化學技術與應用

螯合治療(Chelation therapy)
國立臺灣師範大學附屬高級中學生王彥澄/國立臺灣師範大學附屬高級中學化學科陳昭錦老師

螯合治療(chelation therapy)是指服用螯合劑來排除體內有毒重金屬的，在臨床毒物學(clinical toxicology)方面已有很長的應用歷史。就最普遍的排毒而言，如重金屬鉛、汞，或是砷等，有許多螯合劑可使用。例如：乙二胺四乙酸（Ethylenediaminetetraacetic acid）是一種由乙二胺和羧酸合成的無色可溶物質，通常簡稱為EDTA(圖一)， EDTA用於靜脈注射，可作為鉛中毒的解毒治療。2,3-二硫基丁二酸(圖二)，別名2,3-二硫基琥珀酸，一般簡稱二硫基丁二酸(Dimercaptosuccinic acid ，DMSA )，是一種有機硫化合物，常溫下為白色結晶狀粉末。因分子內含有兩個硫基(－SH)，所以它帶有硫基化合物特有的臭味。

二硫基丁二酸和它的鈉鹽都可以作為解毒劑，通過口服或注射治療孩童的鉛中毒。其他螯合劑，例如：2,3-二硫基丙磺酸( 2,3-dimercapto-1-propanesulfonic acid , DMPS) (圖三)以及硫辛酸( alpha lipoic acid , ALA)(圖四)都被應用在傳統及另類醫療方面。

歷史

將螯合劑應用在藥物上肇因於第一次世界大戰使用的化學武器，第一個被廣泛應用的螯合劑是有機二硫化物－二硫基丙醇(dimercaprol)(圖五)，別名抗路易氏劑(British anti-lewisite, BAL)。最早是由第二次世界大戰期間英國牛津的生化學家們研製出，當時是作為生化武器路易士劑的解毒劑，路易氏劑是氯乙烯氯砷的俗稱(圖六)。二硫基丙醇其解毒原理，是利用其分子中的硫基（-SH）上的硫原子可與路易氏劑上的砷形成很強的鍵結，形成可溶於水的化合物進入血液循環，藉由腎及肝臟的代謝作用將其從人體中排出。需注意的是，BAL有嚴重的副作用。

火藥 (Gunpowder)
臺北市立第一女子高級中學二年級郭笛萱

火藥的起源

在戰國時期時，有許多煉丹士在製作常生不老藥，他們認為將一些不會腐敗的物質製做成藥丸給人食用，人體可以吸取其不腐不壞的特質而達到長生不老，而這些藥丸的成分有黃金、白銀等礦石。晉代道士葛洪《抱樸子•仙藥篇》記載其用雄黃、硝石、豬大腸油和松脂煉丹藥。雄黃中有大量的硫，硝石是強氧化劑，豬大腸油和松脂中含有碳，而硫、硝、碳是火藥的基本成份，這就是最早的火藥。

火藥爆炸原理

火藥爆炸的過程是一種氧化還原反應。當火藥中的混合物被點火燃燒後，鞭炮內迅速發生氧化還原反應，放出大量的熱，且因為鞭炮內粒子運動速度加快，又受限於火藥被紙、布或皮包裹住，所以壓力大大增加，外殼無法支撐便發生爆炸，而氣體產生的壓力則推動空氣發出巨大聲響，其聲響可超過120分貝，會對人的聽力造成傷害。

量子點（Quantum Dots）
臺北市立第一女子高級中學二年級高廷瑋/臺北市立第一女子高級中學化學科許名智老師

量子點簡介

量子點是準零維的奈米材料，由少量的原子所構成。粗略地說，量子點三個維度的尺寸都在100奈米以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內部電子在各方向上的運動都受到侷限，所以量子侷限效應（quantum confinement effect）特別顯著。由於量子侷限效應會導致類似原子的不連續電子能階結構，因此量子點又被稱為「人造原子」（artificial atom）。

量子點定義

若要嚴格定義量子點，則必須由量子力學出發。電子具有粒子性與波動性，而電子的物質波特性取決於其費米波長。在一般塊材中，電子的波長遠小於塊材尺寸，因此量子侷限效應不顯著。如果將某一個維度的尺寸縮到小於一個波長，此時電子只能在另外兩個維度所構成的二維空間中自由運動，這樣的系統我們稱為量子井（quantum well）；如果我們再將另一個維度的尺寸縮到小於一個波長，則電子只能在一維方向上運動，我們稱為量子線（quantum wire）；當三個維度的尺寸都縮小到一個波長以下時，即成為量子點（quantum dot）。

超細保溫隔熱纖維與溫度調節纖維（PrimaLoft：Thermal Insulation Microfiber and Outlast：Temperature Regulating Fiber）
臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師

PrimaLoft：超細保溫隔熱纖維（Thermal Insulation Microfiber）

PrimaLoft是一種拒水性超柔軟的超細纖維，它質量輕，具有羽絨纖維般的柔軟和溫暖的觸感。這種纖維是美國Al-bany International公司受軍方委託而研發生產的，這種羽絨的替代品在潮濕後也能很快乾燥，並且在潮濕的情況下也可保溫，PrimaLoft在潮濕的狀態下仍保有96％的保暖效果。製作PrimaLoft的線紗是100％的聚酯類纖維或45％的聚酯類纖維與55％美麗諾羊毛（merino wool）混合而成。

它的設計概念來自於大自然中最保暖的羽絨。PrimaLoft是人類師法自然另一傑作，它模仿羽絨的組織結構，利用粗中空纖維當骨幹，並將細中空纖維合成纏繞在粗骨幹上面，產生如羽絨般的樹狀結構，由於它的中空纖維極細、極複雜，這樣的組織結構使整塊PrimaLoft中有著數量極多、且比水分子還小的氣室，這些氣室能保留住身體散發出的熱量，又有著高度的撥水性，因此具有防水保暖的功能。

相變化材料 (phase-change material (PCM))
臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師

相變化材料 (phase-change material (PCM)) 為一種具有高熔化熱的物質，它具有儲存或釋放大量能量的能力。它在特定的溫度時熔化或固化，藉由物質狀態的改變來吸收或釋放熱能。例如：以醋酸鈉為材質的暖暖包(Heating pad)，當醋酸鈉溶液結晶時，熱量就會釋出，使人感到暖和。

 特性與分類

相變化材料潛熱的儲存有：固相變固相、固相變液相、固相變氣相及液相變氣相等方式，然而只有固相變液相是有實際應用價值的。液相變氣相的改變，因其體積變化量太大，並產生高壓，而沒有實際應用價值。其它如固相變固相，也因反應慢且潛熱小，亦無應用價值。

相變化材料物質在吸收熱能的過程中，其溫度並沒有明顯的升高，但當其外在環境溫度降低時，相變化材料固化就能放出潛熱。可當相變化材料的物質種類繁多，其溫度範圍可從－5 ^oC一直到190 ^oC。在人類最感舒適的溫度20~30 ^oC範圍內，相變化材料的應用效果很令人滿意。相變化材料其單位體積的能量儲存量是一般傳統儲熱物質如：水、磚石 (masonry) 或岩石 (rock) 的5到14倍。

微型反應器（Microreactor）
國立臺灣師範大學化學系梁家榮博士班二年級

從十八、十九世紀以來，在實驗室裡進行的化學反應多是在圓底瓶、燒杯等器材中產生化學變化。直至今日，仍然是以這類的玻璃儀器設備，為實驗室中最常使用到的實驗器材。但是在近二十年來，發展出一種新的技術被稱之為微型反應器 。（microreactor）這樣的設備可以只利用非常少量的反應物與試劑，在小於一釐米的微型通道中以高速混合的方式注入，使熱傳（heat transfer）和質傳（mass transfer）都能有相當好的表現。微型反應器的通道通常為微米等級的寬度居多，反應時間也可以控制到微秒的時間。相較於在傳統的反應瓶中，可以更靠近分子等級的反應大小及時間，在進行模擬生物體環境中的化學反應時，能更精準的測量反應速率和時間。並且在這樣非常精密的系統中，仍然可以完成許多種不同功用的實驗，例如：同時或分段注入多種化學試劑進行反應、快速進行溶劑之間的交換、精準的改變各反應區段的高低溫度、縮短反應時間並在微秒等級的時間內淬熄（quench）終止反應。

圖一、玻璃製微型反應器