二章节自然界物质.ppt
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第二章 自然界的物質2-1 水2-2 大氣2-3 土壤 •哪些物質與人類關係最密切？–水•人體中約含有體重70％的水分•食物：農業、畜牧業•工業：冷卻、動力、原料–大氣•保護地球：調空溫度、防止紫外線及隕石侵襲•氣候變化–土壤•地表約30％覆蓋岩石或土壤•人類活動大都在土壤表面進行簡介 2-1 水2-1A 自然水及其處理法2-1B 海水資源及其化學處理2-1C 污染及其防治 2-1A 自然水及其處理法自然自然水水純水性質處理法三相圖物理性質化學性質水一般物質以CO2為例水的淨化/消毒硬水軟化 純水的物理性質•常溫、常壓下，純水為無色、無臭、無味之液體•1大氣壓(atm)下 –沸點(b.p.)：100℃–熔點(m.p.)：0℃，亦稱冰點、凝固點•可調節氣溫，其原因為 –高汽化熱：540 (卡/克)–高比熱：1 (卡/克‧℃)•4℃時 –體積最小，密度最大：1 (g/cm3)–上述特性使水能上下對流，冬季時保持結冰的水面下為4℃，水中生物可生存 •純水為極弱的電解質•室溫下(25℃)，純水為中性，酸鹼值pH = 7•與活潑金屬(例：鹼金屬、Ca、Sr、Ba)反應，生成氫氧化物與氫氣–2 Na + 2 H2O 2 NaOH + H2 –Ca + 2 H2O Ca(OH)2 + H2 •金屬氧化物–溶於水 鹼性 例：Na2O、CaO、…–不溶於水 中性 例：CuO、Fe2O3、…•非金屬氧化物–溶於水 酸性 例：CO2、SO2、…–不溶於水 中性 例：CO、SiO2、…純水的化學性質 水的三相圖固相液相氣相固氣共存固液共存液氣共存壓力(atm)溫度(℃)10037401.0218三相點0.01℃6×10-3 atm臨界點正常熔點正常沸點臨界溫度臨界壓力 二氧化碳的三相圖固相液相氣相壓力(atm)溫度(℃)31－781.073三相點－57℃5.2 atm臨界點正常熔點臨界溫度臨界壓力∵ 密度：CO2(s)＞CO2(l) ∴ 向右傾斜，與水不同 2-1A 水的淨化水的水的淨化淨化自來水廠實驗室法目目的的原理原理步驟步驟去除懸浮物沉澱沉澱凝聚凝聚過濾過濾沉降作用 含懸浮物的水靜置，使顆粒大的懸浮物沉於池底水＋凝聚劑(明礬KAlSO412H2O) 膠體 吸附懸浮微粒Al3+ + 3H2O 3H+ + Al(OH)3 (膠體)通過「砂濾池」，除去剩餘的懸浮物去除有機物及臭味曝氣曝氣消毒消毒除臭除臭將水曝露空氣中，增加與空氣接觸面積 溶氧量 微生物分解有機物的速率氯氣法：加入氯氣(Cl2)，有殘留氣味及殘留物，有致癌危險臭氧法：加入臭氧(O3)，無不良氣味及殘留物將水通過高表面積的活性碳 吸附有機雜質，去除臭味及顏色蒸餾法：各成分的沸點不同，加以分離 硬水軟化•硬水的定義–含有Ca2+、Mg2+的水•暫時硬水–陽離子： Ca2+、Mg2+–陰離子：HCO3－•永久硬水–陽離子： Ca2+、Mg2+–陰離子：Cl－、SO42－ 硬水缺點缺點缺點原因原因降低肥皂洗滌效果Ca2+、Mg2+與肥皂陰離子形成鈣肥皂、鎂肥皂沈澱M2+ + 2 C17H35COO－ M(C17H35COO)2(s) (M = Ca、Mg)產生鍋垢降低熱傳導鍋垢種類：1.暫時硬水 CaCO3、MgCO3 稀鹽酸或醋酸除去2.永久硬水 CaSO4 溫度愈高，溶解度愈差 硬水軟化法硬水硬水軟化軟化目的去除水中Ca2+、Mg2+方法及適用種類軟化方法軟化方法適用種類適用種類說明說明暫時硬水永久硬水煮沸法○石灰－蘇打法○○陽離子交換法○○ 硬水軟化-石灰蘇打法•石灰-蘇打 (CaO-Na2CO3) 軟化硬水 產生CaCO3、Mg(OH)21.CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(aq) 2.Mg2+(aq) + Ca(OH)2(aq) Mg(OH)2(s) + Ca2+(aq) 3.Ca(HCO3)2(aq) + Ca(OH)2(aq) 2CaCO3(s) + 2H2O(l) 4.Ca2+(aq) + Na2CO3 CaCO3(s) + 2Na+(aq) 硬水軟化-陽離子交換法•陽離子交換法：交換硬水中的Ca2+、Mg2+M2+(aq) + 2NaZ(s) MZ2(s) + 2Na+(aq) (M＝Ca、Mg ，Z＝沸石或樹脂)•再生：加濃食鹽水使其還原 MZ2(s) + 2Na+(aq) M2+(aq) + 2NaZ(s) 例題 2-1•前面曾介紹以「凝聚法」來淨化自然水，試問 何謂凝聚法？•解：若懸浮物的顆粒太小而不易沈降時，加入明礬使此顆粒發生凝聚，此法稱為凝聚法。
練習 2-1•在自然水處理過程中，哪些屬於化學變化？•解：水的消毒及軟化均屬化學變化 2-1B 海水資源及其化學處理離子離子含量（含量（g / kg海水）海水）體積莫耳濃度（體積莫耳濃度（M））Cl－19.355.5×10－1Na+10.764.7×10－1SO42－2.712.8×10－2Mg2+1.295.4×10－2Ca2+0.4121.0×10－2K+0.401.0×10－2HCO3－、CO32－0.1062.3×10－3Br－0.0678.3×10－4H3BO3、B(OH)4－0.0274.3×10－4Sr2+0.00799.1×10－5F－0.0017.0×10－5表 2-1 海水中主要的物質含量 海水中重要物質的提煉 (1)海水日晒法先析出CaSO4(s)再析出濃海水粗鹽CaCl2 潮解性MgCl2 苦味去除雜質精鹽(NaCl)苦滷Mg2+(aq)Br－(aq) 精鹽(NaCl)電解熔鹽電解水溶液Cl2(g) + Na(s)Cl2(g) + NaOH(aq) + H2(g) 陰極陽極(氧化還原)(氧化還原)添加KCl / LiCl加入少許NaI低鈉鹽食鹽 (防止甲狀腺腫大)海水中重要物質的提煉 (2) 苦滷Mg2+(aq) Br－(aq)酸化Ca(OH)2通入Cl2(氧化還原)Br2Mg(OH)2(s)HCl(酸鹼中和)MgCl2(s)電解熔鹽(氧化還原)Mg(陰極) + Cl2(陽極)海水中重要物質的提煉 (3) 氯化鎂電解及產物用途•陰極產物 鎂(Mg)–質硬、密度小 飛機及飛彈外殼–燃燒發出強光 鎂光燈•陽極產物 氯氣(Cl2)–水的消毒–氧化Br－，得到紅棕色刺激性Br2(l) 例題 2-2•氫氧化鎂與鹽酸作用可得氯化鎂，請寫出此反應的化學反應式？•解：Mg(OH)2(s) + 2HCl(aq) MgCl2(aq) + 2H2O(l) 海水淡化法 (1)海水海水淡化淡化目的去除海水中鹽類，取得淡水方法/原理/裝置/特色 (1) 方法方法原理原理裝置裝置特色特色蒸餾法 利用太陽能使海水蒸發，之後收集凝結的水滴1.生水速率慢2.水中有機雜質與CO2不易去除結晶法 海水冷卻凝固上層冰為純水，熔化後即可得之1.亦稱凝固法2.冷卻需額外消耗能源 海水淡化法 (2)方方法法原理原理裝裝置置特色特色離子交換法陽離子交換樹脂：RH(s) + M+(aq) RM(s) + H+(aq) 陰離子交換樹脂：R’OH(s) + X－(aq) R’X(s) + OH－(aq)1.樹脂可再生 陽離子樹脂：HCl再生 陰離子樹脂：NaOH再生2.所得之水稱為去離子水3.無法去除「非電解質」4.管柱順序不可對調逆滲透法加壓於高濃度海水，水分子經半透膜流至低濃度淡水中1.可去除陰、陽離子及有機物2.水須前處理，否則半透膜壽命短，但仍須定期更換3.澎湖海水淡化廠即用此法方法/原理/裝置/特色 (2) 離子交換法：以食鹽水為例H+RHR’OH食鹽水食鹽水(Na+Cl－－)OH OH 水水(H2O)Na+Cl－－H+Na+Cl－－ 逆滲透法小球：溶劑分子(水)；大球：溶質分子滲透作用：水分子移動方向低濃度(淡水) 高濃度(海水)逆滲透作用：水分子移動方向高濃度(海水) 低濃度(淡水) 練習 2-2•本節課文中提到電解濃食鹽水可以得到氯氣和氫氧化鈉，請寫出此電解方程式？•解：NaCl(aq) + H2O(l) NaOH(aq) + H2(g) + Cl2(g) 電解 2-1C 污染及其防治水水污染污染來源種類防治生活廢水工業廢水農業/畜牧 廢水其他廢水需氧廢料熱污染植物營養素無機化學品合成清潔劑一級處理二級處理三級處理 水污染種類 (1)：熱污染•來源：–發電廠、工廠的冷卻水•過程：–廢熱排入水中，水溫，溶氧量 破壞生態•影響：–熱污染 珊瑚白化 水污染種類 (2)：需氧廢料•來源：–生活廢水、農業/畜牧廢水、工業有機廢水•影響：–水中溶氧量•檢測：–細菌分解需氧廢料，會耗去水中溶氧，因此可以用BOD及COD作為有機污染程度的指標•生化需氧量 (BOD)：–20℃/ 5天細菌分解污水中需氧廢料所消耗O2總質量•化學需氧量 (COD)：–以化學藥品(如:K2Cr2O7)氧化污水全部有機廢料所需O2的總質量•單位：ppm = 毫克/公升•BOD，污染愈嚴重•COD≧BOD–細菌若能完全分解需氧廢料，則COD = BOD 水污染種類 (3)：合成清潔劑•來源：–生活及工業廢水•影響：–泡沫污染、溶氧量•清潔劑成分：烷苯磺酸鹽–硬性清潔劑：分枝結構，細菌無法分解 泡沫污染、溶氧量–軟性清潔劑：長鏈結構，細菌可以分解 溶氧量 水污染種類 (4)：無機化學品重金屬重金屬污染污染種類種類來源來源症狀症狀氰化物電鍍工廠、農藥呼吸衰竭砷 (As)污染的地下水烏腳病鎘 (Cd)電鍍工廠痛痛病鉻 (Cr)電鍍工廠尿毒病鉛 (Pb)四乙基鉛、鉛製器皿、鉛蓄電池腎臟、中樞神經受損汞 (Hg)汞齊法電解食鹽水、含汞農藥水俁病 水污染種類 (5)：植物營養素•來源：–肥料(含氮、磷、鉀)、含磷清潔劑•過程：–含氮、磷物質是藻類養分，排入水中造成大量藻類成長 溶氧量 魚貝類死亡 淨水發臭•影響：–水質優養化 水污染防治廢水處理二級處理二級處理三級處理三級處理一級處理一級處理過濾法 除去固態物質活性汙泥法 除去需氧物質特定方法 除去特殊物質，如：清潔劑中的含磷物 例題 2-3•廢水的二級處理通常採用活性汙泥法來完成。
何謂活性汙泥法？•解：在汙泥中培養可分解有機物的微生物，並適量通入O2於汙泥池中，藉以分解汙水中的有機物等需氧物質之方法，稱為活性汙泥法 練習 2-3•在標準的廢水處理法中，一級和二級處理能不能除去清潔劑中的含磷物質呢？•解：第一級主要以過濾法除去固態物質；二級以除去需氧物質(如：有機物)為目的，因此無法除去清潔劑中的含磷物質 2-2 大氣2-2A 大氣的組成2-2B 大氣污染及防治 2-2A 大氣的組成大氣大氣定義垂直結構地表上空約1000公里所覆蓋的氣體平流層對流層外氣層游離層中氣層密度 大氣密度以海平面最大高度，密度 大氣循環氧循環氮循環水循環組成、溫度及特色 大氣的組成、溫度及特色 (1)垂直垂直結構結構高度高度(km)溫度變化溫度變化(K)特色特色對流層0～13高度,溫度(300~220)1.在對流層的大氣，俗稱空氣2.所有天候變化皆在此層3.生物與人類活動範圍平流層13～50高度,溫度(220~280)1.20～30 km處稱為臭氧層，吸收紫外光，保護地表2.O3 O2 + O 放熱反應3.無雲雨之天候，有利航空中氣層50～85高度,溫度(280~180)1.亦稱光化層，此處進行O2光分解2.大氣層最低溫 約180K游離層85～550高度,溫度(180~2000)1.亦稱增溫層，此處進行原子光游離2.用於反射長波長的無線電波外氣層550～10001.外太空起點2.僅含H、He兩種輕元素UV 大氣的組成、溫度及特色 (2)▲大氣的組成、壓力、溫度及化學變化圖 大氣的組成、溫度及特色(3)-空氣的組成氣體氣體氮氣氧氣氬氣二氧化碳化學式化學式N2O2ArCO2體積體積含量含量78.08%20.95%0.93%0.033%外觀外觀無色、無臭、無味之氣體活性活性×××用途用途•保存食物•冷劑 : 液態氮•製備NH3•助燃性•呼吸•焊接/燈泡,可防止金屬氧化•滅火劑•冷劑 : 乾冰 大氣循環(1)：氮循環氮氣(N2)氮化合物固定脫氮1.N2 + O2 NO NO2¯、NO3¯的鹽類2.N2 氮化合物3.N2 + 3H2 2 NH3雷電內燃機雨水O2豆科根瘤菌哈柏法土壤的硝酸鹽腐敗動、植物微生物分解NO3¯厭氧細菌脫氮N2 + NH3 大氣循環(2)/(3)：氧循環/水循環氧氣(O2)二氧化碳(CO2)氧化/呼吸光合作用氧循環水循環自然水水氣(雲、霧)蒸發凝結 例題 2-4•空氣中含有少量的惰性氣體，請問惰性氣體有哪幾種？為何稱為「惰性」氣體？•解：惰性氣體包括氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)等六種，因化性十分不活潑，所以稱為惰性氣體或鈍氣。
例題 2-5•為何天氣的變化如下雨、颱風…等，僅發生在對流層？•解：因為此層含有大量水氣的存在，帶動水的循環，而造成天氣的變化 •生於英國的愛爾蘭，是位化學及物理學家•1659年：製作氣力球，並進一步完成壓榨泵及一系列空氣性質實驗•1660年：發表「波以耳」定律–定溫下，定量氣體的體積與壓力成反比•區分混合物與元素的不同，並證明化合物的性質與構成化合物的元素差別甚大•研究燃燒與呼吸現象•對神學和語文頗有興趣科學家小傳-波以耳 (1627~1691) •法國的化學及物理學家•1809年：發表「氣體反應體積定律」•乘坐熱氣球收集、分析高空氣體•發現硼元素及確定氫氰酸與氫鹵酸組成，支持氫酸論，推翻氧氣論•發展製造硫酸的給呂薩克塔及改良草酸製法•擔任法國造幣廠的首席化驗師，發明分析化學的容量分析法，並設計許多實驗用的玻璃儀器科學家小傳-給呂薩克 (1778~1850 ) •法國 巴黎工藝學校 教授•1783年：研製氫氣球–以蠶絲為材料，塗上橡膠溶液，以防止氫氣外洩–氣球在空中停留45分鐘，並飛行15英哩•1787年：發現「查理定律」–定壓下，定量氣體的體積和溫度成正比科學家小傳-查理 (1746~1823 ) •義大利科學家，研究領域包括電、比熱和毛細作用•發展測定分子量方法•1811年：提出「亞佛加厥」假說(現為亞佛加厥定律)–同溫、同壓下，等體積的氣體含有相同數目的分子–推論有多原子氣體元素存在–將原子與分子加以區分–1858年，坎尼乍若才設計實驗加以證實科學家小傳-亞佛加厥 (1776~1856 ) 2-2B 大氣污染及防治大氣大氣污染污染來源大氣污染物主要來自化石燃料燃燒的產物碳的氧化物 碳酸鈣觸媒轉化器種類防治硫的氧化物氮的氧化物有機化合物固態懸浮物氟氯碳化物 大氣污染種類 (1)污染源污染源原因原因影響影響碳的氧化物CO1.化石燃料不完全燃燒2.枯葉分解易與血紅素結合，造成血紅素攜氧功能喪失，產生窒息CO2化石燃料完全燃燒吸收紅外光，減少地球熱能逸散，地表氣溫上升溫室效應硫的氧化物SO21.化石燃料含硫不純物燃燒所得 煉油廠、火力發電廠2.硫酸工廠廢氣1.刺激氣管、植物枯萎、房屋腐蝕2.產生酸雨因硫或氮的氧化物溶於雨水中造成雨水的酸性變大(pH＜5.6) SO2 + H2O H2SO3 SO3 + H2O H2SO4 SO32SO2 + O2 2SO3 溫室效應(2)：溫室氣體的種類•種類：–自然界存在 H2O、CO2、CH4、N2O、O3–人造化合物 氟氯碳化物(CFCs)、氟烴化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF6)•保護/危害：–維持地表平均溫度穩定，約在15℃–工業革命後，除了水蒸氣外，所有溫室氣體含量明顯增加，結果造成•過去100年間，平均溫度上升0.3~0.6℃，南北極冰山融化，海平面上升10~15 公分，許多低窪地區沒入海中，影響整個生態及全球氣候甚巨 溫室效應(3)：溫室氣體的GWP值溫室氣體溫室氣體GWP值值排放來源排放來源CO21化石燃料燃燒、砍伐森林CH421垃圾場、農業、天然氣石油系統及煤礦N2O310化石燃料燃燒、微生物及化學肥料分解HFC-2311700滅火器、半導體工廠、噴霧劑HFC-1341300電冰箱、空調、噴霧劑、發泡劑SF623900電力設備、半導體、鎂製品PFCs6500~9200鋁製品、半導體、滅火器v GWP定義：訂CO2的GWP值為1，藉以估算同一時期、同一質量的不同氣體，所造成全球溫暖化的程度 大氣污染種類 (2)污染源污染源原因原因影響影響氮的氧化物(NOx)NON2 + O2 2NO(閃電或內燃機)1.易與血紅素結合，阻礙血紅素攜氧功能2.破壞臭氧層 NO + O3 NO2 + O2 NO2 + O NO + O2 NO22NO + O2 2NO2 1.紅棕色的刺激性氣體，吸入會影響呼吸系統2.形成酸雨 2NO2 + H2O HNO3 + HNO2 有機化合物1.化石燃料不完全燃燒2.交通工具排放氮的氧化物(NOx)和有機化合物過度污染 光化學煙霧 大氣污染種類 (3)污染源污染源原因原因影響影響固體懸浮物(塵埃)沙粒、火山灰或海風所含鹽粒以及工廠煙囪的排放物 半徑約為10-7~10-2 cm表面吸附各種污染物，造成：1.傷害呼吸系統2.光化學煙霧生成的催化核心氟氯碳化物(CFCs)冷媒與噴霧劑 擴散至平流層會產生光分解，其分解產物與臭氧反應：CF2Cl2 CClF2 + ClCl + O3 ClO + O2 ClO + O Cl + O2 1.臭氧層破洞，太陽光的紫外線長驅直入，危害地球生物2.以氟氫碳化物為替代物，如環保冷媒HFC-134a(CH2FCF3) 大氣污染的防治污染物污染物防治方法防治方法原理原理SO2碳酸鈣吸附SO2 + CaCO3 CaSO3 + CO2 NOxCO有機化合物觸媒轉化器 NOx N2 CO CO2 有機化合物 CO2 + H2OPt、Rh或V2O5 2-3 土壤2-3A 土壤的成分2-3B 土壤的用途2-3C 土壤的污染與防治 2-3 土壤土壤土壤成分有機物：5% 生物代謝或腐爛植物形成剖面礦物質：95% 以矽酸鹽為主，並含有鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂等氧化物或氫氧化物未風化底岩物理風化底層表土化學風化有機質腐爛雨水沉積心土可分成表土、心土、底層以及未風化底岩 用途 (1)農業 (2)礦產 (3)製作陶瓷、磚瓦、玻璃污染防治以 重金屬/有機物 污染最嚴重，因此可採用回收、掩埋、焚化等方法處理，特殊成分的廢棄物(如：重金屬)則集中儲存 土壤剖面圖顏色深暗，有機質聚集較多，為有機質與礦物質的混合體顏色鮮明，含黏土、氧化鐵、氧化鋁等礦物質，質地較表土緊密半風化的碎石塊，土壤生長之處 。
