第 2章自然界的物質 2 -1 自然界 2 -2 水 2

第 2章自然界的物質 2 -1　自然界 2 -2　水 2 -3　大氣 2 -4 土壤

2 -1 自然界 • 地球表面的自然生態環境是由水、大氣、土壤和生物所構成，彼此間息息相關。 • 地球表面年齡大約為 5億年左右，覆蓋著約占 70％面積的水。動動腦為什麼天空藍藍的？圖 2 -1　美麗的藍色星球──地球

2 -2　水一、水的淨化二、水的軟化三、家庭用水的淨化四、海水資源五、水汙染及其防治章目錄

一、水的淨化 • 地表上的水因含有許多礦物質、懸浮物、微生物等需加處理以適合日常飲用或業用水。 • 水的處理依使用目的而有不同，一般淨化過程分為：沉澱、凝聚、過濾、曝氣、除臭及消毒等步驟。節目錄

自然水中含的雜質沉澱、凝聚、過濾曝氣活性碳固體、懸浮物有機物臭味氯、臭氧細菌硬水軟化礦物質節目錄

水的淨化過程圖 2 -3 自來水廠淨水步驟節目錄

沉澱法 • 河川水進入自來水廠中仍含有許多大小顆粒不同的泥沙，將之引入沉澱池中靜置，較重的泥沙將會沉降下來，但懸浮微粒（直徑 10 -9 ～ 10 -7 m）仍分散水中。節目錄

凝聚法 • 凝聚法：水中加入鋁鹽或鐵鹽，在可產生膠體，黏吸懸浮粒子而以沉降。例如：明礬 [KAl(SO 4)2‧ 12 H 2 O] • 氫氧化鋁的膠體： A 13+(aq)+3 H 2 O(l)→Al(OH)3(s) + 3 H+ (aq) 圖 2 -4　明礬晶體節目錄

過濾法 • 將沉澱與凝聚後的水流經細砂層濾池，除去固體物及懸浮雜質。 • 砂濾池內的過濾物質，大多使用不含黏土成分，直徑約為 0. 4～ 0. 54 mm的細砂。節目錄

曝氣法 • 曝氣是讓水激起水花，增加與空氣的接觸面積，使水中溶氧量增加，可加速有機物被微生物分解的速率。 • 常見魚塭打水器也是曝氣的一種方式。節目錄

除臭法 • 臭味來源：大部分是有機化合物。 • 活性炭：將水通過盛有活性炭的過濾床，吸附大量的各種有機物與雜質，達除臭與脫色目的。圖 2 -5　各類活性碳與其顯微結構節目錄

消毒法 • 氯氣 (Cl 2)：氯能抑制細菌代謝的活性，而殺死細菌，氯添加至水中，濃度到達 0. 2至 1. 0 ppm便能殺死細菌。 • 臭氧 (O 3) ：在水中加入約 1. 0 ppm臭氧可以殺菌，但成本較為昂貴。比氯氣有效，能殺死更多病節目錄原菌和病毒，而且既無化

二、水的軟化硬水含鈣、鎂離子 (Ca 2+、Mg 2+) 碳酸氫根 (HCO 3－ ) 硫酸根 (SO 42－ ) 氯化物 (Cl－ ) 暫時硬水永久硬水加熱加熱產生碳酸鈣碳酸鎂沉澱只產生硫酸鈣沉澱硬水及處理動畫節目錄

硬水的缺點-1 • 肥皂沉澱：水中的鈣、鎂離子會和肥皂反應，產生不溶性的鈣肥皂和鎂肥皂，而降低洗滌效果。鈣肥皂鎂肥皂節目錄

硬水的缺點-2 • 鍋垢：加熱暫時硬水會產生碳酸鈣、碳酸鎂，永久硬水則產生硫酸鈣沉澱。這些沉澱物容易造成鍋爐或水管阻塞，導致傳導效果不佳，嚴重甚至引起爆炸。圖 2 -7　水管內的水垢節目錄

硬水軟化的方法方法煮沸法石灰法硬水暫時硬水永久硬水 ˇ：可軟化 ˇ ＊ ˇ × 蘇打法蒸餾法陽離子交換法 ˇ ˇ ˇ ×：不可軟化＊：硫酸鈣在高溫下溶解度降低而析出，其餘不會。節目錄

煮沸法 • 暫時硬水：可藉煮沸產生碳酸鈣及碳酸鎂沉澱析出而軟化硬水。 • 永久硬水：水中的硫酸鈣加熱不會產生化學變化，但其對水溶解度隨溫度升高而降低。節目錄

石灰法 • 暫時硬水：石灰 (氧化鈣 )溶於水所產生的氫氧化鈣，可與暫時硬水形成碳酸鈣及碳酸鎂沉澱析出。 Ca. O + H O → Ca(OH) (s) 2 (l) 2(aq) Mg 2+(aq)+ Ca(OH)2(aq) → Mg(OH)2(s) + Ca 2+(aq) + Na 2 CO 3(aq) → Ca. CO 3(s) + Na+(aq) • 永久硬水：加入石灰不能產生固體沉澱物，故不能去除。節目錄

蘇打法 • 在暫時及永久硬水加入蘇打 (碳酸鈉， Na 2 CO 3)，產生不溶性的碳酸鈣及碳酸鎂沉澱析出。 • 此法所得之軟水，有較強的鹼性，不適合業上和家庭使用。 Ca 2+(aq) + CO 32－ (aq) → Ca. CO 3(s) Mg 2+(aq) + CO 32－ (aq) → Mg. CO 3(s) 節目錄

蒸餾法-1 • 硬水經由蒸發作用，將水蒸氣冷凝後收集，即可得不含礦物質的蒸餾水。節目錄

蒸餾法-2 節目錄

陽離子交換法 • 將硬水通過泡沸石（ Na. Al. Si. O 4，以 Na. Z 表示）或是陽離子交換樹脂（例如聚苯乙烯磺酸鈉「 RSO 3 Na」），沸石或樹脂內的鈉離子可交換硬水中的鈣離子及鎂離子，達到硬水軟化的效果。 • M 2++2 Na. Z(s) → MZ 2(s)+2 Na+ (M為 Ca或 Mg) • 可加濃食鹽水使其還原而再生。 • MZ 2(s)+2 Na+ →M 2+ + 2 Na. Z(s) 圖 2 -9　硬水通過陽離子交換樹脂節目錄

陽離子交換劑 • 泡沸石：有天然的亦有人合成的。 • 有機樹脂：人合成樹脂內含鈉離子的容量比天然泡沸石大，且樹脂的種類很多可供選擇。例如磺酸化聚苯乙烯 ( sulfonated polystyrene)為其中的一型，原理和泡沸石相同。 2 RSO 3 Na + Ca 2+ →(RSO 3)2 Ca + 2 Na+ 節目錄

三、家庭用水的淨化 • 現今家庭用水最常見的淨化方法為逆滲透法 (Reverse Osmosis， RO)。 • 一般逆滲透淨水器是將自來水加壓流經過各種半透膜，半透膜孔徑非常的細小，只有水分子可以經加壓通過。 • 可將細菌、濾過性病毒、重金屬、農藥、清潔常見家用五道式逆滲透淨水器劑分別濾去除而得純淨的飲用水。節目錄

滲透與逆滲透 • 滲透屬自然現象，以僅限水分子通過的半透膜隔開兩種不同濃度的水溶液，低濃度者的水分子通過半透膜的速率比高濃度者快即為滲透 (a)，此時施加外力於高濃度者，使水流至低濃度方的速度加快，即稱為逆滲透 (b)。圖 1 -10　(a)滲透現象 (b)逆滲透現象節目錄

四、海水資源 • 海洋是地球最大的水體，蘊含豐富的資源。 • 離子含量前五名： Cl－ >Na＋ > Mg 2＋ > SO 42－ >Ca 2＋ • 業上常提煉：氯化鈉、溴及鎂。圖 2 -11　海水中各離子含量百分比節目錄

海水資源提煉海水苦滷日曬鹵化物提煉溴提煉鎂沉澱圖 2 -12　台南七股鹽田先析出硫酸鈣再析出粗鹽節目錄

提煉氯化鈉粗鹽加入碳酸鈉氯化鎂帶有苦味氯化鈣具有潮解性碳酸鎂碳酸鈣 • 現代製鹽採用自動化電透析法，以供全國使用。氯化鈉圖 2 -13　含氯化鈣之除溼用品電解水溶液氯氣氫氧化鈉 +氫氣節目錄

提煉鎂 • 鎂是海水中含量次多的金屬陽離子，可用化學方法從海水提取金屬鎂。 • 鎂與鋁做成的合金硬度大且質量輕，常用於製造飛機、飛彈及精密儀器等。 • 電解熔融態氯化鎂，可得到金屬鎂。 Mg. Cl 2(l) → Mg(l)+Cl 2(g) 節目錄

提煉氯及溴 • 氯：可由熔融態的食鹽電解而得，或由濃食鹽水電解而得。 2 Na. Cl(l) → 2 Na(l) + Cl 2(g) 2 Na. Cl(aq) ＋2 H 2 O → 2 Na. OH(aq)＋H 2(g)＋Cl 2(g) • 溴：海水為弱鹼性，將苦滷酸化後通入氯氣，即可得紅棕色、有刺激性、揮發性的溴。 Cl 2(g) ＋ 2 Br-(aq) → Br 2(l) ＋2 Cl- (aq) 節目錄

五、水汙染及其防治 • 水汙染種類主要可分為八類：種類主要來源需氧廢料植物營養素有機化合物家庭廢水、人與動物之排泄物清潔劑、肥料農藥、殺蟲劑、溶劑無機化合物懸浮物傳染媒介廢熱含銅、汞、鉛、鎘等金屬化合物空氣汙染、垃圾、塵埃細菌、病毒核電廠、廠之高溫廢水排放放射性物質放射性廢棄物及其落塵節目錄

需氧廢料 • 需氧廢料是指被分解時須消耗氧氣的汙染物。 • 需氧廢料的汙染程度通常以生化需氧量（ BOD）化學需氧量（COD）或來表示。船隻漏油對生態環境造成汙染圖 2 -14　廢水汙染節目錄

生化需氧量(BOD) • 生化需氧量是指細菌在汙水中分解廢料時，所消耗氧氣之總量，生化需氧量愈大，需氧廢料汙染情形愈嚴重。 • 以 ppm(百萬分之一 )表示，1 ppm即為每千克水中所含的需氧廢料全部被微生物分解時，所消耗氧之毫克數。節目錄

化學需氧量(COD) • 廢水中除了需氧廢料外，尚有微生物不能分解的汙物，需以化學方法處理。 • COD的測定，是利用化學藥劑 (例如二鉻酸鉀 )快速氧化汙水中的汙染物，再將所加入的試劑量，換算為所需的氧氣量。 • COD≧BOD 節目錄

植物營養素 • 肥料或清潔劑中所含的硝酸鹽、鉀鹽或磷酸鹽排入河川，使得河中藻類大量繁殖，水中溶氧量降低，影響魚、蝦、貝類的生存，此現象稱為河川「優養化」。圖 2 -16　河川嚴重優養化節目錄

無機化合物 • 廠經常使用中金屬化合物、氰化物或砷化物等有毒物質，若為妥善處理表 2 -3　汙染物對人體的危害，將造成嚴重汙染。無機化合物對人體的危害銅腦部病變、肝硬化、肺癌汞影響中樞神經、腎臟、肝臟、水俣病鉛破壞造血系統、中樞神經、腎臟鎘生長機能衰退、破壞腎臟、甲狀腺、痛痛病砷腸胃障礙、烏腳病氰化物傷害腦部、心臟、甲狀腺腫節目錄

廢熱 • 核電廠及廠使用大量冷水降低儀器設備溫度，排放高溫廢水造成附近河川或海洋中溶氧量降低，流域水溫升高，嚴重影響生物生存。例如墾丁南灣核電廠排放冷卻水，造成附近珊瑚死亡圖 2 -17　珊瑚白化節目錄

水汙染的防治 • 防治：預防汙染物進入水中利用汙水下水道將汙水導入處理廠處理。圖 2 -18　汙水處理廠圖源：臺北市政府務局衛生下水道程處提供節目錄

2 -3　大氣一、大氣層的結構二、大氣的組成三、空氣中的物質及其循環四、大氣汙染章目錄

一、大氣層的結構 • 地球表面上空約一千公里內所覆蓋的氣體稱為大氣。 • 大氣的 99%都集中在地表 30公里範圍。動動腦 1. 如果大氣層不存在，地球將會變得怎樣？ 2. 為什麼在高山上煮東西不容易熟？節目錄

大氣的分層 • 高度下而上分別為：對流層、平流層、中氣層、游離層及外氣層五層。節目錄

二、大氣的組成 • 地表附近的乾燥空氣組成比率因時間、地區的不同而有差異，其中以二氧化碳受環境因素影響最大。大氣的成分與用處大氣成分體積比對生物的用處氮氣（ 2） N 78. 084％維持植物生長氧氣（ 2） O 20. 946％供給呼吸作用、幫助燃燒氬氣（ Ar） 0. 934％可充入燈泡防止鎢絲氧化二氧化碳（CO 2） 0. 033％供給光合作用、造成溫室效應氦氣（ He）可充入氧氣筒以防止潛水夫病臭氧（） O 0. 000055％ 0. 000004％抵擋紫外線輻射節目錄

三、空氣中的物質及其循環 • 空氣中對流層所含的成分，歷經多年均能保持一定比例，是因自然界的循環作用使然。 • 空氣中與生物活動有關的循環主要有氮的循環、氧與二氧化碳的循環及水的循環。節目錄

氮氣的循環雷電氮化物的形成氮 +氧植物氮氧化物水硝酸鹽植物蛋白質動物動物蛋白質分解成為氮氣氮化物微生物氮或氨節目錄

氧氣與二氧化碳循環節目錄

水循環 • 自然界的水大部分以液態形式存在於海洋、河川及湖泊，少部分以固體形式存在冰河，極少量以氣體形式存在空氣中。節目錄

氮氣(N 2) • 物性：無色、無臭、無味，不易溶於水的氣體分子。沸點為－195. 8℃ ，熔點為－ 209. 86 ℃。 • 化性：不活潑、不可燃、不助燃，在空氣中可以緩和氧氣過於活潑的特性。節目錄

氮的製備 • 實驗室法： (1)用亞硝酸鈉和氯化銨的混合物加熱製取。 (2)純氮可純淨的空氣通過灼熱的銅粉 (或銅絲網 )。節目錄

氮氣製備氮氣的製備動畫節目錄

氮的製備 • 業法：將空氣以高壓低溫液化成液態空氣，再利用氮氣的沸點 (－195. 8℃)比氧氣 (－182. 96℃)低，因此氮氣先沸騰，而將空氣中的氮氣與氧氣分離。節目錄

氮的用途 • 緩和氧的氧化作用。 • 純氮可充入燈泡以防止鎢絲氧化，延長其壽命。 • 液態氮可作為冷卻劑。 • 製造 N 2 H 4（聯胺），用於火箭的燃料。 • 製作肥料（尿素）。節目錄

氧氣(O 2) • 物性：無色、無味、無臭、的氣體，液態氧略呈藍色，沸點為- 182. 96 ℃，熔點為-218. 4℃。 • 化性：具助燃性、活潑易與其他物反應，金屬氧化物溶於水，可使水溶液呈鹼性，金屬氧化物溶於水，則使水溶液呈酸性。節目錄

氧氣的製備 • 實驗室法： (1)氯酸鉀（ KCl. O 3）粉末與二氧化錳（ Mn. O 2）混合加熱。 2 KCl. O 3(s) 2 KCl(s) ＋ 3 O 2(g) (2)將雙氧水加入二氧化錳催化即可製取。 2 H 2 O 2(aq) 2 H 2 O(l) ＋O 2(g)↑ 節目錄

氧氣的製備 • 業法： (1)液態空氣分餾：由於氧的沸點高於氮，可先將氮蒸出，剩餘者為氧。 (2)電解水：在陽極可得氧，其純度比由液態空氣所製得者高。節目錄

氧氣的用途 • 可供生物呼吸 • 可幫助燃燒。 • 可製造氫氧吹管及炔氧吹管以產生高溫火焰，用來焊接鐵器、石英玻璃及截斷鋼板。節目錄

二氧化碳(CO 2) • 物性：無色、無味、無臭，比空氣重的氣體，固態時俗稱乾冰，在常壓下會直接昇華成氣體。 • 化性：不可燃、不助燃。各種樣式的乾冰節目錄

二氧化碳的製備 • 實驗室法：碳酸鹽類加酸製造，例如大理石與鹽酸作用即可放出二氧化碳。鹽 Ca. CO 3(s) + 2 HCl(aq) → Ca. Cl 2(aq) + H 2 O(l) + CO 2(g) 酸大理石 • 業法：將碳酸鈣高溫分解而得。 Ca. CO 3(s) Ca. O(s) ＋CO 2(g) 節目錄

二氧化碳的用途 • 可供製造滅火器。 • 可製作清涼飲料，如汽水、啤酒、香檳酒等。 • 乾冰可作冷卻劑及舞台煙幕用。節目錄

惰性氣體 • 包含氦、、、等六種氣氖氬氪氙氡體，化性極不活潑，在正常情況下不與其他物質反應。 • 在生活中常見的為： (1)氦：密度僅次於氫氣，不易燃，可用於填裝飛船或氣球；可用來稀釋潛水用的氧氣，防止潛水夫病。 (2)氖：可填入燈管，製造廣告招牌用的紅色霓虹燈。 (3)氬：可作燈泡中的填充氣體，以防節目錄止

四、大氣汙染 • 大氣汙染主要來源為業汙染、家庭汙染及交通運輸汙染。大氣汙染業汙染碳氧化物硫氧化物氮氧化物有機物 CO、 2 CO SO 2、 3 SO 塵埃 NOX Cx. Hy、 CFCs冷媒節目錄

碳氧化物 • 主要來源：化石燃料燃燒。 • CO：與血紅素作用造成缺氧，使人中毒。 • CO 2：吸收紅外光，減少地表熱能逸散，造成溫室效應。太陽短波紅外線 • 防治：加裝觸媒轉換器 (太陽發射) ，減少使用化石燃料、多種植樹部分逃逸空氣中的 CO 地球表面木。 2 長波紅外線 (地球表面所反射) 節目錄

硫氧化物 • 主要來源：化石燃料燃燒及製硫酸廠。 • SO 2 、 3 ：具 SO 刺激性氣味，對人體有害；溶於水造成酸雨，影響植物生長、侵蝕建築物及廠設備。 • 防治：以石灰或碳酸鈣吸收作用後再排放廢氣。被酸雨腐蝕的雕像節目錄

氮氧化物 • 主要來源：空氣中的氮氣在高溫內燃機與氧氣反應。 • NO：與血紅素作用造成缺氧，使人中毒，破壞臭氧層。 • NOX：對人體呼吸道有害，形成酸雨與隔熱材料 N 外殼光化學煙霧。 CO • 防治：加裝觸媒轉換器。 H O 2 2 2 NOx、CO、碳氫化合物、O 2 鉑銠合金節目錄

有機化合物 • 來源：腐爛生物體及汽機車燃燒不完全所致。 • 影響：易被懸浮微粒吸附形成光化學煙霧。芳香烴類化合物有毒性，容易致癌。 • 防治：加裝觸媒轉換器。節目錄

氟氯碳化物 • 來源：冷媒，擴散至平流層會產生光分解反應，其產物會破壞臭氧層 ( 南極上空已有破洞 )。 • 防治：已禁止使用，目前以其他冷媒取代，例如氫氟碳化物 CH 2 FCF 3 （ HFC— 134 a）。節目錄

塵埃與懸浮微粒 • 自然形成：沙塵暴，主要是含矽的無機物。 • 人為形成：廠及汽機車排放廢氣，含有碳、氮、硫的氧化物及烴類。 • 影響：為光煙霧核心，表面會附著有害物質。 • 防治：靜電或濕式集塵設備。節目錄

空氣汙染指數 • Pollutant Standard Index 縮寫為 PSI，我們譯為空氣汙染指數。空氣汙染指標（ PSI）對健康的影響 0～ 50 良好 • 計算：測量當日空氣中的 PM 10 51～ 100 （ 10微米以下之懸浮微 101～ 199 粒）、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳及臭氧 200～ 299 等汙染物的含量，並換 300以上算成副指標值。狀態圖示普通不良非常不良有害節目錄

空氣汙染產生影響 • 溫室效應 (Green house effect) ： 2 會吸收 CO 紅外線，減少了地表熱能的散逸。 • 酸雨：因硫或氮氧化物溶於雨水中，造成雨水的酸性太大 ( PH< 5. 0 )。 • 臭氧層破壞：NO與氟氯碳化物。 • 光化學煙霧：NO與有機物在空氣中經光化學反應產生新汙染物質，由於節目錄地

空氣汙染的防治 • 控制汙染源： – 廠：靜電除塵設備。 – 汽車：觸媒轉換器。 • 減少使用化石燃料，使用替代能源，發展電動汽機車，搭乘大眾交通具，保護雨林，多種植樹木。 • 建立各種汙染物的測定和分析。節目錄

2 -4 土壤一、土壤主成分與分層二、土壤汙染及防治章目錄

一、土壤主成分與分層 • 土壤是地球表面的岩石經長時間風化等複雜過程而形成的疏鬆表層。 • 土壤形成的過程中會隨著地面上氣候、地質、生物、作用時間等因素的不同而一直改變其成分種類與含量多寡，而一般土壤內含有礦物質、腐植質、微生物、水分、空氣等成分。 45％碎屑、礦物質、黏土、岩石 5％腐植質、微生物 25％空氣 25％水分　圖 2 -26 土壤成分與含量節目錄

土壤的主成分 • 地殼中主要的成分元素依含量大小分別為氧 (O)、矽(Si)、鋁(Al)、鐵(Fe)、鈣 (Ca)等。 • 岩石中含量最多的礦物為矽酸鹽類 (Si. O 44－ )，常見的石英、長石即是其中一種。 =Si =O 節目錄

土壤的分層形成時間土壤顏色風化程度主要內容物中深大有機質聚積較多晚中中早淺小氯化鐵、氧化鋁、黏土等礦物大部分是半風化的岩屑表土心土底層節目錄

土壤汙染與防治 • 商業的發展使得愈來愈多的含毒物質隨著空氣、河水、廢棄物汙染了土壤，滲入地下水中或被植物吸收，進而被動物或人類食用，危害生態環境與人體健康。 • 防止土壤汙染的有效方法是將各種汙染源回收，並集中由專業人員處理。 • 4 R：減量使用 (reduce)、重複使用 (reuse) 、回收再生 (recycle)、再製造 (regenerate)，以減少水、空氣、土壤汙染的機會。節目錄

第 2章 自然界的物質 2 -1 自然界 2 -2 水 2

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