第二章自然界的物质.ppt

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1、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 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)

2、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

3、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,100,374,0,1.0,218,三相點 0.01 610-3 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,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Ca

4、2+、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,硬水軟化法,硬水 軟化,目的,去除水中Ca2+、Mg2+,方法及適用種類,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) + Na2C

5、O3 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) (MCa、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,表 2-1 海

6、水中主要的物質含量,海水中重要物質的提煉 (1),海水中重要物質的提煉 (2),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 淡化,目的,去除海水中鹽類，取得淡水,方法/原理/裝置/特色 (1),海水淡化法 (2),方法/原理/裝置/特色 (2),離子交換

7、法：以食鹽水為例,H+,RH,ROH,食鹽水 (Na+Cl),OH,OH,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？,2-1C 污染及其防治,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 (1)：熱污染,來源： 發電

8、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 CODBOD 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

9、： 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 污染,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,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

10、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

11、及特色,大氣的組成、溫度及特色 (1),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,大氣循環(1)：氮循環,氮氣(N2),氮化合物,固定,脫氮,大氣循環(2)/(3)：氧循環/水循環,氧循環,水循環,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

12、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 (16271691),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

13、,科學家小傳-給呂薩克 (17781850 ),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 (17461823 ),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 (17761856 ),2-2B 大氣污染

14、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),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0.30.6，南北極冰山融化，海平面上升1015 公分，許多低窪地區沒入海中，影響

15、整個生態及全球氣候甚巨,溫室效應(3)：溫室氣體的GWP值,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),大氣污染種類 (3),大氣污染的防治,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,