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第二章 自然界的物質

第二章 自然界的物質. 2-1 水. 2-2 大氣. 2-3 土壤. 簡介. 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. 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. 物理性質. 純水性質. 化學性質. 水. 自然 水. 三相圖.

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第二章 自然界的物質

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Presentation Transcript

  1. 第二章自然界的物質 2-1 水 2-2 大氣 2-3 土壤

  2. 簡介 • 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

  3. 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

  4. 2-1A 自然水及其處理法 物理性質 純水性質 化學性質 水 自然 水 三相圖 一般物質以CO2為例 水的淨化/消毒 處理法 硬水軟化

  5. 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

  6. 純水的化學性質 • 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、…

  7. 壓力(atm)      溫度(℃) 水的三相圖 固液共存 臨界點 218 臨界壓力 液氣共存 固相 液相 1.0 氣相 固氣共存 三相點 0.01℃ 6×10-3 atm 374 0 100 正常熔點 正常沸點 臨界溫度

  8.  二氧化碳的三相圖 ∵ 密度：CO2(s)＞CO2(l) ∴ 向右傾斜，與水不同 壓力(atm) 臨界點 73  臨界壓力 固相 液相 氣相  三相點 －57℃ 5.2atm 1.0 －78 31 溫度(℃) 正常熔點 臨界溫度

  9. 2-1A 水的淨化 自來水廠  水的 淨化 實驗室法  蒸餾法：各成分的沸點不同，加以分離

  10. 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－

  11. 硬水缺點

  12. 硬水軟化法  去除水中Ca2+、Mg2+ 目的  方法及適用種類 硬水 軟化

  13. 硬水軟化-石灰蘇打法 • 石灰-蘇打 (CaO-Na2CO3) 軟化硬水  產生CaCO3、Mg(OH)2 • CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(aq) • Mg2+(aq) + Ca(OH)2(aq)  Mg(OH)2(s) + Ca2+(aq) • Ca(HCO3)2(aq) + Ca(OH)2(aq)  2CaCO3(s) + 2H2O(l) • Ca2+(aq) + Na2CO3  CaCO3(s)  + 2Na+(aq)

  14. 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)

  15. 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。

  16. 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。

  17. 2-1B 海水資源及其化學處理 表 2-1 海水中主要的物質含量

  18. 再析出 去除雜質 粗鹽 精鹽(NaCl) CaCl2 潮解性 MgCl2 苦味 日晒法 海水 先析出 CaSO4(s) 濃海水 苦滷 Mg2+(aq) Br－(aq) 海水中重要物質的提煉 (1)

  19. 電解熔鹽 Cl2(g)+Na(s) (氧化還原) 精鹽(NaCl) 陽極 陰極 電解水溶液 Cl2(g) +NaOH(aq) + H2(g) (氧化還原) 添加KCl / LiCl 低鈉鹽 加入少許NaI 食鹽 (防止甲狀腺腫大) 海水中重要物質的提煉 (2)

  20. 酸化 通入Cl2 Br2 (氧化還原) 苦滷 HCl Ca(OH)2 Mg2+(aq) Br－(aq) Mg(OH)2(s) MgCl2(s) (酸鹼中和) 電解熔鹽 Mg(陰極) + Cl2(陽極) (氧化還原) 海水中重要物質的提煉 (3)

  21. 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)

  22. 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)

  23. 海水淡化法 (1) 去除海水中鹽類，取得淡水 目的  方法/原理/裝置/特色 (1)  海水 淡化

  24. 海水淡化法 (2) 方法/原理/裝置/特色 (2) 

  25. 離子交換法：以食鹽水為例 Na+ H+ OH Na+ H+ Cl－ OH Cl－ RH R’OH 水 (H2O) 食鹽水 (Na+Cl－)

  26. 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)

  27. 解： NaCl(aq) + H2O(l) NaOH(aq) + H2(g) + Cl2(g) 電解 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？

  28. 2-1C 污染及其防治 農業/畜牧 廢水 生活廢水 來源 其他廢水 工業廢水 熱污染 需氧廢料 種類 合成清潔劑 水 污染 無機化學品 植物營養素 一級處理 防治 二級處理 三級處理

  29. 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

  30. 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 (2)：需氧廢料

  31. 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

  32. 水污染種類 (4)：無機化學品 重金屬 污染

  33. 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

  34. 水污染防治 廢水處理 一級處理 過濾法 除去固態物質 二級處理 活性汙泥法 除去需氧物質 三級處理 特定方法 除去特殊物質， 如：清潔劑中的含磷物

  35. 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。

  36. 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。

  37. 2-2 大氣 2-2A 大氣的組成 2-2B 大氣污染及防治

  38. 2-2A 大氣的組成 地表上空約1000公里所覆蓋的氣體 定義   密度 大氣密度以海平面最大高度，密度 對流層 平流層 垂直 結構 組成、溫度及特色  中氣層 大氣 游離層 外氣層 氮循環 大氣 循環 氧循環 水循環

  39. UV 大氣的組成、溫度及特色 (1)

  40. 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

  41. 大氣的組成、溫度及特色(3)-空氣的組成

  42. N2 + O2 NO NO2¯、NO3¯的鹽類 • N2 氮化合物 • N2 + 3H2 2 NH3 雷電 雨水 內燃機 O2 豆科根瘤菌 哈柏法 土壤的硝酸鹽 腐敗動、植物 N2 + NH3 NO3¯ 微生物分解 厭氧細菌 脫氮 大氣循環(1)：氮循環 固定 氮氣(N2) 氮化合物 脫氮

  43. 氧化/呼吸 氧氣(O2) 二氧化碳(CO2) 光合作用 蒸發 自然水 水氣(雲、霧) 凝結 大氣循環(2)/(3)：氧循環/水循環 氧循環 水循環

  44. 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。

  45. 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。

  46. 科學家小傳-波以耳 (1627~1691) • 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

  47. 科學家小傳-給呂薩克 (1778~1850 ) • 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

  48. 科學家小傳-查理 (1746~1823 ) • 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

  49. 科學家小傳-亞佛加厥 (1776~1856 ) • 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

  50. 2-2B 大氣污染及防治  大氣污染物主要來自化石燃料燃燒的產物 來源 碳的氧化物 硫的氧化物 氮的氧化物 種類 大氣 污染 有機化合物 固態懸浮物 氟氯碳化物 碳酸鈣 防治 觸媒轉化器

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