化學

天然氣(Natural gas)

天然氣(Natural gas)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

天然氣是石化燃料,它常伴隨著原油油田被發現,也可能存在於單獨的天然氣產源或存在於煤床中。如果甲烷不是由石化燃料所產生的,而是由厭氧菌的醱酵作用所產生,此種氣體稱為生質氣體(biogas)。生質氣體的來源範圍很廣,像沼澤、溼地、廢渣填埋處、污水、軟泥、肥料、牛的腸胃中皆可因厭氧菌的存在而產生。

天然氣主要的組成是甲烷,一些乙烷、丙烷、丁烷等和少量的CO2, N2, H2S等,其大致的比例如下:
組成 甲烷 乙烷 丙烷、丁烷 CO2, N2, H2S等
重量百分比 70-90 5-15 < 5 少量

鹼性燃料電池(AFC – alkaline fuel cell—Ⅱ)

鹼性燃料電池(AFC – alkaline fuel cell—Ⅱ)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

因為中毒的影響,所以AFC的電解質設計有分靜態(static)與流動態(flowing)兩種。流動態電解質設計,氫氧化鉀溶液在電池中是可以流動,形成電解質循環迴路,氫氣則來自高壓鋼瓶,經過三通和調壓閥後形成循環系統,在氫電極生成的液態水蒸發至氫氣中,遷移到電池外的冷凝器,冷凝後再分離,回收利用,氫氣則再與由氫源來的純氫混合返回電池,陰極的氧化劑-空氣進入電池內前,務必先將二氧化碳去除掉,以防止碳酸鉀的產生,因為若氫氧根離子被碳酸根離子取代,氫氧化鉀濃度逐漸變小,會影響電池的效率。

鹼性燃料電池(AFC – alkaline fuel cell—Ⅰ)

鹼性燃料電池(AFC – alkaline fuel cell—Ⅰ)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

鹼性燃料電池最有名的就是貝肯電池,它是英國的貝肯所發明的,後來更發展為被美國的NASA拿來應用於1960年中期的阿波羅一系列太空任務和太空梭中。鹼性燃料電池消耗氫氣和純氧,生成可以飲用的水、熱和電力。它是燃料電池中效率最高的,可高達70%。

鹼性燃料電池能夠產生電力是因為氫氣和氧氣藉由氧化還原反應而產生的。在陽極,氫氣進行氧化反應生成水和釋放出電子,電子沿著外電路流動,到達陰極,與氧氣進行還原反應,生成氫氧根,淨反應即是一個氧氣分子和二個氫氣分子反應生成二個水分子,同時產生電力和熱。
陽極: H2 + 2OH-  2H2O + 2e-
陰極: O2+2 H2O + 4e-4OH-
淨反應: O2+2 H2 2H2O

鹼性電池(Alkaline Battery)

鹼性電池(Alkaline Battery)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

鹼性電池是鋅和二氧化錳反應的一種電池類型,與原來的碳鋅電池比較,兩者有相同的體積外型與電壓(差不多都是1.5伏特),但是鹼性電池有比較高的能量密度,同時鹼性電池的電解質是採用鹼性的氫氧化鉀,不像碳鋅電池是酸性,所以它稱做鹼性電池。但若與鈕扣型的氧化銀電池比較,鹼性電池的能量密度就較低,使用壽命也較短。

鋅-空氣電池(Zinc-air battery)

鋅-空氣電池(Zinc-air battery)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

鋅-空氣電池是電化電池,它的電力是藉由空氣中的氧,氧化金屬鋅而產生的。這種電池有較高的能量密度(110 to 200Wh/kg or 400 to 720 kJ/kg)而成本上也比較不昂貴,常使用於助聽器方面,目前也有往應用於交通工具方面發展。

水和空氣中的氧在陰極反應形成氫氧根,氫氧根再擴散至鋅層(常混合著氫氧化鉀電解質成糊狀)與鋅形成Zn(OH)42-,並釋放出電子,Zn(OH)42-再形成氧化鋅、水和氫氧根,水又回到原系統中,重新循環,所以水只是扮演催化劑的角色。這個反應所產生的電壓最大值可達1.65伏特,不過可由減少空氣進入電池的流量使電壓值降至1.4〜1.35伏特,應用在助聽器的電池常常就是如此。空氣-鋅電池的反應式如下:
陽極:: Zn + 4OH– → Zn(OH)42– + 2e–
流體: Zn(OH)42– → ZnO + H2O + 2OH–
陰極: O2 + 2H2O + 4e– → 4OH–
全反應: 2Zn + O2 → 2ZnO

氧化銀電池(Silver-Oxide Battery)

氧化銀電池(Silver-Oxide Battery)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

氧化銀電池就是銀鋅電池(silver–zinc battery)。大部份是一次電池,但有些也可以應用於二次電池。氧化銀電池有很長的使用壽命和高能量輸出,但它的應用卻礙於銀的價格昂貴而受限,因此一般常做成鈕扣型或其他較小尺寸的型式,較大型的氧化銀電池曾應用於軍事方面,例如二次大戰後,美國海軍發展出的MarK 37魚雷及應用於Alfa 潛水艇。

小型一次電池之氧化銀電池的構造:以鋅做陽極(負極),銀的氧化物做陰極(正極),電解質是鹼性溶液,通常是氫氧化鈉(NaOH)或氫氧化鉀(KOH)。電池裡的化學反應式:
陽極:Zn + 4OH- Zn(OH)42- + 2e-
Zn(OH)42-  ZnO + H2O +2OH-
陰極: Ag2O+H2O+ 2e-2Ag +2OH- (亦可以Ag2O與AgO的混合物為極)
淨反應: Zn+Ag2O → ZnO+2Ag

同位素(Isotope)

同位素(Isotope)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

同位素是指一個化學元素具有不同種類的原子,其中每個有不同的原子質量(質量數)。元素的同位素中原子核裡的質子數是相同的(相同原子序),僅中子數目不同。所以, 同位素有不同的質量數(質量數為原子核中的質子數加中子數的總和)。

同位素這名詞的由來是由一位蘇格蘭的女醫生瑪格麗特. 托德(Margaret Todd)在1913年提出的。 她的丈夫–化學家弗萊德里克•索迪(Frederick Soddy)有一次在兩人的交談中,說到週期表(periodic table)中的每個位置似乎都有幾個元素佔據,因此,托德建議了希臘字『在相同位置』作為一個適當的名字。索迪接受了這個建議,而且由於他在放射性物質(radioactive substances)的工作,為他贏取了1921年的諾貝爾化學獎。

能源(Energy)

能源(Energy)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

能源是能量的資源,是維持萬物生存的動力來源。它包含了太陽能、海洋能、風能、地熱能、水力能、核能、生質能和所有的燃料等。

依能源的使用是否能從自然界中再次得到補充,又可分為的再生能源和不可再生。再生能源是可以不斷的再生和得到補充,如:太陽能、海洋能、風能、地熱能、水力能、生質能。而化石燃料是古代的動植物殘骸,經過地球內部高溫與高壓作用數億年所形成,這些儲存有限的化石燃料,用完就無法再補充,所以是不可再生的能源。

洪德定則

洪德定則(Hund’s Rule)
國立中山大學董騰元教授責任編輯

洪德定則是1925年由德國物理學家弗萊德里希•洪德(Friedrich Hund)所提出的。

其主要內容有以下三點:(第3點於1927年附加)

1.在已確定的電子組態 (electron configuration)中, 有最大多重性 (multiplicity)者(最大S值),則有最低的能量。【S 為總自旋量子數 (the total spin angular momentum)】

門得列夫(Dmitri Mendeleev) Ⅱ

門得列夫(Dmitri Mendeleev) Ⅱ
國立中山大學董騰元教授責任編輯

請參閱:門得列夫(Dmitri Mendeleev)I

Dmitri_Mendeleev

圖片來源:維基百科

1869年他發現了元素週期律,並就此發表了世界上第一份元素週期表,他按原子量的大小順序排列的同時,並將原子價相似的元素上下排成縱列(近代科學家發現,元素的性質確有週期性存在,但所依照的不是原子量,而是「原子序」)。

門得列夫為了週期表,常常廢寢忘食,好幾天都在辦公室走來走去,百思不得其解;2月17日清晨,由於他不眠不休的研究了一整夜,門得列夫坐在椅子上睡著了,他有個預感:十多年來一直縈繞心頭的問題,就快要迎刃而解了;突然他被驚醒,因為他夢見了一張清晰的元素週期表,他急忙把夢裡的那張表畫了下來,後來發現這個週期表只有一處需要修正。有人打趣地說:「讓我們帶著要解決的問題去做夢吧!」

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