Home > 科學?魔法? > 有機地球人
11 May

有機地球人

Posted by No comments

這篇于 2020-04-10 在臉書發表

地球所有生物基本上是氫跟碳的化合物。事實上,在化學領域裡『有機物』,organic ,指的是所有含有『碳』,carbon ,元素的化合物,跟你所知的『有機蔬菜』的意思不太一樣。只要燒了之後會剩下一堆碳的基本上都是有機物。

為甚麽地球生物會是碳的化合物呢?不能是其他化合物嗎?

這裡需要一點中學化學知識:元素週期表,Periodic Table。不需記得全部內容,只需記得週期表排列的意思。由左到右,由上到下,把元素圍繞原子核的電子數量(或重量)由小到大列出來。

No photo description available.
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Simple_Periodic_Table_Chart-en.svg

列表中由上到下表示電子軌道多寡。每一行代表軌道能容納的電子數量。舉個例子,第一行的軌道最多只能容納 2 個電子。第二行則是 8 個,以此類推。當電子數排到最右邊,該元素就達成飽和狀態,很難與其他原子有任何化學反應,稱為惰性元素,inert element 。(新的稱呼為稀有元素,Noble element)。

週期表中可以看到,氫,Hydrogen ,是最輕的元素,只有一個電子。氦,Helium,有 2 個電子。碳,carbon,有6個電子(第一行 2 個,第二行 4 個)。氮,Nitrogen,有 7 個電子(2,5)。氧,Oxygen,有 8 個電子(2,6)。

原子的特性就是會傾向跟其他原子結合,分享電子群,以達到飽和或穩定狀態。這種結合就形成我們熟知的分子,Molecule。大家都熟知的水分子,H2O,就是由兩個氫原子結合一個氧原子,來達到外層 8 個電子的穩定狀態。

這裡也看到現在的氫氣球為甚麽變成氦氣球,因為氦氣是穩定氣體,不會產生化學反應爆炸。

回到 137 億,13.7 billion,年前,當宇宙從無限小的奇點,Singularity,爆炸中誕生。當時只有氫元素,跟少量的氦元素。

那麼,其他元素怎麼來的?答案是融合,fusion。

把兩個氫原子融合起來,就會變成一氦原子。把三個氦原子融合起來就變成碳原子。把四個氦原子融合起來就變成氧原子。

那麼,融合是怎麼發生的呢?答案是太陽(星星)。

引力在宇宙誕生的時候就存在,氫跟氦原子被引力集中成造就了第一代的星星。當這些星星幾億年燃燒完氫氣之後,變成紅巨星,Red Giant Star。星星內部巨大的壓力產生核聚變,Nuclear Fusion,把氦原子融為碳原子。

若星星的質量足夠大,會造成連鎖反應,製造出氧至鐵,Ferum,一連串的元素。當這類星星燃燒完之後會變成超紅巨星,Red Super Giant Star。超新星,Supernova,是指當超紅巨星爆炸在太空中形成的超亮點。由於爆炸力足夠大,超新星能製造出比鐵更重的元素,比如金、銀、銅、鈾等。越重的越難形成,也越稀有,所以金銀銅的價錢一個比一個高不是沒有原因的。

週期表中其他太重的元素則不可能在大自然產生,而是人工合成的。

離題了,理所當然的。

再離題一下,我們可愛的太陽是 45 億年前形成的第三代星星,因為光譜分析太陽內有碳氮氧原子,這些元素只可能在第二次的星星爆炸中產生。

地球同樣的在 45 億年前形成,它收集了宇宙星球爆炸的各種由氫到鈾元素塵埃,就是這多種元素讓地球變得七彩,因為不同的元素反射不同的光譜。

回到問題,為甚麽地球生物會是碳的化合物?

碳的位置在第二行第四個,居中的位置給了它很大的靈活性。它可以跟其他元素,尤其是氫,組成不同的結構。就是這種環環相扣的複雜性才有可能產生一連串的 DNA,進而讓生物的變得可能。

No photo description available.
https://ro.pinterest.com/pin/337840409545769013

那麼為什麼不能是矽,Silicon、鍺,Germanium 元素?它們也都有居中,最外層也都有 4 個電子。不談複雜的化學,基本上是因為他們的體積比碳原子大多了,化合物的靈活性比碳弱。舉個例子,二氧化碳是氣體,二氧化矽卻是重得多的海沙。不過也因為這種居中的特性,矽跟鍺在半導體工業裡成為重要的元素。

起身!不要再睡了!

Categories: 科學?魔法?
Tags:
  1. No comments yet.
  1. No trackbacks yet.