Chemistry of the environment

🌟 環境化學 (C10) 學習筆記 🌟

你好，未來的科學家！歡迎來到第 C10 章。我們將一起探索環繞在我們身邊的世界背後的化學原理——包括我們飲用的水和呼吸的空氣。這一章將基本的化學概念（如燃燒和淨化）直接聯繫到氣候變化和污染等重大全球議題。別擔心這些題目看起來很龐大，我們會把它們拆解成易於理解的小單元！

理解環境化學不僅對你的考試至關重要，還能幫助你成為一名具備相關知識、能夠討論現實世界挑戰的公民！讓我們馬上開始吧！

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C10.1 水 (Water)

水的純度：蒸餾水 vs. 自來水

在化學中，我們經常需要純物質。如果水只含有 \(\text{H}_2\text{O}\) 分子，我們就將其定義為純水。

1. 水的檢驗方法

我們如何知道一種物質是水，還是看起來像水的東西？我們使用涉及無水化合物（化學結構中不含結合水的化合物）的化學檢驗。

• 無水氯化鈷(II)：原本呈藍色。如果加入水，它會變成粉紅色（形成水合氯化鈷(II)）。
  記憶小撇步：Co-BALT（鈷）→ Blue（藍色）。遇水變色。
• 無水硫酸銅(II) (\(\text{CuSO}_4\))：原本呈白色。如果加入水，它會變成藍色（形成水合硫酸銅(II)）。

2. 水的純度檢驗

如果一種物質在標準壓力下具有特定且固定的熔點和沸點，那麼它就是純淨的。

• 純水在 \(0^\circ\text{C}\) 時熔化，在 \(100^\circ\text{C}\) 時沸騰。
• 如果水中含有雜質（如鹽類或礦物離子），其沸點會高於 \(100^\circ\text{C}\)，熔點則會低於 \(0^\circ\text{C}\)。

💡 小筆記：我們在化學實驗中通常使用蒸餾水（非常純的水）而不是自來水，因為自來水中含有溶解的化學雜質，這些雜質可能會干擾實驗結果或污染反應。

3. 生活用水處理

從河流或水塘取得的水，在飲用前必須經過處理。這個過程旨在去除固體、異味和有害微生物（病原體）。

以下是生活用水處理的步驟：

1. 沉澱與過濾：

   此步驟用於去除固體物質（如泥土、沙子和樹葉）。較大的顆粒會在沉澱池中沉降（就像讓泥漿沉到底部一樣），然後水會通過沙子和礫石過濾層，以去除更小的懸浮顆粒。

2. 活性碳處理：

   水會經過活性碳處理。這一步利用碳的多孔性來吸附（附著在表面）那些會產生難聞味道和氣味的化學物質。

3. 氯化消毒：

   向水中加入少量氯氣或氯化合物。氯是一種強氧化劑，用於殺滅微生物（病原體）和細菌，確保飲用水安全。

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C10.2 空氣質素與氣候

1. 清潔乾燥空氣的組成 (Core)

當我們說「空氣」時，我們指的是氣體的混合物。清潔乾燥空氣的組成如下：

• 約 78% 氮氣 (\(\text{N}_2\))
• 約 21% 氧氣 (\(\text{O}_2\))
• 餘下的 1% 是惰性氣體（主要是氬氣）和二氧化碳 (\(\text{CO}_2\)) 的混合物。

你知道嗎？儘管 \(\text{CO}_2\) 在空氣中僅佔極小比例，但它對生命（光合作用）和氣候（溫室效應）卻至關重要！

2. 空氣污染物及其來源 (Core)

污染物是指通常由於人類活動而進入空氣中，並產生有害影響的物質。了解它們的來源非常重要。

污染物第一類：含碳燃料

• 二氧化碳 (\(\text{CO}_2\))：
  來源： 含碳燃料（如煤、石油、天然氣、木材）的完全燃燒（在氧氣充足的情況下燃燒）。
  反應示例： \(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\)
• 一氧化碳 (\(\text{CO}\)) 及顆粒物（煙塵）：
  來源： 含碳燃料的不完全燃燒（在氧氣供應不足的情況下燃燒）。
  反應示例： \(\text{C} + 1/2 \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}\)

污染物第二類：硫和氮的化合物

• 二氧化硫 (\(\text{SO}_2\))：
  來源： 含有硫化合物雜質的化石燃料（如煤和石油）燃燒。硫燃燒的方程式為：\(\text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2\)。
• 氮氧化物 (\(\text{NO}_x\)，例如 \(\text{NO}\) 和 \(\text{NO}_2\))：
  來源： 汽車引擎或工業爐內的高溫導致大氣中的氮氣和氧氣發生反應。

污染物第三類：甲烷

• 甲烷 (\(\text{CH}_4\))：
  來源： 天然氣體，來自植被分解（沼澤/堆填區的厭氧分解）以及動物消化過程（特別是牛等家畜）產生的廢氣。

3. 空氣污染物的負面影響 (Core & Supplement)

這些污染物會對人類健康和環境造成重大損害：

A. 全球暖化與氣候變化（溫室氣體）

\(\text{CO}_2\) 和 \(\text{CH}_4\) 被稱為溫室氣體。這些氣體濃度上升會導致全球暖化加劇，進而引起氣候變化。

溫室效應機制 (Supplement C10.2.6)

溫室效應使地球保持溫暖，適合生命生存。然而，過量會導致全球暖化。

1. 地球吸收太陽能量（主要是可見光）。
2. 地表受熱後，以熱能（紅外輻射）形式將能量重新發射出去。
3. 大氣中的溫室氣體（\(\text{CO}_2\)、\(\text{CH}_4\)）非常擅長吸收並反射這種熱能。
4. 它們透過阻擋這些向外發散的熱能，減少了熱能向太空的散失，就像一條毯子一樣，導致地球平均氣溫上升（全球暖化）。

B. 酸雨 (\(\text{SO}_2\) 和 \(\text{NO}_x\) 的影響)

當二氧化硫 (\(\text{SO}_2\)) 和氮氧化物 (\(\text{NO}_x\)) 溶解在大氣中的水滴中時，它們會發生反應形成硫酸和硝酸，隨雨水降下即為酸雨。

• 影響： 損害樹木和農作物、腐蝕建築物（特別是石灰岩）、導致湖泊酸化（損害水生生物）。

C. 健康與毒性

• 一氧化碳 (\(\text{CO}\))： 一種有毒氣體。它會與紅血球中的血紅素不可逆地結合，阻止其輸送氧氣，導致窒息。它常被稱為「沉默的殺手」，因為它無色無味。
• 顆粒物（煙塵）： 細小的固體顆粒。吸入後會增加呼吸系統問題（如哮喘）和癌症的風險。
• 氮氧化物 (\(\text{NO}_x\)) 和二氧化硫 (\(\text{SO}_2\))： 除了引起酸雨，它們還會引發呼吸系統疾病（如支氣管炎）。

4. 減少污染與應對氣候變化的策略

A. 減輕氣候變化的影響 (Core C10.2.4)

我們需要減少釋放到大氣中的溫室氣體（\(\text{CO}_2\)、\(\text{CH}_4\)）：

• 植樹造林： 樹木透過光合作用吸收 \(\text{CO}_2\)，將碳鎖在生物質中。
• 減少化石燃料的使用： 從煤/石油轉向碳密集度較低的能源。
• 增加氫能與可再生能源的使用： 利用風能、太陽能和水力發電，這些能源不會產生 \(\text{CO}_2\)。
• 減少畜牧養殖： 由於家畜（牛）產生大量甲烷（\(\text{CH}_4\)），減少養殖可降低甲烷排放。

B. 減少酸雨的影響 (Supplement C10.2.5)

酸雨主要由 \(\text{SO}_2\) 引起。為減少其影響：

• 使用低硫燃料： 選擇硫雜質含量極少的石油或煤炭。
• 煙氣脫硫： 這是一種在 \(\text{SO}_2\) 離開發電廠煙囪*之前*將其去除的化學方法。

  酸性的二氧化硫氣體會通過含有氧化鈣 (\(\text{CaO}\) - 一種鹼) 或碳酸鈣的漿料。鹼會中和酸性氣體：

  $$\text{CaO} (s) + \text{SO}_2 (g) \rightarrow \text{CaSO}_3 (s)$$

C. 控制汽車污染物 (Supplement C10.2.7)

氮氧化物 (\(\text{NO}_x\)) 在汽車引擎中形成，因為高溫工作環境使空氣中的氮氣和氧氣發生反應：

$$\text{N}_2 (g) + \text{O}_2 (g) \xrightarrow{\text{高溫}} 2\text{NO} (g)$$

為了去除 \(\text{NO}\) 和 \(\text{CO}\)，現代汽車配備了催化轉換器。該裝置利用催化劑（如鉑）將有害污染物轉化為危害較小的產物。

催化轉換器中的關鍵反應如下：

$$2\text{CO} (g) + 2\text{NO} (g) \rightarrow 2\text{CO}_2 (g) + \text{N}_2 (g)$$

（留意 \(\text{CO}\) 被轉化為 \(\text{CO}_2\)，而有毒的 \(\text{NO}\) 被轉化回無害的 \(\text{N}_2\) 氣體。）