今年是元素週期表發表第150週年，年初歐洲化學學會畫了一張歪七扭八的元素週期表，這圖對化學人來說看起來超詭異，原來是他們想藉這個機會，提醒大眾很多元素都已經瀕臨耗盡邊緣。我不禁好奇究竟有哪些元素越來越少？而這些元素又在生活中如何影響我們？一查之下，才發現要過著方便、現代的生活必須仰賴不少稀缺元素，少了它們還真的過不起來。※本文刊登於《科學月刊》2019年6月號〈拉開元素週期帷幕〉
科學月刊特別企劃了這次元素週期表專輯，介紹與週期表和元素有關的各種故事，更多相關主題的文章可以參考科學月刊網站。
今(2019)年《蘋果日報》的調查報導指出，大量的資源回收物被當一般垃圾掩埋在偏鄉或郊區，引起輿論大力譴責無良回收商。從該事件可以看出大眾對資源回收重視的程度，不過，比起多數人關心塑膠垃圾是否回收減量，其實，提煉自礦物的元素資源是否能永續利用，可能才是更迫切需要大眾關注的議題。這些元素並非取之不盡、用之不竭，如果處理不當，只會更加稀少，甚至有用完的一天。
歐洲化學學會（European Chemical Society）在今年初製作了一張扭曲週期表（下圖）昭告大眾，其實有很多的元素都已經瀕臨耗盡邊緣，如果不節約或回收，未來要取得這些元素所需要的成本就會提高，更糟的是，當有一天地球上再也找不到這些元素，那問題可就麻煩了。
扭曲週期表和即將耗盡的元素
也許讀者會好奇，這些元素消失，對人類生活的影響有多嚴重？看看桌上的手機、平板和電腦，這些生活中離不開的電子產品，晶片裡的半導體元件就是由多種稀缺元素製作而成。也就是說，失去了稀缺元素，3C 產品可 能完全做不出來。你能想像一個沒有手機、平板和電腦的世界嗎？
為了說明到底哪些元素很稀有，扭曲週期表利用各元素所佔有的面積大小呈現元素的稀缺程度，面積越大塊就代表含量越豐富，而顏色越偏紅，就代表在元素缺乏的危機越大。另外，稀缺元素大多數集中在右下角區域，包含許多過度元素及 13~16 族（又稱 3A、4A、5A、6A 族）第四到六週期的元素。或許讀者對這些元素不熟，甚至連聽都沒聽過，但前面提到的各種電子產品當中，就必須使用不少稀缺元素進行製造。
註：
元素週期表中所說的「族」是指同一直排的元素，13族是由左往右數第13直排的元素；而「週期」則是指同一橫列的元素，第四週期是由上往下數第四橫排的元素。可以對照下圖格子最左側和最上方的數字。
舉例來說，如果缺乏第 13 族第四週期的鎵元素(Gallium, Ga)，半導體產業可能會一個頭兩個大，因為砷化鎵(GaAs)是製造半導體的重要原料，包括手機、電腦裡面的積體電路與紅光 LED，還有以半導體製成的雷射，也都使用包含鎵的化合物。如果缺乏鎵，相關產品的價格勢必會提高，現今已貴到嚇死人的 iPhone 不知道又要漲多少錢。但棘手的是，想要獲取鎵，並沒有「鎵礦」可以開採，只能從煉鋁、煉鋅工業的製程副產物中進一步提煉出來，也因此限制其產量。
手機除了晶片之外，觸控面板也是很重要的一個部分，與鎵同一族的銦(Indium, In)，就是製造觸控面板的重要元素。除此之外，銦也大量用於 LCD 液晶螢幕中。其來源與鎵類似，主要從煉鋅工業殘渣中提煉而來。如果銦用罄，不只是觸控螢幕、LCD 液晶螢幕會做不 出來，就連部分的半導體、太陽能電池及太陽能板的生產也都會出問題。想像一下在缺乏銦的世界，那大概會是個觸控手機超級貴的時代，或許 Nokia 3310 的輝煌時代又要回來了。
漏氣漏到太空去
還有一種稀缺元素面臨更棘手的問題，那就是大家所熟知的氦氣。氦元素存量有限，但卻不斷有人施放氦氣球，大量氣球緩緩飄上天空的景象固然浪漫，但這些氦原子最終會脫離地 球，從此無法被利用，氣球破掉以後，氦氣 會持續不斷地往上飄到大氣層上層，最終逸散到 外太空，一去不復返。
不過，氦元素的其他應用基本上並不容易導致氦原子流失，許多高科技儀器中使用的氦原子，回收比例其實相 當高，例如用來分析化學分子結構的核磁共振光譜儀(nuclear magnetic resonance, NMR)和應用於醫學診 斷的核磁共振造影技術(nuclear magnetic resonance imaging, NMRI)，都是使用液態氦幫助超導體降溫， 儀器管理單位也都有相應的氦氣回收措施。
除了氦元素有限的問題，這項資源還面臨生產分布不均的狀況。氦氣的開採與生產，主要是隨著天然氣的開採過程一併獲得，目前全球生產量有 50% 以上多來自美國， 另外約 33% 來自卡達，然而近幾十年的消耗速度，加上 2017 年卡達遭波斯灣國家封鎖與斷交的危機，讓氦氣出口受阻，使得全球氦氣供給出了不小的問題。而以核融合方式生產的氦原子，更是短期內因成本過高而不可行，所以肆無忌憚地施放氦氣球看似浪漫，但其實可以說是 損失慘重啊！
分布不均的稀土金屬
另外，有一類元素因為供應量被壟斷，備受產業界人士關注，這類元素叫做稀土元素(Rare earth elements)。 稀土元素包括了過渡元素中的鈧、 釔和鑭系元素，也因為全部都屬於金屬，所以也稱作「稀土金屬」。稀土金屬在地殼中含量都還算豐富，不過因為這些元素的物理、 化學性質都很接近，開採出來的礦源常是兩兩形成合金， 因此要將稀土金屬分離出來，需要費不少功夫。
稀土金屬在許多產業中，扮演相當重要的角色。比方說鑭(Lanthanum, La)常用於鎳氫電池當中，知名的例子是豐田(Toyota) 旗下油電混
合車的電池，就使用這種含有鑭的電池；而以歐洲(Europe)為詞源命名的銪(Europium, Eu)，過去常用來製作映像管電視螢幕上的紅色螢光粉，現在比較常見的用途是在一些雷射的部件，或是一些螢光燈泡中；而常見的強力磁鐵— — 釹鐵硼磁鐵，其中的釹(Neodymium, Nd)元素也是屬於稀土金屬，釹、鐵和硼磁鐵因為磁力很強，在風力發電風機當中，扮演很重要的角色。
然而，稀土金屬之所以令產業界如此焦慮的一個重要因素是，稀土金屬在世界上的分布區域極度不平均，少數國家掌握極大比例的稀土金屬礦藏，光是中國的礦藏就有近全世界的 1∕3，其他也蘊藏稀土元素的國家還包括：獨立國協國家(主要由前蘇聯分裂出來的國家所組成)、美國、澳洲、巴西、印度和越南，而歐盟和日本基本上 沒有稀土資源。
渾身解術確保礦源，但供應仍不穩定
中國自從 1990 年代初期的稀土金屬生產量超過美國後，基本上壟斷稀土金屬的市場，根據去(2018)年的數據， 中國稀土金屬生產量佔全球生產量大約 90%。也因為中國獨佔這個市場，美國、歐盟與日本等對於稀土金屬需 求量極大的先進工業經濟體，對此一直頗有微詞。
2009 年中國以遏止資源過度開發及生態保護為理由，減產稀土金屬，引發美歐日的不滿，但中國進而指責美國 為了戰略儲備，和保護珍貴資源目的，長期廉價購買中國的稀土金屬。2012 年美歐日一狀告上世界貿易組織 (World Trade Organization, WTO)，迫使中國恢復生產和出口量，中國政府雖然一度恢復出口量，但目前仍然把生產出口量控制得很緊，因此近年稀土金屬的價格節節攀升。
為了要破除中國壟斷市場的狀況，各國也在尋求可能的解法。去年，日本在位於太平洋的一個領土南鳥島(Marcus Island)近海發現大量稀土金屬的礦藏，礦藏量估計可以提供全球數百年的消費量，但是目前從海洋地層中開採、提煉出稀有金屬的成本仍然太高，也因此短期內不太可能商業化量產。
除此之外，一間來自澳洲的跨國公司萊納斯(Lynas)， 2010 年起開採澳洲的礦藏，2012 年在馬來西亞開設分廠，負責將澳洲礦區的濃縮礦提煉成可以商業化出售的稀土金屬，目前萊納斯的稀土金屬產量位居全球第二， 佔全球生產量近 10%。然而馬來西亞政府在去年 5 月要求萊納斯妥善處理提煉廢土，甚至協商失敗後要求萊納斯須將廢土運回澳洲，否則將不更新其運轉執照。萊納斯與馬國政府的僵局導致停工持續至今，也讓各國對於稀土金屬的供應越來越擔憂。
不只開源也要節流：資源回收很重要！
各種稀缺元素巨大的消耗量與供應量不穩定，可能會使電子產品的生產成本提高，甚至導致無法生產。而稀缺元素也因為價值高昂，成為各國重要的戰略物資。面臨資源有限又分布不均，最有效的方法或許還是妥善回收 各種含有稀缺元素的廢棄的電子產品，重新提煉與再利用，才能有效地解決資源稀少的問題。
日常生活中，其實有很多管道可以回收廢棄電子用品， 很容易就可以做到回收再利用。例如便利商店就能回收廢棄電子用品，例如 7–11 和全家便利商店都提供相關回收的服務，還能兌換折扣點數或食物。以臺灣超商的高密度來說，完全不用煩惱找不到資源回收據點。
而住在比較郊區的讀者，各縣市的清潔隊也提供無償的回收服務可以利用。其他像是華碩文教基金會、宏碁、 燦坤、科技濃湯或綠色奇蹟等組織也都有提供這些回收服務，他們的網站中也有詳細的回收資訊。至於氦元素這種可能無法回收再利用的元素，還是建議大家盡量不 要再使用氦氣球，否則氦原子就會像變了心的女朋友， 回不來啦！
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延伸閱讀1. T.E. Graedel et al., Criticality of metals and metalloids, PNAS, 2015.2. Yao-Hua Law, Radioactive waste standoff could slash high tech’s supply of rare earth elements, Science, 2019.參考資料1. Element Scarcity – EuChemS Periodic Table2. Europe's 'New' Periodic Table Predicts Which Elements Will Disappear in the Next 100 Years, LiveScience3. T.E. Graedel et al., Criticality of metals and metalloids, PNAS, 2015.4. Yao-Hua Law, Radioactive waste standoff could slash high tech’s supply of rare earth elements, Science, 2019.5.Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T., Fujinaga, K., Ohta, J., Usui, Y., ... & Dodbiba, G. (2018). The tremendous potential of deep-sea mud as a source of rare-earth elements. Scientific reports, 8(1), 5763.5.Takaya, Y., Yasukawa, K., Kawasaki, T., Fujinaga, K., Ohta, J., Usui, Y., ... & Dodbiba, G. (2018). The tremendous potential of deep-sea mud as a source of rare-earth elements. Scientific reports, 8(1), 5763.
