
＝ 63.546 （5 位有效數字）
或63.55 （取4 位有效數字）

依定義，原子量乃一相對值，是沒有單位的。有些中學教科書說某元素的原子量為若干u，或若干amu，都是錯誤的表達法，甚至可謂畫蛇添足。

然而，這種定義和表示法都會造成學習上的困惑。就名辭本身而言，既是weight 怎麼沒有單位？在化學計量上，1莫耳銅的質量為63.546公克，這個單位又是怎麼出現的？初學者都不易了解。過去IUPAC 曾幾度組成特別委員會，討論原子量的定義和用法，但都未得到結論。反對修改者所持之一理由是「所有化學家都了解它的意義」。可是，學生並非化學家，故近年來有些美國的教科書已經不用「原子量」這個名辭而改用「相對原子質量」或「原子質量」，以利教學。實際上， IUPAC 在1961 年的辭彙已用：元素的相對原子質量（也稱為「原子量」）。定義是：相對於碳–12原子質量的1/12為某元素原子的平均質量〔註四〕。我們的中學教科書課程綱要卻仍規定用「原子量」這個不適於教學的名辭，教科書的編者也未加特別說明，實應有所改進。

IUPAC 每隔一年會經特定的委員會討論後提出新的「原子量」表，也稱為「標準原子量」表，約一年後通過後公布。最近的一次是2009年提出，2010年12月通過後在網路上公布，並於2011 年2 月出版的《純粹和應用化學》期刊（Pure and Applied Chemistry）刊出，爾後又有補充說明。其中有兩項重要改變：
一、由於近年發現在不同地區有些元素的同位素分布並不一致，現已確定的有氫、鋰、鈹、碳、氮、氧、鎂、矽、硫、氯、溴、鉈十二種。故這十種元素的原子量並非定值，如表一。

(表一：原子量非定值的十二種元素)

原子序 元素名 符號 2013 原子量範圍
1 氫 H 1.007 84 -- 1.008 11
3 鋰 Li 6.938 -- 6.997
5 鈹 B 10.806 -- 10.821
6 碳 C 12.0096 -- 12.0116
7 氮 N 14.006 43 -- 14.007 28
8 氧 O 15.999 03 -- 15.999 77
12 鎂 Mg 24.30 -- 24.31
14 矽 Si 28.084 -- 28.086
16 硫 S 32.059 -- 32.076
17 氯 Cl 35.446 -- 35.457
35 溴 Br 79.90 -- 79.91
81 鉈 Tl 204.382 -- 204.385

須注意的是，是否必須考慮其變化值，乃依有效數字的位數而定。以氫為例，如取5位，則1.0078與1.0081有差，但只取4位時，都是1.008 並無差異。但對硼而言，無論取4位或5 位，都是有變化的。