生質酒精燃料 （biomass alcohol fuels）
臺北市立第一女子高級中學二年級高偉家

在這個工業進步的時代，除了國際經濟依賴石油之外，燃燒石油所產生的溫室氣體也使環境加速汙染，因此，生質能源的使用愈發顯得重要。生質酒精也可稱為生物乙醇，是一種利用微生物將生質(biomass)中醣分發酵的酒精，分子式CH₃CH₂OH，雖與石化原料產生的乙醇相同，但原料的不同就造成了碳排放量的差異，生質一般為植物光合作用產生的含碳化合物，通常製造生質酒精的原料以甘蔗、玉米為主，其他也有大、小麥、燕麥、稻米、甜菜、高粱、木薯等，甚至於廢棄物如舊報紙、木屑等。 Continue reading →

追求不再貴重的催化 (catalysis)之路
國立臺灣大學化學系名譽教授蔡蘊明

現代人類的生活和文明離不開化學，化學品的製造經常隨伴著副產物的產生，這些副產物若不謹慎處理，容易造成環境的污染。從效率的角度來看，產生無用而需廢棄的副產物，是一種浪費。以現在愈來愈受注重的綠色化學(註1)概念來看，我們需要發展更有效率的化學製程，其中催化劑的發展是一個重要的方向；催化劑可以降低化學反應的活化能，使得反應加速，因此能在較為溫和的條件下進行反應，明顯的具有節能的效果。催化劑扮演的是協助的角色，本身並不會成為產物的一部分；透過一個循環的機制，催化劑在每一次的循環結束時，會重新產生，進行下一輪的催化循環，因此並不需要使用許多的催化劑。在工業上，好的催化劑用量最好能在0.01當量以下，愈少愈好，若是超過0.05當量，將不會是很理想的催化劑。

催化劑簡介

催化劑基本上分為兩種：異相催化與勻相催化。前者是使用的催化劑與反應溶液不互溶，催化的反應發生在催化劑與溶液的介面，因此催化劑的表面積愈大效果愈好。常見的異相催化劑，例如食品工業中，將不飽和脂肪酸的碳-碳雙鍵飽和化時，使用氫氣為還原劑，但需要鈀(Pd)、鉑(Pt)或銠(Rh)等金屬做為催化劑。這些金屬不溶於反應使用的有機溶劑，屬於異相催化劑。為了充份將金屬的表面攤開以提高效率，細微的金屬顆粒是靠著吸附的方式附著在各種固相的擔體上面，常用的擔體是木炭(charcoal)的粉末。異相催化的好處是去除容易，透過簡單的過濾即可，需要的話可以回收再使用，符合綠色化學的精神；但壞處是表面積的多寡與顆粒的大小和均勻度有關，不易控制。反應發生在兩相介面，攪拌的效率很重要，因此反應的時間必須視實際進行狀況來判定。不同的擔體會影響金屬的表面結構(註2)，進而影響反應活性和選擇性，不同的金屬化學反應性也不同。

圖1 銠(Rh)金屬是碳-碳雙鍵氫化常用的異相催化金屬，將三氯化銠與過量的三苯磷反應可得到著名的威爾金森催化劑(Wilkinson catalyst)，此催化劑可以溶解於許多的有機溶劑中。

勻相催化的系統中，催化劑是可溶於反應溶劑中的，因此反應是發生在均勻的單相中，反應的速率易於掌控，但是去除催化劑以及回收不易。許多的勻相催化劑乃以金屬為催化的核心，那麼要如何讓金屬溶於有機溶劑呢？操控溶解度是利用金屬的配位能力，使用有機化合物做為配位基(ligand)，與金屬生成的配位化合物(coordination compound)，被稱為有機金屬化合物(organometallic compound)，可以溶於有機溶劑 (圖1)。這些有機金屬的催化劑另一項最重要的優點，在於有機配位基的結構可以改變，進而影響金屬催化的活性以及選擇性，這就給予了化學家很大的空間去發展符合他們需求的催化劑。 Continue reading →

溴瑞香草酚藍(Bromothymol blue)
臺北市立第一女子高級中學二年級李安晴

溴瑞香草酚藍是用以測定弱酸弱鹼的指示劑，化學式為 $$\bf{C_{27}H_{28}O_5SBr_2}$$，縮寫為 $$\bf{BTB}$$，中文譯名繁多，如­­­­：溴瑞香草藍、溴芮香草藍、溴百里酚藍、溴化麝香草酚藍、酒精­藍色指示劑等。 Continue reading →

聚乙烯醇 (Polyvinyl Alcohol, PVA) ─膠水的成分
臺北市立第一女子高級中學二年級吳奕萱

黏著劑

黏著劑也稱膠黏劑、黏合劑，為 1742 年美國人亨利‧庫特博士（Dr. Harry Coover）發明。其用途為將兩個物體黏在一起，且根據所要黏合材料的特性（主要是表面特性，如粗糙度），使用不同的黏著劑。黏合劑最初是稀釋的樹脂（本身具有黏性），後隨著化學工業的進步，有人工製造的膠水成份：PVA、水、防腐劑。 Continue reading →

單一元素準晶的突破性進展
國立臺灣大學科學教育發展中心陳藹然博士

日本中央大學新聞2013年12月3日訊

還記得2011年諾貝爾化學獎的得獎研究嗎？以色列化學家丹尼‧謝西曼 (Daniel Shechtman)以準晶體（quasicrystal）的發現，改變了世人對晶體的傳統定義，原來只要原子遵守某種規律排列形成的固體就是晶體，不論是不是有週期性的重複。但是在謝西曼教授的研究中，以合金、高分子或奈米粒子為主，並沒有觀察到單一元素構成的準晶。

準晶和一般晶體不同之處在於，準晶具有5邊形或10邊形的原子排列結構，其結構排列內含黃金比例與費式數列，顯現出另一種「沒有重複的規律性」的美。此外，由於準晶結構的特殊性，加上准晶內化學組成的複雜性，晶體穩定度和特殊物質性質等，依舊迷霧重重。因此，科學家希望回到最簡單的狀態，如果能得到由單一元素組成的準晶，也許就能更加清楚瞭解準晶。

(圖片來源：維基百科)

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同位素發現百年紀念
國立臺灣大學科學教育發展中心特約編譯郭冠廷

REFLECTION
Soddy in his lab at the University of Glasgow.
Credit: University of Glasgow Archive Services, GB0248 UP1/503/1

Frederick Soddy在一百年前的這個月發現：元素可以有幾種原子量。

1913年的12月4日，輻射化學家Frederick Soddy（弗雷德里克·索迪，1877年9月2日－1956年9月22日）提出「同位素」的概念。而Soddy也因此獲得1921年諾貝爾獎的殊榮。

一位早熟的少年

Soddy出生在1877年9月2日英國的Eastbourne，他是一位早熟的少年。在18個月大時，就面臨母親的去世，由信仰加爾文傳統（Calvinist tradition）[1]的堂妹扶養長大，也因此培養出索迪獨立於當代社會與宗教的獨立性思考模式。Soddy曾在Eastbourne學院、Aberystwyth學院Wales分院、Merton學院、Oxford大學就讀。而後於1898到1900之間，在Oxford大學進行獨立研究。

放射性蛻變的發現

1900年Soddy在McGill大學時，成為一名化學界的示威者。與英國物理學家Rutherford共同研究物質的放射性。而在當時，對放射性的瞭解可說是少之又少，而Soddy與Rutherford就已經意識到，放射性的存在，是肇因於元素的衰變。元素衰變時會釋放α-, β-, and γ-radiation。Soddy用化學方法來辨別出衰變的產物。並於1900到1902年之間的時8個月當中，Soddy和Rutherford共同出版了九篇歷史性的文章，文章當中提出了：原子分裂後可以產新的物質。而這正是古代煉金術師們的夢想，因此Soddy稱這個過程為煉金用語中的「蛻變（transmutation）」。

Rutherford和Soddy的放射性理論，解釋了蛻變的發生。他們是首位計算出放射性蛻變的過程中，會伴隨大量能量釋放過程的學者。可惜的是，Soddy因為被誤認為僅是Rutherford底下的年輕助手，而非工作伙伴。因而在這項發現當中，Rutherford獲得大部分的榮耀，而Soddy也因此與1908年的諾貝爾化學講擦身而過。

兩位學者共同提出放射線的存在，並從Uranium-92和Thorium-90出發。這兩個元素的最終產物都是Lead-82。因此兩位學者主張，Helium應該是Radium-88的衰變產物。 Continue reading →

螯合治療(Chelation therapy)
國立臺灣師範大學附屬高級中學生王彥澄/國立臺灣師範大學附屬高級中學化學科陳昭錦老師

螯合治療(chelation therapy)是指服用螯合劑來排除體內有毒重金屬的，在臨床毒物學(clinical toxicology)方面已有很長的應用歷史。就最普遍的排毒而言，如重金屬鉛、汞，或是砷等，有許多螯合劑可使用。例如：乙二胺四乙酸（Ethylenediaminetetraacetic acid）是一種由乙二胺和羧酸合成的無色可溶物質，通常簡稱為EDTA(圖一)， EDTA用於靜脈注射，可作為鉛中毒的解毒治療。2,3-二硫基丁二酸(圖二)，別名2,3-二硫基琥珀酸，一般簡稱二硫基丁二酸(Dimercaptosuccinic acid ，DMSA )，是一種有機硫化合物，常溫下為白色結晶狀粉末。因分子內含有兩個硫基(－SH)，所以它帶有硫基化合物特有的臭味。

二硫基丁二酸和它的鈉鹽都可以作為解毒劑，通過口服或注射治療孩童的鉛中毒。其他螯合劑，例如：2,3-二硫基丙磺酸( 2,3-dimercapto-1-propanesulfonic acid , DMPS) (圖三)以及硫辛酸( alpha lipoic acid , ALA)(圖四)都被應用在傳統及另類醫療方面。

歷史

將螯合劑應用在藥物上肇因於第一次世界大戰使用的化學武器，第一個被廣泛應用的螯合劑是有機二硫化物－二硫基丙醇(dimercaprol)(圖五)，別名抗路易氏劑(British anti-lewisite, BAL)。最早是由第二次世界大戰期間英國牛津的生化學家們研製出，當時是作為生化武器路易士劑的解毒劑，路易氏劑是氯乙烯氯砷的俗稱(圖六)。二硫基丙醇其解毒原理，是利用其分子中的硫基（-SH）上的硫原子可與路易氏劑上的砷形成很強的鍵結，形成可溶於水的化合物進入血液循環，藉由腎及肝臟的代謝作用將其從人體中排出。需注意的是，BAL有嚴重的副作用。 Continue reading →

沙林毒氣(Sarin)──「20世紀最惡劣的武器」
臺北市立第一女子高級中學二年級蔣采蓉/臺北市立第一女子高級中學化學科許名智老師

1995年3月20日早晨，日本爆發東京地鐵沙林毒氣事件。日本邪教團體奧姆真理教的10名教徒分別在地下鐵的5班列車釋放沙林毒氣，共造成13人死亡和6252人輕重傷。此事件是日本自二次大戰結束後最嚴重的恐怖攻擊事件。

沙林最早是在1938年被德國納粹的科學家發現，並以這些發現者的姓式開頭命名。德國在二次大戰期間大量製造沙林，但並未使用。1988年伊拉克以化學武器大量屠殺庫德族人，沙林毒氣也參與其中。

各式化學武器因造價低廉且具無孔不入的殺傷力而有「窮國的原子彈」之稱，那麼，名列其中的沙林究竟是何許物質，能造成如此可怕的殺傷力呢？

沙林的基本性質

沙林別名甲氟磷異丙酯，化學式為[(CH3)2CHO]CH3P(O)F，是一種有機磷化合物。它是一種無色、無臭、具高揮發性的液體，且為一種神經毒素，常被應用於化學武器。沙林在聯合國安理會687號決議中被歸類為大規模殺傷性武器，同時也在1993年的禁止化學武器公約被歸類為第一類物質，其生產與儲存都是違法的。

沙林的結構與製備

沙林具有手性，因為它的結構是一個以磷為中心，且有四個不同取代基的四面體。其結構如下： (圖片來源：Wikipedia)

沙林對人體的危害

像其他神經毒氣一樣，沙林會攻擊神經系統。沙林是膽鹼酯酶(cholinesterase)的有效抑制劑。沙林的氟會以離子的形式脫離，它所連結的磷酸官能基就在膽鹼酯酶的絲胺酸(serine)上的羥基形成共價鍵，這將導致膽鹼酯酶失去活性。當乙醯膽鹼酯酶遭到抑制的時候，乙醯膽鹼無法被分解，便會堆積過多的乙醯膽鹼，使得神經衝動不斷地傳遞，而肌肉和器官就無法進行正常的作用。

因此，當人體由皮膚或呼吸道吸入高劑量的沙林毒氣後，肺部周圍的肌肉就會被癱瘓，致使肺部充滿黏液與唾液，受害者便會窒息死亡。 Continue reading →