海洋和海水：每一滴都藏着寶藏！
香港四面環海，但海水裏究竟有甚麼？在這一課，你會學習海水中溶解了甚麼、怎樣從海水中提取食鹽和純水、怎樣測試水和氯化鈉、怎樣選擇合適的分離方法，以及電怎樣把水分解。一起潛進去看看吧！
1. 海水是混合物
海水是一種混合物：主要是水，裏面溶解了很多礦物。平均來說，每 1 kg 海水含約 35 g 溶解了的鹽類，即按質量計約 3.5%。
海水中有哪些礦物？
氯化鈉（\(\text{NaCl}\)）– 含量最多，約佔所有溶解鹽類的四分之三。它就是食鹽。
鎂化合物 – 例如氯化鎂和硫酸鎂。它們令海水帶點苦味。
鈣和鉀的化合物 – 例如硫酸鈣、碳酸鈣和氯化鉀。貝類和珊瑚會利用溶解了的鈣來建造外殼和骨骼。
這些礦物從哪裏來？
雨水慢慢溶解岩石和泥土中的礦物，河流再把它們帶到海裏。太陽加熱海面時，水會蒸發，但鹽類會留下來。經過數以百萬年，鹽類便不斷累積起來。
來自海洋的有用礦物
食鹽可用於烹調、醃製食物（例如鹹魚）和製造其他化學品。海水中的鎂化合物可用來製造鎂；鎂是一種很輕的金屬，可製成合金，用於單車和手提電腦。海床上還有沙、礫石和含豐富金屬的團塊，稱為結核。
你知道嗎？香港大部分住宅都用海水沖廁，每天因此節省大量淡水。
重點總結：海水是由水和溶解了的礦物組成的混合物，主要是氯化鈉，還有鎂、鈣和鉀的化合物。
2. 從海水中提取食鹽和純水
我們可以用物理方法分離海水：過程中沒有新物質生成。首先要問：我們想要的是鹽（固體）還是水（液體）？
蒸發：快速取得固體
把海水放在蒸發皿中加熱，水變成蒸汽逸走，留下溶解了的固體。加熱至所有水都蒸發掉，稱為蒸發至乾。這方法很快，但水會流失，而且所有溶解了的物質都留在一起，所以得到的鹽並不純淨。熱的固體亦可能濺出，所以要戴上護目鏡。
結晶：取得較純的晶體
先加熱溶液，煮走部分水分，直至溶液飽和（不能再溶解更多固體）。然後把溶液靜置。溶液冷卻，加上水分慢慢蒸發，便會形成晶體。把晶體濾出，用少量冷的蒸餾水沖洗，再用濾紙吸乾。
晶體在水分完全蒸發之前已經形成，所以很多其他溶解了的物質會留在剩餘的液體中。因此，結晶得到的鹽比蒸發至乾得到的更純淨；而慢慢結晶更可得到較大、形狀規則的晶體。
鹽田：由太陽推動的結晶
在鹽田（海邊的淺池）中，陽光和風令海水慢慢蒸發。工人在池水完全乾掉之前把鹽的晶體耙起，讓很多不需要的物質留在帶苦味的剩餘液體中。太陽能是免費的，但這方法需要大量土地和晴朗乾燥的天氣。西貢的鹽田梓，名字裏就有「鹽田」二字，昔日是一條曬鹽的村落。
蒸餾：取得純水
把海水放在燒瓶中煮沸，蒸汽進入冷凝管，管外流動的冷水令蒸汽凝結回液體。收集到的純水稱為餾出物，鹽類則留在燒瓶中。
記憶小貼士：蒸餾 = 蒸發 + 凝結。煮沸、冷卻、收集！蒸餾得到的水非常純淨，但需要消耗大量能量。
海水化淡：為城市提供淡水
海水化淡是指除去海水中的鹽類，製成淡水。很多化淡廠採用逆滲透技術：以高壓把海水推過非常幼細的薄膜，薄膜讓水通過，但把鹽類截留。香港的將軍澳海水化淡廠就是採用逆滲透技術。它的供水不受降雨量影響，但需要消耗大量電力。
重點總結：要取得鹽，可用蒸發（快速）或結晶（較純淨）；要取得純水，可用蒸餾或其他海水化淡方法。
3. 化學測試：是水嗎？是鹽嗎？
很多液體看起來都像水。化學測試會產生清楚可見的變化，顯示樣本中含有甚麼物質。
測試水
無水硫酸銅(II) – 把幾滴液體加到白色粉末上。如果有水存在，粉末會變成藍色。（「無水」即「不含水」的意思。）
乾燥的氯化鈷(II)試紙 – 用乾燥、藍色的氯化鈷(II)試紙接觸液體。如果有水存在，試紙會變成粉紅色。試紙在使用前必須是乾燥的。
記憶小貼士：銅由白變藍；鈷由藍變粉紅。
含有水不等於是純水！
這些測試只能顯示液體中含有水。海水和橙汁同樣能通過測試。要檢驗水是否純淨，便要量度它的沸點和凝固點：在正常大氣壓下，純水在 100 °C 沸騰，在 0 °C 凝固。海水的沸點高於 100 °C，凝固點則低於 0 °C。
測試鈉：焰色測試
把乾淨的鎳鉻線圈浸入樣本，然後放進本生燈的非光焰（藍色火焰）中。含鈉的樣本會產生明亮的金黃色火焰。要徹底清潔鎳鉻線，因為即使只有微量的鈉也會顯現出來。其他金屬會產生其他焰色 – 詳見《岩石和礦物》。
測試氯化物：酸化硝酸銀溶液
在少量樣本溶液中，先加入數滴稀硝酸，再加入硝酸銀溶液。如果出現白色沉澱物（溶液中生成的固體），即氯化銀，便表示有氯化物存在。先加酸是為了防止碳酸鹽等物質造成錯誤的結果。硝酸銀會弄污皮膚，所以要戴上手套和護目鏡。
綜合運用各項測試
例子：一個瓶裝着蒸餾水，另一個瓶裝着海水。
步驟 1 – 兩者都能令無水硫酸銅(II)變藍：兩者都含有水，所以這個測試不能把它們區分出來。
步驟 2 – 只有海水產生金黃色火焰（鈉）。
步驟 3 – 只有海水與酸化硝酸銀溶液產生白色沉澱物（氯化物）。
結論 – 該樣本含有氯化鈉，所以是海水。
重點總結：水：硫酸銅(II)由白變藍，氯化鈷(II)試紙由藍變粉紅。鈉：金黃色火焰。氯化物：與酸化硝酸銀溶液產生白色沉澱物。
4. 選擇合適的分離方法
你要評鑑哪種方法適合某個情況，並說明理由。記住：過濾能把不溶的固體（殘渣）和液體（濾液）分開。
問自己三個問題
1. 物質是否已溶解？未溶解的東西（沙、海藻、塑膠碎）可以過濾除去，溶解了的鹽卻不可以。
2. 我想要固體還是液體？要固體：用蒸發或結晶。要液體：用蒸餾。
3. 要多純淨、多快、多便宜？結晶較純淨但較慢；蒸餾需要較多能量。
用哪種方法？試試這些情境
A. 除去海灘水樣本中的沙和塑膠碎：用過濾，因為它們不溶於水。
B. 在船上從海水取得飲用水：用蒸餾，因為我們想要的是水，而不是鹽。
C. 找出 100 g 海水中溶解鹽類的總質量：用蒸發至乾，因為我們需要全部固體，而且不要求純度。
D. 取得純淨、形狀規則的鹽晶體：用結晶。
E. 從混濁的海水中取得乾淨的鹽：先用過濾除去泥沙，再把濾液結晶。現實中的問題往往需要用上兩種方法！
常見錯誤：「把海水過濾便可以飲用。」錯！鹽已溶解在水中，會和水一起穿過濾紙。過濾後的海水仍然是鹹的。
重點總結：先問：物質已溶解嗎？想要固體還是液體？要多純淨、多快、多便宜？然後說明你的理由。
5. 水的電解
以上的方法都是物理方法。電解則不同：它利用電把化合物分解成較簡單的物質。水會分解成氫氣和氧氣，所以這是化學變化。
文字方程式：\(\text{水} \xrightarrow{\text{電}} \text{氫} + \text{氧}\)
化學方程式：\(2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{H}_2 + \text{O}_2\)
純水的導電能力很弱，所以要加入少量電解質，例如硫酸鈉或稀硫酸。我們不會使用氯化鈉，因為它可能產生有毒的氯氣。
微型實驗裝置
1. 把硫酸鈉溶液倒進一個小培養皿。
2. 把兩支小管注滿同一溶液，倒轉放在兩支碳電極（例如鉛筆芯）上，管內不可留有空氣。
3. 把電極連接到一個 9 V 電池。
4. 觀察氣泡在管內聚集，並比較兩種氣體的體積。
為甚麼用微型實驗？只需幾毫升化學品，所以更便宜、更安全，而且產生較少廢物。
結果：氫氣是氧氣的兩倍
負極：氫氣。正極：氧氣。氫氣的體積約為氧氣的兩倍，\(\text{氫} : \text{氧} \approx 2 : 1\)，與水的化學式 \(\text{H}_2\text{O}\) 相符。實際結果可能略高於 2 : 1，因為氧氣在水中的溶解度比氫氣稍高。
記憶小貼士：「正氧負氫」– 正極產生氧氣，負極產生氫氣。
測試氣體
把燃着的木條放在管口，氫氣會燃燒並發出「噗」的一聲。氧氣能令餘燼木條復燃。更多氣體測試的內容，請參閱《碳循環和從空氣中提取的氣體》。
氫氣是一種潔淨燃料：燃燒後只會產生水。
常見錯誤：以為氧氣在負極產生，或以為氧氣的體積是氫氣的兩倍。其實是氫氣在負極產生，而且體積是氧氣的兩倍。
重點總結：電解把水分解成氫氣（負極）和氧氣（正極），兩者的體積比約為 2 : 1。
重點回顧
1. 海水：含約 3.5% 溶解了的鹽類，主要是氯化鈉，還有鎂、鈣和鉀的化合物。
2. 蒸發較快；結晶（例如鹽田）得到的鹽較純淨。
3. 蒸餾（蒸發 + 凝結）和逆滲透都能從海水製造淡水。
4. 水：硫酸銅(II)由白變藍；氯化鈷(II)試紙由藍變粉紅。這只表示含有水，不一定是純水！
5. 鈉：金黃色火焰。氯化物：與酸化硝酸銀溶液產生白色沉澱物。
6. 過濾只能除去不溶的固體。選擇分離方法時，一定要說明理由。
7. 水的電解：負極產生氫氣，正極產生氧氣，體積比約為 2 : 1。
海洋小科學家，做得好！