Using materials (chemistry only)

歡迎來到「物料的使用」！

在本章中，我們將探討為何我們會針對特定的用途選擇特定的物料。無論是戒指中的黃金、實驗室燒杯中的玻璃，還是用於促進農作物生長的肥料，化學都是它們背後的秘訣。本節內容專為化學科學生設計，這是一個深入了解我們如何利用地球資源來構建現代世界的好機會。

如果當中有一些術語對你來說很陌生，不用擔心——我們會透過日常生活中常見的例子，一步步為你拆解！

1. 腐蝕及其防護

腐蝕 (Corrosion) 是指材料因與環境中的物質發生化學反應而受到損壞。最著名的例子就是生鏽 (rusting)。

什麼是生鏽？

生鏽只會發生在鐵（以及鐵的合金，例如鋼）上。鐵要生鏽，必須同時存在兩樣東西：空氣（氧氣）和水。如果缺少其中任何一個，鐵就不會生鏽！

方程式： \( \text{鐵} + \text{氧氣} + \text{水} \rightarrow \text{水合氧化鐵(III)} \)

我們如何防止生鏽？

我們可以使用「屏障」來阻隔空氣和水，從而防止腐蝕。想像一下，這就像穿上一件雨衣！常見的方法包括：
• 塗抹潤滑脂或油（用於自行車鏈條等活動部件）。
• 塗漆（用於橋樑等大型建築）。
• 電鍍（在金屬表面覆蓋一層薄薄的其他金屬）。
• 鋁的秘密武器：與鐵不同，鋁在腐蝕時不會剝落。它會形成一層非常薄的氧化鋁，緊緊附著在表面，成為防止進一步腐蝕的天然屏障。

犧牲保護法與鍍鋅

有時我們會利用一種活潑性較高的金屬來保護活潑性較低的金屬，這稱為犧牲保護法 (sacrificial protection)。例如，鋅的活潑性比鐵高。如果我們在鐵上鍍上一層鋅，鋅會代替鐵與氧氣和水反應。這種在鐵上鍍鋅的特定工藝稱為鍍鋅 (galvanising)。

快速溫習：鐵生鏽同時需要空氣和水。鋁透過氧化膜保護自己。鋅則透過「自我犧牲」來保護鐵。

重點總結：防止腐蝕的關鍵在於使用屏障或更活潑的金屬，將氧氣和水隔絕在金屬表面之外。

2. 合金作為實用的材料

純金屬通常太軟，不適合日常使用，因為它們的原子排列整齊，層與層之間很容易滑動。合金 (Alloys) 是金屬與其他元素混合而成的混合物。這些不同大小的原子會擾亂原本整齊的層狀結構，使層與層之間難以滑動。這使得合金比純金屬更堅硬。

你需要認識的常見合金：

• 青銅 (Bronze)：銅和錫的混合物。用於製作獎牌和雕像。
• 黃銅 (Brass)：銅和鋅的混合物。用於製作門鎖配件和樂器。
• 金飾：純金（24K）太軟。通常會與銀、銅和鋅混合成合金，使其更耐用。
你知道嗎？ 24K 是 100% 純金，而 18K 是 75% 的金（\( \frac{18}{24} \times 100 \)）。
• 鋼 (Steels)：含有特定比例碳和其他金屬的鐵合金。
     - 高碳鋼：堅硬但脆（容易斷裂）。
     - 低碳鋼：較軟，易於塑形。
     - 不鏽鋼：含有鉻和鎳。它堅硬且耐腐蝕（不會生鏽！）。
• 鋁合金：密度低，是製造飛機的理想材料。

重點總結：合金比純金屬更硬，因為不同大小的原子阻止了金屬層之間的滑動。

3. 陶瓷、聚合物與複合材料

陶瓷

• 玻璃：我們常用的是鈉鈣玻璃 (soda-lime glass)。它是將沙、碳酸鈉和石灰石的混合物加熱製成的。硼矽玻璃 (Borosilicate glass)（常稱為 Pyrex）則由沙和三氧化二硼製成。它的熔點比鈉鈣玻璃高，這就是為什麼我們用它來製作焗爐器皿和實驗室燒瓶。
• 黏土陶瓷：陶器和磚塊等物品，是通過塑造濕黏土並在爐中加熱硬化而成的。

聚合物

聚合物的特性取決於製作它的單體 (monomers) 以及所使用的條件（如溫度和壓力）。例如，乙烯可以生產：
• 低密度 (LD) 聚乙烯：柔軟，用於購物袋。
• 高密度 (HD) 聚乙烯：較堅硬，用於水管。

熱塑性與熱固性聚合物

• 熱塑性聚合物 (Thermosoftening polymers)：加熱時會熔化並可重新塑形。它們就像朱古力。它們的聚合物鏈之間沒有相互連接。
• 熱固性聚合物 (Thermosetting polymers)：加熱時不會熔化。它們就像熟雞蛋——一旦「定型」，就會保持原狀。這是因為它們的聚合物鏈之間有交聯 (cross-links)（強共價鍵）。

複合材料

複合材料 (Composite) 由兩種材料組成：一種是基質 (matrix)（粘合劑），用來包裹和粘合另一種稱為增強材料 (reinforcement) 的纖維或碎片。例子包括玻璃纖維、碳纖維和混凝土。

重點總結：硼矽玻璃比鈉鈣玻璃更能耐熱。熱固性聚合物具有防止其熔化的交聯結構。

4. 哈柏法 (僅限化學科)

哈柏法 (Haber Process) 是一種大規模的工業反應，用於製造氨 (\( NH_3 \))。氨隨後被用於製造氮肥，以生產足夠的食物供應全球。

原料

1. 氮：可輕易從空氣中取得。
2. 氫：通常從天然氣（甲烷）中取得。

過程

純化後的氣體在鐵催化劑、高溫（約 450°C）和高壓（約 200 個大氣壓）下進行反應。該反應是可逆的：

\( \text{氮} + \text{氫} \rightleftharpoons \text{氨} \)

由於反應是可逆的，部分氨會重新分解為氮和氫。為了提高效率：
• 將混合物冷卻使氨液化，以便從中分離出來。
• 剩餘的氮和氫會被循環回反應器，確保物盡其用！

(僅限高級課程) 權衡取捨

所使用的條件（450°C 和 200 大氣壓）是一種折衷方案。
• 溫度：正向反應是放熱反應。較低的溫度雖能提供更高的產率（更多的氨），但反應速度會太慢。使用 450°C 是為了能快速獲得足夠的氨產量。
• 壓力：較高的壓力雖能增加產率和速率，但建造高壓管道既昂貴又危險。200 大氣壓是一個安全且具經濟效益的中間值。

重點總結：哈柏法利用空氣中的氮和天然氣中的氫，並配合鐵催化劑來生產氨。

5. NPK 肥料 (僅限化學科)

植物生長需要三種主要元素：氮 (N)、磷 (P) 和鉀 (K)。NPK 肥料就是含有這三種元素鹽類的配方。

成分來源

• 鉀：氯化鉀和硫酸鉀透過採礦獲得，可直接用作肥料。
• 氮：氨用於生產銨鹽（如硝酸銨）和硝酸。
• 磷：磷礦石透過採礦獲得，但因其不溶於水，不能直接使用。必須經過酸處理才能產生可溶性鹽：

1. 以硝酸處理 \( \rightarrow \) 產生磷酸和硝酸鈣。
2. 以硫酸處理 \( \rightarrow \) 產生單過磷酸鈣（磷酸鈣與硫酸鈣的混合物）。
3. 以磷酸處理 \( \rightarrow \) 產生三重過磷酸鈣（磷酸鈣）。

工業與實驗室生產

在實驗室中，我們透過小規模的滴定和結晶來製造肥料，速度慢且產量小。而在工業中，生產過程是連續進行的，使用巨大的反應桶，並利用反應釋放的熱量來蒸發水分，使過程更有效率。

重點總結：NPK 肥料提供必要的營養。磷礦石必須經酸處理轉化為可溶性物質，植物才能吸收。

最後快速檢查！

• 你能列出鐵生鏽所需的兩樣東西嗎？（空氣和水）
• 為什麼合金比純金屬更硬？（結構被擾亂的層無法滑動）
• 哈柏法使用什麼催化劑？（鐵）
• N、P、K 分別代表什麼？（氮、磷、鉀）

做得好！你已經掌握了我們如何利用化學來創造和改良周邊材料的精髓。