物質變化

鹵素含氧酸(Halogen Oxyacids)

2011/11/11
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鹵素含氧酸(Halogen Oxyacids)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

鹵素含氧酸(Halogen Oxyacids)，是指除了氟以外的鹵素元素和 氧以不同比例形成的含氧酸，表一為所有目前已知鹵素含氧酸。相對於鹵素含氧酸，不含氧但含鹵素的酸類，則稱作氫鹵素含氧酸(hydrohalic acids)，例如氫氟酸(HF)、氫氯酸(HCl)、氫溴酸(HBr)和氫碘酸(HI)。鹵素含氧酸與氫鹵素含氧酸都是單質子酸，在水中會解離出氫離 子。

表一

氫鹵酸當中的鹵素，其氧化數是-1，溶於水中為酸，氣態化合物則稱作鹵化氫。反之，鹵素含氧酸當中的鹵素，根據與其化合之氧的數目增加，氧化數由+1、+3、+5到最高+7價。鹵素含氧酸依照所含的氧的數目，由1到4我們可以依序稱為次鹵酸(hypohalous acid，HXO)、亞鹵酸(halous acid，HOXO)、鹵酸(halic acid，HOXO2)、過鹵酸(hyperhalic acid，HOXO3)。而其中的氧，氧化數都是-2。因為鹵素含氧酸的鹵素的氧化數為正，可以透過鹵素的還原，來氧化許多的物質，故鹵素含氧酸都具有強氧化性。

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緩衝容量

2011/11/03
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緩衝容量 (Buffer Capacity)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

緩衝容量，是緩衝溶液(Buffer solution)緩衝能力的指標。一般定義為緩衝溶液其pH值沒有顯著改變時(without a significant change in pH)，所加入的強酸或強鹼的量。可以寫為下列式子：

其中β為緩衝容量，Ca與Cb分別為加入強酸或強鹼用於改變單位pH的濃度。而加入酸，pH是下降的；因而必須補上負號。緩衝容量越大，對抗酸鹼對溶液pH變化的能力越強。

（式一）

緩衝溶液的pH值由弱酸的pKa和其弱酸與弱酸鹽的比例來決定。

圖一為0.1 N氫氧化鈉滴定25 mL 0.1 N醋酸溶液的滴定圖，黑色曲線代表加入鹼濃度和pH的關係，紅色線為緩衝容量和pH的關係，紅色曲線為黑色曲線對pH微分的結果。從圖中可以清楚看出當 pH=pKa 時，溶液具有最大的緩衝容量。

圖一、緩衝容量與pKa的關係。（滴定數據來源 J. Chem. Educ., 1995, 72 (8), p 746）

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緩衝溶液

2011/11/03
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緩衝溶液(Buffered Solution)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

緩衝溶液(Buffered Solution)，是指當溶液中加入酸或者是鹼時，會抗拒pH值的改變，使整體溶液pH值可以維持一個相對穩定的值。這對於一些化學反應的進行相當重 要；因為許多的化學反應是受到pH值的影響，在不同的pH值環境下進行反應會得到不同的產物，所以控制pH值在一定範圍內是非常重要的。

在生物系統當中，緩衝溶液則扮演了更重要的角色；因為生物體內的天然催化劑「酵素」，其主成份為蛋白質，蛋白質會因溫度和強酸鹼的 影響結構遭受破壞，進而降低甚至喪失催化活性，所以體內需要一個進行生化反應且能夠維持固定pH值的環境。在生物體中常見的緩衝溶液莫過於血液了。人類血液的pH值大約落在7.4左右，這是細胞可以存活的pH值，即使血液的pH只偏差了0.1，也會讓細胞死亡而有生命危險。

那些溶液可以提供pH緩衝的效果呢？「弱酸搭配弱酸鹽」或「弱鹼搭配弱鹼鹽」的溶液具有緩衝的效果。弱酸鹼可以具有緩衝的效果是因為其弱酸鹼的共軛酸鹼對(conjugate acid/base pair)之間存在的酸鹼平衡。例如：弱酸HA在水中之解離平衡式為

HA⇌H++A–

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賈法尼電池

2011/11/03
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賈法尼電池(Galvanic Cell)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

賈法尼電池(Galvanic Cell)，將自發性氧化還原化反應產生的化學能轉換成電能用以做功的裝置，例如鋅銅電池。（圖一）又稱作伏打電池（Voltaic cell，注意不是伏打電堆voltaic pile），是電化電池(Electrochemical cell)的一種。

圖一、賈法尼電池（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/File:Galvanic_Cell.svg）

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【高瞻特輯-化學催化反應】如何增進催化劑活性(Catalyst Activity)

2011/10/20
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【高瞻特輯-化學催化反應】如何增進催化劑活性(Catalyst Activity)
日本早稻田大學室井髙城(Muroi Takashiro)教授撰寫/ 麻省理工學院材料系李祐慈博士責任編輯

【本系列文章譯自日本報導】

對化學家和化學工程師而言，發展出超高效率的催化劑正是他們最大的夢想。這個願望短期內恐怕仍無法實現，但至少現在我們已經掌握了許多資料，知道如何增進催化劑的活性。一步一步來，我們正朝著化學家的夢想邁進。

圖一：催化劑載體的形狀

金屬顆粒尺寸 (Metal Particle Size)

固態金屬催化反應中，化學反應是在奈米尺度的金屬表面進行。金屬顆粒越小，分散度越高，活性越大。市售鈀‧碳或鉑‧碳複合的催化劑顆粒尺寸約是直徑二至四奈米左右，亦即每個顆粒是由兩百到五百個原子聚集而成。我們的目標是合成出只由十三個原子立方最密堆積而成的最小顆粒。要達到這個目標，選擇恰當的金屬鹽類或金屬錯合物，以及找出最好的還原實驗條件是很重要的。一般而言，在液態氧化反應中，催化劑大小在十奈米左右活性最好。

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陽極

2011/05/31
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陽極 (Anode)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

陽極 (Anode)，是在一對電極當中發生氧化半反應的電極。與其相對的是陰極 (Cathode)；在陰極則會發生還原半反應。在電化電池 (Electrochemical cell)中進行的電化學反應發生在電極與溶液的界面，反應的發生來自於電子的流動。

圖一、電化電池與陰陽兩極的反應 http://www.saskschools.ca/curr_c … _redox/redox2_2.htm

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活化錯合物(Activated Complex)

2011/05/05
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活化錯合物(Activated Complex)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

活化錯合物(Activated Complex) 用來描述一個化學反應裡，反應物轉變成產物過程中，原子重組的過渡狀態化合物，活化錯合物極不穩定，可以進一步分解成產物，也可能在能量不足的狀態下回復成生成物。

分子要進行化學反應，首先分子必須要有足夠發生反應的能量，發生反應的臨界能量稱為活化能(Activation energy, Ea)，通常只有部份的分子的能量大於活化能可以進行反應。在過渡態理論(transition state theory)，反應物分子碰撞達到活化能時形成「活化錯合物」。 此外，由於活化錯合物能量靠近活化能，顯示無論是吸熱反應還是放熱反應都需要吸收能量才能形成。活化錯合物的生存時間非常短，以10-12秒(picoseconds)計，從前活化錯合物是無法偵測的，但是現在科學家已經找到方法，利用10-15秒(femtosecond)的脈衝雷射(pulsed laser)光來觀察活化錯合物。透過研究活化錯合物，可以了解反應機制(Mechanism)和反應能量變化。

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再論化學平衡與吉布斯自由能

2011/01/25
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再論化學平衡(Chemical Equilibrium)與吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)
臺北縣立三民高級中學化學科林秀蓁老師/國立臺灣大學陳藹然博士責任編輯

一個化學反應會不會自發(Spontaneous)進行，對科學家甚至普羅大眾而言是一件非常重要的事。根據熱力學第二定律(Second law of thermodynamics)，每一個自發性反應均伴隨著亂度的增加，即是 $$S_{universe}=S_{system}+S_{surrounding}>0$$。環境的亂度 $$(S_{surrounding})$$ 很難定量，維拉德吉布斯(J.W. Gibbs, 1839 – 1903)提出自由能(Free energy)的觀念，利用自由能來判斷反應是否具有自發性。

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