完美歐姆蛋的化學:從手沖咖啡到深蹲,生活中無處不在的化學反應

閱讀時間約 13 分鐘

Kate Biberdorf  2022 日出出版

分類:論說--科學 

★★☆☆☆

 

一句話:

用簡單和生動的講法解釋化學中最基礎的知識,也用化學解釋日常生活周遭的各種現象。

 

重要字句:

化學的定義:對能量和物質以及兩者如何彼此互動的研究。物質是指任何存在的東西;能量是指分子的反應性。

化學家一直以來都想準確預測兩種分子之間的反應性。

元素是經過化學反應後無法分結成更單純或更小物質的物質,由原子構成。

 

摘要:

基礎化學背景知識

道耳吞在1803年提出原子說,認為所有的物質都是由原子所組成的,單一元素中的所有原子都相同。1890年代,湯木生的陰極射線實驗發現了電子。

原子由質子(帶正電)、中子、電子(帶負電)組成,原子核裡的質子數量會決定原子的種類(原子序),元素周期表中的原子量代表原子核內質子和加權平均的中子數量的和。

 

共價鍵:當兩個原子共用2(4,6)個電子,就會形成單(雙,三)鍵。純共價鍵由兩個電負度(對電子的吸引力)相同的原子組成,極性共價鍵則由兩個電負度不同的原子組成,比較容易產生反應。

離子鍵:金屬將電子轉移到非金屬形成,並不會共用電子。

 

分子的幾何形狀可以根據電子的數量和相對位置來預測。分子的形狀可以讓我們知道分子在空間中如何運作,以及分析電子如何在原子之間形成鍵。

電子的軌域分為四類,每個軌域都只能容納兩個電子,而且其中的電子必須要保持最大距離。軌域可以互相重疊來形成鍵並共用電子。

 

融化:分子得到能量來源讓分子之間的距離越變越大,導致固體變成液體。相反為凝固。

汽化:有熱能讓液體達到沸點,液體轉化為氣體。相反為凝結。

蒸發:沒有直接增加大量熱能的情況下,分子從液體轉化為氣體。

昇華:固體直接變為氣體,如乾冰、空氣芳香劑、樟腦丸。相反為凝華,如樹葉結霜。

 

物質相變的微觀變化(分子間作用力):

  • 偶極─偶極力:兩個極性分子(電荷分布不平衡的分子)間,正負兩端電荷的引力,如水H2O,冰塊融化或水煮滾時就是水分子之間的氫鍵遭到破壞。
  • 分散力:非極性分子之間的作用(吸引)力,作用很弱,因為兩個非極性分子靠近產生瞬間因為電子運動造成的電荷分布不均而形成。

 

吸熱反應:反應物(原有的鍵)比產物(新形成的鍵)更穩定或有更多能量。破壞原有的鍵結需要的能量多於形成新的鍵所釋放的能量。如氫氧化鋁分子,只要熱能足夠其中的鍵會立刻斷開,所以可以吸收熱能以做為阻燃材質。相反則為放熱反應,通常會自然產生。如鐵和氧化合而生鏽,氧化鐵比鐵或氧穩定,所以鏽很容易生成;或是鐵粉在暖暖包中和空氣中的氧接觸而產生放熱反應。

 

日常生活中的化學

早餐

咖啡提神的原因:咖啡因(三甲黃嘌呤)對中樞神經造成的影響很輕微,主要是透過和大腦的特定受器產生暫時的鍵結,阻擋了腺苷(它和大腦受器結合會讓我們想睡)。一天攝取超過10000毫克(約50杯咖啡)才會出現咖啡因攝取過量的問題,但經常一天攝取1~1.5公克的咖啡因,腺苷受器過勞之後會產生易怒或頻繁頭痛等咖啡因中毒的症狀。

烘製咖啡豆:咖啡豆在196°C之後會因為太過乾燥而不再輕易吸收熱能,這時的熱能會將咖啡豆外的糖分焦糖化(破壞蔗糖裡的鍵),所以深焙的豆子顏色較深且較多經過焦糖化的糖。但烘焙方法改變的只有味道,不影響裡面的咖啡因分子。

磨豆:細小的咖啡粉較容易萃取出咖啡因,讓咖啡變苦。

泡咖啡:理想的水溫大約是96°C,此時產生咖啡香氣的分子會開始溶解,一旦到100°C,讓咖啡帶有苦味的分子也會開始溶解。義式濃縮咖啡則是利用壓力讓咖啡粉溶出較多的分子,因此咖啡因也較高。

 

牛奶:牛奶內的脂肪為固體,因此全脂牛奶在微觀下呈現膠體(固體分散在液體中)的狀態。

 

蛋:打蛋器對蛋膜內的分子比較溫和,它會細膩地打破形成蛋白和蛋黃的兩個帶狀物,打蛋器的曲線有助於形成分子內作用力,不會傷及裡面的蛋白質分子。蛋白大約是從63°C開始凝固,蛋黃則是70°C左右,當蛋黃蛋白打散混和當中的分子間作用力會更加穩定,所以混和的蛋液大約73°C才會凝固。

 

肉:所有的肉類都含有酶,酶是天然的催化劑而導致食物腐敗,因此食物應該存放在冰箱(停止酶的活動),所以生肉最好要開始烹調時才拿出冰箱。最好用快速加熱肉類來摧毀其中的酶,不高不低的溫度反而會讓酶吸收熱能展開表面積,對食物造成更多破壞。建議牛肉內部溫度63°C、雞肉74°C。

 

運動

Dri-FIT排汗衣的原理:布料中的特殊穿線(混紡聚酯纖維)吸收了水分子使之滑過整片布料,讓更多水分子接觸到人體的熱能,更快地汽化讓體溫下降更快。而棉質布料因為太過緊密,以至於水分子無法輕易蒸發。

 

健身:運動時身體會先使用儲存在脂肪細胞裡的ATP,解脂作用會把脂類分解成脂肪酸和甘油分子,脂肪酸會離開脂肪細胞並進入血液,在血液中白蛋白會把脂肪酸帶往肌肉細胞。接著脂肪酸會轉化成ATP,稱為需氧代謝。

有氧運動:由上可知燃燒脂肪過程需要有氧,如果你開始消耗60~70%的氧,身體會從燃燒血液裡的脂肪,切換成開始利用肌肉中的脂肪。耗氧量超過70%後會開始把碳水化合物當做燃料來源,因為脂肪酸無法再進入血液。

高強度間歇訓練HIIT:肌肉組織在健身過程中受損,身體除了要修復受損細胞之外,還要補充肌肉中的肝醣,所以會產生運動後過耗氧量(EPOC,運動時間結束還是繼續燃燒脂肪)。經過訓練的肌肉可以輕易吸收脂肪酸並轉化成能量,因為運動員每單位的肌肉含有更多可燃燒ATP的粒腺體。

 

美容

頭髮:頭髮中主要的蛋白質叫做 α角蛋白,是由胺基酸多肽鏈組成。兩個角蛋白的半胱胺酸分子中的硫原子會形成共價鍵,產生一種全新的分子,名為胱胺酸。


洗髮精:

  • 羥基苯甲酸酯可以破壞細菌中的鍵,防止細菌複製和生存,也可用在食物當抗黴菌防腐劑。
  • 矽是非極性分子(大型聚合物),會在毛囊外形成一層膜保護頭髮且較滑順不打結,但長時間會導致堆積物增生,使頭髮變得較油膩厚重。
  • 界面活性劑硫酸鹽(SLS)是發泡劑,容易和頭髮中的油脂結合,但高濃度的硫酸鹽會過度清潔造成頭髮乾燥,所以捲髮要避開硫酸鹽。
  • 甘油:讓洗髮精質地變的濃稠。
  • 芳香族分子:讓洗髮精有香味。

潤髮乳:功能是降低髮絲之間的摩擦力。大多數含有陽離子界面活性劑,此類四級銨化合物和頭髮表面結合會在頭髮外形成強大的疏水層,讓頭髮滑過彼此不會和水形成氫鍵。另外也可以和受損的髮尾(帶負電)結合修復受損的頭髮。

沐浴乳:類似洗髮精,但通常含有較高濃度的界面活性劑和香水。

泡沫沐浴乳:瓶內頂部的氣態分子被擠壓到瓶底的水/SLS/甘油混合物中,把蓬鬆的泡沫(困在液體中的氣體)往上擠到管子裡,再擠出瓶身。

 

吹頭髮:110°C以下的溫度會對頭髮表面造成物理傷害,一般而言可以復原。頭髮不可逆的熱損傷(化學傷害)發生在176°C時,導致角蛋白鏈分解。市售吹風機大部分可以達到的熱度為40~50°C,只是提供一點額外的熱量讓水分子開始震動,累積足夠的能量之後水分子便開始汽化,所以吹頭髮不需要先抹上抗熱護髮品。

燙頭髮:改變胱胺酸分子之間的氫鍵,但不至於引起化學變化(分子中的鍵不會改變)。定型等待頭髮冷卻的過程是讓氫鍵可以固定在新的位置。

 

化妝:妝前乳會在你的皮膚和妝之間形成分子間作用力。古埃及人發明了唇膏和睫毛膏,睫毛膏會加入大型的非極性分子而有防水效果。

保濕:皮膚乾燥的原因有角質層缺水、表皮細胞的更新率偏高、缺少油脂、皮膚受傷受損。凡士林(石蠟脂)等非極性分子會吸附在皮膚最上層,將想要逃出皮膚的極性水分子趕回去,皮膚細胞呈現飽水狀態也有助於延緩光老化。可以用透明膠帶觀察你的表皮更新率。

 

衣物:合成聚合物(塑膠)是較小的重複單體分子透過共價鍵連結在一起,形成強韌而有彈性的分子。尼龍為聚醯胺,有彈性但不透氣。聚酯纖維(PET)是全球產量第四高的聚合物。克維拉(聚對苯二甲酰對苯二胺)是一種芳香聚醯胺類合成纖維,原子排列得非常緊密且鍵結也非常牢固(苯環和氫鍵),抗拉伸強度為同等質量鋼鐵的五倍,但密度只有鋼鐵的五分之一,目前廣泛用於輪胎、光纖電纜、飛機、防彈頭盔和背心等。

 

防曬:紫外線分為UVA(能量最弱、波長最長)、UVB(治療乾癬或飼養爬蟲類的保暖燈)、UVC(能量最高,可殺菌,也可能致癌)。高能量的UVC接觸臭氧層會破壞氧分子的雙鍵,因此臭氧層可以防止UVB和UVC穿透大氣,反而是能量最弱的UVA因為無法破壞氧或臭氧分子中的鍵結而照射到人體。防曬分為物理性防曬(氧化鋅)和化學性防曬,較常見的化學性防曬是利用其中的分子吸收紫外線輻射,所以需要反覆重新塗抹。

 

塑膠

聚乙烯:保冷箱通常由聚乙烯(目前最常見的塑膠型態)製成,乙烯(H2C=CH2)是極度易燃的非極性氣體分子,但在極度高壓之下,雙鍵會斷開形成新的鍵結,讓聚乙烯形成巨大的非極性分子。1963年齊格勒因為研發出新的聚合物合成方法獲得諾貝爾獎,他將金屬或其他催化劑加入乙烯混合物(無機化學)。

聚苯乙烯:因為苯環立體構造的排列可分為同排(效果最好的泡棉保冷袋)、對位或不規則排列(最脆弱但最有彈性)。因為苯環太大,聚苯乙烯通常為不規則排列,我們用的主要兩種型態為晶狀(塑膠刀叉、保鮮膜)和發泡型(保麗龍杯)。

聚酯纖維(PET):汽水瓶,塑膠的連蓋容器。

 

烘焙

麵粉:麵粉中大部分的分子都是蛋白質,有麥穀蛋白和麥膠蛋白,兩者在液體中混合會產生麩質,麩質會抓取與酵母反應所釋放的二氧化碳讓麵糰膨脹。高筋麵粉含有較多蛋白質,也可以產出最多麩質,麵團比較有延展性。

 

油:三酸甘油酯是固態時稱為脂肪,如奶油;是液態時稱為油。如果三酸甘油酯的碳原子之間有雙鍵稱為不飽和脂肪,椰子油和奶油則是飽和(只有單鍵)脂肪,室溫下為固體,因為雙鍵越多融點越低。不飽和油(如橄欖油)氧化失去雙鍵後會釋放出臭味,讓人覺得油壞掉了。

 

味覺:大腦監測特定離子在離子通道的濃度來讓味蕾辨識各種分子(如氫離子讓我們覺得有酸味、鹼金屬則是鹹味)。食物的五種味道為甜、鹹、酸、鮮(umami或鹹香savory),其中甜/鮮/苦是利用共價鍵(特定的分子和受器結合產生化學反應),濃度不影響整體的味道,所以喝一滴或一杯苦茶味道都是一樣苦,以及我們可以忍受超級甜卻無法接受超級酸的食物。鹹/酸則是利用離子鍵(透過離子通道)。

 

清潔

洗碗精:洗碗精的界面活性劑疏水端會附著在食物碎屑上,親水端則附著在水上,讓食物殘渣輕易地從碗盤脫落,所以直接把洗碗精加在油膩的鍋子上會更有效。

鑄鐵鍋:鑄鐵鍋經過店稍有一層薄薄的分子包覆鍋底,如果用洗碗精會導致分子脫離表面,建議用猶太鹽抹在鍋子上,以物理方式讓油汙脫哩,用熱水沖洗乾淨之後,再把一層薄薄的油抹在鍋底。

小蘇打粉:碳酸氫鈉NaHCO3,鹼類分子會和我們皮膚上的脂肪和油產生反應,生成肥皂的黏滑觸感。碳酸氫鈉需要時間來接受髒分子的質子(所以要浸泡幾個小時)並強迫分子分解。

漂白水:次氯酸鈉,可用來殺菌。但不是把外來分子清除,而是分解分子中的鍵結,讓分子無法散發可見區的光,所以用漂白水清除血跡後還是可以用紫外光和魯米諾讓血跡現形。

氨:鹼性,會和玻璃上的塵土和汙垢結合。

白醋:乙酸可以用在水槽、咖啡壺和色澤混濁的葡萄酒杯,把質子送給汙垢後讓它脫落。

檸檬酸:三質子酸,可以抓住堆積的硬水礦物質,用在排水管、飲水機。

掃地機器人:利用馬達轉動扇葉製造出低壓狀態來把空氣分子和灰塵吸入機器人,沒用任何物理或化學變化讓灰塵脫離地板。

 

葡萄酒:人類從六千年前開始釀製葡萄酒。發酵(厭氧反應)這種放熱反應能把葡萄糖和酵母轉化成乙醇和二氧化碳,如果繼續發酵就會成為乙酸。葡萄酒的味道一部份和酵母的種類有關。葡萄酒中的分子可能會氧化導致過甜的氣味,所以要斜放讓軟木塞保持濕潤,避免葡萄酒接觸到空氣中的氧。

 

香檳:香檳或氣泡葡萄酒是經過二次發酵,第二次發酵產生的二氧化碳會被困在密封容器內。二次發酵的過程可能長達兩個月到數年。

 

啤酒:由複合式糖類(澱粉)做為原料,最常用大麥,大麥種子浸泡膨脹發芽後會產生各式各樣的酶,把大麥裡的澱粉轉化成糖,之後用穩定的熱空氣烘烤,讓它產生不同的風味。之後麥芽會被磨成粉再次倒入水中,酶把所有的澱粉都分解成糖,形成麥芽汁。麥芽汁和啤酒花一起滾煮,目地是殺死所有的酶避免糖分子被酶分解,冷卻後才進行發酵。

 

清酒:算是半葡萄酒、半啤酒的飲料。白米發酵時會加入酵母和一種有甜味的黴菌,在發酵中不斷加入煮熟的白米,因此酒精純度較高。因為清酒沒有任何葡萄或啤酒花的有色分子,無法吸收接觸到的陽光,建議盡快飲用完畢。

 

對人體的影響:喝酒會脫水或宿醉的原因是乙醇會和水結合,順利地混和形成氫鍵,而且乙醇會讓抗利尿激素失去作用導致大量排尿。乙醇進入人體後五分鐘就會抵達大腦,大腦變開始釋放多巴胺讓人感到正向情緒。乙醇也會和離子通道產生作用擾亂神經傳導物質(GABA)導致笨手笨腳和咬字不清,以及抑制麩胺酸影響新記憶的形成。

 

酒精濃度測定:呼氣測定器是把人呼出的乙醇轉化成乙酸,而空氣中不含任何乙酸。

 

宿醉:宿醉的原因包含大量乙醇利尿造成的脫水,乙醇被肝臟分解後產生有毒的乙醛,人體清除醇的反應造成電解質流失。

 

夜晚

夕陽:可見光中紫光波長最短,能量最高。藍色光線的波動比紅色光線更強更短,所以散射的效率高於紅色光線,所以白天天空會呈現藍色。但日落太陽低於地平線,光束經過的距離更長,許多藍光被分子吸收後散射往太陽的方向,所以較弱的紅光橙光不會被空氣中的分子吸收散射,因此夕陽看起來是橙紅色。如果空氣中有高度汙染物,藍色光線因為散射而遠離地球表面的情況更嚴重,因此天空變為紅色。

 

短評:

高中時不是很喜歡上化學課,聯考也考得不好。但這本書讓化學變得很有趣,利用生活周遭的現象讓我們了解到化學不是只有在實驗室裡,處處都有化學作用。

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看完如何閱讀一本書之後,決定開始將每本書整理起來,成立這個部落格強迫自己練習維持寫作的習慣
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