第二章第二章 自然界的物質自然界的物質

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 ( )℃100 3740

1.0

218

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－ 78

1.0

73

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

水的淨化

自來水廠

實驗室法

目的

原理 步驟

去除懸浮物

沉澱

凝聚

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

消毒

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 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

硬水軟化

目的 去除水中 Ca2+ 、 Mg2+

方法及適用種類

軟化方法適用種類

說明暫時硬水 永久硬水

煮沸法 ○ 石灰－蘇打法 ○ ○

陽離子交換法 ○ ○

硬水軟化硬水軟化 -- 石灰蘇打石灰蘇打法法

• 石灰 -蘇打 (CaO-Na2CO3) 軟化硬水

產生 CaCO3 、 Mg(OH)2

1. 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)

硬水軟化硬水軟化 -- 陽離子交換陽離子交換法法

• 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 例題 2-12-1

• 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 練習 2-12-1

• 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 2-1B 海水資源及其化學處理海水資源及其化學處理

離子 含量（ g / kg 海水） 體積莫耳濃度（ M ）Cl － 19.35 5.5×10 － 1

Na+ 10.76 4.7×10 － 1

SO42 － 2.71 2.8×10 － 2

Mg2+ 1.29 5.4×10 － 2

Ca2+ 0.412 1.0×10 － 2

K+ 0.40 1.0×10 － 2

HCO3－、 CO3

2 － 0.106 2.3×10 － 3

Br － 0.067 8.3×10 － 4

H3BO3、 B(OH)4

－

0.027 4.3×10 － 4

Sr2+ 0.0079 9.1×10 － 5

F － 0.001 7.0×10 － 5

表 2-1 海水中主要的物質含量

海水中重要物質的提煉 海水中重要物質的提煉 (1)(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 海水中重要物質的提煉 (2)(2)

苦滷

Mg2+(aq)

Br －(aq)

酸化

Ca(OH)2

通入 Cl2

( 氧化還原 )

Br2

Mg(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 海水中重要物質的提煉 (3)(3)

氯化鎂電解及產物用途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 例題 2-22-2

• 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 海水淡化法 (1)(1)

海水淡化

目的 去除海水中鹽類，取得淡水

方法 / 原理 /裝置 / 特色 (1)

方法 原理 裝置 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 海水淡化法 (2)(2)

方法 原理 裝

置 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 －(a

q)

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)

離子交換法離子交換法：以食鹽水為例：以食鹽水為例

H+

RH R’OH食鹽水(Na+Cl

－ )

OH

OH

水(H2O)

Na+

Cl －H+

Na+

Cl －

逆滲透法逆滲透法

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 練習 2-22-2

• 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 2-1C 污染及其防污染及其防治治

水污染

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 水污染種類 (1)(1) ：熱污染：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 水污染種類 (2)(2) ：需氧廢：需氧廢料料

• 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 水污染種類 (3)(3) ：合成清潔：合成清潔劑劑• 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 水污染種類 (4)(4) ：無機化學：無機化學品品

重金屬污染

種類 來源 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 水污染種類 (5)(5) ：植物營養：植物營養素素

• 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

水污染防治水污染防治

廢水處理

二級處理

三級處理

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

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)垂直結構

高度(km)

溫度變化(K)

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550～1000

1. 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 氮氣 氧氣 氬氣 二氧化碳化學式 N2 O2 Ar CO2

體積含量

78.08% 20.95% 0.93% 0.033%

外觀 無色、無臭、無味之氣體活性 × × ×

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 原因 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

SO2

1.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 SO3 2SO2 + 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 GWP 值 排放來源

CO2 1 化石燃料燃燒、砍伐森林CH4 21 垃圾場、農業、天然氣石油系統及煤礦N2O 310 化石燃料燃燒、微生物及化學肥料分解

HFC-23 11700 滅火器、半導體工廠、噴霧劑HFC-134 1300 電冰箱、空調、噴霧劑、發泡劑

SF6 23900 電力設備、半導體、鎂製品PFCs 6500~9200 鋁製品、半導體、滅火器

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 原因 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

NO2 2NO + 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 原因 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 + Cl

Cl + 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(CH2FCF

3)

大氣污染的防治污染物 防治方法 原理

SO2 碳酸鈣吸附 SO2 + CaCO3 CaSO3 + CO2

NOx

CO有機化合物

觸媒轉化器

NOx N2

CO CO2

有機化合物 CO2 + H2O

Pt、 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

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