依數性質（Colligative Properties）
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

比賽分團體戰和個人賽，出門旅遊有團體價和個人票，化學界有時也有組團和數人頭的差別。溶液中很多重要的性質是由溶液的濃度所決定，如溶液的蒸氣壓下降（Vapor pressure depression）、凝固點下降（Freezing-point depression）、沸點上升（Boiling-point elevation）和滲透壓（Osmotic pressure）。但溶質為電解質時會在極性溶劑中解離，增加了溶質的粒子數，使實際的溶液濃度高於理論濃度，進而造成溶液的性質變化更加明顯。這種因為和粒子數目高度相關的性質稱為「依數性質（Colligative properties）」。由於溶液這四種性質具強烈的依數性質，在考慮濃度對他們的影響時，加入了另一個重要的參數，凡特荷夫因數i （van’t Hoff factor）。考慮依數性質的溶液性質方程式如下：
凝固點下降 ∆T_f = i K_f Cm
（∆T_f：凝固點下降量，Cm：重量莫耳濃度，K_f ：凝固點下降常數）
沸點上升∆T_b = i K_b Cm
（∆Tb：沸點上升量，Cm：重量莫耳濃度，K_b ：沸點上升常數）
滲透壓 П = i C_MRT
（П：滲透壓，C_M：體積莫耳濃度，R：理想氣體常數，T：絕對溫度）

i實驗值受鹽類種類和溶液濃度影響甚鉅，i實驗值小於i理論值，只有在溶液很稀薄時i理論值接近實際值。此外，帶一價電荷的鹽類如氯化鈉或氯化鉀溶液，比帶多價電荷鹽類如硫酸鎂，i實驗值更接近實際值，因為二價離子間作用力大於一價離子間的作用力。（表一）

依數性質和生活息息相關：如凝固點下降使生物得以在寒冷的環境下存活；寒帶地區冬天路面積雪時會在路上灑鹽，幫助路面冰層熔化，藉以減少車輛打滑造成事故；半導體工業也應用到凝固點下降製造超高純度的矽晶（相關討論請見「溶液凝固點下降的應用（二）」）。還有滲透壓，除了應用在眾人熟知的RO逆滲透水與海水淡化外，自然界生物的很多生理現象與生物科學都離不開滲透壓，如樹木輸送水分至枝葉、腎臟排除身體毒物等，因為生物的細胞膜就是最重要的天然半透膜（Semipermeable membrane）。

參考文獻:
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Colligative_property
2. 陳竹亭，選修化學上，泰宇出版社，第85頁，2008.
3. Martin S. Silberberg; “Chemistry: The molecular nature of matter and change”, 4nd edition, The McGraw-Hill Companies, pp. 521-522, 2006.

溶液凝固點下降（Freezing-point Depression）的應用（二）
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

大家都知道，生物體內絕大比例都是水，但是水在攝氏零度就會開始結冰，導致生物的死亡。生物是如何避免這種情形發生，克服惡劣的環境得以生存？其實生物正是利用「溶液凝固點下降」來「抗凍（Freeze avoidance）」，藉以生活在寒冷的地方。根據凝固點下降原理，當水溶液中具有非揮發性溶質時，水溶液的凝固點比純水低，且凝固點的下降值隨水溶液濃度升高而增加。所以，細胞和組織內的體液含有一些惰性（不參與化學反應）且和水互溶的物質如山梨醇（Sorbitol）和丙三醇（Glycerol），這些物質增加體液的莫耳濃度，降低體液凝固的溫度。例如有些魚類與昆蟲生活在北極或為了度過北方酷寒的冬季，體內會產生大量丙三醇，降低其體內血液的凝固點。

在半導體工業中矽晶是最重要的原料之一，其要求的矽晶純度超乎想像。眾所周知一般的物質純化方式能得到的純度，並不能滿足半導體工業對矽晶的要求，「區域精煉法（Zone refining）」或稱區域提純法則可以提供純度高達99.999999% 的矽晶。何為區域精煉法？根據經濟部工業局半導體產業推動辦公室半導體名詞資料庫的解釋：當金屬或合金凝固之際，雜質或成分元素之濃度呈現不均勻之現象稱為偏析，在半導體材料之提純中利用此一現象者稱為區域精煉法；換言之，半導體之雜質其大部分之分配係數小於1，因而在凝固之際，不易進入結晶內而析出在熔液中。因此多次通過區域熔融將結晶加以純化。看起來有點難懂，簡單來說，我們可以將矽晶視是為一固態溶液，溶劑為純矽，溶質為矽晶棒中的微量雜質。區域精煉法利用此含雜質的固態溶液其凝固點比純物質低的原理，使雜質溶融在液態溶液中藉以和固態的純物質分離。如圖二所示，將矽晶棒穿入一加熱線圈中，加熱的小區域內含雜質的矽熔化為液體，當金屬或加熱線圈開始移動加熱下一個區域，矽晶棒表面液態含雜質的矽隨加熱區域移動，留下凝固點較高的固態純矽；這樣一區一區的移動加熱，矽晶棒表面液態含雜質的矽也跟著移動，內含雜質的量也愈來愈多，處理過的矽晶棒即可達到超高純度。這個方法也是用於製備其他超高純度的金屬或合金棒。

參考文獻:
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Freezing-point_depression
2. http://proj.moeaidb.gov.tw/sipo/Industr … lSh4hOjV==

溶液凝固點下降（Freezing-point Depression）的應用（一）
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

法國化學家拉午耳（François-Marie Raoult, 1830-1901）在19世紀時就告訴我們：溶液的凝固點比純溶劑低，凝固點下降值和溶液的重量莫耳濃度（Cm）成正比（式一）。
∆T_f = i K_f Cm （式一）
∆T_f：凝固點下降量，Cm：溶液重量莫耳濃度，K_f：凝固點下降常數，i：凡特何夫因數。

這個公式很重要，每個念理工的學生都要熟記，因為考試會考。但是這個公式除了應付考試外真的對我們的沒有意義嗎？這不盡然。實際上，這個溶液凝固點下降的現象大大影響了我們的生活，生活周遭應用的實例，無論是生物還是工業方面俯拾皆是。應用可大致分為四大方面：分子量測定、純度檢測、抗凍劑（Antifreeze）和區域提純（Zone refining）。

凝固點降低可用來測量物質的分子量（Molar mass），特別是未知物和一些高分子。根據式一，我們可以改寫成式二。分子量測量方法如下：首先我們準確測量含有待測分子量物質溶液之凝固點，和已知純溶劑凝固點相減得到∆T_f。又溶液濃度為已知，即可利用式二求得待測分子的分子量M。貝克曼凝固點測定裝置（Beckmann freeze apparatus，圖一）就是一般用來決定分子分子量的裝置。
M = i K_f × (w/∆T_f) )×(1000/W) （式二）
∆T_f：凝固點下降量， K_f：凝固點下降常數，w：溶質重(g)，M：溶質分子量(g/mol)，W：溶劑重(g)。

這個測量分子量方式比較令人困擾的是，凝固點下降具依數性質，如果待測分子為電解質，則需要考慮帶測分子的凡特何夫因數i；i代表待測物質的在溶液中的解離度，可由另一個實驗測得。因為物質在非極性溶劑中不解離，i = 1，先測量該分子溶於非極性溶劑中的凝固點下降值，Cm_solute（理論溶液重量莫耳濃度）對∆T_f作圖得到斜率K_f。比較相同物質在其他極性溶液和非極性溶液的凝固點下降值，以前述求得之Kf和在極性溶液中得到的∆T_f，算出新的溶液重量莫耳濃度實際值Cm，Cm_solute和Cm的關係為Cm = i × Cm_solute。

凝固點下降也可用於物質的純度分析，以掃描式熱差分析儀（Differential scanning calorimetry，DSC，圖二）來決定待測物質所含雜質的莫耳百分率（式三）。以DSC測量物質純度具有快速、精確、樣本用量少、能測得物質絕對純度等優點，且不需要任何標準物，甚至連樣品的純物質熔點都不需事先知道，因為純物質熔點能從DSC的實驗中數據中獲得。
雜質(mol %) = 100 × (1/K_f) × ∆T_f （式三）

參考文獻
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Freezing-point_depression
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Differenti … alorimetry
3. 陳青、魏伯榮、包德君，分析儀器，分析儀器編輯部，42-46頁，2005卷3期。

蠶絲 (Silk)
臺北市立第一女子高級中學三年級林欣怡/臺北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師修改/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

蠶絲的來源

蠶絲是一種蛋白質纖維，由熟蠶結繭時分泌的絹絲液凝固而成，是天然高分子材料之一。蠶所吃的桑葉，是用來做成絲的原料，平均1000隻蠶，從出生到吐絲需要吃20公斤的桑葉，但所吐出來的絲卻只有半公斤左右。

蠶的身體裡面盤繞了兩條腺體，這兩條絹絲腺在蠶的鼻口部分匯集成一條吐絲管。蠶的幼蟲經脫皮四次後會開始造繭，一隻蠶約需花費六十個小時，才能吐出長達1.6公里的絲。蠶吐絲的孔叫絲嘴，初步吐出來的絲呈現液態，一接觸空氣後會立刻硬化成為絲纖維。只要把蠶繭放入沸水中煮再抽絲，便可以得到生絲，然後再經織紡、染色、印花，就是一匹匹細緻柔美的絲綢了。 Continue reading →

溶液的蒸氣壓與分餾（Fractional Distillation）
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

混合物可以用物理方式如過濾、結晶、蒸餾等方式將純物質分離出來。其中利用液體純物質的沸點不同做分離的方法就是蒸餾（Distillation）或分餾（Fractional Distillation）。何謂分餾？分餾是分離各種不同沸點的揮發性混合物的一種分離技術，一般來說，有機化學家要分離和純化沸點相差在25℃內的液體混合物會使用分餾的方法；而要純化沸點相差在25℃上的液體混合物則使用簡單蒸餾就可以。

圖一 蒸餾裝置（出自http://www.btinternet.com/~melee3d/revision/chemistry/alcohols.html）

圖二 分餾裝置（出自http://www.chemguide.co.uk/physical/phaseeqia/idealfract.html）

裝置說明
圓底瓶：裝混合揮發性物質
熱源：使用加熱板並利用油浴鍋加熱是比較常見的作法
分餾管：使加熱後的蒸汽進行多次的簡單蒸餾
冷凝管：將氣態的蒸餾液凝結成液態
圓底瓶、燒杯或錐形瓶：收集蒸餾液
溫度計：幫助我們瞭解蒸汽的溫度

分餾與簡單蒸餾的裝置（圖一與圖二）差別只有一個差別，就是液體蒸發後在到達冷凝管之前會先經過一個分餾管（fractional column），而分餾管中通常塞滿了玻璃球，作用是當蒸汽通過填滿許多玻璃球的分餾管時會先凝結，凝結的蒸餾液會沿著分餾管下降，而部分的凝結液會再度蒸發而上升，在經過數次蒸發及冷凝的過程後都會使冷凝中沸點較低的成分便多，故分餾管的作用等於對一揮發性混和物做了數次的簡單蒸餾。最後，到達分餾管頂部的蒸汽多為低沸點的揮發性物質，而留在圓底瓶裡的冷凝液則為較難揮發的混合液。

如果分餾管的長度越長且管內填充物的表面積越大則可達到較高的分離效率；值得我們討論的是，有些混合物不可能以簡單蒸餾或分餾來加以分離，這種混合形成共沸物（Azeotrope），如95%的乙醇水溶液其共沸點為78.2℃，共沸物在固定的壓力下沸騰時所產生的蒸汽與液體本身有著完全相同的組成，因此不能分離。

因為溶液的蒸氣壓大小決定了液體沸點的高低，溶液基本上遵循拉午耳定律（Raoult’s law），溶液分餾的原理可以以拉午耳定律來解釋。下圖為A-B混合溶液的沸點-莫耳分率圖（圖三），圖中A有較低的蒸汽壓，也就是說A有較高的沸點，反之B有較高的蒸汽壓，B沸點較低。對於A和B的液體混合物的沸點可得一藍色的曲線，因B有最低的沸點，故藍色沸點曲線介於A與B的沸點之間。

圖三 A-B混合溶液的沸點-莫耳分率圖

我們要在圖上加讓另一可以表示蒸汽組成的曲線，如果加熱此A-B混合物，有較高蒸汽壓的分子B將會較易變成蒸汽，這表示蒸汽中B的比例將會高於溶液中B的比例，依照拉午耳定律得知從藍點蒸發的液體其蒸汽壓的組成成分為粉紅色的點。（圖四）

圖四

如果我們重複以此方法從不同的AB組成開始做圖將可得到第二個粉紅色曲線-表示蒸汽中AB的組成。（圖五）

圖五

我們可以利用此沸點-莫耳分率圖來解釋分餾的過程，以下圖舉例來說，當我們加熱有C1組成的液體到沸點T1而沸騰時，在液面上的蒸汽將會有C2的組成。（圖六）

圖六

假設我們又凝結了C2的蒸汽使其變成液體，然後再加熱使其變成蒸汽，如下圖
我們又可得到一有C3組成的蒸汽，我們發現C1的組成在經過兩次的蒸發和一次的凝結後成了更向左靠近100％ B的C3組成。（圖七）

圖七

我們前面提過分餾就是在分餾管裡進行多次的簡單蒸餾，而藉由沸點-莫耳分率圖我們可以得知進行多次的簡單蒸餾後最後蒸汽的組成將會越接近100%B，而最後得到100%的B。這就是分餾的原理。

參考文獻
1. 陳竹亭，化學上，泰宇出版社，第16頁，2008.
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Fractional_distillation
3. http://www.chemguide.co.uk/physical/pha … ealpd.html

爆炸 (Explosion)
臺北市立第一女子高級中學三年級林欣怡/臺北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師修改/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

爆炸是某一物質發生迅速的物理或化學反應時，一種能量迅速釋放的現象，通常伴隨有放熱、發光和聲響的效應。當燃燒進行地非常劇烈時，周圍的空氣或反應所生的氣體都因熱而急速膨脹，如此一來，就會形成極大的壓力，擠壓周圍環境或空氣，產生壓力的釋放。這種類型的爆炸與燃燒本質上是一樣的，只是反應速率的不同。

爆炸極限 (Explosive limit)

爆炸極限可以分為爆炸下限LEL(Lower Explosive Limit) 和爆炸上限UEL (Upper Explosive Limit)。通常以氣體、蒸氣或粉塵在空氣中所佔百分比表示。若上述分子間在空氣中的濃度低於LEL，則因為距離太遠不易傳導能量，不容易發生爆炸；若濃度高於UEL，空氣中的氧氣則嫌不足，也不容易發生燃燒或爆炸。若是氣體或蒸氣或可燃性粉塵在空氣中濃度界於兩者間，則在密閉空間中或某些特殊條件下則可能引起爆炸。爆炸下限愈低，或爆炸範圍愈大，則危險性愈高。

雖然有些氣體燃料極易燃燒，但和空氣混合卻不一定遇火就會爆炸。爆炸的基本要件是氣體燃料與空氣混合的比例需適當，而這種能夠引起爆炸的濃度範圍，就是所謂的爆炸範圍。以下列舉幾例，像是氫氣及乙炔的爆炸範圍很大，爆炸的危險性很高。

表一  氣體的「可燃或爆炸」極限

註釋：

最低爆炸下限LEL：有點火源存在下，可燃氣體產生閃燃的最低濃度。
最高爆炸上限LEL：有點火源存在下，可燃氣體產生閃燃的最高濃度。

塵爆，就是粉末或灰塵等非常細微之物。通常引起塵爆的可能有麵粉、煤塵、木屑、塑膠粉末甚至一些農業用肥料以及花粉等等，這些粉塵體積細小，表面面積大，對於燃燒十分敏感，在運輸過程中特別容易發生塵爆。運輸時，由於內部的靜電引起火花，並藉由摩擦力生成的熱著火導致爆炸發生，而每一種粉塵產生爆炸的條件有各自的濃度範圍，也就是爆炸範圍。

臺灣相較於歐美而言較為高溫多雨、環境潮濕，反而不易歐美產生塵爆。因為天氣潮濕時，粉塵不容易揚起，靜電也較不容易產生。想要預防塵爆，就必須定期在作業場所清除粉塵，並且可以藉由灑水控制溼度，作業場所維持通風散熱並清除可能的火源，定期檢查空氣中粉塵濃度以降低塵爆發生機率。

爆炸應用

黑火藥是用硫磺粉和木炭粉（主要提供碳）以及硝酸鉀（主要提供氧氣）按照「一硝二磺三木炭」的比例（硝酸鉀75 %、硫磺10 %、木炭15 %）混合而製成的。黑火藥著火時，發生化學反應2 KNO₃ + S + 3 C → K₂S + N₂ + 3 CO₂ ，燃燒時冒白煙。

黑火藥的威力比起現代許多武器而言不算大，古代中國以及阿拉伯和歐洲都曾用它作為砲彈的火藥，也曾用來採礦及開路。但隨著多種炸藥的發明，黑火藥也漸漸被取代，目前多作為和平用途，像是節慶上所使用的煙火，就是利用具有可燃性的碳粉或硫粉以及黑火藥的混合物所製成的現象。

事實上，製作火藥的最大問題就是它的威力不能太大，否則爆炸所產生的能量不僅能使砲彈飛出，可能也將大砲本身摧毀，因此砲彈用的火藥，燃燒速率不快，也不適合用高性能火藥來做發射藥。生產能夠承受火藥爆炸力的炮管是古代中國所需克服的難題。

爆炸並非只帶來壞處。利用爆炸時產生的壓力，可以把硬的金屬壓製成我們所需的形狀。只要在火藥周圍充滿水，然後在水外側放金屬板，金屬板外側放所需形狀的模型，等火藥爆炸後，水壓會將金屬板壓入模型內，如此一來便使金屬成型了。

參考資料
1. 牛頓科學研習百科
2. http://encyclopedia.thefreedictionary.com/explosion
3. http://www2.wunan.com.tw/download/preview/2c85.pdf
4. http://encyclopedia.thefreedictionary.c … sive+limit
5. http://zh.wikipedia.org/w/index.php?tit … iant=zh-tw

檸檬酸循環 (The Citric Acid Cycle)
國立臺灣師範大學化學研究所碩士生林欣慧/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

檸檬酸循環，由德國科學家克利布斯（Hans Adolf Krebs）所提出，後來被實驗所證實，故又稱克氏循環（The Krebs cycle）；被認為是生物體中丙酮酸氧化以及糖類、蛋白質或脂肪酸轉化成能量的重要途徑，反應在細胞的粒線體中進行；此循環有兩個重要目的：

1. 將乙醯輔酶A（Acetyl CoA）的兩個碳分解成二氧化碳，產生能量、形成ATP或GTP，以及還原的NADH與FADH₂，提供生物體內的反應所需之能量。
2. 提供合成胺基酸、紫質及核苷酸的嘌呤或嘧啶鹼基的前驅物。 Continue reading →

醣類的新陳代謝（Metabolism of Saccharide）
台北市立第一女子高級中學三年級陳怡蓁台北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師修改國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

醣類的輸送與代謝

c.醣類的代謝：
1.在肝臟中，半乳糖、果糖→葡萄糖（血糖）
2.糖類代謝需鎂、鐵、維他命B群

醣類代謝相關的疾病
1、懷孕期糖尿病（Gestational Diabetes）
婦女在懷孕期有時候會有葡萄糖耐受能力不良的症狀，類似糖尿病。這種生理現象是因為懷孕初期，母體為了儲存養份，血中胰島素濃度會有升高的現象。到了懷孕第五或六個月時，母體的養份要釋出以供應胎兒的需要，養分的運送由胎盤負責，胎盤可分泌多種荷爾蒙，有些會使細胞抗拒胰島素的作用，造成母體細胞產生胰島素抗性，此與糖尿病狀況相似。這種症狀通常在產後會自然消失，但是經懷孕次數增多時，造成糖尿病的機率就增加了，往往在多年之後才發展成病，潛伏期平均約5年。

產前檢查時醫師應該注意引發懷孕期糖尿病的危險因子，諸如：曾有懷孕期糖尿病病歷、曾經生產巨嬰、家族病歷有糖尿病歷史、發生糖尿病症狀與尿糖過高、肥胖或體重增加過多、尿道容易感染、曾有流產或死產之病歷等。

懷孕期糖尿病對胎兒也有影響，大量葡萄糖從母體傳送給胎兒，胎兒必需分泌大量胰島素以降低血糖，葡萄糖超過胎兒成長所需，轉換成脂肪儲存，胎兒體內開始有大量脂肪，而且血中胰島素濃度過高，出生時容易發生低血糖症與呼吸困難。成年之後，肥胖與罹患糖尿病的危險性都增加。

控制懷孕期的血糖可以藉助飲食計劃並且配合運動，飲食可依循第二型糖尿病之飲食原則，絕不可禁食或冒然減重。

2、低血糖症
這是血中葡萄糖濃度異常偏低，產生頭痛、緊張、煩躁、飢餓、心跳加速、發抖、衰弱等症狀，嚴重偏低時會造成昏迷甚至是死亡。糖尿病患者若劇烈運動或胰島素過量時，都會引發低血糖。此時需儘快以餅乾、糖果等易吸收的簡單醣類補充血糖。

健康者若是胰島素分泌或反應過度，也會引發低血糖症，可分為兩型。「禁食低血糖症」（fasting hypoglycemia）通常發生於禁食8～14小時之後，雖然沒有攝取食物，胰島素卻分泌過量。「反應型低血糖症」（reactive hypoglycemia）發生在攝食高醣食物之後，體內反應過度，產生過多胰島素。禁食之後攝取大量糖品也會引發低血糖的狀況。因此三餐應維持規律，採用混合式飲食，避免一時大量的含糖食物。

3、乳糖不耐症
導因於小腸缺少乳糖脢而無法消化乳糖，在食用含乳糖之乳品時，乳糖在腸道中導致腹瀉、脹氣等不適之感覺。東方人在嬰兒期可食用乳品，但成年後則不消化乳糖。避免或減輕不適症狀之方法為選用低乳糖乳品或發酵乳，其中所含之乳糖已經酵素加工分解；勿空腹飲用乳品，減少每次之飲用量，或與其它食物共食，延長食物在胃中停留之時間。

4、葡萄糖六磷酸鹽去氫脢（G-6-PD）缺乏症
俗稱蠶豆症。患者紅血球的細胞膜容易受到特定物質破壞而產生溶血現象，特別是接觸某些外來的誘發物時更容易發生；G-6-PD缺乏症在台灣地區，男性的發生率多於女性，大約每一百人中有三人罹患此病。為新生兒先天代謝疾病篩檢項目之一。

罹患G-6-PD者應注意的事項是：服用任何藥物前應請教醫師，避免食用蠶豆，避免接觸奈丸（俗稱臭丸）或穿著有其味道的衣服，不要使用龍膽紫（俗稱紫藥水），如果發現有黃疸、臉色蒼白、貧血或茶色尿的現象，應趕緊就醫。

5、蛀牙
齒縫中食物殘渣被口腔細菌利用產生酸而侵蝕牙齒之琺瑯質，因此蛀牙的危險因子包括口腔微生物與可被利用的生酸糖份，還有口腔的衛生習慣。含糖分高的食物會促進蛀牙，蛀牙發生率與糖之攝取量有正相關性，也與醣類的發酵與生酸能力有關，不能發酵或生酸的醣類可以降低蛀牙的危險。

參考資料：
1. http://content.edu.tw/junior/bio/tc_wc/ … y2-0-6.htm
2. http://www.kyms.com.tw/weight-16.htm
3. http://www.jtf.org.tw/educate/fitness/F … 005_03.asp
4. http://cte.hk.edu.tw/~cte/teacher/5/5-2.htm
5. http://www.chem.ccu.edu.tw/~cyhung/Web- … age_17.htm
6. http://content.edu.tw/junior/bio/tc_wc/ … y-ch06.htm