2017年6月15日 星期四

【國語日報專區】石話石說:玻璃怎麼來



什麼?玻璃原來是從石頭加工而來的!但是要怎麼加工?只要把材料丟進火爐裡燒就好嗎?我們就從古人製造玻璃的起源、成分和過程,來看看我們常見的玻璃窗戶、杯子的是怎麼來的吧!

古人發現的玻璃
根據歷史與考古學者考究,發現最早使用的玻璃是天然岩漿形成的玻璃質岩石,因為這種岩石的斷面很鋒利,所以在石器時代被當作像刀子一般的工具。而一般認為最早的人造玻璃紀錄則是在古埃及或是兩河流域的文明開始的,至於「是怎麼發現玻璃做法、是誰發現玻璃的做法」的說法不一,一般認為是從燒製物品或是烹調時,意外的讓含石英成分的沙子混合了如蘇打之類的物質,使沙子熔化又再凝固時,就變成了透明發亮的玻璃。而從考古資料也確知,埃及人、巴比倫人都研發出了玻璃的製法,甚至還發明了利用管子吹出玻璃瓶子的做法。至於東方中國的西周時期,也曾有發現玻璃珠等文物,古人則稱它們為琉璃。

玻璃和岩石的關係
雖然玻璃的最主要成分是沙子,但並不是隨隨便便把海邊的砂子拿來就可以燒製成玻璃,而是需要由二氧化矽組成的石英砂才能做出玻璃,雖然海邊的沙子經常含有大量石英,但雜質也相對較多,甚至有些海灘的沙子主要是貝殼砂,便無法使用。現代的玻璃製造多直接使用石英礦來製作,而加上碳酸納(蘇打)、氧化鈣等成分後,會讓石英砂的熔點降低、又能更耐用。

玻璃和岩石的差異
一般來說在自然界內從類似岩漿狀態形成石英的冷卻速率十分緩慢,所以內部的分子常會慢慢的形成固定排列方式的結晶,如果結晶很大很完整時,就會像俗稱的水晶一般,有固定的形狀和透明度,如果裡面有其它雜質,就會呈現出不同的顏色,如含有鐵的紫水晶、黃水晶。不過玻璃的冷卻速度很快,就像是分子還是隨意排列的時候,有人突然喊了「一二三木頭人」一樣,把分子們都固定住了,而慢慢冷卻結晶的過程反而就像大家慢慢的排成整齊的隊形,這就是玻璃和石英最大的差異。

大自然做成的玻璃
前面提到石器時代時,人們會利用天然的火山玻璃當作刀子般使用,這種石頭多半指的是「黑曜岩」。它的形成過程和玻璃的製作過程很類似,在岩漿冷卻的速度夠快的時候,就會先前面說的分子快速凍結住一般,這樣的玻璃質岩石如果經過敲打破裂時,常會形成銳利的斷面,就像是平常不小心打破玻璃時,要特別小心割傷手一般,石器時代時,人類就會利用它來作為刀子、箭頭等尖銳物,但其實並不曉得它是怎麼形成的呢!

玻璃的應用
數千年的玻璃運用歷史中,人們不斷的發明各種不同的玻璃或製品,除了常見的窗戶、杯子,還有相機、顯微鏡的鏡片等等。在某些時候,還會用上所謂的「強化玻璃」。最初發現強化玻璃做法的是十七世紀英國的魯伯特王子,他將熔化的玻璃滴入水中,便成了一個水滴狀的玻璃,這種玻璃的硬度極大。但因為它的冷卻速度極快,就像玩木頭人時大家都被固定在很奇怪的動作的狀態一樣,我們只要用一點力量在它最脆弱的尖端,便會讓整塊玻璃一下子破成許多小碎片。像是某些公車兩側的窗戶就會使用強化玻璃,遇到危險時可以方便破窗逃生,而最易擊破車窗的位置,也就在最靠近四個角落的端點,就像水滴玻璃的尖端一般,是最脆弱的地方。

變成藝術品的琉璃
除了民生所需,甚至有所謂的「琉璃工藝」,利用各種彩色的小玻璃珠或是玻璃條,重新熔融後再作造形,就能做出許多精美的藝術品,甚至國內外也有一些體驗製作玻璃製品的工作室,讓一般人也能嘗試動手作。不過,是不是很難想像,這些璀燦的玻璃,原來是來自大地的石頭、沙子呢?

 
這張也是做玻璃珠的過程,純粹是阿樹想要po張露臉照而已XD

2017年6月12日 星期一

【國語日報專區】石話石說:便利的水泥,無盡的憂愁

本文是在2016年5月發表在國語日報科學版,對照最近的新聞時事,特別有感。

「開發水泥破壞生態這麼邪惡,為什麼要寫這個題材?」
 別忘了,我們生活中一堆地方都是水泥做的,它帶來了便利,但它又是個會破壞環境的東西,無論是開採或製作都會對環境造成負擔,我們從最初的科學談起,談談水泥和石頭的關係,先了解,再思考!

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萬丈高樓平地起蓋房子的石頭

都會區總是鋼筋水泥大樓林立,這些新穎的樓房和過去古老的建築方式差異很大,但實際上我們用的建築材料,在大自然裡的樣貌一直都是一樣的,到底差別在哪?我們來一探究竟!

用石頭來蓋房子
位於雅典的海神波賽頓神廟,可發現石灰岩柱嚴重風化
臺灣的原住民曾運用天然的板岩、頁岩來建造房屋。在沒有磚瓦的技術時,石頭就是最佳的建築材料,板岩、頁岩破裂時,常會形成板狀的碎片,選擇適合的大小就能堆砌成房屋或作為屋瓦使用。而屏東霧台的魯凱族石板屋,也在去年由世界建築文物保護基金會,登錄為世界建築文物守護計畫的文化資產,以永久保存。

經典的希臘建築
岩柱中心的鑽孔是用來作為固定用的
放眼世界,許多重要的古代建築都是用石頭堆疊而成的。其中最顯眼的建築,莫過於古希臘的各種石灰岩神廟古城。雖然石灰岩會隨時間風化、破碎,但殘存歷史遺跡仍可看到古人的智慧。在現今的雅典衛城,聯合國教科文組織也正努力修復希臘古建築,保存歷史、也保留文化。在遺跡旁就可發現,岩柱中也內藏玄機:岩柱由數塊石頭堆疊而成,為了讓柱子更加穩固,中心挖有孔洞,通常會用金屬作為卡榫放在孔洞中固定,這樣一來,就能使岩柱更穩固。而這些引人注目的岩柱,其實也和我們現今的水泥關係密不可分!



從石灰岩變成水泥
古代的希臘、羅馬人,除了用石灰岩蓋宏偉的神廟,也利用類似水泥的材料蓋房子。利用特定比例的石灰和火山灰混合,加水之後再塑形,會隨著乾燥而慢慢變硬,原理和現代的水泥很像。不過這邊指的「石灰」並不是直接把石灰岩磨碎使用,石灰岩主要成分是碳酸鈣,必須要經過高溫加熱後才會變成所謂的石灰,成分為氧化鈣,而此種石灰又稱作生石灰,也是日後水泥的主要成分。
十九世紀初,英國人阿普斯丁發現,將黏土和石灰依固定比例混合燒製處理後可做成水泥粉,水泥粉再加水凝固硬化後的混凝土,硬度、顏色都和英國波特蘭島上的石材相近,便取名為波特蘭水泥,並且申請了專利,日後大部分用這種方式製成的水泥都通稱波特蘭水泥。當水泥粉加水後,裡面的化學變化會先讓水泥變得黏稠,接著在硬化的過程中又會發生另一些化學反應,水泥粉中的各種礦物分子會變成很錯綜複雜的結晶,就像是有很多大小不一的網子全部纏在一起一般,讓水泥變得強靭又堅固。
水泥的用途十分廣泛,經過改良或是添加不同物質也有不同的效果。快乾水泥可以用來快速修築道路或隧道,而膨脹水泥就適於修補裂縫,還有耐酸、鹼和耐海水腐蝕的水泥。
水泥製作過程示意圖

水泥帶來的憂愁
不過,即使水泥對人類生活與工業的貢獻甚大,卻也帶來許多環境衝擊,前面提到從石灰岩變成生石灰的過程,本身就會釋放大量的二氧化碳。而進一步燒製水泥粉的過程,還會耗費大量能源、釋放汙染物質。而不當開採石灰岩或是大理石等水泥原料,也會破壞環境,過去在高雄半屏山曾大量開採石灰岩,雖然現今早已不再採礦,山勢也不復存在。而現今花蓮山區還有不少水泥原料的採石場,目前也隨著環保意識抬頭調整開採方式,許多水泥工廠也改採進口原料。或許我們在享受水泥工業的便利時,也該思考水泥的優缺點,畢竟我們的生活早已脫離不了水泥建設,但水泥建設的好與壞該如何平衡,則是我們現在正面臨的問題,或許,人類也該找尋更環保的方式,逐步調整水泥的運用方式,以求永續發展。
 

2017年4月19日 星期三

【國語日報專區】石話石說第一話:化石說實話!



提到化石,總是會想到考古學家趴在地上仔細的挖化石的情景,期待能拼湊出史書上沒有記載的歷史。無論是恐龍、哺乳動物,或是史前人類的化石,都是一本本的地球歷史書,能夠告訴我們地球以前的故事。

化石是什麼?
我們可以把化石想成是「被化成石頭的生物或是事物」,生物的遺骸被帶到河底或海底後,接著被沉積的砂土埯埋,之後表面的肌肉等組織會先被微生物分解腐化而留下骨頭。

隨著時間過去越埋越深,砂土被壓密成岩石,而這些骨頭也會慢慢的被「同化」成和石頭接近的成分,除了骨頭以外,生物的外殼、植物的葉脈等相對較硬的地方,都會比較容易保存形成化石。而有時像是魚類或是樹葉,在某些環境下留下的並不是堅硬的部分,而是只有留下含碳的元素。
化石形成過程示意

除了生物遺骸,還有什麼可以稱作化石?
除了生物之外,被化成石頭的「事物」也能成為化石,但那又是另一種化石了,像是腳印、排泄物,在某些情況下,也有可能被保存下來形成化石,這時我們就會叫它為「生痕化石」。當然幾十萬年後生物的排泄物也不會再有什麼味道了,因為已經成為石頭了呢!
超小的三葉蟲化石


化石告訴我們地球過去的環境與生物演化
雖然很多時候化石的成份已和當初不同了,不過它對於生物學家來說,可是了解過去地球上的生物演化的重要關鍵。這些化石就像是紀錄片一般把過往的生物,印記在地底下,人類也藉由發掘不同時期的化石拼湊出演化的過程,以及過去不同時期繁盛的生物。而某些化石甚至能幫助我們推測地層的年代,如果在地層中發現恐龍化石,地層形成的年代就至少有六千五百萬年以上,因為中生代和新生代的交界大致上就是六千五百萬年前。像恐龍這樣曾經繁盛一時,並且已經從地球上消失的生物,就能用來鑑定年代。

化石的誤會
化石的發掘方式往往會影響後續的研究,在前年年底時也有一則新聞,曾提及在桃園發現三葉蟲化石的案例。然而,台灣的地質紀錄十分年輕,要在接近地表的地層中發現古生代的三葉蟲化石幾乎不可能。進一步研判後,由於化石發現地是在工地附近的地表,而非直接從地層中取出,有可能是外來石塊中的化石碎片。

2015年底也有一則更引人注目的新聞「左鎮人」年代翻案,也是類似案例,早年在台南左鎮發現了疑似史前人類的骨頭化石,但因為僅發現部分的化石碎片,卻找不著過去的生活遺跡、石器等紀錄,所以一直爭議不斷,直到去年以較新的定年技術檢驗化石後,才發現化石的年代並不是原先認定的二萬年,而是僅有約三千多年的歷史。從這些例子也可以發現,即使化石說的都是「實話」,但實際上若是解讀錯誤,就會誤會了它說的話,這也說明了化石的研究相當複雜,需要更謹慎小心呢!

化石燃料
我們生活中可是充滿著化石呢!每天搭乘汽車用的汽油、火力發電用的煤炭,都是化石變成的。古代的生物遺體,在被埋到特定的環境下,就會變化成石油、煤等物質,而人類將這些物質又變成燃料。但是除了排放二氧化碳會帶來暖化,還會有用完的一天,畢竟古代的生物也有限,我們使用的速度又遠大於化石形成的速度,所以這些化石燃料,更是不能過度浪費,一旦用完可就沒了呢!

 附帶一提有段電影預告影片形容化石燃料的部分,阿樹覺得超貼切啊!分享給大家