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

一提到「化學」，很多人會嚇得倒退三步。事實上，化學是一門研究物質結構、性質和反應的科學。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。

歷史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／圓神出版之《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》。