第三十一期 主編的話 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所教授 mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw         費曼在 1959年的美國物理學會中曾指出未來人類可能得隨心所欲地利用小尺度(small scale)材料來呈現嶄新的應用1。自1960年代開始，由日本學者久保良武開始從事金屬超微粒的特殊物理性質後2，相關研究如雨後春筍般的湧出，使得奈米科技成為21世紀的重要科技研究主題。臺灣在這一波新的產業革命中，並未缺席，先於2003-2007年推動第一期「奈米國家型科技計畫」，不僅在學術研究放面蓬勃發展成果輝煌，同時在專利創新方面也有豐碩的成果，受國際矚目與肯定。2009-2014年持續進行第二期計畫並以奈米前瞻研究、生醫農學應用、奈米電子與光電技術、能源與環境技術、核心設施建置與儀器設備研發，及奈米材料與傳統產業技術應用等領域為重點方向，配合環境、安全與健康議題、奈米人才培育、奈米標準及奈米標章與產業推動等，使奈米科技得以產業化。2011年更辦理<臺灣國際奈米週>3與國際各產業界進行交流與分享。在奈米人才培育上更是不遺餘力，陸續辦理跨領域專家學者培訓中小學教師逾千名核心種子教師與潛力種子教師八千多名，可謂盛況空前4。 猶記得多年前剛有「奈米」這名詞時，曾聽過一位科學家提到，有人曾經問他:「只聽過有三好米，沒聽過奈米。奈米是什麼?」。事隔多年，如今這名詞已深入我們的生活，奈米銀抗菌、二氧化鈦光觸媒、奈米遠紅外線科類促進血液循環、奈米碳管可做為電子元件、電視、服飾、運動用品等原件。那奈米究竟是什麼呢? 奈米(nanometer)是一種長度的單位，根據科學定義它是10-9公尺(十億分之一公尺)，但這樣的長度究竟是多長呢?nano在希臘文是侏儒的意思，顧名思義，這尺度一定很小，以頭髮為例，一根頭髮的直徑大約是30,000 ~ 50,000 奈米。這讓我想起費曼曾說過一段兒時與父親的對話，他問爸爸: 「恐龍有多高呢？」，爸爸回答：「如果恐龍現在站在我們家前院，牠的頭可以伸到二樓的窗戶。」與其死記恐龍實際的高度，還不如將抽象數字具體化。        本期專刊特別邀請嘉義大學應用化學系古國隆教授擔任專刊主編、連經憶助理教授擔任執行編輯，共收錄六篇文章，介紹與評析奈米在科研與生活上的應用，並對教學現場提出可資運用的教材與具體的建議，值得參考。除此專刊之外，這一期常態性文章多為實驗設計與應用，其中包括楊水平以發現學習為主的濃度與熱失控關係的實驗活動；張佑祥、楊捷、林冠廷、陳玠錡的利用雷射雕刻技術使不鏽鋼與鈦板變成色彩繽紛的畫布；張芫睿和佘瑞琳的導電塑膠聚苯胺的製備和測試；廖旭茂、林翊菲、陳淳煜利用簡易光電比色法來測定溴瑞香草酚藍的解離常數。此外，新知部分有吳嘉麗配合國際化學元素週期表年特展所撰寫的元素週期表背後的女科學家，以及活動報導部分有邱美虹的國際化學元素週期表年特展介紹，最後李瑞祥、邵紅能的化學天才的“發現”— 紀念元素週期表150周年。本期內容豐富，為<臺灣化學教育>邁入第六個年頭開啟新頁。 參考文獻 1.      https://nano.nstm.gov.tw/NanoConcept/NanoDevelopment/HistoryOfNano.htm 2.      https://nano.nstm.gov.tw/NanoConcept/NanoDevelopment/HistoryOfNano.htm 3.      https://www.most.gov.tw/most/attachments/153f659d-df5a-480c-9f27-16045080aa3d 4.      http://nano.narl.org.tw/intro/begin.aspx

奈米/團簇實驗課程設計與應用:金奈米粒子合成與感測教學實驗模組 曾彥達1、周禮君2 國立中正大學化學暨生物化學系 1tsengyentaozzy@gmail.com 2chelkc@ccu.edu.tw 前言 奈米的英文是nanometer，意思為一公尺的十億分之一，通常以 nm表示。貴金屬奈米粒子是原子團簇的表現，目前奈米材料的主要產業應用發展有以下五個方面： (1)奈米陶瓷材料，增加陶瓷材料的可加工性；(2)奈米電子材料，以高面積來實現快速信息採集與處理能力； (3)奈米光電材料，提升現有光電轉換效率的提升； (4)化工領域，高效率催化劑以降低消耗； (5)奈米生物醫學材料，如DNA簡單快速檢測、蛋白質檢測等。本文實驗中即利用金奈米粒子對環境變化的靈敏度製造出感測元件。 本實驗所合成之金奈米粒子溶液為一種水相的膠體溶液 (colloidal solution)。回顧到中學普通化學，其中將溶液分類為三種：真溶液、膠體溶液與懸浮液；真溶液，其溶質粒徑最小且遠小於光波波長，因此呈現透明，例如淡的鹽水、糖水；而懸浮液，其溶質粒徑大且相當於或大於光波波長，因此通常可以看到懸浮物，例如茶湯、泥水。而膠體溶液的溶質粒徑既不大，也不小，介於前述的兩種溶液之間，並且具備有廷得耳效應 (Tyndall effect)，使用雷射筆照射時，可以看到膠體微粒因光散射而形成光的「路徑」，例如豆漿或牛奶。         分辨三種溶液時，可以透過濾紙將其過濾：懸浮液顆粒大，透過濾紙即可將溶質自溶液中分離。而真溶液則無法透過濾紙將溶質分離。膠體溶液一般狀態下粒徑過小，無法利用濾紙將其分離。不過金屬奈米膠體粒子是帶有電荷的微小顆粒，透過電性斥力而維持團簇粒子間的分散，因此，當加入電解質，或是對其通電的時候，膠體粒子間的斥力消逝就會聚集(aggregation) 形成塊狀，之後聚集的溶質就可以被濾紙分離。在生活經驗中，這也就是為什麼豆漿加入鹽滷即可製成豆花或是豆腐。 貴金屬奈米膠體粒子其光學特性除了廷得耳效應之外，粒子之間也有布朗運動。溶質與溶劑之間的隨機碰撞使得微粒會在溶液中呈現不規則狀運動，當不規則的碰撞越明顯則表示粒子粒徑越大，因此可以透過布朗運動來粗略求得金奈米粒子的粒徑。本文實驗中也會使用動態光散射(dynamic light scattering) 來進行金奈米粒子大小的估算。下一階段將介紹金奈米粒子作為生醫檢測的原理與應用。 金屬奈米粒子的感測原理與用途介紹 當光波射向貴金屬奈米粒子時，由於光波是一種電磁波，光線朝某一個方向照射過去的時候，其光線方向會出現隨時間變換的電場，與金屬奈米粒子上的自由電子雲產生交互作用的。以平均13奈米直徑長的金奈米粒子為例，光波波長為 520 nm的光能誘導其金屬奈米粒子表面電漿子發生震盪。該過程，光能會被金屬表面頻率相合的電漿子吸收作為震盪能，且有環境感測功能，請見圖1。 圖1.左圖：圓球形金奈米粒子修飾在玻璃片上，置於不同折射率溶劑環境下的吸收光譜圖(吸收光譜隨折射率上升而有吸收度上升與波峰向長波長位移現象。)右圖：波峰波長與最大吸收度對折射率的關係圖。 從圖1可以看到，當光能與金奈米粒子之間產生光學的交互作用時，金奈米粒子對周圍的微環境折射率相當敏感，其環境折射率越高，則吸收度越高、波峰波長也越大。透過這樣的現象，可在金奈米粒子表面修飾抗體、適體或是具有專一性辨識用的生化分子作為捕捉用探針。當有該探針的對象分子經過時，探針會將之辨認，並且造成金奈米粒子表面微環境折射率的改變，進而達到具有專一性的生物感測效果。有關生物感測的結果可參見圖2。 本實驗以金奈米粒子修飾的玻璃片為例，光通過貴金屬奈米粒子的時候，利用觀察其吸收光譜，就可以看到金奈米粒子的吸收光譜。而利用不同濃度的蔗糖調整水溶液的折射率，來觀測不同折射率蔗糖水下的玻璃片吸收光譜，可以觀察到此金奈米粒子的感測光學靈敏特性。 圖2.吸收光譜圖： (A)玻璃片修飾上球形金奈米粒子；(B)將(A)步驟的奈米粒子再修飾上 biotin； (C)將(B)步驟的樣品置於streptavidin 溶液中(3.788 ×10-7M) 30分鐘，並清洗後再測試。 金奈米粒子合成        金奈米粒子的製備方法主要有物理方法與化學方法，根據生成的機制有將金屬原子以物理蒸氣沉積(physical vapor deposition, PVD)，雷射蝕刻 (laser ablation) 燒結出粒子，磁控管濺鍍法 (magnetron sputtering)；而化學方法主要有微乳液法(micelle)、電化學還原法、化學還原法，光照還原法等。本篇所使用的化學還原法為最廣泛的方法，透過還原劑將金屬離子還原成奈米粒子，並以保護劑維持金屬奈米粒子間的斥力避免聚集。 實驗器材： 1.   冷凝管 2.   球底雙頸瓶 3.   […]

奈米/團簇實驗課程設計與應用:從光合成三角形奈米銀到彩色奈米銀製備 蔡嘉峻、梁啟倫、黎偉杰、陳宏鈞、蔡睿憲、陳瑞彰、黃正良* 嘉義大學應用化學系 *clhuang@mail.ncyu.edu.tw   1.     引言 1.1 貴重金屬奈米粒子及表面電漿子共振介紹 當物質的大小縮小到奈米(10-9 m)等級時，是介於原子(或分子)與塊材(bulk material)之間的尺寸，物質的大小落在這個尺寸將產生不同於塊材以及原子的物理化學性質，產生許多可能的應用，因此引起各領域廣泛的興趣。其中，貴重金屬奈米粒子在最近十數年來吸引很多科學家的興趣，因為它們展現了與眾不同的物理及化學的性質，這些物理及化學的特性，使得其可以應用在催化、生物感測、資料儲存、光電元件以及表面增強拉曼光譜上。 金、銀等奈米粒子的諸多特殊性質中，以光學性質最吸引人，其在可見光區的消光係數(extinction coefficient; )非常的大，大約是109 M-1cm-1，而一般具有較強消光係數的染料分子大約在105 M-1cm-1這個數量級，因此，相較而言，貴重金屬奈米粒子的顯色能力可以比擬顏色鮮明的染料分子(這裡並沒有考慮原子數量，一個奈米粒子包含了數以萬計甚至百萬計的金屬原子)。另外，染料分子是藉由電子從電子基態(electronic ground state)躍遷到電子激發態(electronic excited state)的光吸收而顯色，當分子的電子躍遷至激發態，其化學活性會大增，可能進行光化學反應(photochemical reaction)，而漸漸失去原有吸收可見光的能力(因為吸收光的波長範圍已不在可見光區)，也就是光漂白，這就是大部分衣物曝曬在陽光底下容易褪色的原因。相較之下，貴重金屬奈米粒子與光的作用，當奈米粒子較大時，主要是以散射的方式進行，並不直接獲致激發光子的能量，而且即使奈米粒子吸收了光子的能量，也容易將電子能量轉移至晶體振動能量，也就是熱，因此減少其進行光化學反應的機會。所以，金屬奈米粒子，其顯色能力遠較於染劑長。另外，貴重金屬奈米粒子的毒性也較之染劑或其他三五族或二六族的量子點低，因此其生物相容性較佳，由於這些優點，貴重金屬奈米粒子漸漸的被廣泛的運用在生物體內的標示或顯色上。 貴重金屬奈米粒子之光學性質，來自其表面電漿子共振(surface plasmon resonance，SPR)，電漿子(plasmon)是電漿振盪(plasma oscillation)量子化(quantization)的結果，如同光子(photon)之於電磁波或者聲子(phonon)之於聲波。表面電漿子，源自於金屬表面自由電子在金屬與周遭介質間的振盪行為。在塊材形態下的金屬，其表面電漿子運動較無規律，故並不會與特定頻率的電磁波有相對較強的交互作用，也就是對於可見光區不同波長的光幾乎都一視同仁的反射或散射，所以肉眼看起來是銀白色；然而當金屬材料為奈米等級時，在量子侷限效應(Quantum confinement effect)下，電子會產生集體式、同調性的振盪，如圖1所示1。此集體同調的振盪模式會因為材質、大小、形狀以及周圍的介質而具有不同的振盪頻率。當振盪頻率與照射光線頻率相符時，也就是達到共振時，有最強的交互作用，因此稱為表面電漿子共振。當金屬大小為奈米等級時，其表面電漿子共振將會被侷限在微小金屬結構附近，無法在介面上傳播，因此這樣的表面電漿子共振通常被稱為局域性表面電漿子共振(Localized surface plasmon resonance，LSPR)。 圖1一個球型奈米粒子的電漿子振盪示意圖1。此示意圖顯示自由電子(群)的電荷雲對入射光產生相對於原子核(群)的偏移。 由於貴重金屬奈米粒子LSPR波長落在可見光區，因此可以呈現出諸多的顏色，這個現象，在很早之前就已經被發現了。例如，法拉第就已經做出各種不同顏色的金屬奈米粒子膠體溶液，甚至更早之前在許多的藝術品上呈現出諸多豐富的色彩，也是來自貴重金屬奈米粒子的顯色，例如圖22以及圖33。貴重金屬奈米粒子的顏色(就是其消光光譜)會受到粒子的材質、大小、形狀、表面電荷、周圍介質的折射率以及與其他粒子的距離或是聚集等幾個因素而有所變化。因此運用或改變局域性表面電漿子共振的性質，可應用到化學或生物分子的感測。 圖2奈米金已經被發現用於幾千年來人類所做的物品或藝術品中2。(A)公元前8世紀的鍍金象牙製品。 (B)公元4世紀的羅馬酒杯，此酒杯呈現雙色性，與我們所合成十面體奈米銀類似(如圖3所示)。(C)公元17世紀的茶壺，此茶壺使用了所謂的紫金粉的技術(‘Purple of Cassius’ technique)。(D)公元19世紀法拉第所合成的金膠體溶液塗在玻璃上。 圖3上四圖是公元4世紀的羅馬酒杯(Lycurgus Cup，與圖2B同)在不同的光源角度所呈現的照片(圖由wikipedia截圖所得)。下四圖是嘉義大學黃正良實驗室所做的十面體奈米銀膠體溶液的照片3。由圖可以看到，不同角度對應不同的顏色，當白色光源通過酒杯或奈米銀膠體溶液時，會呈現粉紅色或者紅色，當白色光源從側邊打在酒杯或者奈米銀膠體溶液時(照片中的背景為黑色，因此沒有光從背景180o進到眼睛，因此呈現綠色)，會呈現綠色。這個現象是由於粒子具有很好的散射能力所致。 一般來說，奈米粒子的形狀越接近球體，其電子所受到的阻抗越小，振盪頻率越高，所對應的電磁波波長越短，若是形狀越是有稜有角，其電子所受到的阻抗越大，因此振盪頻率越小，所對應的電磁波波長越長，如表一顯示各種型態的奈米銀之LSPR波峰、應用領域、合成方法4。 表一.各種型態的奈米銀之LSPR波峰、應用領域、合成方法以及文獻4 (註解:Ref#為該文章的所引用的文獻序號，不是本文的序號。Decahedron的部分，其波長應該介於350-600 nm，視其大小而定。這裡沒有列出二十面體(icosahedrons)，其LSPR落在350-450 nm)。 因此，如果我們可以簡單的調控貴重金屬奈米粒子的形狀，就可以簡單的調控金屬奈米粒子的顏色。與奈米金相比，銀奈米粒子的消光係數遠比奈米金以及其他奈米粒子要來得大。而且由於銀的氧化還原電位較低，較有機會透過型態轉換的方式達成形狀的控制。已經有很多型態的奈米銀被成功的合成出來，包含球形、十面體型、雙三角椎、正立方體型等，其中三角奈米銀因為合成簡單，常常不需要介面活性劑，或大型的高分子保護劑（光化學合成以及化學還原法合成常使用介面活性劑或大型的高分子保護劑），且具相對較長的消光波長，因此最受注意。 1.2 三角奈米銀及截角後的平板奈米銀的光譜性質 三角奈米銀具有數個可以用UV-vis光譜儀觀測的LSPR模式，除了兩個偶極振盪:出平面(out-of-plane)偶極振盪及在平面(in-plane)的模式，也可以觀測到兩個四極的振盪模式(quadrupole mode)，所以三角形奈米銀在消光光譜上有四根波峰5。     對於厚度約為16 nm，邊長為100 nm的完美三角形奈米銀，其波峰位在340 nm對應到出平面四極振盪模式(out-of-plane […]

奈米/團簇實驗課程設計與應用:《奈米黏土之合成製備：新型態的藥物載體》 廖婉廷1、徐碩彥2、莊宗原＊1 1中國醫藥大學藥用化妝品學系 2中國醫藥大學製藥碩士學位學程 *tyjuang@mail.cmu.edu.tw 1. 前言 許多有效的癌症藥物，具有副作用高與水溶性低等問題，而大多數疏水性抗癌藥物的生物利用度低，這些藥物需要藉由載體包覆改善其性質，以用於實際層面。近年來，無機奈米載體的發展，因為具有表面積大、藥物負載能力更好、生物利用度高、毒性副作用低，藥物釋放控制等優點，使它具有相當高的競爭力，於此文中我們將介紹一種陰離子黏土材料「層狀雙氫氧化合物（LDHs）」，其合成方法、實驗以及相關的應用。 2.原理與概念 A.什麼是LDHs 層狀雙氫氧化合物（Layered double hydroxides，LDHs）是一種類似水滑石的陰離子交換型層狀奈米材料，為具有前景的無機奈米載體之一，其主要結構是兩個以上的金屬離子所組成八面體配位氫氧化物層，稱為 hydrotalcite-like (類水滑石)，又稱為 brucite-like layers 結構(圖一)，位於層板上的二價金屬離子可在一定範圍內被三價金屬離子取代，使金屬氫氧層帶有正電荷，過剩的正電荷由陰離子吸附於層間達到電中性，並可於層間進行陰離子交換反應，其顆粒大小約50-100 nm，由於位於夾層區域的陰離子可以輕鬆更換，範圍從簡單的無機陰離子 (如：CO32-)通過有機陰離子（如苯甲酸酯、 丁二酸）到複雜的生物分子，包括藥物的分子甚至到 DNA皆能與正電荷夾層有相互作用，因而促使許多關於其層間嵌入的應用研究。 B.LDHs合成原理 LDHs之化學式通常表達為：[MII1-xM IIIx(OH)2]x+(An-)x/n•yH2O 其中MII為二價陽離子（例如：Mg2+、Zn2+、Ca2+），MIII是三價陽離子（例如：Al3+、Fe3+、Cr3+），An-是層間的陰離子（例如：Cl –、NO3–、CO32-） 不同的金屬離子MII和MIII與不同的填隙陰離子An-，所形成的層狀雙氫氧化物也不同，常見的層狀雙氫氧化物形式為鎂鋁雙氫氧化物和鋅鋁雙氫氧化物，而本實驗中我們則以共沈澱法合成出鎂鋁型的LDHs(圖二)。 圖1：LDHs的結構 LDHs有多種製備方法，包括共沉澱法、水熱合成法、離子交換法、鍛燒復原法、即時合成法、微波與輻射法、尿素法等，而共沉澱法是最常用以合成類水滑石化合物的方法，主要是將可溶性金屬離子溶液（如：硝酸鹽、硫酸鹽）與鹼溶液（如：氫氧化鉀、氨水、碳酸鉀）反應生成沈澱物，結晶後再經由過濾、洗滌、乾燥後製得，反應過程必須在過飽和狀態下進行。此合成方法的關鍵在於調節溶液的 pH 值，其是根據水滑石類化合物中低價金屬和高價金屬的氫氧化物的溶解度積常數確定的，鹼適當過量有利於更好的沉澱，但當鹼量太高時則容易得到其他相產物，且結晶度較差；當用鹼量太低時，則易形成一些無定性產物。另外，共沈澱法的特點是 (1)可在常溫常壓下進行；(2)幾乎所有的M2+、M3+都可以用此方法製備相應的LDHs，且產物中的M2+/M3+值和初始加入鹽的比例相同；(3)通過選擇不同種類的鹽可以得到層間不同陰離子的 LDHs。共沉澱法雖然可獲得品質較高的產物，但因製程繁瑣，不適合用於大量生產。 3. 實驗架構圖 圖2：LDHs實驗流程 4. 實驗藥品與器材 藥品： · 硝酸鎂，Mg(NO3)2·6H2O：1.367g(Mg2+/Al3+莫耳比2:1) · 硝酸鋁，Al(NO3)3·9H2O：1g · NaOH：10N 器材： 器材 數量、用量 器材 數量、用量 鋁箔紙 適量 支架 1座 […]

發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響：一個發現學習的化學實驗（中） 楊水平 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw 【承《發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響：一個發現學習的化學實驗（上）》】 n   實驗結果和討論 一、   溫度計校正和鹽酸真正濃度 利用實驗室提供的標準溫度計（放在示範桌上），校正你的溫度計，紀錄於表一中。 表一：溫度計校正 項目 數值 現在室溫（你的溫度計），℃ 26.2 現在室溫（標準溫度計），℃ 26.0 校正的溫度差（你的 ‒ 標準的），℃ 0.2 以密度比對體積莫耳濃度方式或以滴定方式，測定鹽酸的真正濃度，其真正濃度寫在藥瓶上，紀錄鹽酸配製的大約濃度（未被標定）和測定真正的濃度（被標定）於表二中。 表二：鹽酸配製的大約濃度和測定的真正濃度 鹽酸的濃度 濃度1 濃度2 濃度3 濃度4 濃度5 配製濃度（未被標定），M 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 真正濃度（被標定），M 3.59 3.99 4.69 5.43 5.75 二、   原始數據表、製作最佳趨勢曲線和畫出外推線、找出濃度與溫度的關係 (一)      紀錄原始數據表 表三：操作實驗所得的原始數據 (二)      畫出各濃度的最佳趨勢曲線、繪製各曲線的兩條外推線、並畫出初始速率（斜率）和反應溫度全程範圍 根據表三的原始數據，使用不同的符號（如圓形、圓圈、三角形、方形、星形及菱形等）或不同的顏色來表示各種不同濃度的數據點和趨勢線，畫出各濃度的最佳趨勢曲線。各曲線需要標示鹽酸的濃度，橫軸和縱軸需要標示自變因（溫度）和依變因（時間）及其單位。圖三是不同鹽酸濃度的溫度對時間作圖（有五條最佳趨勢曲線）；圖四-1~四-5是各鹽酸濃度的溫度對時間作圖並畫出各濃度的最佳趨勢曲線，繪製各濃度曲線的兩條外推線，畫出初始速率（斜率）和反應溫度全程範圍。 圖三：使用不同鹽酸濃度測得的溫度對時間作圖 圖四-1：鹽酸濃度（5.75 M）測得的溫度對時間作圖 根據圖四-1得知，鹽酸濃度為5.75 M得到最佳趨勢曲線的兩條外推線（水平線和切線）交叉於82 sec，上升5℃所需時間為18 […]

發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響： 一個發現學習的化學實驗（下） 楊水平 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw  【承《發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響：一個發現學習的化學實驗（中）》】 n   實驗結果和討論 三、   發現濃度對熱失控誘導期的影響 (一)      找出各鹽酸濃度的熱失控誘導期 利用在「簡介」中的熱失控誘導期作法，(1)在圖四-1~四-5中各濃度的最佳趨勢曲線上繪製兩條外推線（水平線和切線），找出趨近的直線（水平線）與溫度快速增加的初始部分（切線）之交叉點。(2)確定兩條外推直線交叉點的反應時間，這時間是誘導期的時間長度（以tip表示）。(3)整理處理的數據於表四中。 表四：不同鹽酸濃度和誘導期倒數的數據 [HCl], M 誘導期tip, sec 誘導期的倒數tip‒1, sec‒1 起始溫度, ℃ 5.75 82 0.01220 26.0 5.43 192 0.00521 26.0 4.69 317 0.00315 26.0 3.99 363 0.00275 26.5 3.59 432 0.00231 26.0 (二)      找出鹽酸最低反應濃度和有效反應濃度 利用表四的不同鹽酸濃度和誘導期倒數的數據，在畫出最佳趨勢線後，找出鹽酸最低反應濃度，以[HCl]0表示；並計算鹽酸有效反應濃度，以[HCl]effect表示；以及誘導期的速率定律常數。其繪製步驟為：(1) tip‒1對[HCl]作圖；(2)繪製最佳趨勢迴歸線並列出此迴歸線方程式；(3)確定線性迴歸線與tip‒1 = 0交叉點的鹽酸濃度值，並定義該值為反應最低鹽酸濃度，以[HCl]0表示；(4)定義有效鹽酸濃度，以[HCl]effect表示，其計算式為：[HCl]effect = [HCl] ‒ [HCl]0；以及(5)使用速率定律常數k，描述tip‒1與[HCl]effect之間的關係，並計算平均k值。圖五-1是鹽酸的濃度對誘導期的倒數作圖。   圖五-1：鹽酸的濃度對誘導期的倒數作圖（四個數據點且趨勢線為直線） 圖五-1的數據點只有四點，另有一個數據點（鹽酸濃度為5.75 […]

導電塑膠聚苯胺的製備和測試 張芫睿、佘瑞琳* 國立臺灣大學化學系*shirlin@ntu.edu.tw   n  前言 導電塑膠是一種新穎材料，有別於生活中一般作為絕緣體的塑膠，導電塑膠是一種能夠導電的高分子，它本身同時具有導體與塑膠此兩種南轅北轍的理化性質1。導電塑膠因材質輕和加工性佳而應用日廣，目前已發展出輕巧且適應性大的塑膠電池。導電塑膠又具有電致變色（electrochromism）特性，可在外加電場的作用下進行可逆的顏色與透明性變化。因此經過適當處理後可以製作成汽車的車窗玻璃，透過按壓一個按鈕，車窗由透明變成不透明，就能抵擋強烈照射的太陽光2。 本研究讓修習普通化學實驗的學生利用苯胺為單體，以化學氧化聚合和電化學氧化聚合二種方法合成導電塑膠聚苯胺。藉由量測聚苯胺的導電性和觀察聚苯胺之電致變色，瞭解這一新穎材料的製備方法與特性3-6。 n  原理與概念 目前已知作為導電塑膠的數種高分子如圖一所示。若分析這些高分子的結構，可歸納其主鏈（backbone）都具有共軛系統（conjugated system），此類高分子也稱為共軛高分子（conjugated polymer）。 圖一：常見的導電塑膠高分子結構 在化學中，共軛系統是連接的p軌域系統，在一分子中具有離域電子（delocalized electrons），這通常降低此分子的總能量並增加其穩定性。共軛系統通常表示為具有交替的單鍵和多鍵（雙鍵和三鍵）、孤對電子、自由基或碳正離子（carbenium ions）可以是系統的一部分，其可以是環狀、非環狀、線性或混合的。7此共軛系統是高分子能導電的第一要件。由於具共軛系統的高分子主鏈上有一連串原子的p軌域排列，而得以相互重疊，如圖二所示。連接的p軌域越多，使p軌域重疊的範圍增大，如此一來，當有自由電子在這條高分子主鏈上，在高分子的兩端施加電壓時，自由電子就能在這些區域順著電動勢（electromotive force）移動2。 圖二：共軛系統中各原子連接的p軌域 本實驗利用苯胺為單體，以過硫酸銨為氧化劑進行化學氧化聚合（見圖三）合成聚苯胺。另以電解法，將苯胺單體經電化學氧化聚合在導電玻璃上。藉由量測製備所得聚苯胺的電阻和串聯LED燈測試發光，驗證其導電性。本實驗同時觀察測試聚苯胺的電致變色之特性。   圖三：化學氧化聚合法製備聚苯胺 n  藥品、器材與材料 一、藥品 每組用量：0.4M苯胺鹽酸（C6H5NH2·HCl）溶液5mL、0.5 M過硫酸銨（(NH4)2S2O8）溶液5mL、0.5 M苯胺硫酸（C6H5NH2·1/2H2SO4）溶液7mL、95%酒精（C2H5OH）10mL、20%食鹽（NaCl）水溶液7mL、pH 2.5鹽酸水溶液20mL。 二、器材與材料 每組用量：直流電源供應器與鱷魚夾連接線1組、三用電表與鱷魚夾連接線1組、雙頭鱷魚夾連接線（10cm）1條、5mm透明帽LED燈1個、長條濾紙（2cm × 4 cm）1片、導電玻璃（2cm × 2 cm）1片、載玻片1片、導電用銅線2條、長尾夾2個、鑷子1支、50mL燒杯3個、30mL燒杯3個、計時器1個、直尺1支、膠帶10cm、吹風機1台。 三、藥品配製 l   0.4 M苯胺鹽酸溶液：秤取2.59 g（0.020 mol）苯胺鹽酸鹽（C6H5NH2·HCl，莫耳質量：129.59 g/mol），配製成50 mL水溶液。（注意：苯胺為毒性化合物，具刺激性，應戴乳膠手套操作）。 l   0.5 M過硫酸銨溶液：秤取5.70 g（0.025 mol）過硫酸銨（(NH4)2S2O8，莫耳質量：228.18 g/mol），配製成50 mL水溶液。 l   0.5 M苯胺硫酸溶液：秤取3.55 […]

元素週期表背後的女科學家 吳嘉麗 淡江大學化學系 榮譽教授 台灣女科技人學會 常務監事 亞太女科技人聯絡網 主席 (2018-2020) clwuster@gmail.com 今年2019年距離1869年門得列夫教授根據當時所發現元素的週期性，提出其雛型列表剛好150年，聯合國特訂2019年為國際元素週期表年(International Year of Periodic Table, IYPT)。至今列入週期表的元素已達118個，每一個元素的發現都有一個故事，都是一個團隊的接力或合作成果。很多科學家因此獲得諾貝爾獎或榮獲元素的命名，但是我們都知道，新發現的背後一定還有很多不為人知的科學工作者的貢獻，尤其是早年19世紀和20世紀初期的女性。本文參考Nature原文1及微文庫的翻譯2，選擇其中較不為人知的九位女科學家，同時參考維基百科等的介紹，略加入她們的生涯故事以與讀者分享。為了凸顯這些女科學家，在提及她們的貢獻時，本文選擇只引用她們的「名」；其他科學家則以「全名」翻譯，如為化學界熟識的，只譯其「姓氏」。 1.      茱莉亞·列蒙托娃(Julia Lermontova，1846-1919) —鉑族金屬元素分離過程的改進 門德列夫於1869年首次製作了當時已知元素週期表的雛型，俄羅斯化學家茱莉亞˙列蒙托娃可能是在門德列夫的要求下，對鉑族金屬（釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑）的分離過程進行改良。原子量和性質相近的元素非常難區分，必須先將它們分離，才可能將它們依序排入適當的位置。關於茱莉亞的工作貢獻，只有記載在門德列夫的檔案和他們的來往通信之中。 茱莉亞從小接受私人家庭教師的指導，她喜歡科學，除了閱讀專業文獻，也自己在家做實驗，父母並未阻止她。本來她在幾位教授的推薦下申請一間化學方面極有名的農業學院，卻未獲准入學。因此她決定到國外繼續學業，1869年得以進入德國海德堡大學，跟隨本生教授(Robert Bunsen)學習。在本生實驗室，她接受門德列夫的建議，進行了鉑族合金的分離。茱莉亞後來去哥廷根大學讀博士，1874年她成為德國歷史上第一位獲得化學博士的女性。茱莉亞終生未婚。3 2.    瑪格麗特·陶德（Margaret Todd，1859-1918）、司蒂芬妮·霍洛維茨（Stefanie Horovitz，1877-1942）—同位素名詞及鉛釷相關研究 英國化學家弗瑞錐克·索迪（Frederick Soddy）在1913年提出同位素這個概念，但是「同位素」這個名詞，最早卻是由瑪格麗特·陶德醫生在一次晚宴上提出。 1914年，波蘭猶太裔化學家司蒂芬妮·霍洛維茨在維也納鐳研究所工作期間，用實驗證明了同位素的存在。她證明即使像鉛這樣常見的元素，也可能具有不同的原子量，取決於它是從鈾還是釷的放射性衰變而來。 司蒂芬妮出生於波蘭，1890年全家搬至維也納，1914年她在維也納大學獲得有機化學博士。司蒂芬妮從富含鈾礦的瀝青樣品中分離出鉛，她證明從鈾的放射性衰變中所得到的鉛，比一般常見的鉛原子量輕，這個實驗證明元素的來源不同，原子量也可能不同。她和另一位科學家也發現了釷是第二個具有同位素的元素，這個釷的同位素原來被另一科學家誤認為是一個新的元素。 第一次世界大戰後，由於政治及家庭因素，司蒂芬妮中斷了專業研究，她和一位心理學家朋友成立了一個專收學習困難孩童的寄養之家。有傳說她後來回到華沙，1940年被納粹處死，也有消息說她1942年死在一個集中營。4 3.    哈麗特·布魯克斯（Harriet Brooks，1876-1933）—氡氣的發現 哈麗特·布魯克斯是加拿大的第一位女性核物理學家，她在核蛻變和放射性方面的研究非常有名，拉塞福（Ernest Rutherford）曾稱讚哈麗特的天賦可與居禮夫人相提並論。哈麗特在加拿大麥吉爾大學物理所還是研究生時，在拉塞福實驗室研究放射性和蛻變。當時大家正在探討元素鐳的放射物到底是甚麼?是顆粒嗎?還是氣體?1901年哈麗特和拉塞福提出鐳放射物的擴散像一種很重的氣體，這是證明放射性衰變過程可能產生新元素的第一個證據。1907年威廉·拉姆塞（William Ramsay）建議這個後來被命名為「氡」的氣體屬於氦族元素，也就是惰性氣體。 1902年，拉塞福和索迪(Soddy)宣佈了他們的放射性衰變理論：原子在發出放射線的同時自發地衰變成新的原子。拉塞福因其研究成果獲得了1908年的諾貝爾化學獎。哈麗特發現氡是第一步，也是非常重要的一步，但世人卻很少記得她。雖然第一篇論文是由哈麗特和拉塞福共同寫作的，但後來發表在《自然》上的另一篇論文就只有拉塞福的名字，僅僅註明哈麗特為拉塞福提供了協助。 哈麗特在麥吉爾大學還是大學生時，成績非常優秀，但是前二年因為她是女性而沒有資格接受獎學金。1901年，她是麥吉爾大學第一位獲得碩士學位的女性。1905年，哈麗特獲聘至紐約市伯納學院任教，次年她與哥倫比亞大學一位物理系的教授訂婚，學校的院長卻說哈麗特結婚時就必須離開學院。哈麗特堅持她有權利兼顧專業和婚姻，雖然物理系主任支持她，院長仍引用學校董事會的說法：已婚女人不可能是一位成功的學術人。哈麗特最後解除了婚約，選擇留下任教。1907年，她與麥吉爾大學一位物理系講師結婚，在蒙特婁定居。1933年，她因白血病過世，據說乃因過度暴露放射線的緣故。5 4.    妲玲·霍夫曼（Darleane Hoffman，1926-)—、鈽、鐨元素相關 妲玲·霍夫曼是加州大學柏克萊校區的化學教授，也是勞倫斯柏克萊國家實驗室核能科學部門的資深科學家。當年曾參與確認元素的存在，她證明原子序100的鐨-257同位素不只是在被中子撞擊以後會分裂，也會自發性的裂變。她還發現了自然界中存在原子序94的鈽-244，鈽是存在於自然界中原子序最高的一個元素。妲玲原在橡樹嶺(Oak Ridge)國家實驗室工作，婚後1953年轉至洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)實驗室，1979年擔任同位素及核化學部門的主管，是第一位擔任該國家實驗室科學部門的女性主管。1984年再轉至加州大學柏克萊校區帶領放射化學團隊的相關研究。1996年退休後仍參與研究指導及顧問諮詢。6 5.      棠·邵內西(Dawn Shaughnessy)–超重元素原子序113-118的發現 棠·邵內西是一位放射性化學家，2000年自加州大學柏克萊校區化學系獲得博士學位，她的論文指導老師正是前一位介紹的妲玲·霍夫曼。2002年進入勞倫斯·利弗莫爾(Lawrence Livermore)國家實驗室工作，在她帶領重元素群小組研究時，他們團隊協助鑑定了六個超重新元素（原子序113-118），其中原子序116的鉝(Lv)就是她給的命名，因為這些工作是他們在Livermore實驗室完成的。7 6.      一組西班牙女性團隊 (1920s-1930s)—氟元素對健康的影響 西班牙馬德里大學的一支年輕女性團隊，特別是卡門·布魯格·羅曼（Carmen […]