人體中的元素 (Elements in the Body)
高雄市立新莊高級中學化學科歐惠郡老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

人體內所含的元素，依重量排名，第一、二名分別為氧與碳。原因是水約佔人體重量的百分之七十，而氧又占水分子重量的九分之八；碳則為有機物的基本組成。氧、碳、氫、氮、磷、硫等非金屬元素，包辦了人體中近百分之九十七的重量。至於人體內不可缺少的金屬元素，按重量排序，依次為鈣、鉀、鈉、鎂、鐵、鋅、銅、錫、釩、鉻、錳、鉬、鈷、鎳。

重量第一名的鈣 (Ca) 超過其他金屬重量的總合；約百分之九十九的鈣是以磷酸鈣的型式（這也是磷的主要存在型式）架構骨骼，剩餘部份則負擔牙齒生長、肌肉收縮、神經系統的運作、或幫助血液凝固和細胞分裂等。富含鈣的食物有沙丁魚、蛋、杏仁、乳酪等。三十歲後，鈣開始流失，若疏於防範，將導致老年罹患骨質疏鬆的病症，容易骨折。 Continue reading →

綠色化學（Green Chemistry）與原子經濟（Atom Economy）
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立台灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

在「化學反應式」文中，提到了原子經濟（atom economy）一詞，原子經濟又稱作原子效率（atom efficiency），是判定化學反應轉換效率的指標，其計算方法是將欲得到的產物（desired product）總質量除以反應物的總質量（見圖一，參考資料一）。

(圖一）

原子經濟越高就代表反應浪費掉的質量越少。以高中化學實驗製備阿斯匹靈為例，水楊酸與過量的醋酸酐反應在酸催化下可得阿斯匹靈與醋酸（圖二，參考資料二），在這個反應中阿斯匹靈是我們所要的產物，假設產率為100%，用1克的水楊酸與3.24克的醋酸可以得到1.30克阿斯匹靈，那原子經濟的百分比是1.30 ÷ (1+3.24) = 31% （此處計算忽略催化量的硫酸）

（圖二）

在合成中主要影響原子經濟的三項因素是試劑當量、保護與活化。如前段所提的阿斯匹靈合成，為使反應完全，醋酸酐在反應中添加過量，若我們能用等當量或略過當量的試劑就可達到完全反應，會大幅提升原子經濟。製藥廠生產的化合物幾乎都比阿斯匹靈複雜，分子中有多個、多種官能基，反應的試劑不見得能夠很專一地與特定官能基反應（例：烯與炔在催化劑作用下都有可能被氫氣還原)，這時候就需要將不想要反應的官能基保護住，等反應結束後再去保護。在保護、去保護，一來一往間既費時費工，也會損耗一部分的基團（因為保護基不存在於最後產物）與產率。2007年，Scripps研究中心的Baran在期刊「自然（Nature）」上發表首次不用保護基進行的複雜天然物全合成（參考資料三），所伴隨的設計概念使得有機合成往前邁進一大步。 Continue reading →

滲透壓 (Osmotic Pressure)（二）
東京大學理學博士陳藹然/國立臺灣大學化學系黃俊誠博士責任編輯

德國植物學家浦菲弗 (Wilhelm Pfeffer, 1854−1920)在1870年代，利用德國生理化學家特勞貝(Moritz Traube，1826−1894) 製造的半透膜，做了蔗糖溶液的滲透壓之定量研究。後來荷蘭的植物學家德弗里 (Jugo Mariede de Vries, 1848−1935) 在研究植物的枯萎現象時發現，當植物浸於純水中，植物會膨脹浮腫，若是改將植物浸於高濃度溶液時，植物會很快枯萎，只有將植物浸泡於適當濃度的溶液中，植物的細胞膜可維持正常。根據以上的觀察結果他推測：只有在植物細胞膜內外溶液的滲透壓相當時，細胞才能維持不被破壞。由此可知，滲透壓在生物學、生物化學和藥學上具有重大意義。 Continue reading →

滲透壓 (Osmotic Pressure)（一）
東京大學理學博士陳藹然/國立臺灣大學化學系黃俊誠博士責任編輯

當一張半透膜 (Semipermeable membrane)隔開溶液和純溶劑或兩種不同濃度的溶液時，因為半透膜兩側的濃度不同，即膜兩側單位體積的溶劑分子數不同，溶劑分子移動至高濃度側的速度比從高濃度溶液移動至低濃度側的速度大，導致高濃度端的液面開始上升，且原先高濃度側的溶液濃度因此稀釋。當液面升至某一高度就會停止上升，因為液面高度所增加的液壓差稱為「滲透壓 (Osmotic pressure)」。(圖一)

滲透壓抑制了溶劑分子在半透膜兩側來回的靜移動，也就是系統達到了平衡，溶劑分子移動至高濃度側的速度和從高濃度溶液移動至低濃度側的速度相同。溶劑移動至高濃度溶液滲透現象可以外在加壓的方式得到抑制（圖二），此時高濃度溶液上所加的壓力等於此溶液的滲透壓。

滲透壓和溶液的濃度有關，可表示為eq 1。此方程式又稱「凡特何夫方程式」。
П = C_MRT （eq 1）

П：滲透壓，C_M：體積莫耳濃度，R：理想氣體常數 = 0.08206 L•atm/K•mol，T：絕對溫度。

滲透壓是很大的，即使是在稀薄溶液的滲透壓。舉例來說，0.15 M的氯化鈉水溶液在25℃時的滲透壓是7.3 atm，相當於250英尺的水柱。滲透壓大小和溶液中的粒子數有關，有專用的單位osmolarity（osmol），1 溶液等於1莫耳完全溶解的離子或非電解質分子在每升溶液中的滲透壓。譬如0.5 M蔗糖溶液的滲透壓是0.5 osmol，但是0.5 M氯化鈉水溶液的滲透壓卻是1.0 osmol，這是因為0.5 M氯化鈉溶液包含1.0 M離子和（0.5 M 氯離子和0.5 M 鈉離子）。

請參考 滲透壓 (Osmotic Pressure)（二） 閱讀

參考資料
1. 陳竹亭，選修化學上，泰宇出版社，第74頁，2008.
2. John McMurry, Mary E. Castellion, David S. Ballantine; “Fundamentals of General, Organic, and Biological Chemistry”, 5th edition, Pearson, pp. 282, 2007.

凡特何夫方程式（van’t Hoff Equation）
國立台灣大學化學系陳藹然博士/國立臺灣大學化學系黃俊誠博士責任編輯

1880年代植物學家浦菲弗（Wilhelm Pfeffer，1854-1920）進行一系列對滲透壓的實驗，1887年荷蘭化學家凡特何夫（J. H. van’t Hoff，1852−1911）開始進行滲透壓的理論研究。根據浦菲弗的結果凡特何夫發現含有1 g的蔗糖溶液其滲透壓和溶液體積成反比（eq 1），這個結論正好和波以耳定律中氣體體積與壓力的關係相似（Boyle’s law，PV = K）。最後他參考卡諾循環(Carnot cycle)又得到另一個結論，定濃度的蔗糖溶液其滲透壓和絕對溫度成正比（eq 2），這又恰好符合給呂薩克-查理定律（Gay Lussac – Charles’s law，V = KT）。結合以上兩點，定濃度溶液的滲透壓和溶液的體積成反比和絕對溫度成正比（eq 3）。 Continue reading →

水銀電池（Mercury Battery）
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

水銀或稱汞電池，形狀大小如一般的鈕扣，因此又稱鈕扣電池。它屬於不可充電的一次化學電池。雖說早在100年前便已熟知的氧化汞-鋅電池系統，但一直未被廣泛使用。1942年由金頂（Duracell）電池的創立者，山謬•魯本（Samuel Ruben）與Mallory公司於二次大戰期間共同開發出第一個放電平穩的水銀電池。和多數發明一樣，初期只使用在金屬探測器、軍需品與軍用無線電的手提電話等軍事用途上，到了戰後才逐漸被民間廣泛地使用，例如小型的電子裝置心臟起搏器（cardiac pacemaker）等。水銀電池壽命可長達十年之久，電壓約維持在1.35伏特。大多數電池的電位會隨電池放電而下降，尤其是到使用壽命的末期時這個現象會特別明顯，而水銀電池即使是在電池壽命即將終了之時，仍可保有穩定之電壓。但因其價格較高，且含汞，有環境汙染的問題，目前已減少使用，甚至有些國家已禁用。 Continue reading →

鋅碳電池 (Zinc-carbon Battery) 與鹼性電池 (Alkaline Battery)
國立臺灣大學化學系黃俊誠博士/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

鋅碳電池，又稱鋅碳乾電池、碳性電池、碳性電芯，外殼由鋅構成。第一個商用乾電池是由法國科學家勒克朗社（G. Leclanché, 1839-1882）所發明，電池的陽極是鋅罐。陰極是一支碳棒（石墨棒），碳棒是惰性電極，只作為電子的通路，本身沒有直接參與化學反應。兩電極之間填滿了氯化銨（NH₄Cl）為電解質、二氧化錳（MnO₂）和氯化鋅（ZnCl₂）的飽和溶液以及一些惰性漆料濕漿糊（圖1）。當電極被連接時，陽極的鋅即被氧化就失去電子(e^–)。失去的電子便經由電線跑到陰極，使NH₄Cl中解離出的NH₄⁺離子還原成NH₃，同時也形成氫氣。釋出的氫再被二氧化錳所氧化，而NH₃則被利用形成錯合物Zn(NH₃)2Cl₂。

陽電極上發生的氧化作用：

Zn(s) → Zn²⁺ (aq) + 2e^–

陰電極上發生的還原作用：

2NH₄⁺ (aq) + 2e^– → 2NH₃(aq)＋H₂(g) 2MnO₂(s) + H₂(g) → Mn₂O₃(s) + H₂O(l)

鋅離子則與氨反應，生成錯合物：

Zn²⁺ (aq) + 2NH₃(aq) + 2Cl^–(aq) → Zn(NH₃)2Cl₂

電池內的整體反應：

2MnO₂(s) + 2NH₄Cl(aq) + Zn(s) → Zn(NH₃)2Cl₂ + Mn₂O₃(s) + H₂O(l)

鋅碳電池的電壓為1.5 V，這種電池適用於只需少量電流的電器。此電池至少有兩個缺點，第一若電池放電太快便不能及時除去生成的氣體，令電壓減低，要暫停使用一會，電壓才能恢復到原來的水平；此外這種電池的壽命亦較短，這是因為除了鋅電極放電時會反應之外，電池在未使用時，酸性氯化銨也會與鋅電極發生作用。一段時間後鋅外殼會變薄，電池內的糊狀化學藥品便會泄出，因此在電池外常加上一層鋼製或膠製的外殼，防止與大氣作用，亦可防止糊狀化學藥品泄出。 Continue reading →

儲氫合金（Hydrogen Storage Metal）
臺北市立第一女子高級中學化學科何鎮揚老師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

在二十世紀的六十年代，材料領域裏出現了能儲存氫的金屬和合金，統稱為儲氫合金。這些金屬或合金具有很強的捕捉氫的能力，它可以在一定的溫度和壓力條件下，氫分子在合金（或金屬）中先分解成單個的原子，而這些氫原子便“見縫插針”般地進入合金原子之間的縫隙中，並與合金進行化學反應生成金屬氫化物（metal hydrides），外在表現為大量“吸收”氫氣，同時放出大量熱量。而當對這些金屬氫化物進行加熱時，它們又會發生分解反應，氫原子又能結合成氫分子釋放出來，而且伴隨有明顯的吸熱效應。

儲氫合金的儲氫能力很強。單位體積儲氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態氫的1000倍，也即相當於儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣。

由於儲氫合金都是固體，既不用儲存高壓氫氣所需的大而笨重的鋼瓶，又不需存放液態氫那樣極低的溫度條件，需要儲氫時使合金與氫反應生成金屬氫化物並放出熱量，需要用氫時通過加熱或減壓使儲存於其中的氫釋放出來，如同蓄電池的充、放電，因此儲氫合金不愧是一種極其簡便易行的理想儲氫方法。 Continue reading →