益智化學

「化學」這門科學進展甚快，歷年來累積了許多介紹新知、闡明學理的文章。但也因其發展的既快且廣，甚至有些十多年前的尖端或有趣課題，現已不那樣重要了。然又有些一般高中和大一教科書以往迄今都忽視的課題，從科學教育的觀點卻仍為重要。故為配合本叢書篇幅，於2001~2010年間選文22篇以成此書。

這22篇文章分成三組。一為「基礎化學知識」，包括與生活相關的染燙髮劑，暖暖包冷敷包、三聚氰胺、三酸甘油酯，及補充教科書不足的稀有氣體化合物、活化能低限能、低熔點金屬、奈米新世界共八篇文章。二為「光電相關化學」，包括液晶、電池、發光二極體、光觸媒等十篇文章介紹與光、電等現代科技相關的化學原理與應用。三為「生質能源之化學」相關之文四篇。

本書特色

★ 將過去四十年中《科學月刊》所刊載的各學科文章按編成專書。

劉廣定

臺灣大學化學系畢業。美國普渡大學博士。

曾任臺灣大學化學系教授、國科會自然科學發展處處長，現為臺灣大學名譽教授。

曾獲教育部理科學術獎，中國化學會學術獎章，中山學術著作獎。並膺選英國皇家化學會會士(FRSC)，中國科學院自然科學史研究所「竺可楨科學史講席教授」。

曾發表化學論文百餘篇，文史、教育、科技政策等其他論著約兩百篇。已出版《中國科學史論集》（2002年），《化外談紅》（2006年）等。

暖暖包與冷敷包的化學原理 施建輝

寒流來臨，各種禦寒用品紛紛派上用場，賣場最熱銷的是各種電暖器，它能使屋內溫暖如春，但是對於手腳特別易於冰冷的人，暖暖包可是最佳的選擇。運動時若不慎拉傷或扭傷，專家常提醒絕對不可搓揉，而是應該在24小時內進行冰敷，使傷害不至擴大。簡單的冰敷是使用毛巾包著冰塊，另一個選擇則是使用冷敷包。暖暖包與冷敷包都是化學反應伴隨的熱效應的應用。在人們需要時，暖暖包藉著化學反應伴隨著釋出熱能，提供人們溫暖；冷敷包則是藉著化學反應吸收熱量，達到降溫的功效。本文將為各位讀者介紹常見的暖暖包、冷敷包及其化學反應。

顧名思義，暖暖包必是放熱反應，市面上常見到的暖暖包有兩種，其一是不可逆的，用完即丟，另一種是可逆的，可以重複使用。大家都知道燃燒會發光發熱，其實燃燒是一種激烈的氧化反應；鐵生鏽也是一種氧化反應，只是因為速率太慢，我們無法感受其放出的熱量。化學課本告訴我們，增加接觸面積是增快反應速率的方法之一，因此在暖暖包內裝入鐵粉以加速反應，再加入少量水與鹽分促使反應的進行。

這種暖暖包只要用手搓揉，使水及鹽分與鐵粉混合即可生熱。這種暖暖包使用後因為鐵粉已經氧化，無法輕易回復原樣，因此僅能使用一次，屬於不可逆。

另一種暖暖包（即熱敷袋）則是利用過飽和溶液析出過量的溶質時放熱的特性而製成。溶質在溶劑中溶解形成溶液，一般溶質在溶劑中溶解會有最大限度，如此形成的溶液稱為飽和溶液。在溶液達到飽和狀態後，無法再溶解更多的溶質，但某些溶質可加熱使之溶解，而且當降溫時，並未有任何溶質析出，此時溶液即是過飽和狀態。在過飽和溶液中加入晶種，即可令其析出過多的溶質並且釋放熱量。

最常被用來製備過飽和溶液的是醋酸鈉（CH3COONa），目前市面上販售的熱敷袋就是醋酸鈉的過飽和溶液。當裡面的鐵片折彎時，即是扮演晶種的角色，使溶解過量的醋酸鈉析出並且放熱。這種暖暖包使用後放入熱水中加熱，又可回復到過飽和狀態重複使用，所以是可逆的裝置。

冷敷包當然是吸熱反應的應用，先來看一個神奇的吸熱反應。在燒杯中加入氫氧化鋇（Ba(OH)2‧8H2O）與氯化銨（NH4Cl），直接以玻璃棒攪拌，溫度可降低至-15℃！氫氧化鋇與氯化銨的反應式如下：

Ba(OH)2‧ 8H2O ＋ 2NH4Cl ＋熱→BaCl2 ＋2NH3 ＋ 10H2O

利用這個吸熱反應的效果，進行一項「化學大力士」的趣味化學實驗：給定量的氫氧化鋇與氯化銨，各組利用吸熱的效應，設法將燒杯與木片黏成一體，將燒杯舉起，木片並不掉下視為成功（圖二）。成功的組別在木片上放置砝碼，比賽哪一組能承載力最強。為何燒杯裡面有兩層，兩層中間是有很多小孔的厚紙板，使用時需將上層的鋁箔包撕開並將其中的菜餚倒入經過脫水處理的米飯上，蓋緊上蓋後，將下層露出厚紙板的線用力拉扯，靜待約15分鐘，即可享用熱騰騰的盒餐了。筆者食用的任教科學園區實驗高級中學化學科與木片能夠黏成一體？技巧是加水，而且是加在燒杯外而不是燒杯內。在燒杯與木片的接觸處滴加少量水，利用燒杯內進行的吸熱反應，使得這些水結冰而將燒杯與木片黏成一體，筆者在學校進行的比賽中，就曾見過一組在木片上放了超過4公斤的砝碼而未掉落的成功例子！

冷敷包必須方便好用，當然不能如上面的反應（需要攪拌）。最常用的冷敷用品其實是冰枕，使用前將它放進冷凍庫冷凍，需要時取出並以毛巾包裹，即可放在受傷處而達到冷敷的效果。但是如果在戶外或急需時，就需藉助冷敷包了。有一種冷敷包是在袋中裝有硫酸鈉晶體（Na 2SO 4‧10H 2O）、硝酸銨（N H 4N O 3 ）、硫酸銨〔 ( N H 4 ) 2S O 4〕與硫酸氫鈉（NaHSO4），使用時，只要用手搓揉冷敷包，使得硫酸鈉晶體釋出結晶水，這個過程即是吸熱反應，釋出的水溶解其他鹽類再度吸熱，因此可達到降溫的效果。其反應式如下：

Na2SO4‧10H2O(s)＋熱→2Na+(aq)＋ SO42-(aq)＋ 10H2O(l)

以上兩種化學反應的實際應用，在在顯示化學和生活息息相關，經由化學家巧妙的設計，即可為生活帶來很大的便利。

筆者多年前曾在量販店看到一種自動加熱的盒餐，基於本身是化學老師的背景，對這種盒餐當然甚感好奇，就買了一個回家試用並了解其設計內容。這種盒餐的構造與使用方法是這樣的：外殼是厚紙板，感覺還不錯，脫水的米粒變軟了，菜餚的熱度也夠。

我對它的原理當然好奇，經拆解並觀察後，不禁為化學家喝采，這又是一個巧妙的設計。原來下層放了石灰，而那一條線是連接在水袋（注意：又是薄塑膠袋裝水）上，當拉扯線後，水袋即破裂，流出的水與石灰反應而放熱，這些熱再使水形成熱蒸氣通過小孔，使上層的菜餚受熱並使乾米粒吸水而軟化。這個反應是國中以上學生很熟悉的：生石灰加水變成熟石灰，為何稱之為熟石灰？因為放熱的緣故！其反應式如下：

CaO ＋ H2O → Ca(OH)2 ＋熱

仔細觀察，餐盒內部貼上鋁箔，這是利用物理熱學原理──金屬反射輻射熱，降低餐盒內的熱能外溢，以提升盒餐溫度。這個商品的設計，結合了物理與化學的原理，可說是又巧妙又有趣，但是食用的感覺是，雖然尚可，但是還是不如親自烹調的美味，尤其這個商品使用不少資源，實在不夠環保，可能這些原因，現在已經找不到這個商品了。

這個實例與暖暖包、冷敷包一樣，說明了我們對化學了解愈清楚愈深入，並將之用於有益之處以改善生活品質，是化學最大的貢獻。由此可知，化學與我們日常生活非常親近，也因此，化學的某些負面形象（污染、有毒等）也可獲得澄清，化學是我們生活中不可或缺學科，也是我們的良師益友。