看得到的化學（全球暢銷破百萬本紀念版）：你一輩子都會用到的化學元素知識

名人推薦：專業人士推薦
「這本元素書的風格和內容令其他所有元素書相形失色。」──諾貝爾化學獎得主／羅德．霍夫曼（Roald Hoffmann）

「這是我所讀過關於化學元素最多采多姿的一本。結合了每個化學元素關鍵的資訊，以及幽默動人的文字，讓閱讀平添樂趣。恭喜葛雷創作一本科普的傑作！」──在英國倫敦大學教授化學長達25年，《口紅、鑽石、威而鋼》作者／約翰．艾姆斯利（John Emsley）

「這本書不只是化學元素入門，它能使你更加欣賞組成這個世界的物質其內涵。」──前紐約大學醫學院神經科學教授，《睡人》、《錯把太太當帽子...

氫
閃耀的星光，是星星將大量氫氣經化學質變轉換成氦氣所產生的效果。單單是太陽本身，即以每秒消耗6億噸氫氣的速度，轉換產生5億9,600萬噸的氦氣。想想看：每秒消耗6億噸，即使在夜晚也如此，很驚人吧！
但除了產生氦氣之外，其他每秒消耗的400萬噸氫氣跑哪兒去了？依據愛因斯坦的質能不滅定律：E=mc2，這些氫氣轉換成能量，並有將近每秒近乎相當於3.5磅的能量抵達地球，形成黎明的曙光、夏日午後的暖陽和晚霞的炫紅光采等。
太陽如此驚人的大量消耗氫氣，是讓人類能延續生命的關鍵。但氫氣對人類生存的重要性，就我們的認知，應是源自於日常的生活環境。氫氣與氧氣結合為水氣，形成天空中的雲朵，和陸地上的海洋、湖泊和河川。氫氣與碳（6）、氮氣（7）、和氧氣（8）結合，則形成了血液和所有生物的身體。
氫氣比氦氣還來得輕，它的重量是所有氣體中最輕的，價格也便宜許多，因此早期曾被誤用在飛船上當燃料，例如：不幸失事爆炸的德國興登堡（Hindenburg）飛船。你可能早已耳聞，在當年此飛船完成的壯舉，和在空中墜毀造成嚴重傷亡的慘劇。但實際上，受難者是因高空墜地而亡，並非被氦氣燒死。因此用氦氣作為運載工具的燃料，比用汽油當燃料來得安全。
氫氣是含量最豐富、最輕也是最受物理學家們喜愛的氣體，因為就量子力學模式而言，氫氣僅單純含有一個質子和一個電子，操控簡易而確實。相較於含有兩個質子和兩個電子的氦氣，物理學家大多兩手一攤，讓化學家接手處理。

氦
氦氣的英文命名，是源自於希臘太陽神Helios。由於首次注意到它的存在，是顯現於太陽光譜中的黑線。在當時，並無法用任何已知存在的化學元素去解釋這些黑線。
這看似有些矛盾，此常用來作為派對氣球的充氣元素，竟然是在宇宙中第一個被發現的元素。原因是氦氣屬於鈍氣一族，鈍氣是不與任何元素產生化學作用，也對所有化學鍵保持惰性。氦氣不反應的特性，若以傳統的液態化學方法，並不易偵測到它的存在。
在飛船中當作替代氫氣的氣體，完全不燃燒的氦氣，實在值得大力推薦使用。但問題是它比氫氣貴很多，而且上升高度不如氫氣，然而有誰希望乘坐低空飛船兜風呢？
目前我們使用的氦氣，是從地底開發的天然氣中提取得來。但不同於其他安定的元素，當地球形成時，它並非以沉積存在，而是長期隨著放射性元素鈾（92）和釷（90）的衰變來產出。這些放射性元素，是藉由「alpha粒子」的釋放產生衰變，而「alpha粒子」是物理學家對氦原子核的稱號。所以當你將派對氣球充氣時，你所充入的氦氣原子，即是上千萬或上億年前，存在於大放射性原子的核心中，那些分散無規則的質子群和中子群。坦白說，這聽起來實在很詭異。但與下一個讓頭腦混亂的鋰（3）相比，還是小巫見大巫。

鋰
鋰是非常柔軟而輕盈的金屬。它輕巧到可以漂浮在水面上，而這種特性在其他金屬元素中，只有鈉（11）可以做得到。漂浮在水面上的鋰，會和水產生化學反應並以溫和穩定的速度釋放出氫氣（鈉是最早被發現具有此化學活性的金屬）。
雖然反應性強，鋰已被廣泛運用在日常商品中。利用鋰離子電池內的鋰金屬，作為動力來源的電子產品，已多到數不清。從走路計步器，到車輛等運輸工具。包括目前我正用來打字、撰寫本書內容的電腦。鋰離子電池內含驚人的電力，卻不至於過重，這是因為鋰金屬具有低密度的特性。
硬脂酸鋰用來製造市面常見的鋰潤滑油，使用在家庭房車、卡車和機械器具普遍可見。
關心鋰金屬的人們，可能已注意到一個有趣的事實：在全世界僅有一處，存在大量極容易取得的鋰礦。如果靠鋰離子電池發動的電動車普及全球，你可能會想要緊盯著南美洲國家玻利維亞的經濟發展。
鋰離子還有一項相當奇特的功效：它可使人們保持平穩的情緒狀態。
雖然原因仍不明確，但服用穩定劑量的碳酸鋰（在人體內會分解釋放出鋰離子），的確可以舒緩情緒極度起伏的人格失常症狀。一個簡單的化學元素，卻可對人們精神狀態產生如此微妙的功效。由此可驗證，即便是人類情緒如此複雜的現象，亦是受到基本的化學所支配。
鋰是柔軟的、反應活潑、協助事物保持平衡。下一個化學元素鈹（4）可就完全不同了。

鈹
鈹屬於輕金屬（雖然它的密度是鋰的3.5倍，但依然比元素表中排序13的鋁小得許多）。相較於柔軟、低熔點、化學活性強的鋰，鈹則是堅硬、高熔點、相當抗腐蝕的金屬。
這些特性，外加取得成本高和具有毒性的本質，讓鈹被應用在飛彈和火箭元件上。因為在這些武器的製作上，成本並非考量重點，重量輕卻具強大破壞力即可稱王，而且毫不擔憂工作場合會與毒性物質為伍。
鈹還有其他很炫的應用，由於它對X光具穿透性，因此用來作為X光真空管的視窗──它必須能讓管內保持良好的真空狀態，但又必須夠薄，能讓微弱的X光順利發射出去。少量的鈹與銅（29）結合可形成強力、不冒火星的合金，因此常被製成工具運用在油井中，和可產生紅焰大字樣效果的易燃氣體處理上。因為在這些工作場合，鐵製工具引起的小火星，可能釀成極大的災禍。
高爾夫球運動者希望能讓球更順利推進，使用高科技金屬材質當推桿的趨勢越來越顯著，鈹銅合金也被製成高爾夫球杆頭，不過，它的使用效果與用錳青銅合金或鈦合金製成的高爾夫球桿頭差不多。
結合力與美的綠寶礦石，是含鈹、鋁的環狀矽酸鹽所形成的水晶體。為人熟知的有呈現綠色光澤的祖母綠，和藍色光澤的藍水晶。
如同007詹姆士龐德一般，溫文儒雅的鈹，能夠在發射飛彈之後，立刻以魅力吸引女士的目光。接下來該硼（5）登場了。

氫
閃耀的星光，是星星將大量氫氣經化學質變轉換成氦氣所產生的效果。單單是太陽本身，即以每秒消耗6億噸氫氣的速度，轉換產生5億9,600萬噸的氦氣。想想看：每秒消耗6億噸，即使在夜晚也如此，很驚人吧！
但除了產生氦氣之外，其他每秒消耗的400萬噸氫氣跑哪兒去了？依據愛因斯坦的質能不滅定律：E=mc2，這些氫氣轉換成能量，並有將近每秒近乎相當於3.5磅的能量抵達地球，形成黎明的曙光、夏日午後的暖陽和晚霞的炫紅光采等。
太陽如此驚人的大量消耗氫氣，是讓人類能延續生命的關鍵。但氫氣對人類生存的重要性，就我們的認知，應是源自...

作者導言
極簡又複雜的元素世界

沒有任何東西會回到一無所有，但所有的東西都會回歸分解成它們的元素。
──摘錄西元前50年，羅馬詩人魯克舍斯（Lucretius）的著作《物性論》（De Rerum Natura）
週期表是一份全世界通用的完整目錄，這目錄收納著一切你可以砸在腳上的東西。而有一些東西，像是光、愛、邏輯和時間，都不在週期表內，但你也不能將這其中任何一樣砸在腳上。
這地球、這本書、你的腳──每一個可碰觸到的實體都是由元素構成的。你的腳大部分是氧，結合一些碳，構成了有機分子，並將你定義為以碳為基礎的生物（如果你不是以碳為基礎的生命體，歡迎來到我們的星球！如果你有腳，請不要將這本書砸在腳上）。
氧是個透明、無色的氣體，但它組成了你身體五分之三的重量。這怎麼可能呢？
元素具有兩個面貌：它們的純態，和它們結合其他元素形成的一系列化合物。氧在純態下的確是氣體，但當它與矽反應，會結合形成堅硬的矽酸鹽礦石，組成了大部分的地殼。當氧與氫、碳做夥，結果可能形成任何東西──從水到一氧化碳到糖。
氧原子依然存在於這些化合物中，不管這些物質看起來有多不像純氧。而且氧原子總是能再被提煉出來，回歸到純氣體形態。
除非原子核衰變，每一個氧原子絕不可能自行破壞或分裂成更簡單的東西。這個「不可分割性」（indivisibility），是元素之所以成為一個單元要素的關鍵。
在這本書中，我會展示每個元素的兩種面貌。首先，你將會看到一張純元素的大照片（只要它可辦到）。而在隔壁的右頁，你會看到該元素是用何方式存在於世界的實例──我挑選出的都是最具特徵性的化合物和應用。
在我們進入每個元素的個別介紹之前，值得花點時間來看看整個週期表是如何組合成的。
這個週期表的經典模型，是全世界都認得的。就像是一眼就認得的Nike商標、泰姬瑪哈陵（Taj Mahal）或愛因斯坦的一頭亂髮，週期表已經成為我們文明世界的記憶圖像之一。
週期表的基本結構並非由藝術、奇想或機會決定的，而是根據量子力學最基本和全宇宙通用的定律。一個呼吸甲烷的另類生物文明世界，他們的鞋子可能用方形的商標打廣告，但他們的週期表必然可被認出，因為和我們的週期表有相同的邏輯結構。
每一個元素是依照它的「原子序」（atomic number）來定義，這是指從1到118的整數，這是到目前為止的數量；但毫無疑問，未來肯定還會有更多元素被發現。一個元素的「原子序」，是指它每一個原子的核心所含的質子數目，這同時也決定了環繞在每個原子核周圍的電子數目。這些電子，尤其是位於最外「殼層」（shell）的電子，將決定該元素的化學特性。「電子殼層」（Electron shells）在第11頁中有更詳細介紹。
週期表是依照「原子序」的順序來排列元素的。這序列有時會跳過一些空缺，看似相當的不規則，但其實不然。由於這些空缺的存在，才能讓每個垂直欄的元素，都有相同的最外殼層電子數。這也解釋了有關週期表最重要的事實：同一欄的元素都有相似的化學特性。

元素的分類依據
讓我們來看看週期表中的各大類元素，同樣的，這也是依每欄的排列位置來定義。

舉足「氫」重
第一個元素是氫，算是有點不規則的。照慣例，氫是放置在最左一欄，它和同欄的其他元素，也有些相似的化學特性（主要在化合物中，氫通常會失去一個電子形成H+離子；像鈉元素［11］也會失去一個電子形成Na+離子）。但氫是氣體，其他位在第一欄的元素都是柔軟的金屬。所以在有些週期表的介紹中，會將氫獨自一個列出。
除了氫之外，在第一欄中的其他元素稱為「鹼金屬」（the alkali metals），將它們丟到湖中會很好玩。「鹼金屬」會和水反應，釋放出極易燃的氫氣。當你將夠大塊的鈉丟入湖中，過幾秒後就會產生巨大的爆炸。這可能會是個驚心又美麗的經驗；也可能會是你人生的終點，這要看你是否採取正確的防護而定，因為當熔化的鈉濺入眼中，會導致你終生失明。
化學就是這麼一回事：它的力量大到足以成就全世界偉大的事情；同時又危險到足以輕而易舉就做出可怕的事情。如果你不尊敬它，化學會反咬你一口。
位於第二欄的元素稱為「鹼土金屬」（the alkali earth metals）。就像「鹼金屬」一樣，這些金屬相當柔軟，會和水起反應、釋放出氫氣。這「鹼金屬」和水反應會引發爆炸，但「鹼土金屬」和水反應就溫和許多：由於反應的速度夠慢，不會引發氫氣自燃，舉例來說，讓鈣（20）可運用在攜帶型的氫氣產生器上。

「過渡金屬」其實很穩定
位於週期表中間較寬區塊的元素，稱為「過渡金屬」（the transition metals）。在工業中這些金屬是負責做重活的，光是第一列元素，就是大家都熟知的一般金屬。除了汞（80）之外，所有的「過渡金屬」都是非常堅硬、結構性很強的金屬。事實上汞也是如此。如果冷卻到夠低溫時，汞可冰凍成很像錫元素（50）的金屬。即使是鎝（43）這個此區唯一具放射性的元素，也和它的鄰居一樣，是種堅固的金屬。但你不會想要用它來做餐叉；並不是鎝不耐用，而是成本非常昂貴，而且，它的放射線會慢慢致你於死地。
大致上，「過渡金屬」在空氣中相當穩定，但有一些元素的確會逐漸氧化。最著名的例子當然就是鐵（26），對我們來說，鐵會生鏽是到目前為止最具破壞力、讓人傷透腦筋的化學反應。而其他例如金（79）或鉑（78），因為具有極佳的抗腐蝕性，因此相當珍貴。
本區位於左下角的兩個元素空缺，是為「鑭系元素」和「錒系元素」保留的（此二列元素在第10頁有介紹）。依據週期表的邏輯性，一個有14個元素寬的缺口，應該出現在第二欄和第三欄之間，由「鑭系元素」和「錒系元素」插入填補。但這會讓週期表變得過寬而不實用，因此約定俗成將此缺口關閉，而在週期表底部另外排出兩列來擺放這些「稀土元素」。

金屬、非金屬、無間道
位在左下方三角區塊的元素是普通金屬，雖然在人們印象中，大部分的普通金屬是位於前一類「過渡金屬」（現在你可能注意到，大多數的元素廣泛而言都是金屬）。
位在右上方三角區塊的元素是非金屬（接下來的兩類元素，鹵素和鈍氣，同樣也不是金屬）。當所有的金屬多少都具有導電性時，這些非金屬卻是電絕緣體。
位於分隔金屬和非金屬之間對角區的元素，稱為「類金屬」（the metalloids）。從名稱你可能猜想到，這些元素的特性部分像是金屬、一些又不像是金屬，特別是它們可以導電，雖然效能還不夠好。這些包括半導體的「類金屬」，已成為現代生活不可或缺的用品。
事實上，這個呈對角線分布的區塊，已違反了元素的通則：位在同一垂直欄的元素，具有相似的化學特性。但那只是個通則而已！畢竟化學實在是太過於複雜了，無法有絕對一體適用的規則。在這金屬到非金屬的分界中，有一些因素相互競爭，以決定元素到底是位在金屬區或是非金屬區。當你往週期表下方移動時，介於兩者間的平衡也隨之偏向右方。

退避三舍vs.貴氣逼人
第七區元素（位於週期表最右側的倒數第二欄）被稱為「鹵素」（the halogens），它們在純態下相當令人難以消受。這些元素都是反應性很強、氣味很難聞的物質。純氟（9）以幾乎能和任何物質反應而聞名；氯（17）在第一次世界大戰曾用來作為毒氣，但是若以化合物的形式存在，像是含氟牙膏和食用鹽（氯化鈉），就變成了溫和的居家用品。
最後一欄元素是「鈍氣」（又稱為惰性氣體，英文名稱是the noble gases）。「惰性」（noble）在此應從「超脫於一切凡夫俗子的事物之上」來理解。「鈍氣」幾乎從來沒有和同類或其他任何元素形成化合物。因為是如此惰性（inert），「鈍氣」常用來防護反應性活潑的元素。當覆蓋在「鈍氣」的防護層下，這些活性大的元素將無法起反應。如果你向化學材料供應商購買鈉元素，它將存放在充滿氬氣（18）的密封罐中。
這兩類元素一般都可通稱為「稀土元素」（the rare earths），雖然其中有些元素一點也不稀有。上方列，從鑭元素（57）算起，稱為「鑭系元素」（the lanthanides）；並不令人意外的，從錒元素（89）算起的下方列，就稱為「錒系元素」（the actinides）。
當你閱讀到鎦元素（71）章節時，就可得知「鑭系元素」特別著名的，是它們的化學性質都非常相似。有些鑭系元素的化學性質是如此雷同，以至於人們為了它們到底是否為不同元素而爭論不休。
所有的「錒系元素」都具有放射性，其中以鈾元素（92）和鈽元素（94）最有名。將「錒系元素」加在週期表的標準格式中，應該要怪格林‧西博格（Glenn Seaborg），因為他發現了許多位於此區域的新元素，所以必須新增一列（雖然新元素是由許多人發現的，但只有西博格堅持週期表再新增一列，來展示他參與發現的所有新元素）。
現在我們已瀏覽了週期表的全貌和分類介紹，可以啟程前往狂野的、美好的、四處可見的、趣味的和驚人的元素世界了。
元素是無所不在。從這裡到西非的伊斯蘭古城廷巴克圖（Timbuktu），也包括廷巴克圖當地，每個地方的每一樣東西都是由一種或多種元素構成的。我們所謂的「化學」──在這結合和重新結合之間浩瀚無窮盡的多變世界，都是開始和結束於此簡短而重要的元素清單，而它同時也是建構物理世界的重要基礎。
你在此書中看到的所有東西，幾乎都收藏在我的辦公室，除了那件被美國聯邦調查局（FBI）沒收的，和一些具歷史價值的物品。收集這些鮮明、多樣化的元素樣品是非常快樂的經驗，我希望你也能從閱讀享受到其中的樂趣。
我們在氫元素介紹章節上見！

作者導言
極簡又複雜的元素世界

沒有任何東西會回到一無所有，但所有的東西都會回歸分解成它們的元素。
──摘錄西元前50年，羅馬詩人魯克舍斯（Lucretius）的著作《物性論》（De Rerum Natura）
週期表是一份全世界通用的完整目錄，這目錄收納著一切你可以砸在腳上的東西。而有一些東西，像是光、愛、邏輯和時間，都不在週期表內，但你也不能將這其中任何一樣砸在腳上。
這地球、這本書、你的腳──每一個可碰觸到的實體都是由元素構成的。你的腳大部分是氧，結合一些碳，構成了有機分子，並將你定義為以碳為基礎的生物（如果你不...

作者導言　極簡又複雜的元素世界
週期表是如何形成的
原子序1～10請見本書簡介

11. 通水管的化學藥劑，遇水會冒泡冒煙，因為裡頭有鈉
12. 鎂，極易燃燒，為什麼拿來做汽車框架？
13. 鋁，剛出現的時候和金、銀並稱三大貴重金屬
14. 矽，地殼含量第二多的元素，但人類身上沒有矽
15. 磷肥的發明，是地球人口大爆炸的原因
16. 製造火藥和盤尼西林都得用硫
17. 吸入氯，身體會像火燒一樣痛苦，但水中加氯卻能挽救健康
18. 有些名貴紅酒會打入氬氣，防止美酒氧化
19. 身體缺乏鉀離子，會手指冰冷
20. 鈣可以在細胞間自由來去，所以骨頭的鈣可以補血

這裡開始的元素，你「鐵」定用手摸過：
21. 鈧，這是啥？球棒和自行車裡頭都有喔
22. 鈦金屬用途很廣，蘊藏量極多，但是價格還是貴，為什麼？
23. 釩鋼，不是人名、而是金屬扳手的原料
24. 你看到的「銀製餐具」其實大部分是鍍鉻
25. 70年代的海底挖錳熱潮，竟然是CIA的大騙局
26. 鐵離子是血液呈現紅色的原因
27. 鈷的顏色迷人，使得含鈷玻璃的網拍價格行情很高
28. 黃銅不變色？因為上頭鍍鎳，鎳在黃銅上會變透明
29. 銅可以抗菌，以前醫院的門把就用銅
30. 鋅是硬幣的原料、橋梁船隻防鏽的輔助材料

這裡的元素，多半跟你的健康有關：
31. 鎵是常溫下呈現液體的金屬，半導體工業常使用
32. 含鍺的健康沐浴鹽，都是騙人的
33. 砷加入飼料有益雞的健康，人的食物卻絕對不能加砷
34. 雷射印表機的滾筒必須塗一層硒，否則無法感光
35. 橘子口味汽水顏色這麼均勻漂亮，是因為加了溴
36. 氪是氣體，卻可以拿來成為長度標準
37. 銣必須變成氣體之後才好用，否則就是當煙火燒
38. 強化牙齒的舒酸定牙膏，是因為含鍶
39. 釔有助於靈界與人世間的溝通？太扯了吧
40. 二氧化鋯，這是什麼？說假鑽石你就知道了

每一天你都遇到它們，但你未必知道：
41. 鈮，大馬士革鋼刀和耳環上都有它
42. 鉬鋼用來製造螺絲
43. 骨科醫生把鎝注入你的身體，替你的骨頭拍照，這玩意兒有放射性
44. bling bling的首飾，是電鍍了廉價的釕
45. 電鍍銠比白金還要亮
46. 鈀用在汽車觸媒轉換器裡頭，比銀貴20倍
47. 銀是導電性最佳的元素
48. 鎘黃是印象派畫家莫內鍾愛的四種料色之一
49. LCD薄螢幕、薄電視，都得依靠銦
50. 無鉛焊料，意思就是這東西錫做的

別以為原子序越後面的越無用、越跟你無關，像是：
銻，鉛字印刷和子彈頭都用得到它
碲，意思是地球，藍光影碟裡頭有它
鈰，電影特效裡頭常用
銣鐠化合物眼鏡？戴著它你可以直視強光烈焰！
銪，幾乎所有省電燈泡都少不了它
鋱，音響發燒友能便宜買到這種好揚聲器
鐿，雷射用得到
鎢，原來用在燈泡裡頭，現在，頂級鑽頭都有它
鉑，就是白金，比黃金還漂亮，為什麼白金首飾反而不受歡迎？
汞，會堆積在大型、油脂豐富的魚體裡頭，如鮭魚

諾貝爾、愛因斯坦、費米、門德列夫、侖琴，甚至加州、德國大學、瑞典小村，它們都是元素名稱。此外，除了居禮夫人，週期表裡頭還有一個元素以女性命名，你知道嗎？

作者導言　極簡又複雜的元素世界
週期表是如何形成的
原子序1～10請見本書簡介

11. 通水管的化學藥劑，遇水會冒泡冒煙，因為裡頭有鈉
12. 鎂，極易燃燒，為什麼拿來做汽車框架？
13. 鋁，剛出現的時候和金、銀並稱三大貴重金屬
14. 矽，地殼含量第二多的元素，但人類身上沒有矽
15. 磷肥的發明，是地球人口大爆炸的原因
16. 製造火藥和盤尼西林都得用硫
17. 吸入氯，身體會像火燒一樣痛苦，但水中加氯卻能挽救健康
18. 有些名貴紅酒會打入氬氣，防止美酒氧化
19. 身體缺乏鉀離子，會手指冰冷
20. 鈣可以在細胞間自由來去，所...