暖暖包的原理
國立臺灣大學大氣科學所碩士生謝璨筑

市面上暖暖包的種類大致分為兩種，一種是鐵粉及食鹽製作的一次性暖暖包，顧名思義就是用過一次後就無法再利用了。它的發熱原理是鐵粉經搓揉之後，與空氣中的氧氣進行氧化作用，鐵粉經氧化生鏽而放出熱量，但鐵在有水時才容易進行放熱反應，所以通常會加入食鹽等容易吸收空氣中水分的物質使反應易於進行，達到保暖效果。

另外一種暖暖包的發熱機制是利用醋酸鈉在水裡面溶解度的特性。這種暖暖包中的醋酸鈉水溶液原是處於過冷(過飽和)狀態，暖暖包中有一小鐵片，當有外力按壓此小鐵片產生微小震動，過冷(過飽和)的醋酸鈉水溶液受到擾動，開始從不穩定狀態趨向穩定狀態，此時醋酸鈉開始結晶並釋放潛熱，暖暖包發揮其功效。 Continue reading →

對甲苯磺醯氯（4-Toluenesulfonyl chloride）
國立臺灣師範大學化學系碩士生曹育碩

對甲苯磺醯氯（4-toluenesulfonyl chloride，亦為tosyl chloride）同時具有甲苯與磺醯氯官能基團，為一具有刺鼻味之白色固體。磺醯基（sulfonyl group）為一強拉電子基，常扮演一級醇與二級醇的保護基（Protecting Group），並藉此形成較好的離去基，在親核取代反應中較常應用。

對甲苯磺醯氯是由對甲苯磺酸（p-toluenesulfonic acid）製備而獲得，對甲苯磺酸是一種不具氧化力的有機強酸，白色針狀粉末，吸水性強，容易潮解使紙張、木材脫水發生碳化，亦可作為酸催化劑使用。將對甲苯磺酸與氫氧化鈉中和可得對甲苯磺酸鈉，接者與五氯化磷作用，即獲得對甲苯磺醯氯，如下式：

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氫循環（Hydrogen cycle）
國立臺灣師範大學化學系碩士班一年級陳培杰研究生

根據估計，所有生物 $$99\%$$ 都會利用到 $$\mathrm{H_2}$$（hydrogen）。即使這些種類大部份是微生物，但事實上，幾乎所有的細菌和古細菌都具有非常活躍的金屬酶（metalloenzyme），稱為氫化酶（hydrogenase），這些氫化酶可以讓 $$\mathrm{H_2}$$ 和 $$\mathrm{H^+}$$ 互相轉換，當微生物產生 $$\mathrm{H_2}$$ 後，這些 $$\mathrm{H_2}$$ 會被別人利用作為燃料，這有助於解釋為什麼大氣中 $$\mathrm{H_2}$$ 的偵測量那麼少的原因。在人的腸道中也存在著細菌，這些細菌也含有氫化酶，所以在人的呼吸當中，也會有少量的 $$\mathrm{H_2}$$ 可被偵測到。 Continue reading →

自由基(free radical)
國立臺灣師範大學化學系碩士班二年郭修甫研究生

自由基（free radical），又稱做游離基，是一種半生期（half-life）非常短，形成後立即快速反應的反應中間體（intermediate），其成因大多是因為化合物分子在照射強光或加熱等條件下，共價鍵均勻性斷裂，而成為不具有成對電子的原子，也因為它有未成對的電子，所以他的反應性非常活躍而且極度不穩定，它必須從外部額外再取得一個電子，才能夠達到最穩定的狀態。 Continue reading →

利用吉布斯相律判讀二成份系統的相圖
國立臺灣師範大學化學系兼任教師邱智宏

純物質的相圖，比較容易判讀，現行的高中化學教材都曾出現過，例如水和二氧化碳的相圖。但是單一成份的相圖，卻是相圖中最簡單的一種，更常見的則為多成份相圖，例如二成份混合物的相圖。此類相圖對一般讀者而言，就顯得比較陌生，其圖中所代表的各項意義也不是顯而易見。

然而混合物的相圖，在探討蒸餾、共沸物及物質在不同狀態下以何種相貌存在等素材上甚為常見。另外，其在半導體、陶瓷、合金工業上的應用上也極為普遍。本文試著比較純物質相圖和二成份相圖（binary phase diagram）的異同，並介紹吉布斯相律（Gibb’s phase rule）在相圖上的應用。 Continue reading →

探討溶液沸點上升、凝固點下降的原因
國立臺灣師範大學化學系兼任教師邱智宏

純溶劑中若加入非揮發性的溶質，將使溶液的沸點上升，凝固點下降。雖然溫度的上升量或下降量，可以使用公式計算出來，但是其真正上升及下降的理由為何？卻值得深入探討。

由熱力學的基本公式可知純物質的化學能 $$(\mu^*)$$，可由下式表示：

$$d\mu^*=-S_mdT+V_mdp~~~~~~~~~(1)$$

其 $$S_m$$ 純物質的莫耳熵，$$V_m$$ 為莫耳體積。在固定壓力時，$$(1)$$ 式最後一項為 $$0$$，可改寫成

$$\displaystyle \frac{d\mu^*}{dT}=-S_m~~~~~~~~~(2)$$

由式 $$(2)$$ 可以了解，純物質的化學能($$\mu^*$$)，對溫度($$T$$)的變化率，等於 $$-S_m$$，為一負值。因為物質的熵恒為正值，故 $$-S_m<0$$，即以化學能對溫度作圖，可得一斜率為 $$-S_m$$ 的直線。通常同一物質的熵，氣體大於液體，固體最小，若以亂度來解釋，物質的分子在固體時排列較整齊，亂度最小，在氣體時分子四處流竄，亂度最大，所以 $$S_g>S_l>-S_s$$。若將純物質的化學能對溫度的變化作圖，可得圖一。 Continue reading →

利用熱力學公式繪製二氧化碳的相圖（下）
國立臺灣師範大學化學系兼任教師邱智宏

連結：利用熱力學公式繪製二氧化碳的相圖（上）

(一)、繪製固-液相的共存線

在熔點時 $$\Delta S_m=\frac{\Delta H_{fus}}{T}$$，其中 $$\Delta H_{fus}$$ 為二氧化碳的熔化熱。將其代入 $$(2)$$ 式

 $$\displaystyle \frac{dp}{dT}=\frac{\Delta H_{fus}}{T\cdot \Delta V_{fus}}~~~~~~~~~(3)$$

兩邊積分 $$\int_{p^*}^{p} dp=\int_{T^*}^{T}\frac{\Delta H_{fus}}{T\cdot \Delta V_{fus}}dT$$，

若將 $$\Delta H_{fus}$$ 和 $$\Delta V_{fus}$$ 視為定值且 $$\int_{T^*}^{T} \frac{dT}{T}=\ln(\frac{T}{T^*})$$，則

$$p=p^*+\displaystyle\frac{\Delta H_{fus}}{\Delta V_{fus}}\ln(\frac{T}{T^*})~~~~~~~~~(4)$$

式中二氧化碳的熔解熱為 $$\Delta H_{fus}=8.33~kJ/mol$$，至於 $$\Delta V_{fus}$$ 只要查出固相及液的密度，便能計算出其莫耳體積的差為 $$28.94~cm^3/mol$$。 Continue reading →

利用熱力學公式繪製二氧化碳的相圖（上）
國立臺灣師範大學化學系兼任教師邱智宏

高中化學課程介紹純物質的相圖(phase diagram)時，均以大家耳熟能詳的「水」開始，探討其在不同溫度、壓力下的狀態變化。究其原因主要為水對生物體及自然界至為重要，而且在日常生活中每天都會接觸到，其三態的變化也易以觀察。

唯，水的相圖並非常態，而是少數的例外，大多數物質的相圖和水的長相不同。另外，有些純物質的某些狀態在常溫、常壓下並不存在，學生可能誤以為無此狀態，因此若能以二氧化碳作為介紹常態相圖的起點，不失為一種變通的方式。 Continue reading →