自由基(free radical)
自由基(free radical)
國立臺灣師範大學化學系碩士班二年郭修甫研究生
自由基（free radical），又稱做游離基，是一種半生期（half-life）非常短，形成後立即快速反應的反應中間體（intermediate），其成因大多是因為化合物分子在照射強光或加熱等條件下，共價鍵均勻性斷裂，而成為不具有成對電子的原子，也因為它有未成對的電子，所以他的反應性非常活躍而且極度不穩定，它必須從外部額外再取得一個電子，才能夠達到最穩定的狀態。
化學反應原理
反應式、化學反應式平衡、化學動力學、催化反應
烏龜再度打敗了兔子！─纖維素分解的關鍵因子
烏龜再度打敗了兔子！─纖維素分解的關鍵因子
國立臺灣大學生命科學系范姜文榮編譯/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群副教授責任編輯
編譯來源：やはりカメはウサギに勝る
分解速度如「烏龜」般的纖維素酶，由於吸附性較強且能不斷進行分解反應，反而比如「兔子」般反應快速的纖維素酶更適合去分解結晶性纖維素。
纖維素1是植物細胞壁的主要成分，是地球上現存最多的生物資源，因此世界各地許多研究者，正在研發將纖維素變換或製造成較易利用的酒精或有機酸。但纖維素具強鍵結的分子鏈，聚集成結晶構造，導致纖維素分解酵素-纖維素酶的分解效率低。
黴菌等絲狀真菌微生物，在自然界中以樹木或雜草為營養源，擔任分解者的角色。這些微生物能製造具有管狀構造的纖維素酶，它的特殊構造對分解結晶性纖維素相當重要。黴菌纖維素酶的管狀構造較其它絲狀真菌的纖維素酶為長，因此，兩者之纖維素酶的性質相異。但纖維素酶分解纖維素的反應，因為不溶性的結晶性纖維素與水溶性的產物形成固體與液體二相共存的「不均勻系」，實際反應作用分子與不反應分子同時混合在反應系統內，所以過去所使用的分解活性測定法，難以評估酵素分子的性質。
因此日本東京大學農學生命研究所與金沢大學的共同團隊，使用「高速原子力顯微鏡3」觀測各個酵素在分子層次上的運動模式。並研究黴菌Trichodarma reesei 所製造的纖維素酶TrCel7A、以及另一種真菌Phanerochaete chrysosporium 所製造的兩種纖維素酶 PcCel7C與 PcCel7D，藉由比較這3種酵素的分解反應速率和連續分解反應的次數，以解析影響結晶性纖維素分解的重要因子。
追求不再貴重的催化之路
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。
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。
金催化反應（Gold Catalyzed Reactions）（I）
金催化反應（Gold Catalyzed Reactions）（I）
國立臺灣師範大學化學系梁家榮博士班二年級
黃金是人類史上相當早就發現的金屬之一，西元前 2500 年前在埃及的雕刻上，就可以發現類似開採或冶煉的圖像。一般認為黃金是惰性的、極不易被氧化且不具催化活性的。由於黃金在地殼中的豐度約為 $$5\times 10^{-7}\%$$，屬於貴重金屬，故其價格也非常昂貴。尤其在近年黃金的市場價格大幅上漲，在過去幾千年的歷史中，僅僅用於做為貨幣或飾品的功用居多1。後來發現金具有良好的延展性且為抗腐蝕良導體的性質，才開始在電子產品上有更多應用。
黃金與大多數化學試劑不發生反應，但是可以溶於王水中，並可以再進一步製備而得到金(I)和金(III)試劑。近年來發現金(I)和金(III)離子在勻相催化（ homogeneous catalysis）中對帶有炔基（alkyl group）的化合物具有催化活性之後，過去十幾年間世界各地的化學實驗室競相報導關於金催化的研究，掀起一波新的掏金熱潮。
金催化反應（Gold Catalyzed Reactions）（II）
金催化反應（Gold Catalyzed Reactions）（II）
國立臺灣師範大學化學系梁家榮博士班二年級
請參考連結：「金催化反應（Gold Catalyzed Reactions）（I）」
金離子相對於銀離子具有更多一層軌域可以提供配位（coordinate），以帶有炔基的反應物為例（如圖一）1，金催化的反應機制（mechanism）首先是先由富含有 $$\pi$$ 電子的炔基提供電子配位到金(I)離子上。而圖中銀試劑的功用是先與鹵素反應生成難溶鹽類的沈澱物氯化銀，此時催化劑屬於 $$sp$$ 混成軌域，結構為直線型的金(I)離子就能空出一個可配位的空間，成為缺電子的路易士酸能與炔基進行反應。
配位錯合物(Coordination Complex) （II）
配位錯合物(Coordination Complex) （II）
國立臺灣師範大學附屬中學二年級1322班楊易蓁/國立臺灣師範大學附屬高級中學化學科陳昭錦老師
配位錯合物的化學反應
配位錯合物的化學反應主要有氧化還原反應及配位基取代兩大類：
1.氧化還原反應：
配位錯合物中的氧化還原反應可歸納為內圈(inner sphere)及外圈(outer sphere)電子轉移兩種機制。內圈電子轉移的機制是由1983年諾貝爾化學獎得主亨利陶比(Henry Taub)提出的，比較方程式 $$(1)$$ 及 $$(2)$$：
$$\begin{multline*}\mathrm{ [Co(NH_3)_6]^{3+}+ [Cr(H_2O)_6]^{2+}}\\ \rightarrow \mathrm{[Co(NH_3)_5(H_2O)]^{2+}+[Cr(H_2O)_6]^{3+}}\end{multline*}~~~(1)$$
$$\begin{multline*} \mathrm{ [CoCl(NH_3)_5]^{2+}+ [Cr(H_2O)_6]^{2+}}\\ \rightarrow \mathrm{[Co(NH_3)_5(H_2O)]^{2+}+[CrCl(H_2O)_5]^{2+}}\end{multline*}~~~(2)$$
在方程式 $$(1)$$ 中，$$\mathrm{[Co(NH_3)_6]^{3+}}$$ 的中心原子 $$\mathrm{Co}$$ 由 $$+3$$ 變為 $$+2$$，$$\mathrm{[Cr(H_2O)_6]^{2+}}$$ 的中心原子 $$\mathrm{Cr}$$ 由 $$+2$$ 變為 $$+3$$。而在方程式 $$(2)$$ 中當 $$\mathrm{Co}$$ 的其中一個配位基改為 $$\mathrm{Cl^-}$$ 時，當發生電子轉移時，$$\mathrm{Cl^-}$$ 也從原本與氧化劑中的 $$\mathrm{Co^{2+}}$$ 配位變成與還原劑中的 $$\mathrm{Cr^{3+}}$$ 配位。此外，方程式 $$(2)$$ 的反應速率也比 $$(1)$$ 快很多。
光變色性物質（Photochromic Materials）
光變色性物質（Photochromic Materials）
臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師
光變色性（photochromism）是某些種類的化學物質受到電磁波（光線）的照射而變化成另一種物質，其反應為可逆反應且兩物質的顏色不同。這個現象最早是在1880年代由Markwald 研究2,3,4,4-tetrachloronaphthalen-1(4H)-one的顏色改變所發現，當時他稱此現象為” phototropy”。直到1950年代Hirshberg才正式提出光變色性（photochromism）這個專有名詞。光變色性的現象可以在有機、無機物質甚至在生物系統中發生，如視網膜（retinal）產生視覺的過程。
光致變色物質的應用（Applications of Photochromic Materials）
光致變色物質的應用（Applications of Photochromic Materials）
國立臺灣師範大學附屬高級中學化學科陳昭錦老師
光致變色材料會隨照光強烈程度造成顏色深淺變化，進而自動調節對光熱源的遮蔽能力，可以有效遮蔽太陽光及熱能。在照光互變的過程中，不只是吸收光譜會產生變化，物質的一些物理及化學的特性也會跟著改變，如：折射率、介電常數、氧化還原電位、幾何構型皆會發生變化。我們可以利用這些分子特性的改變，發展不同的光學材料，如：太陽能電池染料、光學記憶性染料或光學開關。光致變色材料之應用極為廣泛，例如：變色鏡片、雷射光攝影術(holography)及三度空間資訊儲存設備(three-dimensional memory information storage devices)等。
永久性染髮劑（Permanent hair color）
永久性染髮劑（Permanent hair color）
臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師
永久性染髮劑可分成三種：氧化性染髮劑、植物性染髮劑與金屬染髮劑。永久性染髮劑是目前最普遍使用的染髮劑，染上之後就不會褪色，但是新生出的頭髮，仍是原來的髮色，其優點是可以在原有的髮色上，染上色澤深又濃的新顏色。染髮時，需混合顯色敷用劑（Developer） 及染色劑，滲入皮質層，淡化頭髮天然色素，染上人工色素，效果持久。永久性的染髮劑主要分成兩劑，要在染髮之前才混合兩種劑型，且立刻塗抹於頭髮上，否則過久之後會失效。第一劑是含氨水成份的染色劑，其作用是使頭髮鱗狀表層脹開，這樣過氧化氫和染色劑就可以很容易地穿過表層而與髮桿的蛋白質接觸而而起化學作用；第二劑是含6%過氧化氫水溶液，通常作成乳霜狀，過氧化氫先氧化了髮桿蛋白質，可把髮色漂白，然後染色劑和氧再反應形成新的髮色，其他的成份可以幫助染料滲透至髮幹的內部，讓染料氧化之後，結構不易改變，更穩定不易褪色。此外有些染髮劑通常會再添加一些潤髮、護髮的成份，使頭髮不易受損。
永久性染髮劑的染髮原理
最常使用的永久性染髮劑是用氧化性染料，其成份過去是使用1,4-二胺基苯（1,4-diaminobenzene）或俗稱對苯二胺（p-phenylene diamine）即PPD
其染髮的機制如下：
第一步為將對苯二胺氧化成苯醌二亞胺（quinonediimine） (C6H4(NH)2)。
第二步驟為苯醌二亞胺與偶合劑作用，在有機化學上稱此為苯的親電子取代反應（electrophilic aromatic substitution）。
第三步驟為苯醌二亞胺的偶合體氧化成最終髮色，最後的染料分子比前驅物分子為大，使其能緊密結合在頭髮上。
最新的染髮劑則使用2,5-二胺基甲苯（2,5-diaminotoluene），其毒性較小。
氯鹼工業(Chlor-alkali industry)
氯鹼工業(Chlor-alkali industry)
國立臺灣師範大學化學系大學部四年級陳昱勝
氯鹼工業(Chlor-alkali industry)顧名思義就是製備鹼與氯的方法。自從工業革命以後，酸與鹼在工業上的用途日益增大，由於化學工業發展的結果，酸與鹼更是化學工業的大宗。
在常溫下，氯氣是一種黃綠色、刺激性氣味、有毒的氣體，溶於水可生成鹽酸與次氯酸，並可進而製備過氯酸、氯酸、亞氯酸，皆為重要的工業原料。
氯氣得發現早在1774年由科學家卡爾•威廉•席勒(Carl Wilhelm Scheele)在實驗室裡利用鹽酸加上二氧化錳產生黃色氣體-氯氣。
HCl + MnO2 → MnCl2 + 2 H2O + Cl2