[書評] 都是李莉雅

因為際會下看到的繪本，作者曾經遭逢親密關係中的暴力，她將自身遭遇的痛苦以漫畫的方式記錄下來，一方面撫慰自己走出傷痛，也讓其他身處其中的人如果能看到這樣的漫畫而能覺醒，意識到自己可能也正經歷相同的處境。

簡評：一本不厚的繪本，點出了與恐怖情人交往時會遇到的可能情況，甚至生病後可能會遇到的種種經歷。

[書評] 世界上最透明的故事

這本書剛上市時我就看到許多作家朋友極力推薦這本書，而其書名但凡用到「最」字就讓人不經想一探究竟何以用最高級來表達自身。

簡評：以推理故事來劇情稍嫌平淡，但作者巧思的詭計卻非常有意思。看到最後的讀者肯定可以理解為何這是一本無法電子化的書！

[書評] 超渡莊子

會購買此書主要是基於覺得作者周偉航的敘事風格非常有趣，而這本書又整好介紹中國古典哲學中的莊子，正好匯集了我對文學與哲學的興趣，所以對此書產生了濃厚興趣。

簡評：作者以密室逃脫的方式布置本書的主題，而解謎的線索均出自《莊子》一書，算是蠻耳目一新的寫作形式。

[書評] 狙擊手操作法

這應該是我在修數量財務學分學程時的一本參考讀物，雖然很多年前就讀完後覺得很有收穫，今日再翻仍覺受益良多。

簡評：作者擁有豐富的交易經驗，總結它約莫 30 年的經驗萃取成本書，並強調了幾項重要心法與他熟用的交易原則。

[書評] 心理學：日常生活中的應用

這似乎是很久很久以前我當時對心理學挺感興趣時買的一本書，不過這幾個月開始才有比較完整的時間進行閱讀。這本書的副標題雖然號稱日常生活中的應用，但作為一本學術味充足的教科書而言還是有點難以落地，不過以擴充心理學的基礎認識而言已經相當完整。

簡評：原書作者已經相當系統地介紹心理學門，而編譯者則透過適當的例子轉譯而讓台灣人更容易貼近。

[書評] 微分方程的穩定性理論

這本書十之八九是很多年前我在曉園出版社中買的一本罕見小書，這樣的書在台灣可以說是罕見書籍，由水牛出版社翻譯後推出。儘管不厚但卻深入地介紹了一階與二階的微分方程穩定性理論以及相關的漸近分析結果。

簡評：這是一本很有趣的小冊子，系統性的介紹了關於微分方程式或微分方程組的性質的分析方法。

[書評] 蜜蜂與遠雷

這是大概兩三四五六年前，在 Instagram 上看到朋友推薦的書，所以就立馬訂了，結果沒想到是一本超厚的小說，這樣放就放了好多年。在今年年初的時候下定決心要開始來讀，雖然沒有到欲罷不能，但還算蠻有趣的（越後面越有趣？）。是一本描述音樂比賽的小說，這本書寫得厚實在有其原因，作者對於整個比賽的各個環節，無論是各個選手、評審、場地人員、甚至相關的親朋好友的各種思考或者看待事情的方式都有描寫，也因此不得不這麼厚，但也透過作者詳細的闡述，這些人物也都相當立體。

簡評：非常推薦給喜歡音樂的朋友們。

[書評] 偏微分方程教程

這大概是一本難度介於學士班到碩士班難度的教科書，內容完整詳盡且大多配有適量的習題與計算題。

簡評：兼顧理論證明與計算實例的教科書，不深入著墨過度複雜的分析技巧，適合初學偏微分方程的讀者。

[書評] 做自己與別人生命中的天使

這是因為服替代役期間出任管理幹部時，役政司要求要進行管理幹部訓練的替代役需要閱讀本書後寫心得報告才會有機會接觸這樣的書籍。

簡評：看起來很雞湯也確實很雞湯，但把握本書其中的精神或多或少也可勉勵自己成為一名更棒的人吧？

[高瞻自然科學教育資源平台] 酸鹼度計(pH Meter)

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

精確的氫離子濃度或所謂的 pH 值，必須用酸鹼度計，即 pH 儀(pH meter)進行測量。pH 儀的基本設備共分三個部份：參考電極(reference electrode)、薄膜指示電極(membrane indicator electrode)又名離子選擇電極及內電阻甚高的電位測定裝置(potential measuring device)。

因為無法測量絕對電位，而只能測量兩電位間的「差」值，所以需要用已知固定電位的半反應當作參考電極，來測量其它反應的相對電位值。標準氫電極是利用氫的還原半反應作電位的標準，但是它使用時必須維持一大氣壓的氫氣壓力、1 M 的氫離子濃度，而且氫氣又有易燃的危險性，使用與攜帶都不太便利，故多半改用甘汞電極(calomel electrode)或銀－氯化銀電極(silver /silver chloride electrode)代替。

甘汞電極的主體為長度 5 ~ 15 cm、直徑 0.5 ~ 1 cm 之玻璃管或塑膠管，內管裝有汞與甘汞，即氯化亞汞的糊狀物，外管盛裝氯化鉀溶液；內外管以小開口連通，外管底部封有多孔瓷片，和待測液連接。電極的電位會隨著氯化鉀溶液的濃度而改變，而飽和溶液最容易配製，故最常使用飽和氯化鉀溶液狀態下的甘汞電極，作為標準電極。

飽和甘汞電極（實際指氯化鉀達飽和）於 25℃ 時的電極電位約為 0.244 V。 它的半反應方程式為： 銀－氯化銀電極則是在銀線表面鍍上氯化銀，並浸入飽和氯化鉀的溶液中而得，25℃ 下對應於標準氫電極的電位約為 0.197 V，其構造與甘汞電極相差不大。 半反應方程式為： 薄膜指示電極依使用材質的不同，可以成為測量各種離子濃度的離子選擇電極。其中玻璃電極(glass electrode)是最適合測量氫離子濃度的薄膜指示電極；其本體為厚玻璃管，底端球狀的感測部位由對氫離子靈敏的特殊玻璃薄膜做成，球內灌入含飽和氯化銀的 0.1 M鹽酸溶液，銀線則插入溶液中，形成玻璃電極內部的銀－氯化銀參考電極。

使用時，將兩電極接上電位測定裝置的兩端，一起浸入待測液中，組合為電池。玻璃薄膜裡含有二價與三價的金屬離子，它們和矽酸鹽的結合非常緊密，故不能移動；但一價陽離子，如 Na⁺，所受的束縛較弱，故得以與待測液中之 H⁺ 互換。帶電離子 Na⁺ 與 H⁺ 的移動會形成電流，經由電位測定裝置測得其電壓，並藉由公式分析數據，即可顯示出待測液的 pH 值。亦即玻璃薄膜兩界面間氫離子濃度的差異，與該電池的電位大小相關。

以上的酸鹼度計，不受氧化劑、還原劑、蛋白質或氣體的干擾，即使在黏性稍大的溶液中，仍可操作；新式設計還把參考電極與玻璃電極合為一體，改良版的玻璃電極甚至可以吞入胃部以測量胃酸。就誤差而言，溶液pH＞9時，因為玻璃電極對氫離子與正一價陽離子均有感應，故易得到較低的讀數；於溶液 pH<0.5 時，誤差則會導致讀數偏高。使用時要避免電極脫水，以防止薄膜對 pH 的靈敏度降低；測量接近中性且缺乏緩衝能力的溶液時，耐心等待至平衡達成，使讀數穩定，亦可減少一些誤差。

就應用來說，改變薄膜的玻璃組成成份，即可測量其他一價陽離子的濃度；利用指示電極的電位測定，以 pH 值對加入試劑的體積作圖，則可得到中和反應的當量點，可用來計算弱酸和弱鹼的解離常數或解離度。 酸鹼度計中使用的電極，其示意圖如下：

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參考資料

1. 闕山仲、方嘉德、徐照程、陳秀珍編譯 (1993)，分析化學，藝軒出版社。
2. 田福助編著 (1991)，電化學理論與應用，新科技書局。
3. 賀孝雍、陶雨台譯著 (1989)，分析化學基本原理，曉園出版社。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 不一樣的化學課－「會變魔術的奇妙杯子」(magic cups)

國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

【想一想】到底是什麼原因，讓這些杯子裡的液體，發生如此奇妙的顏色變化？

「化學」對於許多高中學生而言，是門既深奧又難以理解的學科；其中的化學符號、化學反應式，更讓人充滿了無盡的恐懼感！傳統的教學方式，是以知識灌輸為主，教師賣力的口述與板書，學生認真的聽講與紀錄，但師生之間似乎總是無法產生太多的共鳴！目前最新的教學策略「問題導向專題式教學(problem-based learning, PBL)」，強調觀察、探究、思考、應用等能力的訓練與運用，但是對教師而言，此種開放式的教學歷程，如果不能在實施過程中確實掌握每個環節，可能會使教學活動失焦，造成熱鬧有餘卻深度不足的結果；尤其自然學科的相關理論，錯綜複雜，更讓教師們有所疑慮而裹足不前。此外，PBL 課程在實施過程中，也讓人擔憂，會不會因為過於「開放」而在最後無法「收斂」？

基於此考量，「會變魔術的奇妙杯子」課程設計，決定由趣味中引起動機，利用杯子中溶液顏色的連續變化，觸動學生的好奇感，願意進一步作更深入的探究；並以：我也會設計「會變魔術的奇妙杯子」，為最後的教學目標，前後呼應。為了完成此目標，課程必須藉由幾種方式進行：

1. 教師講解相關概念，充實學生基本知識。
2. 學生進行簡單實驗操作，觀察、研判，進而探討思考各結果間的異同。
3. 將相關心得歸納整合，並配合教師作業，提出解決問題的方法。
4. 利用所提供的試藥進行實作，驗證自己思考結果的正確性。
5. 公開進行演示與講解，提高自我溝通表達的能力。

此課程所涉及的相關化學理論，包含酸鹼指示劑(acid-base indicator)的變色原理、酸鹼中和反應(acid-base neutralization)、氧化還原反應(reduction-oxidation reactions)，在化學學科的學習領域中，均是非常重要的單元。學生在設計「會變魔術的奇妙杯子」實驗時，必需確實融會貫通相關概念，才能舉一反三。課程實施的過程中，並沒有太多強記的要求，但學生在潛移默化下，卻早已將相關理論熟記在心，同時也發掘出自我對化學的喜愛！

本套課程合計有七份教案，共需實施 8 小時，教案內容包含完整的學生上課講義、教師手冊、或教師授課指引，以提供教師在教學過程中，充分掌握每個環節。但教師在實施過程中，仍然可以根據學生程度、授課時間等因素，就其內容再另行調整。

「問題導向專題式教學」的策略，跳脫往常的教學模式，對於教師而言，必需投注更多的心力才能有良好的教學成效，說句實話，真的很辛苦！但是，當設計的課程引起學生的學習興趣與潛能時，付出的一切也就都有其價值。筆者在教學時，曾多次進行此課程，學生不僅興趣盎然而且創意無限，這應該就是身為人師最大的滿足與喜悅了吧！

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[高瞻自然科學教育資源平台] 約翰‧道耳頓(John Dalton)

高雄市立高雄高級中學陳文靜老師

道耳頓出生於貴格會的家庭，是一個織布工的兒子。自幼聰穎過人，十五歲時，就和哥哥約拿單(Jonathan)一同管理一所坎得爾(Kendal)附近的貴格派信徒學校。1790 年時，道耳頓曾考慮唸法律或醫學，但是他的親戚並不鼓勵他去，因為當時英國大學排斥非英國國教的教徒到他們的大學任教，所以他仍留在坎得爾。直到 1793 年的春天，道耳頓搬到曼徹斯特，擔任新學院(New College)的數學和自然哲學教師。他是透過一位盲眼哲學家約翰高夫(John Gough)的推薦才到曼徹斯特這所清教徒學院任教的。高夫很博學，曾和道耳頓在山上架了一個天氣觀測站，非正式地教了道耳頓一些科學知識。道耳頓在曼徹斯特的學校教到 1800 年，學院財政惡化，才不得不辭去他的教職，開始在曼徹斯特做數學和自然哲學的私人教師。

道耳頓早期深受鷹田鎮(Eaglesfield)一位傑出的貴格派信徒魯賓遜(Elihu Robinson)的影響，魯賓遜是一位能幹的氣象學家和儀器製造者，啟發了道耳頓對數學和氣象學的興趣。在坎得爾期間，道耳頓在「紳士仕女日誌」(Gentlemen’s and Ladies’ Diaries)的刊物上曾就各種主題提供問題和解答。他從 1787 年起開始寫氣象日誌，持續 57 年之久，從未間斷。他一生共作了超過二十萬次的氣象觀測，最後一次的氣象紀錄是在他過世前一天做的。

道耳頓的第一件出版是 1793 年的「氣象觀測雜記」，書中已經有他後來重要發現的雛型想法。然而他的創見，當時並未引起其他學者的注意。道耳頓在 1801 年出版的第二本書是英國文法基要(Elements of English Grammar)。

在 1794 年，道耳頓到曼徹斯特後不久，就被選為曼徹斯特文學暨哲學學會，簡稱「文哲會」(Lit & Phil)的會員。幾週後，他發表了第一篇快訊論文「關於顏色視覺的異常現象」。他假設對顏色的視覺缺陷是由眼球液體媒介的色變所引起的。當時，視覺顏色缺陷的問題尚未受到正視，道耳頓以其自身的經驗為例，做了詳盡而有條不紊的研究，雖然其理論未獲認同，但是「道耳頓症」(Daltonism)已成為色盲的代名詞。1995年，他遺留保存的眼珠經過檢驗，道耳頓實際上屬於較不尋常的色盲，他缺少辨識中波長的錐體細胞，而不是感光細胞突變引起的尋常類型色盲。 除了藍色和紫色以外他只能辨識黃色，他在論文內敘述，「紅色影像對我而言，就像陰影或有瑕疵的光。對我而言，橙色、黃色和綠色，似乎是一種從亮黃到淡黃的顏色，或許，我該把它稱做不同濃淡色度的黃色。」

1800 年他擔任曼徹斯特文哲會的書記，隨後一年，他以「實驗論文」為題，口頭發表了一系列的重要論文，論及混合氣體的組成；在真空和空氣中的水蒸氣壓力或其他蒸氣在不同溫度的壓力；蒸發；氣體的熱膨脹等。1802 年，這四篇論文發表於文哲會的會刊。

在第二篇論文的起頭有這樣的敘述：「毋庸致疑，任何能壓縮膨脹的流體(elastic fluids)都可以被壓縮成液體，在低溫下施壓於未混合的氣體就可以萬無一失的做到。」在第四篇論文中，他說：「我們有足夠的理由推斷：同壓時彈性流體受熱會膨脹；且溫度越高時，和水銀的膨脹相比，空氣幾乎成比例地膨脹。這意味著，固定的熱量對彈性流體的影響比其他物質來得更明顯。」他闡述了給呂薩克定律及查理定律，1802 年由給呂薩克(Gay Lussac)發表。其後的兩、三年中發表的論文包括了有名的氣體分壓定律，現在又稱為道耳頓定律。

道耳頓最重要的研究當屬化學的原子理論(Atomic Theory)，原子論與道耳頓的名字已是密不可分。但是道耳頓究竟是如何蘊育出這個改變人類歷史的念頭呢。

湯姆生(Thomas Thomson)記述道耳頓的書中似乎認為道耳頓對原子的想法是來自對他人就乙烯或甲烷研究的結果，或是源自對一氧化二氮和二氧化氮的分析。不過根據在文哲會找到的道耳頓的實驗室筆記看來，道耳頓認為物質是由基本單位組成的純物理概念，應該是源於他自己提出的倍比定律(Law of multiple proportions)，這也正是驅使他探究大氣和其他氣體物理性質的原因。道耳頓在 1803 年 10 月 21 日發表對氣體吸收的論文時，已經提到他這個劃時代的想法。他在 1805 年發表的論文中說：「為什麼不認為水就像是巨集的氣體呢？我曾充分考慮這個問題，雖然我對自己被說服的狀況尚不全然滿意，問題取決於氣體都有具重量與數目的終極粒子。」

道耳頓之後的許多研究都集中在決定原子的原子量上。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 天然矽酸鹽(Silicate)

高雄市立高雄女中化學科洪瑞和老師責任編輯

自然界存在的各種天然矽酸鹽礦物約占地殼質量的 95%，最重要的天然矽酸鹽是鋁矽酸鹽。矽酸鹽礦的複雜性在陰離子，陰離子的基本結構單元跟 SiO>sub>2 一樣是矽氧四面體。

矽氧四面體通過以下幾種方式組成了各種不同的矽酸根陰離子：

1. 單個的矽氧四面體，形成正矽酸鹽，矽氧為為 1：4，如橄欖石 Mg₂SiO₄。
2. 兩個矽氧四面體共用一個端頂氧原子，矽氧比為 2：7，例如鈧釔石Sc₂Si₂O₇。
3. 有限個矽氧四面體通過共用兩個端頂氧原子而形成的環狀結構，矽氧比為 1：3，例如藍錐石 BaTiSi₃O₉、綠柱石 Be₃Si₆O₁₈。
4. 無限個矽氧四面體通過共用兩個端頂氧原子而形成的單鏈狀結構(此類矽酸鹽具有纖維狀結構)，矽氧比例為 1：3，例如輝石CaMg(SiO₃)₂。
5. 如果上述的單鏈結構中，部分矽氧四面體通過第二個端頂原子與另一個單鏈中的部分矽氧四面體共用，則形成雙鏈狀結構，矽氧比為 4：11；例如角閃石石棉 Ca₂(HO)₂Mg₅(Si₄O₁₁)₂、纖維蛇紋石 chrysotile, Mg₃Si₂O₅(OH)₄, Mg₆(OH)₆Si₄O₁₁∙H₂O。
6. 每個矽氧四面體共用三個端頂氧原子時，形成片層狀結構，矽氧比為 2：5，例如滑石 talc, Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂、白雲母 muscovite, KAl₂(AlSi₃O₁₀(OH)₂, Mg₃(Si₄O₁₀)(OH)₂。
7. 每個矽氧四面體彼此共用四個端頂氧原子時，形成三維骨架狀結構，矽氧比為 1：2，在矽氧四面體中如果有鋁原子代替了矽原子，則這樣的礦物就是鋁矽酸鹽，例如正長石 KAlSi₃O₈、鈉沸石 Na₂(Al₂Si₃O₁₀)∙2H₂O、黏土 Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O等，都是鋁矽酸鹽。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 二氧化矽(Silicon dioxide)的性質

高雄市立高雄女中化學科洪瑞和老師責任編輯

二氧化矽：自然界存在的二氧化矽稱為矽石，約佔地殼總質量的 21%。二氧化矽分為晶態和無定形態兩大類。晶態的二氧化矽主要存在於石英礦中，常以石英、鱗石英(tridymite)和方石英(cristobalite)三種變體形式出現。某些石英礦有特殊的名稱，如大而透明的石英晶體叫水晶；紫水晶、瑪瑙和碧玉都是含雜質的有色晶體。砂子也是混有雜質的石英細粒。矽藻土和蛋白石則是無定型二氧化矽礦石，它們都是含不定量結晶水的二氧化矽 SiO₂∙nH₂O。SiO₂ 通過 Si-O 鍵形成三維網格的原子晶體。

在此晶體中，每個 Si 原子採取 sp³ 混成，以 4 個共價鍵與 4 個氧原子結合形成 SiO₄ 四面體，而許多四面體又以端點的氧原子相連而成一立體結構，即每個氧原子為兩個四面體所共用。因此，整體來看，二氧化矽的簡式為 SiO₂，但不像 CO₂ 為分子式。SiO₂ 的結構與性質與 CO₂ 不同。在常溫常壓下，SiO₂ 為固體，屬共價網狀固體，且 Si-O 的鍵能很高，所以石英的硬度大，熔點高。CO₂ 則為氣體，為分子狀態。二氧化矽的化學性質： 二氧化矽的化學性質不活潑，在高溫下不能被 H₂ 還原，只能被碳、鎂或鋁還原：SiO₂+2C→Si+2CO (3000℃)；SiO₂+2Mg → Si+2MgO，除 F₂、HF 外，SiO₂ 不與其他鹵素的酸類作用。SiO₂ 遇 HF 氣體或溶液，將生成 SiF₄ 或易溶於水的氟矽酸：SiO₂+4HF_(g) → SiF₄+2H₂O 或 SiO₂ + 6HF_(aq) → H₂SiF₆ + 2H₂O，二氧化矽為酸性氧化物，它能溶於熱的強鹼溶液，或溶於熔融的碳酸鈉中，生成可溶性的矽酸鹽：SiO₂ +2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O SiO₂+Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂ ，玻璃的主要成份是 SiO₂，所以玻璃能被鹼腐蝕。

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請參閱二氧化矽的用途

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[高瞻自然科學教育資源平台] 二氧化矽(Silicon dioxide)的用途

高雄市立高雄女中化學科洪瑞和老師責任編輯

二氧化矽的用途：石英在 1900K 時熔化成黏稠液體，冷卻時內部結構為 SiO₄ 四面體雜亂排列，結構呈無定形，冷卻時因黏度大不易再結晶，變成過冷 液體，稱為石英玻璃，熱膨脹係數很小，可以耐受溫度劇變，用以製造耐高溫的器具。石英還可以拉成絲，具有很高的強度與彈性，是製作光學纖維的原料。水晶可用作鏡片或光學儀器，瑪瑙和碧玉可以做裝飾寶石。矽藻土為多孔性物質，可以做工業用吸附劑和保溫、隔音材料。

矽酸鹽：矽酸鹽是由多種多樣的矽酸根離子與各種金屬離子結合而成的一大類矽的含氧酸鹽。矽酸鹽可分為可溶性和不可溶性兩大類，天然存在的矽酸鹽都是不可溶性的。矽酸鈉就是最常見的可溶性矽酸鹽。

矽酸鈉可由石英砂(SiO₂)與氫氧化鈉或碳酸鈉來製備；工業上製備矽酸鈉的方法是將不同比例的 Na₂CO₃ 與SiO₂ 混合後放於反射爐中煅燒（約 1600K），可以得到組成不同的多種矽酸鹽，最簡單的一種是偏矽酸鈉 Na₂SiO₃。煅燒後的產物是一種玻璃態物質，常因含有鐵鹽雜質而呈藍綠色。它溶於水成黏稠溶液，俗稱水玻璃，化學組成為 Na₂O∙nSiO₂。水玻璃在建築上用作黏合劑、木材、織物經水玻璃浸泡後可以防腐、防火。由於矽酸鈉水解使溶液呈強鹼性，因此水玻璃還可用作洗滌劑的添加物。2Na₂SiO₃ + H₂O → Na₂SiO₃ + 2NaOH。

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請參閱二氧化矽的性質

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[高瞻自然科學教育資源平台] 定比定律(Law of definite proportions)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

在化學上，定比定律，是指化合物不論其來源，其組成元素間質量比恆為定值。換句話說,它就是定組成定律。舉例來說，在任何的水樣本中氧佔了純淨水質量的 8/9，而氫佔了水質量的 1/9。 定比定律與倍比定律同為化學計量的基礎。定比定律和酸鹼當量定律、倍比定律是近代化學的三大基本定律，因這三個定律的發現而讓化學成為一門科學，在化學史上有很重要的意義。

歷史 自 17 世紀末以來，人類在一系列化學實驗中，對各類型的反應進行定量研究，並逐步意識到反應物與產物之間有確定的比例關係，每種化合物都有確定的組成。到18世紀末，定比定律的基本概念就已被大多數化學家所承認，並加以利用。

而法國化學家約瑟夫普勞斯特在 1797 到 1804 年首次進行了多次廣泛、精密及系統實驗之間的觀察，使這一定律確立在嚴謹科學實驗的基礎上。所以,化學家公認普勞斯特是定比定律的發現者。1799 年，普勞斯特明確指出：「兩種或兩種以上的元素化合成某一種化合物時，其重量之比是天然的，人力不能增減。」1860 年，比利時傑出的分析化學家斯達(J.S. Stas)做了一系列更精密實驗，進一步確證了普勞斯特的學說。至此，定比定律才得以完全確立。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 電解質溶液(Electrolyte Solution)中的電化學(Electrochemistry)

高雄女中化學科陳文靜老師

當電極安置在電解溶液有電壓產生時，電解溶液將可導電。電子，一般不可能在電解質溶液中傳遞； 反而是在陰極發生接收電子，在陽極產出電子並且電子離開陽極的化學反應方式發生。結果，在電解質陰極附近有負電荷電子雲，且在陽極附近有正電荷。離子在電解質溶液中移動以平衡這些電量，以便反應可以繼續，電子可以不斷地流動。例如：在平常的鹽水中（食鹽水，NaCl）陰極反應： 2H₂O + 2e⁻ → 2OH⁻ + H₂ 且會產生氫氣氣體；陽極反應如下： 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e₋ 且氧氣氣體將被放出。帶正電荷鈉離子 Na⁺ 朝陰極移動以中和那裡的 OH₋ 的負電荷，同時，帶負電的氯離子 Cl₋ 將朝陽極移動以中和陽極H+正電荷。若無電解質的離子，電極附近的電荷將減緩電子流動；H⁺ 和 OH₋ 在水中電極間的擴散將比一般的鹽類離子花更多時間。在其他系統，電極反應可能包含電極金屬與電解質離子。電子設備中其金屬/電解溶液介面會產生有用效能的化學反應就是利用電解質的導電性。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 電解質(Electrolyte)對生理的重要性

高雄女中化學科陳文靜老師

在生理方面，電解質的主要離子是鈉(Na⁺)，鉀(K⁺)，鈣(Ca²⁺)，鎂(Mg²⁺)，氯(Cl^-)，磷酸鹽(PO>sub>4^3-)和碳酸氫鹽(HCO₃^–)。加號的電荷標誌(+)和減(-)表明物質在自然狀況下以離子的型態存在，其中電子分佈不均衡，這是化學離解的結果。

所有高階生命組織都需要一個在細胞內和細胞外周圍環境之間微妙而複雜的電解質平衡。 特別是，電解質精確滲透壓的維持是重要的。這滲透壓會影響且對調控身體水合作用、血液酸鹼度、神經和肌肉功能等是重要的。為了維持不同電解質的濃度，生物體內會產生各種不同的機制以緊密地監控電解質濃度。 肌肉組織和神經元被認為是身體的電子組織。在細胞外流體或細胞間流體，和細胞內流體的電解質活動以活化肌肉和神經元。電解質能藉由在細胞膜上的特定蛋白質結構（又稱離子孔道）出入細胞膜。 例如，肌肉收縮取決於鈣(Ca²⁺)，鈉(Na⁺)和鉀(K⁺)離子。 缺乏足夠的重要電解質，也許會發生肌肉無力或肌肉收縮困難。 可由口服或者緊急時藉由靜脈注射含電解質物質來保持電解質平衡，也可藉（赫爾蒙）激素調節，一般以腎臟排除多餘的電解質。電解質的平衡在人體中是由激素所控制，例如：抗利尿激素（又稱血管加壓素 ，能增強血壓， 導致尿量減少）、醛甾酮和副甲狀腺激素。嚴重的電解質失調，如：脫水和水分過多，都可能導致心臟病和神經併發症（或者錯亂可是一般用 disorder 比較多耶）除非它們能快速地被補充（復原），否則需接受緊急治療。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 電解質(Electrolyte)的應用及人體中對電解質的測量

高雄女中化學科陳文靜老師/國立中山大學化學系董騰元教授責任編輯

電解質的應用

• 在電池中，用兩種不同電子親合力的金屬作為電極；電池裡面，當電流被電解溶液的離子擋住時，電子流經由電池外部從一個電極流到另一個電極。電解質所儲存的化學能會慢慢地被電極反應所耗完。
• 在某些燃料電池中，固態電解質或質子導體以電子連結金屬板，讓氫和氧燃料氣體保持分離。
• 在電鍍槽中，電解質溶液在通電時在被鍍物體上沈積金屬，且在兩極間形成通路。
• 操作測量儀幾小時後，一個充滿電解質溶液的小間隙會分離兩個稀薄水銀柱，且當電荷通過裝置時，在一邊金屬會溶解而另一邊會被鍍上，並造成可見的間隙以慢慢地分離。
• 在電解質電容中，當電解質層作為一塊電容器板材時，就會產生極端稀薄的『電介質』或绝緣的塗層的化學作用。
• 在某些濕度計中，以量測接近乾燥的電解質之導電度作為空氣濕度的檢測方法。
• 又熱又軟的玻璃是一種電解質導體，所以一些玻璃製造商讓大量電流通過以維持玻璃的融熔狀態。 測量人體中的電解質 在醫技上，測量電解質是常見的診斷步驟，其方法為醫療人員透過對離子有選擇性的電極來驗血或驗尿。 這些數值的解釋必須有臨床病史分析，且對照腎臟功能的檢測才有意義。鈉離子和鉀離子經常是被量測的電解質。因為氯濃度與鈉離子濃度相關，所以很少被測量，除非須知動脈血液中的氣體。為了確定電解質不平衡狀態的發生，尿液比重是一項重要測量。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 電解質(electrolyte)

台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

電解質(electrolyte)是在固體狀態時不能導電，但溶於水溶液中或在熔融狀態下就能夠導電化合物。瑞典化學家阿瑞尼士(S. Arrhenius)於 1884 年提出解離說，用以解釋電解質的性質，其學說內容包括：

1. 電解質溶於水會形成帶電的離子(ion)；而這個分解形成離子步驟稱為解離(dissociation)。
2. 溶液中正離子所帶的總電量與負離子所帶的總電量恰好相等，這是因為溶液一定是電中性；但正離子的個數與負離子的個數未必相等。
3. 離子可在水溶液中自由的地移動，當通以電流時，正離子移向負極，負離子移向正極，這些移動的離子，形成水溶液中的電流，所以水溶液可以導電。

「離子」的觀念在阿瑞尼士之前數十年就已經被提出，最早是由法拉第(M. Faraday)進行電解反應的研究時所提出。帶正電荷的離子叫正離子或陽離子(cation)，帶負電荷的離子叫負離子或陰離子(anion)。但是法拉第當時以為水溶液必需經由電解反應才能產生離子。後來，阿瑞尼士修正此觀點。

化合物依據其水溶液導電性質的檢測，其可簡分為電解質與非電解質(non-electreolyte)兩大類。酒精或糖等物質溶於水後並不能導電，通電後也不會產生任何化學變化，這些物質便稱為非電解質。電解質溶於水後能導電，通電後往往也會產生化學變化。各種電解質在水溶液導電的難易程度皆有不同，這與溶質(solute)與溶劑(solvent)分子之間的交互作用有關，在稀薄水溶液中大部分的溶質粒子都發生解離者，稱為強電解質(strong electrolyte)；解離程度較低者，稱為強電解質(weak electrolyte)。

一般可將電解質區分為酸(acid)、鹼(base)、鹽(salt)三大類。依照阿瑞尼士學說，在水中解離可產生陽離子為氫離子(H⁺)的電解質稱為酸；在水中解離可產生陽離子為氫氧離子(OH^-)的電解質稱為鹼；酸鹼中和反應產生的電解質稱為鹽。分別舉例如下： 酸類：醋酸(CH₃COOH)、鹽酸(HCl)以及硫酸(H₂SO₄)等。 鹼類：熟石灰（學名氫氧化鈣 Ca(OH)₂）、氨(NH₃)以及燒鹼（學名氫氧化鈉 NaOH）等。 鹽類：食鹽（學名氯化鈉 NaCl）；硝（學名硝酸鉀 KNO₃）等。

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參考資料

• Electrolyte | encyclopedia article by TheFreeDictionary
• Svante Arrhenius | encyclopedia article by TheFreeDictionary

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[高瞻自然科學教育資源平台] 運動飲料(Sports drink)

高雄市立高雄女子高級中學化學科陳文靜老師

運動飲料皆含電解質。電解質飲料包含鈉和鉀的鹽類能補充因運動、流汗過多、腹瀉、嘔吐或者飢餓造成脫水後的人體水分與電解質。

然而，只有在真的消耗體力後，例如：馬拉松和 biathlons，才需要飲用這些飲料。正常的運動（如，騎腳踏車一個小時）喝一般飲用水即可。 運動時補充鈉、鉀和其他電解質損失是多餘的，因為一般訓練中，這些身體內礦物質不太可能會大量減少。然而，激烈運動超過 5 到 6 小時的大量消耗後（例如：鐵人競賽或者超級馬拉松）推薦飲用富含電解質的運動飲料。在這情況下運動員若不消耗電解質則有水分攝取過多與低血鈉症的危險。overhydration（或 hyponatremia 的風險）。

由於多數運動飲料含糖量都很高，因此不被推薦讓兒童經常性飲用。運動期間，兒童只需攝取被認為最主要的飲料──水分。運動飲料也不宜在腹瀉時作為水分流失的補充。藥用補水膠囊和飲料能夠補充流失的電解質離子。牙醫建議經常性飲用運動飲料的消費者必須注意牙齒保健以防止蛀牙。 若用正確比例的糖、鹽分、水電解質和運動飲料可以自創通過用糖、鹽和水的正確比例。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鍵能(Bond energy)

高雄市立高雄女子高級中學化學科陳文靜老師/國立中山大學化學系董騰元教授責任編輯

破壞一分子中兩原子間的化學鍵所需之能量。一般包含二類：一為鍵解離能，乃在一特定分子中，將兩原子維繫的特殊鍵破壞所需的能量。另一為平均鍵能，乃相同的兩種原子在不同分子中鍵結之平均值。

鍵解離能之說明（指氣體）：當 H₂（或寫成 H-H）變成 2H_(g) 時，每莫耳吸收了 435KJ/mol，這 435KJ 就是鍵解離能。同理，當 Cl₂（或寫成 Cl-Cl）變成 2Cl_(g) 時，吸收了 243 KJ/mol，這 243 KJ/mol 就是 Cl₂ 的鍵解離能。若是 H-Cl 變成 1 個 H_(g) 及 1 個 Cl_(g) 時，吸收了 431 KJ/mol，這 431 KJ/mol 就是 HCl 的鍵解離能，可見，鍵解離能未必是指相同原子的雙原子分子。 在 O₂ 及 N₂ 中，其鍵數分別為雙鍵及叄鍵，破壞 O₂ 及 N₂ 的鍵解離能分別為 494 KJ/mol 及 941 KJ/mol。所以，鍵解離能未必是單鍵，也可能是雙鍵或叄鍵的雙原子分子。 平均鍵能之說明（指氣體）：以 H₂O 而言，斷 H-O-H 的第一個 H-O 鍵能為 501 KJ/mol，斷第二個 H-O 鍵能為 425 KJ/mol，其總和為 926 KJ/mol，所以，H-O 之平均鍵能為 463 KJ/mol。因為，一般而言，一分子（如 H₂O）的第一條鍵比第二條鍵難斷裂，當第一個 H 除去之後所剩的 H-O 之碎片不如原分子(H-O-H)來得安定，所以，第一個鍵能較大而第二個鍵能較小，總鍵能 926 KJ/mol，平均鍵能為 463 KJ/mol

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[高瞻自然科學教育資源平台] 共價鍵(Covalent bond) (二)

高雄市立高雄女子高級中學化學科陳文靜老師/國立中山大學化學系董騰元教授責任編輯

在金屬與非金屬反應中，金屬原子有失去電子的趨勢而非金屬有得到電子的趨勢。可是當非金屬與非金屬原子相互作用時不會發生電子轉移，因原子間對電子吸引力相當，所以，電子沒有被轉移而是被共用且形成分子化合物（又稱共價化合物）。即電子對被兩原子所共用。

單一共價鍵係由一對電子組成，假設其等分佔兩原子間之軌域。 以兩氫原子形成之共價鍵為例：氫原子的1s軌域會重疊，使其電子雲在核間區域內，以相互加強的方式進行，同時在此區域中發現一電子的機率會增大 兩原子也可能形成一個以上的共價鍵。此時，原子由多鍵聯結。若兩原子間有兩個共用的電子對稱為雙鍵；三個共用電子對，稱為叄鍵。以氮分子為例，氮原子屬ⅤA族，具有五個價電子，尚需三個電子才能滿足八隅體，所以各提供三個電子出來形成三個電子對由兩個氮原子共用，稱為叄鍵。 一般化合物的鍵結均為介於純離子性與純共價性之間，例如，CsF 有 92% 的部分離子性（電負度差 3.2）；NaCl 有 73% 的部分離子性（電負度差 2.3）；MgO 有 67% 的部分離子性（電負度差 2.1）；而 HF 有 45% 的部分離子性（電負度差 1.8）。

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請參閱共價鍵 (一)

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[高瞻自然科學教育資源平台] 共價鍵(Covalent bond) (一)

高雄市立高雄女子高級中學化學科陳文靜老師/國立中山大學化學系董騰元教授責任編輯

共價鍵(Covalent bond)是化學鍵的一種，它主要的特點是藉由兩原子間共用價電子而形成。 共價鍵其實包含了很多種類的「交互作用」(interactions )，如 σ 鍵(σ-bonding)、π 鍵(π-bonding)、δ 鍵(δ-bonding)和頗特殊的三中心鍵(three-center two-electron bonds)等……。

共價鍵一詞自西元 1939 年起開始建立，其英文單字(Covalent)的字首 Co 有「聯合地、共有地」(jointly)之含意，也就是說共價鍵基本上是由兩原子間共用或共享價電子而形成。 現在舉氫氣分子(H₂)為例：兩個氫原子的原子核外各有一個價電子，當兩個氫原子彼此互相接近時，它們可藉由「共價鍵」來共享這兩個價電子；且由於共價鍵的形成，讓兩個氫原子間產生互相吸引的交互作用，所以，氫分子會比原來的兩個單獨的氫原子更為安定。 共價鍵是否只能發生在相同的兩個原子間呢？答案是否定的，因為，只要「電負度」(electronegativities)相近或相似的兩個原子間也可以形成共價鍵，如 HBr 就是一個很好的例子，其分辨的重點在：價電子在兩個原子間必須被「共用」或「共享」；相對來說，若「電負度」相差較大的兩個原子，它們之間便容易形成「離子鍵」(ionic bonds)，例如 NaCl 就是一例。

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請參閱共價鍵 (二)

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[高瞻自然科學教育資源平台] σ 鍵(Sigma bond)

國立高雄中學化學科龔自敬老師

化學上所謂的 σ 鍵(Sigma bond)是「共價」化學鍵的一種。由兩個相同或不相同的原子軌域沿軌域的對稱軸方向相互重疊而形成的共價鍵，便稱為 σ 鍵。

一般而言，σ 鍵對於共價鍵「鍵軸」之旋轉是具有對稱性的，依據這個說法，σ 鍵可能的形式包括：s+s、p_z+p_z、 s+p_z, 和d_z²+d_z²（此處 z 即代表鍵軸方向）。對兩相同原子的共價鍵而言，σ 軌域在這兩個原子間是沒有「波節平面」的。「σ」這個符號是希臘字母中的「s」，當我們順著共價鍵的鍵軸往下看，σ 鍵看起來就像「s」（圓球）軌域一樣。

通常 σ 鍵由於在軌域的重疊部分較多（頭對頭式重疊），所以是共價鍵中較強的一種，而 σ 鍵中的電子有時也被稱為「σ 電子」。一般的「單鍵」(single bond)都屬於 σ 鍵， 比如 C-H, O-H, N-H, C-C, C-Cl 等等。現在舉「丙烷」(C₃H₈) 為例，我們可描述丙烷分子中的共價鍵有：2 個 C-C「σ 鍵」和 8 個 C-H「σ 鍵」；一般的「雙鍵」(double bond) 中，含有一個 σ 鍵和一個 π 鍵；而一般的「參鍵」(triple bond)中，則含有一個 σ 鍵和二個 π 鍵。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 道耳吞(Dalton)的原子論(Atomic theory)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

道耳吞在 1808 年提出原子論(Atomic Theory)，其要點如下：
（一）原子(atom)是組成化學元素(element)的最小粒子；它是不可分割(indivisible)的。
（二）針對每一特定元素，其原子皆完全相同。
（三）不同元素的原子具有不同的質量以及其他性質。
（四）化合物是由不同元素的原子所組成，其原子組成間一定是簡單整數比。
（五）原子粒子不能再切割為更小的粒子，且在任一化學反應中，原子不可加以摧毀，化學反應只是將原子加以重組而已。

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請參閱

• 道耳吞(Dalton) (一)
• 道耳吞(Dalton) (二)
• 道耳吞(Dalton) (三)
• 道耳吞(Dalton) (四)

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2008年, 化學, 化學教育, 化學與社會, 陳文靜, Dalton, 化學家傳記, 原子論, 道耳吞, 高瞻自然科學教育資源平台, 科學Online

[高瞻自然科學教育資源平台] 道耳吞(Dalton) (四)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

道耳吞最重要的研究工作是，化學的原子理論，這與他的名字密不可分。他建議在研究乙烯（olefiant 煤氣）和甲烷（carburetted 氫） ，或分析一氧化二氮（protoxide的azote）和二氧化氮（deutoxide 的 azote）時用這原子理論，而上述兩種意見被權威的托馬斯湯木生所證實。不過，一項研究的道耳吞的自己的實驗室筆記本，發現在房間的光與菲爾，得出結論認為，到目前為止，解釋多種比例的定律，是 Dalton 的想法，他確定特有重量的原子交互作用會組成化學組成，他研究大氣和其他氣體的物理性質讓他強化了他對原子的認識。這一想法是在，他的對氣體的吸收論文中被發現的，時間是 1803 年 10 月 21 日，當時並沒有公佈，直到 1805 年。在這裡，他說：「為什麼不承認水與大多數的氣體一樣呢？我有充分考慮這個問題，雖然不能自我滿足但已幾乎處於被說服狀況了，情況是取決於這幾種氣體粒子的重量和數量。」

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• 道耳吞(Dalton) (一)
• 道耳吞(Dalton) (二)
• 道耳吞(Dalton) (三)
• 道耳吞(Dalton)的原子論

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[高瞻自然科學教育資源平台] 道耳吞(Dalton) (三)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

1800　年他當曼徹斯特文學和哲學學會的書記，隨後一年，他口頭地提出一系列重要論文，題目為「實驗論文」論及混合氣體的組成；在真空和空氣中，氣體的氣壓和不同溫度下的蒸氣；蒸發；以及氣體的熱膨脹。1802 年，這四個論文被出版於「光」與菲爾的回憶錄中。

這些論文中的第二篇說了一句醒目話「無庸致疑地，我們可把任何種類的彈性液體都看成液體，且不能不看，混合氣體在低溫和強施加壓力後的進一步影響」 。經過確定 0℃ ~ 100℃ 間不同蒸汽壓的實驗後（32℉ 和 212℉）時，他從觀察六個不同液體的蒸氣壓力做了一個總結，即相同溫度下，所有液體的蒸氣壓都相同。在第四篇文章中，他說「我們有足夠的理由去推斷說：同壓時彈性流體受熱會進行相同擴展；且溫度越高時，和水銀擴展相比時，空氣的擴展會成比例地減少。因此，這意味著，彈性流體比其他物質來得容易表現出熱的絶對數量與性質」。

因此，他闡述了給呂薩克定律或查理定律，1802 年由約瑟夫路易士給呂薩克出版。這些文章出版後的兩、三年，道耳吞又發表幾篇相類似的文章，有關於水和其他液體對氣體的吸收（1803 年），其中還有他的氣體分壓定律，現在又稱為道耳吞定律。

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• 道耳吞(Dalton) (一)
• 道耳吞(Dalton) (二)
• 道耳吞(Dalton) (四)
• 道耳吞(Dalton)的原子論

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[高瞻自然科學教育資源平台] 道耳吞(Dalton) (二)

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在 1794 年，他到曼徹斯特後不久，道耳吞被選為曼徹斯特文學和哲學社會的「光與菲爾」的成員，幾個星期後他發表了他的第一份論文「關於視覺顏色的異常事實」，他假設，對顏色感覺短缺是眼球液體媒介的色變所引起的。事實上，某些人對顏色悟性短缺並未被描述或注意到，直到道耳吞寫了關於他自己。 雖然道耳吞的理論在他終其一生時未被採用，但是，他以自己的視覺問題做詳盡而有條不紊的研究之本性廣被表彰，道耳吞成為色盲的代名詞。1995 年，檢查他被保存的眼珠顯示出，道耳吞實際上屬於較不尋常的色盲–中等波長敏感錐體是缺掉的，而不是色盲的最尋常類型–色素突變化所引起的。 除光譜的藍色和紫色以外他只能認知一種顏色，黃色，或者，他在他的論文內說，「紅色影像對我而言，就像光陰影或光的瑕疵。對我而言，橙色，黃色和綠色，似乎是一種從亮黃到淡黃色逐漸降低的顏色，或許，我該把它稱做黃色的不同濃淡色度」。

此文曾在不同的主題中被引用過，例如雨、露水、初春、熱、天空的顏色，蒸汽、英語助動詞、分詞和光反射、折射中，本文都被引用過。

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• 道耳吞(Dalton) (一)
• 道耳吞(Dalton) (三)
• 道耳吞(Dalton) (四)
• 道耳吞(Dalton)的原子論

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國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

道耳吞(John Dalton)是織布工的兒子，十五歲時，他進入他哥哥 Jonathan 在 Kendal 附近管理的貴格派信徒學校求學。1790 年道耳吞考慮唸法律或醫學，但是他的親戚並不鼓勵他去 –當時英國大學排斥異教徒到他們的大學任教或上課—所以，他仍留在 Kendal。直到 1793 年的春天，道耳吞搬到曼徹斯特，被任命教數學和自然哲學。他是透過盲眼哲學家約翰高夫才到曼徹斯特的這所異教派的新學院教書的。高夫很博學但他的科學知識並非由正式教育獲得。道耳吞在那個職位直到 1800 年。當學院財政惡化到他不得不辭去他的職位並開始在曼徹斯特當數學和自然哲學的私人教師。

道耳吞早期生活中，他深受一位卓越 Eaglesfield 貴格派的信徒 Elihu 魯賓遜所影響，Elihu 魯賓遜是一位能幹氣象學家和儀器製造者，且對數學和氣象學的問題感興趣。在Kendal的期間，道耳吞對 Gentlemen’s and Ladies’ Diaries 提供對各種主題的疑問和問題的解答。他從 1787 年開始寫氣象日誌，持續 57 年之久，作了超過 20 萬種的觀察。道耳吞的第一份出版物是氣象觀測和雜記(1793)，書中包含數種他新發現的種子。然而，竟管他有其獨創性，其他學者也不太注意他。道耳吞在 1801 年出版第二本書–英國文法的元素。

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• 道耳吞(Dalton) (二)
• 道耳吞(Dalton) (三)
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[高瞻自然科學教育資源平台] 普羅斯特(Joseph Louis Proust) (二)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

當然,這最後結果是普羅斯特勝利，因為普羅斯特能證明：改變反應物的數量就能改變生成物的數量，但不能改變生成物的組成。貝托雷當時以溶液、合金、玻璃及某些金屬氧化物、鹽類作舉證，卻不知這些物質有部分是混合物。例如:托貝雷以金屬鉛在空氣中加熱，先變成 Pb₂O（327℃ 以下），再加熱，產生PbO;持續加熱，又得 Pb₃O₄；若用稀稍酸處理 Pb₃O₄ 可得到 PbO₂，但他並不知道這些鉛的氧化物是不同化合物，當然不會組成固定了。

普羅斯特曾在 1802 ~ 1808 年的法國【物理雜誌】中回答了貝托雷的批評。普羅斯特承認，同樣的幾個元素可以生成不只一種化合物，但每種化合物各自有固定組成。他還指出：混合物的各成份可以用物理方法分離開來，而化合物中各成分只能靠化學方法來分解。所以， 普羅斯特是第一位可以正確區分混合物與化合物的人，他甚至就以定比定律來區分混合物與化合物了。 到了 1808 年， 普羅斯特見解較被社會上化學家接受，而貝托雷說法被抛棄了。

普羅斯特也對甜蔬菜與水果中的糖感，到興趣而研究它，1799 年他在馬德里的課堂上示範葡萄糖與蜂蜜的糖是相同的東西。整體而言， 普羅斯特在研究中發現糖的三種型態。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 普羅斯特(Joseph Louis Proust) (一)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

定比定律（定組成定律）：由兩種或兩種以上元素化合成一化合物時，其元素間的質量比是固定的。此定律乃普羅斯特 (Joseph Louis Proust，1754 ~ 1826) 於 1799 年所提出的。以下是對普羅斯特的簡介： 普羅斯特出生於 1974 年 9 月 26 日，出生地是法國安格斯(Angers， France)，父親是安格斯的藥劑師。普羅斯特在他父親的店學習化學，後來到巴黎，並成為巴黎最好的藥劑師。因為卡羅士四世(Carlos IV)的影響，他來到西班牙，並在 Segovia 與 Salamanca 大學教化學。

普羅斯特最廣為人知之事乃是他與貝托雷的爭辯。因為他發現天然的與人造的鹽基性碳酸銅(CuCO₃–Cu(OH)2•xH₂O)之組成完全相同。所以，提出此理論。但是，這理論遭到當時法國化學界權威貝托雷(Claude Louis Berthollet)反對，因貝托雷正好提出 Recherches sur les lois de l’af-finite（1801，親和力原理的研究）一書， 貝托雷較著眼於化學變化的過程，而沒有著重於化學變化的產物，並認為「一物質與另一可相親和的物質化合時是以任一比例相化合的」，所以他提出化合物的組成是可變的，而非確定不變的。但他有正確指出:「某些化學反應是可逆的，一些反應生成物的產率會隨反應中原有反應物量的多寡而改變。」

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[高瞻自然科學教育資源平台] 哈洛．克魯托(Harold Kroto) (二)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

早年的工作
1961 年，在Sheffield大學獲得大學化學學位，1964 年同樣在 Sheffield 大學獲得博士學位。

博士研究包含利用高解析度電子光譜來研究用照光打斷化學鍵。尤其他是第一位以碳磷雙鍵形成化合物(phosphaalkenes)的學者，他的博士研究包括對碳的低氧化物（二氧化三碳,C3O2 or O=C=C=C=O）等一些未發表的研究，此研究導致一般學者對分子含有多重鍵結的碳鏈之興趣。開始對有趣的有機化學進行研究，但是，當他接觸到光譜學時就較傾向於研究於量子化學。

在加拿大全國研究會議和美國貝爾實驗室的博士後研究之後，1967 年開始在英國 Sheffield 大學教學與研究。1985 年他成為專任教授，並在 1991 年到 2001 年擔任皇家社會研究教授（皇家學院教授）。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 哈洛．克魯托(Harold Kroto) (一)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

Harold (Harry) Walter Kroto, FRS （生於 1939 年 10 月 7 日）是英國化學家，也是1996年諾貝爾化學獎得主三人之一。 他 2004 年任教於佛羅里達(Florida)州立大學，目前仍在佛羅里達州立大學任教。在那之前他花大部份的心力在薩西克斯(Sussex)大學， 並在那裡擔任教授（退休而保有教授頭銜）。

早年生活 他出生在英國劍橋郡的名叫 Wisbech 市集地的 Harold Krotoschiner，獨特的名字源自於 Silesian。他父親來自荷蘭的 Bojanowo，母親來自德國的柏林。 父母都是出生在柏林，但因為他的父親是猶太人，所以在 1930 年代受到 Nasis 的迫害來到英國。

他在英國蘭開郡(Lancashire)的波頓(Bolton)成長並就讀於波頓(Bolton)學校，與曾獲二屆奧斯卡提名的舞台劇演員 Ian McKellen（演魔界三部曲中甘道夫角色的人）是同時期的人。

1955 年，他的姓氏變短為 Kroto。 小時候，他對 Meccano 組合模型十分著迷。能技巧性地有效運用在科學研究，這都歸功於Meccano。雖然生長於猶太家庭，但宗教不曾對他有任何影響。 他現在聲稱有四個「信仰」：人道主義、無神論、特赦國際主義和幽默。中學時，發現自己在化學、物理和數學上很有興趣，因為他的高中化學老師 Harry Heaney（後來成為大學教授） 認為 Sheffield 大學擁有全英國最好的化學系，所以，他去了 Sheffield 大學。 1963 年，與就讀於同一所大學唸書的馬格瑞特．韓特(Margaret Henrietta Humter)結婚。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鍺(Germanium)的化學性質

高雄市立高雄女中化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鍺是兩性元素，主要生成 +2、+4 氧化態，它的化學性質比矽活潑，主要表現在以下幾方面：

1. 室溫下單質鍺穩定，不與水和氧作用。加熱到 973K 以上時，鍺與氧反應生成二氧化鍺

   Ge + O₂ → GeO₂

   若沒有氧化劑存在，則鍺與沸水也不會反應。
2. 在加熱下，鍺能與鹵素或硫反應生成鹵化物或硫化物：

   Ge + 2X₂ → GeX₄ (X = F、Cl、Br、I)
   Ge + S → GeS
   Ge + 2S → GeS₂

3. 鍺不與非氧化性酸作用，也不與稀酸作用，能溶於熱的濃硫酸，生成硫酸鍺：

   Ge + 4H₂SO₄ → Ge(SO₄)₂ + 2SO₂ + 4H₂O (973K)

   與濃硝酸作用，生成白色的二氧化鍺水合物沉澱：

   Ge + 4HNO₃ → GeO₂∙H₂O + 4NO₂ + H₂O

4. 鍺易溶於硝酸或氫氟酸的混合酸中，生成氟鍺酸：

   Ge + 4HNO₃ + 6HF → H₂GeF₆ + 4NO₂ + 4H₂O

5. 鍺與矽類似，易溶於熔融的苛性鈉（或鉀）中，生成鍺酸鈉（鉀）：

   Ge + 2NaOH + H₂O → Na₂GeO₃ + 2H₂

   在過氧化氫、次氯酸鈉等氧化劑存在下，鍺能溶解在鹼性溶液中生成鍺酸鹽。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鍺(Germanium)

高雄市立高雄女中化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

1871 年，元素週期律的發現者門得列夫曾預言「類矽」元素的存在。
1886 年，德國化學家 Winkler C. A. 用光譜的方法分析硫銀鍺礦時，8 個全分析結果均差 7% 左右，因此他斷定礦石中一定含有一種未知的新元素。他用氫氣還原硫化鍺製得了金屬鍺。Clemens Winkler 為了紀念他的祖國，把新元素命名為 Germanium（德國的拉丁名為 Germania），元素符號 Ge，中文為鍺。

鍺在地殼中的含量為 7 × 10^-7，比金、銀、鉑還多，但尚未有大規模的開採，因為鍺是最分散的元素之一。大量的鍺以分散狀態存在於各種金屬的矽酸鹽礦和硫化物礦、以及各種形式的煤中。其中含鍺量最高的礦是低溫閃鋅礦，含量在 0.01% ~ 0.1% 之間；含鍺量較高的礦物有硫銀鍺礦 4AgS∙GeS₂、鍺石礦 CuS∙FeS∙GeS₂、含鍺量在 0.001% ~ 0.1% 之間。

鍺的製備與應用：
製備方法：鍺主要以硫化物礦石、煤、高溫冶金所得中間產物或廢渣為原料來生產的。有時也利用含鍺原料的工廠副產物、煤焦工業的氨水或煤灰、煙道灰來回收 鍺。這些原料所提供的鍺通常為二氧化鍺，用鹽酸處理並蒸餾得四氯化鍺：GeO₂+4HCl → GeCl₂+2H₂O ，通過精餾純化 GeCl₄，再加水水解得到二氧化鍺：GeCl₄+2H₂O → GeO₂+2H₂O ，然後用氫在 800K ~ 900K 還原 GeO₂，得到金屬鍺粉末：GeO₂+2H₂ → Ge+2H₂O 將溫度升至 1373K，鍺粉熔化，注入模中得鍺錠。最後用物理方法區域熔融法來進一步純化得高純度鍺，目前可得 11 個 9 的高純度鍺。

物理性質：鍺為銀灰色的脆性金屬，具有金剛石晶格。其熔點為 1210K，沸點為 3103K，密度為 5.35g/cm³ (293K)，莫氏硬度為 6 ~ 6.5。室溫下鍺的可塑性很小，加工性能以石英和玻璃，有明顯的非金屬性質。當液態鍺凝固時，體積膨脹 5%，是少數幾種(Si,Ga,Ge,Sb, Bi)凝固時體積膨脹的物質。超高純度單晶鍺是重要的半導體材料。鍺另一特性是當溫度變化時，鍺的電阻也随著發生特別靈敏的變化。所以鍺被用來製造熱敏電阻，來測知物體溫度，把鍺塗在玻璃、石英上，製成電阻用來製造光電管、熱電隅。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 沸點(Boiling point)

臺北市立第一女子高級中學化學科江慧玉老師/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

液體的蒸氣壓(vapor pressure)與周圍環境的壓力相等時，此時液體沸騰(boiling)的溫度稱為「沸點」。液體在低壓環境下的沸點比一般環境（受大氣壓力影響）的沸點低；而在高壓環境中的沸點比其在大氣環境下的沸點為高。換句話說，任何液體在不同的環境條件下，有不同的沸點。在沸點的溫度下，液體中的分子足以克服內聚力(cohesive force)的束縛而汽化(vaporization)，氣體分子形成氣泡逸去。 液體的正常沸點（normal boiling point，又稱為大氣沸點）是液體的蒸氣壓等於我們定義的『海平面上的氣壓』即『一大氣壓』(atmospheric pressure)時的沸點。國際純化學暨應用化學聯合會（簡稱IUPAC）將正常沸點定義為：『液體在一大氣壓下沸騰時的溫度』。

至於「汽化熱」(heat of vaporization)是指將液體汽化變成氣體時所需吸收的熱量。 液體也可能在低於沸點的溫度下自發地汽化(vaporization)成為氣體(gas)，稱為「蒸發」(evaporation)。蒸發是少數液體分子獲得足夠的動能，逸出液體表面，進入氣體狀態的現象。若與沸點相較，沸騰則是液體中所有分子快速汽化形成了大量的氣泡。 液體的沸點溫度決定於液體的蒸氣壓，因此我們可說：『沸點的高低決定於壓力』。一般來說，我們較為強調其與「大氣壓力」的關係。在高海拔地區，由於大氣壓力低，故沸點較在平地時為低。此外，沸點會隨著壓力增加而升高，直到到達一臨界值，稱為臨界溫度(critical temperature)。物質超過臨界點後，無法區分氣態或液態，稱為超臨界流體(super-critical fluid)。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鎂 (Magnesium)

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鎂是地殼中分布最廣的元素之一，但由於它的化學性質活潑不易將它自化合物中分離出來，因此長期以來，化學家不能肯定它們作為元素單質存在。直至電池發明以後，利用電解的方式分離出鎂元素單質後，才被確定是元素。

1808 年，英國化學家戴維(Davy H.)電解汞和氧化鎂的混合物，得到鎂汞齊，將鎂汞齊中的汞蒸餾後，就得到了銀白色的金屬鎂。

鎂的英文名稱為 Magnesium，希臘文原意為「美格尼西亞」，因為在希臘的「美格尼西亞」城附近當時盛產一種稱為苦土的鎂礦(氧化鎂)，古羅馬人把這種礦物稱為 magnesia alba，「alba」的意思是白色的，意即「白色的美格尼西亞」，中文翻譯成鎂，元素符號為 Mg。

鎂是一種銀白色的金屬，化學性質活潑，在自然界中無元素單質狀態存在。鎂的礦物主要有白雲石(CaCO₃∙MgCO₃)、光鹵石 (KCl∙MgCl₂∙6H₂O、菱鎂礦(MgCO₃)、橄欖石(Mg,Fe)₂SiO₄和蛇紋石(Mg)₆[Si₄O₁₀](OH)₈。鎂在地殼中的含量約為 2.1%，在已知的百餘種元素中居第八位。海水中含鎂約 0.13%，每立方公尺海水中約含鎂 1.04kg，大多以氯化物和硫酸鹽形式存在於 海水中。金屬鎂的製備方法主要有：

1. 溶融電解法：電解熔融的無水氯化鎂，適用於從海水中提取鎂 MgCl₂（電解）→Mg+Cl₂ ↑
2. 熱還原法：將白雲石分解為氧化鎂，再用碳或碳化鈣還原：MgO+C→CO↑+Mg；MgO+CaC2→Mg+CaO+2C 。世界鎂產量有一半以上是以海水為原料以電解法生產的。

物理性質：鎂是輕金屬，密度為 1.74g/cm³，熔點 922K，沸點 1363K，硬度 2.0，比同族其他鹼土族都高。鎂具優良加工性能，在冶金中製備輕量、強韌的鎂鋁合金，大量用於飛機、汽車，電子產品外殼等。

化學性質：鎂的電負度 1.31，標準還原電位 -2.36V，是一個比較活潑的金屬，化學性質如下：

1. 作為還原劑：不論固態或水溶液中，鎂具有較強的還原力。如高溫下，金屬鎂能在二氧化碳中繼續燃燒，把二氧化碳還原成 碳：2Mg+CO₂→2MgO+C。鎂也可將二氧化矽還原成單質矽：2Mg+SiO₂→Si+2MgO；鎂還原四氯化鈦為金屬鈦：2Mg+TiCl₄→Ti+2MgCl₂。目前工業上利用鎂的還原性，在真空或惰性氣體保護下，生產某些稀有金屬。鎂很容易跟水反應，但由於表面生成氧化膜保護，因此鎂不與冷水反應，但能跟熱水作用產生氫氣：Mg+2H₂O（熱水） →Mg(OH)₂+H₂↑
2. 鎂在空氣中燃燒時放出耀眼白光，生成氧化鎂：2Mg+O₂→2MgO；也在在高壓下與氫作用合成氫化鎂：Mg+H₂→MgH₂
3. 有機反應中，鎂在醚溶液中能與鹵化烴作用，生成有名的格瑞鈉試劑(Grignard reagent)：Mg+RX→R-MgX（R為烴基，X為Cl、Br、I）為有機化學中用途相當廣的試劑。
4. 鎂具有生成配位錯合物的傾向，最著名即為葉綠素。

重要化合物的性質、製取與其用途：

1. 氧化鎂：俗稱苦土，為白色粉末狀固體。熔點 3125K，沸點 3878K，高溫煅燒後難溶於水。可由金屬鎂在高溫下燃燒：2Mg+O₂→2MgO 工業 上製法為利用煅燒碳酸鎂或氫氧化鎂來生產氧化鎂。氧化鎂大量用於耐火材料、金屬陶瓷、電絕緣材料，醫學上用作制酸劑及瀉藥，另也用於人造纖維加工、造紙等方面用途。
2. 氫氧化鎂：氫氧化鎂為一弱鹼，加熱至 623K 即脫水分解：Mg(OH)₂→MgO+H₂O，易溶於酸或銨鹽溶液。工業上常以海水與廉價的氫氧化鈣溶液（石灰乳）反應，可得氫氧化鎂沉澱，氫氧化鎂的乳狀懸濁液在醫學上作為制酸劑和緩瀉劑。
3. 鎂鹽：
   • 氯化鎂：電解生產金屬鎂的原料。
   • 硫酸鎂：MgSO₄∙7H₂O為著名的瀉藥；硫酸鎂用作印染的媒染劑、造紙的填充劑和防火織物的填料等。
   • 碳酸鎂：自然界多以菱鎂礦的形式存在，是鎂的重要來源。碳酸鎂在溶有二氧化碳的水中會生成碳酸氫鎂 Mg(HCO₃)₂為暫時硬水的成份之一，受熱時原本溶在水中的碳酸氫鹽會沉澱出來成為鍋垢：Mg(HCO₃)₂(受熱) →MgCO₃↓+CO₂↑+H₂O

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鋁(Aluminium)鹽與鋁酸鹽

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鋁鹽：鋁鹽都含有 Al³⁺ 離子，在水溶液中 Al³⁺ 是以八面體水合錯離子 [Al(H₂O)₆]³⁺ 的形式存在，它水解使溶液呈酸性：[Al(H₂O)₆]³⁺+H₂O →[Al(H₂O)₅OH]²⁺+H₃O⁺ ，[Al(H₂O)₅OH]²⁺ 還會逐級水解，直至產生 Al(OH)₃ 沉澱。鋁鹽加熱時會促進 Al³⁺ 水解而產生一部分 Al(OH)₃ 沉澱： [Al(H₂O)₆]³⁺→Al(OH)₃+3H₂O+3H⁺ ；在鋁鹽溶液中加入碳酸鹽或硫化物會促使鋁鹽完全水解：2Al³⁺+3CO₃^2-+3H₂O→2Al(OH)₃+3CO₂；2Al³⁺+3S^2-+3H₂O→2Al(OH)₃+3H₂S。

鋁酸鹽：Al₂O₃ 與鹼熔融可以製得鋁酸鹽：Al₂O₃+2NaOH →2NaAlO₂+H₂O 固態的鋁酸鹽有 NaAlO₂、KAlO₂ 等，但在水溶液中鋁酸鹽離子是以 [Al(OH)₄]^– 的形式存在。 鋁酸鹽水解使溶液呈鹼性：[Al(OH)4]– →Al(OH)3+OH– 在這個溶液中通入 CO₂ 氣體，可以促使水解的進行而得到 Al(OH)₃ 沉澱：2NaAlO₂+CO₂+3H₂O→2Al(OH)₃+Na₂CO₃ 工業上正是利用這個反應從鋁礬土礦製取 Al(OH)₃，而後製備 Al₂O₃。

三氯化鋁 AlCl₃：為共價鍵為主分子化合物，在氣相或非極性溶劑中會以 Al₂Cl₆ 二聚物存在，兩個 AlCl₃ 靠氯橋鍵結合起來形成 Al₂Cl₆ 分子，與 B₂H₆ 氫橋鍵類似。無水 AlCl₃ 為一白色固體，容易水解生成 Al(OH)₃ 沉澱，可作為淨水劑。

硫酸鋁與明礬：硫酸鋁易與 K⁺、Rb⁺、Cs⁺、NH₄⁺、Ag⁺ 等一價金屬離子的硫酸鹽結合形成複鹽，通稱礬，其通式為 MAl(SO₄)₂∙12H₂O (M 代表 +1 價金屬陽離子)。在礬的結構中，有 6 個水分子與 Al³⁺ 配位，形成 [Al(H₂O)₆]³⁺ 離子，剩下的為晶格中的水分子，它們在 [Al(H₂O)₆]³⁺ 與陰離子 (SO₄^2-)之間形成氫鍵。KAl(SO₄)₂∙12H₂O 亦稱鋁鉀礬，俗稱明礬。硫酸鋁或明礬多易溶於水並水解，其水解產物均有吸附或凝聚作用，因此硫酸鋁和明礬被用做淨水劑或絮凝劑。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鋁(Aluminium)的製備與冶煉

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鋁是活潑金屬，它的離子有很高的水合能，因此不能從水溶液中提取此種金屬。但從乾燥態的化合物製備鋁又需要更活潑的金屬（如鈉）作還原劑，在經濟上和操作上都是不利的。近代工業是用電解熔融氧化物的方法能製備金屬鋁。

以鋁礬土礦出發提煉鋁的步驟如下：

1. 用鹼溶液處理鋁礬土礦 Al₂O₃ 或是用碳酸鈉焙燒鋁礬土礦得到鋁酸鹽：Al₂O₃+2NaOH+3H₂O→2Na[Al(OH)₄] Al₂O₃+Na₂CO₃→2NaAlO₂+CO₂
2. 將鋁酸鹽溶液靜置澄清除去不溶雜質後，向鹼溶液中通入 CO₂ 促使鋁酸鹽水解：2Na[Al(OH)₄]+CO₂→2Al(OH)₃+Na₂CO₃+H₂O 2NaAlO₂+CO₂+3H₂O→2Al(OH)₃+Na₂CO₃
3. 將 Al(OH)₃ 過濾分離，乾燥後煅燒，便得到符合電解需要的純淨的氧化鋁：Al(OH)₃→Al₂O₃+3H₂O 分離後剩下的 Na₂CO₃ 再轉成 NaOH 後又可以再次用來浸提鋁礬土。
4. 將 Al₂O₃ 熔在熔融的冰晶石 Na₃AlF₆（電解質）中進行電解。2Al₂O₃→4Al+3O₂，電解約在 1000℃ 時進行，在陰極上得到金屬鋁，鋁是液態的，可由電解槽底部流出，鑄成鋁錠。電解槽使用石墨作陰、陽極，每電解出 1 噸金屬鋁要消耗 2×10⁴ kWh 的電能，電解鋁純度約為 98~99%，

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鋁(Aluminium)的性質

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鋁是典型的兩性元素。鋁易溶於稀酸，能從稀酸中置換氫，不過鋁的純度愈高，在酸中的反應愈慢。 2Al+3H₂SO₄→Al₂(SO₄)₃+3H₂。 在冷的濃硝酸和濃硫酸中，鋁的表面會被鈍化不發生作用。但鋁能與熱的濃硫酸應：2Al+6H₂SO₄(濃)→Al₂(SO₄)₃+3SO₃+6H₂O

鋁能溶在強鹼溶液中生成鋁酸鈉，其脫水產物或高溫熔融產物的組成符合最簡式NaAlO₂：2Al+2NaOH+6H₂O→2Na[Al(OH)₄]+3H₂

鋁是親氧元素，一接觸空氣，其表面立即生成一層緻密的氧化膜，阻止內層的鋁繼續被氧化，使鋁在空氣中有很高的穩定性。 高溫下反應並放出大量的熱：4Al+3O₂→2Al₂O₃，H =-3339 kJ/mol ，利用這個反應的高反應熱，鋁常被用來行其他氧化物中置換金屬，這種方法被稱為鋁熱法，例：2Al+Fe₂O₃→Al₂O₃+2Fe 在反應中放出的熱量可以把反應混和物加熱至很高的溫度(3000℃)，使產物金屬熔化而與氧化鋁熔渣分層。鋁熱還原法常被用來焊接損壞的鐵路鋼軌，這種方 法也常被用來還原某些難以還原的金屬氧化物（如 MnO₂、Cr₂O₃等）。所以鋁是冶金工業上常用的還原劑。 在高溫下，鋁也容易與其他非金屬反應生成硫化物、鹵化物等。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鋁(Aluminium)的化合物(Compound)

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

氧化鋁：
Al₂O₃ 有多種晶體結構，其中最為人們所熟悉的是 α-Al₂O₃ 和 γ-Al₂O₃。它們都是難溶與不溶於水的白色粉末。金屬鋁表面上的氧化膜則屬於另外一種晶形。 α-Al₂O₃：自然界存在的剛玉為 α-Al₂O₃，晶形為六方最密堆積，6 個氧原子圍成一個八面體，在整個晶體中有 2/3 的八面體孔穴被 Al 原子所佔據。由於這種緊密堆積結構晶格能很大，所以 α-Al₂O₃ 的熔點(~2000℃)和硬度(8.8)都很高。它不溶於水，也不溶於酸或鹼，耐腐蝕且電絕緣性好。還可用做高硬度的研磨材料和耐火材料。天然或人造剛玉中由於含有不同的雜質而有多種顏色，例如含有微量 Cr²⁺ 時呈紅色，稱為紅寶石；含有 Fe²⁺、Fe³⁺ 或 Ti⁴⁺ 的稱為藍寶石。將水合氧化鋁加熱至 1000℃ 以上，可以得到 α-Al₂O₃。

加熱使氫氧化鋁脫水，在較低的溫度下生成 γ-Al₂O₃。它的晶體屬於面心立方堆積。Al 原子不規則地排列在由 O 原子圍成的八面體和四面體空穴中。這種結 構使 γ-Al₂O₃ 硬度不高，具有較大的表面積，粒子小，具有較高的吸附能力和催化活性，性質比 α-Al₂O₃ 活潑，較易溶於酸或鹼溶液，又名活性氧化鋁，可以用做吸附劑和催化劑。

Al₂O₃+6H⁺→2Al³⁺+3H₂O

Al₂O₃+2OH^–→2AlO₂^-+H₂O

氫氧化鋁：Al₂O₃的水合物一般稱為氫氧化鋁 Al(OH)₃，加氨水或鹼於鋁鹽溶液中，可以沉澱出體積蓬鬆的白色 Al(OH)₃ 沉澱。它是一種兩性氫氧化物，但其鹼性略強於酸性，仍屬於弱鹼。

Al³⁺+3OH^–+Al(OH)₃ → Al(OH)₃+3H⁺+Al³⁺+3H₂O

Al(OH)₃+OH^–→[Al(OH)₄^–] ，Al(OH)₃ 不溶於 NH₃ 中，它與 NH₃ 不會生成錯合物。
Al(OH)₃ 和 Na₂CO₃ 一同溶於氫氟酸中，則可生成冰晶石 Na₃AlF₆：2Al(OH)₃+12HF+3Na₂CO₃→2Na₃AlF₆+3CO₂+9H₂O

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鋁(Aluminium)

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

1825 年，丹麥化學家和礦物學家 Oersted H. C. 用鉀汞齊還原無水氯化鋁，第一個製備出不純的金屬鋁。

1827年，德國化學家維勒(Wöhler F.)用金屬鉀還原無水氯化鋁，製備出較純的鋁，並描述了它的許多性質。

由於維勒製取鋁的方法不可能應用於大量生產，因此鋁曾經是珠寶店裡的商品，王室的珍寶。直到 1886 年，美國科學家豪爾及法國科學家埃羅分別獨立地用電解法製取鋁獲得成功，才使鋁成為普通的商品。

鋁的命名源自拉丁文 Alumen，在歐洲這是對具有收斂性礬的總稱。英文名稱為 Aluminium，元素符號為 Al。

鋁在自然界中主要以礬土礦(bauxite ore)形式存在，它是一種含有雜質的水合氧化鋁礦。鋁元素在地殼中的含量僅次於氧和矽，名列第三(8%)。在全部金屬元素中鋁占第一位，它比鐵幾乎多了一倍，是銅的近千倍。

金屬鋁是一種質輕、銀白色有光澤的金屬，密度為 2.7g/cm³，熔點為 930K，沸點為 2740K，它具有良好的延展性和導電性，能代替銅用來製造電線、電壓電纜、發動機等電器設備。 Al 原子的價電子組態為 3s²3p¹，在化合物中氧化數經常為 +3 價。由於 Al³⁺ 有相當大的極化能力，在化合物中常會顯現相當的共價性，表現出缺電子特性。分子可自身聚合或生成加合物。又因 Al 原子有空的 3d 軌域，與具有孤對電子(lp)之電子給予體能形成配位數是 6 或 4 的穩定錯合物。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鉈(Thallium)

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

1861年英國化學家和物理學家克魯克斯(Crooks W.)在用光譜分析鑑定硫酸礦的殘渣時，發現兩條從來沒有見過的、帶有新綠色的譜線，他斷定殘渣中必定含胝一種新元素，並把它命名為「Thallium」該字源自拉丁文「Thallos」，意思是「剛發芽嫩枝」，即綠色。中文音譯為鉈，次年，克魯克斯用電解法製備出單質鉈。鉈在地殼中的含量為千萬分之三，以低濃度分佈在長石、雲母和閃鋅礦中。鉈是灰白色、重而軟的金屬，熔點 304℃，沸點 1457℃，密度為 11.85g/cm³，硬度 1.2~1.3。室溫下，鉈就能與空氣中的氧作用，失去光澤變得灰暗，生成厚的氧化亞鉈 Tl₂O 膜。鉈與氧作用還可生成 Tl₂O₃。室溫下，鉈能與鹵素作用生成 TlX₃。TlX₃不穩定，TlBr₃、TlI₃不存在。高溫時，鉈能與硫、硒、碲、磷反應。鉈不溶於鹼，與鹽酸作用較慢，但能迅速溶解在硝酸、稀硫酸中，生成可溶性的鹽。

製備：鉈主要是從硫化物礦焙燒的煙道灰中提取的，可用熱水或稀硫酸浸取，再製成氯化亞鉈或還原為金屬。此法所得粗鉈常含有鉛、鋅、鎳等雜質，用熱的稀硫酸溶解鉈，稍加稀釋除去硫酸鉛，再用鹽酸和熱的稀硫酸反復沉澱和溶解，將鉈進一步純化，最後電解為金屬。

鉈的某些化合物對紅外線特別敏感，主要用於紅外線探照燈、紅外線照相、夜視等。某些化合物可做有機合成的催化劑。 鉈及其化合物對人體和生物體都有毒，可以做殺鼠、殺蟲劑，而人食入少量的鉈鹽可使毛髮脫落，致死量為 1.75g 硫酸亞鉈。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鈣(Calcium)

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鈣也是地殼中分布很廣的元素之一。1808 年，英國化學家戴維電解石灰與氧化汞的混合物，得到鈣汞合金，將合金中的汞蒸餾後，就獲得了銀白色的金屬鈣。

鈣的英文名稱為 Calcium，源自於拉丁文中表示生石灰的字「Calx」。因為戴維首次以石灰中取得鈣，他為它命名時，在「Calx」字後加上通常用於金屬的字尾「-ium」，將新元素命名為「Calcium」，意思是「從石灰中得到的金屬」。中文翻譯為鈣，元素符號為 Ca。

鈣在地殼中的含量為 3.64%，僅次於氧、矽、鋁、鐵。鈣以化合物形式廣泛存在於自然界。主要礦物有石灰石 CaCO₃、方解石 CaCO₃、冰洲石 CaCO₃、大理石 CaCO₃、白雲石 MgCO₃∙CaCO₃、螢石 CaF₂、石膏 CaSO₄∙2H₃O、磷灰石 Ca₅(PO₄)₃F 等。在動物骨骼、牙齒、蛋殼、珍珠、珊瑚、海生動物體和許多土壤中都含有鈣。海水中氯化鈣（(CaCl₂)含量佔 0.15%）。

金屬鈣的製備方法有 (1) 電解熔融氯化鈣：CaCl₂（1073K，電解）→Ca+Cl₂ ↑ (2) 金屬鋁在真空和 1473K 溫度下還原石灰：3CaO+2Al（1473K，真空）→3Ca+Al₂O₃ 還原法成本較低，有望取代電解法成為主流。

物理性質：
鈣是銀白色金屬，密度 1.56g/cm³，熔點 1112K，沸點 1757K，硬度 1.5，鈣屬於輕金屬，它的密度與硬度均比鎂低。

化學性質：鈣的電負度 1.0，標準還原電位 -2.87V，為一活潑金屬，化學性質主要表現在還原性：

1. 強還原力：鈣與冷水作用緩慢、與熱水作用劇烈反應放出氫氣：Ca+2H₂O→Ca(OH)₂+H₂
2. 鈣在空氣中能與氧氣和氮氣緩慢作用形成一層氧化物和氮化物的保護膜。在空氣中燃燒生成氮化鈣(Ca₃N₂)及氧化鈣(CaO)。
3. 鈣能與鹵素直接作用，加熱時與硫、氮氣、碳作用，生成鹵化物、硫化物、氮化物和碳化物：Ca+F₂→CaF₂；Ca+S→CaS；Ca+2C→CaC₂
4. 鈣與氫在加熱反應下生成氫化鈣(CaH₂)，遇水放出氫氣，是一種常用的氫氣發生物。Ca+H₂→CaH₂；CaH₂+2H₂O→Ca(OH)₂+H₂↑

重要化合物的性質、製取及用途：

1. 氧化鈣：氧化鈣是白色粉末狀固體，含有雜質時為灰白色，熔點 2887K，沸點 3123K，密度 3.25~3.38g/cm₃，硬度 4.5。工業上氧化鈣俗稱為石灰或生石灰，是由煅燒石灰石(CaCO₃)而得：CaCO₃→CaO+CO₂ ↑ 。
   主要化學特性：具有吸水性，可用作乾燥劑。與水激烈反應，放出大量的熱，生成氫氧化鈣：CaO+H₂O→Ca(OH)₂；氧化鈣是鹼性氧化物，易溶於酸，久置空氣中會吸收二氧化碳而變成碳酸鈣：CaO+CO₂→CaCO₃；高溫下，氧化鈣能與酸性氧化物 SiO₂ 作用：CaO+SIO₂→CaSIO₃；石灰主要用作建築材料、耐火材料，還可用作乾燥劑，特別是用作氨的乾燥劑。
2. 氫氧化鈣：為疏鬆的白色粉末，在 853K 時脫水成氧化鈣。微溶於水，在水中的溶解度隨著溫度而減小，為中強鹼。氫氧化鈣亦能吸收空氣中的二氧化碳而生成碳酸鈣沉澱：Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃↓+H₂O。氫氧化鈣俗稱熟石灰或消石灰，其澄清的水溶液稱為石灰水。氫氧化鈣與水組成的乳狀懸濁液稱為石灰乳，可用於消毒殺菌。
3. 鈣鹽：
   • 碳酸鈣：為天然存在的石灰石、大理石、冰洲石的主要成份，加熱至 800℃ 後開始分解，生成氧化鈣及二氧化碳CaCO₃（受熱分解）→CaO+CO₂↑；碳酸鈣不溶於水，但溶於含有二氧化碳的水中，生成可溶的碳酸氫鈣(Ca(HCO₃)₂)，為暫時硬水的成份。但遇熱時二氧化碳被趕出，又生成碳酸鈣沉澱 Ca(HCO₃)₂→CaCO₃+CO₂↑+H₂O，此即為石灰岩溶洞的形成原理。天然的碳酸鈣用於建築材料，如作水泥、石灰、人造石等，還用於陶瓷、玻 璃的原料。
   • 磷酸鈣：磷酸鈣不溶於水和乙醇而溶於酸，工業上生產磷酸是用磷酸鈣與硫酸作用而製得：Ca₃(PO₄)₂+3H₂SO₄→3CaSO₄+2H₃PO₄，用硫酸處理Ca₃(PO₄)₂∙H₂O 礦粉，可製得過磷酸鈣，是一種常見的水溶性磷肥，主要成分是磷酸二氫鈣及無水硫酸鈣：Ca₃(PO₄)₂+2H₂SO₄→2CaSO₄+Ca(H₂PO₄)₂
   • 草酸鈣：鈣離子與草酸根可生成白色草酸鈣沉澱：Ca²⁺+C₂O₄^2-→CaC₂O₄ 草酸鈣不溶於水，在定量分析上常利用此一性質來檢驗或測定鈣和草酸的含量。
   • 硫酸鈣：白色固體，難溶於水。硫酸鈣的二水合物(CaSO₄∙2H₂O)俗稱為石膏或生石膏可加熱脫水而生成熟石膏或燒石膏 (2CaSO₄∙H₂O)，熟石膏與水混合後有可塑性，但不久即硬化重新變成石膏，此過程放出大量熱並膨脹，因此可用於鑄模和雕塑。硫酸鈣和石膏可用於於製造硫酸和水泥和豆腐的凝聚劑。
   • 氟化鈣：高純度的氟化鈣是無色透明的晶體，可用於光學儀器材料。天然存在的氟化鈣是螢石礦，一般螢石因含有微量雜質而略呈綠色或紫色。
   • 氯化鈣：氯化鈣是白色晶體或塊狀物，極易溶於水，與水可形成一、二、四、六水合物，存在狀態主要受溫度的影響。無水氯化鈣和它的水合物都是溶易潮解的白色固體，常用作乾燥劑。六水合物 CaCl₂∙6H₂O與冰混合可作冷劑。
   • 碳化鈣：工業上的碳化鈣俗稱電石，由於含雜質而呈灰色。電石是由生石灰(CaO)與焦碳在高溫下反應製得 2CaO+4C (高溫)→2CaC₂+O₂↑；與水反應生成乙炔 CaC₂+2H₂O→C₂H₂↑+Ca(OH)₂，是重要的有機合成原料。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 矽(Silicon)元素

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

矽在早期曾被戴維(Davy)誤認為化合物。18 世紀 70 年代，化學家們用螢石與硫酸作用發現氫氟酸以後，便打開了人們認識矽石複雜組成的大門。尤其在電池發明以後，化學家們利用電池獲得了活潑的金屬鉀、鈉、初步找到了把矽從它的化合物中分離出來的途徑。1823 年瑞典化學家 Berzelius J. J. 用金屬鉀還原四氟化矽或用金屬鉀與氟矽酸鉀共熱，首次製得較純的粉狀單質矽。

矽的拉丁名稱 Silex 即「石頭」的意思。早期化學家把燧石及類似的岩石稱為「Silica」，Berzelius 從矽石中發現新元素矽時，簡單地在該詞後加上一個共非金屬用的字尾「on」，結果就是 Silicon，元素符號為「Si」。

矽在地殼中的豐度為 27.7%，在所有的元素中居第二位，地殼中含量最多的元素氧和矽結合成的二氧化矽 SiO₂，占地殼總質量的 87%。矽以大量的矽酸鹽和石英礦形式存在於自然界中，是構成地球上礦物界的主要元素。由於矽易與氧結合，因而自然界中沒有游離態的矽存在。

矽的製備：
工業上用焦碳在電爐中將石英砂還原，先得到粗 Si：SiO₂+2C → Si+2CO ，然後再將粗 Si 再轉變成四氯化矽：Si+2Cl₂ → SiCl₄ 用精餾的方法將 SiCl₄ 純化後，再用鋅或鎂還原 SiCl₄，以得到較高純度的單質矽（冶金級矽）：SiCl₄ + 2Zn → Si + 2ZnCl₂（950℃，杜邦法），最後用物理方法（區域熔融法，zone melting 或 zone refining），來進一步純化，得到高純度的矽。

矽的用途：

1. 高純度的單晶矽是重要的半導體基礎材料主要應用在積體電路及微晶片。在單晶矽中摻入微量的 ⅢA 族元素，形成 P 型矽半導體；摻入微量的 ⅤA 族元素，形成 N 型矽半導體；將 N 型和 P 型半導體結合在一起，可製作太陽能電池，現已形成一新興的太陽能產業。
2. 矽是金屬陶瓷、太空飛行的重要材料：將陶瓷和金屬混合燒結，製成金屬-陶瓷複合材料可耐高溫。
3. 用於光纖通訊：利用二氧化矽製造玻璃纖維，利用雷射光進行訊號傳輸，不受電、磁干擾，且傳輸速度快、容量大。
4. 有機矽化合物：有機矽塑料是良好的防水塗佈材料；矽膠具良好的絕緣性能，不易老化、龜裂、無毒，可作為醫用高分子材料 ；矽油是良好潤滑劑，因其黏度幾不受溫度影響，流動性佳、蒸氣壓低，廣泛應用於極端環境。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 矽(Silicon)之物理性質

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

矽有晶態和無定形兩種同素異形體。晶態矽又分為單晶矽和多晶矽，它們均具有金剛石晶格(diamond cubic crystal structure)，晶體硬而脆，具有金屬光澤，能導電，但導電性不如金屬，且隨溫度升高而導電性增加，具有半導體性質。

晶態矽的熔點 1410℃，沸點 2355℃，密度 2.32~2.34g/cm³，莫氏硬度 7。 單晶矽與多晶矽的區別在於當熔融的單質矽凝固時，矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核。

如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶矽。 如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶矽。多晶矽與單晶矽的差異主要表現在物理性質方面，如力學性質、電學性質，多晶矽的表現均不如單晶矽。

多晶矽可作為拉製單晶矽的原料。半導體元件要求矽的純度在 6 個 9 以上，大規模積體電路要求的矽純度必須達到 9 個 9。單晶矽是現代半導體產業不可缺少的基本材料。現行生產方法主要為 Czochralski process (CZ-Si) 或 float-zone silicon (FZ-Si)。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 矽(Silicon)之化學性質

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

矽在常溫下不活潑，其主要的化學性質如下：

1. 與非金屬作用：常溫下 Si 只能與 F₂ 反應，在 F₂ 中瞬間燃燒，生成 SiF₄：Si+2F₂→SiF₄，加熱時能與其他鹵素反應生成鹵化矽，與氧反應生成 SiO₂：

   Si+2X₂→SiX₄(X=Cl,Br,I) Si+O₂→SiO₂

   高溫下，矽與碳、氮、硫等非金屬單質化合，分別生成碳化矽 SiC、氮化矽 Si₃N₄ 和硫化矽 SiS₂ 等：

   Si+C→ SiC；3Si+2N₂→Si₃N₄；Si+2S→SiS₂

2. 與酸作用：Si 在含氧酸中表面會被鈍化，但與氫氟酸及其混合酸反應，則生成 SiF₄ 或 H₂SiF₆：

   Si+4HF→ SiF₄+2H₂ 3Si+4HNO₃+18HF → 3H₂SiF₆+4NO+8H₂O

3. 與鹼作用：非晶矽能與鹼激烈反應生成可溶性矽酸鹽，並放出氫氣：

   Si+2NaOH+H₂O → Na₂SiO₃+2H₂

4. 與金屬作用：矽能與鈣、鎂、銅、鉑、鉍等化合，生成相應的金屬矽化物。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 濃度 (Concentration)

高雄女中化學科陳文靜老師

濃度的目的是用來表示，到底有多少溶質存在於溶液中？ 表示濃度的方法有很多種，在高中學習中，大概有以下幾種:

1. 溶液單位體積（升）中含有多少莫耳的溶質；表示法為 M，稱為體積莫耳濃度
2. 溶劑單位質量（1000 克）中含有多少莫耳的溶質；表示法為 m，稱為重量莫耳濃度
3. 溶液單位質量（100 克）中含多少質量的溶質；表示法為 C%，稱為重量百分率濃度
4. 溶液單位莫耳中含有多少莫耳的溶質；表示法為 Cx，稱為莫耳分率
5. 溶液單位體積（升）中含有多少毫克的溶質；表示法為 ppm，稱為百萬分濃度
因為溶質在溶液中有濃、稀問題，不同情況要用不同的表示法。

例如：二氧化碳在空氣中的濃度是 2200ppm，這數據看起來的確很嚇人，可是，若以M來表示時，就變成 0.05M 這會讓學生覺得它很不重要。所以，表示法有很多種而非單一一種，以免讓學習者誤以為某個溶質濃度並不重要而忽視它。

常用濃度的表示法

1. 體積莫耳濃度 (M)。例如：0.1M 溶液，代表每公升溶液中，有 0.1 莫耳的溶質。
2. 重量莫耳濃度 (m)。例如：0.5m 溶液，代表每公斤溶劑中，有 0.5 莫耳的溶質。
3. 重量百分率濃度 (C%)。例如： 30% 溶液，代表每 100 克溶液中，有 30 克的溶質。
4. 莫耳分率 (Cx)。例如：莫耳分率為 0.1，代表每 1 莫耳的溶液中，有 0.1 莫耳的溶質。
5. 百萬分濃度(ppm)。例如：220ppm，代表每升溶液中，有 2200 毫克溶質。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 包立不相容原理 (Pauli exclusion principle)

高雄市高雄中學龔自敬老師/國立中山大學化學系董騰元教授責任編輯

包立不相容原理 (Pauli exclusion principle) 是包立於1925年提出的重要「量子力學」原理，它的主要內容為：

具有相同量子數的兩個電子是不可能同時存在的，也就是說，同一原子中的任一個電子，它在原子軌域中的 4 個量子數（主量子數 n、副量子數 l、磁量子數ml和自旋量子數ms ）不可能完全相同。

現在以氦（He）為例，氦擁有兩個電子，而其四個量子數的排列 (n,l,ml,ms) 分別為 (1,0,0,-1/2) 和 (1,0,0,+1/2) ，其中不相同的地方就在自旋量子數 ms，-1/2和+1/2代表電子在軌域中的自旋方向為逆時針旋轉和順時針旋轉，也就是說同一軌域中的兩個電子，其自旋方向必不相同；依據「包立不相容原理」加以描述，即「每一軌域最多只能容納自旋方向相反的兩個電子」，或「一個原子中沒有任何兩個電子可以擁有完全相同的量子態。」

「包立不相容原理」之所以重要的原因在於它與組成物質的三個基本粒子（電子、質子、中子）都有直接或間接的相關性，依此原理可將組成物質的各粒子在空間中排列的情形更進一步的加以描述，也可將此原理應用在判斷物質的穩定性或元素週期表中週期性的存在等各方面。

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