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【演講】「分享大師視野」講座：第六講 5月25日- 能源與永續文明線上影音

2012/06/01

辦理單位 | 朝陽科技大學、國立自然科學博物館
本季主題｜綠色能源
演講主題｜能源與永續文明
講者｜陳竹亭教授（國立臺灣大學科學教育發展中心主任）

【線上影音】http://knowledge.colife.org.tw/one_video/index.aspx?sid=641

【演講摘要】

為什麼世界上古今及各地的文明有不同的命運與發展?為什麼許多文明會從絢爛歸向滅亡?從個人的角度來看，人是鐵；飯是鋼，所有生物的存活都需要攝取食物。更嚴格的來說，是要攝取能量。自然環境中生態區塊的形成就是生命競爭能源的結果；社會環境中經濟文化的發展，也正是人類開發、競爭能源之所致。

生命固然是能量的表徵，宇宙從大霹靂而出，物質可說是「能」的「實體表象」。核能與化學能造就了不同的物質，我們的宇宙就形成了一個原子、分子的世界。太陽能歷經五十億年，孕育了大自然，生命才有機會在地球上生生不息。經過逾三十億年的生物演化，智人從一萬五千年前的冰河期勝出。人類經歷過冰河時期嚴酷的生存考驗，在距今約一萬年發展出了農業與牧業，終於創造了與其他生物截然有別的文明生活。
人類的生活從起初取之大自然，到現在繼而創造了獨特的生活方式。近兩百年間歐洲文明創造了近代科學。所引生的工業革命將人類帶入了人口劇增、與能源資源分配嚴重不均的時代。人類創造了生命與環境嶄新的互動模式，也造成了能源與環境危機嚴重威脅永續文明。人類是否終能創造出新能源，以浴火鳳凰的姿態走出困境呢?

本次演講陳竹亭教授將與來賓分享自身的學思歷程，並帶領演講者認識能源與文明發展的精彩故事。演講將透過化學家的眼光，帶領我們由生活週遭的環境與能源議題，進而一同深入探討人類永續文明發展的曙光。

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X-光繞射與布拉格定律

2011/12/23

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X-光繞射 (X-ray diffraction)與布拉格定律 (Bragg’s Law)
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

X-光繞射(X-ray diffraction)是最常見用來決定固體晶體結構的工具，簡稱為XRD（圖一）。繞射發生於當光束被一規則排列點或線的散射，散射後的同相光產生建設性干涉，相異相光產生破壞性干涉。如果使用單一波長的X-光來照射晶體，可以觀察到一特殊圖形(pattern)，呈現規則排列亮點（圖二）或亮暗線條交錯（圖三）。

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化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)

2011/11/22

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化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)
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

化學氣相沉積法，是一種化學上常用的合成過程，其目標是生產高效能且高純度的一些化學材料。例如像是人工鑽石的合成，以及半導體業上的薄膜合成，都是透過化學氣相沉積法來達到。而化學氣相沉積法製造鑽石的發現，有效地提升了鑽石的產量與應用性。

一個典型的化學氣相沉積法，是將我們所使用的基底(substrate)，暴露於欲合成之材料的前驅物蒸氣當中，常見的基底如矽、金屬或金屬化合物；當前驅物蒸氣接觸到基底，便可能會發生不同的變化，譬如沉積、分解等反應產生欲合成附著在基底上，當這些分子持續累積，便會得到我們所想要的材料。

例如像是在半導體產業上，我們將晶圓作為基底，暴露在不同的蒸氣下，可以得到矽、二氧化矽、氮化矽(Si₃N₄)，甚至是一些金屬的薄膜沉積。

我們使用矽烷蒸氣可以得到矽：

SiH₄ → Si + 2 H₂

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比爾定律(Beer’s Law)的限制

2011/11/18

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比爾定律(Beer’s Law)的限制
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

比爾定律，又稱作比爾──朗伯定律(Beer-Lambert Law)，是一個光學基礎定律。當光穿透樣品溶液時，光的吸收度(A)與吸收係數( )、光徑長(l)、濃度(c) 三者均呈正比：A=lc

然而，比爾定律並不適用各種狀況，只適用在某些前提與限制下：
1. 溶液必須是一個均質的溶液，不能存在不均勻的現象。
2. 溶液當中的分子彼此之間不互相作用，例如稀薄溶液。
3. 溶質分子不會因入射光的照射而進行反應。
4. 溶液必須是澄清的，也就是說不能產生散射現象。
5. 僅考慮光的吸收，忽略光的散射、反射等行為。
6. 光源使用單色的平行光。也就是每一束光是相同的波長，且通過相同長度的介質溶液，因為莫耳吸收係數會隨著波長而有所不同。

當測量條件不符合上述前提，以比爾定律計算出的結果就會出現大幅誤差。例如由於濃度的增加，而造成溶液當中組成成分的改變，使得吸光係數並非恆定。例如在水中鉻酸根離子與二鉻酸根離子遵守下列的平衡反應：

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比爾定律與吸收度

2011/11/18

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比爾定律 (Beer’s Law)與吸收度 (Absorbance)
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

比爾定律，又稱作比爾──朗伯定律(Beer-Lambert Law)，是一個光學基礎定律。當光穿透樣品溶液時，光的吸收度 \((A)\) 與吸收係數 \((\alpha)\)、光徑長 \((l)\)、濃度 \((c)\) 三者均呈正比：\(A=\alpha lc\)

其中 \(\alpha\) 為吸收係數(absorptivity，或稱 absorption coefficient)，亦可稱為消光係數(extinction coefficient, \(k\))。然而，若是在光徑長 \(b\) 使用了 cm 作為單位，並且濃度 \(c\) 使用 \(M\) 作為單位，吸收係數以 \(M^{-1}cm^{-1}\) 作為單位，那麼這時候的吸收係數，即可稱為莫耳吸收係數(molar absorptivity)，其符號以 \(\varepsilon\) 來代表。莫耳吸收係數 \(\varepsilon\) 的使用相當頻繁，以至於還比吸收係數 \(\alpha\) 來的常出現。因此，常見的比爾定律表示方法為：\(A=\varepsilon bc\)

此外，我們需要瞭解的另一個重要定義是光的吸收度(absorbance)。當一束光線照射到一樣品溶液時，部份的光線會被樣品溶液吸收，剩下的光線則穿透樣品溶液，即原本光入射線強度 \(I_0\)，穿透光線強度變為 \(I_1\)，此時光的穿透度 \(T\) (Transmittance)，即光穿透的比例為

圖一、比爾定律吸收光路徑的示意圖。(圖片來源： WIKIPEDIA–Beer–Lambert law)

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比爾定律的應用

2011/11/18

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比爾定律(Beer’s Law)的應用
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

比爾定律的應用，通常是針對已知莫耳吸收係數的溶液，透過測量光吸收度推算出溶液濃度。這種透過光學方法測量濃度的方法包含了比色法 (colorimetry)、光電比色法(photoelectric colorimetry)、分光光度法(spectrophotometry)等。

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石油的脫硫化(Desulfurization of Petroleum)

2011/11/11

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石油的脫硫化(Desulfurization of Petroleum)
國立臺灣大學化學系學士生陳佳翰/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

石油的脫硫化，是在天然氣、汽油、燃油或石化原料（例如：異丙苯）已分餾出之後、要加工或燃燒之前，將其中的含硫化合物去除之的前處理。

石油是由古生物動物遺骸，在高溫高壓下長時間轉化形成，而動物體組成多為蛋白質，故石油含硫量大，其重量百分比有0.5~6%。若未經處理而直接作為燃料使用，則會排放出大量酸性氣體，如二氧化硫等，造成酸雨危害環境。

圖一、含硫燃油的燃燒。

除造成酸雨危害之外，未經脫硫處理的石化原料，在後續的加工過程中易使催化劑失活、變質。例如以沸石(zeolite)裂解重油時，硫醇與硫醚會放出硫分子；硫分子會附著在沸石表面，阻擋反應物與催化劑接觸，造成沸石失活、裂解效率驟降。

圖二、含硫燃油的裂解。

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化學位移

2011/11/11

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化學位移 (Chemical Shift)
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

在核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)光譜當中，具有不同化學環境(Chemical environment)原子核由於遮蔽效應(Shielding effect)的關係，在磁場中有不同的共振頻率，此共振頻率的差異稱為化學位移(Chemical shift)。

核磁共振光譜的原理，是透過一些奇數個質子或是中子的原子核，它們會具有核自旋(Nuclear spin)，以及相對應的自旋角動量(Nuclear spin angular momentum)。而由於原子核帶有電荷，因此其自旋時便會產生磁矩，相當於一個小磁鐵。而當我們施加一個相當強大的磁場時，各個能階便會因為和磁場方向不同使得能階之間產生能階差。有了這樣的一個能階差，我們便可以預期當施加一個固定頻率的電磁波時，可以將原子核自較低的自旋能階激發至較高的能階；並且在回到較低能階時，同樣會得到一個電磁波。這一個能階差大致上會隨著所施加的磁場大小的提升而提升。（圖一）