化學

太陽熱能（Solar Thermal Energy）
台東專校化學科鍾玉峰退休老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

太陽熱能 STE（Solar Thermal Energy）是利用太陽能作為熱能的一種科技。根據美國能量資訊局（USA Energy Information Administration）的標準，太陽熱能集熱器（Solar thermal collectors）分為低、中、高溫三種。低溫集熱器是一些平面面板，通常用來加熱游泳池；中溫集熱器也是些平面面板，用來加熱產生熱水給住家或商業用；高溫集熱器則是利用透鏡等聚光設備匯聚陽光，用來生產電力。不同於直接將陽光轉換成電流的光電池科技（PV），太陽熱能（STE）是利用太陽光的熱能或利用其熱能來間接發電。

在美國，加熱、通風與空調設備系統上所消耗的能源，約佔了商業用電的1/4，住家用電的一半。若利用太陽科技在加熱、冷卻與通風系統上，可補償這一部分的能量。在美國兩百萬平方公尺的太陽熱能集熱器中，有3/4是低溫集熱器，它們利用空氣或水做為傳熱介質。例如太陽能煙囪（Solar Chimney）是一種被動式的太陽能通風系統，它是由一種中空的吸熱物質（Thermal Mass）所構成，用來連接室內外的空氣。當太陽能煙囪受熱時，裡面空氣溫度升高，就形成一股上升氣流將室內空氣帶出室外，造成空氣流通現象，這種系統在羅馬時代就使用過，現在中東地區仍普遍使用。

丹麥的能源政策（Denmark’s Energy Policy）
台東專校化學科鍾玉峰退休老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

書本「世界又熱、又平、又擠」作者佛里曼（Thomas L. Friedman）提到人類大量排放二氧化碳，造成溫室效應，使地球變熱了；新興國家崛起，許多人學習美國人的生活，造成能源需求的激增，使世界變平了；近世紀人口的快速膨脹，世界變擠了。這三項問題同時發生，造成氣候變遷加速，能源供需失調，也可能造成地球動盪不安，危機重重。佛里曼是一位美籍猶太人，一位全球採訪的專欄作家，一位「綠色革命」的推動者。他語重心長的道出，美國的政治人物若不能兌現三項承諾：加速發展綠色能源、美國不再是石油輸入國、採取具體措施改善氣候暖化，則美國將難以立足於能源危機的世界。

地熱電力（Geothermal Electricity）
台東專校化學科鍾玉峰退休老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

地熱電力是指利用地熱加熱地下水變成蒸氣，以啟動渦輪機來產生的電力。其發電原理與火力發電相同，不同的是地熱發電不需要燃料與鍋爐，地熱本身是熱源，只需將蒸氣引進，就可達到發電的目的。

由於地熱流體溫度不夠高，因此地熱電廠的熱效率（thermal efficiency）較低。由熱力學定律得知，這樣的低溫會限制熱機（heat engine）在發電過程中抽取有用能量的效率。為了產生較多的能量，發電時需要溫度較高的地熱田與專門的熱循環（heat cycle）。現今發電技術主要有四種應用系統：地熱蒸汽發電系統、熾熱岩發電系統、雙迴圈發電系統與全流發電系統，茲分別介紹如下：

1. 地熱蒸汽發電系統：本系統分成「乾蒸氣（dry steam）式」與「閃化蒸氣（flash steam）式」發電兩種，前者是直接利用地熱乾蒸氣（150℃或超過）來轉動渦輪機發電，為最簡單及古老的方法。後者將高溫地熱水通入低壓槽使其閃化成蒸汽，再經蒸氣與熱水分離器除去熱水，由閃化蒸汽（180℃或超過）啟動渦輪機發電，這是目前最常運轉的發電形式。

酸鹼指示劑 (Acid-Base Indicators)
高雄市立新莊高級中學化學科歐惠郡老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

一般酸鹼指示劑的變色範圍及其在酸、鹼溶液中呈現的顏色，皆列於下表。在自製酸鹼指示劑一文中曾提到：指示劑變色範圍的 pH 值通常會介於 pKa±1之間，下表中亦呈現出部份指示劑的此種相關性：

酸鹼指示劑（Acid-Base Indicator）的變色原理
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

酸鹼指示劑無論對於判定物質的 pH值，或是應用於酸鹼滴定上，都扮演著重要的角色。早在十七世紀，人們就開始在各樣的研究上利用指示劑，然而卻遲至十九世紀末，科學家才開始對「為什麼酸鹼指示劑在不同的pH值之下會呈不同顏色？」這樣的問題有較深入地探討。最先對這現象提出解釋的，是德國化學家威廉•奧士華（Wilhelm Ostwald），後來經過漢茲許（A. Hantzsch）、科爾索夫（I. M. Kolthoff）以及史第格立茲（Julius Stiegliez, 1867-1937）等人的研究、修正與歸納後，提出現今我們所認同的酸鹼指示劑變色理論。

「決定指示劑變色的因素是什麼？」言簡意賅的說，就是「平衡」。一般常用的指示劑本身即是一種弱酸或弱鹼，所以置於溶液中，自然有微弱的解離現象產生，而能寫成如式一的平衡式。

酸鹼指示劑（Acid-Base Indicator）的發展歷史（二）
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

在波以耳發展「酸鹼指示劑」的工作之後（請參閱酸鹼指示劑（Acid-Base Indicator）的發展歷史（一）），隨著人們對「酸鹼指示劑」的認識更為廣泛，將之應用於學術、工業或生活的企圖心也越大。在以下的為文中，將回顧「酸鹼指示劑」作為滴定終點判定試劑及人工合成「酸鹼指示劑」的歷史。

作為酸鹼滴定的終點試劑（Endpoint Indicators）
早在波以耳發表酸鹼指示劑相關研究之前的幾年，就有文獻記載「酸鹼滴定的技術」。西元1658年，約翰•魯道夫•格勞勃爾（Johann. Rudolph. Glauber）曾這樣記載他進行過的實驗：「將碳酸鉀溶液（K₂CO₃, 原文以”liquore nitri fixi”描述）一滴一滴慢慢滴入硝酸溶液中，直到反應不再起泡為止。此時不論是硝酸或是碳酸鉀，都因彼此的消磨而不再存在。」格勞勃爾同時也是第一個提出鹽的組成「一部分由酸提供、另一部分由鹼提供」的科學家。1729年，吉歐佛里（C. L. Geoffroy）根據格勞勃爾的實驗，以碳酸鉀滴定不同濃度的醋酸，並由碳酸鉀所消耗的多寡，計算出醋酸的濃度，這也是利用酸鹼滴定法精確分析物質的第一篇記載。然而以上這兩筆記錄，皆以「直到反應不再冒泡」的現象，作為實驗結束的依據，那麼如果中和反應中所用的鹼並非碳酸鹽類，是不是就無法以「停止冒泡」作為反應終點？

酸鹼指示劑（Acid-Base Indicator）的發展歷史（一）
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

「指示劑」或「試紙」對現今的生活來說，是非常重要的，許多生理與生物上的檢測，都需要依賴「指示劑」或「試紙」來知道、分析結果。舉例來說，若要知道一杯溶液之酸鹼性，最簡便的方式便是使用「指示劑」或「酸鹼試紙」；除了酸鹼指示劑，血型的檢驗，也同樣透過加入適當的試劑，看其反應，來驗明結果。此外還有「葡萄糖試紙」，用以明白待檢液體中葡萄糖的含量、「驗孕試紙」等等。

然而人們如何開始知道使用「指示劑」呢？在以下的篇幅，我們要特別針對「酸鹼指示劑」，回溯其發展的過程，看看人們如何從大自然中學功課，進而累積成文明的智慧。