物質變化

淺談電能儲存與液流電池(flow batteries)的最新發展
國立臺灣大學化學系名譽教授蔡蘊明

現代的社會高度倚賴能量，其中最大宗的能源來自於天然氣、石油、以及煤這些自然資源。大自然透過上千萬或億年孕育出這些資源，而人類卻在工業革命之後的這短短數百年，就已經將之消耗到產生資源耗竭的危機，這些資源的耗費隨伴產生的污染也同時增加了環境沈重的負荷。替代的核能，看似消耗的自然資源不多，但所產生的輻射污染物亦是燙手山芋，潛在的核安問題更是爭論的焦點。太陽能以人類的歷史時軸來看，可稱永續，但如何有效的進行能量轉換，仍須很多的研究。與水利和風力發電一般，這幾種型態的能源，堪稱靠天吃飯，另具有地域性和電力的不穩定性，對環境的影響也並非沒有爭議。

金催化反應（Gold Catalyzed Reactions）（I）
國立臺灣師範大學化學系梁家榮博士班二年級

黃金是人類史上相當早就發現的金屬之一，西元前 2500 年前在埃及的雕刻上，就可以發現類似開採或冶煉的圖像。一般認為黃金是惰性的、極不易被氧化且不具催化活性的。由於黃金在地殼中的豐度約為 $$5\times 10^{-7}\%$$，屬於貴重金屬，故其價格也非常昂貴。尤其在近年黃金的市場價格大幅上漲，在過去幾千年的歷史中，僅僅用於做為貨幣或飾品的功用居多¹。後來發現金具有良好的延展性且為抗腐蝕良導體的性質，才開始在電子產品上有更多應用。

黃金與大多數化學試劑不發生反應，但是可以溶於王水中，並可以再進一步製備而得到金(I)和金(III)試劑。近年來發現金(I)和金(III)離子在勻相催化（ homogeneous catalysis）中對帶有炔基（alkyl group）的化合物具有催化活性之後，過去十幾年間世界各地的化學實驗室競相報導關於金催化的研究，掀起一波新的掏金熱潮。

金催化反應（Gold Catalyzed Reactions）（II）
國立臺灣師範大學化學系梁家榮博士班二年級

請參考連結：「金催化反應（Gold Catalyzed Reactions）（I）」

金離子相對於銀離子具有更多一層軌域可以提供配位（coordinate），以帶有炔基的反應物為例（如圖一）¹，金催化的反應機制（mechanism）首先是先由富含有 $$\pi$$ 電子的炔基提供電子配位到金(I)離子上。而圖中銀試劑的功用是先與鹵素反應生成難溶鹽類的沈澱物氯化銀，此時催化劑屬於 $$sp$$ 混成軌域，結構為直線型的金(I)離子就能空出一個可配位的空間，成為缺電子的路易士酸能與炔基進行反應。

配位錯合物(Coordination Complex) （II）
國立臺灣師範大學附屬中學二年級1322班楊易蓁/國立臺灣師範大學附屬高級中學化學科陳昭錦老師

配位錯合物的化學反應

配位錯合物的化學反應主要有氧化還原反應及配位基取代兩大類：

1.氧化還原反應：

配位錯合物中的氧化還原反應可歸納為內圈(inner sphere)及外圈(outer sphere)電子轉移兩種機制。內圈電子轉移的機制是由1983年諾貝爾化學獎得主亨利陶比(Henry Taub)提出的，比較方程式 $$(1)$$ 及 $$(2)$$：

$$\begin{multline*}\mathrm{ [Co(NH_3)_6]^{3+}+ [Cr(H_2O)_6]^{2+}}\\ \rightarrow \mathrm{[Co(NH_3)_5(H_2O)]^{2+}+[Cr(H_2O)_6]^{3+}}\end{multline*}~~~(1)$$

$$\begin{multline*} \mathrm{ [CoCl(NH_3)_5]^{2+}+ [Cr(H_2O)_6]^{2+}}\\ \rightarrow \mathrm{[Co(NH_3)_5(H_2O)]^{2+}+[CrCl(H_2O)_5]^{2+}}\end{multline*}~~~(2)$$

在方程式 $$(1)$$ 中，$$\mathrm{[Co(NH_3)_6]^{3+}}$$ 的中心原子 $$\mathrm{Co}$$ 由 $$+3$$ 變為 $$+2$$，$$\mathrm{[Cr(H_2O)_6]^{2+}}$$ 的中心原子 $$\mathrm{Cr}$$ 由 $$+2$$ 變為 $$+3$$。而在方程式 $$(2)$$ 中當 $$\mathrm{Co}$$ 的其中一個配位基改為 $$\mathrm{Cl^-}$$ 時，當發生電子轉移時，$$\mathrm{Cl^-}$$ 也從原本與氧化劑中的 $$\mathrm{Co^{2+}}$$ 配位變成與還原劑中的 $$\mathrm{Cr^{3+}}$$ 配位。此外，方程式 $$(2)$$ 的反應速率也比 $$(1)$$ 快很多。

光變色性物質（Photochromic Materials）
臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師

光變色性（photochromism）是某些種類的化學物質受到電磁波（光線）的照射而變化成另一種物質，其反應為可逆反應且兩物質的顏色不同。這個現象最早是在1880年代由Markwald 研究2,3,4,4-tetrachloronaphthalen-1(4H)-one的顏色改變所發現，當時他稱此現象為” phototropy”。直到1950年代Hirshberg才正式提出光變色性（photochromism）這個專有名詞。光變色性的現象可以在有機、無機物質甚至在生物系統中發生，如視網膜（retinal）產生視覺的過程。

光致變色物質的應用（Applications of Photochromic Materials）
國立臺灣師範大學附屬高級中學化學科陳昭錦老師

光致變色材料會隨照光強烈程度造成顏色深淺變化，進而自動調節對光熱源的遮蔽能力，可以有效遮蔽太陽光及熱能。在照光互變的過程中，不只是吸收光譜會產生變化，物質的一些物理及化學的特性也會跟著改變，如：折射率、介電常數、氧化還原電位、幾何構型皆會發生變化。我們可以利用這些分子特性的改變，發展不同的光學材料，如：太陽能電池染料、光學記憶性染料或光學開關。光致變色材料之應用極為廣泛，例如：變色鏡片、雷射光攝影術(holography)及三度空間資訊儲存設備(three-dimensional memory information storage devices)等。

永久性染髮劑（Permanent hair color）
臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師

永久性染髮劑可分成三種：氧化性染髮劑、植物性染髮劑與金屬染髮劑。永久性染髮劑是目前最普遍使用的染髮劑，染上之後就不會褪色，但是新生出的頭髮，仍是原來的髮色，其優點是可以在原有的髮色上，染上色澤深又濃的新顏色。染髮時，需混合顯色敷用劑（Developer） 及染色劑，滲入皮質層，淡化頭髮天然色素，染上人工色素，效果持久。永久性的染髮劑主要分成兩劑，要在染髮之前才混合兩種劑型，且立刻塗抹於頭髮上，否則過久之後會失效。第一劑是含氨水成份的染色劑，其作用是使頭髮鱗狀表層脹開，這樣過氧化氫和染色劑就可以很容易地穿過表層而與髮桿的蛋白質接觸而而起化學作用；第二劑是含6%過氧化氫水溶液，通常作成乳霜狀，過氧化氫先氧化了髮桿蛋白質，可把髮色漂白，然後染色劑和氧再反應形成新的髮色，其他的成份可以幫助染料滲透至髮幹的內部，讓染料氧化之後，結構不易改變，更穩定不易褪色。此外有些染髮劑通常會再添加一些潤髮、護髮的成份，使頭髮不易受損。

永久性染髮劑的染髮原理

最常使用的永久性染髮劑是用氧化性染料，其成份過去是使用1,4-二胺基苯（1,4-diaminobenzene）或俗稱對苯二胺（p-phenylene diamine）即PPD

其染髮的機制如下：

第一步為將對苯二胺氧化成苯醌二亞胺（quinonediimine） (C₆H₄(NH)₂)。

第二步驟為苯醌二亞胺與偶合劑作用，在有機化學上稱此為苯的親電子取代反應（electrophilic aromatic substitution）。

第三步驟為苯醌二亞胺的偶合體氧化成最終髮色，最後的染料分子比前驅物分子為大，使其能緊密結合在頭髮上。

最新的染髮劑則使用2,5-二胺基甲苯（2,5-diaminotoluene），其毒性較小。