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。