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創 刊 號 八十九年七月一日 歡迎投稿,來稿請以電子郵件寄至chewph@ccunix.ccu.edu.tw
內容:
這是本中心諮詢月刊的創刊號.諮詢月刊是中正化學系諮詢中心的一大特色.這'本'網路月刊的主要內容將包括科學新知的介紹,科學教育的專欄,以及科學網站的介紹.科學新知的介紹將包含最近科學界,特別是化學相關學門中的最新消息與重大發現.由於時間緊迫,本期中僅能收錄三篇個人在過去一年間的譯作充數.科學教育專欄是希望能收錄老師們由從事科學教育的經驗中所獲得的對當代科教的寶貴看法與心得.並將此當成一個討論教學方法與教材的園地.本期中虎尾技術學院的洪晉穎老師對五專之化學教學提出了非常精闢的見解.由於當今網際網路的發達使得知識的傳播無遠弗屆.但是要找到真正有用的資訊有時也不事件容易的事.科學網站的介紹就是希望由我們上網的經驗向各位推薦優秀的科學網站. 諮詢中心的經營其實是一個孤獨的歷程.缺乏的倒不是物質資源而是人力的投入.在國內所有肯花時間奉獻在此的同仁所秉持的都只是一個為改進已逐漸沉淪的台灣科學教育的理想. 這個諮詢月刊乃至於這個網站的設立除了提供科學資訊外最大的目的就是希望藉此拋磚引玉,喚起科學教師們對改進科學教育的興趣. 各位老師,無論您現在最關心的是什麼,教學應該是您樂趣的泉源也是您永遠的社會責任.
您現在所看到的網頁是位於中正大學化學諮詢中心網站內的網路諮詢月刊.本中心網站自民國八十八年七月一日起正式對外開放,各位若有任何建議請不吝賜教. 本中心的諮詢月刊中設有科學新知,科學教育,及科學網站介紹等專欄,歡迎投稿. 國立中正大學位於嘉義縣民雄鄉三興村,在嘉義市北方約八公里處.本校幅員廣大(約一三二公頃),風景優美,設施完善,是一個學習與研究的好環境.詳細的介紹請參考本校之主網頁.理學院化學系為雲嘉地區一新興的化學系系所,位於學校東側之理化館內,成立於民國八十一年,設有大學部,碩士班,以及博士班;現有專任教師十四人,在有機,無機,物化,分析,生化,材料,及計算等各領域內均有優異的師資.八十八年經天下雜誌評鑑為國內僅次台,清,交之化學研究所.關於中正化學系的詳細資料請參閱本系之主網頁.
在一九九年四月五日的C&EN(美國化學學會的新聞周刊)中介紹了一個關於蛋白質結構 變化的最新研究。近年來，科學家發現生物體中某些蛋白質的結構轉變與 Alzheimer's disease, Creutzfeldt-Jakob disease 等疾病有著密切的關聯。蛋白質在生物體內執行由演化所賦予的功能，如催化劑及結構單元等。為執行這些特定的功能，每一種蛋白質通常維持著一種固定的三度空間結構。所以，一但蛋白質的結構改變了， 這些特定的功能也隨之喪失而產生疾病。然而一個重要的問題是：是否只有少數的蛋白質 (如 amyloid b protein 及 prions ) 可以在生物體內改變結構，還是說大部分的蛋白質在適當的環境下都能被改變結構？ 英國Oxford 大學的C.M. Dobson 以及義大利Florence大學的G. Ramponi 教授認為大部分的天然蛋白質可能都可以由正常的結構被轉變成一種纖維狀的聚集體 (fibrous amyloid deposit)。在他們一項最新的研究中 [Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 3590 (1999)] 他們利用trifluoroethanol 先將 acylphosphatase 這種蛋白質的結構一部分打散 (partially unfold)。經過靜置後，纖維狀的結構如結晶過程般慢慢的生成。正常的水溶性acylphosphatase 蛋白質結構包含了一部份螺旋狀 (a-helix) 及一部份片狀 (b-sheet) 的結構；但在這種纖維狀的結構中，acylphosphatase分子間相互以凡德瓦力聚集起來型成非水溶性、大範圍的b-sheet結構。 Dobson認為：如果大部分的蛋白質都可被轉變成fibrous
amyloid，正常細胞的蛋白質之所以能夠存在是由於演化的壓力(evolutionary
pressure)選擇出在正常生理環境下不易相互聚集起來的蛋白質序列；同時，細胞內的環境也經由演化而能夠調節在不易發生聚集的條件下。當這些調節的功能喪失時，生物體就有可能得到amyloid
相關的疾病。近來有不少人在研究以加入小分子來避免蛋白質的partially
unfolding，希望以此來控制這些疾病。目前已經有這類藥物進入動物實驗的階段。
胡維平 5, 2, 1999
宇宙常數—愛因斯坦畢生最大錯誤？ Cosmology Constant—Einstein's Biggest Blunder. Or Was It?
我們的宇宙它的本質是什麼？它最終的命運又將如何？這些一直是長久以來哲學家和科學家們所希望能夠回答的問題。自從十五世紀開始經由哥白尼、刻卜勒、伽利略、牛頓等偉大科學家對宇宙中物體運動定律的解釋，以及天文觀測儀器的進步，我們今天對（可直接觀測到的）宇宙的整體結構已有了一個大概的認識。 我們的地球與的其他的行星、彗星、小行星等星體共同依循著牛頓運動定律與萬有引力（嚴格來說是依照相對論）環繞著太陽；而太陽其實僅是銀河系裡超過四千億顆恆星中不怎麼起眼的一員。西元一九二四年美國天文學家Edwin Hubble 更證實了我們的銀河系也只不過是宇宙中無數個星系中的一員。宇宙之大是遠遠超出我們所能想像的範圍。 在本世紀初科學家已經知道地球已經有四、五十億年的歷史，所以宇宙的年齡一定更為久遠。當時很多科學家認為宇宙是靜態的，也就是說宇宙整體而言並不膨脹也不縮小。但依照愛因斯坦的廣義相對論，並沒有符合靜態的宇宙這一種解。簡單來說，因為萬有引力的影響，物質終究會慢慢的聚集起來而使宇宙的範圍縮小。因此，愛因斯坦在西元一九一七年提出了一個所謂的宇宙常數(Cosmological Constant, �l) 來代表一種與萬有引力相抗衡的能量。換句話說，這種型態的能量能在大尺度的範圍裡讓物質之間產生一種排斥力。藉由這種排斥力靜態的宇宙才有可能存在。 西元一九二九年Hubble 由光譜的紅位移現象發現幾乎所有其他的星系都正遠離我們而去，而且距離我們越遠的星系遠離我們的速度越快。從此科學家才知道宇宙其實並不是靜態的而是正在膨脹當中；而且我們若將時間倒推回去，宇宙似乎是由空間中的一個點經由大爆炸而產生。愛因斯坦知道了這個現象後認為既然宇宙不是靜態的，他當時勉強加入的宇宙常數其實根本沒有存在的必要。於是他收回了宇宙常數的假設，並且說這是他一生當中最大的錯誤 (Biggest Blunder)。 今天，宇宙正在膨脹當中是一個廣為接受的事實，但宇宙是否會一直膨脹下去，或者這膨脹終究會被重力所克服而開始收縮則尚無定論。要能回答這個問題我們需要兩個數字，一為目前宇宙中物質的密度，另外一個是目前宇宙膨脹的速度（哈伯常數）。這兩個量都不是很容易測量，特別是前者因所謂黑暗物質（Dark Matter）的影響而有相當大的不準度。另一種用來決定宇宙的命運比較直接的方法是去測量從過去到現在宇宙膨脹速度減緩的程度。由於重力長久以來的作用，目前的膨脹速度應該要比宇宙型成初期時的速度來的慢。根據理論的推導，若速度減緩的程度小於一個定值，宇宙將會永遠的膨脹下去；否則重力終究會使宇宙停止膨脹，甚至開始收縮。 使用這種方法來決定宇宙的命運雖然比較直接，但也有著相當的困難度。要得到宇宙型成初期時膨脹的速度，科學家必須觀測距離我們非常遙遠的星系。觀測這些遙遠星系光譜裡的紅位移可得知早期宇宙膨脹的速度；但要得知這速度隨時間減緩的程度，我們需要準確的知道這些星系離我們的距離。測量遙遠距離（上億光年）是天文學裡非常困難的工作，因為不容易觀測到可以用來校正距離的光源。所以傳統上只能使用一些間接且不可靠的方式。近年來，天文學家開利用一種超新星（Type Ia Supernova ) 爆炸時光度變化的曲線來得到遙遠星系離我們的距離。Ia 型超新星的成因是在一個雙星系統中其中一顆恆星已用盡正常核反應的原料（氫、氦）而型成白矮星。但有時這白矮星會慢慢吸取另外那顆恆星的質量；而當這白矮星的質量達到一個臨界值時，新的核融合反應會突然發生而將整個星體炸碎，同時放出非常巨大的能量。因此，我們在非常遙遠的距離外仍可觀測到這種超新星的爆炸。從研究距離我們較近的Ia 型超新星爆炸中科學家發現較大較亮（絕對亮度）的Ia 型超新星爆炸的時間持續較長，也就是說它的光度變化的曲線較為平緩。利用這種關係天文學家可以藉著觀測遙遠星系中Ia 型超新星爆炸時光度隨時間的變化以及實際上觀測到的亮度來決定遙遠星系與我們的距離。 經過了這幾年來資料的蒐集，科學家得到一個令人非常驚訝的結果。他們不但看不出宇宙的膨脹從古至今有任何減緩的趨勢，而且看起來早期宇宙膨脹的速度似乎比現在還要慢！這也就是說宇宙的膨脹似乎正在加速當中。如果宇宙中星系間的作用力主要的只是萬有引力，那麼宇宙膨脹的速度只會減慢而不可能加速。如果這些觀測的結果是正確的，那麼一個可能的解釋是當年愛因斯坦提出的宇宙常數的確是存在的；物體在大尺度的範圍下會互相排斥，而這種排斥力所包含的能量可能超過宇宙中其他類型的能量之總和。但是，這種排斥力的真正來源我們至今仍無法解釋。 近代科學帶領著人類創造出可觀的科技文明，也使得我們對於我們所處的世界裡的自然定律與法則不斷有更深入的了解。然而，近來最新的天文觀測結果卻顯示說我們其實根本就還不了解構成這個宇宙最重要的物質是什麼？最大的能量來源為何？人類其實還是很無知的，自然科學裡仍又太多值得去研究探討的空間。 參考資料： 1. Scientific American Volume 280, p.27-49 (1999). 2. Astronomy Volume 26, No. 11, p.50-55 (1998) 3. Science Volume 282, p.2156-2157 (1998). 4. Science Volume 283, p.794 (1999). 胡維平
1998年諾貝爾化學獎瑞典皇家科學院將1998年諾貝爾化學獎頒發給在量子化學領域有研究的 美國聖塔芭芭拉大學加州分校的Walter Kohn， 以及 這兩位諾貝爾獎得主對於用來研究分子性質及化學反應的理論方法的發展上有開創
引述自諾貝爾委員會： 化學獎頒贈給化學計算方法的研究發展 長久以來科學家一直在找尋方法去了解分子作用中原子是如何鍵結的, 因為使用此種方法我們便可去計算分子的性質和他們之間的交互作用。1900年代初期物理學上量子力學的發展開拓了其可能性，但在化學上的應用卻遲來許多。在量子力學中像分子一樣的複雜的系統所帶來的複雜數學關係, 在當時幾乎不可能處理。 Dirac，量子物理學的奠基者之一，於1929年對此問題發表了以下的看法：
1960年代初期，當電腦開始被使用於解這些方程式而量子化學現成為化學的一個新的分支時，情況開始改變。在接近1990年代末期時我們目睹了理論上及計算上巨大的發展，而這些發展使整個化學界有了革命性的進展。 Walter Kohn和John Pople是於此發展過程中的兩個最突出的人物。 Walter Kohn的理論研究構成了簡化描述原子鍵結的數學基礎,並成為許多現今計算方法的根據。而John Pople所發展的那一整套量子化學方法現在廣泛的被使用於各方面的化學研究。 以電腦為基礎的計算現在被普遍的使用在於與實驗上的操作互補。經過了數十年的發展和精煉，現今的計算方法已經可以詳盡分析物質的結構和性質。以往分子性質的計算是根據對個別電子運動的描述,因此使得在數學上的處理十分複雜。Walter Kohn 證明了沒有必要考慮每一個別電子的運動，我們只需要知道在空間中任何一個點的電子的平均數目就可以了。由此,科學家發展了一個在計算上較為簡單的方法，稱為密度函數理論 (density - functional theory，DFT）。利用這種簡單的方法使得我們能夠研究非常大的分子。舉例來說，今天我們可以用計算的方法來解釋酵素催化反應是如何發生的。這是超過三十年來許多研究者的努力成果， ，現在DFT的計算以成為最廣泛使用的量子化學方法。 John Pople的獲獎是因為他發展了許多計算方法使得我們能夠對分子的性質及他們在化學反應中之交互作用
做理論的探討.這些方法都是根據由物理學家薛丁格等人所提出的量子力學的基本定理。當我們把一個分子或是化學反應的特定資料輸入電腦，利用這些計算方法電腦就可以將這個分子的特性或化學反應是如何進行的資料輸出給我們。這些計算結果經常被用來解釋各種由實驗觀察到的現象。Pople設計了GAUSSIAN計算程式使他的計算方法很容易的為研究者所使用。GAUSSIAN第一個版本發表於1970年。從那時開始GAUSSIAN程式已經由全世界各大學和公司裡的上千位化學家共同發展與使用。
量子化學 - 背景 在超過70年以前所發展出的量子力學的定律使得科學家至少在理論上可以去了解並計算出電子和原子核相互之間是如何作用的而能建構出在各種型態的物質.
量子化學的主要工作是利用這些理論來描述分子系統的性質。但這說起來容易但做起來卻是非常困難。直到1960年代在兩個決定性的事件之後，這方面的發展才真正開始。其中之一是一種新的描述電子在空間中分布的理論之發展，另外就是不斷增加的電腦計算能力。Walter Kohn於 1964年證明一個量子系統的總能量理論上可由電子在空間中的分布(電子密度)所決定。問題僅在於能量與電子
在1960年代，許多歐洲與美國的研究小組開始積極熱烈的如何去開發及利用電腦的最大潛能。新的計算方法不斷的被提出,被改進. John Pople當時是這方面的領導人物。他了解到若要使理論研究在化學領域中佔有一席之地,我們必需知道在各種情況下理論方法的準確度為何.而且,這些理論方法必須要容易使用且不需要太多計算資源.在60年代末期,Pople 將理論計算方法做了很多重大的改進,並以此設計出一套在許多重要的功能上比其他人的方法強的電腦程式. 這個程式稱為GAUSSIAN-70, 其所包含的理論方法可以滿足上述之條件,而GAUSSIAN-70也很快的被廣泛的使用. Pople繼續於1970至1980年間不斷改良計算的方法，同時他也建立了一套記載詳盡的理論模型化學(Model Chemistry)。他並且於90年代初期將Kohn的密度泛函理論(DFT)加入GAUSSIAN程式之中.這些理論方法開啟了化學研究的新紀元,讓我們有能力以量子理論去分析越來越多複雜的分子. 量子化學的應用 量子化學今日已被應用在所有化學的領域與分子物理學中，除了產生分子本身以及他們的之間交互作用的定量資料外, 量子理論也能提供我們無法僅由實驗結果得到的對分子現象的深入了解.今天,理論與實驗已經相互結合來共同探討物質的內部結構的奧秘. 然而，如何進行一個量子化學的計算呢？
圖1. 使用量子化學電腦程式計算出之 cystein 胺基酸的電荷密度。這張圖所會出的表面電荷密度均為 0.002 個電子/埃3 (表示幾乎所有的電子都在表面之下 )。顏色表示表面的靜電電位，紅色部分表示負電位區,藍色部分表示正電位區。 讓我們以cystein 胺基酸為例，如上圖所示，我們是如何產生這影像的？我們可以坐在電腦前並且開啟量子化學程式，從選項中我們選擇建立一個分子﹔其中一個碳原子與一個氫原子，一個胺基（NH2）,一個CH2SH基﹔和一個羰基(COOH)鍵結. 電腦在螢幕上畫出一個大略的分子圖型.我們現在要求電腦用一個量子化學的方法去計算分子的幾何結構;如果我們要的只是粗略的結果,這可能會花費一分鐘左右，但若我們需要非常精確的結果，則可能要花上一天的時間.螢幕的圖形會隨著計算的進行逐漸改變成最後應得到的幾何結構。當這個運算完成後，我們可以要電腦計算此系統其他各種性質.在上圖中我們計算出了一個等電子密度的表面,並且在表面上依據靜電電位來著色.這可被用來預測分子如何與環境中的其他分子或電荷產生交互作用。由此得到的資訊將可被用於研究蛋白質如何與不同的基質,例如藥物等產生交互作用。 我們可以從宇宙的物質當中找到另一個例子.宇宙中除了恆星與行星外，還有大量的星際物質通常集中於星雲裡。這些物質是由什麼組成的呢？我們從地球上可以由這些分子所放射出的輻射線來研究.這些輻射線通常是因為分子的旋轉所產生的， 因此，我們可以由光譜上的頻率來決定分子的組成和形狀.然而這是一項非常困難的工作，特別因為這些分子在實驗室中並不一定能被製造出來和觀測到的分子比較。然而量子化學則不會受到這種限制.由假設之分子結構所計算出之旋轉光譜之譜線位置可直接和由無線電望遠鏡收集到的資料相比較.以此將理論與測量相互結合的方法，可提供我們星際物質中分子組成的資訊。
圖2. 在高空中，CF2Cl2 分子（氟利昂Freon，如左圖）被紫外線所破壞。自由的氯原子因而形成並與
O3 分子（臭氧，
如右圖）作用並破壞它們。此一過程可用量子化學方法來研究。 另外一個例子，在高空大氣層中有一很薄的臭氧層保護著我們免於來自太陽紫外線的傷害.然而,我們釋放到大氣層的物質（如氟利昂）會導致臭氧層的破壞.這是如何發生的? 這涉及了哪些化學反應? 使用量子化學的計算我們可以詳細的描述並了解這些過程.這些知識可能會幫助我們採取是當的行動使我們的大氣層更乾淨一些。 今日量子化學已被應用於所有的化學領域，目的總是在於增加我們對物質內部結構的了解.Walter Kohn和John Pople是在這個新的研究領域發展過程中的決定性人物.
譯自瑞典皇家科學院之新聞稿 胡維平,牟君浩,蔡宙霖 ||英文原版||
化學可說是基礎科學中的基本學科。然而部份學生對於該課程感到莫名的恐懼，以致於逐漸疏遠，甚至於放棄。只因為化學是必修課程，加上擔心重修困擾，勉強的死背活記。在考試的壓力下，著重記憶而非知識的活用，這種學習方式實在令人擔憂。化學教學的當務之急，乃是提高學生對化學的興趣。面對只有國中理化基礎的學生，不能以教化學系普化課程的標準來要求學生。唯有從生活的角度切入，或是學生周遭熟悉的事務著手，配合校內基本的儀器設備，使學生在良好的環境中學習，以培養學習興趣，並提升其科學素養。 很多學生喜歡到實驗室，因為他們可以從試管中的反應，觀察到各種不同的現象。但是，回到課堂上，不同化學品的特性、原理，加上一條條的反應方程式，才介紹完電子組態，又是化學鍵、化學平衡計算等，實在令他們感到十分抽象，缺乏生活經驗來理解，印證這些概念。若能在不偏離課程標準的原則下，穿插一些有趣小實驗、錄影帶媒體、分子模型、或配以課本主題的圖片或投影片教學，相信必能改變抄抄寫寫的學習方式，亦能減少閉目養神打瞌睡學生的人數。 技職教育，主要是運用科學知識於解決生活實際問題，諸如：農、工、商、醫、藝術等。而在解決生活問題上，必須有系統的及驗證的科學知識加以配合，因此在教學時科學理論的講述是必要的。講述教學前應先分析學生的社會經驗、知識背景，以及瞭解學生目前的程度如何？講述的內容，歸納為簡明的觀念，多用實例加以解說，儘量利用學生感興趣的話題，適時導入正確的觀念。教材內容，亦應配合學生所學的專長，俾使日後學習專業科目時，能有所助益。若以機械類科學生為例，著重在金屬材料的取得、應用，防蝕的技術，電化學等課程的講授，如此方能銜接往後的專業課程。 為了提高學生對化學的興趣，亦可配合設計具有趣味性、簡單性、深入淺出的實驗項目，以啟發思考。在國中學習階段，常受到升學壓力的影響，或空間不敷使用等因素，使得部份學生，沒有接受足夠的實驗操作訓練，以致學生常常無法順利完成實驗。實驗教學內容的取捨，儘量以能得到具體結果或成品的項目為考量，讓學生在期待和喜悅中，獲得作品，取代一串串枯燥無味的數字記錄，如此不但可以滿足學生的成就感，又能使學生學習推理、研究技巧，理論與實作並重，得到穩固的基礎訓練，並培養其創作能力。 化學是一門活的學問。報章雜誌所報導的健康、醫藥、環保等新聞，以及日常生活中食衣住行所常見的標籤或標示，都是我們現成的教材，讓學生從艱澀的理論走出，接觸生活應用的一面。如此當能幫助同學在日後生活中面臨化學問題時，不再無知，不在害怕，而能有效地解決現代生活中所遇到的問題。 虎尾技術學院 洪晉穎
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