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※科學知識54期第52-62頁

　　利用生活上常見的例子，以簡單的原理說明，並且驗證在現代生活所產生的結果。

一、前言

　　生活在現代的社會中必須具備許多知識，這些知識有些是為了生存，或者是改善生活，甚至於增加我們的修養。知識包括科學、技術、文學、藝術等等，隨著時 代的進步，所需要的知識越多，也越多樣化。因此，知識的獲得除了由我們本能的經驗的累積，經驗的傳遞，到現代媒體扮演了非常重要的角色。在以往經驗的累 積，經驗的傳遞的過程中，也許知識並不算多，可以用心去體會，用腦去想。當大量的知識經由媒體介紹湧來，我們就本能的用我們的方便法則-記憶-來接收，而 忽略了用心去體會，用腦去想。知識沒有用心去體會，用腦去想往往是片斷的，沒有辦法連貫，沒有辦法延伸。例如許多人談到學無法致用，也批評學校教育沒有辦 法應用到生活上，其中原因之一應該是沒有用心去體會，用腦去想。

　　孔夫子曾經說過，學而時習之不亦悅乎。當我們學習一件事時，如果一而再，再而三的重複學習，那真的有快樂可言?但是學習時，如果突然間想通了，把以前 的知識貫起來，那種快樂卻是不可言喻的。對於知識，如果只停留在知而沒有去品味，知識就變成枯燥無味，尤其是科學知識往往是比較沒有感性的知識，更需要去 品味。

　　生活上科學的知識很多，本文的目的並不是要介紹科學知識，是用一些生活上科學知識的例子，以簡單的原理說明，希望能夠用心去體會，用腦去想，並且用身去享受生活上科學知識，這就是品味。

二、環境的溫室效應

　　環境的溫室效應是一個很普通的名詞，現在的小學生都知道。由於現行的高中課本也有這個主題，所以今年本校的入學甄試的口試我就問這個問題。課本的敘述 是這樣的，「…空氣中二氧化碳濃度的提高所可能引起的所謂『溫室效應』提升地面的溫度…」。下面是口試時的對話：

　　問：「什麼是環境的溫室效應？」，答：「空氣中二氧化碳濃度的提高所可能引起的所謂『溫室效應』提升地面的溫度…」。問：「為什麼二氧化碳會提升地面 的溫度？」，答：「太陽光照射地球表面反射的紅外光被二氧化碳吸收，提升地面的溫度。」。問：「為什麼二氧化碳吸收只吸收反射的紅外光，難道不吸收太陽光 照射地球的紅外光？」，答：「…」。問：「換個方向來說，光是能量，如果有一個東西把能量吸收了，溫度應該上升還是下降？」，答：「下降。」。問：「紅外 光是能量，二氧化碳吸收紅外光，溫度應該下降，為什麼會有環境的溫室效？」，答：「…」。

　　光是一種輻射波，無論什麼光，光速在真空中為3x10⁸公尺/秒。不同的光，可以用波長或頻率來描述，頻率是每秒波的數目，波長是每個波的距離。因此各種光都有不同的波長範圍，或者說不同的頻率範圍。我們眼睛可以看到的光只是光的一小部分，稱為可見光，波長範圍大約在400-800 nm(1nm=1x10^-9公 尺)，由長波長到短波長依序為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。波長比可見光大的依序為紅外光，微波，無線電波；波長比可見光小的依序為紫外光，X光。光的能 量和光的波長成反比，也就是說波長越長，能量越小。就可見光而言，紅光比紫光的能量小，而就整個光來說，紅外光比可見光的能量小，紫外光的能量比可見光的 能量大。

　　太陽光基本上包含各種能量的光，但是照射到地球時，許多低能量的光並不能穿透大氣層，而較高能量的光穿透大氣層之後和地表碰撞，反射。就像將一個球丟到地上一樣，球反彈的高度比原先的高度低。光碰撞之後反射會失去一些能量，成為較低能量的光，通常是紅外光。

　　想想水往下流，很多自然的現象都有相同的關係，希望處於最低能量狀態。如果給予能量，就能使其到較高的能量狀態。就像我們台灣日月潭有一個抽蓄電廠， 由上湖和下湖組成，當用電尖峰時，將上湖的水洩至下湖，水的位能轉成電能;在用電離峰時，由下湖將水抽至上湖，將電能轉成水的位能。雖然，抽蓄電廠沒有淨 發電量，但是具有調節尖峰離峰電的供應。在此，可以得到兩個概念，其一是如果要到較高的能量狀態，就要給予能量，而由較高的能量狀態到較低的能量狀態，就 會有能量釋出；另外，不同形式的能量可以互相轉換的。再以抽蓄電廠為例，可以想像有上湖、下湖兩個水的位能狀態，物質(分子)也有許多能量狀態。二氧化碳 能吸收紅外光的能量而提升到較高的能量狀態，但是在高能量狀態不穩定，會釋放能量而本身降至低能量狀態，在這個過程所釋放的能量是熱而不是光，因此溫度增 加。

　　以上所用到的概念都知道但是必須串起來。這個溫室效應還有許多值得探討的，例如只有二氧化碳會產生溫室效應?何不自己想想看。

三、清潔劑

　　在我們的生活上，都有使用清潔劑的經驗，無論是清潔我們的身體，或者使用的衣、物。水是地球上最多的溶劑，因此在洗滌物品時，我們首先考慮使用的是 水。但是有時候，當水無法將污染的物質清除時，就要藉助於一些其他的物質來清除污染。無論這些物質是什麼，清除污染物的物質通稱清潔劑。

　　在古老的社會中，婦女在河流邊洗衣服。她們將衣服在岩石上用木棍敲打衣服，在河水中洗滌衣服，編織成了一幅詩情畫意的景象。她們在衣服中放著一些植物，利用敲打將植物的汁打出來，清潔衣服。一些植物例如皂草(soapwort)是天然的清潔劑。

　　除了天然的清潔劑之外，為了生活上的需要，製造清潔劑。肥皂是最早工業製造出的清潔劑，在十五世紀，威尼斯已經有肥皂的生產；到了十九世紀，肥皂製造己成為主要的工業。之後，由石化原料製成的界面活性劑取代了肥皂，成為清潔劑的主流。

　　肥皂的合成可以追溯到大約2500年前的羅馬時期。當時將動物脂肪和木灰混在一起煮，木灰中的碳酸鉀(K₂CO₃) 會引發一系列的反應。第一個反應形成的氫氧化鉀使三甘油脂分解成甘油和脂肪酸鹽（笫二個反應）。氫氧根離子使三甘油脂分解稱為皂化。現在的肥皂使用氫氧化 鈉取代氫氧化鉀，加入氫氧化鈉使肥皂的溶解度降低而固化（稱為鹽析），成為條狀的肥皂塊，而含鉀的肥皂無法固化是液體肥皂。

　　典型的肥皂是含14個碳氫鍊脂肪酸的鈉鹽。雖然肥皂是由一個碳氫長鏈和離子組成的鹽類，肥皂的特性和一般的鹽類不相同。通常的鹽類是親水性的 （hydrophilic），鹽類中的陽離子和陰離子分別被水分子包圍而溶解於水。而脂肪（和油）是疏水性的（hydrophobic），不溶於水，當油 和水混合時由於油的碳氫鏈和水互相排斥而分離，形成兩層。由於肥皂分子結合鹽類的親水特性和油脂的疏水特性，因此肥皂可以同時和油、水作用，更重要的是肥 皂可以成為油、水混合的中間物。肥皂使油、水混合是一種很重要的功能，存在油中的髒污因為油阻擋住水，無法用水去除，而肥皂可以克服這個障礙。

　　肥皂是界面活性劑的一種，因為肥皂可以使水穿透油滴的表面，把油滴化分成許多小油滴。小油滴和肥皂作用而懸浮在水中，不會互相再結合。肥皂的界面活性 劑作用可以以微觀的肥皂分子來解釋，肥皂在水中互相結合在一起形成微泡（micelles），以疏水端聚結防止和水作用，而親水端在表面和水接觸。在清潔 器物時，被化分成小油滴陷入微泡中，而洗滌時將含小油滴的微泡移除。

　　肥皂的疏水性和親水性必須平衡才能成為有效的界面活性劑。含14個碳的脂肪酸所製成的疏水性和親水性達到最佳的平衡，當碳氫鏈太長，肥皂的疏水性較大，在水中的溶解性降低，無法溶解、清洗；當碳氫鏈太短，微泡無法有效的捕捉住小油滴。

　　沒有含14個碳的碳氫鏈天然來源的油脂，但是以椰子油最為相近。許多洗手肥皂廣告以含椰子油為號召，事實也是如此，椰子油含高成分的12個碳、14個碳、16個碳的脂肪酸。另外，椰子油的飽和成分較高（低碘值），不易被氧化也是由椰子油製成的肥皂的特點。

　　普通肥皂常用牛、羊的油脂製成。牛、羊的油脂含90%的16個碳和18個碳的脂肪酸，通常須要混合一些椰子油。如果用熱水洗衣，長鏈脂肪酸降低溶解度的問題可以因為熱水增加溶解度解決。

　　肥皂泡沫的現象也可以用肥皂的疏水性和親水性解釋。在水的表面，肥皂的親水端由於溶解於水而在水表之下；而疏水端則豎立在水表之上。由於親水端和水的吸引力很弱，產生泡沫的現象。由椰子油製成的肥皂起泡效果很好。

　　因為洗衣用水的硬度使得肥皂不適合用來洗衣服，洗衣用清潔劑取代肥皂。水的硬度是用於水中含有金屬離子，主要是鈣離子（Ca²⁺）和鎂離子（Mg²⁺）。肥皂中脂肪酸的陰離子和鈣離子、鎂離子產生不溶的沉澱物。這些沉澱物會附著在衣服上。發展出烷基苯磺酸（alkyl-benzene sulfonate, ABS）清潔劑解決這個問題。這個合成的清潔劑是由丙烯和苯合成的。

　　如同肥皂，這個合成的清潔劑也含有疏水性和親水性，因此可以穩定油-水的乳化。當鈉離子被鈣、鎂離子取代時，仍然溶解在水中，不會產生沉澱。但是當烷基苯磺酸與鈣、鎂離子，它就失去吸取油的能力。

　　大多數的家庭沒有軟水裝置，但是水多少含有水硬水成分。在1947年，合成的清潔劑「汰漬」含15-20%界面活性劑和20-65%填加劑 （builder）。利用填加劑和鈣、鎂離子結合軟化硬水成分，使清潔劑發揮它的功能。最常用的填加劑為焦磷酸鈉（sodium pyrophosphate）和三磷酸鈉（sodium tripolyphosphate），可以和鈣、鎂離子形成錯離子而溶解於水中。

　　焦磷酸鈉和三磷酸鈉除了可以增強洗淨能力之外，它本身沒有毒性也是優點之一，因此在50年代ABS加磷酸鹽的清潔劑為清潔劑的主流。在60年代的早期 發現，ABS在廢水處理時，微生物並無法完全分解，在某些地區含ABS的廢水因此回流到家庭供水系統中。在1965年ABS被線性烷基苯磺酸 （linear alkyl-benzene sulfon ate, LBS）清潔劑取代。

　　LBS和ABS同樣是石化原料合成，兩者主要結構上的不同在於LBS的碳氫鏈沒有支鏈，而ABS的碳氫鏈有支鏈。沒有支鏈的LBS和脂肪酸相似容易被 生物分解及廢水處理，而有支鏈的ABS不易被分解。在1967年另外一個環境上的問題注意到清潔劑中磷酸填加劑對水中藻類生長的問題。磷是控制植物生長重 要養分之一，如果過多，會使水中藻類過分繁殖，稱為優養化。雖然藻類可以進行光合作用提供水中動、植物氧氣，但是如果藻類過分繁殖，所製造的氧氣會脫逸到 大氣中，而加速水中生物繁殖增加氧氣的需求及藻類過分繁殖覆蓋水表阻斷光合作用，使得水中的氧降低，總結破壞了生態循環，在此極端的情況的湖泊稱為死湖。

　 　首先的策略是降低清潔劑中磷酸填加劑的量，到1970年代中期開始有製造廠以晴基三乙酸鹽（sodium nitri-loacetate, NTA）取代磷酸填加劑，有效的結合硬水離子。到了1970年代末期，因為NTA也會和水中其他金屬離子，例如鎘和汞結合。考慮到NTA和金屬離子結合， 而將環境中的金屬離子集中，造成污染，因此在1980年代，清潔劑中的填加劑還是以磷酸鹽為主，只是含量降。到了1990年代，填加劑以檸檬酸鈉 （sodium citrate），碳酸鈉（sodium carbonate）和沸石（zeolites）取代。檸檬酸鈉的化學結構和NTA相似，適合和鈣、鎂離子結合，但是結合能力不如磷酸鹽強。由於檸檬酸鈉 的溶解度較高，適合用於液體清潔劑，碳酸鈉和沸石只能用在清潔粉劑中。

　　洗滌蘇打或碳酸鈉可溶於水，但是和鈣、鎂離子產生碳酸鈣、碳酸鎂沉澱：
　　Ca²⁺+Na₂CO₃→CaCO₃+2N^a+
　　Mg²⁺+Na₂CO₃→MgCO₃+2N^a+

　　洗滌蘇打不被採用的原因之一是當碳酸鈉和水作用會產生氫氧化鈉，高鹹度的氫氧化鈉可能對孩童產生危險。

　　沸石是另外一個磷酸鹽的取代填加劑。在清潔劑中沸石的功能是離子交換，在沸石的三度空間結構中，鈉離子和帶負電荷的鋁原子聯結著。鈣離子很小，能夠穿 過沸石架構，由於鈣離子的電荷較大，可以取代鈉離子而被捕捉住。鎂離子雖然比鈣離子小，但是和水分子形成的水合物不能自由進出沸石。雖然沸石不會影響生態 的物質，但是它的功效比磷酸鹽填加劑差。

　　面對清潔劑中界面活性劑的不完美，研究單位提供新的界面活性劑，包括陰離子界面活性劑、陽離子界面活性劑和非離子界面活性劑。這些物質目前或者取代LAS，或者混合LAS使用。

　　兩種取代LAS的陰離子界面活性劑為硫酸醇的界面活性劑（alcohol sulfate, AS）和硫酸醚的界面活性劑（ether sulfate, ES）。AS是由碳氫長鏈的醇類和三氧化硫反應，再和氫氧化鈉作用製造成。由於AS不會對眼睛或皮膚產生敏感，早就被使用於洗髮精和手洗洗碗精上。雖然AS的價格比LAS高，但是AS較適合硬水使用。許多AS產品加入ES增加在硬水中的溶解度。

　　ES由短鏈的碳氫醇類和二到四個單位的環氧乙烷（ethylene oxide）合成後，再和三氧化硫及氫氧化鈉作用製造成。由於醚類的極性較大，ES在水中溶解度較大，適合硬水使用。

　 　現今的液體洗衣精混合了ES和非離子界面活性劑。三種常見的非離子界面活性劑是fatty alcohol ethoxylate, fatty alkanol amide, amine oxide。fatty alcohol ethoxylate不是一種好的發泡產品，通常用在不需要高發泡的液體洗衣精，因為是非離子界面活性劑，不會受到硬水離子的影響，但是以洗靜效果而論， 比陰離子界面活性劑差。fatty alkanol amide和amine oxide非離子界面活性劑的價格較高，但是兩者都是高發泡性，適合用在洗髮精或液體手洗洗碗精。

　　陽離子界面活性劑例如季銨鹽（quaternary ammonium salt），由於價格較高和效果較差，很少用在清潔劑中，但是可以用於纖維柔軟劑中。清潔劑中除了界面活性劑和填加劑為主要清潔效果之外，還加入一些其他物質，如纖維柔軟劑、填充劑、光鮮劑、酵素等。

　 　纖維柔軟劑（fabric softeners）：陽離子界面活性劑雖然不能用在清潔劑中成為洗靜的目的，但是可以用為纖維柔軟劑和抗靜電劑。很多洗衣機設定在最後一次洗滌時加入液 體纖維柔軟劑，纖維帶負電荷吸引帶正電荷的陽離子界面活性劑，即使烘乾後，這些正電荷的陽離子界面活性劑還留在纖維中，使衣服柔軟的感覺並且提供抗靜電的 效果。陽離子的纖維柔軟劑不能在陰離子界面活性劑清除之前加入，否則陽離子界面活性劑和陰離子界面活性劑結合產生沉澱。

　　填充劑（fillers）：為了使粉末狀的清潔劑能夠容易的由容器中倒出，不會黏在盒子上，大多數的粉末狀清潔劑都填加了填充劑，通常是硫酸鈉。硫酸鈉溶於水，在洗滌時水帶出，不會影響洗滌效果。

　　光鮮劑（optical brighteners）：洗過的纖維呈現淡黃色，清潔劑中加入光鮮劑是為了克服這個問題。光鮮劑是利用螢光的原理，吸收不可見的紫外光，放出藍光，由於藍光是黃光的互補光，使得纖維看起來更白。

　　酵素（enzymes）：有些清潔劑加入酵素用分解污垢。兩種常用的酵素是澱粉酵素（amylases）和蛋白質酵素（proteases）；澱粉酵素用於去除澱粉類污垢，蛋白質酵素用於去除蛋白質類污垢。

四、超臨界流體

　　固體、液體、和氣體稱為物質的三態。將固體加熱會形成液體，液體加熱會形成氣體，每個物質的溶點和沸點不同，但是對於熱都有三態的變化。關於壓力，在 高壓、低溫下，物質易呈現固體，當溫度漸漸上升，形成液體，溫度再上升形成氣體。這個現象可以用兩個例子說明：其一是高山上煮飯不容易熟，是因為高山上氣 壓低，沸點下降，水容易形成水蒸氣;高壓鍋煮東西容易熟，因為高壓下沸點上升。

　　當溫度和壓力都升高到一個值，液體、和氣體的界線就沒有很明顯的區分，這個值稱為臨界點(critical point)，其溫度和壓力分別稱為臨界溫度(critical temperature)和臨界壓力(critical pressure)。例如水的臨界溫度為374.4℃，臨界壓力為224.1大氣壓;甲醇的臨界溫度為240.1℃，臨界壓力為82.0大氣壓；二氧化碳的臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為74.8大氣壓。

　 　溫度和壓力都大於臨界溫度和臨界壓力的流體稱為超臨界流體(supercritical fluid)。超臨界流體中液體、和氣體的界線沒有很明顯的區分，又稱為物質的第四態，具有與液體相似的密度和與氣體相似的擴散系數。我們可以想像當氣體 要溶解在液體中，先不要考慮溶不溶解，第一步兩者的密度相差太大，互相間的接觸就成問題，因此具有與液體相似的密度，使物質易溶於超臨界流體。在看當我們 把鹽加水，可以發現在鹽顆粒附近的水較濃，離鹽顆粒較遠的水較稀，當攪拌一下，鹽顆粒才溶解。攪拌是讓含高鹽濃度的水離開鹽顆粒，使含低鹽濃度的水接近鹽 顆粒，增加鹽顆粒的溶解。超臨界流體具有與氣體相似較大的擴散系數也有相同的效果，因此具有物質萃取的潛力。

　　近年來，科學家利用超臨界流體進行物質萃取，較為人知的是咖啡豆中咖啡因的去除。去咖啡因的咖啡豆是以二氧化碳的超臨界流體進行的，由於二氧化碳是無 毒的氣體，而且其超臨界流體的條件(臨界溫度為31.1℃，臨界壓力為74.8大氣壓)較容易達到，許多超臨界流體的應用多以二氧化碳的超臨界流體進行。

　　最近，我們臺灣市面上也有一種去除農藥的米是用二氧化碳超臨界流體去除農藥。在包裝說明農藥去除但是沒有養份損失，這是廠家對產品的驗證。在這裡我們 只是探討其可行性。利用二氧化碳超臨界流體去除農藥，是利用超臨界流體將農藥萃取出，因此，農藥必須能夠溶解於當時的超臨界流體條件。關於溶解是相同性質 的物質會互相溶解，例如油水不互溶是因為油是非極性而水是極性，醋可以溶在水中是兩者都是極性物質。農藥去除而沒有養份損失就必須在二氧化碳超臨界流體的 條件是會溶解農藥，但是不會溶解養份。萬一農藥和養份的特性溶解相似，而超臨界流體條件沒有辦法區分，在農藥去除過程一定會有養份損失。

　　最近也有二氧化碳超臨界流體洗衣機研發成功，雖然市面上還沒有出現，想像這種洗衣機洗好之後是乾的，也不用曬，有多方便，另外也不須要像乾洗一樣使用 有機溶劑，以這個主題來探討一些問題。假設我們用二氧化碳超臨界流體洗衣機洗衣，所用的清潔劑應該具備什麼特性?雖然我們不知道正確清潔劑成份可以使用在 二氧化碳超臨界流體洗衣機，但是由目前水洗洗衣機的清潔劑特性，界面活性劑分兩端，一端是親油端，能和污垢結合，形成微泡，再以另一端的親水性，溶解在水 中清除。應用這個概念，我們可以設計二氧化碳超臨界流體洗衣機的清潔劑，為了清潔污垢，一端是親油端，另一端則是必須能夠溶解在二氧化碳超臨界流體的特 性。雖然這樣的設計未必是唯一的，也未必是正確的，但是它是是由以前知識的延伸，值得一試。另外，二氧化碳超臨界流體洗衣機須要使用二氧化碳，而過量的二 氧化碳會影響環境溫室效應，該如何解決？如果能夠有一個系統能夠將使用過的二氧化碳回收再利用，減少二氧化碳排放到大氣層，就可以降低對環境溫室效應的影 響。現在二氧化碳超臨界流體的應用都是將使用過的二氧化碳壓縮再利用。

五、結語

　　最近常常可以聽到知識經濟這個名詞，知識經濟的知識不該是記憶式的知識，而是能夠用心用腦去體會的活知識。媒體提供大量的知識並沒有錯，重要的是我們如何去選擇，使用知識。

（九十年春季大眾科學講座90.5.12）