永續發展與水的化學摭談
引 言
「永續」和「永續發展」是1950 年代後期，歐美一些人士因察覺工業和農業快速擴 展造成對環境、生態、人類健康之禍害，提倡而逐漸在社會形成的重要思潮和具體 行動。1987 年聯合國的「世界環境與發展委員會」定義「永續發展」為「能滿足當代 所需，但不損及後代滿足其所需之發展」。1992 年聯合國又在里約熱內盧提出「二 十一世紀待辦事項」（Agenda 21），界定「永續發展」為人類以兼顧經濟、環境與 社會為三基石之發展，以及其發展原則。世界許多國家隨後紛紛成立「永續發展委 員會」或相關的組織，積極推動有關的研究，發展、管制和教育。由於危害「永續」
之濫用、破壞等行為日益嚴重， 2002 年底聯合國乃據上述「待辦事項」第 36 項，
決定以2005-2014 年為「永續發展教育的十年（Decade of Education for Sustainable Development，縮寫 DESD）」，冀藉「教育」普遍灌輸「永續發展」的觀念及知識於 人心。使各別地區社會之公民皆能以公平方式，促成維護生態與發展經濟同步進 行，而達「永續」之目的。亦即試圖經由教育以達到環境、社會及經濟共同進步的永 續發展
。
台灣於1997 年八月組織了「行政院國家永續發展委員會」，然一般而言，並不 積極，也乏具體成效。相關的教育則未受重視。例如教育部新訂「高中課綱」的總綱
「目標」雖有「深植全球永續發展觀念」一項，但僅「英文」、「應用地理」、「公民與社 會」與「生物」少數學科在課綱中「課程目標」或「核心能力」言及「永續發展」。另也 只有「基礎化學（2）」與「基礎地科」在「教材綱要」中列有約一節有關「永續發展」
的教材，「物理」則不見相關課題！至於近來所組織的「高等教育永續發展委員會」
和「中小學等教育永續發展委員會」，只是檢討和規劃「教育永續發展之道」，與國 際積極推動的「永續發展教育」，似是風馬牛不相及！一般人則誤以為「環保」，
「節能」就等於永續發展，忽視研發精神及教育之必要性。卻不知聯合國推出「永續 發展教育」計畫時早已開宗明義，特別說明「觀念上永續發展教育遠超過環境教 育」（註1），可見所謂學者專家的觀念實已落伍，遑論不學之官員政客！
說來有點令人汗顏，我們的祖先早有保護資源，追求永續之卓見。如《逸周書》
曾載約三千年前周公對武王說：「旦聞禹之禁，春三月山林不登斧，以成草木之 長，夏三月川澤不入網罟，以成魚鱉之長。」（「大聚」篇）戰國時期孟子也說：
「不違農時，穀不可勝食也；數罟不入洿池，魚鼈不可勝食也；斧斤以時入山林，
材木不可勝用也。穀與魚鼈不可勝食，材木不可勝用，是使民養生喪死無憾也。養 生喪死無憾，王道之始也。」（「梁惠王」上）《呂氏春秋》前十二篇，自「孟春」至
「季冬」每月之農林牧獵都有所規定，成為西漢後期編成的《禮記》「月令」之本。如
「季春之月…無伐桑柘」，與周初維護自然資源環境的精神，一脈相傳。到了約一 千年前北宋大儒張載所言「為往聖繼絕學，為萬世開太平」，更說明後世讀書人有 發揚光大先賢學說，為子孫萬代營建永續樂土的責任。
永續發展教育
目前一般認為追求世界永續之挑戰難題有六：人口劇增，糧食供應，能源消耗，
氣候變遷，資源枯竭，環境毒害。很明顯都與「科學」，尤其是「化學」汲汲相關。
這六項都是普遍性且具循環關聯性的現象。換言之，只要醫藥衛生、生活水準改善 不斷改善，人類平均壽命必將持續延長。消耗食物將隨之愈來愈多，需要的能源 和資源必然增加，對大自然生態與環境之損害也將日益嚴重。另為維持現代生活 之便利與安全，不但消耗許多資源與能源，也製出大量廢棄物。例如以化學方法 每製造一公斤醫藥品經常附帶產生至少25 公斤包括廢棄物在內的副產物。如果再 加上奢侈、淫慾、迷信與無知等所造成的「特殊」浪費，則挑戰的難度更大。以教育 導正人們的觀念和行為，因此也愈加重要了。
上述的聯合國「十年計畫」揭示了三個主要方向，即「整合教育與各門永續科學」，
「強化不同層次、類型永續教育間之配合」，以及「降低不同地區有關資訊與知識之 差異」。（註2）因此，從了解科學或化學原理以認識「永續發展」是科學教育之一 當務之急。再者，今年三月31 日至四月 2 日國際教科文組織召開之「十年期中會 議」，就下述八個重要課題舉辦教育研習會。（註3）
1. 「水」的教育 2. 認識氣候變遷
3. 未來生活型態與負責性的消耗 4. 災難處理：建立有應變能力的社會 5. 食物安全
6. 衛生健康教育 7. 生物多樣性 8. 經濟因素
其大部分皆與「科學」相關，而其中許多重要觀念及基本問題則可由「化學」來了解 及解答。
「化學」是探究變化之學，也是生命科學、奈米技術、高分子科學與新材料科學核 心之重要部分，在追求永續發展之過程中也佔有很重要的地位。許多難題藉化學 得以獲解，諸如再續性（renewable）資源之開發應用，水之利用與污水處理，保 健品、營養食品與觸媒之製造，以及工業製程中之有效品質管制等等俱是。但有時 須與其他學門相輔相成，始能奏效。至於欲知其然，則須對基本學理有所了解。下 文即以和生活關係最密切的「水」，擇幾個例子予以說明。
飲水思源
無論是中國古代的水、火、木、金、火「五行」，或是古希臘和古印度的水、氣、火、
土「四元素」，其中都有「水」。希臘哲人泰勒斯（Thales, 約 640-546 BC 以水無處不 在而曾以「水」為構成宇宙最基本的元素。《管子》（645 BC 以前）則以「地者，萬
物之本原，諸生之根苑也。…水者，地之血氣，如筋脈之通流者也。…故曰：水者 何也，萬物之本原也，諸生之宗室也…」（水地篇）是說萬物眾生皆由「水」而生。
現代知識告訴我們：地球的表面約70％為水所覆蓋，水是一切生命組織之基礎。
細胞裡平均含有70-80％水，為生命形成，發育，繁殖和代謝作用必需的物質。成 人身體中約70-75%的重量都是水，一般體重 40-80 公斤的人每天至少要攝取約 1~2 公升的水，以維持健康。人幾天不進食，只要喝水仍可維持生命，但幾天不飲 水，則必一命嗚呼。
為維護健康，食用的水必須合乎衛生條件，故公共用水須經純化處理。水處理過 程中最重要的步驟是「消毒」，除去細菌及病毒等危險物。一般多是用「氯氣」，因 氯與水起反應產生有良好消毒作用的次氯酸
Cl2 + H2O → H＋ + Cl－ + HOCl
用漂白粉（次氯酸鈣 與次氯酸鈉）亦有相同效果。
然而，以氯或漂白粉處理時會產生一些於人體有害的含鹵素有機化合物如三氯甲 烷（水中限值為0.1 ppm），等。又由於次氯酸並不十分安定，不能長期保存，
已處理過的清淨水中還須加入氯氣，使遠處用水在一段時期後仍能維持含有適量 次氯酸以消除滋生的細菌。因此，煮沸飲用水時常使其沸騰一些時間以除去含氯 的物質，且用戶離水處理廠愈近，使其沸騰的時間也宜稍久。雖其目的為了安全 和除去異味，但從永續發展的觀點來看，卻是浪費能源（已煮沸還繼續加熱）與 資源（使用過量消毒劑）！依據「永續化學原則」（註4），務必避免，應予改進 目前已有兩種可以代替氯的化學品：一是臭氧（O3），一是二氧化氯
（ClO2）。乾燥的清潔空氣中之氧分子在20000 伏高電壓下分解重組成臭氧 3O2(g) → 2O3(g)
用臭氧消毒比用氯更有效，且不會產生三氯甲烷等於人體有害之物。但臭氧在水 裡的溶解度很低，仍須添加一些氯，以維持長效的消毒效力。二氧化氯沸點 11℃，消毒效力也比氯好，也不會產生三氯甲烷等物，可由以下方法製成。
2NaClO2(s) + Cl2(g) → 2ClO2(g) + 2NaCl(s)
其水溶性比氯大，唯是化學活性大的強氧化劑，水中不宜含有過量。另一避免食 用水中存有滋生細菌等微生物的永續化學方法是：在距淨水廠出水口某一定距離 處之輸水管中設一監測器，察覺微生物已滋生到某一一程度時，才加入適量消毒 劑。則可避免使用過量化學品，也可節省能源消耗。
水的一些特性
水有許多特性，和其化學分子的構造有關。水分子由氫(H)－氧(O)－氫(H)構成，
為V 字形，夾角 104.5o，H 與 O 間僅 0.096 奈米（nm，1 公尺的十億分之一）。由 於H 與 O 分在兩邊，故水分子具有極性，分子之間有很強的吸引力（氫鍵）。
所以，雖然水分子很小、很輕，在常溫下仍是液體，即使在氣體狀態也是多個分 子聚在一起。也因此，空中的水氣聚集到某一定程度就凝成雨滴，落回地面，促 成水的循環利用。高等動物體內的水份，因具極性和氫鍵，可溶解許多代謝作用 產生的廢物而將之經半透膜攜出體外，是為尿和汗等。
人體釋出的汗，初為水氣，無法逸散時則集成汗為衣物所吸而致污，須予洗滌。
同理，落雨為衣物所吸而變濕，須予烘乾。近年來新發明的Gore-Tex 是將聚四氟 乙烯以特殊方法製成一種每平方公分（厘米）含有14 億個微孔的薄膜（電子顯微 鏡圖），平均每個微孔的直徑不到0.3 微米（μm，1 公尺的百萬分之一），遠小 於雨滴的最小直徑100 微米(0.1 毫米）。將其置於人造纖維（如聚酯及聚氨酯）之 夾層中，所製成的衣物雨水不能進入。但因人體釋出的水(汗)氣的大小只在奈米級 遠小於微孔的直徑，則仍可排出。故外穿Gore-Tex 製成的衣物不會因淋濕而須乾 燥，也因透汗氣而使內衣容易洗淨，都符合「永續」或「永續化學」的要求。由此觀 之，了解科學原理以創新發明，實是達成「永續」之一要訣。
科學實驗破除迷信──磁化水
科學實驗可以證明某一存在事實的成因，也可以證明某一傳說或迷信之不可信。
例如1953 年起就有些人宣傳：家庭用水經外加磁場（磁化器）一段時間後成為
「磁化水(magnetized water)」，具有特殊性質，如表面張力、導電度等改變。其作用 包括:
水管與有關器具不生沉積物及耐用時間延長 延後發生腐蝕
水的酸性降低
可少用洗衣劑但衣物洗的更乾淨
潔身劑能產生更多皂泡而頭髮和皮膚都能洗的更乾淨 植物生長的又快又好
等等
這種水在台灣又稱「能量水」或「π 水」，在網路上可找到不少討論文字。有些人竟 相信「水通過強力磁場後，大分子團(H2O)n 的水被磁場分割成雙分子(H2O)2或單 分子H2O…水就是磁化(小分子)活水。」（註 5），又有些人認為「磁化水的理化性 質，如表面張力係數、電導、pH 值、粘度、活化能等的改變會使細胞內電子傳遞速 度加快…」。（註6）但此皆無稽之談，已退休的加拿大 Simon Fraser 大學 Lower 教授（註7）即有一網站專事駁斥。
美國的《化學教育期刊》去年10 月曾有一篇文章介紹一實驗方法，讓學生由科 學實驗比較結果，判斷「磁化水」與「未磁化水」有無不同。（註8）作者是四位西 班牙學者。他們使飲用水從一長1.5 公尺、直徑 2 公分銅管上方以每秒 65.5 毫升之 速，經一市售的「磁化器」「磁化」流下，並重複五次。另將兩組「已磁化水」靜置4 和16 小時。然後分別測定四組樣品各 10 件的 pH 值、導電度、總硬度(碳酸鈣含量) 與表面張力。其結果如下：
未磁化水 磁化水 磁化水(4 小時後) 磁化水(16 小時後) pH值 8.08±0.03 8.07±0.04 8.11±0.04 8.10±0.03
導電度(mS/cm) 2.00±0.07 1.99±0.07 2.07±0.08 2.06±0.06 總硬度(g/L,碳酸鈣) 0.873±0.006 0.878±0.006 0.877±0.004 0.879±0.007 表面張力(dyne/cm) 75.4±0.6 75.2±0.6 75.3±0.6 75.6±0.6
可知在實驗誤差範圍內，「磁化水」與「未磁化水」並無不同，而且長時間離開磁場 後「磁化水」性質不變。同時，實驗結果告訴我們：水的硬度未減。洗滌的效果怎會 增進呢？由此看來，將水「磁化」實是一種與「永續」背道而馳的「浪費」。
這也可顯示「做實驗」對學習科學、了解科學的重要了。
註1：“Education for Sustainable Development (ESD)” is a concept that goes far beyond environmental education. 見（註 2）
註2：UNESCO (2004), United Nations Decade of Education for Sustainable
Development 2005–2014. Draft International Implementation Scheme, UNESCO Paris.
註3：
http://portal.unesco.org/education/en/files/51172/12275262245DESDquarterlyOCT08.p df/DESDquarterlyOCT08.pdf
註4：《科學月刊》第 33 卷第一期 38-42 頁（2002 年）
註5：http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/viewtopic.php?topic=15687 註6：http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1405121808587 註7：http://www.sfu.ca/chemistry/faculty/lower.htm
註8：Journal of Chemical Education, vol. 85(10), pp. 1416-1418 (2008)
【《科學月刊》2009 年 5 月，頁 388-391，未節稿】
