8 - 1 聚合
物
8-1 聚合物
(配合翰版課本 P.124 ;講義 P.132 )
一、定義
1. 聚合反應:許多小分子經由化學反 應,重複以共價鍵相互結合,形成 大分子的過程。
2. 單體:構成聚合物的小分子。
3. 單體單元:在聚合物結構中,重複 出現的部分。
4. 聚合物:又稱為高分子化合物,為 分子量非常大的物質。
5. 聚合度:一個高分子所含單體的數目,以 n 表示,
但
8-1 聚合物
(配合翰版課本 P.125 ;講義 P.132 )
二、聚合物的性質
1. 聚合物通常是由不同數目的單體聚合而成的混合物,
故聚合物的分子量多以平均分子量表示,其平均分子 量大約在 103 以上。
2. 聚合物的性質與其單體的性質差異甚大。
:乙烯(有 鍵)和聚乙烯(全為 鍵)化學性 質
不同。
3. 若聚合物的分子鏈上有官能基,其性質與單體的官能 基相同,但這些官能基的活性,會受鄰近官能基的影
8-1 聚合物
: 和 均具有可解離的 H +
。
4. 聚合物的分子間有很強的分子間作用力,可利用其機 械性加工成各種製品。但若聚合物的分子有側鏈,會 影響分子排列的緊密性,造成比重減小及機械強度降 低。
下列關於聚合物的敘述,何者錯誤?
(A) 聚合物是由不同數目的單體分子組成之混合物 (B) 聚合物鏈上所接的官能基保有此官能基原有之化性 (C) 聚合物有側鏈時,並不影響其比重大小及機械性 質 (D) 聚合物鏈上所接的官能基之活性會受到鄰近官 能基的影響 (E) 聚合物很難結晶成晶體,所以沒有一 定的熔點。
(C) (C) 聚合物有側鏈時,會影響分子排列的緊密性,
而使比重減小及機械強度降低。
範例 1 聚合物的性質
下列有關聚合物的敘述,何者正確?
(A) 聚合物為純物質 (B) 易形成晶體 (C) 聚合物的 分子量為其平均分子量 (D) 組成的單體僅限一種。
(C) 聚合物為混合物,其分子量以平均分子量表示;由 於聚合物分子大小不一,故無法形成晶體;組成聚 合物的單體可一種或多種聚合。
類題 1
聚乙烯之分子式可以 表示,若某聚乙烯 之分子量約 40000 ,則其 n 值約為若干?
(A) 2000 (B) 1400 (C) 1000 (D) 700 (E) 500 。
(B) = 40000
28 × n = 40000
解得 n = 1428 1400≒
範例 2 聚合度之計算
直鏈狀飽和烴燃燒,每 1 mol CH2 原子團放熱 156 kcal 。 求 100 g 聚乙烯完全燃燒,約放熱若干 kcal ?
(A) 1500 (B) 1300 (C) 1200 (D) 1100 (E) 800
。
(D)
類題 1
2
28n
1 mol 2n mol CH
100 2n 156 1114.3 1100 (kcal)
28n
聚乙烯分子量=
聚乙烯有
=≒
8-1 聚合物
(配合翰版課本 P.125 、 P.126 ;講義 P.13 3 )
三、加成與縮合聚合反應
1. 加成聚合反應:單體間藉由化學鍵結合而成聚合物,
沒有損失單體中任何原子,也沒有產生其他副產物,
即聚合物的單體單元之原子種類及數目與單體相同。
(1) 單體:具有不飽和 鍵的 C = C 或 C≡C 的 化合物。
加成聚合反應
8-1 聚合物
:乙烯聚合反應。
(2) 特性:聚合物所含元素的質量百分率組成與單體 相同,聚合物的分子量即為單體的整數倍。
動畫:加成聚合反應
8-1 聚合物
2. 縮合聚合反應:具有雙官能基單體相互結合時,經由 脫去水、醇、氨或鹵化物等小分子而聚合成高分子的 反應。
(1) 單體:通常至少含有兩個官能基的化合物,在不 同方位進行連續的分子間縮合反應。
8-1 聚合物
:由乙二醇和對苯二甲酸單體,縮合聚合成聚 對苯二甲酸乙二酯( PET )。
上述物質是商品名稱為達克綸的聚酯纖維
,
可作為衣料纖維,亦可製成寶特瓶。
(2) 特性:聚合物所含元素的質量百分率組成與單體 不同。
動畫:縮合聚合反應
8-1 聚合物
(配合翰版課本 P.127 ;講義 P.13
四、同元聚合物與共聚物
4 )1. 同元聚合物:由一種單體聚合而成的聚合物。
:聚氯乙烯是由氯乙烯聚合而成;澱粉是由 - 葡萄糖聚合而成。
8-1 聚合物
2. 共聚物:由兩種或兩種以上的單體聚合而成的聚合物
。
:耐綸 -66 是由 1,6- 己二胺和己二酸縮合聚合而 成。
下列何者是加成聚合反應的必要條件?
(A) 單體為多官能基化合物 (B) 單體為不飽和有機化合 物 (C) 由兩種以上的單體聚合而成 (D) 聚合過程中 釋出小分子 (E) 單體單元和單體含有之原子種類及數 目不同。
(B) (A) 縮合聚合反應的單體才需具此條件。
(C) 可以由一種或多種單體進行聚合。
(D) 縮合聚合反應才會釋出小分子。
(E) 單體單元和單體有相同的原子種類及數目。
範例 3 加成反應的條件
下列何種物質可作為縮合聚合反應的單體?
(D) (D) 單體至少有兩種官能基可進行縮合反應。
類題 1
有關聚乙烯的敘述,何者正確?
(A) 以乙烯為單體 (B) 是一種縮合聚合物 (C) 是一種 加成聚合物 (D) 為同元聚合物 (E) 為共聚物。
(A)(C)(D) 聚乙烯( PE )為加成聚合物,單體為乙烯的同元 聚合物。
範例 4 聚乙烯的性質
下列各種有機分子,何者可作為加成聚合物之單體?
(B)(D)(E) 單體必須具有不飽和的 鍵,方可進行加成聚 合。
類題 1
8-1 聚合物
(配合翰版課本 P.128 ~ P.131 ;講義 P.135 )
五、塑膠
1. 定義:以高分子量的合成樹脂為主要成分,加入適當 的添加劑,如塑化劑、穩定劑、著色劑等,經過加工 成型的材料。
塑化劑:為削弱聚合物分子間的凡得瓦力,從而 增加聚合物分子鏈的移動性,降低分子的結晶度,
增加它的可塑性。常用的是鄰苯二甲酸酯類。
:鄰苯二甲酸二( 2- 乙基己基)酯( DEHP )
。
8-1 聚合物
2. 分類:根據熱性能和加工特性。
(1) 熱塑性塑膠:
① 結構:聚合鏈都是線形或帶支鏈的結構,分子 鏈間只有分子間作用力。
② 特性:具有加熱軟化、冷卻硬化的特性,可回 收重新塑造再利用的塑膠。
③ 回收標誌:由美國 塑膠製品協會訂定常用的 塑膠編碼,由三個箭頭所形成的三角形、底部 標示縮寫的塑膠名稱,中間數字代表塑膠的材 質。
8-1 聚合物
: 代表編號 1 PET 塑膠的回收標誌
④ 常見的熱塑性塑膠回收標誌、結構、單體與實。 例:
回收
標誌 名稱與結構 單 體 實 例
PET
聚對苯二甲酸乙二酯
乙二醇
HO - CH2- CH2- OH
對苯二甲酸
寶特瓶、聚 酯纖維、產 品包裝紙
8-1 聚合物
回收
標誌 名稱與結構 單 體 實 例
HDPE
高密度聚乙烯
乙烯 塑膠瓶、檔 案夾、水 桶、塑膠箱
PVC
聚氯乙烯 氯乙烯
電線外皮、
防水用品、
人造皮革 1.
2.
8-1 聚合物
回收
標誌 名稱與結構 單 體 實 例
LDPE
低密度聚乙烯
乙烯
塑膠袋、保 鮮膜
PP
聚丙烯 丙烯
容器、奶 瓶、醫療器 具、毛毯 3.
8-1 聚合物
回收
標誌 名稱與結構 單 體 實 例
PS
聚苯乙烯 苯乙烯
保麗龍、藥 品容器、絕 緣材料
OTHER
其他類材質,如玻璃纖 維、耐綸、聚碳酸酯及
聚乳酸等 - 衣服纖維、
光碟片、樹 脂鏡片
4.
8-1 聚合物
HDPE 分子鏈中含支鏈少,
密度較大,材質強度較高。
PVC 材質含有氯元素,而且製造 PVC 一定有添加劑或塑化劑,所以,一般禁止 在食品或飲料的包裝膜及容器上使用。
LDPE 分子鏈中含有較多的長短支鏈,
密度較小,材質強度較低。
發泡聚苯乙烯俗稱保麗龍,目前較多使用 的發泡劑為二氧化碳。
1.
2.
3.
4.
8-1 聚合物
(2) 熱固性塑膠:
① 結構:為網狀的聚合物。
② 特性:質地堅硬,固化成型後再受熱也不易熔 化變形。雖然耐高溫,卻無法回收再利用,因 此容易造成環保問題。
③ 常見熱固性塑膠的結構、單體及其用途:
8-1 聚合物
名稱與結構 單 體 用 途
酚甲醛樹脂,俗稱電木
插座、開
關、電路 板等
苯酚
甲醛
8-1 聚合物
名稱與結構 單 體 用 途
尿素甲醛樹脂
電器外 殼,建築 的保溫材 料
尿素
甲醛
8-1 聚合物
名稱與結構 單 體 用 途
美耐皿樹脂,又名聚脲樹脂
廚具、餐 具等
三聚氰胺
甲醛
分析甲、乙、丙三種塑膠的組成,其結構如下圖所示:
回答下列問題:
(1) 何者屬於熱塑性塑膠?
(2) 何者屬於熱固性塑膠?
(1) 甲、乙 (2)
範例 5 聚合物的結構
以下列物質的代號: (a) 葡萄糖、 (b) 澱粉、 (c) 耐綸、
(d) 寶特瓶、 (e) 纖維素、 (f) 胺基酸、 (g) 蛋白質、 (h) 電木、 (i) 聚氯乙烯,回答下列問題:
(1) 何者不是聚合物?
(2) 何者為天然聚合物?
(3) 何者為合成聚合物?
(4) 合成聚合物中,哪些為熱塑性聚合物?
(5) 合成聚合物中,哪些為熱固性聚合物?
(1)(a) 、 (f) (2)(b) 、 (e) 、 (g) (3)(c) 、 (d) 、 (h) 、 (i) (4)(c) 、 (d) 、 (i) (5)(h)
類題 1
資源回收是配合永續發展的必要工作,標示有回收標誌 之廢容器,皆應回收。常見的七大塑膠標示如下 表所示。下列敘述哪些正確?
【 100 指考】
範例 6 回收標誌的認識
(A) 標示有 之塑膠容器可作為碳酸飲料瓶 (B) 標示 與標示 的塑膠材料是用不同的單體聚合而成 (C) 標示 之塑膠容器,燃燒時可能會產生具有毒性的 戴奧辛 (D) 標示 之塑膠容器屬於熱塑性塑膠
(E) 標示 之塑膠容器,主要是由苯與乙烯兩種單體聚 合而成。
【 100 指考】
範例 6 回收標誌的認識
(A) PET 可作為寶特瓶材料,故可裝碳酸飲料。
(B) 均為乙烯單體,但製法不同。
(C) PVC 燃燒會產生多氯聯苯、戴奧辛等有毒物質
。
(D) 可回收塑膠皆為熱塑性塑膠。
(E) 聚苯乙烯的單體為苯乙烯,而苯乙烯的製法是 將乙苯催化脫氫製得。
(A)(C)(D)
【 100 指考】
範例 6 回收標誌的認識
(D) 結構為
(A)(B)(C)
類題 1
關於聚酯纖維(達克綸)的敘述,何者正確?
(A) 原料為對苯二甲酸與乙二醇 (B) 對苯二甲酸可由對 二甲苯氧化而得 (C) 該纖維簡稱 PET ,可作為寶特瓶 的材
料 (D) 結構式為
(E) 由於相鄰聚合物鏈間產生氫鍵,該纖維具有彈性。
(E) 聚酯纖維鏈間沒有氫鍵 。
寫出下列聚合物單體的結構式:
(2)
(3) 、
(1) 、 、
範例 7 聚合物單體的判斷
下列各聚合物的化學結構,何者錯誤?
類題 1
(C)
8-1 聚合物
(配合翰版課本 P.132 ~ P.134 ;講義 P.139 )
六、天然橡膠與常見的合成橡膠
1. 天然橡膠:
(1) 來源:取自橡膠樹所採集的天然乳膠,經凝固、
乾燥等加工方式,製成的彈性固體原料。
(2) 單體:異戊二烯( IUPAC 命名為 2- 甲基 -1,3- 丁二烯)。
8-1 聚合物
(3) 聚合物:天然橡膠的主要成分是順 -1,4- 聚異戊 二烯,結構中仍有雙鍵。
8-1 聚合物
(4) 加硫橡膠:美國人固特異將天然橡膠進行硫化處 理,使橡膠的分子鏈互相連結,因而具有彈性。
8-1 聚合物
2. 合成橡膠:
(1) 原由:因天然橡膠的成本太高,且產量不足,故 改以人工合成具有彈性的高分子材料取代天然橡 膠。
(2) 來源:以石油、煤或穀物等原料,生產出具有二 烯類的單體。
8-1 聚合物
(3) 聚丁二烯橡膠:
① 以 1,3- 丁二烯為單體,在催化劑存在下,
製成順式聚丁二烯。
② 加硫處理後的聚丁二烯橡膠,具有彈性高、耐 磨性好、抗老化佳,但抗拉強度及可塑性較天 然橡膠差。
③ 一般用於耐熱膠管及鞋底。
8-1 聚合物
(4) 氯丁二烯橡膠:
① 以乙炔為原料,合成 2- 氯 -1,3- 丁二烯,再 聚合生成氯丁二烯橡膠。
8-1 聚合物
② 俗稱新平橡膠,耐熱性及耐燃性高,具優異的 耐油性和耐化學侵蝕性。
③ 可用於製造耐油膠管、潛水布料、救生艇等。
(5) 苯乙烯 - 丁二烯橡膠:
① 由苯乙烯和丁二烯為單體所形成的共聚物。
8-1 聚合物
② 具有耐磨和抗拉性,且絕緣性佳,但不耐油及 有機溶劑。
③ 廣泛用於輪胎、膠帶、膠管、電線電纜、醫療 器具及各種橡膠製品。
(6) 矽橡膠:
① 又稱矽膠,俗名矽利康,是一種介於有機與 無機的聚合物。
8-1 聚合物
② R 為甲基、乙基或苯基,經由改變鏈長、 R 的種類與鏈間的交聯,可得到不同組成與性質 的材料。
③ 具有耐高溫、耐嚴寒,無臭、無味、無毒、耐 水性和抗氧化能力。
④ 應用於醫療器材、汽車零件及建築用的密封膠
。
下列關於天然橡膠的敘述,何者錯誤?
(A) 單體為 CH2 = C(CH3) - CH = CH2 (B) 化學式可 寫成
(C) 化學式可寫成
(D) 長期曝露在空氣中,會氧化而變得硬且脆 (E) 在生 膠中加適量硫粉,會使分子間產生硫橋,使橡膠更有彈 性。
(C 為天然橡膠的化學式。
範例 8 天然橡膠結構
下列有關異戊二烯的敘述,何者正確?
(A) 加熱天然橡膠分解產生 (B) 分子中有 鍵 (C) 有幾何異構物存在 (D) 可發生加成聚合反應 (E) 在催 化劑存在下,可發生加氫反應,產生異戊烷。
(A)(B)(D)(E)
類題 1
新平橡膠是一用途廣泛的橡膠,其結構如
所示。在適當條件下,試問 新平橡膠可由下列哪一選項所建議的化合物聚合而得?
(A) CH3CH = CClCH3 (B) HOCH2CH = CClCH2OH (C) CH2 = CH2 與 CH2 = CHCl (D) CH2 = CH - CCl
= CH2 (E) HCHO 與 CH≡CCl 。
(D
【 97 指考】
→
範例 9 新平橡膠的單體
合成新平橡膠需要下列哪些原料?
(A) 電石 (B) 水 (C) 氯化氫 (D) 催化劑 (E) 氫氣。
類題 1
(A)(B)(C)
8 - 2 生物體中的大分
子
8-2 生物體中的大分子
(配合翰版課本 P.137 ~ P.141 ;講義 P.144 )
一、多 醣
1. 由單醣聚合而成的天然聚合物,結構屬於聚醚類。自 然界的多醣有澱粉、肝醣及纖維素。
(1) 單醣:常見有葡萄糖、果糖和半乳糖,結構含有 羥基、醛基或酮基,均為還原醣。
(2) 雙醣:由兩個單醣脫去一分子水而成,常見有蔗 糖、乳糖和麥芽糖,其中蔗糖為非還原醣。
8-2 生物體中的大分子
2. 澱粉:
(1) 組成:由成百上千個 - 葡萄糖縮合聚合而成的 螺旋狀高分子,分子式為 (C6H10O5)n ,不具還原 性,是植物儲存能量的一種方式。
▲ 澱粉的分子結 構
8-2 生物體中的大分子
(2) 種類:澱粉依其鏈狀結構,可分 為直鏈澱粉和分枝澱粉。
① 直鏈澱粉:無分枝的螺旋結
構,澱粉中大約有 20 ~ 25 % 的存量。直鏈澱粉(如右圖)
遇碘呈藍色,主因是澱粉螺 旋中央空穴恰能容下碘分子,
經由凡得瓦力作用,形成一 種藍黑色錯合物。
8-2 生物體中的大分子
② 分枝澱粉:自直鏈分出支鏈的澱粉結構,一般 澱粉中分枝澱粉的含量約在 75 ~ 80 %。分 枝澱粉遇碘呈紫紅色。
(3) 澱粉是綠色植物行光合作用的 物,大多存在植產 物的種子或塊根中。
3. 肝醣:
(1) 組成:結構與分枝澱粉相似,分子式為 (C6H10O5)n
,又稱為動物澱粉,分枝較短且較多,其核心為生成 肝醣的蛋白質。
(2) 主要存在於肝臟與肌肉中,當劇烈運動或肌肉收縮 時,肝醣會很快分解成葡萄糖,並可迅速提供能量。
8-2 生物體中的大分子
4. 纖維素:
(1) 組成:由數千個 - 葡萄糖縮合聚合而成的聚合物
。
▲ 纖維素的分子結構
(2) 是植物細胞壁的主要成分,無甜味及還原性,是 自然界含量最多、分布最廣的一種多醣。
8-2 生物體中的大分子
(3) 食物中的纖維素稱為膳食纖維,雖然不被人體消 化吸收,但可促進腸道蠕動,利於糞便排出。草 食動物與白蟻則依賴其消化道中的共生微生物,
將纖維素分解,從而得以吸收利用葡萄糖。
(4) 纖維素可用於紡織和造紙,也可合成賽璐珞,賽 璐珞可作為乒乓球與吉他撥片的材料,纖維素和 醋酸酯化可製成醋酸纖維素,用於製造電影膠片、
膠黏劑等。
下列有關澱粉和纖維素之敘述,何者錯誤?
(A) 澱粉在人體中可水解成葡萄糖 (B) 纖維素與澱粉 是同分異構物 (C) 澱粉與纖維素之結構式不同,但實 驗式相同 (D) 澱粉及纖維素同屬於聚醚類 (E) 澱粉 和纖維素均無還原性。
(B) (B) 澱粉與纖維素的化學式為 , n 值不同,因此不是同分異構物。
範例 1 澱粉與纖維素的性
質
(C)
類題 1
下列有關纖維素的敘述,何者錯誤?
(A)是由 -葡萄糖縮合而成 (B)化學式為 H-(C6H10O5-)nOH, 可推得單體單元為 C6H10O5 (C)是一種還原醣 (D)可用來製 造炸藥 (E)若是由 10000 個葡萄糖單元組成,則碳之重量百 分率約為 44.4%。
(C) 多醣均為非還原醣。
(E) 12 6 162
×100%=44.4%
8-2 生物體中的大分子
(配合翰版課本 P.141 ~ P.146 ;講義 P.145 )
二、蛋白質與酵素
1. 存在與組成:
(1) 蛋白質是生物體的重要組成物質,人體的肌肉、
毛髮、指甲和皮膚,大部分的成分是蛋白質。
(2) 組成單體: - 胺基酸,常見者約有 20 種。
(3) 蛋白質是由許多 - 胺基酸藉醯胺鍵(肽鍵)連 接而成的聚醯胺,屬高分子量的天然聚合物。
8-2 生物體中的大分子
2. 胺基酸:
(1) - 胺基酸是分子結構中胺基
(- NH2 )與羧基(- COOH ) 都連接在同一個 C 上的有機化 合物(如右圖)。
(2) 胺基酸既能與酸,也能與鹼結合成鹽,故為兩性 物質,在中性溶液中,大多為離子結構。
8-2 生物體中的大分子
(3) 胺基酸的結構:
① 20 種胺基酸中,若人體內無法自行合成,必 須從膳食補充者,稱為必需胺基酸。如苯丙胺 酸、色胺酸、離胺酸……等共 10 種。
② 胺基酸結構中,側鏈 R 不同導致胺基酸具有 不同性質。
:最簡單的胺基酸:甘胺酸的 R 為 H ; 丙胺
酸的 R 為 CH3 ;麩胺酸的 R 為
8-2 生物體中的大分子
③ 甘胺酸(學名為 - 胺基乙酸)是一種無色晶 體,有甘甜味,在膠原蛋白中存在有 的
含
量。麩胺酸的鹽類麩胺酸一鈉可作為味精,
是食物甘鮮味的由來,為一種烹飪的調味品。
3 1
8-2 生物體中的大分子
3. 胺基酸之間的反應:
(1) 醯胺鍵:蛋白質是由胺基酸縮合而成的聚合物,
羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 利用不同分子間的基和胺基水縮合形成醯胺
鍵,亦稱為肽鍵,結構為 。
(2) 二肽:由兩個胺基酸分子脫去一個水分子,形成 含有一個肽鍵的分子。
8-2 生物體中的大分子
(3) 三肽:三個胺基酸分子脫去兩個水分子,形成含 有兩個肽鍵的分子。
(4) 多肽:多個胺基酸分子以肽鍵連結而成的分子。
(5) 蛋白質與多肽的區別:通常以分子量作為界定標 準,分子量大於 5000 者為蛋白質,小於 5000 者為多肽。人體的胰島素是由 51 個胺基酸所組 成,其分子量為 5808 ,常視為蛋白質。
8-2 生物體中的大分子
4. 蛋白質的構造:
(1) 羧鏈或蛋白質分子中,胺基酸殘基排列的順序稱為 胺基酸順序,用以表示多 或蛋白質的特性。蛋肽 白質的一級構造僅表示出胺基酸的順序。
(2) 多或蛋白質中,利用不同胺基酸殘基間的羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 C = O 和 N - H 基團生成 鍵,形成安定性較高的氫 二級構造,主要有 - 螺旋和 - 褶板結構。
① - 螺旋結構中,蛋白質骨架捲曲成螺旋狀,藉 由其分子內氫鍵穩定其構形。
:羽毛、毛髮、肌肉及動物的角質。
8-2 生物體中的大分子
② - 褶板結構中,藉由分子間氫鍵來穩定其構形
,由於以平板狀呈現,所以光滑柔軟。
:蠶絲、蜘蛛絲。
8-2 生物體中的大分子
5. 酵素(酶):
(1) 定義:為生物體內的催化劑,促進生物體內生化 反應的物質。
(2) 組成:大多數的酶是蛋白質,具有蛋白質的性質;
少數的酶並非蛋白質。如具有 RNA 結構的核糖酶
,並非是蛋白質。
(3) 性質:
① 酵素催化反應的對象稱為受質,受質只能在酵 素表面的活性部位發生反應。
8-2 生物體中的大分子
② 酶具有特異性,每一種酶只對某種或某類受質 起反應。
:麥芽糖酶只能使 - 葡萄糖 的醣苷鍵斷裂。
▲ 酶的特異性就 如同拼圖的特 性一樣
③ 酶的催化效果強,只要極微量 便能使大量受質起反應。
8-2 生物體中的大分子
④ 酶的催化效果易受溫度影響,在 35 ~ 55
℃ 最適宜。
⑤ 酶的催化效果易受 pH 值影響。
:胃蛋白酶適合在 pH 值 3 以下的環境 中催
化。
(1) 應用:
① 在日常生活和工業上的應用:
❶ 木瓜蛋白酶俗稱鬆肉粉或嫩精,可將肉嫩 化,以利於烹煮。
8-2 生物體中的大分子
❷ 隱形眼鏡洗滌液中的蛋白酶,有助於清洗 隱形眼鏡上的蛋白質,避免細菌滋生。
❸ 加酶洗衣粉,可分解蛋白質和脂肪,使衣 物上的汙漬或油漬易被去除。
② 在分子生物學上的應用:在聚合酶鏈鎖反應
( PCR )中,使用 DNA 聚合酶複製增加特 定的 DNA 片段,以分析 DNA 做親子鑑定
、偵測遺傳疾病及研究 DNA 的遺傳演化。
下圖為某分子之結構:
下列有關該分子之敘述,何者正確?
(A) 此分子含有 4 個胺基酸 (B) 此分子完全水解後
,可得 4 種胺基酸 (C) 此分子有 10 個碳原子具 sp2 混成軌域 (D) 此分子有 3 種官能基,可以和三 級胺形成氫鍵
【 91 指考】
範例 2 多肽分子結構
(A) 水解時,從肽鍵間分開,可得 4 個胺基酸。
(B) 胺基酸有 4 個,但只有 3 種。
(C) 碳結構上只有 1 個 鍵者,其混成軌域必為 sp2 ,故有 10 個碳原子具有 sp2 混成軌域。
【 91 指考】
範例 2 多肽分子結構
(D) 此分子只有 1 種官能基,即醯胺鍵中的 H 可 以
和三級胺的 N 形成氫鍵。
(E) 題圖所示為 1 個四肽分子。
(A)(C)
【 91 指考】
範例 2 多肽分子結構
(C)
類題 1
某多肽的結構如下:
則該肽鏈是由幾種胺基酸結合而成?
(A) 3 (B) 4 (C) 5 (D) 6 。
下列關於酶催化反應的敘述,何者錯誤?
(A) 酶在生物體內具有催化反應的效果 (B) 反應中,
酶與受質結合成複合體 (C) 通常皆有其專一的催化對 象 (D) 催化之速率隨溫度之升高而增加 (E) 酶催化 可應用在日常生活或工業上。
(D) (D) 酶的催化反應受溫度的影響, 35 ~ 55 ℃ 最適
宜,溫度過高或過低都會使酵素失去活性。
範例 3 酶催化特性
(A) 酵素具有特異性。
(B) 酵素表面的活性部位不只一個。
(D) 酵素大多為蛋白質。
生物體的化學反應全靠酵素的催化反應。下列哪些敘述正 確?
(A) 酵素通常對其催化反應之反應物沒有選擇性 (B) 酵素 只能有一個活性部位 (C) 酵素可降低其催化反應的活化 能 (D) 酵素是一種核酸 (E) 酵素是由生物體所製造的 催化劑,脫離生物體仍可具有活性。
(C)(E)
類題 1
8-2 生物體中的大分子
(配合翰版課本 P.147 ~ P.151 ;講義 P.149 )
三、核苷酸與核酸
1. 核酸是以核苷酸為結構單元的縮合聚合物。
2. 組成核苷酸的三部分:磷酸、戊醣、含氮鹼。
▲RNA 的核苷酸結構 ▲ DNA 的核苷酸結
8-2 生物體中的大分子
3. DNA 與 RNA 在核苷酸上的差別:
(1) 戊醣五員環的 2 號碳原子上連接羥基者,稱為核 糖;但此羥基被氫原子取代者,則稱為去氧核糖。
(2) RNA 的四種含氮鹼:
8-2 生物體中的大分子
(3) DNA 的四種含氮鹼:
8-2 生物體中的大分子
① 腺嘌呤( A )與胸腺嘧啶( T )間形成兩個 氫鍵配對( )。
② 胞嘧啶( C )與鳥糞嘌呤( G )間形成三個 氫鍵配對( )。
4. DNA 的雙螺旋結構:
(1) 雙螺旋的骨架是由磷酸與去氧核糖所組成。
(2) 每一股的含氮鹼以鍵與另一股互補的含氮鹼配對羧羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 羧 結合,形成雙螺旋狀,如下頁圖所示。
8-2 生物體中的大分子
8-2 生物體中的大分子
(3) 人類體細胞有 23 對染色體,由 DNA 和組織蛋 白緊密包裹在一起。細胞複製時, DNA 的雙螺旋 間之氫鍵會解開,複製成兩個 DNA 分子給兩個細胞,使得遺傳訊息得以傳遞。如下 頁圖所示。
8-2 生物體中的大分子
8-2 生物體中的大分子
(4) DNA 是傳遞遺傳訊息的分子,可建構蛋白質與 RNA 等重要化合物,以引導生物發育及生命機能 的運作。
5. RNA 的單股結構:
(1) 單股螺旋的骨架是由磷酸與核糖所組成。
(2) 需要藉含氮鹼的配對(氫鍵)形成二級以上結構,
方能發揮功能。
① 腺嘌呤( A )與尿嘧啶( U )間形成兩個氫 鍵配對( )。
② 胞嘧啶( C )與鳥糞嘌呤( G )間形成三個 氫鍵配對( )。
8-2 生物體中的大分子
8-2 生物體中的大分子
(3) RNA 一般為單股分子,但在水溶液中有些也會形 成分子內雙螺旋結構。
(4) RNA 是具有生物遺傳訊息之中間載體,除參與蛋 白質合成,亦參與基因表達的調控。對部分病毒 而言, RNA 是其唯一的遺傳物質。
下列有關核酸的敘述,何者錯誤?
(A) 核酸是以核苷酸為單體之縮合聚合物 (B) 核苷酸的 成分有磷酸、戊醣、含氮鹼 (C) DNA 的雙螺旋結構中
,腺嘌呤( A )與胸腺嘧啶( T )形成兩個氫鍵配對 (D) 核苷酸結構中,戊醣的 2 號碳原子所接的原子團為 羥基者,可構成 DNA (E) RNA 的含氮鹼有 A 、 G
、 C 和 U 四種。
(D) 戊醣的 2 號碳原子上連接羥基者,稱為核糖
;
此羥基被氫原子取代者,稱為去氧核糖。 (D)
範例 4 核酸的結構
下列哪一個含氮鹼不是 DNA 的含氮鹼?
(A) 鳥糞嘌呤 (B) 胞嘧啶 (C) 尿嘧啶 (D) 腺嘌呤。
(C) 應為胸腺嘧啶。
(C)
類題 1
下列有關核酸和核苷酸的敘述,何者正確?
(A) 核苷酸由戊醣、含氮鹼和磷酸組成 (B) DNA 含有 核糖,而 RNA 則含有去氧核糖 (C) ATP 是一種核酸
(D) 構成 DNA 與 RNA 的含氮鹼有 A 、 T 、 C 、 G
、 U 等 5 種 (E) 構成 DNA 與 RNA 的核苷酸也 有 5 種。
(B) DNA 含去氧核糖,而 RNA 含核糖。
(C) ATP 是一種核苷酸。
(E) 構成 DNA 與 RNA 的核苷酸有 8 種。
(A)(D)
範例 5 DNA 和 RNA 的
差異
DNA 與 RNA 的差異處,不包括下列何者?
(A) 戊醣種類 (B) 核苷酸種類 (C) 分子量大小 (D) 嘌呤種類。
DNA 和 RNA 的核苷酸中,只有相同的嘌呤,
但嘧啶種類不同。
(D)
類題 1
8 - 3 先進材
料
8-3 先進材料
(配合翰版課本 P.152 ~ P.154 ;講義 P.154 )
一、半導體
1. 定義:導電度介於絕緣體和導體之間,且導電性可受 控制的材料。常見的半導體材料有矽( Si )、鍺
( Ge )、砷化鎵( GaAs )等。
2. 導電原理(能帶理論):
(1) 能量帶:半導體之分子軌域能階彼此相近而且密 集,因而形成能量帶,可分成下列兩種:
① 價帶:價電子所占有的能量帶,價帶電子被 束縛在原子周圍。
8-3 先進材料
② 傳導帶:未被價電子所占滿的較高能量帶,
在傳導帶的電子可經由外在的電場加速而形成 電流。
③ 能隙( Eg ):價帶與傳導帶間之能量差,電 子只能存在價帶或傳導帶,不能分布在能隙範 圍內。
8-3 先進材料
(2) 金屬導體:由於能隙非常小,價帶電子很容易獲 得能量而躍遷到傳導帶,因而易導電。但金屬的 導電性隨溫度升高而下降。
(3) 半導體:能隙介於金屬與絕緣體之間,導電性隨 溫度升高而增大,可以藉摻雜改變其能隙的間距 而使之較易導電。
(4) 絕緣體:由於能隙非常大,電子很難躍遷至傳導 帶,所以很難導電。
半導體奇 e 館
8-3 先進材料
3. 矽半導體:
(1) 結構:矽以 sp3 混成軌域和另外 4 個矽原子形 成
共價鍵,進而堆積成三度空間的立體網狀固體。
矽半導體的能隙約為 1.12 eV ,在室溫下的導電 性較差,溫度愈高則導電性愈佳。
(2) ① n 型半導體:在純矽中摻雜少許第 15 摻雜: (5A) 族
的磷( P )或砷( As ),因其有 5 個價電 子,會多出一個電子填入傳導帶中而增加導電
8-3 先進材料
② p 型半導體:在純矽中摻雜少許第 13 ( 3A ) 族的硼 (B) 或鎵 (Ga) ,因其只有 3 個價 電子,造成在價帶上出現帶正電的電洞,因而增 加導電性。
4. 其他應用:
(1) 發光二極體( LED ):利用半導體的電子,從 傳導帶降至價帶時,以光的形式釋放能量。
(2) 半導體雷射:利用半導體的 p-n 接合,發出高 強度的光。
(3) 光探測器:藉由半導體吸收光線,激發價帶的電 子轉換成電能。
下列有關物質導電性的敘述,何者不正確?
(A) 半導體的導電性隨溫度的升高而增大 (B) 金屬的價 帶和傳導帶緊臨在一起,而能導電 (C) 離子晶體熔融 後,因價帶和傳導帶能量差異甚小,而能導電 (D) 絕 緣體的價帶和傳導帶之能量差異甚大,而不導電 (E) 金屬的導電性隨溫度的升高而下降。
(C) 離子晶體熔融後能導電是因為正、負離子能自 由移動。
(C)
【日大】
範例 1 半導體的導電性
下列物質的能隙大小順序,何者正確?
(A) 半導體<絕緣體<金屬導體 (B) 金屬導體<半導體
<絕緣體 (C) 絕緣體<金屬導體<半導體 (D) 金屬 導體<絕緣體<半導體。
金屬導體之能隙≒ 0 ,半導體之能隙小,絕緣體之 能隙大。
(B)
類題 1
在高純矽中,摻雜少量下列何種元素,可以形成 p 型 半導體?
(A) 5B (B) 16S (C) 29Cu (D) 32Ge (E) 33As 。 矽中摻雜少量 第 13 族元素可形成 p 型半導體。
(A)
範例 2 p 、 n 型半導體
矽( Si )、鋁( Al )、硼( B )是在製造矽積體元件 中常用到的元素,鋁是作為金屬導線,摻有硼的矽
Si(B) ,則是作為基材,試問下列材料中的導電性由高
(左)至低(右)的順序,何者正確?
(A) Al > Si > Si(B) (B) Al > Si(B) > Si (C) Si(B)
> Al > Si (D) Si(B) > Si > Al 。
能隙大小:金屬導體<半導體<絕緣體 導電性: n 、 p 型半導體>純矽半導體
(B)
類題 1
8-3 先進材料
(配合翰版課本 P.154 、 P.155 ;講義 P.155 )
二、液晶
1. 定義:具有液態的流動性,又有結晶固體的物理、
化學以及光學特性,是一種具特殊相態的材料。
2. 組成:液晶分子的形狀大多為長條形,且具有極性 的有機分子,在特定的光、熱、電場或磁場下,會 出現晶體才有的分子規則排列的現象。
8-3 先進材料
3. 特性:
(1) 液晶分子有兩個熔點,在兩熔點間會形成具彩 色的混濁物,此狀態稱為液晶態,當溫度高於較 高的熔點時,則呈現透明的液態,溫度低於較低 熔點時,則呈現具結晶的固態。
▲ 苯甲酸膽固醇酯結
8-3 先進材料
4. 應用:由於採用液晶作為顯示器具有體積小、耗電 量微、操作電壓低等優點,並可設計成多色面板,所 以產量持續增長中。
(2) 上述因溫度變化,在一定的溫度範圍內呈現出 不同液晶相的物質,稱為「熱致液晶」,可用來 製成溫度計。
(3) 因為液晶分子具有極性,可利用電場或磁場控 制液晶分子的方向,使光源發生穿透、遮蔽或折 射,我們便可看到光線的明暗或彩色的變化。
8-3 先進材料
(配合翰版課本 P.155 ~ P.157 ;講義 P.156 )
三、導電聚乙炔
1. 定義:一種具導電性的高分子聚合物,又稱導電塑 膠。
2. 組成:
(1) 日本科學家白川英樹合成出具有順式與反式結構 的聚乙炔。
8-3 先進材料
8-3 先進材料
(2) 聚乙炔的摻雜:
① p- 摻雜:以碘氧化聚乙炔。
[CH]n + I2 → [CH]nx ++ xI3 -
② n- 摻雜:以鈉還原聚乙炔。
[CH]n + xNa → [CH]nx -+ xNa + 2
x 3
8-3 先進材料
3. 導電原理:
(1) 利用聚乙炔結構中所擁有的共軛雙鍵,使 電 子不受原子束縛,能自由移動。
(2) 由於聚乙炔的導電性相當於半導體,經過摻雜後 可生成電洞或增加電子,提升在分子鏈上的導電 性,可和一些金屬導體的導電性相當。
4. 應用:由於製程簡單且價格較便宜,目前已製造出 塑膠的電子零件、觸控面板、積體電路等。
臺灣發明王 - 抗靜電的玉米塑膠
已知苯甲酸膽固醇酯( C34H49O2 )是液晶的材料,實驗 發現其有兩個熔點: 145.5 ℃ 和 178.5 ℃ ,請問液晶態 出現在哪一個溫度範圍內?
(A) 低於 145.5 ℃ (B) 高於 178.5 ℃ (C) 介於
145.5 ℃ 和 178.5 ℃ 之間 (D) 以上皆是 (E) 以上皆 非。液晶態為介於液態(高於 178.5 ℃ )的流動性和
結晶固體(低於 145.5 ℃ )之間的相態。
(C)
範例 3 液晶的特性
下列何種物質可作為液晶的材料?
(A) 離子化合物 (B) 非極性分子 (C) 共價網狀晶體
(D) 長條狀的極性分子。
(D)
類題 1
在催化劑的存在下,將乙炔分子聚合可得到聚乙炔高分 子,經摻雜後,其導電度可媲美金屬。回答下列問題:
(1) 聚乙炔為加成聚合物或縮合聚合物?
(2) 寫出由電石(碳化鈣)製造乙炔的反應式。
(3) 畫出聚乙炔的結構式。(需將 C 與 H 標出)
(4) 在乙炔與聚乙炔中,碳原子各具有何種混成軌域?
(5) 乙炔的衍生物苯乙炔亦可形成具有導電性之聚苯乙 炔,寫出苯乙炔的結構式。
(6) 聚乙炔高分子為何能導電,請說明。
【日大】
範例 4 導電塑膠──聚乙
炔
(1) 加成聚合物
(2) CaC2(s) + 2H2O() → Ca(OH)2(aq) + C2H2(g)
(3)
(4)
或
加成
聚合
【日大】
範例 4 導電塑膠──聚乙
炔
(5)
(6) 在聚乙炔高分子中,共軛雙鍵會因共振而形成 非定域的 電子,此非定域 電子可在高分子 內自由移動而導電。
【日大】
範例 4 導電塑膠──聚乙
炔
(B) 以鈉還原聚乙炔而形成 n- 摻雜。
類題 1
聚乙炔具有類似半導體的導電性,而半導體可藉由摻雜 以提升其導電性,聚乙炔亦具有此特性。請問將聚乙炔 摻雜下列何種物質後,會具有類似 n 型半導體的特性
?
(A) NaCl (B) Na (C) I2 (D) Cl2 (E) Si 。
(B)
8-3 先進材料
(配合翰版課本 P.158 ~ P.162 ;講義 P.157 )
四、奈米尺度與奈米技術
1. 定義:
(1) 奈米( nm )是一種長度單位
1 nm = 10 - 9 m = 10 - 7 cm = 10 (埃)
(2) 物質在長、寬、高三個方向中,至少有一個尺度 在 1 ~ 100 nm 間的材料稱為奈米材料;傳統 尺寸較大的材料,稱為塊材。
A
8-3 先進材料
(3) 常見物質尺度關係:
尺寸( n
m ) 物質尺度 例 子
0.1 ~ 1.0 原子與分子 He 、 H2O 、 C6H12O6 1.0 ~ 100 奈米 DNA 、奈米碳管、 C60
100 ~
10000 微米 紅血球、毛髮、塵蟎
> 10000 塊材 螞蟻、碳粉、鑽石
8-3 先進材料
2. 奈米材料的特性:
(1) 比表面積大:當物質的顆粒變小,單位體積的表 面積(稱為比表面積)就會變大,到奈米尺度時,
比表面積就變得更大。此時,奈米材料表面的原 子數目占材料總原子數的比例較塊材大很多。
(2) 物理及化學性質改變:奈米材料的性質,如熔點、
磁性、電性、化學活性等,均與塊材差異很大。
8-3 先進材料
:鋁由穩定材料變成極易燃燒的奈米鋁;金的 正常熔點為 1063 ℃ , 2 nm 的奈米金熔點 低於 400 ℃ ;矽由半導體變成導體的奈米 矽;奈米結晶的陶瓷材料比一般陶瓷具有較 大的延性及展性。
8-3 先進材料
3. 奈米金:
(1) 製法:將金溶解於王水中,生成四氯金酸
( H[AuCl4] ),再以不同濃度的檸檬酸鈉
( C6H5O7Na3 )還原,即可製得不同尺度的奈米 金膠體溶液。
Au + HNO3 + 4HCl → H[AuCl4] + NO + 2H2O (2) 性質與應用:
① 具有良好的生物相容性,易與蛋白質結合,可 羧羧 羧 羧 羧 羧
作為藥物的載體,治療類風性關節炎。
自然期刊專訪 林政鞍臺灣第一人
8-3 先進材料
② 能作為催化劑,加速一氧化碳氧化成二氧化 碳,可製成防毒面具,防止一氧化碳中毒。
4. 奈米銀:
(1) 特性:由於奈米銀表面的銀原子在溶液或空氣中 易失去電子,因此在奈米銀表面含有高比例的銀 離子,而釋出的銀離子可穿透細菌的細胞膜,進 入細菌體內與酶蛋白上硫醇基(- SH )的硫鍵 結,進而抑制細菌 DNA 和 RNA 的複製。
8-3 先進材料
(2) 用途:運用銀離子殺菌不會造成細菌的抗藥性,
因此,奈米銀普遍用來作為抗菌製品。
:奈米銀口罩、奈米銀繃帶、奈米銀襪子、奈 米銀內衣等。
5. 奈米材料的危害:
(1) 奈米粒子能進出細胞膜,可能對細胞造成影響。
(2) 奈米材料若長時間、廣泛地被使用,對於環境與 生物體的衝擊,將無法預料。
水活力奈米銀絲 Ag+ 活性抑菌日常生活用品
下列有關奈米材料的敘述,何者正確?
(A) 奈米材料為在長、寬、高三個方向的長度都在 1 ~ 100 nm 之間的材料 (B) 奈米材料的總表面積變大,一 般都比塊材具有更高的化學反應性 (C) 奈米級金粒子 不同於金塊材,可將 CO 催化成 CO2 ,所以可製成火 場逃生使用之防煙面罩 (D) 奈米碳管可視為如同鑽石 的立體結構 (E) 紅外光是激發二氧化鈦光觸媒最合適 的光源。
範例 5 奈米材料
(A) 只要物質的長、寬或高至少有一個尺度介於 1 ~ 100 nm 大小,即稱為奈米材料。
(D) 奈米碳管可視為一層石墨捲曲而成的中空管狀 結構。
(E) 近紫外光是激發奈米二氧化鈦光觸媒最合適的 光源。
(B)(C)
範例 5 奈米材料
下列有關奈米材料的敘述,何者正確?
(A) 奈米碳管含有類似石墨的結構 (B) 某些種類的奈米 碳管能導電 (C) 荷葉不沾水的現象,與荷葉表面粒子 的奈米化有關 (D) 物質表面的粒子活性,與物質內部 的粒子相同 (E) 奈米材料的性質,與塊材差異甚大。
類題 1
(D) 表面粒子所受的束縛力較內部粒子弱,故活性 較大。
(A)(B)(C)(E)
實驗十 耐綸的製備
實驗十
耐綸的製備
1. 實驗目的:
由耐綸的製備,認識聚合反應。
2. 實驗原理:
實驗十
耐綸的製備
3. 實驗步驟:
下列有關耐綸製備實驗之敘述,何者錯誤?
(A) 將己二醯氯的正己烷溶液倒入己二胺的氫氧化鈉溶液
,攪拌後即得到耐綸絲 (B) 其反應式為:
nH2N - (CH2)6 - NH2 + nClCO - (CH2)4 - COCl → + 2nHCl (C) 不能使 兩反應物的溶液相混,令其在界面反應,用鑷子緩慢地 拉出耐綸之薄膜,浸入盛水之燒杯,即可得一條很長的 耐綸絲 (D) 由此實驗可知耐綸 -66 為一種聚酯類 (E) 氫氧化鈉溶液是用來中和聚合反應的副產物 HCl 。
(A) 不可攪拌。
(D) 耐綸 -66 為一種聚醯胺 (A)(D)
範例 1 耐綸的製備
下列有關耐綸 -66 實驗的敘述,何者正確?
(A) 反應後剩下的廢液,下層為有機溶劑 (B) 未用的己 二醯氯溶液可用碳酸氫鈉處理 (C) 未用的己二胺溶液 可用氫氧化鈉處理 (D) 由於耐綸 -66 無毒,故反應不 需在通風良好的地方進行實驗。
(A) 下層為水溶液,上層才是有機溶劑。
(C) 己二胺溶液可用硫酸氫鈉處理。
(D) 正己烷為揮發性的有機溶劑,故反應須在通風 良好處進行。
(B)
類題 1
實驗十一 奈米硫粒的合成
實驗
十一
奈米硫粒的合成
1. 實驗目的:
(1) 使用硫代硫酸鈉與鹽酸反應製備奈米硫粒。
(2) 以廷得耳效應檢驗奈米硫粒的存在。
2. 實驗原理:
(1) 反應: Na2S2O3(aq) + 2HCl(aq) → SO2(g) + S(s) + 2NaCl(aq) + H2O()
(2) 檢驗:以可見光雷射照射溶液,觀察廷得耳效應。
實驗
十一
奈米硫粒的合成
(3) 奈米溶液:在反應溶液中添加非離子型界面活 性劑,其分子會以親油基去包圍奈米硫粒,並與 奈米硫粒形成微胞,使奈米硫粒較慢凝聚。當界 面活性劑的濃度接近臨界值,會使廷得耳效應提 早出現,同時也較快結束。
實驗
十一
奈米硫粒的合成
3. 實驗步驟:
4. 實驗紀錄:
(1) 廷得耳效應存在時間: 9 秒。
(2) 廷得耳效應存在時間: 5 分鐘以上。
下列有關使用硫代硫酸鈉與鹽酸反應來製備奈米硫粒的 敘述,哪些是正確的?
(A) 硫代硫酸鈉的化學式為 Na2SO4 (B) 此反應中,鹽 酸作為還原劑 (C) 此反應中,添加非離子型界面活性 劑,可使奈米硫粒存活更久 (D) 生成的奈米硫粒與水 形成膠體溶液 (E) 此反應生成的氣體無色、無味亦無 臭。 (A) 硫代硫酸鈉的化學式為 Na2S2O3 。
(B) 此反應的硫代硫酸鈉發生自身氧化還原反應。
(E) SO2 具有臭味。 (C)
範例 1 奈米粒子的特性
下列有關奈米硫粒的廷得耳效應之敘述,何者正確?
(A) 是因存在於溶液中的微粒直徑約 10 - 9 ~ 10 - 7
公尺 (B) 是因粒子所帶同性電相斥而發生 (C) 是因粒 子在強光下,運動加快而發生 (D) 是因粒子散射光線 而發生 (E) 是因溶液中的粒子受溶劑粒子碰撞而發生
。 (D) 廷得耳效應是因膠體粒子直徑大,對光產生散 射所致。
(A)