7  混合與分離

先從一些人的現象談起

我曾經到慈幼高工的大禮堂去參加過孔令洋教授的追悼典禮。孔教授是一位天主教的修士,畢生奉獻於教育、青年的輔導和學術研究,在還相當年輕時就過世了,是一件非常不幸的事。在禮堂的前方掛了孔教授的老太爺和老太太悼念他的輓聯:

父聯:  痛汝命夭兒譽滿親朋始信虛名能折福

    傷余年老父默參因果好歸定數祗由天

母聯:  生來富貴人家卻怪怪奇奇祗落得終身貧賤

    賴有聰明根器願生生世世奠造此各種因緣

看到這兩對輓聯時我的感覺是其中有不少佛家的味道。在一個天主教的禮堂中的對聯為什麼會有佛家的味道呢?這就是一種文化和思想混合和交流的現象吧?

道家和儒家的思想是中國的產品。大約在漢朝明帝的時候隨著與當時的西域的政治與經濟的交流,佛家的思想開始傳入中國。中國的社會好像一個文化的混合槽,經過一段時間的接觸之後,使佛家的思想中溶入了道家與儒家的成份,道家與儒家的思想中也溶入了佛家的哲理。俟後的回教、天主教、基督教相繼傳入中國,其結果也是一樣的。但是,經過了長時間接觸與交流之後,各家的思想誰也沒有把誰全部溶進去或是把誰吃掉,道家還是道家、佛家還是佛家、儒家還是儒家、…,而是各家都或多或少地汲取了一些別家的成份,涵容量最大的汲取別家的長處也最多,也會使自身變得更為醇厚。

中國這塊地方也是一個民族的混合槽,歷史上有數不清的大大小小的民族在這塊土地上經過長時間的接觸與混合,最後溶解在一起了。最近的例子就是經過清朝兩百多年,漢民族與滿民族的融合,最後是分不清誰是滿誰是漢了,而是一桌滿漢全席。現在在一些古錢幣(在地攤上賣的多是仿製品)上還看得到一面是滿文、一面是漢文,但滿文大概只有專家才認得了。

仔細想想,在我們日常生活中所接觸到的,除了吃飯用的筷子以外那些是道地的國貨?有人說餃子、麵條、烙餅都是馬可孛羅從意大利帶來的。蕃薯,顧名思義就是番人的薯,也是明朝時才傳來中國的。

華人移民到美國,早期去的是「老僑」,近來去的叫「新僑」,到了美國後有一部份便溶入了當地的社會,有許多則長期地聚集在一起,老僑聚集的地方叫「唐人街」,新僑聚集的地方叫「小台北」。長時間下來仍然處於適度地混合也適度地分離的狀態。觀察在美國的黑人、猶太人,也有類似的現象。

抗戰期間日本人佔攻佔了中國東部沿海很大的一部份土地,造成了一次人口的大遷移,初期是由沿海移向內陸,勝利後又從內陸遷回沿海。人口的大遷移起了攪拌的作用,造成了文化的混合,使地域的差異性淡化,但一些差異仍然存在,即使到了現在還是有一些同鄉會的組織。約五十年前的國共之爭又造成了另一次的攪拌作用,使當年的孔令洋教授由一個廣東的富貴人家的小少爺成為香港難民家庭中的小孩,因此才有機會經由天主教會而成為意大利的留學生,再成為在台南的成功大學的教授,扮演了傳播天主教文化和資訊科技的角色。

由以上的這些例子看來,在人的社會中有混合也有分離,攪拌可以達成混合與分離的平衡狀態,與自然界的許多現象是很類似的。

物質的混合

我們都知道物質有三種狀態:氣體、液體和固體,在混合和分離的難易上當然有不少的差別。通常,混合總是比分離容易得多,就像佛學一旦傳到中國後就與社會混在一起了,每個人的思想與言談中或多或少總會帶一些佛家的成份,把這些成份除去是幾乎不可能的事。譬如我們形容一個人發脾氣為「無明」火三丈,說一個人「眼界」很高,或是沒有「意識」,這些都是佛經中的詞,只是時間久了,把其原義都扭曲了而已。

氣體與氣體的混合是非常容易的事,只要把兩種氣體放在一起,稍稍攪動一下就成為含有兩種成份的均勻氣體。譬如空氣中氧和氮的含量在全世界各地,或是高山上,都差不多。混合容易,分離就困難得多了,把空氣中的氮和氧分開就是一個成本相當高的程序。

液體與液體的混合要視其間的溶解度而定。例如水與酒精之間的溶解度可以到百分之百,把它們放在一起,稍稍攪拌一下就成為含有兩種成份的均勻液體。水與酒精的混合非常容易,但若要把它們分開就是一件難度比較高的操作了。

酒精的學名叫乙醇。醇是一系列的有機化合物:甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、…,它們的特質是分子中有一個氫氧基(-OH)。甲醇中有一個碳原子、乙醇中有兩個、丙醇中有三個、丁醇中有四個、…。講到這裡一定有人會有一個疑問,把十個天干用完了怎麼辦?答案是,有十一個碳原子的就叫十一碳醇,依次類推,有十二碳醇、十三碳醇、…等等。其中名氣最大的當然是乙醇,酒精,因為它的關係才把這一系列的有機化合物命名為醇的,顧名思義就是醇美、好吃的意思。但很可惜的是,其中只有乙醇是可以吃的,其餘的都吃不得,譬如甲醇的毒性相當強,吃了眼睛會

瞎掉。乙醇的生產相當容易,人們在古時就會了,中國就有:「禹飲而甘之」的傳說,大概因為多喝了亂性,對身體也有害,而想喝的人又很多,世界各國都課以重稅。但是,乙醇也是一種重要的工業原料,工業原料是不該抽很重的稅的,而飲用的和工業上用的乙醇實際上又是相同的東西。怎麼辦呢?大家所採用的辦法都是在工業上所用的酒精中加一點對工業應用沒有影響但對人體有毒的成份,稱這種不可飲用的工業酒精為變性酒精。所選用的有毒成份就是甲醇,因為它是乙醇的近親,相互混合非常容易,分離出來又很困難。如果用這種變性酒精為原料來做私酒,當然會闖大禍的。

醋中的主要成份是醋酸,學名叫乙酸。酸是一系列分子中含有酸基(-COOH)的有機化合物,與醇類一樣,也是有一個碳原子的叫甲酸、兩個的叫乙酸、三個的叫丙酸、…。有趣的一點是,醇類中可以吃的是乙醇,酸類中的乙酸也可以吃,為什麼呢?我的猜想是,在原始時代人要靠吃果子維生,那時沒有冰箱,果子又得來不易,要吃新鮮的,腐爛發酵的也得吃,其中難免有不少的乙醇和乙酸,吃了不會受到傷害的才有生存下去並且傳宗接代的機會。因此,存在於自然界中,原始人常會吃到的東西都不會有毒,而人工合成的自然界中原來沒有或是很少的東西,吃的時候就得小心了。

乙醇的分子中只有兩個碳原子,與水很相近,所以可以與水以任何的比例相互溶解。甲醇的分子中只有一個碳原子,比乙醇更與水相近,因此也更能與水相溶。分子中碳原子越多的醇類就越像油而不像水,與水之間相溶的能力也就越小。如果我們在水中加一點戊醇(分子中有五個碳原子的醇),當加得很少時,加入的戊醇會完全溶在水中,加得多時就溶不進去了,搖一搖或攪拌一下就成為滴狀懸浮在水中。如果我們在戊醇中加些水也是一樣

,加得少的時候會完全溶在戊醇中,加得多時就溶不進去了。把水和戊醇放在同一個容器中時,經過充份的攪拌和靜置之後會分成兩層,較輕的戊醇在上面,水在下面,而在戊醇中溶進去少量的水,水中也溶進了少量的戊醇。如果想把溶在戊醇中的那一點水或是溶在水中的那一點戊醇分離出來,也都是難度頗高的操作。

人的混合現象與液體的混合現象是否有些相似呢?前面談到華人移民美國的情形,去的人數還少時就溶入在美國的社會中,但當人數多了起來時,唐人街與小台北就都形成了,是不是很像水裡的油滴呢?法國人與英國人在膚色上差異很少,在文化上的差異也不多,法國人移民到說英語的美國,其「溶解度」比華人大得多,並沒有形成什麼「法人街」,「小巴黎」之類的社區。但是在加拿大的東部就不同了,法裔移民的人數似乎超過了其溶解度,魁北克省不時要來一次決定是否獨立的公民投票。

氣體與液體接觸時,氣體中或多或少總會有一些液體的蒸氣,視液體的揮發性而定;也會有一些氣體溶解在液體中,視它們的化學性質而定。地球表面上的大氣與海面接觸,使處處的空氣中都帶有一些水汽,含量多的時候叫做濕度高,反之叫做濕度低。空氣中氧的分子量是32,氮的分子量大約是28,而水蒸氣的分子量是18,是大氣中比較輕的成份,因此濕度高、水汽含量較多時大氣的密度比較低,大氣的壓力也低。反之,空氣中水汽含量少,濕度低的時候氣壓比較高。

大氣中的氧和氮也會溶解一些在水中,因為有溶解的氧,水中的魚類才得以用鰓呼吸。因為氧可以溶解在血液中,陸上的和水中的各種動物才能夠用呼吸的方式取得氧氣而得以存活。壓力對氣體在液體中的溶解度的影響很大,在高山上氣壓低,有的人

會因為溶入血液中的氧不足而感到不舒服,叫做高山症,只要動作緩慢些或是帶個氧氣瓶就可以了,回到海拔較低的地方之後就好了,不是嚴重的問題。潛水人在潛入深海中時,因為壓力大,血液中溶解的氮氣較多,如果回到海面時上來得太快,壓力降低得太快使氮氣在血液中的溶解度也降低得太快,氮氣因為從溶解的狀態跑出來得太快而在血液中形成小泡。氮氣的小泡在流經微血管時會造成身體上的嚴重傷害,就是所謂潛水症,是潛水人必須小心防範的事。

氣體與固體接觸時的混合現象和氣體與液體接觸時類似,只是一般的固體的蒸氣壓力往往很小,蒸發而混入氣體中的量也非常小;氣體在固體中的溶解度通常也都很小,不易因溶解而擴散到固體的內部去。但是也有一些蒸氣壓力並非很小的固體,例如樟腦,放一小塊在衣櫃中便可以使整櫃的空氣裡有樟腦的味道,而達到防蟲的效果。

有時氣體會吸附在固體的表面上(不是吸收到其內部中去),因為只是表面上的一個分子層,在一般情況下為量是很少的。但是如果固體是非常細的粉末或是多孔性的話,情況就完全不同了,一公克的表面面積可以有2000平方公尺那麼大,如果表面上吸附一個分子層的氣體的話,為量就很可觀了。例如用高壓的鋼瓶來儲存或運輸氫氣,因為壓力高,氫氣又易燃易爆,相當危險;如果鋼瓶中裝了粉末狀的金屬鎳,因為表面面積非常大,可以吸附大量的氫氣而不需要高的壓力,是一個非常好的儲存或運輸氫氣的方法。在日常生活中有許多利用多孔性固體的實例。如活性炭可以除臭,用新烘焙過的茶葉也有類似的效果。

液體與固體接觸時的混合現象和氣體與固體、液體與液體間的混合現象都很相似。固體在液體中的溶解度,或是說液體溶解

固體的能力,高低的差異很大。溶解度大的例子像用水去溶解鹽或糖,水中大約可以溶解27%的鹽,達到飽和以後如果再加入更多的鹽就溶不進去了。因此,有一個非常簡單的精製食鹽的方法,就是用飽和的鹽水去洗滌粗鹽。因為粗鹽中的雜質大部分是附著在結晶外面的,用飽和的鹽水沖洗一下就可以洗掉,因為鹽水已經飽和了,所以不會把鹽溶走,而只是一些鹽水沾在結晶的表面上,用熱空氣吹乾一下就可以了。

大理石在水中的溶解度很小,一座大理石的建築幾百年了也看不出被雨水溶掉多少的樣子。但是,它在水中的溶解度並不等於零,山洞裡的鐘乳石就是由水中溶解的各種礦物質所形成的。水在流動的途中與各種的石材接觸,溶解得到了飽和的程度,從山洞的頂部滴下時難免會蒸發一些水份,其中溶解的礦物質,譬如大理石,便析出來了,每個鐘乳石都是經過千萬年的累積才形成的。

液體在固體中的溶解度往往都非常小,但是有許多固體是多孔性的,例如木材、紙張、活性碳、矽膠、沸石等等,大量的液體可以靠著毛細力進入到這些固體的裡面。也有許多固體是非常細的粉末,表面面積非常大,每一公克可以有上千平方米的面積,因此也可以像多孔性的固體一樣,靠著吸附和毛細力與大量的液體混合。我們這裡所說的混合和溶解不同,把粘土與水混合在一起,或是把麵粉與水混合在一起,不管混合得多好,粘土還是一粒一粒的粘土,並沒有像鹽一樣地溶在水中。我們可以把沙拉油和水混合得很好而成為美乃滋沙拉醬,但其中油還是油、水還是水,只是成為微小的油中的水滴或是水中的油滴,並沒有像水中加了酒精一樣溶解在一起成為均勻的溶液。陶藝家把水與粘土混合、麵包師把水與麵粉混合的時候,可以用手或機械去揉合,但靠著手與機械還是不容易使它們混合得非常均勻,因此在

揉合之後一定要放一段時間,靠自然的擴散使水份更均勻地與每一個固體顆粒接觸。

固體與固體之間相互溶解的機會很小,速度也非常慢。如果希望把不同的固體相溶在一起,通常要先加熱融化為液體之後再加以混合,各種合金和玻璃都是這樣製造的。固體與固體之間相溶的速度非常慢主要是因為擴散的速度太慢的關係,擴散的速度雖然慢但並不等於零,譬如我們取表面非常平而光滑的黃金和白銀各一塊,用機械的力量緊密地壓在一起,壓了相常長的時間,譬如一年,之後再鬆開,用精密的儀器分析一下接觸面附近的成份,一定會發現金中有少許的銀,銀中也有少許的金。可見並非在固體的狀態之下擴散不進去,只是速度很慢需要很長的時間而已。

我們通常所謂的固體與固體的混合,指的多是把不同顆粒大小或種類的固體攪拌在一起的意思。

均勻與非均勻的混合

由以上的討論我們可以把物質的混合物分為兩類:均勻(homogeneous)的混合物和非均勻(heterogeneous)的混合物。氣體與氣體混在一起時所得到的都是均勻的混合物。煙囪裡放出來的二氧化碳,一下子就會均勻地散在大氣中,不可能有幾個二氧化碳分子手拉手地聚在一起捨不得分開。

酒精溶在水裡、鹽溶在水裡、二氧化碳溶在水裡所得到的溶液都是均勻的混合物,從一桶均勻溶液的任何一個部位取出來的樣品成份都是一樣的。把水和沙拉油加些醋打在一起的沙拉醬,看起來很均勻,但實際上是油中有許多小水滴,或是水中有許多小油滴,並不是真正的均勻溶液,其中的小滴雖然小但比起水或

油的分子來還是非常大的。水中如果有懸浮的固體微粒或是有微小的油滴,或是空氣中有些懸浮的微塵,雖然肉眼難以察覺,但都不是均勻的混合物。我以前的一位研究生曾做過一個實驗,證明清潔的水中有許多肉眼看不到的小汽泡。

陶藝家把粘土與水揉合在一起,雖然用機器、用手經過長時間的捏揉,但粘土與水之間並沒有均勻地相溶而只是讓液體的水包覆在每一顆粘土粒子的四週。

玻璃可以說是一種過冷的溶液,是均勻的,但一般的固體,木材是以纖維為主體的複合材料,當然不是均勻的,金屬和礦物材料也是由許多細小的結晶所構成的。製造真正均勻的金屬或礦物材料是難度很高的事。

人文中的分離與分化

前面談過了一些與人有關的混合現象,也介紹了各種物質間的混合。基本上,分離比混合困難,因為混合是一種順應自然界中的大勢的操作,而分離則是一種違反此一大勢的逆向操作,對於物質是如此,對於人的問題也是類似的。

人的社會中的分離和物質的分離一樣,必須先找出一些差異。人與人之間的差異有:種族、語言、宗教、膚色、國家、教育程度、經濟狀況、…等等,不勝枚舉。利用這些差異才能將人分類、分化與分離。有些差異比較容易利用,譬如種族和宗教,目前世界上還有好幾個地方因為種族和宗教的不同,人與人之間還在殺來殺去。整個社會在比較貧窮、求生困難的時候,貧富的差距是一種容易利用的差異。在印尼有一些華僑,那裡正進行著相當嚴重的排華的行為,因此也使在印尼的華人變得很團結而難以溶入當地的社會中;在泰國也有不少華僑,但是我沒有聽說過

有排華的事,那裡的華人也不太有團結起來的必要,時間久了之後,泰國的華僑就會被溶入在當地的社會中,分不出彼此了。有人說這是因為佛教的國家的包容力比較大的關係。現在如果想在泰國利用民族的差異來分化華人與泰人,其困難度當然會比在印尼要高得多。

物質的分離

從事物質的分離與人的社會中的分離與分化一樣,一定要找到某種可資利用的差異性。例如有一群年輕人分成紅藍兩隊玩遊戲,玩的時候紅隊戴紅帽,藍隊戴籃帽,玩夠了脫掉帽子後大家還都是好朋友,若想利用玩遊戲時帽色的不同來分化他們使他們真的打起架來是不太可能的事,因為這不是一個很好利用的差異性。從事物質的分離有時也會出現類似的狀況。例如同位素的分離,在天然的鈾中有大約99.3%的鈾(238),大約0.7%的鈾(235),它們是雙胞胎兄弟,其間除了原子量一個是238另一個是235這一點小小的差異之外沒有任何其他的差異,把它們分開是難度很高的事,但當年還是做到了,還是利用這唯一的小差異完成了它們的分離,使人類的科技進入了「原子時代」。這個問題說來話長,現在我們談一些比較容易利用的物質之間差異性。

顆粒大小的差異。  大顆粒只能通過大洞不能通過小洞,而小顆粒能通過大洞也能通過小洞,利用這個原理以粗細不同的篩子就可以把大塊和小塊的石頭,或是較粗和較細的粉末分開。

顆粒比重的差異。  同樣大小的固體顆粒放在一起,讓每個顆粒都有些自由運動的空間,振動一段時間之後,比較重的會沉到下層,比較輕的會跑到上層。若利用液體當然也是重的易沉、輕的易浮。農家利用這個原理把空的與實的穀粒分開,工業上也利用這個原理來分離礦石。

揮發度的差異。  所謂揮發度的差異可以說就是沸點的差異。譬如若欲乾燥一塊含水的粘土,將其中的水與土分開的話,最好利用的它們之間的差異就是揮發性的不同。水很容易蒸發成為水汽,而土的顆粒是幾乎沒有揮發性的。水份蒸發需要熱量,就和把水煮沸成為蒸氣時需要加熱一樣,因此在乾燥粘土時可以用太陽晒、用火烤、或是用熱風吹。有時為了防止龜裂,陶藝家並不希望粘土的坏乾燥得太快,就放在室內「陰乾」,只靠室內空氣的流通慢慢地供應水份蒸發時所需要的熱量,也把蒸發出來的水汽帶走。農家在乾燥稻穀時希望乾燥得快些,否則會發芽或發霉的,因此要用太陽晒,在長期陰雨時只好用熱風吹。用熱風吹時,如何才能使能源的成本降到最低是工程師會做的事。

我們以蒸餾的方法把水與酒精分開,所利用的也是它們揮發性的差異。酒精的沸點比水低一點,揮發性也比水高一些。使水與酒精的混合液的一部分蒸發,出來的蒸氣中酒精的濃度一定比原來混合液中的高,剩下的液體中酒精的濃度一定比原來混合液中的低。把出來的蒸氣全部冷凝成為液體後再使其中的一部分蒸發,出來的蒸氣中酒精的濃度又會變得更高些,…如此經過多次的蒸發與冷凝,我們便可以把水與酒精的混合液分離成為含水很少的酒精和含酒精極少的水。蒸餾是一個在工業上使用非常廣泛的分離方法,例如工業上需要大量的氧氣和氮氣,把空氣中的氧與氮分開所常用的方法也是蒸餾,利用的也是氧與氮的揮發性的差異,氮的沸點是攝氏零下195.5度,比氧的沸點攝氏零下183度低了12.5度,揮發性較高。因此我們可以先用加高壓和冷卻的方法使空氣液化,再用蒸餾的方法把其中的氧和氮分開。

溶解度的差異。  利用溶解度的差異來把物質分開的常見的實例很多。例如黃豆中的黃豆油在低分子量的礦物油,像環己烷、正庚烷等中的溶解度很大,但黃豆中的蛋白質和纖維等等,

是不會溶解在這類溶劑中的,因此我們就可以用這一類的溶劑把黃豆油與豆體分離,像環己烷和正庚烷等的溶劑很容易揮發,利用其與黃豆油之間揮發性的差異便可以使之與黃豆油分開。熬中藥也是利用中藥裡有藥效的成份在水中的溶解度大而藥渣不能溶解在水中的性質上的差異,而將其與藥渣分開的方法。

其他性質的差異。  利用各種性質上的差異都可以將物質分離開來。例如吸附在固體表面上的能力的差異,所帶電荷的差異,通過一層介質的能力的差異…,等等,就不再一一舉例說明。

混合與分離難易的比較

前面已經提過,混合往往比分離容易得多,這也可以說是一種自然界的大勢,但是也有一些例外。譬如水中本來可以溶解一些空氣,魚類就是靠這點溶解的空氣生存在水中的,空氣中也經常有些水汽,不然的話我們的皮膚會乾燥得很不好受的,但是如果我們硬要把超過上述的比例的水和空氣混合起來,是很難的事。用一個力量很大的攪拌器去打,在水中打成許多小空氣泡,但攪拌一停止之後,這些氣泡會很快地漂上去,與水又分開了。水與汽油的混合也是類似的情況。水與汽油接觸時是會相互溶解一點的,但若想要把超過上述溶解度的比例的水和汽油混合起來也是很難的事,把汽油打成許多水中的小滴,稍一靜置這些小油滴就漂起來與水分開了,因此,我們可以說,混合越困難的系統,分離便越容易。

欲使物質分離,必須要利用所分離的二者之間的一些差異。差異性越小分離便越困難,但不管多小,只要有些差異分離便是可能的。前面提過,鈾(238)與鈾(235)之間的差異實在太小,但分離的工作還是做到了。一群年輕的朋友分為紅藍兩隊作遊戲,遊戲結束後若想離間他們,使兩隊打起架來,是極為困難的事,但

這事若讓一些大奸大惡的人去做,還是可能做得到的。

在根本沒有任何差異的情況下分離是不可能的。例如用一些粘土加些水和成泥,做兩個泥娃娃,一個男娃娃,一個女娃娃,晒乾了之後不小心打破了,於是再加水重新和泥重新再做一個男娃娃、一個女娃娃,做成之後有人說不行不行,我要用原來那男娃娃的泥做男娃娃、原來那女娃娃的泥做女娃娃。到了這時候、這人的要求已經不可能做到了,因為是相同的粘土,一旦混了起來就沒辦法分了。講到這裡,諸位可以體會到一個分辨人的差異性:把同樣一件事講得很感性的是學文藝的,講得冷酷現實的是學科學的。


 

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