合金（二）─ 合金的結構
合金(Alloys)（二）─ 合金的結構
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯
合金(Alloys)是含金屬的混合物，是溶液的一種，較少量的元素視為溶質，主成份金屬為溶劑。根據組成結構可分為：取代合金(Substitutional alloy)與填隙式合金或插入式合金(Interstitial alloy)。
圖一、取代合金（左）與填隙式合金（右）（圖片來源：陳藹然博士）
化學與社會
合金（一）
合金 (Alloys) （一）
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯
合金(Alloys)是溶液的一種，為具金屬特性的元素混合物，其中至少有一種主要成分為金屬。根據混合的狀況可區分為均相合金(Homogeneous alloys)與非均相合金合金(Heterogeneous alloys)。青銅(Bronze)、黃銅(Brass)為均相合金，成份元素的原子分布均勻；非均相合金例如汞齊(Amalgam)，為不同比例晶相組成的混合物。
合金的使用相當早，原始人即懂得利用隕石中的天然鐵鎳合金。而一般而言約四千至五千年前，人們已經掌握了冶煉青銅、黃銅的技術，而在約三千年，生鐵(pig iron)、鋼(Steel)等等人造的鐵合金出現。一般而言常見的合金很多，如上述鐵碳合金包含了鋼、生鐵、熟鐵(wrought iron)；青銅、白銅、黃銅，也分別是銅錫、銅鎳、銅鋅合金。曾用來補牙的銀粉，其實是銀錫汞齊。
圖一、黃銅（左），鋅（中），銅（右）合金 。
化學教室活動：神奇的超吸水聚合物 – III
化學教室活動：神奇的超吸水聚合物 (Magic Super Absorbent Polymers)〔III〕
國立彰化女子高級中學化學科陳琬菁老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯
教師手冊之二 (Teacher’s Guide II )
藥品配製
1. 1 M鹽酸：取1mL的12 M濃鹽酸加水稀釋至總體積12 mL。
2. 1 M氫氧化鈉溶液：取0.4 g的氫氧化鈉溶於水，使總體積10 mL。
3. 酚酞（Phenolphthalein）指示劑：溶解0.5克的酚酞在50 mL的95%酒精中，再加50 mL的水，混合均勻。
4. 溴瑞香草藍（Bromothymol blue）指示劑：溶解0.1克的溴瑞香草藍在100毫升的 20％酒精中。
5. 1 M糖水：取32.4 g的蔗糖溶於水，形成100 mL水溶液。
6. 1 M食鹽水：取58.5 g的食鹽溶於水，形成100 mL水溶液。
7. 飽和食鹽水：在200 mL的水中加入食鹽，直到不再溶解為止，取澄清液。
化學教室活動：神奇的超吸水聚合物 – II
化學教室活動：神奇的超吸水聚合物 (Magic Super Absorbent Polymers)〔II〕
國立彰化女子高級中學化學科陳琬菁老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯
教師手冊之一 (Teacher’s Guide I )
化學示範
在學生進行實驗之前，老師示範「水到哪去了」的主要目的是，藉由觀察類似魔術般驚奇有趣的事件，引起學生對於吸水聚合物更進一步有興趣的探討。
A. 器材和溶液
1. 透明塑膠杯 3個
2. 紙杯 3個
3. 聚丙烯酸鈉（Sodium polyacrylate） 少許
4. 1 M鹽酸（1 M Hydrochloric acid） 少許
5. 1 M氫氧化鈉（1 M Sodium hydroxide） 少許
6. 酚酞指示劑（Phenolphthalein indicator） 少許
7. 溴瑞香草藍指示劑（Bromothymol blue indicator） 少許
8. PE滴管 4支
9. 刮勺 1支
化學教室活動：神奇的超吸水聚合物 – I
化學教室活動：神奇的超吸水聚合物 (Magic Super Absorbent Polymers)〔I〕
國立彰化女子高級中學化學科陳琬菁老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯
學生講義 (Student Handout)
化學示範
老師示範「水到那兒去了」，學生觀察顏色變化的現象，並與學生互動討論水到那兒去了。
實驗介紹
本次實驗的目的是探討超吸水聚合物（Super Absorbent Polymers, SAP）聚丙烯酸鈉（sodium polyacrylate）的滲透作用、尿布內聚丙烯酸鈉的吸水倍數、以及玩具恐龍吸水的膨脹率。圖一為尿布含內聚丙烯酸鈉的位置圖。
圖一 尿布含內聚丙烯酸鈉（在With Ultra Absorbency所指之處）（圖片來源：Diapers Introduction, http://diapers-n-kidswear.com/babydiapers_introduction.html）
鋼
鋼 (Steel)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯
鋼 (Steel) 是含碳量低於2%的碳鋼合金。由於碳原子半徑比鐵原子半徑小很多，故碳原子填入鐵金屬晶格中，形成與填隙式合金或插入式合金 (Interstitial alloy)。
鋼的煉製始於鐵礦的還原，目前常用的方法為高爐 (Blast furnace)冶煉法，由於在使用的過程中加入了大量的煤炭作為還原劑，因此在煉出的鐵當中，必然會含有一定濃度的碳。透過在鐵合金當中碳含量的不同，可以得到不同用途的鐵合金。
圖一、鐵於高爐中的反應 http://www.elmhurst.edu/~chm/onlcourse/chm110/outlines/steel.html
合金鋼
合金鋼 (Alloy Steel)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯
合金鋼 (Alloy Steel)，是指一系列以鋼(Steel)為主要成分的合金。在鋼中加入不同比率的各種不同金屬，藉以改變鋼的各種機械性能。合金鋼可視為取代合金 (Substitutional alloy)與填隙式合金或插入式合金 (Interstitial alloy)的混合；添加金屬與鐵形成取代合金，碳和鐵的組合為填隙式合金。
在合金鋼當中，一般而言加入少於5 %的其他金屬是為了提高鋼的強度與淬透性；加上超過5 %的其他金屬，則一般用於特殊用途，或者是為了耐腐蝕、極端的耐高溫性質等等。表一為鋼混合不同比例金屬後的性質變化。
表一
化學教室活動：製作巴克球的串珠模型 – III
化學教室活動：製作巴克球的串珠模型 (Making Beaded Buckyball Model)〔III〕
國立臺中第一高級中學化學科薛朋雨老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯
製作前講解
教師手冊 (Teacher’s Guide)
此活動的教學投影片包含製作C20和C60的串珠模型。
附件一（製作C20串珠模型）：
C20 Classroom Activity PowerPoint.pdf (1.19 MB)
附件二（製作C60串珠模型）：
C60 Classroom Activity PowerPoint.pdf (1.13 MB)
動畫和影片
● 觀賞動畫影片，請按此連結：C60 Fullerene and Carbon Nanotube Interaction, YouTube.
化學教室活動：製作巴克球的串珠模型 – II
化學教室活動：製作巴克球的串珠模型 (Making Beaded Buckyball Model)〔II〕
國立臺中第一高級中學化學科薛朋雨老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯
學生講義二 (Student Handout II)
● 製作C60的詳細步驟
C60的四分層串珠數目之分析圖，如圖十三所示。
圖十三 C60的四分層之分析圖（圖片來源：Slides for making a beaded C60, http://thebeadedmolecules.blogsp … ing-beaded-c60.html）
第1步：右線加珠5顆 → 左線交叉第5顆珠成環 → 形成第一個五邊形（亦即五圓環的五個鍵結），如圖十四所示。
圖十四 形成第一個五邊形
化學教室活動：製作巴克球的串珠模型 – I
化學教室活動：製作巴克球的串珠模型 (Making Beaded Buckyball Model)〔I〕
國立臺中第一高級中學化學科薛朋雨老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯
學生講義之一 (Student Handout I)
活動介紹
本活動的目的為利用串珠製作分子模型來瞭解巴克球C20和C60的化學立體結構。
● 富勒烯與巴克球
富勒烯（Fullerenes）是完全由碳組成的中空的球型、橢圓型、柱型或管狀分子的總稱。球狀的富勒烯也被稱為巴克球，類似於用於足球協會的足球，如圖一所示。圓柱狀的富勒烯被稱為碳納米管（carbon nanotubes）或巴克管（buckytubes）。富勒烯在結構上類似石墨，它是由堆疊石墨片連結成六角環，但它們可能還包含五邊形（有時七邊形）環。富勒烯是繼金剛石和石墨之後，於1985年發現的碳元素的第三種晶體形態。碳60（C60）和碳70（C70）是較常見的兩種巴克球，也是目前技術上能夠量產的富勒烯。