自然界的物质
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1-1自然界
• 在地球表面的自然界中，包含著水、大氣、土壤三項主要 物質及生物與這些物質的交互作用。
3
1-2水
• 有些生物沒有氧氣，沒有陽光，依然可以存活，但幾乎沒 有一種生物能夠在沒水的環境下生存。在地球表面上，海 洋面積約有75％，水分約佔人體重量的70％，而許多環境 或氣候的變遷也都與水有關，可見其對自然界的重要性。 • 水為無色、無味，由1個氧原子和2個氫原子所組成的液體， 其分子式為H2O。
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• 加熱暫時硬水時，碳酸氫鈣和碳酸氫鎂會反應成碳酸鈣及 碳酸鎂沉澱，達到軟化硬水的效果，但此法對永久硬水無 效。 • Ca(HCO3)2(aq) CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l) • Mg(HCO3)2(aq) MgCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)
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• 硬水有二個缺點： 1. 硬水會使肥皂不易溶解，降低肥皂的去污力。 2. 硬水在鍋爐中加熱，易生碳酸鈣CaCO3或碳酸鎂MgCO3所沉 澱的鍋垢及水垢，使得鍋爐導熱不平均，降低傳熱的效 率，甚至發生輸水管堵塞或鍋爐爆裂的工安事故。
第一章自然界的物質
1-1 1-2 1-3 1-4 自然界 水 大氣 土壤
1
章前小故事
1843年，俄國沙皇從埃及擄掠了一些人面獅身石像， 保存在列寧格勒博物館中。一天，一位從事考古研究的老 學究來到博物館，在石像前端詳許久後感嘆地說：「這人 面獅身越來越瘦了，」一旁的管理員驚訝地說：「沒錯， 我常發現石像的周圍有一些粉末，這是怎麼一回事啊？」 老學究說：「這是因為我們這邊比較潮濕，空氣中會 有較多的水分、氧氣及二氧化碳作用於石像上而使其表面 結構變得疏鬆，加上我們這邊冬天比較冷，石像縫隙中的 水容易結成無數的冰碴，當水結成冰時，膨脹1/10的體積 便將縫隙一點一點地撐大，於是就有粉末產生並從石像上 面掉下來。」 「這該如何是好呢？」管理員焦急地問著，老學究說： 「很簡單，只要在石像表面塗上一層油脂，隔絕空氣和水 分就可以了。」
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1-2.1水的基本性質
1. 水在1大氣壓（1atm）時，沸點為100℃，凝固點約為 0℃，是自然界中唯一固、液、氣三種狀態同時存在的 物質。 水的三相圖
5
2. 水比其他液體有較高的比熱（1cal/g℃）與汽化熱 （539kcal/g），溫度不易升高或降低，有助地球表面 的溫度變化不至太大及調節日夜的溫差。
※想一想： 紙杯內加水，然後在底部加熱，會燒起來嗎？原因 爲何呢？ 答案：因為水的汽化熱很高，會不斷吸收從燭火得到的熱 能，就算達到水的沸點，只要紙鍋中的水沒有燒乾 ，就不會達到紙的燃點160℃，因此不會燒起來。
6
3. 在4℃時，水的密度最大，為1g/cm3，即使是冰天雪 地的湖面下，仍舊會有液態的水可供生物存活。
3.
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• 當硬水通過陽離子交換樹脂時， 每一個Ca2＋或Mg2＋可交換出兩個 Na＋。 • 但泡沸石使用一段時間後，樹脂 中Na＋的數量會越來越少，軟化 效果將變差。此時可用濃食鹽水 加以浸泡沖洗來進行「再生」， 將Na＋補充回去，恢復陽離子樹 脂的交換效能。 • Ca2＋(aq) + 2NaZ(s) CaZ2(s) + 2Na＋(aq)
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1-2.4海水資源
• 海水中的重要元素 種類名稱 克/仟克海水 氯離子 鈉離子 鎂離子 硫酸根 鈣離子 鉀離子 溴離子 19.35 10.76 1.35 0.89 0.41 0.39 0.07 說 明
1.含量最多的離子是Cl－。 2.含量最多的陽離子是Na＋， 其次是Mg2＋。 3.氯化鎂MgCl2略有苦味。 4.氯化鈣CaCl2易潮解，可做乾 燥劑。 5.曬鹽時，硫酸鈣CaSO4會先結 晶出來。硫酸鈣是石膏的成 分。
ห้องสมุดไป่ตู้
＊生活小常識 家中熱水瓶內常附有一層白色水垢，根據酸鹼中和 的原理，可用檸檬汁或白醋來加以清洗；若是蓮蓬頭的 水量變小，可能是蓮蓬頭的細孔被水垢堵塞了，此時不 妨將蓋子旋開清理看看。
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軟化硬水的三種方法
1. 2. 煮沸法：僅適用暫時硬水，對永久硬水無效。 化學藥劑法：於硬水中加入洗滌鹼（碳酸鈉Na2CO3）， 可產生碳酸鈣及碳酸鎂等沉澱物，去除水中的Ca2＋和 Mg2＋，達到軟化的效果。 陽離子交換法：利用過濾器中含有鈉離子Na＋的陽離子 樹脂或天然泡沸石（化學式NaZ，Z表一陰離子團）來交 換水中的Ca2＋和Mg2＋。
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1-2.3硬水的軟化
• 含有鈣離子Ca2＋或鎂離子Mg2＋的水，稱之為「硬水」。 • 硬水通常可分為暫時硬水與永久硬水二類，而其差別主要 在於所含的陰離子不同。 硬水種類 暫時硬水 永久硬水 陽離子 Ca2＋，Mg2＋ Ca2＋，Mg2＋ 陰離子 碳酸氫根離子HCO3－ 氯離子Cl－ 或硫酸根離子SO42－
4.
5. 6.
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• ppm是衡量濃度的一種單位，單位為百萬分之多少或1公升 的溶液中含有溶質多少毫克。
※想一想： 一標準游泳池，長50公尺，寬25公尺，深3公尺，以氯氣 消毒，氯氣濃度欲達0.5 ppm，試問需加入氯氣多少公克？ • 解：長50m＝5000cm，寬25m＝2500cm，深3m＝300cm ∴水的體積＝5000×2500×300＝3750000000cm3 而水的密度＝1g/ cm3 ∴水的質量＝3750000000×1＝3750000000公克 而氯氣濃度欲達0.5ppm，所以需加入氯氣： 3750000000×0.5ppm＝3750000000×＝1875公克
4. 水是一種良好的溶劑，可以協助溶解許多的物質。
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1-2.2水的淨化及消毒
• 淨化水質有下列六個基本流程（如圖）：
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自來水廠淨水六流程說明
1. 2. 3. 沉降：利用重力讓顆粒較大的懸浮雜物沉澱於池底。 凝聚：凝聚劑（明礬KAl(SO4)2．12H2O）溶於水後會形 成氫氧化鋁Al(OH)3，吸附較輕的懸浮物。 過濾：將凝聚過的水通過砂濾池，可除去絕大部分肉眼 可見的雜質。 曝氣：增加水中的溶氧量，以加速微生物分解水中的有 機物。 除臭：通過有活性碳的過濾床，除去水中的顏色及氣味。 消毒：加入氯氣Cl2或臭氧O3，濃度只要0.2~1ppm，使細 菌的蛋白質變性，即可達到殺菌的效果。
1-1自然界
• 在地球表面的自然界中，包含著水、大氣、土壤三項主要 物質及生物與這些物質的交互作用。
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1-2水
• 有些生物沒有氧氣，沒有陽光，依然可以存活，但幾乎沒 有一種生物能夠在沒水的環境下生存。在地球表面上，海 洋面積約有75％，水分約佔人體重量的70％，而許多環境 或氣候的變遷也都與水有關，可見其對自然界的重要性。 • 水為無色、無味，由1個氧原子和2個氫原子所組成的液體， 其分子式為H2O。
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• 加熱暫時硬水時，碳酸氫鈣和碳酸氫鎂會反應成碳酸鈣及 碳酸鎂沉澱，達到軟化硬水的效果，但此法對永久硬水無 效。 • Ca(HCO3)2(aq) CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l) • Mg(HCO3)2(aq) MgCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)
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• 硬水有二個缺點： 1. 硬水會使肥皂不易溶解，降低肥皂的去污力。 2. 硬水在鍋爐中加熱，易生碳酸鈣CaCO3或碳酸鎂MgCO3所沉 澱的鍋垢及水垢，使得鍋爐導熱不平均，降低傳熱的效 率，甚至發生輸水管堵塞或鍋爐爆裂的工安事故。
第一章自然界的物質
1-1 1-2 1-3 1-4 自然界 水 大氣 土壤
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章前小故事
1843年，俄國沙皇從埃及擄掠了一些人面獅身石像， 保存在列寧格勒博物館中。一天，一位從事考古研究的老 學究來到博物館，在石像前端詳許久後感嘆地說：「這人 面獅身越來越瘦了，」一旁的管理員驚訝地說：「沒錯， 我常發現石像的周圍有一些粉末，這是怎麼一回事啊？」 老學究說：「這是因為我們這邊比較潮濕，空氣中會 有較多的水分、氧氣及二氧化碳作用於石像上而使其表面 結構變得疏鬆，加上我們這邊冬天比較冷，石像縫隙中的 水容易結成無數的冰碴，當水結成冰時，膨脹1/10的體積 便將縫隙一點一點地撐大，於是就有粉末產生並從石像上 面掉下來。」 「這該如何是好呢？」管理員焦急地問著，老學究說： 「很簡單，只要在石像表面塗上一層油脂，隔絕空氣和水 分就可以了。」
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1-2.1水的基本性質
1. 水在1大氣壓（1atm）時，沸點為100℃，凝固點約為 0℃，是自然界中唯一固、液、氣三種狀態同時存在的 物質。 水的三相圖
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2. 水比其他液體有較高的比熱（1cal/g℃）與汽化熱 （539kcal/g），溫度不易升高或降低，有助地球表面 的溫度變化不至太大及調節日夜的溫差。
※想一想： 紙杯內加水，然後在底部加熱，會燒起來嗎？原因 爲何呢？ 答案：因為水的汽化熱很高，會不斷吸收從燭火得到的熱 能，就算達到水的沸點，只要紙鍋中的水沒有燒乾 ，就不會達到紙的燃點160℃，因此不會燒起來。
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3. 在4℃時，水的密度最大，為1g/cm3，即使是冰天雪 地的湖面下，仍舊會有液態的水可供生物存活。
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• 當硬水通過陽離子交換樹脂時， 每一個Ca2＋或Mg2＋可交換出兩個 Na＋。 • 但泡沸石使用一段時間後，樹脂 中Na＋的數量會越來越少，軟化 效果將變差。此時可用濃食鹽水 加以浸泡沖洗來進行「再生」， 將Na＋補充回去，恢復陽離子樹 脂的交換效能。 • Ca2＋(aq) + 2NaZ(s) CaZ2(s) + 2Na＋(aq)
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1-2.4海水資源
• 海水中的重要元素 種類名稱 克/仟克海水 氯離子 鈉離子 鎂離子 硫酸根 鈣離子 鉀離子 溴離子 19.35 10.76 1.35 0.89 0.41 0.39 0.07 說 明
1.含量最多的離子是Cl－。 2.含量最多的陽離子是Na＋， 其次是Mg2＋。 3.氯化鎂MgCl2略有苦味。 4.氯化鈣CaCl2易潮解，可做乾 燥劑。 5.曬鹽時，硫酸鈣CaSO4會先結 晶出來。硫酸鈣是石膏的成 分。
ห้องสมุดไป่ตู้
＊生活小常識 家中熱水瓶內常附有一層白色水垢，根據酸鹼中和 的原理，可用檸檬汁或白醋來加以清洗；若是蓮蓬頭的 水量變小，可能是蓮蓬頭的細孔被水垢堵塞了，此時不 妨將蓋子旋開清理看看。
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軟化硬水的三種方法
1. 2. 煮沸法：僅適用暫時硬水，對永久硬水無效。 化學藥劑法：於硬水中加入洗滌鹼（碳酸鈉Na2CO3）， 可產生碳酸鈣及碳酸鎂等沉澱物，去除水中的Ca2＋和 Mg2＋，達到軟化的效果。 陽離子交換法：利用過濾器中含有鈉離子Na＋的陽離子 樹脂或天然泡沸石（化學式NaZ，Z表一陰離子團）來交 換水中的Ca2＋和Mg2＋。
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1-2.3硬水的軟化
• 含有鈣離子Ca2＋或鎂離子Mg2＋的水，稱之為「硬水」。 • 硬水通常可分為暫時硬水與永久硬水二類，而其差別主要 在於所含的陰離子不同。 硬水種類 暫時硬水 永久硬水 陽離子 Ca2＋，Mg2＋ Ca2＋，Mg2＋ 陰離子 碳酸氫根離子HCO3－ 氯離子Cl－ 或硫酸根離子SO42－
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• ppm是衡量濃度的一種單位，單位為百萬分之多少或1公升 的溶液中含有溶質多少毫克。
※想一想： 一標準游泳池，長50公尺，寬25公尺，深3公尺，以氯氣 消毒，氯氣濃度欲達0.5 ppm，試問需加入氯氣多少公克？ • 解：長50m＝5000cm，寬25m＝2500cm，深3m＝300cm ∴水的體積＝5000×2500×300＝3750000000cm3 而水的密度＝1g/ cm3 ∴水的質量＝3750000000×1＝3750000000公克 而氯氣濃度欲達0.5ppm，所以需加入氯氣： 3750000000×0.5ppm＝3750000000×＝1875公克
4. 水是一種良好的溶劑，可以協助溶解許多的物質。
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1-2.2水的淨化及消毒
• 淨化水質有下列六個基本流程（如圖）：
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自來水廠淨水六流程說明
1. 2. 3. 沉降：利用重力讓顆粒較大的懸浮雜物沉澱於池底。 凝聚：凝聚劑（明礬KAl(SO4)2．12H2O）溶於水後會形 成氫氧化鋁Al(OH)3，吸附較輕的懸浮物。 過濾：將凝聚過的水通過砂濾池，可除去絕大部分肉眼 可見的雜質。 曝氣：增加水中的溶氧量，以加速微生物分解水中的有 機物。 除臭：通過有活性碳的過濾床，除去水中的顏色及氣味。 消毒：加入氯氣Cl2或臭氧O3，濃度只要0.2~1ppm，使細 菌的蛋白質變性，即可達到殺菌的效果。