化 學
A
本章節次
學習目標
3-1 食品與化學
目標一：認識食物中常見的的醣類。
3-2 衣料與化學
目標二：認識蛋白質的成分及功用。
3-3 材料與化學 3-4 藥物與化學
目標三：認識茶與咖啡中所含的化學物質及咖啡因對人體的影響。 目標四：認識動植物纖維、合成纖維及再生纖維的成分及特性。 目標五：可以描述肥皂與清潔劑的成分及去汙原理。 目標六：可以描述塑膠、陶瓷磚瓦與玻璃的組成及用途。 目標七：認識常見的胃藥、消炎藥與止痛劑的成分及特性。 目標八：可以說明香菸、大麻、安非他命及海洛因對人體的影響。
日常生活中的食衣住行都 和 化 學 息 息 相 關， 從 每 天 攝 取 各種食物來獲得足夠的能量和 體 力、 穿 著 不 同 的 衣 料 來 適 應 氣 候 變 化， 再 到 我 們 所 住 的 房 子 與 交 通 工 具， 都 是 由 許 多 不 同 的 化 學 成 分 所 組 成， 甚 至 生 病時所服用的藥物亦是由化學 物 質 合 成。 本 章 將 逐 一 介 紹 食 品、 衣 料、 材 料、 藥 物 各 自 與 化學的關係。
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建議上課時數：5hr
Chapter
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3-1 │食品與化學
生物為了維持生命、免於飢餓，就需要獲得養分。對人類而言，藉由食 物的攝取可以得到所需的養分進而促進身體生長，修補組織及調節生理功能。 若是缺乏某些營養素，會造成部分生理機能無法正常運作而引發疾病；攝取 過多養分也會造成身體的不適或致病，因此均衡的飲食是身體健康的要素。 人類身體所需的六大營養素．包含：醣、蛋白質、脂肪、水、維生素及礦物 質。六大營養素主要的功能是調節細胞的化學反應、供給肌肉收縮所需的能 量、腺體分泌調節新陳代謝及身體組織成分的合成。 身體的熱量來自六大類食物，但是依據性別與生活型態的不同，所需要 的熱量也會不同。但每人每天都要吃到六大類食物，並在每類食物中多加變 化（如圖 3-1 ）。
▲ 圖 3-1 六大類食物飲食指南
這六大類食物包含了六大營養素，其中水果類主要提供維生素 C 及纖維 素；蔬菜類提供維生素 A 、 B 、 C 及礦物質、纖維素；全榖根莖類提供人體醣 類的獲取；豆魚肉蛋類供給人類蛋白質的需求；乳品類則提供鈣質及蛋白質； 油脂與堅果種子類主要是人類的脂肪攝取來源。
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3-1.1 醣類
在日常攝取的食物中，有許多含醣類的物質，醣類的主要功能是提供能
量，常見的醣類包含：米飯、麵食、蕃薯、馬鈴薯及蔗糖等。醣又稱碳水化 合物（ carbohydrate ），化學式 C n(H 2O) m，但實際上，水分子不存在於醣類 的結構中。因在結構上的差異，醣類可細分為單醣、雙醣及多醣三種。
一 單醣
單醣（ Monosaccharides ）是最簡單的醣類。葡萄糖
（ glucose ）、 果 糖（ fructose ） 及 半 乳 糖（ galactose ） 都 是 單 醣， 分 子 式 均 為 C 6H 12O 6。 它 們 無 法 分 解 成 其 他 醣類，最重要的單醣是葡萄糖（圖 3-2 ），成熟的水果、 蜂蜜都含有葡萄糖，人的血液中也含有少量的葡萄糖（又 稱為血糖）。果糖（圖 3-3 ）的甜度則高於葡萄糖，自然 界中以蘋果和蜂蜜含果糖量較多。而海草中的洋菜含有 豐 富 的 半 乳 糖（ 圖 3-4 ）， 半 乳 糖 是 腦 組 織 中 的 一 種 成 分，對嬰兒腦部有極大影響，是一種很重要的營養素。 生物體的消化作用，是將大分子量的醣轉化成小分
▲ 圖 3-2 葡萄糖
子量的醣，再由細胞吸收，儲存為身體所需的能量。人 體血液中葡萄糖的濃度須維持在一定的範圍內，太高或 太低都會導致疾病。人體的代謝系統可將攝取的葡萄糖 經氧化而釋出能量，或經由複雜的生化程序轉變成脂肪 儲存起來，因此攝取過多糖分會造成肥胖。
二 雙醣
雙醣（ Disaccharides ）是由兩個分子的單醣脫去一
▲ 圖 3-3 果糖
分子的水而得，其分子式為 C 12H 22O 11。相反的，將一分 子的雙醣加水分解，即可得二分子的單醣（表 3-1 ）。 ▼ 表 3-1 雙醣的水解產物
雙醣
水解之單醣產物
來源
麥芽糖
葡萄糖、葡萄糖
可由澱粉水解得到
蔗糖
葡萄糖、果糖
甘蔗、甜菜等
乳糖
葡萄糖、半乳糖
母乳、牛奶等
▲ 圖 3-4 半乳糖
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▲ 圖 3-8 地瓜
▲ 圖 3-7 馬鈴薯
▲ 圖 3-5 麥芽糖
▲ 圖 3-6 蔗糖
大部分的麥芽糖（ maltose ）是由澱粉（屬於多醣類）發酵得來，麥芽糖 （圖 3-5 ）的甜度不及蔗糖，但易溶於水，常用於幼兒食品、糖果和作為食品 添加劑。蔗糖（ sucrose ）主要來源是甘蔗與甜菜，蔗糖（圖 3-6 ）味道甜， 且易溶於水，是日常生活中的主要食用糖，通常用於烹飪、製作蜜餞和糖果。 此外，在哺乳動物乳汁中約有 5% 左右的乳糖（ lactose ），是動物乳汁中的 主要醣類，甜味較弱，有利於身體內鈣的吸收，亦可促進腸管蠕動。
三 多醣類
多醣是由很多單醣脫去水分子結合而成的巨大分子聚合物，分子式可用
(C 6H 10O 5) n 代表，為重複連結而成的高分子聚合物。常見的多醣化合物如： 澱粉、肝醣及植物纖維素等。 馬鈴薯（圖 3-7 ）、地瓜（圖 3-8 ）都是富含澱粉的食物，澱粉（ starch ） 是植物藉由光合作用將 CO 2 及 H 2O 合成的葡萄糖轉化而成。人類從食物中 攝取澱粉，澱粉在人體內由酵素逐漸水解成葡萄糖，攝入細胞中，成為能量 的來源。 肝醣（ Glycogen ）又名動物澱粉，是動物儲存葡萄糖的方式。當體內的 葡萄糖過多時，便會變成肝醣儲存於肝臟及肌肉中，而當動物運動需要能量 時，肝醣便分解生成葡萄糖供其使用。 纖 維 素（ Cellulose ） 則 普 遍 存 在 於 植 物 的 細 胞 壁 及 枝 幹 中， 棉 花（ 圖
3-9 ）中甚至含有高達 90% 的纖維素。纖維素不能被人體消化吸收，但是吃 進纖維素後可促進腸胃蠕動幫助排泄，是每日飲食中不可缺少的成分。 10
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四 人工合成的甜味劑
醣類的攝取量如果過高，容易造成體脂肪或血糖含量過高而有礙健康，
因此研發出人工代糖，這是一種在味覺上與蔗糖相似，卻又不是糖的替代品。 一些多元醇，例如：己六醇（ sorbitol ，又稱山梨糖醇）與糖類似，可用來製 作糖果或糖尿病患用的代糖。 合 成 甜 劑 中 最 常 見 的 是 糖 精（ saccharin ， C 7H 5NO 3S ）， 學 名 為 苯 甲 醯磺醯亞胺。糖精與糖類分子結構差異極大，但其甜度約為蔗糖的 300 倍。 阿 司 巴 甜（ aspartame ， C 14H 18N 2O 5） 為 另 一 廣 泛 使 用 的 甜 味 劑， 甜 度 為 蔗 糖的 160 倍，其熱值和蔗糖相仿。由於這些甜劑甜度高，只需少量即可替代 大 量 的 蔗 糖， 可 作 為 低 熱 量 食 品、 健 怡 可 樂、 無 糖 口 香 糖（ 圖 3-10 ） 的 添 加劑。
五 醣類的氧化反應
醣類是身體產生熱能最經濟的來源，每一
公克的醣在氧化之後，可以產生 4 卡的熱量， 正 常 人 每 天 需 要 的 總 熱 能 的 50% 到 60% ， 都 是 由 醣 類 所 供 應。 一 般 醣 類 進 行 氧 化 反 應 之 後，主要是產生二氧化碳與水。 圖 3-9 棉花
▲ 圖 3-10 合成甜劑：健怡可樂、無糖口香糖
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肽鍵的結構 肽鍵又稱醯胺鍵，其 結構式如下：
3-1.2 蛋白質
蛋白質是構成動植物組織的重要成分，例如：花生、黃
豆等植物的種子中含有大量蛋白質；人體組織中的頭髮、皮 膚、肌肉、指甲、羽毛及一些酵素、荷爾蒙也多由蛋白質所 構成。 蛋白質是由不同的胺基酸聚合而成，胺基酸是由於分子 中同時含有胺基（ NH 2）及羧基（ COOH ）而得名。胺 基酸分子中的胺基及另一分子的羧基反應脫去一分子的水而 形成 肽 鍵（或稱醯胺鍵），蛋白質即是含有很多 肽 鍵的化合 物， 除 含 有 C 、 H 、 O 、 N 等 元 素 外， 有 些 蛋 白 質 亦 含 有 S 及 P。 每 日 所 吃 的 肉、 蛋、 海 鮮（ 圖 3-11 ） 及 豆 類， 都 含 有 高量的蛋白質，人類將食物中的蛋白質加以消化分解成胺基 酸，再利用這些胺基酸合成人類所需的蛋白質。生物體內的 蛋白質由 20 餘種胺基酸所構成，有些胺基酸可在人體中自 行合成，稱為非必需胺基酸；也有一些胺基酸人體無法自行 合成，僅能藉由攝取食物來獲得，稱為必需胺基酸。一般而
▲ 圖 3-11 海鮮富含蛋白質
言，動物性蛋白質中大致上都含有人體所需的胺基酸。
化學名人堂 鮑林（ Linus Pauling 1901 － 1994 ） 鮑林出生於美國，主要的研究領域是物質的結構及化學鍵的鍵結理論。此外，他也研究胺 基酸和蛋白質的結構，因而發現蛋白質的螺旋體結構，並使他榮獲 1954 年諾貝爾化學獎。同時 他也致力推展和平運動，並獲得 1962 年諾貝爾和平獎。鮑林是史上唯二曾獲得兩個不同項目諾 貝爾獎的得獎者，另一位則是居禮夫人。 鮑林
蛋白質的螺旋 體結構 12
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蛋白質的種類很多，澱粉 酶 也是其中的一種。它存在於人類的唾液及胰 液中，此種澱粉 酶 可以消化米飯、麵食等澱粉類食物，使澱粉分解成葡萄糖， 作為能量來源。 蛋白質除了提供身體生長及組織修補，也可經代謝提供所需能量。飲食 攝取的蛋白質進入消化系統後，會先被酵素分解成胺基酸，才被小腸吸收進 入組織，體內多餘的胺基酸則經分解後，所含的氮會轉換成氨而以尿素的形 式排出體外。有些胺基酸可轉換為葡萄糖或脂肪以作為能量來源，其中每公 克的蛋白質可提供約 4 仟卡熱量，其數值略高於醣而比脂肪低。
3-1.3 油脂
油脂是人類生存的必需營養素，一般可分為動物性油脂（圖 3-12 ）與植
物性油脂（圖 3-13 ）。前者在室溫下通常呈固態，例如豬油、奶油、培根、 肥肉等；後者則呈液態，例如花生油、葵花籽油、橄欖油、玉米油等。 油脂中含有脂肪、脂肪酸與膽固醇等物質，通稱為脂質。脂質不溶於水， 但可溶於油性溶劑。植物性油脂含有較多的不飽和脂肪酸，經化學處理可製 成人造奶油；膽固醇則可調節人體的生理功能並穩固細胞膜。然而攝取過多 的膽固醇與脂肪酸，易導致心血管疾病。 脂肪對人體功用頗多，例如皮下脂肪可防止體溫散失過多並保持體溫； 脂肪組織則可支持、固定及保護器官，使器官減少受到撞擊與震盪的傷害。 此外，脂肪也會抑制胃腸蠕動，延長食物停留在胃內的時間以增加飽足感， 同時又可增添食物香氣，使食物潤滑、油亮並產生酥脆口感。 ▲
圖 3-12 動物性油脂
圖 3-13 植物性油脂
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3-1.4 維生素
維生素（ Vitamin ）是生物體所需要的微量營養成分，且
無法由生物體自行生產，需要通過飲食等方法由外界獲取 （圖 3-14 ）。 維生素無法像醣類、蛋白質及脂肪可以產生 能量、組成細胞，維生素主要功能是對生物體的 新陳代謝進行調節作用，因此缺乏維生素會導致 ▲ 圖 3-14 攝取蔬果可獲得各種維生素
嚴重的健康問題。適量攝取維生素可以保持身體 強壯，但攝取過量則會導致中毒。
3-1.5 礦物質
礦物質主要有鈣、磷、鐵．銅、鉀、鈉、氨、碘、氯、硫、鎂、錳、鈷
等。礦物質全部僅占人體體重的 4% ，但對人體有相當重要性，且是構成骨 骼、牙齒、肌肉、血球、神經的主要成分，並可調節各種生理機能，例如： 維持體液酸鹼平衡、調節滲透壓、心臟肌肉收縮、神經傳達等。
3.1.6 茶與咖啡
在現代社會中，茶及咖啡已成為十分普遍的飲品。茶與咖啡都含有咖啡
因（ C 8H 10N 4O 2），它對人體神經有興奮作用，因此具提神效果，但短時間 攝取過多的咖啡因可能會造成身體不適、心悸的現象。 茶 葉 的 主 要 成 分 是 纖 維 素（ 圖 3-15 ）， 依 處 理 程 序 不 同， 可 分 為 未 發 酵 茶、 半 發 酵 茶 及 發 酵 茶。 取 新 鮮 嫩 茶 葉，直接破壞葉中酵素乾燥而得的茶葉就是未發酵 茶，例如：綠茶；葉片經發酵再烘焙的則為發酵茶， 紅茶便屬於此類。而烏龍茶屬於半發酵茶， 其處理過程是在烘焙前僅做部分發酵。 除 了 茶 與 咖 啡 外， 目 前 市 面 上 許 多 飲 料 也 含 有 咖 啡 因， 例 如 可 樂就是在生產過程中直接添加咖 啡因。 ▲ 圖 3-15 含咖啡因飲料：茶葉、可樂
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兒茶素 茶葉中的主要成分是纖維素，並含有兒茶素類（catechins）、咖啡 因（caffeine）、少量的茶鹼（theophylline）、維生素及礦物質等。 其中兒茶素（Catechins）又稱茶單寧，和咖啡因同屬茶葉中的兩大重要 機能性成分，但是又以兒茶素為茶湯中最主要的成分。有些研究報告認為兒茶 素具有藥效，所以近來大家都愈來愈重視茶葉對人體的保健功效。其功效除了可 除臭抗菌之外，還可改變腸道微生物的分布、延緩老化以及清除自由基等。
隨堂練習 3-1 （ ）1. 各種醣類在人體中都會先轉變成何種糖，才能被細胞吸收？
(A) 果糖
(B) 葡萄糖
(C) 蔗糖
(D) 乳糖。
(C) 半乳糖
(D) 果糖。
（ ）2. 下列何者不是單醣？
(A) 葡萄糖
(B) 肝糖
（ ）3. 茶和咖啡都具有提神的效果，主要是因為含有
(A) 脂肪
(B) 醣類
(C) 咖啡因
(D) 纖維素。
（ ）4. 雙醣是兩個單醣去掉一分子的水，因此雙醣的化學式應該是
(A) C6H12O6
(B) C12H24O12
(C) C12H12O12
(D) C6H22O11。
(C) O
(D) Ca。
（ ）5. 蛋白質不含有下列何種元素？
(A) S
(B) C
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3-2 │衣料與化學
衣服的主要功能是為人類保暖。古人養蠶抽絲、種麻植棉，將動、植物 的天然纖維織成衣料。近代，因為化學工業大量製造的合成纖維使得衣料更 多樣化。在現今文明的社會中，衣服的款式及材質不斷推陳出新，衣料的清 潔也成為生活所必需。
3-2.1 天然纖維、人造纖維
天然纖維依來源可分為植物纖維與動物纖維。植物
纖維主要成分是纖維素，屬於多醣類，常見的植物纖維 包含麻與棉花（圖 3-16 ）。麻纖維較粗，麻織品有通風 透氣效果；棉花纖維則可吸水，具有吸汗效果。 動物纖維主要成分是蛋白質，常見的動物纖維包含 蠶絲和羊毛，藉由多股長鏈蛋白質並排在一起而形成細 ▲ 圖 3-16 植物纖維―純棉襯衫
絲狀的材質（圖 3-17 ）。羊毛纖維與蠶絲不同的是其蛋 白質中含有較多硫元素，這使得羊毛燃燒時有特殊臭味， 鏈與鏈之間更會形成硫 硫鍵，使各股蛋白質長鏈結合得 更緻密，所以羊毛的韌性比蠶絲強。 除了天然纖維之外，化學家也利用化學方法製造人 造纖維，且又可分為合成纖維與再生纖維。合成纖維分 子的排列比天然纖維要整齊，分子量平均值也比較大， 因此衣料性質不易起皺、富有彈性且更強韌，使得合成 纖維衣服有免熨且保持良好外觀的好處，例如：耐綸及
▲ 圖 3-17 動物纖維―羊毛
達 克 綸。 若 將 天 然 纖 維 與 人 造 纖 維 混 合 紡 織（ 俗 稱 混 紡），便可綜合不同材質的優點。（表 3-2 ） ▼ 表 3-2 常見的衣料纖維
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分 類
實 物
成 分
衣 料 特 性
檢 驗
植物纖維
棉、麻
多醣類
吸汗透氣，但易皺、蟲蝕 燃燒時較無臭味 或發霉
動物纖維
蠶絲、羊毛
蛋白質
吸汗透氣、保暖，但易變 遇硝酸時呈黃色，燃燒時 形、易燃、易發霉或破損 有氮或硫化物的臭味
人造纖維
達克綸 耐綸
聚酯 聚醯胺
強韌、平整有彈性、抗菌 燃燒時達克綸較無臭味， 防霉，但吸汗透氣性質不 但耐綸有氮化物的臭味 如天然纖維，易燃
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耐 綸（ Nylon ） 是 美 國 杜 邦 公 司 在 1928 年 所 發 明， 其 原 料 為 己 二 胺 與 己二酸。耐綸的生產成本遠低於蠶絲，且比蠶絲襪耐用並富彈性，現今常用 來作為玻璃、絲襪及釣魚線的原料。達克綸（ dacron ）是由對苯二甲酸與乙 二 醇 聚 合 而 成 的 聚 酯 類（ polyester ）， 常 作 為 衣 服 及 錄 音 帶 的 原 料。 奧 綸 （ Orlon ）是由丙烯 腈 聚合而成的合成纖維，又稱合成羊毛，其強度及保暖性 質與天然羊毛相似。 再生纖維是指以天然纖維為原料，經過化學藥品處理成液體後所製成的 纖維，例如：嫘縈與醋酸纖維。嫘縈俗稱人造絲，製作過程是將紙漿或木漿 加入氫氧化鈉溶液中浸漬。醋酸纖維則是將木漿精緻所得的纖維素與無水醋 酸及濃硫酸反應製得。
3-2.2 肥皂與清潔劑
肥皂與清潔劑（圖 3-18 ）是我們日常洗澡、洗衣、
洗碗常需使用的化學用品。肥皂的製備是將動物油或植 物油與氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液混合，加熱至沸騰， 經一段時間使反應充分並冷卻至室溫，再加入濃食鹽水， 使肥皂因溶解度降低而析出，此為皂化反應。 肥皂的化學通式可寫成 RCOO－ Na＋，肥皂分子同時 包含兩種特性，一種是長鏈狀的親油性烷基，另一種是 末端為親水性的羧酸根離子。長鏈烷基可與油汙互相混
▲ 圖 3-18 肥皂與清潔劑
合，圍住汙垢顆粒；親水的羧酸根離子曝露在外圍，在 水中形成微胞。此時肥皂的微胞裡面包著油垢，表面是 親水性的羧酸根離子而能溶於水，所以沖水後便可除去 汙垢，達到清潔效果。（圖 3-19 ）
▲ 圖 3-19 肥皂的清潔原理 17
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肥皂有良好的去汙效果，且毒性小，因此對環境的汙染
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清潔劑的添加劑 清潔劑除了肥皂成分 外，有時為了商業需要， 還加入了各種添加劑。例
較小，唯一缺點為易與硬水中的 Ca 2 ＋ 或 Mg 2 ＋ 離子形成白 色沉澱。此外，肥皂水溶液呈弱鹼性，會溶解動物纖維，故 不適合洗濯絲織品及毛織品。為了改善此缺點，人工合成的 清潔劑則將親水性官能基改變為磺酸根（ SO 3 －），因磺酸 鈣鹽或磺酸鎂鹽在水中可以溶解，故能維持清潔效用，其主 要成分的結構如下：
如；鮮豔劑可使衣服更顯 亮麗、漂白劑使衣物更潔 白、填加磷酸鹽可軟化水 質及增進清潔效果。但是 值得注意的是，這些添加 劑會影響水源，造成河川
清潔劑對環境的汙染比肥皂大，大量的清潔劑經下水道 流入河流、大海，產生大量的泡沫，導致水中動植物死亡，
或湖泊水質溶氧量下降，
嚴重影響到大自然環境。肥皂與清潔劑對水質汙染程度不同
稱為優養化。
的主要原因在於肥皂的親油端為直鏈，而清潔劑的碳鏈通常 具有支鏈。海中微生物可以分解簡單的直鏈碳鏈，使其變為 小的有機分子，但微分物無法分解具支鏈的清潔劑，因而對 環 境 造 成 汙 染。 現 今 多 已 改 用 可 被 微 生 物 分 解 的 直 鏈 清 潔 劑，然而直鏈清潔劑在分解後，所產生的酚（ C 6H 5OH ）會 導致水中魚類的死亡，為另一大隱憂。
隨堂練習 3-2 （ ）1. 植物纖維的主要成分是
(A) 脂質
(B) 蛋白質
(C) 礦物質
(D) 多醣類。
(C) 礦物質
(D) 多醣類。
（ ）2. 動物纖維的主要成分是
(A) 脂質
(B) 蛋白質
（ ）3. 下列何種纖維燃燒時有氮或硫化物的臭味？
(A) 動物纖維
(B) 植物纖維
(C) 人造纖維
(D) 每種纖維都有。
（ ）4. 將動物油或植物油與氫氧化鈉混合可以得到下列何種化合物？
(A) 葡萄糖
(B) 肥皂
(C) 縲縈
(D) 脂肪。
（ ）5. 肥皂能夠去汙主要是因為何種原理？
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(A) 肥皂分子具有親水端與親油端
(B) 肥皂分子具有高分子量
(C) 肥皂僅有親水端
(D) 肥皂僅有親油端。
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3-3 │材料與化學
人 類 的 日 常 生 活 用 品 與 化 學 息 息 相 關， 隨 著 材料的設計與開發，人類的生活也更加便利。由傳 統材料的改質，到先進材料的研發，材料的進步也
象徵人類的科技文明不斷地向前，例如：塑膠尺、 立可白、瓶子、手機、購物塑膠袋、汽車輪胎、橡 皮擦、橡皮筋、陶瓷用品及磚瓦都是化學製品，甚 至 是 現 今 流 行 的 3D 列 印（ 圖 3-20 ） 也 是 建 構 在 新興材料上的基礎。在地球僅有限的天然資源下，
▲ 圖 3-20 3D 列印
科學家必須製造更多創新的材料滿足人類社會的需 求，因此需要依賴更多的化學技術。
3-3.1 塑膠
塑 膠 是 一 種 在 製 造 過 程 中 可 以 成 為 膠 狀 物 質， 再 被 塑 成 各 種 形 狀 的 聚
合物，塑膠的發明對人類生活產生巨大影響。塑膠都是以小分子化合物為基 本單位（或稱單體）經聚合反應而成，依聚合方式可分為加成聚合物與縮合 聚合物，這些單體大部分是從石油提煉而得，例如：乙烯生成聚乙烯（簡稱
PE ）、氯乙烯生成聚氯乙烯（簡稱 PVC ）。（表 3-3 ） ▼ 表 3-3 塑膠聚合方式與特徵
加成聚合物
縮合聚合物
單體聚合時無小分子放出者，進行 單體聚合時會放出小分子者，進行反應之單體應具有可 定義 反應之單體應具有不飽和鍵，才能 失去 H 2O 或 HX 之官能基。 發生加成聚合。
特徵
縮合聚合物的質量必小於原來單體的質量總和。
舉例
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這些聚合物是以長鏈碳 碳鍵為骨架構成的大分子。分子量的差異會造成 聚合物不同物性，分子量大通常具有較高的熔點及較大的機械強度，例如： 聚乙烯塑膠，密度低的適合製成保鮮膜、塑膠袋；密度高的可製成水管。塑 膠一般可再細分為熱塑性塑膠和熱固性塑膠兩大類，加熱之後會變軟，成型 冷卻後變硬，且加熱可再軟化的塑膠，稱為熱塑性塑膠（ thermoplastics ）； 加 熱 軟 化、 成 型 冷 卻 硬 化 後， 加 熱 無 法 再 軟 化 的 塑 膠， 則 稱 為 熱 固 性 塑 膠 （ thermosetting plastics ）。（表 3-4 ） ▼ 表 3-4 常見的塑膠
聚合物 名稱
聚乙烯 （PE）
聚丙烯 （PP）
單 體
性 質
乙烯
1. 熱塑性塑膠。 2. 為最簡單的塑膠，質輕、不耐熱。 3. 高 密 度 聚 乙 烯（HDPE）， 熔 點 較 高、 質 地較硬，多半不透明，用於製造玩具、容 器、注射筒等。 4. 低 密 度 聚 乙 烯（LDPE）， 成 半 透 明， 較 有彈性，用於製造塑膠袋、保鮮膜、塑膠 布、塑膠軟管等。
丙烯
實 例
塑膠袋與不透明桶子
1. 熱塑性塑膠。 2. 熱穩定性好、質硬耐磨、耐壓。 3. 用於製造杯皿、地氈、塑膠繩、汽車喇叭、 保險桿、便當盒、人工草皮、塑膠椅等。 人工草皮
聚氯乙烯 （PVC）
氯乙烯
1. 熱塑性塑膠。 2. 質地硬而脆、電絕緣性佳、不易燃、易加 工。受熱會釋出未聚合的氯乙烯單體，為 有毒物質，因此不可用來盛裝食品。 3. 用於製造雨傘、硬質水管、塑膠袋、唱片、 信用卡、塑膠地磚、電線外皮等。
信用卡與唱片
1. 熱塑性塑膠。 2. 質軟、熔點高、絕緣性佳，抗腐蝕性為所 有塑膠之冠。 四氟乙烯 （Teflon， 3. 可用於塗覆在鍋上形成不沾鍋，或用於製 鐵氟龍） 造襯墊、絕緣體、軸承等。 聚四氟 乙烯
不沾鍋 20
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生物可分解塑膠 生物可分解塑膠（又稱生物可降解塑膠）在日本和臺灣又稱為綠色塑膠，是可以在自然界降解的塑 膠材質。在有足夠的濕度、氧氣與適當微生物存在的自然掩埋或堆肥環境中，可被微生物所代謝分解產生 水和二氧化碳或甲烷，對環境危害較小。 生物可分解性塑膠主要的材料是澱粉、聚乳酸及纖維蛋白質，其內容物不含傳統塑膠成分，在製型 方式和一般用途的使用方面仍和傳統塑膠相差無異，且用於多氧環境下。聚乳酸以澱粉發酵成的乳酸為原 料，來自於植物，雖然能生分解，但在常溫中需要約 25 個月才能水解。
聚合物 名稱
單 體
性 質
苯乙烯
1. 熱塑性塑膠。 2. 易被有機溶劑如：丙酮所溶解。 3. 用於製造免洗餐具、保 溫 容器（例如：蛋 糕盒）、養樂多瓶等。
聚苯乙烯 （PS，保 麗龍）
實 例
保麗龍餐盒
1. 熱塑性塑膠。 甲基丙烯 2. 耐日曬雨淋，硬度、強度高，透明性好。 3. 用於製造廣告招牌、裝飾板、義眼、警示 （ PMMA ， 酸甲酯 壓克力） 燈外殼等。 聚甲基丙 烯酸甲酯
廣告招牌
聚對–苯 二甲酸 二乙酯 （PET）
1. 熱塑性塑膠。 乙二醇、 2. 透明性好、強度高、張力大。 對–苯二 3. 用於製造寶特瓶、錄音帶和錄影帶的帶子 甲酸 等。 寶特瓶
尿素甲醛 樹脂 （UF）
弱基 1. 熱固性塑膠。 （氨或 吡 2. 質輕並有絕緣性，用於製造電器外殼、電 啶）、甲 話聽筒、收音機。 醛、尿素 收音機
1. 熱固性塑膠。 三聚氰胺 三聚氰 2. 抗水性和耐熱性佳、不易燃燒、堅硬、易 樹脂 著色。 胺、甲醛 （美耐皿） 3. 用於製造餐具和作為沙發的填充料等。
塑膠餐具 21
3
化學 A
科
普
知
識
海砂屋 海砂屋指的是蓋房子 使用未經處理的海砂。海 砂可用來蓋房子，但是沒
+
3-3.2 陶瓷磚瓦和玻璃 一 陶瓷磚瓦
一 般 可 重 複 使 用 的 餐 飲 盛 具， 例 如： 碗、 碟、 杯、
盆、砂鍋等，其材質多為陶瓷產品。陶瓷材料除天然陶瓷 土 為 原 料 外， 也 包 括 石 英（ SiO 2） 或 化 學 合 成 的 金 屬 鹽 類，例如：氧化鋯（ ZrO 2）、碳化矽（ SiC ）。
有經過處理，當中含有過
瓷 器 的 主 要 原 料 是 高 嶺 土， 製 造 過 程 中， 加 入 長 石
多泥砂雜質，會破壞混凝
（ 氧 化 鈉 或 氧 化 鉀、 氧 化 鋁 及 氧 化 矽 之 混 合 物 ） 及 矽 石
土的強度，且容易腐蝕而 曝露鋼筋，因此海砂屋真
（ 氧 化 矽 ）， 在 高 溫 下（ 1280 ～ 1435 ℃） 燒 結 而 成， 常
正的名字是高氯離子含量
用於製造餐具、衛浴設備、花瓶、食品壺等。陶器是由較
的混凝土建築物。
不純的高嶺土在 1150 ～ 1300 ℃下燒結而成，其主要雜質
海砂屋即建築房屋時
是氧化鐵（ Fe 2O 3）、氧化鈦（ TiO 2）及少許有機物質，
混凝土所用的砂，用的是
主要用途是製造高級餐具、絕緣體、化學用具、花瓶、食
來自海邊的海砂而非正常
品壺等。磚是由較低級的黏土在 1350 ℃左右燒結而成；
所用的河砂。由於海砂中 含有氯離子，短期會使牆
瓦則是由最低級的黏土在 800 ～ 950 ℃所燒結而成，磚瓦
面滲出白色的痕漬，即俗
主要用於建築。（圖 3-21 ）
稱之壁癌；長期則會加速 腐蝕鋼筋，造成混凝土塊 剝落，嚴重損害房屋的結 構體。根據海砂氯離子濃 度與建築物使用年限的研 究顯示，以臺灣而言，這 些海砂屋可能只有 6 ～ 10 年的使用壽命。
▲ 圖 3-21 陶瓷是生活中常用的材料
現 代 都 市 建 築 多 是 鋼 筋 水 泥 的 結 構（ 圖 3-22 ）。 水 泥是混合物，固結前有可塑性，通常用石灰（ CaO ）、砂 （ SiO 2）配合黏土在高溫下混合燒結而成。鋼筋混凝土則 以鋼筋為骨架，其外覆以模板，將水泥、砂、細石以水攪 拌，灌製後固化成形，強化結構並使混凝土中的鋼材無銹 ▲ 圖 3-22 鋼筋水泥建築 22
蝕之虞。
生活中的化學
3
二 玻璃
一 般 的 玻 璃， 是 由 白 砂（ 主 要 成 分 為 二 氧 化 矽
（ SiO 2））與碳酸鈉或碳酸鈣經高溫熱熔後，再慢慢冷卻 而得。通常玻璃質脆而透明，在燒製時若混入不同的添加 物，可改變組成、結構及材料內部的作用力，而製成不同 性質與用途的玻璃。（圖 3-23 、表 3-5 ）
▲ 圖 3-23 不同顏色的玻璃
▼ 表 3-5 常見的玻璃添加物與用途
玻璃
添加物
常見用途
鈉玻璃（普通玻璃） 碳酸鈉或氧化鈉 一般玻璃，如玻璃器皿、玻璃窗 鉀玻璃（硬玻璃）
碳酸鉀或氧化鉀 硬質玻璃，如強化玻璃、飾品或器具
鉛玻璃（水晶玻璃） 氧化鉛（PbO） 硼玻璃（派熱司）
透光度與折射率均佳，可做精緻的玻璃藝品或光學玻璃
氧化硼（B 2O 3） 熔點高、膨脹率小，適用於實驗室器皿
一般玻璃均可耐酸，但會被鹼溶蝕。至於玻璃製的定量器具如溫度計、 滴定管、量筒等，其上的刻度則是用氫氟酸（ HF ）蝕刻的，因為矽易與氟離 子結合起反應。
3-3.3 奈米材料、先進材料
奈 米（ Nanometer ） 是 長 度 單 位， 一 奈 米 是 十 億 分 之 一 公 尺（ 1 nm = 10 m ），奈米材料通常泛指結構粒子介於 1 ～ 100 奈米範圍內的材料。當物 質的結構粒子小到奈米尺度時，其物理、化學或生化性質會產生變化，例如： 強度、電磁特性、作用力、活性、催化性等，這些特性可能具有開發的潛力與 應用價值，因此奈米材料的研究廣受重視。 –9
科
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識
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蓮花效應 蓮花效應，也稱作荷葉效應，是指蓮葉表面具有超疏水性以及自清的特性。蓮花雖然生長在泥濘的 溼地，但其葉子和花仍保持乾淨，這就是自清的效果。 植物學家研究蓮葉表面發現它們有一個自然潔淨的機制，蓮葉表面布滿約 5 ～ 10 μm 高、相距約
10 ～ 15 μm 的微小凸塊的蠟質結晶。蓮葉上的蠟質物料具有疏水性的，疏水性即不喜歡水的意思。因為 這個特性，在疏水性的表面上，水分子傾向於聚在一起形成小水珠，這樣水分子才能遠離疏水性表面而靠 近其他水分子。正因為蓮葉面上的蠟質物料具疏水性，才導致水珠的形成，這種不喜歡水的作用可以視為 一種化學效應，也是因為這個原因造成蓮葉有自清的效果。 23
3
化學 A
一 奈米碳管
1991 年 日 本 學 者 飯 島 澄 男（ Ojima ） 製 造 出 奈 米 碳 管（ carbon
nanotubes ）（圖 3-24 ），是由碳原子構成的中空碳管，其形狀有如將石墨 片捲成的圓管柱，有單層也有多層的結構，管徑僅有 1 ～ 100 nm ，是髮絲直 徑的萬分之一，長度可從 0.1 到數百毫米不等。奈米碳管的導電率遠高於銅， 強度勝於鋼鐵，質量輕、彈性佳，且化學性質穩定。 奈米碳管因管徑的不同，可改變導電性及機電性質。管內或管外可以經 由填充或修飾製作出不同功能的奈米線或先進材料，被視為先進材料的熱門 研究之一。
( a ) 管柱狀
( b ) 多層結構
( c ) 彎曲結構
▲ 圖 3-24 奈米碳管的結構
二 奈米光觸媒
奈米光觸媒也是近年來倍受矚目的奈
米科技，主要材料是二氧化鈦。光觸媒是 泛指利用特定波長光源的照射下，引發催 化作用的材料。二氧化鈦光觸媒經由光照 可發生氧化還原反應，藉以分解對人體或 環境有害的有機物質及部分無機物質。一 般的汙染物或病源體多為有機物，經由二 氧化鈦光觸媒作用，可分解成無害的水及 ▲ 圖 3-25 奈米光觸媒的抗菌結構 24
二氧化碳等物質，因此達到除汙及滅菌的 功效（圖 3-25 ）。
生活中的化學
3
將二氧化鈦製成奈米尺度的顆粒，可大幅增加表面積與體積的比例而提 高光觸媒的效率。光觸媒在反應中扮演催化劑角色，本身並不會消耗掉，較 少副作用，應用於抗菌、防汙、空氣淨化等領域，具有發展潛力。
三 導電高分子材料
導電高分子是指能如銅、銀、鋁等金屬一樣導電的高分子
材 料。 日 本 筑 波 大 學 的 白 川 英 樹（ Hideki Shirakawa ） 教 授 （ 圖 3-26 ） 1977 年 在 乙 炔 的 聚 合 過 程 中 摻 入 碘， 所 得 到 的 聚 乙炔呈金黃色，導電能力提高了 3 千萬倍。除了聚乙炔，還有 一些高分子聚合物也具有導電性，例如：聚苯硫醚、聚 吡 咯、 聚 噻 吩、聚苯、聚 噻 唑等，它們的導電能力已經和銀及銅相當。 導電高分子目前的應用多在導電塑膠，導電塑膠可用來製造塑 膠電池，還可以製成汽車的車窗玻璃及電磁防護材料。
▲ 圖 3-26 白川英樹教授
四 半導體封裝材料
手機、筆電、平板電腦等電子產品需要依賴各種功能的半導體晶片來運
作，而晶片必須經由封裝製作成元件，才能組裝成這些電子產品。一般使用 的電子元件，不論是微處理器或是記憶體，都含有一片矽晶片，但使用電 腦或手機等 3C 產品時，卻看不見矽晶片，因為這些矽晶片必須經過 封裝包裹在元件內（圖 3-27 ）。為了使半導體晶片適當運作發揮 功能，半導體晶片的封裝使用了金屬、陶瓷和有機高分子材料， 整 顆 封 裝 元 件 完 全 靠 多 元 材 料 的 適 當 選 擇 和 搭 配。 智 慧 型 手 機、平板電腦、筆電等消費性產品的功能有增無減，尺寸有減 無增，因此封裝材料種類和功能必須日新月異，多元的半導體封 裝材料組合是不僅過去的走向，也是未來的必需。 圖 3-27 半導體晶片大量運用在 3C 產品
25
▲
3
化學 A
五 生醫材料
生 醫 材 料 的 定 義 是 用 於 製 造 體 內 或 體 外 使 用 的 醫 學 器 材 材 料， 這 些
醫 學 器 材 基 本 上 直 接 或 間 接 的 與 人 體 的 組 織、 體 液 或 血 液 等 接 觸。 臨 床 上 使 用 的 生 醫 材 料 可 以 分 為 四 大 類， 分 別 為： 金 屬 與 合 金 材 料（ metals and
alloys ）、 陶 瓷 材 料（ ceramics ）、 高 分 子 材 料（ polymers ） 與 生 物 組 織 材 料（ biological materials ）。前兩項常用來替代人體的硬組織，後兩項則作 為人體軟組織上的生醫材料。常見的生醫材料包含氫氧基磷灰石（ calcium
hydroxyaptite, HAP ）， 主 要 應 用 在 骨 骼 填 充 材 料； 鈦 金 屬 常 以 氧 化 鈦 或 Ti-6Al-4V 鈦合金的方式應用在骨折固定與人工關節（圖 3-28 ）；聚酯類高 分子應用在大口徑人工血管及人工韌帶；膠原蛋白則可製作成多孔性的結構， 非常適合作為細胞培養的基材。
▲ 圖 3-28 人工關節示意圖
適合用在人體的生醫材料不像一般工業上的應用，還得考慮人體複雜的 免疫系統反應，因此在 1976 年美國國會通過食品藥物法規之後，生醫材料就 如同藥物一般，必須通過相當嚴謹的體外及動物實驗，進而臨床測試後方可 上市。
六 液晶
液 晶 最 早 是 由 奧 地 利 植 物 學 家 菲 德 烈． 萊 尼 澤（ F. Reinitzer ） 於 1888
年發現，當時他從植物中提煉出一種稱為螺旋性甲苯酸鹽的化合物，加熱這 種化合物意外發現此種化合物具有兩個不同溫度的熔點，狀態介於液態與固 態物質之間，有點類似肥皂水的膠狀溶液，但在某一溫度範圍內卻具有液體 和結晶雙方性質的物質，這種具有液體般的流動性及結晶般的光學性質即稱 為液晶。 26
生活中的化學
3
液晶的黏性和彈性可說是一 個 具 有 排 列 性 質 的 液 體， 依 照 作 用 力 量 方 向 的 不 同 而 有 不 同 效 果。 至 於 液 晶 分 子 中 的 電 子 結 構， 都 具 備 著 很 強 的 電 子 共 軛 運 動 能 力， 所 以 當 液 晶 分 子 受 到 外 加 電 場 作 用， 便很容易被極化產生感應偶極性 （ induced dipolar ）， 這 也 是 液 晶
▲ 圖 3-29 電晶的光電效應
分 子 之 間 互 相 作 用 力 量 的 來 源（ 圖
3-29 ）。 一 般 電 子 產 品 中 所 用 的 液 晶 顯 示 器（ 圖 3-30 ）， 就 是 利 用 液 晶的光電效應，藉由外部電壓控制， 再 透 過 液 晶 分 子 的 折 射 特 性， 以 及 對光線的旋轉能力來獲得亮暗情況， 進而達到顯像目的。 ▲ 圖 3-30 液晶螢幕
化學名人堂 菲德烈 ‧ 萊尼澤（ Friedrich Reinitzer 1857 － 1927 ） 萊尼澤為奧地利植物學家，起初為了瞭解動物和植物體內的膽固醇化學式是否相同，他從 胡蘿蔔中萃取出膽固醇，卻發現當膽固醇苯甲酸酯加熱到 145.5℃時，會由固態熔化成帶有光彩 的黏稠混濁物；當 溫 度升到 178.5℃時光彩消失，液體也轉為為透明；而冷卻 之後，同樣現象反覆出現，最後形成固態結晶體。由於該項發現與當時物 質只有單一熔點的物理知識產生矛盾，因此萊尼澤被後代譽為液晶之父。 萊尼澤
液晶
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3
化學 A
隨堂練習 3-3 （ ）1. 戴奧辛（Dioxin）是一種含氯的有機物，下列塑膠與其他雜物一併焚燒時，何者 具有產生戴奧辛的潛在危害？
(A) 聚氯乙烯
(B) 聚丙烯
(C) 聚乙烯
(D) 聚苯乙烯。
（ ）2. 下列器具或材料，何者最適合以硼玻璃來製造？
(A) 酒杯
(B) 光學纖維
(C) 圓底燒瓶
(D) 鏡片。
(C) 強度大
(D) 彈性佳。
(C) 長度
(D) 體積 單位。
（ ）3. 下列何者不是奈米碳管的特性？
(A) 具可撓曲性 (B) 絕緣性好 （ ）4. 奈米是一種
(A) 重量
(B) 質量
（ ）5. 液晶是一種介於哪兩種物質狀態的材料？
(A) 固態和液態 (B) 液態和氣態
28
(C) 固態和氣態 (D) 任意兩態。
生活中的化學
3
3-4 │藥物與化學
從古代有神農嚐百草便可知道，人類對於藥物的依存自很早就開始了。 東方的中藥材療效與西方的抗生素發明，都開啟了人類對藥物研究的進程。 今日進步的化學知識與先進的儀器分析，使得人類對藥物的組成、成效和病 理、生理的關係有更多了解，進而能開發新的藥物治療或預防疾病，例如： 抗生素、心臟病藥、降血壓胃藥、消炎藥、止痛藥等。然而藥物固然對人類 抵抗疾病有顯著的成效，卻不能過度仰賴或濫用藥物。
3-4.1 胃藥
胃液主要成分含鹽酸，其 pH 值達 1 ～ 2.5 ，是為強酸。當胃酸過多會造
成胃部不適，此時可運用化學的酸鹼中和原理，降低胃液的酸度來減輕痛苦。 大部分胃藥屬於制酸劑，制酸劑的功能除了中和過多胃酸外，亦可防止胃及 十二指腸潰瘍。 制 酸 劑 的 主 要 成 分 是 溫 和 的 鹼 性 化 合 物， 可 中 和 胃 酸。 常 用 的 制 酸 藥 劑 包 含 氫 氧 化 鋁 Al(OH) 3、 氫 氧 化 鎂 Mg(OH) 2、 碳 酸 鈣 CaCO 3、 磷 酸 鋁
AlPO 4、碳酸氫鈉 NaHCO 3 等（圖 3-31 ）。碳酸氫鈉易溶於水，可與鹽酸快 速反應，具有速效性，但也因為反應迅速容易造成使用者的身體不適；碳酸 鈣中和胃酸能力高，且作用持久，能緩和並持續的中和胃酸；氫氧化鋁中和 胃酸時不會產生二氧化碳氣體，且能保護胃壁；至於鎂的化合物，除了中和 胃酸，還有幫助排便的效用。
3-4.2 消炎藥
磺胺類藥物等在二次世界大戰期間挽救了大量生命，至今仍然廣泛應用
於臨床。化學家發現對胺苯磺醯胺（簡稱：磺胺），此類化合物能抑制細菌 成長，以避免傷口因細菌滋長而潰爛。近幾年來，此類化合物已被更有效的 抗生素（ antibiotic ）（圖 3-32 ）取代。抗生素是由微生物所生成的物質，常 見的抗生素有消炎的青黴素（盤尼西林， penicillin ）、抵抗大型病毒的四環 素（ tetracycline ）及治療肺結核的利福黴素（ rifampin ）。
▲
▲
圖 3-32 抗生素
圖 3-31 胃藥 29
3
化學 A
3-4.3 止痛藥
阿司匹靈（ Aspirin ）用途最廣泛，同時也是使用已
久的藥物（圖 3-33 ）。阿司匹靈的化學名稱為乙醯水楊 酸，是在水中呈酸性的化合物，具有止痛、退燒的功用。 近年來研究顯示，阿司匹靈也有阻止血管中血液凝固的 功能，可降低罹患心血管疾病的機率，也可能減緩老年 癡呆惡化的功效。 ▲ 圖 3-33 阿司匹靈
雖然在西方國家服用阿司匹靈很普遍，但在亞洲地 區卻較不流行，除了有引起胃痛的可能外，阿司匹靈亦 會對某些人造成藥物過敏或氣喘，因此，亞洲地區以服 用乙醯胺基酚（ acetaminophenol ，C 8H 9NO 2）較普遍。
3-4.4 毒品 一 香菸
香菸中含有尼古丁，尼古丁不但具成癮特性，且是
一種興奮劑，能使中樞及末梢神經興奮，導致腸及血管 收縮、血壓升高。 由於尼古丁帶有毒性，香菸燃燒所生成的一氧化碳 及焦油也都是有毒物質，因此菸草植物鮮少有病蟲害， 最早被用作殺蟲劑使用。近年來化學及醫學研究已證實 ▲ 圖 3-34 抽菸易導致肺癌
抽菸會引發肺部疾病，甚至肺癌（圖 3-34 ），抽煙者的 健康不但直接受到傷害，二手煙更會對一般人造成嚴重 影響。因此，行政院 衛生福利部已規定在香菸盒上必須 註明警告標語如「吸菸害人害己」、「戒菸可減少健康 的危害」、「吸菸會導致癌症」、「吸菸有礙健康」等 字眼。
二 大麻
大麻（ Marijuana ，分子式 C 21H 30O 2）是一種植物，
其葉片中含有會使人產生幻覺且成癮的物質。雖然藥性 ▲ 圖 3-35 大麻
不如海洛因及安非他命強烈，但吸食過量仍會造成妄想 症及焦慮，長期服用甚至對腦、肺及免疫系統皆有不良
30
生活中的化學
3
影響，因此目前我國將大麻列為管制植物（圖 3-35 ）。
三 安非他命
安非他命（ Amphetamine ，分子式 C 9H 13N ）具有刺激腦部及中樞神經
的作用，且會使心跳加快，為一種避免昏睡的藥劑。然而經常使用易成癮並 出現慢性中毒現象，產生精神恍惚、妄想、急躁不安及體重減輕的症狀，嚴 重的話更會出現傷人或自殺行為的傾向，因此安非他命也屬於禁藥。 近年來常見於報章雜誌及電子媒體的另一種毒品搖頭丸（或稱快樂丸）， 為結構與安非他命類似的化合物。服用搖頭丸易引起高燒不退、突發性惡性 高血壓、胸痛及肝衰竭等無法預期的嚴重身體傷害。
四 海洛因
海洛因是由罌粟的樹脂所製成，須先從罌粟花的豆莢中提煉出乳汁狀的
鴉片再加工製得（圖 3-36 ）。海洛因屬中樞神經抑制劑，吸食海洛因後最典 型的感覺為興奮及欣快感，之後便陷入困倦狀態，長期使用則會產生藥物耐 受性、依賴性（包括生理及心理）及戒斷症狀。所謂藥物耐受性即須增加藥 物施用劑量才可達到主觀相同的效果，一旦停止使用，除產生戒斷反應外， 心理的渴藥性是吸毒者最難克服的問題。
圖 3-36 海洛因可從罌粟花的豆莢中提煉而出
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搖頭丸 搖頭丸又稱為快樂丸，內含 MDMA（3,4-methylene dioxymethamphetamine）成分，因服食後會 不由自主地搖起頭來，故得此名。搖頭丸為中樞神經興奮劑，具成癮性，屬於濫用程度最高的第一級毒物。 一般而言，吸食者主要在於追求吸食後所產生的幻覺及興奮感，而在舞廳或夜總會中服用，則會加 強對音樂、燈光及狂舞的感覺。然而服食 MDMA 後，在擁擠、吵雜、高溫的環境下狂歡，不僅會發生體 溫過高、痙攣等現象，甚至會引發呼吸衰竭而死亡，若長期使用甚至會造成憂鬱、記憶減退及妄想等症狀， 容易因產生幻覺而發生意外。
隨堂練習 3-4 （ ）1. 當胃酸過多時，常服用的胃藥是屬於
(A) 強酸
(B) 弱酸
(C) 強鹼
(D) 弱鹼。
(C) 鏈黴素
(D) 青黴素。
（ ）2. 俗稱盤尼西林的抗生素為
(A) 金黴素
(B) 土黴素
（ ）3. 阿斯匹靈為一種
(A) 胃藥
(B) 解熱鎮痛劑
(C) 消炎殺菌劑
(D) 心血管疾病治療劑。
（ ）4. 對毒品的態度應該是
(A) 偶而使用
(B) 絕不使用
(C) 看心情使用 (D) 常常使用。
（ ）5. 下列何者為吸食毒品安非他命的危害？
(A) 偶爾使用對身體不會造成傷害 (B) 使用安非他命不會成癮 (C) 長期濫用可能導致腦溢血，甚至昏迷或死亡 (D) 服用後立即產生昏睡。 32
Chapter
3
3-1 食品與化學
重 點 掃 描
1. 六大營養素包含：醣、蛋白質、脂肪、水、維生素及礦物質。 2. 醣類又稱為碳水化合物，有單醣、雙醣及多醣三種，為人體能量的主要來源。 3. 蛋白質是由胺基酸聚合而成，肉、海鮮、起士、蛋及豆類均含有豐富的蛋白質。 4. 咖啡及茶均含有咖啡因，對人體神經有興奮作用，具提神效果。
3-2 衣料與化學
5. 天然纖維分為動物纖維和植物纖維二種。 6. 人造纖維分為合成纖維和再生纖維二種。 7. 主要常見的合成纖維有達克綸和耐綸。 8. 肥皂與清潔劑因同時含有親水及親油部位，故有洗滌功能。
3-3 材料與化學
9. 塑膠是有機小分子經加成或縮合聚合而成。 10. 陶瓷及磚瓦是由高嶺土、長石及矽石燒結而成。 11. 玻璃是由白砂與碳酸鈉或碳酸鈣加熱製得。 12. 將金屬或非金屬物質製成約 100 奈米大小時，這些材料的物理或化學性質都將產 生變化，稱之為奈米材料。 13. 奈米碳管是由一層或多層石墨中的碳原子捲曲而成的空心籠狀纖維。 14. 奈米二氧化鈦光觸媒具有殺菌、去汙、空氣淨化等功效。
3-4 藥物與化學
15. 胃藥屬於制酸劑，氫氧化鋁、氫氧化鎂、碳酸鈣、磷酸鋁及碳酸氫鈉都具有良好 的制酸效果。 16. 抗生素是常用的消炎藥。 17. 阿司匹靈和乙醯胺基酚是常見的止痛劑。 18. 香菸中的尼古丁具有興奮作用，且香菸燃燒所生成的一氧化碳及焦油都是有毒 物質。
19. 經常吸食大麻與安非他命等興奮劑會造成慢性中毒、精神恍惚、妄想及急躁不安 等現象，屬於禁藥。 20. 香菸、大麻、安非他命及海洛因等毒品，若經常服用易上癮，屬於禁藥。
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Chapter
3
一、選擇題
課 後 習 題
3-1 （ ）1. 人體能量的主要來源是 (A) 水 (B) 維生素
(C) 醣
(D) 礦物質。
（ ）2. 代糖中的阿斯巴甜其化學結構與下列何種物質相似？
(A) 蛋白質
(B) 脂肪
(C) 維生素
(D) 醣。
（ ）3. 下列哪一種醣能在很短的時間內提供人體能量？
(A) 蔗糖
(B) 澱粉
(C) 肝糖
(D) 麥芽糖。
3-2 （ ）4. 肥皂可以被微生物分解為小的有機分子，其主要原因是 (A) 其親油碳鏈為直鏈形 (B) 其親水部分為羧酸根
(C) 易與 Fe2＋ 離子生成白色沉澱
(D) 其非親水部分的碳鏈有支鏈。
（ ）5. 下列何種物質在清潔時不易起泡沫？
(A) 陽離子清潔劑 (C) 陰離子清潔劑
(B) 中性清潔劑 (D) 肥皂。
3-3 （ ）6. 下列哪一種物質可以用來製造玻璃？ (A) 石油 (B) 煤 (C) 海砂
(D) 木材。
（ ）7. 一般鍋鏟的塑膠把柄主要成分是
(A) 尼龍 (C) 尿素甲醛樹脂
3-4 （ ）8. 下列哪一種化合物不能當胃藥？ (A) Al(OH)3 (B) Mg(OH)2
(B) PS (D) 聚丙烯腈。 (C) Fe2O3
(D) Al2O3。
(C) 消炎
(D) 止痛。
(C) 糖精
(D) 阿司匹靈。
(C) 興奮劑
(D) 消炎劑。
(C) 興奮劑
(D) 消炎劑。
（ ）9. 盤尼西林是西藥，其作用為
(A) 制酸
(B) 興奮
（ ）10. 下列哪種物質屬於禁藥？
(A) 尼古丁
(B) 海洛因
（ ）11. 大麻屬於下列哪一種藥劑？
(A) 止痛劑
(B) 安眠藥
（ ）12. 安非他命屬於下列哪一種藥劑？
(A) 止痛劑 34
(B) 安眠藥
二、填充題
3-1 1. 我們平日所食用的魚，其主要的營養成分是
2. 皮膚、指甲的主要化學成分為 3-3 3. 保麗龍是由
。 。
單體聚合而成。
4. 製造派熱司（pyrex）玻璃是在製造玻璃過程中加入 3-4 5. 可使用於傷口消炎的含硫化合物是
。
。
三、問答題
1. 植物纖維與動物纖維的化學成分有何差異？
2. 聚合方式可分為幾種？試舉例說明。
3. 自助餐廳用的保麗龍餐碗，是以何種單體聚合而成？
4. 寫出小蘇打（NaHCO3）中和胃酸的簡單化學反應式。
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建議上課時數：3hr
Chapter
4
36
生活中的能源
本章節次
教學目標
4-1 電池
目標一：認識電池的發電原理。
4-2 能源
目標二：認識常見的一次電池。 目標三：認識常見的二次電池。 目標四：認識臺灣常見的再生能源。 目標五：可以描述風力發電的原理。 目標六：可以描述地熱發電的原理。 目標七：認識核能發電的原理與危險性。 目標八：可以說明新興再生能源對人類的影響。
在 平 常 的 生 活 中， 我 們 或 許不曾注意到能源的重要性或 是 思 考 能 源 的 來 源， 但 二 百 年 來，人類對能源的需求與應用， 與 日 俱 增。 二 百 年 前 人 們 已 經 知 道 如 何 利 用 水 力， 但 應 用 範 圍僅限於汲水灌溉或是研磨穀 物， 當 時 主 要 賴 以 為 生 的 能 源 是 木 材。 到 了 十 九 世 紀， 工 商 業 逐 漸 發 達， 電 力 普 遍 成 為 民 生 與 工 業 的 主 要 動 力 來 源， 石 油與煤從此取代木材成為人類 最 重 要 的 能 源。 然 而 經 過 幾 次 石 油 與 能 源 危 機 後， 人 們 開 始 對能源短缺所衍生出的政治與 經 濟 問 題 感 到 憂 心， 能 源 開 發 與利用也成為科技發展的重要 課題。
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化學 A
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伏打電堆的由來 義大利的內科醫生兼物理學 家 賈 法 尼（Galvanic） 在 1786 年青蛙解剖實驗中，發現當電流
4-1 │電池
4-1.1 化學電池原理
化學電池（ Chemical cell ）又稱電化電池（ galvanic
cell ），簡稱電池。化學電池是一種利用氧化還原反應 將化學能轉換成電能的裝置，化學電池具有攜帶方便、
經由金屬電極流經青蛙時，青蛙
容易使用、用途多元等特性，已經成為現代不可或缺的
會有踢腿動作（此現象如同活的
民生用品。
青蛙）。賈法尼認為動物（青蛙） 的電流（animal electricity）來
義 大 利 物 理 學 家 亞 歷 山 卓‧伏 打（ Alessandro
自動物肌肉；然而伏打卻認為這
Volta ， 174 5 ～ 1827 ）是第一位發展出化學電池的人，
是一種物理現象，就像金屬中
他在 1880 年發明了第一個電池稱為伏打電堆（ voltaic
的 電 流（metallic electricity） 一 樣。 於 是 在 1791 年， 伏 打
pile ）（ 圖 4-1 ）。 伏 打 將 數 個 被 鹽 水 混 合 物 浸 泡 過 的
改以鹽水混合物浸泡過的布或
布或紙板所隔開的鋅極與銅極堆疊起來（圖 4-2 ），當
紙板取代青蛙腿，再與兩支金
電池頂端與底部以導線連接時，便有電流流經電池與導
屬電極連成一個迴路，也測得
線，此即伏打電堆（ Voltaic Pile ）。此電池是利用鋅棒
電流。做了一系列類似的實驗
與銅棒作為電極，並以硫酸液作電解液，其反應如下：
之後，伏打發現了電化學序列 （electrochemical series） 以 及賈法尼電池（galvanic cell） 的電動勢就是兩個電極間電位差
陽極反應：鋅 Zn → Zn2+ + 2e– 陰極反應：硫酸 2H+ + 2e– → H2
的定律。
▲ 圖 4-1 伏打電堆
38
▲ 圖 4-2 伏打電堆內部結構
生活中的能源
4
由鋅極釋放出的電子，經由導線流入銅極，再吸引電解液中的氫離子產 生氫氣。持續這樣的反應，導線上便產生了穩定的電流。但這種電池因含有 硫酸，操作時安全性堪慮，而且在銅極上產生的氫氣聚集在金屬表面會阻礙 電解質與金屬的接觸，隨著時間增長，電池的強度也會慢慢減弱。 鋅 – 銅電池是典型的化學電池。簡易的鋅 – 銅電池裝置可取二個燒杯，一 個裝入硫酸鋅水溶液並插入鋅棒；另一個裝入硫酸銅水溶液並插入銅棒。鋅 棒和銅棒分別以導線連接於伏特計兩端，另取一個 U 型管盛裝硝酸鉀飽和水 溶液，接著兩端塞上玻璃棉，將此 U 型管作為鹽橋（ salt bridge ），兩臂分 別插入兩燒杯溶液中（圖 4-3 ），此時可觀察到伏特計有電流通過，表示電池 在放電，導線電路可提供電能。
▲ 圖 4-3 鋅–銅電池示意圖
化學名人堂 亞歷山卓 ‧ 伏打伯爵（ Alessandro Vlota 1745 － 1827 ） 伏打為義大利物理學家，出生於米蘭附近的科莫鎮，於 1800 年製成了 世界上第一個電池，即伏打電池。伏打電池的發明，使得科學家可以用比較 強且穩定的持續電流來進行各種電學研究，導致了電化學、電磁聯繫等一系 列重大的科學發現。伏打亦研究電容，發展研究電勢（V）和電荷（Q）， 並發現它們成正比。現今電壓的單位「伏特」（Volt）， 便是為了紀念伏打而命名。 伏打 位於義大利 科莫的 伏打雕像 39
4
化學 A
鋅 – 銅電池的化學反應如式 4-1 所示，化學電池中發生反應的導體稱為電 極（ electrode ）；發生氧化反應的電極稱為負（陽）極（ anode ），如鋅 – 銅 電池的鋅棒；發生還原反應的電極則稱為正（陰）極（ cathode ），如銅棒。 與銅相較，鋅的化學活性較大，較容易釋出電子，進行氧化反應會產生鋅離 子，因此鋅為還原劑；同樣地，與鋅離子相較，銅離子較易接受電子還原成 金屬銅，因此在反應中銅離子是氧化劑（圖 4-4 ）。
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) 還原劑
<< 式 4-1
氧化劑
放電反應時，鋅極釋出的電子經外導線電路流向銅極，產生的鋅離子溶 入溶液中，另一端硫酸銅溶液中的銅離子則游向銅極接受電子後析出金屬銅。 因此在化學電池的外電路中，電子從負（陽）極流向正（陰）極；溶液中， 則是陰離子游向（負）陽極，陽離子游向正（陰）極，鹽橋及溶液為離子的 通路。 根據上述鋅 – 銅電池實驗得知，釋出電子能力較大的金屬（鋅）會釋出 電子，電子經導線流向釋出電子能力較小的金屬（銅）。利用類似鋅 – 銅電池 裝置，只要測量電子流動的方向與電壓大小，即可比較不同金屬釋出電子的 能力。
▲ 圖 4-4 氧化還原反應示意圖 40
生活中的能源
4
4-1.2 常見的電池
為了因應各種用途的需求，化學電池有多種
類型的設計。使用一次後即拋棄稱的電池稱為一 次電池；可以再充電、重複使用的電池稱為二次 電池。
一 乾電池
乾 電 池 就 是 勒 克 朗 舍 電 池（ Leclanch
cell ）， 屬 於 一 次 電 池， 電 壓 為 1.5 伏 特。 這 種 電 池 以 石 墨（ 碳 ） 棒 為 正（ 陰 ） 極， 置 於 電 池 中心；以鋅為外殼，兼作負（陽）極，兩極間填 充 氯 化 銨（ NH 4Cl ）、 氯 化 鋅（ ZnCl 2） 及 二 氧 化錳（ MnO 2）混合的糊狀物作為電解質。（圖
4-5 ）
▲ 圖 4-5 乾電池與其內部結構
放電時，鋅金屬進行氧化反應釋出電子，電 子經外電路流到石墨棒，二氧化錳則發生還原反 應。乾電池使用時會生成氨氣及氫氣，阻礙石墨 棒介面的反應；氯化鋅能吸收氨氣；二氧化錳可 將氫氣氧化成水，生成三氧化二錳（ Mn 2O 3）， 維持放電反應進行。乾電池中的石墨棒擔任導電 通路，本身沒有參與化學反應，這種電極稱為惰 性電極。
二 鹼性乾電池
為 了 改 善 乾 電 池 的 缺 點， 將 乾 電 池 改 良 成
鹼性乾電池，以鹼性的氫氧化鉀電解質取代氯化 銨。由於鹼性乾電池不產生氨與氫，且鋅氧化的 產物可溶於強鹼溶液中，不會阻礙離子游動，因 此電壓穩定、放電量大，不易有漏液現象。在低 溫下，因其放電效率較乾電池佳，適用於寒冷氣 候。其亦屬於一次電池，電壓為 1.5 伏特，已逐 漸取代乾電池。（圖 4-6 ）
▲ 圖 4-6 鹼性乾電池與其內部結構
41
4
化學 A
三 鉛蓄電池
鉛 蓄 電 池 又 稱 為 鉛 酸 電 池， 屬 於 二 次 電 池。
正 常 電 壓 為 2 伏 特， 汽 車 用 12 伏 特 電 池 是 由 六 個 電 池 串 聯 組 成。 放 電 時， 鉛 蓄 電 池 以 二 氧 化 鉛 （ PbO 2）作為正（陰）極；金屬鉛作為負（陽） 極；硫酸溶液作為電解質（圖 4-7 ）。陽極鉛金屬 釋 出 電 子 產 生 硫 酸 鉛（ PbSO 4）， 電 子 經 導 線 流 到 陰 極 二 氧 化 鉛， 二 氧 化 鉛 還 原 亦 生 成 硫 酸 鉛。 放電時二電極均產生難溶的硫酸鉛，因此硫酸溶 液的濃度會逐漸降低，電池的電壓也會逐漸下降。 ▲ 圖 4-7 鉛蓄電池與其內部結構
鉛 蓄 電 池 充 電 時， 外 接 直 流 電 源 的 負 極 接 在 鉛 極； 正 極 接 在 二 氧 化 鉛 極 上， 反 應 逆 向 進 行。 鉛蓄電池放電及充電的反應可寫成式 4-2 ：
Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq)
放電 充電
2PbSO4(s) + 2H2O(1)
<< 式 4-2
四 鋰電池
鋰電池可分為一次鋰電池（圖 4-8 ）與二次鋰
電池（圖 4-9 ），目前廣泛使用於行動電話的電池 為 二 次 鋰 電 池， 屬 於 二 次 電 池。 正（ 陰 ） 極 為 金 屬 氧 化 物 或 硫 化 物； 負（ 陽 ） 極 為 含 金 屬 鋰 的 材 料， 其 電 解 質 為 有 機 溶 劑。 與 一 般 電 池 比 較 不 同 ▲ 圖 4-8 一次鋰電池
的是連接二電極為固態電解質，電壓約為 3 伏特。 鋰電池的優點為不含重金屬又可重複充電使 用、 可 儲 存 較 高 電 能、 使 用 溫 度 範 圍 大 以 及 沒 有 記 憶 效 應， 在 相 同 電 容 量 下， 重 量 較 輕 且 自 放 電 率 較 低； 然 而 缺 點 為 價 格 高， 且 電 解 質 為 可 燃 性 的有機溶劑，因此過度充放電可能導致燃燒或爆
▲ 圖 4-9 二次鋰電池
42
炸的危險。
生活中的能源
4
五 燃料電池
燃料電池是利用觸媒的催化作用，將燃料的化學能轉變
成電能（圖 4-10 ）。以氫氧燃料電池為例，在陽極氫氣作 為還原劑發生氧化反應時，釋出的電子經外電路流至陰極， 陰極的氧氣與質子、電子反應後還原成水，電解質是高濃度 的氫氧化鉀水溶液。 燃料電池的正（陰）、負（陽）二極均為覆蓋有催化劑 微粒的碳板，催化劑通常為鉑。燃料電池輸出電壓約 1.0 伏 特，將多組電池連結成電池組即可提高電壓，只要持續供給 氫氣與氧氣，燃料電池就能一直放電。其優點是化學能可直
▲ 圖 4-10 燃料電池
接轉換為電能，效率較高，遠高於火力發電，且產物是純淨 的水，無環境汙染，可以直接飲用。 但燃料電池目前面臨的挑戰是以鉑為覆蓋物造價高昂，且三相接觸技術 困難（氣態燃料、液態電解質與固態電極），又因電解液具強腐蝕性，目前 只應用於太空船，尚未普及。因此燃料電池的開發仍有待科學家繼續努力， 若能順利開發將成為最受矚目的新能源技術。
科
普
知
識
+
燃料電池放電原理 近年來，燃料電池以固態聚合物隔膜取代早 期的液態電解質（KOH 溶液），大大提升電池的 移動性，目前以質子交換膜（PEM）為主流。其 放電原理為： 1 當氫氣進入電池後， 2 經負（陽）極觸媒分解為電子與質子， 3 電子沿著外電路流動，供電給電燈後流向正 （陰）極， 4 質子同時透過隔膜抵達陰極， 5 正（陰）極的觸媒則將質子及回流的電子， 與空氣中的氧結合生成水與熱。 6 若欲提高電壓，則將多組電池連結成電池組即可。
（取自科學人 2005 年 4 月）
43
4
化學 A
4-1.3 電池的使用與廢棄處理
化學電池在潮濕高溫處可能快速變質或老化，宜保存在乾燥低溫處，使
用時亦需注意環境的溫度。一般而言，低溫環境下，可選用較不易受影響的 鹼性乾電池；高溫下，則應注意反應速率過快而可能導致的危險。一次電池 使用後不適合再充電；二次電池可以再充電使用（表 4-1 ），但也可能因產生 氫氣或因高溫而發生危險，因此充電時務必依照各型電池的安全需求操作。 由 於 電 池 內 含 有 重 金 屬 材 料 和 各 種 化 學 藥 劑， 使 用 後 應 盡 量 回 收 利 用 （圖 4-11 ）。隨意丟棄將對環境造成嚴重汙染，應力求製造及販售廠商確實 擔負回收再處理的責任，而使用電池的人也應配合分類回收，才能避免廢棄 電池的危害。 ▼ 表 4-1 廢乾電池回收種類
一次電池
錳鋅 / 鹼錳電池
鈕扣型電池
筒型鋰電池
二次電池
鎳氫電池
鎳鎘電池 ▲
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二次鋰電池
圖 4-11 廢乾電池回收管道
行動電源
生活中的能源
4
隨堂練習 4-1 （ ）1. 關於鋅銅電池的敘述，下列何者正確？
(A) 鋅極為陰極 (B) 銅極為陽極 (C) 須有鹽橋，否則不會有電流 (D) 鋅銅電池的電力會一直保持在 1.10 福特，不會耗盡。 （ ）2. 乾電池與鹼性乾電池結構上最大的差異是
(A) 陽極
(B) 陰極
(C) 電解質
(D) 均無差異。
（ ）3. 鉛蓄電池的電解質為何？
(A) 高濃度的氫氧化鉀溶液
(B) 糊狀氯化銨
(C) 低濃度的氫氧化鉀溶液
(D) 約 30% 的硫酸溶液。
（ ）4. 下列何者為一次電池？
(A) 燃料電池
(B) 鹼性乾電池
(C) 鉛蓄電池
(D) 可充電式鋰電池。
（ ）5. 當電池使用完畢之後，不可使用下列何種方式處理？
(A) 丟棄至垃圾桶 (B) 拿去電池回收筒丟棄 (C) 先行做好分類，待電池數量足夠後，再一起回收丟棄 (D) 將電池拿回便利超商進行回收。
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4
化學 A
4-2 │能源
4-2.1 替代能源
自然界的能源都是由太陽能直接或間接轉化而來，目前人類使用的能源
主要有化石燃料與核能。化石燃料（ fossil fuel ）是指古代的有機物質長期埋 藏地下，經高溫、高壓產生質變而形成的燃料，常見的化石燃料如：煤、石 油、天然氣等；而核能是指原子核進行分裂所產生的能量。其他能源還包括： 太陽光與熱直接或間接轉變產生的水力、風力、地熱、波浪、潮汐能等。
一 太陽能
綠色植物的葉綠素會吸收太陽光能進行光合作用，將二氧化碳和水轉變
成葡萄糖及氧氣（式 4-3 ）。生物的呼吸作用吸收空氣中的氧氣，將體內的葡 萄糖氧化成二氧化碳和水，葡萄糖中儲存的化學能遂轉換成維持生命所需的 能量。
6CO2(g) + 6H2O(l)
光 酵素
C6H12O6(s) + 6O2(g)
<< 式 4-3
現在的太陽能電池（圖 4-12 ）已經能夠將陽光轉換成電能，主要用於太 空科技、電子計算機以及單位時間耗電量低的裝置上。太陽能電池也可以電 解水，產生氫氣和氧氣，將能量以化學能的形式儲存起來。太陽能是無汙染 的能源，不虞匱乏，亦是重要的未來能源。如何提升太陽能的運用效能，使 太陽能能運用在耗電量大的裝置上，是目前研究急需突破的關鍵。
▲ 46
圖 4-12 太陽能電池
生活中的能源
4
二 風力
自 古 以 來， 人 們 便 知 道 如 何 利 用 風 力 代 替 獸 力， 以 研 磨 穀 物 或 汲 水 灌
溉。近年來，科學家也不斷嘗試，試圖利用風力（ wind energy ）來發電（圖
4-13 ）。風能是因空氣流動而產生的能量，空氣流具有的動能稱為風能，空 氣流速愈高，它的動能愈大。 風車可以把風的動能轉化為有用的機械能；而風力發動機則可把風的動 能轉化為有用的電力，方法是透過傳動軸，將扇葉旋轉的動力傳送至發電機。 不過就實際觀點而言，風力發電僅可在風力充沛與風速穩定的地區始能發揮 一定效果，而且目前風力發電設備費用仍屬昂貴，發電效率也有待改進，因 此風力能源在短期內較無法獲得廣泛應用。 臺灣的風力發電能量密度含量全球排名第二，尤其桃園至雲林沿海一帶， 由於有強勁的冬季東北季風吹襲，且可建置地點亦不少，因此成為臺灣發展 風力發電之最佳地點。 圖 4-13 風力發電裝置
4747
▲
化學 A
▲
4
圖 4-14 水力發電
三 水力
水力發電（圖 4-14 ）的基本原理是利用水位落差，配合水輪發電機產生
電力，即利用水的位能轉換為水輪的機械能，再以機械能推動發電機得到電 力（圖 4-15 ）。 水力（ Water power ）發電提供全世界約 7% 的電力，如果與火力發電 相比，水力發電不僅不會造成環境汙染，更不會將發電的動力來源（水）用 光。然而水力發電需要廣大面積的土地儲水與興建水庫，而且可能造成生態 環境破壞。因此，在愈來愈難覓得適當地點興建水庫的今天，從長遠觀點看 來，水力能源似乎也無法解決現存能源短缺的問題。 臺灣的水力發電廠集中於淡水河支流的新店溪和大甲溪、濁水溪支流的 水里溪以及花蓮溪支流的木瓜溪，其中大甲溪的青山發電廠為臺灣最大規模 的慣常水力電廠。
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▲ 圖 4-15 水力發電原理
生活中的能源
4
四 地熱
地球內部的溫度相當高，地心溫度可達 4000 ℃，即使
在 地 表 下 2 ～ 3 公 里 處， 溫 度 也 可 能 高 達 1000 ℃。 地 熱 發 電（圖 4-16 ）的基本原理是利用無止盡的地熱來加熱地下 水，使其成為過熱蒸汽之後，推動渦輪機旋轉而發電。換 句話說，即是將地熱轉換為機械能，再將機械能轉換為電 能，這種以蒸汽來旋轉渦輪的方式，和火力發電原理相同。 地熱發電把鍋爐和燃料都放在地下，只需將蒸汽取出便能 ▲ 圖 4-17 臺北 北投地熱谷
夠達到發電目的。 目 前 在 地 熱 豐 富 的 地 區， 例 如： 冰 島、 紐 西 蘭、 美 國 黃石公園及臺北近郊的地熱谷（圖 4-17 ），地熱不僅成為 觀光資源，也帶給當地豐富熱能與廉價電力，甚至成為溫 室所需的熱源。而臺灣位於太平洋火環帶，具備開發地熱 發電的先天優勢條件，其中宜蘭是臺灣最具地熱開發潛能 的地區（圖 4-18 ）。 圖 4-16 地熱發電
▲ 圖 4-18 宜蘭 三星親水地熱
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▲
4
化學 A
五 海洋能
海洋能（ Marine energy 或 Ocean power ）是利用海洋運動過程所生產
出來的能源，這些能量包括潮汐能、波浪能、海流能、海洋溫差能與海水鹽 差能等形式。深海水溫較低，與溫熱帶海平面的溫差可以用來發電，只要選 取適當的冷媒，海面溫暖的水會使冷媒氣化發電；深海低溫的水則將冷媒冷 卻為液體，如此即可循環使用。 此外，利用海流發電，例如：潮汐的落差、洋流與海浪等，都是海洋國 家可開發利用的能源。因為太陽、月亮及地球之間的萬有引力與地球自轉的 運動，使得海洋水位形成高低變化（圖 4-19 ），這種水位的高低變化稱之為 潮汐。潮汐發電（圖 4-20 ）便是利用漲潮與退潮時的高低水位變化來發電， 與水力發電原理類似，當漲潮時海水自外流入，推動水輪機產生動力發電； 退潮時海水退回大海，再一次推動水輪機發電。 不過根據此一構想，發電設施則必須設置在深海中，而且水壩必須堅固 耐用，並可忍受海水長期沖刷腐蝕，因此潮汐發電恐難在短期內達到一定的 經濟效益。
▲ 圖 4-19 潮汐的引力作用 ▲ 50
圖 4-20 潮汐發電示意圖
生活中的能源
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六 生質能
生質能（圖 4-21 ）源自於農作物，是指由生物所產生
的有機物質，具有產量大、可再生以及易清潔燃燒的優點。 生質能包括：木材與林業廢棄物，如木屑；農作物與農業 廢棄物，如黃豆莢、玉米穗軸、稻殼及蔗渣；畜牧業廢棄 物，如動物屍體；廢水處理所產生的沼氣；都市垃圾、垃 圾掩埋場及下水道汙泥處理廠所產生的沼氣；工業有機廢
▲ 圖 4-22 蓖麻
棄物，如有機汙泥、廢塑橡膠、廢紙及造紙黑液。其主要 成分為碳氫化合物，追根究底其係來自植物之光合作用。 各 國 的 生 質 能 發 展 各 有 不 同， 通 常 是 利 用 該 國 容 易 過剩的農作物，例如美國用黃豆油；歐洲用油菜籽；日本 用 廢 食 用 油； 巴 西 用 甘 蔗、 蓖 麻（ 圖 4-22 ）、 油 棕（ 圖
4-23 ）、大豆、葵花籽以及一些巴西特有的油料植物作為 原料。
▲ 圖 4-23 油棕
圖 4-21 油菜花生質能工廠
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▲
4
化學 A
七 核能
核能（ Nuclear energy ）（圖 4-24 ）通常是指核分裂（ nuclear fission ）
或 核 融 合（ nuclear fusion ） 時 所 產 生 的 能 量， 不 過 目 前 一 般 所 謂 的 核 能， 大多是指鈾 – 235 進行核分裂反應時所產生的能量。現今核能的主要用途是發 電，其發電量約占全世界總用電量的 5% 。 在初發展核能之時，科學家相信核分裂所產生的巨大能量將提供全世界 最廉價的電力。然而情況並非如此樂觀，一座核電廠的成立必須通過生態環 境、人身安全、輻射外洩防護及廢料處理等嚴格評估與考量後，始能獲得實 際應用的基本資格。 在 1986 年所發生的車諾比核事故，已經使得科學家對於核能的安全性感 到懷疑，又加上近年來，多次核電廠意外事件，更加深人們對核能電廠設施 與相關安全防護的疑慮與恐懼。由於這些因素，目前核能電廠的興建費用， 已經遠超出當時的想像。 事 實 上， 核 能 應 用 的 最 大 難 題 在 於 核 廢 料 處 理， 目 前 臺 灣 的 核 廢 料 大 多存放於核電廠，因為這些廢棄物具有放射性，如果無法有效解決核廢料所 衍生的種種問題，核能應用將無法發揮其預期效能。此外，地球上的鈾含量 也和化石燃料一樣會有枯竭的一天，因此核能可能無法成為未來人類的主要 能源。 ▲ 52
圖 4-24 核能發電
生活中的能源
4
4-2.2 臺灣的再生能源與附近海域能源的蘊藏開發 目前臺灣除了上述的再生能源可以發展之外，近期也發現可
燃冰（圖 4-25 ）的利用或許能帶給全球能源另一種選項。可燃冰 顧名思義就是會燃燒的冰，在高壓低溫的狀態下，水分子會形成 籠形結構（圖 4-26 ），且在籠形結構中包覆著天然氣水合物。這 些天然氣水合物的成分以甲烷為主，又稱為甲烷水合物，其他還 包含：乙烷、丙烷、氫氣、二氧化碳等。 可燃冰之所以稱作可燃燒的冰，是因為可燃冰在常溫、常壓 下就會解離，而裡面的甲烷氣會釋放出來。因為甲烷氣具有可燃 性，只要在可燃冰上點火觸發甲烷氣，可燃冰便會輕易燃燒起來。
▲ 圖 4-25 可燃冰
比 起 現 有 化 石 原 料， 可 燃 冰 的 其 中 一 個優勢即為較乾淨的新能源。這是因為甲烷 含碳量高，燃燒後雖會產生二氧化碳，但其 二氧化碳排放量卻比汽油燃燒所排放的要少 （ 圖 4-27 ）， 因 此 可 燃 冰 的 使 用 將 有 助 於 減少地球環境汙染與降低二氧化碳含量。不 過可燃冰目前仍屬開發研究階段，實際的應
▲ 圖 4-26 籠形結構
用與成效還有待日後發展。 圖 4-27 汽機車所排放的二氧化碳會造成空氣汙染
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▲
4
化學 A
2012 年臺灣再生能源總裝置容量合計為 3.6 GW ，約占臺灣所有發電設 備（圖 4-28 ）的 7.5% ，其中以水力發電為我國最大宗的再生能源發電種類。 由於水力發電影響生態環境甚鉅，近年水力發電的發展受到限制，政府轉而 發展風力發電與太陽光電。 風力發電的風機須建置於良好風能之區域，方具發電效益。然而臺灣土 地資源有限，高山坡度過大或土石流區域並不適合設置風力發電，且風力時 有時無，使風機無法穩定供電，平均每天發電時數約 6 ～ 7 小時，設備利用 率僅約 28% 。陸上風機因低頻噪音、光影閃爍等問題容易招致民眾抗爭，且 臺灣夏季用電高峰恰是風力最弱的季節，風電難以適時負擔夏季尖峰用電； 海上風機則設置成本高，又面臨海事工程難度高及海洋生態保育等問題尚待 克服。
▲ 圖 4-28 目前臺灣主要的發電廠 54
生活中的能源
4
而太陽光電須有足夠日照才能發電（圖 4-29 ），目前臺灣平均每天有效 發電時間約 3 ～ 4 小時，平均年利用率約 14% ，現階段無法成為穩定持續的 供電來源。太陽光電成本約每度 5 ～ 8 元，為現行電價的 2 ～ 3 倍，在太陽光 電成本大幅降低以前，若大量使用對產業用電與民生用電都是沉重負擔。 至於地熱、海洋能等技術仍有待發展；再生能源雖然發電過程不排碳， 但受到天然環境、土地使用、發電成本、間歇供電等多項因素影響，短、中 期可開發之質與量亦尚難以作為基載電源。
▲ 圖 4-28 太陽光電須日照充足
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4
化學 A
隨堂練習 4-2 （ ）1. 下列何者不是常見的再生能源？
(A) 生質能
(B) 太陽能
(C) 地熱
(D) 化石燃料。
（ ）2. 下列何者是風力發電必須具備的條件？
(A) 風力穩定
(B) 人民生活所得高
(C) 太陽能充足
(D) 土地貧脊。
（ ）3. 核能發電所帶來的困擾，不包含下列何者？
(A) 核電廠的安全性 (C) 鈾 –235 的含量
(B) 核廢料的處理 (D) 發電成本低廉。
（ ）4. 關於生質能的敘述，下列何者錯誤？
(A) 生質能的來源很廣泛 (B) 各國通常都是利用該國過剩的農作物進行發展 (C) 生質能目前已可完全取代化石燃料 (D) 生質能在使用上仍需愛惜，不可浪費。 （ ）5. 關於可燃冰的敘述，下列何者正確？
(A) 可燃冰就是將一般的冰點火燃燒 (B) 又稱為甲烷水合物 (C) 可燃冰裡面僅有甲烷一種化合物 (D) 可燃冰並不是一種乾淨的能源。
56
Chapter 4-1 電池
4
重 點 掃 描
1. 化學電池是一種利用氧化還原反應將化學能轉換成電能的裝置。 2. 在電池中，發生氧化反應的電極稱為負（陽）極；發生還原反應的電極稱為正 （陰）極。 3. 鋅 – 銅電池的銅棒為正（陰）極；鋅棒為負（陽）極。 4. 乾電池屬於一次電池，電壓為 1.5 伏特。石墨（碳）棒為正（陰）極；鋅為負（陽） 極，電解質為氯化銨（NH 4Cl）、氯化鋅（ZnCl 2）及二氧化錳（MnO 2）混合的 糊狀物。
5. 鹼性乾電池屬於一次電池，電壓為 1.5 伏特。石墨（碳）棒為正（陰）極；鋅為 負（陽）極（內文未提，且別家有的寫二氧化錳正極；鋅粉負極？），電解質為 氫氧化鉀溶液。 6. 鉛蓄電池，屬於二次電池，電壓為 2.0 伏特。二氧化鉛為正（陰）極；金屬鉛為 負（陽）極，電解質為硫酸溶液。 7. 二次鋰電池屬於二次電池，電壓約為 3.0 伏特。金屬氧化物或硫化物為正（陰） 極；含金屬鋰的材料為負（陽）極，電解質為有機溶劑。 8. 燃料電池是利用觸媒的催化作用，將燃料的化學能轉變成電能。 9. 化學電池在潮濕高 溫 處可能快速變質或老化，宜保存在乾燥低 溫 處。
4-2 能源
10. 太陽能是將陽光轉換成電能。 11. 風力發電僅可在風力充沛與風速穩定的地區始能發揮一定效果。 12. 水力發電是利用水位落差，配合水輪發電機產生電力。 13. 地熱發電是利用無止盡的地熱來加熱地下水，使其成為過熱蒸汽後，推動渦輪機 旋轉而發電。 14. 海洋能是利用海洋運動過程所生產出來的能源，這些能量包括潮汐能、波浪能、 海流能、海洋 溫 差能與海水鹽差能等形式。 15. 生質能源自於農作物，是指由生物所產生的有機物質，具有產量大、可再生以及 易清潔燃燒的優點。 16. 核能是指鈾 – 235 進行核分裂反應時所產生的能量。
17. 可燃冰在高壓低 溫 的狀態下，水分子包覆天然氣水合物。這些天然氣水合物的成 分以甲烷為主，其他還包含：乙烷、丙烷、氫氣、二氧化碳等。 57
Chapter
4
一、選擇題
課 後 習 題
4-1 （ ）1. 關於鋅銅電池的敘述，下列何者正確？ (A) 測電池電壓時，伏特計之正端接於鋅極
(B) 鹽橋的目的為使電子在其中流動 (C) 鹽橋移開後，電池電壓變為零 (D) 在外電路中，電子流向為從陰極到陽極。 （ ）2. 關於乾電池的敘述，下列何者不正確？
(A) 陽極反應為氧化反應 (B) 以碳棒為陽極 (C) 在電解質中加入澱粉來增加稠密性 (D) 電解質為 MnO2、NH4Cl 和 ZnCl2 的混合物。 （ ）3. 關於鹼性乾電池的敘述，下列何者錯誤？
(A) 電壓比勒克朗舍電池略高 (B) 以 KOH 或 NaOH 為電解液 (C) 放電時 Zn 放出電子 (D) 二氧化錳得到電子被還原成 Mn2+。 （ ）4. 鹼性乾電池是將哪一種電池的電解液換成 KOH ？
(A) 鎳鎘電池
(B) 碳鋅電池
(C) 鉛蓄電池
(D) 燃料電池。
（ ）5. 關於於鋰電池的敘述，下列何者錯誤？
(A) 陽極使用金屬鋰 (B) 電壓 3 伏特，貯藏壽命可達 10 年 (C) 陰極使用金屬鋅 (D) 使用的電解質是對鋰安定的非水溶液。 （ ）6. 關於鉛蓄電池的敘述，下列何者錯誤？
(A) 電時鉛金屬質量減少 (B) 陽極為鉛，陰極為二氧化鉛 (C) 放電過程 H2SO4 濃度漸小 (D) 充電時，Pb 極與電源的正極連接。 （ ）7. 下列哪一種電池對環境的汙染最低？
(A) 乾電池
(B) 鹼性乾電池 (C) 鉛蓄電池
4-2 （ ）8. 再生能源的產生是因為要取代何種能源？ (A) 太陽能 (B) 化石燃料 (C) 乾電池
(D) 燃料電池。 (D) 風力。
（ ）9. 太陽能目前已經可廣泛應用於下列何種產品，供應該產品的能量？
(A) 計算機
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(B) 飛機
(C) 轎車
(D) 行動電話。
（ ）10. 臺灣目前已經有幾座核能發電廠？
(A) 一座
(B) 二座
(C) 三座
(D) 五座。
（ ）11. 關於核能發電，下列敘述何者錯誤？
(A) 核能發電是利用核融合的方式進行 (B) 核能發電的安全性非常重要 (C) 核能發電主要是利用鈾 –235 (D) 核電廠在世界各地都有零星的事故發生。
二、填充題
4-1 1. 鋅銅電池的陽極是
、陰極是
、鹽橋的成分為
。
2. 乾電池與鹼性乾電池的電壓為
伏特。
3. 可重複充電的電池稱為
電池。
4. 鉛蓄電池的電解液為
。
4-2 5. 生質能源通常源自於
。
三、問答題
1. 請簡述鋅銅電池的陰陽極、鹽橋及其裝置。
2. 請說明目前行動電話所使用的電池是哪一種電池、其電池的電壓與特性為何。
3. 請說明核能發電的原理，並說明臺灣目前核電廠的位置。
4. 除了課文所提及的再生能源，你覺得還有哪些再生能源具有潛力？
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MEMO