中子彈（Neutron Bomb）
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

原子彈、氫彈爆炸時，不僅殺傷人員，而且對建築物、工廠設備等的破壞力很大，同時還會造成嚴重的放射性污染。那麼，當一個國家面對敵人高度機械化、裝甲化部隊的入侵時，應用何種方法反擊，既能挫敗敵方坦克，又不傷及自己的家園，傷及無辜的同胞呢？美國於1958年開始由「塞姆•科恩（Samuel Cohen）」著手中子彈的研發，雖然總統甘迺迪曾反對過中子彈的發展，在1962年，由「勞倫斯•利弗莫爾核武實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）」首先發展成功，並在內華達州引爆，成功地製造出中子彈。中子彈又稱為增強輻射彈，它實際上是一種靠微型原子彈引爆的特殊的超小型氫彈。 Continue reading →

拉午耳定律 (Raoult’s Law)(一)
國立臺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

我們生活時時刻刻都在接觸水溶液，自古以來科學家對於水溶液的研究也一直從不間斷，從水溶液的基本性質如滲透壓、蒸氣壓、凝固點，到水溶液的應用等。很久以前大家就發現到含有非揮發性物質的水溶液，比起純水其沸騰溫度更高，顯示溶液中溶質的存在降低了溶液的蒸氣壓。第一個將這個觀察分析提出理論的是德國化學家巴布（Lambert Heinrich von Babo, 1818-1899），他在1848年提出稀薄溶液蒸氣壓的下降相對量『∆P/P₀』，在相同溫度下為一常數；也就是有相同粒子數的稀鹽類水溶液，其相對蒸氣壓的降低值和溫度無關。（式一）

(P₀-P)/P₀ = ∆P/P₀ =k （式一）

P：溶液蒸氣壓，P₀：純溶劑蒸氣壓，∆P：蒸氣壓下降量，k：常數。 Continue reading →

溶液的蒸汽壓與拉午耳定律 (Raoult’s Law) （二）
國立台灣大學化學系陳光彥/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

溶液的組成決定了溶液的蒸汽壓。根據拉午耳定律，溶質為非揮發性非電解質的稀薄溶液，其蒸氣壓和溶劑的莫耳分率成正比。若溶質為揮發性高蒸氣壓物質，溶液的蒸汽壓等於溶液中每一成份的蒸汽壓的總和（包含溶質和溶劑），每一成份的蒸汽壓等於此純物質的蒸汽壓和它在溶液中的莫耳分率（mole fraction）的乘積，溶液的總蒸汽壓P可以表示為下面的式子P=P*_AX_A+P*_BX_B……，而個別物質的蒸汽壓可以表示為P_i=P*_iX_i，其中，P*_i為純物質的蒸汽壓，X_i為純物質在溶液中的莫耳分率。

就像符合理想氣體方程式的氣體稱之為「理想氣體」一樣，溶液的蒸汽壓符合拉午耳定律的溶液稱為「理想溶液（Ideal solution）」。理想溶液中的分子之間的引力相似，不論是溶質－溶質、溶劑－溶劑或溶質－溶劑間的引力。因此溶液的體積具有加成性，符合1 + 1 = 2原則，不因溶劑－溶質間吸引力不同而出現1 + 1不等於2的情形。也因為分子間的引力相近，混合時無能量改變，理想溶液在混合時沒有能量的變化，不會吸熱或放熱。譬如苯（Benzene）與甲苯（Toluene）混合溶液，兩者的分子大小相近、化學結構和極性相似，可形成理想溶液。 Continue reading →

電化電池的電動勢（Electromotive Force）
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

構成電化電池的兩個電極電位間的電位差，稱為電化電池的電動勢（electromotive force，簡稱emf）。由電極與電解質溶液構成的半電池（half-cell），其介面有一電位差，稱為半電池電位。陽極的半反應電位為氧化電位，表示物質失去電子的傾向；陰極的半反應電位則為還原電位，表示物質獲得電子的傾向。電動勢與電極的大小無關，需要特別注意的是，半電池電位不是能量，所以沒有加成性。另外，由於氧化或還原反應無法單獨發生，所以半電池電位無法單獨測定。實驗上必須選擇一個半電池作為參考電極，經由測定兩個半電池之電位差來標定另一個半電池的電位。 半電池電位隨物質的種類、濃度及溫度而異，故必需在特定之狀態下比較。如在1大氣壓，25°C的溶液中，反應的電解質濃度為1.0 M時的半電池電位稱為標準電位，以E^°表示。 Continue reading →

酸的強度 (Acid Strength)與酸解離常數 (Acid Dissociation Constant)
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

在「布－洛酸鹼學說（Brønsted-Lowry Acid Base Theory）」的觀點中，認為釋出質子的能力越強，即為越強的酸。是否能有更科學的量化指標，來估量「釋出質子的能力」呢？又由此指標，如何區辨「強酸」與「弱酸」？ 若以更精確的語言，描述「釋出質子」的過程，可以以下的化學方程式表達之：

\(HA_{(aq)}\rightleftharpoons H^+_{(aq)}+A^-_{(aq)}\) （式一）

式一中，\(HA\) 表示任何一種酸性物質，在水溶液中，釋出質子，形成其共軛鹼 \(A^-\)。 Continue reading →

布-洛酸鹼學說 (The Brønsted-Lowry Acid Base Theory)
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

西元1923年，丹麥化學家布忍斯特 (Johannes Nicolaus Brønsted, 1879-1947)與英國化學家洛瑞 (Thomas Martin Lowry, 1874-1936)，不約而同對阿瑞尼士 (Svante August Arrhenius, 1859-1927)的酸鹼理論提出相近的修正，拓展人們對酸鹼化學的認知，不只侷限於水溶液的狀態，是為「布-洛酸鹼學說 (The Brønsted-Lowry Acid Base Theory)」。 Continue reading →

綠色化學（Green Chemistry）總論
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

化學合成好比帶兵打仗，預期的產物就是攻擊目標。起初指揮官命令部下不顧一切攻下山頭，為達目的不擇手段的戰略，的確可保證完成任務，但並非最有效率的方法。若對攻擊目標有更多的資訊、對於敵方的實力有更清楚的掌握，便可以用智慧型方式作戰，例如導彈攻擊、抄捷徑突擊，這樣方可把傷害降到最低，甚至減少不必要的浪費。同樣地，隨著合成方法日益精進，化學家能有更多的神兵利器來完成想要的化合物。 提到合成的例子，高中化學實驗課有阿斯匹靈的製備，這是很標準的有機實驗，不過與工業上的製程規模相差不可以道里計，根據1997年的「化學與工程新知（Chemical and Engineering News）」期刊報導，美國前20大化工產品的年產量均超過10億磅（參考資料1）。 Continue reading →

綠色化學（Green Chemistry）與水相反應（Reaction in Aqua Media）
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

評估化學合成製程對環境的影響時，不只要關心反應物與產物，溶劑一樣是重要的一環。我們同樣從高中選修化學實驗阿斯匹靈的製備（見圖一，參考資料1）看起：首先將柳酸與乙酐混合，滴入催化量的濃硫酸，再加熱幫助反應。在反應中並沒有額外添加溶劑，而是讓乙酐身兼兩職－反應物與溶劑，像這樣不使用額外溶劑的反應就稱為無溶劑合成（solvent-free synthesis）。

(圖一)
無溶劑合成是最理想的反應進行方式，因為我們不必費心思去處理溶劑，不過大多數的化學反應都需要溶劑才能有效進行，若我們一定要使用溶劑，怎樣的溶劑會是好的選擇呢？

美國聯邦食品管制局（FDA）將溶劑使用分成四類（見圖二，參考文獻2）： 1. 第一類溶劑：因為毒性過高或是對環境傷害太大而禁止使用在藥物製造上，例如苯（長期吸入會引起白血病）。 2. 第二類溶劑：同樣因毒性與環境傷害，在藥物製造上得限制使用，例如二氯甲烷、甲醇、乙腈（acetonitrile）。 3. 第三類溶劑：對人體健康影響較小，例如乙醇、酯類、醚類、酮類。 4. 第四類溶劑：尚未有足夠資料說明對人體與環境的影響力。

(圖二)

我們可以看出不同的溶劑對環境影響的程度也不一樣，就環境而言，若是一定要使用溶劑，那第一選擇最好是水。水，H2O，地球上蘊含最豐富的天然溶劑，也是最不會破壞環境的答案，水相反應的確在近代掀起了一股風潮。但世事難兩全，在學習溶解度時，我們知道一個簡單的法則：「極性溶極性，非極性溶非極性」。水是極性相當高的化合物，而一般有機化合物的極性都不大，因此對水的溶解度很差，這出現了兩個問題：溶解度差代表沒有足夠的反應物可進入水相，效率很差；另一方面，有機化合物對水又有一定的溶解度，使得排放廢水前要從水相取出有機物，著實需費一番工夫。不過化學家不會早早豎白旗，提出了各種解決之道，例如1984年Rhone Poulenc-Ruhrchemie公司利用水溶性的銠催化劑應用到商業合成，將高壓的丙烯、氫氣、一氧化碳（均是氣體）導入水相進行反應（圖三，參考文獻3）。反應完成後的產物丁醛（液體）不溶於水，只需要簡單的蒸餾就可以取得丁醛。

（圖三）

但是用水做溶劑就是綠色化學嗎？錯！水對環境無害而且安全，不代表水相反應就是環保的，因為只有「純水」才是真正無害，進行反應後的水如前所述，會含有些許的有機物。我們要面對的問題其實是 「要怎麼把有機物從水中移除？」這是長期被忽略的問題。常見的處理方法是加入有機物來萃取有機物，不過這只會使問題變得更糟。（參考文獻4）

檢視目前許多化學期刊論文會發現，所謂在水相進行”環保”反應，往往需要加入10倍、甚至30倍於水的有機溶劑來完成後處理，考量一個反應是不是真的環保，不僅需要考慮反應溶劑，也必須將反應的後處理考量在內。 殘留在水中的少量有機物是處理上的大麻煩，縱使是乙醇、乙酸乙酯這些生物可代謝的物質，超過0.1~1.5%也會對微生物有致命影響。水溶液中的有機物可以用抽氣、焚化、活性碳處理，不過抽氣耗能、水溶液不易焚化，而活性碳需燃燒另外處置。 就當前來看，目前大多數反應利用有機溶劑進行會比水相反應更便宜、更方便，也對環境比較好。很弔詭不是嗎？這是留給化學家未來努力的方向。

參考資料：
1. 選修化學下 實驗活動手冊，泰宇出版
2. Roger A. Sheldon etc., “Green Chemistry and Catalysis”, Wiley-VCH
3. Robin Whyman, “Applied Organometallic Chemistry and Catalysis”, OXFORD
4. Donna G. Blackmond etc. “Water in Organocatalytic Processes: Debunking the Myths”, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 3798–3800