化學分子世界導覽

第一章 簡單物質

這類分子也許很簡單，但絕非不重要，它們包括了空氣中的各種氣體成分以及海洋中的水。即便它們不見得都是生命的組成要件，卻是生命出現的必須條件。它們也在大災難中扮演殺手，因為這類分子中包括了一些汙染、破壞自然的物質。大自然要逃過它們的荼毒，才有機會欣欣向榮。

除非你正在深海當潛水夫，否則你平常是浸泡在氣體中，其中約有五分之四為氮氣、五分之一為氧氣。氣體分子永遠不停到處亂竄（沒錯，「氣體」一詞的英文為gas，與「混亂」chaos共用同一個希臘字根）。這些氣體分子劃過空間的速度約與音速相當（在海平面高度約為每秒340公尺），一個分子在與另一分子發生碰撞後，會各自朝不同方向疾駛而去，而且每次發生碰撞後不到一秒鐘，又會與另一分子互撞。

同樣地，不斷會有大批分子快速撞上容器表面，包括你的容器表面（你的皮膚），使容器表面與你的皮膚承受持續的壓力，這壓力每平方公分約達1公斤重，卻並不被人覺察。

咱們一生就在這個巨大壓力之下蹣跚度過。即使身處平靜溫暖的夏日，或寂靜無擾的房間內，你全身上下都處在看不見的分子風暴攻擊下。風起時，只是分子流動偏向某一個方向，讓你某邊的臉感覺到了衝擊。有的時候這個看不見的分子激流力道可以強大到吹折樹木、摧毀建築物。不過我們人類吐氣開聲，稱為「演說」的動作更為強悍，因為：一言即足以喪邦。



早期的大氣是來自我們腳底下地球的內部，火山爆發時熔岩外噴，大氣隨之釋放出來。今天類似的情形仍在世界各地小規模地發生，夏威夷大島上的火山爆發，伴隨著外溢的炙熱岩漿，可以清楚看到釋出的氣體。

空氣

我們並不確切了解地球上的大氣打哪兒來，或曾經發生過怎樣的變化。不過大家都同意，從天外飛來、聚集成地球前身的岩石和微行星，進行了「放氣」，因而造成最早期的大氣。今天類似的放氣現象仍發生在火山地區，據推測火山所釋放的氣體，在最初的大氣層中含量都應該非常豐富，主要成分有：水蒸氣、氫氣、氯化氫、一氧化碳、二氧化碳、氮氣以及一些含硫分子。不過目前的大氣中，只有氮氣仍然含量豐富。

我們不禁要問，其他氣體都跑哪去了？而不在其上的氣體又打哪來？本節和下一節提供了其中幾個答案，只不過都是些有點靠著聰明想像出來，而有可能與事實不相符的推測。

首先，有一樣物質的去處可以馬上解決，那就是氫氣分子。氫氣非常輕、移動得非常快，很容易逃脫地球的重力拉扯，進入太空後消失，就像今天新形成的氫氣所做的一樣。

1 氧 oxygen O2



氧占了大氣中約20％的體積，是地殼中含量最豐富的元素，大約占了地殼總質量的一半。地殼中的氧出現的型態，是與其他元素結合成的水、各種碳酸鹽、矽酸鹽、氧化物等。氧在月球上的含量也非常豐富，但並非以自由態的形式出現，而是全都給捉住在月球岩石的化合物中。在地球上，開礦的目的是要得到金屬，因此會拋掉礦石中的氧；等將來太空旅行變得頻繁且大眾化後，我們也許會發現，到月球上去開採「氧」礦，是很有經濟效益的。

雖然大氣裡的氧含量很豐富，工業界也藉由分餾液態空氣來獲得純氧，但地球初成形時，大氣中的含氧量非常低。其中有的氧是因石塊裡釋出的水分子（5），遇到太陽射出的猛烈紫外射線而放氣出來的。而在大約27億年前，才有大量的氧氣加入大氣，當時出現了能行光合作用的細胞，也就是我們俗稱為藍綠藻（其實是一種細菌）的原核生物。這些單細胞、無細胞核的生命形式，在建構自己各種碳水化合物（93）的過程中，從水裡取得所需的氫（拋棄剩下的氧），並從二氧化碳中取得碳跟氧。

所以，如今對我們非常寶貴，且是動物生命所不可或缺，到陌生環境探測時一定必須隨身攜帶的氧，在偏愛另一種生命形式的早期大氣中，居然是製造汙染的壞東西！當時的巨大汙染在地球上留下了痕跡：光合作用的出現使氧含量高漲，把溶在海水中的鐵氧化了。地球生了鏽，造就出偉大的紅色鐵礦蘊藏，忠實記錄了這個事件。

大氣的歷史仍然備受爭議，尤其是關於氧氣消長的部分。累積的證據顯示，氧氣濃度曾經大幅度波動，石炭紀（3億年前）期間曾經高達35％。在小行星撞地球導致恐龍滅絕的事件裡，由於當時空氣中的氧濃度超高，使撞擊引燃大火，加劇了事件的毀滅性。目前大氣中氧氣濃度似乎跟兩類含碳物質間的平衡有關，而這兩類物質分別存在生物圈中，以及埋藏在生物圈下方的岩石內（如此才不會造成大火）。據估計，被栓牢在地下的碳（包括砂岩中的微小顆粒）超過了目前生物圈中總碳量的20,000倍。

氧氣是異常危險的物質，對生命而言更是如此，生物使用氧氣所冒的險幾乎與玩火無異。呼吸氧氣有如暴露在輻射線下，造成的傷害在化學性質上也相同，原因是這兩種情況都產生了自由基。自由基是具有單數電子的分子。以氧為例，氧自由基的形成是先獲取一個電子，形成稱為過氧化離子的O2－，然後進一步成為劇毒的過氧化氫分子（H2O2，11）及會造成輻射傷害的氫氧自由基（OH）。

有人曾估計，在細胞利用氧的過程裡，約有1％到2％的氧轉變成過氧化離子，而在進行劇烈運動時，比例更可能上升到10％。看起來似乎沒啥了不起，但是一年下來，即使不做任何運動，也會有2公斤的過氧化離子在人體內產生。從另一個角度來看，我們每人一年內因呼吸招致的危害，大約相當於照射了10,000次胸腔X光！看來，要避免死亡就只有停止呼吸一途。另一個比較正面的角度則是，因為氧與太陽製造出相同的原子團，由此我們開始了解，長久以來生物因為學習在強烈的太陽輻射下存活，不知不覺中也同時準備好對付氧氣毒害的方法。

氧氣是無臭、無色、無味的氣體，壓縮成液體後轉為淡藍色。顏色的轉變是分子對在吸收光線上合作的結果，這種合作現象只在液態中，當這對分子長時間近距離待在一起時才會發生。另外氧還有一樣頗不尋常的性質：它具有磁性。磁鐵會吸引液態氧，就是氧有磁性的明證，但是氣態氧也有磁性。

要了解此磁性現象，我們得知道任何電子都會以順時針或是逆時針方向自旋，自旋電子成了微小的磁鐵。在絕大多數的分子裡，順時針自旋的電子跟逆時針自旋的電子，數目相同，各自的磁效應剛好抵消，因此分子沒有磁性。氧分子滿特殊的：它的電子中有一對的自旋方向相同（譬如兩個都是順時針），因而磁效應不能彼此抵消。我們可以利用氧的這項特性，測量人造空氣中的氧含量，這種人造空氣可用在早產兒的保溫箱中，而由儀器監測氣體的磁性，換算出其中氧分子的濃度。

煉鋼過程中需要用到巨量的氧氣，大約是一噸氧煉一噸鋼。把氧氣鼓吹過不純的熔融鐵漿，氧會跟其中的雜質（特別是碳）結合，把雜質以氣體的形式帶走。這裡，氧氣的效用比空氣好，原因是空氣的主成分是氮（2），氮通過熔融鐵漿時會帶走太多熱能。（摘自本書第一章）

第一章 簡單物質

這類分子也許很簡單，但絕非不重要，它們包括了空氣中的各種氣體成分以及海洋中的水。即便它們不見得都是生命的組成要件，卻是生命出現的必須條件。它們也在大災難中扮演殺手，因為這類分子中包括了一些汙染、破壞自然的物質。大自然要逃過它們的荼毒，才有機會欣欣向榮。

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