化學

不需要水的冷凝器

2014/01/27
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不需要水的冷凝器
國立臺灣大學化學系林宇軒/國立臺灣大學科學教育發展中心陳藹然責任編輯

編譯來源：New Condensers Cool Solvent Without Flowing Water

你知道在有機化學實驗室裡，每天都要用掉幾百公升的水嗎？一切的罪魁禍首就是那支用來冷卻溶劑蒸氣的冷凝管！最近有兩群化學家在《ACS永續化學與工程》期刊上(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)，發表了他們改良的新型冷凝管，完全不費一滴水就能達到冷卻的效果。

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圖一、Vigreux冷凝管（出自維基百科）

阿斯特捷利康公司(AstraZeneca)資深研究員Dave Perkins表示，傳統的冷凝管每分鐘消耗1~4公升的水，長期下來用水量非常可觀。雖然市面上已有不用流動冷水冷卻的冷凝管可用，如：Sigma-Aldrich公司的 Airflux和氣冷式Vigreux冷凝管（圖一），但卻都只適用於冷凝沸點高於60ºC的溶劑，因此Perkins的團隊決定從這裡下手改良。

Vigreux冷凝管一般用於分餾，以空氣為冷卻劑，玻璃管內有許多朝下的玻璃突起狀，增加冷卻表面積。 Perkins的團隊在Vigreux冷凝管外包上一層2.1公分的厚的鋁鞘，並在鋁製外衣和冷凝管的夾層注水（圖二），使冷凝管有更好的冷卻效果，適用沸點更低的溶劑。

實際測試的結果，500 mL的二氯甲烷液體在高於沸點20°C的溫度（60°C）的開放系統下進行迴流16小時，使用傳統Vigreux冷凝管裡的二氯甲烷液體一點都不剩，但是改良的冷凝管還保留了一半的二氯甲烷液體。其他的實測結果也都顯示改良式冷凝管比Airflux和傳統Vigreux冷凝管冷卻效率都要好很多。

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離子液體(ionic liquid)（二）

2014/01/17
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離子液體(ionic liquid)（二）
國立臺灣師範大學附屬中學二年級1306班蔡威任/國立臺灣師範大學附屬中學化學科陳昭錦老師

連結：離子液體(ionic liquid)（一）

離子液體的特性

離子液體的導電度相較於很差的導體而言算是中等，不游離(non-ionizing)，黏滯性高，蒸氣壓通常很低。其他的性質則較具歧異性，多半可燃性低、熱安定性優異、液態存在的溫度範圍廣、在許多極性或非極性的化合物有令人滿意的溶解特性。

在許多類型的化學反應中，例如： Diels-Alder 反應及 Friedel-Crafts 反應，離子液體可作為溶劑。近來的研究中，離子液體也當作生物催化反應中的溶劑。離子液體與水或其他有機溶劑的互溶性隨陽離子的支鏈長度及陰離子種類而變化。它們可扮演酸、鹼或是配位基的角色，也可在製備穩定的碳烯(carbenes)時當作前驅物(precursor salts)。

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離子液體(ionic liquid)（一）

2014/01/17
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離子液體(ionic liquid)（一）
國立臺灣師範大學附屬中學二年級1306班蔡威任/國立臺灣師範大學附屬中學化學科陳昭錦老師

離子液體(IL)為一種液態的鹽類，在 1970 年代電化學教科書中探討的離子液體，其範圍從鹼金族的矽酸鹽及鹵化物到四級銨鹽都有，現今離子液體主要是指熔點低於 $$100^\circ C$$ 的鹽類物質，以便與過去所稱的高溫熔融態離子化合物做區隔。

常溫常壓下的液態物質如水或汽油等，是由分子化合物組成，而離子液體則是由離子或短暫存在(short-lived）的離子對所構成。因此離子液體有許多不同的稱呼，如：液體電解質(liquid electrolytes)、離子性熔融物(ionic melts)、離子性流體(ionic fluids)、融合鹽(fused salts)、液態鹽(liquid salts)或離子玻璃(ionic glasses)等。

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不鏽鋼與不鏽鋼皂（Stainless Steel and Stainless Steel Soap）

2014/01/06
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不鏽鋼與不鏽鋼皂（Stainless Steel and Stainless Steel Soap）
臺北市立第一女子高級中學二年級郭乃榕

現代人生活與金屬材料習習相關，而不鏽鋼在日常生活中即扮演著重要的角色，如化學工業、飛機零件、醫療器具、餐具及刀具等皆隨時可見，尤其臺灣位處鹽份高、濕氣重的環境，更助長不銹鋼材料的大量使用。

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不鏽鋼皂與皂盒。圖片來源：維基百科

不銹鋼(Stainless steel)為鐵、鉻、鎳的合金。若含鉻成份至少12%以上稱作不銹鋼，低於12% 者稱為耐蝕鋼(corrosin resistance steel)。鋼中添加鉻的原因為當空氣與不鏽鋼接觸時將於表面生成氧化鉻薄層，其緻密、不透氣、可防止氣體或液體向內滲透，以達到抗腐蝕的效果。但日常生活中為什還是見得到不鏽鋼生鏽呢？當不銹鋼表面存積著含有其他金屬元素的粉塵或異類金屬顆粒的附著物，在潮濕的空氣中，附著物與不銹鋼間的冷凝水，將二者連成一個微電池，引發了電化學反應，保護膜受到破壞，稱之謂電化學腐蝕。因此，不鏽鋼生鏽絕大多數都屬於電化學腐蝕。

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生質酒精燃料 （biomass alcohol fuels）

2014/01/03
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生質酒精燃料 （biomass alcohol fuels）
臺北市立第一女子高級中學二年級高偉家

在這個工業進步的時代，除了國際經濟依賴石油之外，燃燒石油所產生的溫室氣體也使環境加速汙染，因此，生質能源的使用愈發顯得重要。生質酒精也可稱為生物乙醇，是一種利用微生物將生質(biomass)中醣分發酵的酒精，分子式CH3CH2OH，雖與石化原料產生的乙醇相同，但原料的不同就造成了碳排放量的差異，生質一般為植物光合作用產生的含碳化合物，通常製造生質酒精的原料以甘蔗、玉米為主，其他也有大、小麥、燕麥、稻米、甜菜、高粱、木薯等，甚至於廢棄物如舊報紙、木屑等。

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追求不再貴重的催化之路

2014/01/02
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追求不再貴重的催化 (catalysis)之路
國立臺灣大學化學系名譽教授蔡蘊明

現代人類的生活和文明離不開化學，化學品的製造經常隨伴著副產物的產生，這些副產物若不謹慎處理，容易造成環境的污染。從效率的角度來看，產生無用而需廢棄的副產物，是一種浪費。以現在愈來愈受注重的綠色化學(註1)概念來看，我們需要發展更有效率的化學製程，其中催化劑的發展是一個重要的方向；催化劑可以降低化學反應的活化能，使得反應加速，因此能在較為溫和的條件下進行反應，明顯的具有節能的效果。催化劑扮演的是協助的角色，本身並不會成為產物的一部分；透過一個循環的機制，催化劑在每一次的循環結束時，會重新產生，進行下一輪的催化循環，因此並不需要使用許多的催化劑。在工業上，好的催化劑用量最好能在0.01當量以下，愈少愈好，若是超過0.05當量，將不會是很理想的催化劑。

催化劑簡介

催化劑基本上分為兩種：異相催化與勻相催化。前者是使用的催化劑與反應溶液不互溶，催化的反應發生在催化劑與溶液的介面，因此催化劑的表面積愈大效果愈好。常見的異相催化劑，例如食品工業中，將不飽和脂肪酸的碳-碳雙鍵飽和化時，使用氫氣為還原劑，但需要鈀(Pd)、鉑(Pt)或銠(Rh)等金屬做為催化劑。這些金屬不溶於反應使用的有機溶劑，屬於異相催化劑。為了充份將金屬的表面攤開以提高效率，細微的金屬顆粒是靠著吸附的方式附著在各種固相的擔體上面，常用的擔體是木炭(charcoal)的粉末。異相催化的好處是去除容易，透過簡單的過濾即可，需要的話可以回收再使用，符合綠色化學的精神；但壞處是表面積的多寡與顆粒的大小和均勻度有關，不易控制。反應發生在兩相介面，攪拌的效率很重要，因此反應的時間必須視實際進行狀況來判定。不同的擔體會影響金屬的表面結構(註2)，進而影響反應活性和選擇性，不同的金屬化學反應性也不同。

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圖1 銠(Rh)金屬是碳-碳雙鍵氫化常用的異相催化金屬，將三氯化銠與過量的三苯磷反應可得到著名的威爾金森催化劑(Wilkinson catalyst)，此催化劑可以溶解於許多的有機溶劑中。

勻相催化的系統中，催化劑是可溶於反應溶劑中的，因此反應是發生在均勻的單相中，反應的速率易於掌控，但是去除催化劑以及回收不易。許多的勻相催化劑乃以金屬為催化的核心，那麼要如何讓金屬溶於有機溶劑呢？操控溶解度是利用金屬的配位能力，使用有機化合物做為配位基(ligand)，與金屬生成的配位化合物(coordination compound)，被稱為有機金屬化合物(organometallic compound)，可以溶於有機溶劑 (圖1)。這些有機金屬的催化劑另一項最重要的優點，在於有機配位基的結構可以改變，進而影響金屬催化的活性以及選擇性，這就給予了化學家很大的空間去發展符合他們需求的催化劑。

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聚乙烯醇 ─ 膠水的成分

2013/12/26
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聚乙烯醇 (Polyvinyl Alcohol, PVA) ─膠水的成分
臺北市立第一女子高級中學二年級吳奕萱

黏著劑

黏著劑也稱膠黏劑、黏合劑，為 1742 年美國人亨利‧庫特博士（Dr. Harry Coover）發明。其用途為將兩個物體黏在一起，且根據所要黏合材料的特性（主要是表面特性，如粗糙度），使用不同的黏著劑。黏合劑最初是稀釋的樹脂（本身具有黏性），後隨著化學工業的進步，有人工製造的膠水成份：PVA、水、防腐劑。

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單一元素準晶的突破性進展

2013/12/17
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單一元素準晶的突破性進展
國立臺灣大學科學教育發展中心陳藹然博士

日本中央大學新聞2013年12月3日訊

還記得2011年諾貝爾化學獎的得獎研究嗎？以色列化學家丹尼‧謝西曼 (Daniel Shechtman)以準晶體（quasicrystal）的發現，改變了世人對晶體的傳統定義，原來只要原子遵守某種規律排列形成的固體就是晶體，不論是不是有週期性的重複。但是在謝西曼教授的研究中，以合金、高分子或奈米粒子為主，並沒有觀察到單一元素構成的準晶。

準晶和一般晶體不同之處在於，準晶具有5邊形或10邊形的原子排列結構，其結構排列內含黃金比例與費式數列，顯現出另一種「沒有重複的規律性」的美。此外，由於準晶結構的特殊性，加上准晶內化學組成的複雜性，晶體穩定度和特殊物質性質等，依舊迷霧重重。因此，科學家希望回到最簡單的狀態，如果能得到由單一元素組成的準晶，也許就能更加清楚瞭解準晶。

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(圖片來源：維基百科)

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同位素發現百年紀念

2013/12/13
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同位素發現百年紀念
國立臺灣大學科學教育發展中心特約編譯郭冠廷

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REFLECTION
Soddy in his lab at the University of Glasgow.
Credit: University of Glasgow Archive Services, GB0248 UP1/503/1

Frederick Soddy在一百年前的這個月發現：元素可以有幾種原子量。

1913年的12月4日，輻射化學家Frederick Soddy（弗雷德里克·索迪，1877年9月2日－1956年9月22日）提出「同位素」的概念。而Soddy也因此獲得1921年諾貝爾獎的殊榮。

一位早熟的少年

Soddy出生在1877年9月2日英國的Eastbourne，他是一位早熟的少年。在18個月大時，就面臨母親的去世，由信仰加爾文傳統（Calvinist tradition）[1]的堂妹扶養長大，也因此培養出索迪獨立於當代社會與宗教的獨立性思考模式。Soddy曾在Eastbourne學院、Aberystwyth學院Wales分院、Merton學院、Oxford大學就讀。而後於1898到1900之間，在Oxford大學進行獨立研究。

放射性蛻變的發現

1900年Soddy在McGill大學時，成為一名化學界的示威者。與英國物理學家Rutherford共同研究物質的放射性。而在當時，對放射性的瞭解可說是少之又少，而Soddy與Rutherford就已經意識到，放射性的存在，是肇因於元素的衰變。元素衰變時會釋放α-, β-, and γ-radiation。Soddy用化學方法來辨別出衰變的產物。並於1900到1902年之間的時8個月當中，Soddy和Rutherford共同出版了九篇歷史性的文章，文章當中提出了：原子分裂後可以產新的物質。而這正是古代煉金術師們的夢想，因此Soddy稱這個過程為煉金用語中的「蛻變（transmutation）」。

Rutherford和Soddy的放射性理論，解釋了蛻變的發生。他們是首位計算出放射性蛻變的過程中，會伴隨大量能量釋放過程的學者。可惜的是，Soddy因為被誤認為僅是Rutherford底下的年輕助手，而非工作伙伴。因而在這項發現當中，Rutherford獲得大部分的榮耀，而Soddy也因此與1908年的諾貝爾化學講擦身而過。

兩位學者共同提出放射線的存在，並從Uranium-92和Thorium-90出發。這兩個元素的最終產物都是Lead-82。因此兩位學者主張，Helium應該是Radium-88的衰變產物。

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