保證有趣的化學入門!《世界史是化學寫成的》獲選【台積電盃】指定用書

書名:《世界史是化學寫成的:從玻璃到手機,從肥料到炸藥,保證有趣的化學入門》
作者:左卷健男
出版社:究竟/圓神出版
出版日期:2022年2月1日
書名:《世界史是化學寫成的:從玻璃到手機,從肥料到炸藥,保證有趣的化學入門》
作者:左卷健男
出版社:究竟/圓神出版
出版日期:2022年2月1日

一提到「」,很多人會嚇得倒退三步。事實上,化學是一門研究物質結構、性質和反應的。從過去到現在,化學一直在背後默默助人類一臂之力,也形塑了我們的世界。

只要你懂化學,化學就會幫助你。本書將告訴你生活中各種材料與物質的前世今生,讓你更冷靜地面對各種廣告話術、更聰明地使用各種用品,也更睿智地思考自己與環境的關係。(編按)

文/左卷健男

想要活下去,不能沒有它

水在人體中所占的比例,健康的成年男性約為體重的六○%,女性約為五五%。男女體內含水比例不同,是因為男性的肌肉組織較多(含水量高),而女性的脂肪組織較多(含水量低)。

在人體內循環的血液,會將各式各樣的物質溶入其中,巡迴體內每個角落、將養分和氧氣輸送至各個細胞,並回收老廢物質、排出體外丟棄,這是水所具備的重要功能之一。

為了活下去,人類一天大約需要二到二.五公升的水。這個攝取量除了因人而異,也會受到外在大氣的狀態、有無運動等因素影響。另一方面,從體內排出的水,大部分都是尿液與汗水;而水分在人體的進出量基本上也都是平衡的。

負責輸送養分和氧氣的水,除了是進行化學反應的地方,也負責調整體溫和滲透壓,是維持生命不可或缺的重要物質。

體內水分一旦流失超過二○%,就會死亡。一名六十公斤的成人,體內的水分約有三十六公斤(以一公斤的水體積為一公升來算,六十公斤乘以六○%等於三十六公斤,相當於三十六公升),三十六公斤的二○%就是七.二公升。人類一天會排出約二.五公升的水分,而七.二公升大約是二.九天分的排水量。當然,實際上停止攝取水分後,排出體外的水量也會減少,因此人應該可以活得更久,不過一般估算,人只要三天不喝水,就會有生命危險。

所以,即便是宗教修行中的斷食,儘管不會進食,但依然會喝水。健康的成人就算什麼也不吃,如果有水喝的話,至少還能存活三週左右。由此可見,水對生命來說有多麼重要。

羅馬浴場

水與都市衛生也有很大的關係。人類總是居住在河川、湖泊、湧泉等可以立刻取得乾淨水源的地方。但隨著文明的發展,人口集中的都市日漸發達,水源也因此逐漸短缺,於是發展出可大量供應乾淨水資源的設備──上水道。所謂的上水道,指的是透過建造溝渠等方式,將水從郊外的湖泊或河川上游引進城市。

最早大規模建設上水道的是古羅馬人。他們不但整頓了上下水道、做出用水沖刷排泄物的馬桶,更驚人的是,他們甚至建造了公共廁所──考古學家曾在一處遺址裡挖掘出一千六百座馬桶。

從西元前三一二年至西元三世紀左右,古羅馬建設了許多上水道,從數十公里遠處將乾淨的水引進都市。當時以建造地下管線為主,不過也會用石材和磚塊建造拱型的水道橋;而且為了保持水質,還沿著主要管線設置蓄水池和過濾池。這些運送到市區的水,會分配至公共浴池、宅邸、公共設施,以及讓民眾汲水的噴泉。

古羅馬的公共浴池規模龐大,內部裝潢也十分豪華。一般來說,每座城市至少都有一座公共浴池,做為重要的社交場所。裡面設有專用的房間,由專人在身上抹油,並用木製或骨製刮板將身上的汙垢連同油脂一起刮除,以及不同水溫的浴池、蒸氣烤箱、健身房、圖書室等,民眾還可以在公共浴池內的講堂談論哲學和藝術。

高跟鞋、斗篷和香水

然而,隨著羅馬帝國覆滅,大部分的上水道也遭到破壞。一直到中世紀晚期,不但上下水道長期不見天日,連公共廁所也消失了。當時的基督教教義認為,所有肉體欲望都要盡可能節制,裸體入浴是深重的罪孽。公共浴池就別提了,連自家也未設置洗浴設備,可說完全不具備衛生觀念。

這麼一來,城鎮會變成什麼樣子呢?

民眾在道路和廣場上隨意大小便。只能隨便處理的結果,使得排泄物滲入地下,導致病原菌汙染水源。

貴婦們身穿下襬寬大的長裙,就是為了方便隨地排泄;十七世紀初問世的高跟鞋,則是為了避免街上的糞尿泥濘弄髒腳而設計出來的──所以當時的高跟鞋不只是鞋跟,連鞋尖也會墊高。據說,當時甚至有鞋底高達六十公分的超級高跟鞋……

另外,民眾會從二樓或三樓的窗口,將尿壺裡的排泄物直接往路上傾倒,所以外出時需要穿上斗篷,以遮擋這些「天上掉下來的禮物」。由於危險有可能隨時從天而降,當時的紳士才會養成護衛淑女走在道路正中央的習慣。

當時的人不太洗衣服,也完全不泡澡或沖澡。為了掩蓋體臭,有錢人會噴上大量的香水,香水工業發達的背後,其實是這個緣故。

乖乖照規定,才叫有禮貌

當時的人一旦感覺到便意,根本不在乎時間、地點,直接公然在外排泄。就連十七世紀的法國代表性建築凡爾賽宮,在早期的建設工程中,根本不包含廁所用和浴室用的水道設備。

宮殿裡,像是太陽王路易十四和著名的瑪麗.安東尼王后,他們所使用的都是坐式馬桶──臀部挖空的椅型便器,而排泄物就積放在下方用來承接的盆子內。當然,國王的馬桶不但鋪上了天鵝絨,還以金銀刺繡做為裝飾,是非常豪華的設計。

這個時代的凡爾賽宮,包含王公貴族、僕人在內,推測約有四千人住在裡頭,但宮中的坐式馬桶僅有不到兩百八十具,數量嚴重不足。因此,在宮中舉辦豪華絢麗的舞會時,愛乾淨的人還會帶著攜帶式便座,再由僕人負責將桶內的排泄物倒進庭園裡;當然,宮中的排泄物也一樣倒在這裡。至於未自備便器的人,則會直接在走廊、房間角落、庭園草叢裡大小便。結果,以美麗聞名的庭園處處充滿糞便,散發出嚴重的惡臭。

宮殿的庭園造景師見狀,非常憤怒,便在庭園裡插了一座「禁止進入」的牌子。一開始大家還不放在眼裡,直到路易十四下令要遵守立牌的指示,賓客才開始守法。

事實上,法語「禮儀」(uiquette)的原義就是「立牌」──最基本的禮貌,其實就是遵守既有的規定。而從這段軼事中,我們也可以預見,惡劣的衛生條件,必然為生命帶來重大威脅。

乘著水散播的傳染病

霍亂是一種經口傳染的疾病,若是將遭到感染者糞便汙染的水和食物吃下肚,就會染病。病原體霍亂弧菌是德國微生物學家柯霍(Robert Koch)在一八八三年發現的。霍亂弧菌所含的毒素會引發嚴重腹瀉和嘔吐,只要接受適當的治療,死亡率可以下降至一一%,但未治療者的死亡率高達五○%,重症者甚至會在症狀出現數小時後死亡。

在霍亂弧菌等病菌發現以前,不只是霍亂,大家普遍認為所有傳染病都是因為吸入骯髒的空氣──瘴氣(miasma,在希臘語中有「不純」「不潔」「汙染」之意)所致。

上曾出現過七次全球性霍亂大流行,無不造成大量死亡:

• 第一次:一八一七年~一八二三年,於印度和孟加拉等地

• 第二次:一八二九年~一八三七年,於歐洲、倫敦、北美等地

• 第三次:一八四六年~一八六○年,於俄羅斯、亞洲等地

• 第四次:一八六三年~一八七九年,於歐洲與非洲大部分區域

• 第五次:一八八一年~一八九六年,於德國漢堡等地

• 第六次:一八九九年~一九二三年,於歐洲部分地區和印度等地

• 第七次:一九六一~,於印尼、東南亞、太平洋群島等地

一八五五年,麻醉學家約翰.斯諾(John Snow)明確證實了「霍亂並非由瘴氣引起,而是起因於水中所含的某種物質」。

一八五○年左右,倫敦掀起了霍亂大流行。斯諾發現,霍亂致死率會因供應自來水的公司而異。喝到遭汙染自來水(取水口位於下游)的家庭,霍亂死亡率特別高,而瘴氣理論無法說明這種現象。

斯諾在一八五四年、倫敦寬街爆發霍亂流行期間,一一造訪死者的住家、調查屋內的飲用水來源,並記錄在地圖上。分析相關分布狀況後,發現絕大多數的死者,都住在寬街中央那口手壓式幫浦水井附近。而離水井較遠的住家之所以染上霍亂,是因為家裡的孩子在水井附近的學校上學,或是曾到那一帶的餐廳和咖啡店消費,他們全都喝過那口井裡的水。

奇妙的是,水井附近有一座擁有約七十名員工的啤酒廠,裡面竟然沒有人得到霍亂重症。斯諾仔細一查,才發現工廠的員工並不喝那口井的水,而是喝啤酒解渴。因此,在禁止大家從遭到汙染的井中取水後,霍亂疫情便順利獲控制。

發生在十九世紀倫敦的一連串疫調,展現出「流行病學」研究方法的重要性。所謂流行病學的研究方法,就是觀察群體、探討感染者與非感染者的生活環境及生活習慣的差異,並釐清傳染的主要原因。

幾年後,證明了倫敦寬街水井的堆肥汙水坑中混入了霍亂患者的糞便,而汙水坑距離水井只有短短九十公分。

傳染病促進上下水道的發展

直到中世紀晚期,家庭汙水都是直接排放到路上或道路中央的水溝,多次引發鼠疫和霍亂等傳染病流行,每一次都造成大量民眾喪生。

到了十六世紀,各國終於開始重視維護市民生活環境的衛生,並逐漸推動小規模的上水道工程。一五八二年,在倫敦橋上建造了水車驅動的幫浦,引入河水,並配送到家戶做為民生用水;但橋下的泰晤士河因為船運頻繁,河水總是汙濁不堪。

到了十九世紀,蒸氣幫浦、輸水用的鑄鐵管及淨水裝置(以砂石等進行人工過濾的裝置)問世,能淨化水質,並透過幫浦輸送至各地的大規模近代水道才終於整頓完成。

歐洲最早的公共給水,出現在一八三○年的英國倫敦,而發生在一八三一年的霍亂流行,也促成了倫敦下水道的發展。但好不容易整頓了下水道,卻只是將汙水直接排放到河裡,不但使得河川越來越髒,甚至到了無法做為工業用水的程度。從一八六一到一八七五年,泰晤士河兩岸建造了與河川平行的水路以排放汙水,卻依然無法遏止下游汙染。

一八四八年,德國漢堡成為第二個發展下水道的城市;進入十九世紀後半,德國和法國各大都市都建造了下水道。此外,還發明以類似噴泉的方式,在下水道管線噴上一層「過濾材料」,利用形成於表面的菌膜來分解穢物,以及現代汙水處理場採用的「活性汙泥法」(利用含有好氧生物的汙泥來分解有機物與無機物的汙水處理法)。

時至今日,雖然傳染病已逐步改善,但世界各地仍有許多人無法取得安全的飲用水,不得不喝含有霍亂、斑疹傷寒、痢疾等病原菌的水,或是普遍存在於環境中、砷含量超標的水。

即使進入二十一世紀,每年仍約有五二.五萬名未滿五歲的幼兒因腹瀉而死亡,原因在於不衛生的環境和遭到汙染的水,但只要改善用水相關的衛生條件,便可有效預防傳染病的發生。此外,因為飲用遭到砷汙染的地下水而導致慢性砷中毒的案例,在印度、孟加拉等地仍時有所聞。

自來水裡的特殊氣味

水是傳染病的一大媒介,飽嘗傳染病之苦的人們終於認知到「水經過消毒後再供給」的重要性。十九世紀末,英國、德國、美國開始試著在自來水裡添加含氯藥劑。到了二十世紀,關於以氯消毒的研究越來越多。這種含氯的藥劑原本是傳染病出現時,供緊急使用的消毒劑,不過後來比利時和英國開始持續使用;到了一九一二年,德國發明了加氯殺菌機,各國才開始普遍採用氯消毒法。

目前的自來水在經過一定處理後,會在出廠前加入氯或次氯酸鈉,並規定水管末端的餘氯濃度必須合乎一定「安全且有效」的標準,才能配送至各用戶。

為什麼必須要求餘氯的濃度呢?因為它也有消毒的效果,可以確保水質。餘氯的成分是氯和水反應所形成的次氯酸(HClO),以及離子化後的次氯酸離子(ClO-),擁有很強的氧化力。遇到由碳和氫等元素組成的有機物(如細菌和病毒),餘氯可以和它們產生反應,並將其中所含的部分碳和氫變成二氧化碳和水,藉此達到殺菌作用。

而且,只需要非常低的濃度(最多只有足以影響人體健康濃度的千分之一),餘氯就可發揮殺菌效果,對人體的健康影響也很低。

●本文摘自究竟/《世界史是化學寫成的:從玻璃到手機,從肥料到炸藥,保證有趣的化學入門》

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