化學

化學元素週期表

鑭系元素

錒系元素

金屬

鋁與鋁合金

基本概念

• 鋁（Al）： 一種輕質金屬，密度低、耐腐蝕，常用於工業與民用領域。
• 鋁合金： 在鋁的基礎上加入其他金屬（如鎂、銅、鋅等）以提升強度、硬度和耐磨性。

主要差異

鋁合金的分類

• 鋁銅合金（2XXX系）： 強度高，適用於航空與高強度結構。
• 鋁鎂合金（5XXX系）： 耐腐蝕性佳，常用於船舶與化工設備。
• 鋁鋅合金（7XXX系）： 強度極高，應用於航太與高性能運動器材。

如何選擇

若需求為輕量、耐腐蝕，且不需高強度，鋁即可滿足；若需要更高的機械性能，則應選擇鋁合金。

鋼

定義

鋼是一種以鐵（Fe）為主要成分，並含有碳（C）及其他合金元素的金屬材料。其碳含量通常在0.02%至2.1%之間，影響鋼的硬度與強度。

鋼的分類

按碳含量分類

• 低碳鋼（軟鋼）： 碳含量低於0.3%，韌性好，適合結構件與管材。
• 中碳鋼： 碳含量0.3%~0.6%，強度較高，應用於機械零件與汽車零部件。
• 高碳鋼： 碳含量超過0.6%，硬度高，適用於刀具與彈簧。

按合金元素分類

• 碳素鋼： 僅含碳與少量雜質，應用廣泛。
• 合金鋼： 含有錳（Mn）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等元素，提高強度、耐磨性與耐腐蝕性。
• 不鏽鋼： 含鉻（Cr）在10.5%以上，具有良好抗腐蝕性能，常用於餐具、建築與醫療設備。

鋼的特性

• 強度高，適用於結構與承重應用。
• 可塑性與延展性佳，能透過鍛造、軋製與焊接加工。
• 耐熱性能優異，可用於高溫環境。
• 部分合金鋼與不鏽鋼具備良好的耐腐蝕性。

應用領域

• 建築工程： 鋼筋、鋼結構、橋樑。
• 機械製造： 齒輪、軸承、刀具。
• 汽車工業： 車體結構、發動機零件。
• 家電與日用品： 廚具、不鏽鋼水壺。

如何選擇鋼材

選擇鋼材時應考慮使用環境與需求，例如耐腐蝕可選不鏽鋼，需高強度則選合金鋼，若為一般建築結構，則可使用碳素鋼。

鎢鋼

定義

鎢鋼（硬質合金）是一種以鎢（W）與碳（C）結合形成碳化鎢（WC）為主要成分，並加入鈷（Co）或鎳（Ni）作為結合劑的高強度合金材料。它擁有極高的硬度、耐磨性與耐高溫性能。

鎢鋼的特性

• 極高硬度： 硬度可達HRA 89~95，僅次於鑽石。
• 耐磨性強： 具有極高的抗磨損能力，適用於高負荷環境。
• 耐高溫： 能在1000°C以上的高溫環境中保持穩定性能。
• 高強度與剛性： 具備優異的抗壓能力，適合高精度切削加工。
• 抗腐蝕性佳： 不易氧化或受到化學物質侵蝕。

鎢鋼的分類

• YG類（鎢鈷類）： 含鈷作為結合劑，適用於金屬切削、刀具。
• YT類（鎢鈦類）： 含鈦（Ti），耐高溫，適用於高速切削。
• YW類（通用型）： 綜合性能較好，適合不同材料的加工。

應用領域

• 刀具與鑽頭： 用於製造高精度切削工具，如鎢鋼刀片、鑽頭。
• 模具製造： 用於衝壓模具、冷擠壓模具等高強度模具材料。
• 機械零件： 如耐磨軸承、閥門、渦輪葉片等。
• 軍事與航太： 製造裝甲穿甲彈、噴射發動機零件。
• 珠寶與飾品： 由於耐刮耐磨，常用於手錶外殼、戒指等高級飾品。

如何選擇鎢鋼產品

• 若需高硬度與耐磨性，可選含鈷較低的鎢鋼。
• 若需耐衝擊性能，則選含鈷較高的鎢鋼。
• 對於高溫環境，可選含鈦的鎢鋼，提升耐熱性。

酸鹼性

酸性溶液常作為清潔劑

溶解無機污垢

酸能與無機物質發生化學反應，將其轉化為可溶性化合物，便於清除。

• 去除水垢：水垢主要由碳酸鈣（CaCO₃）組成，酸能將其溶解，例如：
  CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
• 清除鐵鏽：鐵鏽（Fe₂O₃）可與鹽酸反應生成可溶性的氯化鐵：
  Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O

分解油脂與有機物

某些酸可破壞油脂的分子結構，使其乳化並更易沖洗掉。

• 醋酸（食醋）可去除油污和皂垢。
• 檸檬酸可清潔咖啡機內的鈣質沉積物。

殺菌與消毒

酸性環境能抑制細菌與霉菌生長，因此酸性溶液常用於消毒。

• 醋酸可有效殺滅大腸桿菌與沙門氏菌。
• 稀釋的鹽酸可用於醫療器具的消毒。

增強表面光潔度

酸能去除表面的氧化層與礦物沉積，使其恢復光澤。

• 檸檬酸可用於玻璃清潔，使其更加透亮。
• 草酸可清潔不鏽鋼與大理石表面。

應用範圍

酸性清潔劑廣泛應用於家庭與工業領域。

• 浴室清潔劑（去除水垢與皂垢）。
• 除鏽劑（溶解鐵鏽與氧化層）。
• 咖啡機除垢劑（去除鈣質沉積）。

醋酸去除油污和皂垢

油污的性質與醋酸的作用

油污主要由脂肪、油脂（脂肪酸酯）和其他有機物組成，通常為非極性物質，難以溶於水。

醋酸（CH₃COOH）為極性弱酸，可通過以下機制去除油污：

• 乳化作用：醋酸能改變油脂表面的性質，使其與水形成乳化液，易於沖洗。
• 酸解作用：醋酸可與某些油脂發生水解反應，產生可溶於水的脂肪酸和甘油，例如：
  (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3CH₃COOH → 3C₁₇H₃₅COOH + C₃H₈O₃

皂垢的成分與醋酸的反應

皂垢主要由不溶性脂肪酸鹽（如鈣皂、鎂皂）組成，這些化合物在硬水環境下與肥皂作用後形成。

醋酸能與這些不溶性化合物發生酸鹼中和反應，使其轉化為可溶於水的物質，便於沖洗。

• 鈣皂的去除：醋酸與硬水中的鈣皂（如硬脂酸鈣）反應，生成可溶性的醋酸鈣：
  2CH₃COOH + Ca(C₁₇H₃₅COO)₂ → Ca(CH₃COO)₂ + 2C₁₇H₃₅COOH
• 鎂皂的去除：類似地，醋酸可將鎂皂轉化為醋酸鎂，使其溶於水。

清潔效果的增強

醋酸的去污能力可進一步增強，若與熱水或其他表面活性劑（如洗潔精）搭配使用，能更有效地分解油污與皂垢。

有機化學

探索碳化合物的科學

烴

概述

烴是由碳（C）和氫（H）兩種元素組成的有機化合物，是有機化學中最基本的化合物之一。根據碳原子之間的鍵結類型，烴可分為多種類型。

分類

根據結構和鍵結，烴主要分為以下三類：

• 飽和烴：只含單鍵，如烷烴（甲烷、乙烷）。
• 不飽和烴：含有雙鍵或三鍵，如烯烴（乙烯）、炔烴（乙炔）。
• 芳香烴：具有共軛π鍵環狀結構，如苯、甲苯。

性質

烴的性質因結構不同而有所變化：

• 低分子量的烴通常是氣體（如甲烷、乙烷），而高分子量的烴多為液體或固體。
• 大部分烴不溶於水，但溶於有機溶劑。
• 燃燒時可生成二氧化碳和水，並釋放大量能量。

用途

烴在工業和日常生活中有廣泛用途：

• 作為燃料：如天然氣、汽油、煤油。
• 作為化工原料：製備塑膠、橡膠、合成纖維等。
• 用於合成其他有機化合物：如醇類、酮類、酸類。

烷

定義

烷是一類飽和烴化合物，其分子中只含有碳碳單鍵（C–C）和碳氫單鍵（C–H）。其通式為 C_nH_2n+2，最簡單的烷是甲烷（CH₄）。

分類

• 直鏈烷：碳原子以不分支的方式連接，例如乙烷、丙烷。
• 支鏈烷：碳原子形成分支，例如異丁烷。
• 環烷：碳原子形成環狀結構，例如環戊烷。

物理性質

• 低分子量烷為氣體（如甲烷、乙烷），中等分子量為液體（如己烷），高分子量為固體（如石蠟）。
• 不溶於水，但溶於有機溶劑。
• 熔點和沸點隨分子量增加而升高。

化學性質

• 化學性質相對穩定，但在高溫或催化條件下可發生反應。
• 與鹵素發生取代反應，例如氯化反應生成氯烷。
• 在充分供氧下可完全燃燒生成二氧化碳和水。
• 可裂解生成小分子烴，應用於石油裂化。

應用

• 甲烷是天然氣的主要成分，用於燃料和製造氫氣。
• 液態烷如己烷和辛烷用作溶劑和燃料。
• 石蠟用於製造蠟燭、絕緣材料和防水塗層。

甲烷

化學性質

甲烷（CH₄）是一種最簡單的烷烴，無色無味，屬於非極性分子，難溶於水但可溶於有機溶劑。燃燒時產生二氧化碳和水，並釋放大量熱能。

物理性質

標準狀態下，甲烷為無色無味的氣體，密度比空氣小，熔點約為 -182°C，沸點約為 -161.5°C。

來源

甲烷主要來源包括天然氣、動植物有機物的分解、沼氣發酵以及生物代謝過程。主要工業來源為天然氣開採。

用途

甲烷廣泛應用於能源、化學工業與燃料領域。可用作家庭燃氣、發電、製造甲醇、氫氣與合成氣等。

環境影響

甲烷是一種強效溫室氣體，其對氣候變遷的影響遠大於二氧化碳。減少甲烷排放對環境保護具有重要意義。

苯

苯的基本性質

苯（Benzene）是一種無色、有甜味且具高度揮發性的液體。其化學式為C₆H₆，是最簡單的芳香烴。

• 分子結構：苯分子呈環狀，六個碳原子形成共軛π鍵的結構。
• 熔點：5.5°C
• 沸點：80.1°C
• 密度：0.8765 g/cm³
• 難溶於水，但易溶於有機溶劑。

苯的來源

苯主要由以下途徑獲得：

• 石油化工：從石油裂解氣或催化重整中提取。
• 煤化工：由煤焦油分餾得到。

苯的用途

苯在化工行業中具有廣泛的用途：

• 合成原料：用於生產苯酚、苯胺、苯乙烯等化學品。
• 溶劑：作為工業溶劑，用於油漆、膠水及清潔劑等產品。
• 燃料添加劑：曾用於汽油中提升辛烷值（現多數國家已限制使用）。

健康與環境影響

苯對人體和環境具有潛在的危害：

• 對健康的影響：長期暴露於苯可能導致血液疾病，如白血病；吸入高濃度苯會導致頭痛、頭暈甚至中毒。
• 環境污染：苯具有揮發性，易造成空氣污染，並可能滲入地下水源。

安全處理與儲存

處理和儲存苯時需注意以下事項：

• 儲存於陰涼、通風良好的地方，並遠離火源。
• 操作時應佩戴防護設備，如手套和呼吸防護器。
• 避免直接接觸或長時間暴露於苯的環境中。

烯

定義

烯是一類含有碳碳雙鍵（C=C）的不飽和烴化合物。其通式為 C_nH_2n，最簡單的烯為乙烯（C₂H₄）。

分類

• 直鏈烯：碳鏈不分支，例如丙烯。
• 支鏈烯：碳鏈帶有分支，例如異丁烯。
• 環烯：形成環狀結構，例如環戊烯。

物理性質

• 低分子量烯為氣體或液體，無色且具有輕微氣味。
• 不溶於水，但易溶於有機溶劑。
• 隨分子量增加，熔點和沸點升高。

化學性質

• 由於含有碳碳雙鍵，烯具有高度的反應活性。
• 能進行加成反應，例如與氫氣、鹵素和水的加成。
• 可進行氧化反應，生成環氧化物或羧酸。
• 雙鍵的排列可引起順反異構現象。

應用

• 乙烯是塑膠（如聚乙烯）和其他化學品的重要原料。
• 丙烯用於製造聚丙烯、異丙醇和丙烯腈。
• 環烯可用於合成特殊聚合物和藥物。

萜烯

定義

萜烯是一類由異戊二烯單元（C₅H₈）組成的有機化合物。它們廣泛存在於植物和某些昆蟲中，通常具有芳香氣味。

分類

• 單萜：由兩個異戊二烯單元組成，例如桉樹醇。
• 倍半萜：由三個異戊二烯單元組成，例如法呢醇。
• 二萜：由四個異戊二烯單元組成，例如維生素 A。
• 三萜：由六個異戊二烯單元組成，例如角鯊烯。
• 四萜：由八個異戊二烯單元組成，例如橡膠。

物理性質

• 通常為揮發性液體，具有強烈的氣味。
• 不溶於水，但易溶於有機溶劑。

化學性質

• 含有不飽和鍵，易於發生加成反應和氧化反應。
• 在酸或高溫下可進行環化反應。

應用

• 用於精油、香水和香料的製造。
• 在藥物中作為抗氧化劑和抗炎劑。
• 作為生物燃料和工業溶劑。

炔

定義

炔是一類含有碳碳三鍵（C≡C）的不飽和烴化合物。其通式為 C_nH_2n-2，最簡單的炔是乙炔（C₂H₂）。

分類

• 末端炔：三鍵位於分子末端，例如 1-丁炔。
• 內部炔：三鍵位於碳鏈中間，例如 2-丁炔。

物理性質

• 低分子量炔通常為氣體或揮發性液體，具有輕微氣味。
• 不溶於水，但易溶於有機溶劑。
• 三鍵使分子具有較高的鍵能和直線型結構。

化學性質

• 三鍵中的 π 鍵易於斷裂，能進行加成反應，例如與氫氣、鹵素和水的加成。
• 末端炔具有酸性，能與強鹼反應生成炔負離子。
• 可在催化條件下進行聚合反應，生成複雜結構。

應用

• 乙炔用於金屬切割和焊接，因其燃燒時能產生高溫。
• 炔化合物是合成有機化學品（如塑膠、橡膠和藥物）的重要原料。
• 某些炔化合物在醫藥中具有抗癌或抗菌的活性。

醇

定義

醇是一類有機化合物，具有一個或多個羥基（–OH）直接連接到碳原子的特性。通常，醇的通式為 R–OH，其中 R 是烷基或芳基。

分類

• 一元醇：只含一個羥基，例如甲醇、乙醇。
• 多元醇：含有多個羥基，例如甘油（丙三醇）。
• 脂肪醇：含有飽和或不飽和的長鏈烷基，例如十六醇。

物理性質

• 具有極性，與水混溶性隨分子量增加而降低。
• 沸點高於對應的烷烴，因為羥基形成氫鍵。

化學性質

• 可被氧化生成醛、酮或羧酸。
• 與酸性物質反應生成酯。
• 脫水可生成烯烴。

應用

• 作為溶劑，用於工業及實驗室。
• 乙醇是常見的飲品成分，亦用於醫藥及燃料。
• 多元醇用於化妝品和食品添加劑。

酚

定義

酚是一類有機化合物，其分子中含有一個或多個羥基（–OH）直接連接到芳香環的碳原子上。最簡單的酚是苯酚（C₆H₅OH）。

分類

• 單酚：每分子只含一個羥基，例如苯酚。
• 多酚：每分子含有多個羥基，例如兒茶酚和間苯三酚。

物理性質

• 大多數酚為晶體固體，具有特殊氣味。
• 溶解性隨分子結構不同而異，低分子量酚可溶於水。

化學性質

• 具有酸性，能與鹼反應生成酚鹽。
• 羥基的存在使其易於發生氧化和硝化反應。
• 酚可通過共振結構增強芳環的親電取代反應活性。

應用

• 用於製造塑膠（如酚醛樹脂）及黏合劑。
• 苯酚是製造阿司匹靈等藥物的重要原料。
• 多酚具有抗氧化性，廣泛應用於食品和化妝品中。

醚

定義

醚是一類有機化合物，分子中含有一個氧原子連接兩個烷基或芳基基團。其通式為 R–O–R'，其中 R 和 R' 可以相同或不同。

分類

• 對稱醚：兩個基團相同，例如二乙醚。
• 不對稱醚：兩個基團不同，例如甲基乙基醚。

物理性質

• 通常為揮發性液體，具有甜味或刺鼻氣味。
• 沸點低於相應的醇，因為缺乏氫鍵。
• 不溶於水，但低分子量醚具有一定水溶性。

化學性質

• 化學性質相對穩定，不與酸或鹼發生反應。
• 在高溫或光照下可能與氧氣反應生成過氧化物。
• 可在強酸催化下進行開環反應（環氧化物）。

應用

• 用作溶劑，適用於油脂、樹脂及有機反應。
• 二乙醚是麻醉劑的一種，歷史上廣泛應用於醫學。
• 環醚（如環氧乙烷）是合成塑膠及其他有機化合物的中間體。

量子化學

量子化學是一門應用量子力學原理研究化學結構與反應的學科。它以電子和原子核的量子行為為基礎，通過數學模型和計算來預測分子結構、鍵結特性、能級分佈等物理化學性質。

量子化學以薛丁格方程為理論基礎，將化學鍵和分子的電子結構視作波函數描述的量子態：

Ĥψ = Eψ

其中：

• Ĥ 是哈密頓算符，描述系統的總能量。
• ψ 是波函數，描述系統的量子態。
• E 是能量本徵值，對應於系統的穩定狀態能量。

量子化學通常使用多種數值計算方法，主要包括：

• 分子軌道理論：假設電子在分子中占據分子軌道，用來描述鍵結與電子分佈。
• 密度泛函理論（DFT）：一種利用電子密度而非波函數來描述系統的理論，計算效率高，廣泛應用於大分子系統。
• 組態交互（CI）：通過多種電子組態的線性組合來描述電子間相互作用，以提高精度。

• 分子結構預測：計算分子形狀、鍵長、鍵角等幾何結構。
• 反應機理研究：分析反應過程中的能量變化和過渡態，預測化學反應速率。
• 材料科學：模擬材料的電子結構，設計具有特定光學、磁性或導電性的材料。
• 藥物設計：通過模擬分子間相互作用，設計更具選擇性和效力的藥物分子。

量子化學的主要挑戰是如何處理複雜系統中的多體問題。隨著分子規模增大，電子的相互作用會使計算需求迅速增加，導致傳統方法無法有效應用。因此，量子化學的研究通常需要高效的數值方法和強大的計算資源支持。

隨著計算技術的發展，量子化學已成為現代化學和材料科學中的重要工具，推動了許多前沿技術的進步。