大氣氣體
歡迎學習大氣氣體。在這一章中，我們將探討乾燥潔淨空氣的成分、用實驗測定空氣中氧氣體積分數的方法、元素在氧氣中的燃燒反應，以及二氧化碳的形成與其對環境的影響。
本章學習重點：
- 指出乾燥空氣中含量最多的四種氣體的大致體積分數。
- 描述如何利用金屬（銅、鐵）和非金屬（磷）測定空氣中氧氣的體積分數。
- 描述鎂、氫和硫在氧氣中的燃燒反應，包括所生成氧化物的酸鹼特性。
- 描述金屬碳酸鹽（如碳酸銅(II)）經熱分解生成二氧化碳的過程。
- 解釋二氧化碳作為溫室氣體的作用，以及其含量增加如何可能導致氣候變化。
1. 乾燥空氣的成分
潔淨的乾燥空氣是多種不同氣體的混合物。你必須記住含量最多的四種氣體的大致體積分數：
- 氮氣 (\(\text{N}_{2}\))：約 78%
- 氧氣 (\(\text{O}_{2}\))：約 21%
- 氬氣 (\(\text{Ar}\))：約 0.9%
- 二氧化碳 (\(\text{CO}_{2}\))：約 0.04%
備註： 空氣中還含有不同量的水蒸氣，具體含量取決於濕度和溫度。
2. 測定空氣中氧氣的百分比
透過將已知體積的空氣與過量的金屬或非金屬反應，可以除去其中的氧氣。體積的減少量即代表原本存在的氧氣體積。
方法甲：使用金屬銅
- 將一份空氣樣本（例如 \(100\text{ cm}^3\)）在兩個氣體注射器之間反覆來回推動，通過置於石英管中加熱的銅屑。
- 銅與氧氣反應生成黑色的固體氧化銅(II)：
\[2\text{Cu(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{CuO(s)}\]
- 在讀取最終體積讀數前，必須讓裝置冷卻至室溫（因為氣體受熱會膨脹）。
- 氣體體積會減少約 \(21\%\)（例如由 \(100\text{ cm}^3\) 減至 \(79\text{ cm}^3\)）。
方法乙：利用鐵生銹
- 將濕鐵絲絨放置於倒置在盛水燒杯中的量筒或試管底部。
- 經過幾天，鐵與氧氣和水反應生成水合氧化鐵(III)（鐵銹）：
\[4\text{Fe(s)} + 3\text{O}_2\text{(g)} + x\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow 2\text{Fe}_2\text{O}_3\cdot x\text{H}_2\text{O(s)}\]
- 隨著氧氣被消耗，水面會上升以填補其空間。
方法丙：使用磷（非金屬）
- 將一小塊磷放在浮於水面的蒸發皿上，上方倒扣一個鐘罩。
- 點燃磷，它會與氧氣反應生成固體五氧化二磷（氧化磷），並溶解於水中：
\[4\text{P(s)} + 5\text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{P}_2\text{O}_5\text{(s)}\]
- 水面在鐘罩內上升約初始空氣體積的 \(\frac{1}{5}\)（\(21\%\)）。
計算氧氣的百分比
\[\text{O}_2 \text{ 的百分比} = \frac{\text{空氣初始體積} - \text{空氣最終體積}}{\text{空氣初始體積}} \times 100\]
3. 元素在氧氣中的燃燒
燃燒是一種物質在氧氣中燃燒的放熱反應。元素與氧氣反應形成氧化物，氧化物可分為鹼性氧化物或酸性氧化物。
A. 鎂的燃燒
- 觀察結果： 鎂燃燒時發出耀眼奪目的白光火焰，生成白色粉末（氧化鎂，\(\text{MgO}\)）。
- 化學方程式：
\[2\text{Mg(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{MgO(s)}\]
- 酸鹼特性： 氧化鎂是一種鹼性氧化物。它微溶於水並產生鹼性溶液（氫氧化鎂，\(\text{pH} \approx 9\text{--}10\)）：
\[\text{MgO(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2\text{(aq)}\]
B. 氫的燃燒
- 觀察結果： 氫氣燃燒時帶有幾乎看不見的淡藍色火焰，產生水蒸氣。「爆鳴測試」（squeaky pop test）可確認氫氣的存在。
- 化學方程式：
\[2\text{H}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O(l)}\]
- 酸鹼特性： 水是一種中性氧化物（\(\text{pH} = 7\)）。
C. 硫的燃燒
- 觀察結果： 硫燃燒時帶有藍色火焰，生成一種無色、具刺激性且令人窒息的氣體（二氧化硫，\(\text{SO}_2\)）。
- 化學方程式：
\[\text{S(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow \text{SO}_2\text{(g)}\]
- 酸鹼特性： 二氧化硫是一種酸性氧化物。它溶於水形成亞硫酸（\(\text{H}_2\text{SO}_3\)），使藍色石蕊試紙變紅（\(\text{pH} \approx 2\text{--}3\)）：
\[\text{SO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_3\text{(aq)}\]
4. 熱分解產生二氧化碳
熱分解是指利用熱能將化合物分解為較簡單物質的過程。
金屬碳酸鹽的分解
許多金屬碳酸鹽受熱時會分解，產生金屬氧化物和二氧化碳氣體：
\[\text{金屬碳酸鹽} \xrightarrow{\text{受熱}} \text{金屬氧化物} + \text{二氧化碳}\]
例子：碳酸銅(II)
- 觀察結果： 綠色的碳酸銅(II)粉末受熱分解，生成黑色粉末（氧化銅(II)）和無色氣體（\(\text{CO}_2\)）。
- 化學方程式：
\[\text{CuCO}_3\text{(s)} \xrightarrow{\Delta} \text{CuO(s)} + \text{CO}_2\text{(g)}\]
- 檢驗二氧化碳： 將氣體通入石灰水（氫氧化鈣水溶液，\(\text{Ca(OH)}_2\)）中。由於生成了碳酸鈣白色沉澱，石灰水會變為乳白色/混濁：
\[\text{Ca(OH)}_2\text{(aq)} + \text{CO}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CaCO}_3\text{(s)} + \text{H}_2\text{O(l)}\]
5. 二氧化碳與氣候變化
溫室效應
- 太陽發出短波長輻射（如可見光和紫外線），這些輻射穿透大氣層並加熱地球表面。
- 地球表面隨後以發射長波長紅外線輻射的方式冷卻。
- 大氣中的溫室氣體，包括二氧化碳 (\(\text{CO}_{2}\))，會吸收並將部分紅外線輻射重新射回地球，使地球維持比原本更高的溫度。
人類活動與氣候變化
- 人類活動，尤其是燃燒化石燃料（煤、石油、天然氣）和砍伐森林，顯著增加了大氣中 \(\text{CO}_2\) 的濃度。
- 這種增強型溫室效應鎖住了額外的熱能，可能導致全球暖化和氣候變化（導致海平面上升、極端天氣事件以及棲息地喪失）。
核心知識總結
- 乾燥空氣成分： \(78\%\ \text{N}_2\)、\(21\%\ \text{O}_2\)、\(0.9\%\ \text{Ar}\)、\(0.04\%\ \text{CO}_2\)。
- 測定 \(\%\ \text{O}_2\)： 透過讓空氣與銅、鐵或磷反應，並觀察體積減少量來測定。
- 在 \(\text{O}_2\) 中燃燒： 鎂生成鹼性的 \(\text{MgO}\)（白光火焰/白色粉末）；氫生成中性的 \(\text{H}_2\text{O}\)；硫生成酸性的 \(\text{SO}_2\)（藍色火焰）。
- \(\text{CuCO}_3\) 的熱分解： 綠色的 \(\text{CuCO}_3\) 轉化為黑色的 \(\text{CuO}\) 和 \(\text{CO}_2\) 氣體。
- \(\text{CO}_2\) 與氣候： 來自化石燃料日益增加的 \(\text{CO}_2\) 會加劇溫室效應，導致氣候變化。