地球:海洋

基礎

海水約含 3.5% 溶解鹽類,以食鹽為主;蒸發結晶可提取食鹽,簡單蒸餾可分離純水;焰色試驗、氯化物的試驗和水的試驗可鑑定樣本的成分。

適合:中四化學 · 單元:地球 · 建議學習路徑第 2/6 課

學完呢課,你會識:
  • 海水約 3.5% 是溶解鹽類(以氯化鈉為主),其餘約 96.5% 是水
  • 溶液由溶劑和溶質組成;不能再溶解更多溶質時為飽和溶液
  • 取鹽用蒸發結晶(低成本),取純水用蒸餾(水汽經冷凝器收集)
文體:科學知識說明文有聲朗讀

文體小知識:科學知識說明文——講解海水的成分、蒸發結晶與蒸餾兩種物理分離法的取捨,以及鑑定鈉、氯化物和水的試驗。

化學Chemistry
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§課文原文 Passage

1海洋覆蓋地球約七成表面,是最龐大的化學資源庫。海水約含 3.5% 的溶解鹽類,以氯化鈉(食鹽)為主,也有鎂、鈣和鉀的鹽;其餘約 96.5% 是水。鹽溶解在水中形成溶液:水是溶劑,鹽是溶質,當溶液不能再溶解更多鹽時,便成為飽和溶液。

2從海水提取食鹽用蒸發結晶法:把海水引入淺淺的鹽田,利用陽光和風把水分慢慢蒸發,溶液愈來愈濃,達到飽和後,食鹽便結晶析出。實驗室則用蒸發皿把海水緩慢加熱,讓水分散去、鹽結晶。這方法成本低廉,適合大量生產,但所得的鹽可能混有沙泥等雜質。

3若要從海水取得純水,便要用蒸餾法:把海水煮沸,水變成水汽逸出,經冷凝器冷卻變回液態水收集,鹽則留在原瓶。蒸餾所得的水幾乎不含雜質,是物理分離法中取得純水的主要方法。香港除從廣東省輸入食水外,也以海水化淡開闢水源,原理正是蒸餾或反滲透。

4化學上用多種試驗鑑定海水的成分:焰色試驗中鈉產生金黃色火焰,證明樣本含鈉;加入硝酸銀溶液出現白色沉澱,證明含氯化物;無水硫酸銅(II) 由白色變藍色,則證明樣本含水。電解鹽水更可得氯氣等生成物,用於製造漂白水和消毒劑,可見海洋資源與生活息息相關。

1重點摘要 Summary

海水約含 3.5% 溶解鹽類,以食鹽為主;蒸發結晶可提取食鹽,簡單蒸餾可分離純水;焰色試驗、氯化物的試驗和水的試驗可鑑定樣本的成分。

2生字卡 Vocabulary

s
solute溶質

溶解在溶劑中的物質,如海水中的食鹽。

s
solvent溶劑

能溶解其他物質的液體,如水。

s
saturated solution飽和溶液

在該溫度下不能再溶解更多溶質的溶液。

e
evaporation蒸發

液體表面慢慢變成氣體的過程;加熱可加快,用於從海水提取食鹽。

c
crystallisation結晶

溶質從飽和溶液中形成晶體析出的過程。

d
distillation蒸餾

把液體煮沸,蒸氣經冷凝收集,以取得純液體的分離法。

c
condenser冷凝器

把熱蒸氣冷卻變回液體的儀器,冷水由下端流入、上端流出。

f
flame test焰色試驗

觀察樣本在火焰中的顏色以鑑定金屬元素;鈉呈金黃色,鈣呈磚紅色。

t
test for chloride氯化物的試驗

加入硝酸銀溶液,出現白色沉澱即證明樣本含氯化物。

a
anhydrous copper(II) sulfate無水硫酸銅(II)

白色粉末,遇水變藍色,用於檢驗水的存在。

3逐步講解 Steps

  1. 第一步:海水的成分與溶液詞彙海水約含 3.5% 溶解鹽類,其中以氯化鈉為主,另有鎂鹽、鈣鹽和鉀鹽;其餘約 96.5% 是水。鹽溶解在水中:水是溶劑,鹽是溶質,兩者組成溶液。舉個例子:把一湯匙食鹽攪進一杯清水,鹽粒消失而水變鹹,這杯鹽水便是溶液;若繼續加鹽至杯底留有不能溶解的鹽粒,所得的便是該溫度下的飽和溶液。
  2. 第二步:為什麼可用物理分離法鹽與水只是混在一起,並沒有化合成新物質,所以可以用蒸發、蒸餾、結晶和過濾等物理分離法把它們分開,過程中沒有新物質生成。舉個例子:海水曬乾後留下的鹽仍是氯化鈉,性質與食鹽相同,可見分離並不改變物質本身。選用哪種方法的關鍵,在於你想取得的是溶質(鹽)還是溶劑(純水),這正是 DSE 資料題最常問的取捨。
  3. 第三步:蒸發結晶提取食鹽要取得食鹽,用蒸發結晶法:把海水放在淺鹽田或蒸發皿中,讓水分慢慢蒸發,溶液愈來愈濃,到達飽和後繼續蒸發,鹽便以晶體形式析出。舉個例子:沿海地區的鹽場,正是引入海水到淺池,靠陽光和風吹蒸發水分,再收集池底的白鹽,成本低廉,適合大量生產;但鹽中可能混有沙泥和微量雜質,純度不及實驗室重結晶的產品。
  4. 第四步:蒸餾分離純水要取得純水,用簡單蒸餾法:把海水在蒸餾瓶中煮沸,水變成水汽上升,進入冷凝器被冷卻,重新變成液態水滴進收集瓶;鹽的沸點極高,不會汽化,全部留在原瓶。舉個例子:實驗室蒸餾時,冷水從冷凝器下端流入、上端流出,令蒸氣充分冷卻,收集得的蒸餾水幾乎不含任何雜質,適合配藥和精密實驗,這也是海水化淡的基本原理。
  5. 第五步:評鑑兩種方法的取捨蒸發結晶便宜、省能源,適合大量取鹽,但產品是鹽而非純水,且可能帶雜質;蒸餾能取得幾乎純淨的水,卻要消耗大量熱能,成本較高。舉個例子:鹽場選蒸發結晶,因為陽光和風免費;缺水地區的海水化淡廠則選蒸餾或反滲透,因為目標是純水。答題時要按想要的產品和成本兩方面評鑑,這正是課程要求「評鑑物理分離法是否恰當」的思考方式。
  6. 第六步:焰色試驗與氯化物的試驗鑑定食鹽樣本含鈉,用焰色試驗:把潔淨的鉑絲蘸取樣本溶液,放在本生燈火焰上,鈉使火焰呈金黃色。鑑定含氯化物,則加入硝酸銀溶液,產生白色沉澱(氯化銀)。舉個例子:海水樣本作焰色試驗見金黃色、加硝酸銀見白色沉澱,兩個試驗合起來便證明海水中含氯化鈉,這正是官方課程所說「顯示食鹽樣本中含鈉和氯化物的試驗」的組合。
  7. 第七步:水的試驗與海水的電解檢驗樣本是否含水,用無水硫酸銅(II):白色粉末遇水變藍色;或用氯化鈷(II) 試紙,由藍色變粉紅色。電解鹽水則可產生氯氣、氫氣和氫氧化鈉等生成物,氯氣可用於製造漂白水和消毒劑。舉個例子:家居漂白水和自來水消毒所用的化學品,正與電解鹽水的產物有關。水是寶貴資源,香港除從廣東省輸入食水,也以海水化淡開源,可見海洋與社會息息相關。

4圖解 Diagrams

蒸發結晶 Evaporation水汽逸去留低食鹽;想保留溶質用這個蒸餾 Distillation冷凝收集純水(溶劑);鹽留在瓶內由海水取食鹽用蒸發結晶、取純水用蒸餾——先想清楚要保留哪一部分。Keep solute or solvent?
圖 1:蒸發結晶與蒸餾

5例題示範 Example

分離方法選擇題:實驗室有一燒杯海水,老師要求你先取得食鹽樣本,再取得一些純水。你會分別選用哪種物理分離法?試寫出方法名稱,並解釋原理和理由。

  1. 審題:題目要求兩種產品——鹽(溶質)和純水(溶劑),必須分別配對蒸發結晶與蒸餾,不能只用一個方法答兩問
  2. 取鹽:把海水放在蒸發皿中緩慢加熱(或如鹽田般曬水),水分不斷散失,溶液達至飽和後食鹽結晶析出
  3. 取純水:把海水在蒸餾瓶煮沸,水汽經冷凝器冷卻成液態水收集;鹽的沸點高不會汽化,留在瓶內,即得純水
  4. 評鑑:取鹽用蒸發結晶,因為成本低;取純水必須用蒸餾,因為只有把水汽冷凝才能得到不含鹽的水
  5. 答案:取得食鹽用蒸發結晶法:把海水置於蒸發皿中緩慢加熱(或利用陽光蒸發),水分不斷散失,溶液達至飽和後,食鹽結晶析出,所得晶體便是食鹽樣本。取得純水則用簡單蒸餾法:把海水煮沸,水汽進入冷凝器冷卻,凝結成純水滴進收集瓶;鹽的沸點極高,不會汽化,全部留在蒸餾瓶內。兩者都是物理分離法,過程沒有新物質生成;蒸發結晶成本低,蒸餾可得純水但耗能較多,選用方法須視乎想要的產品。

6常見錯誤 Mistakes

✗ 以為海水中鹽比水多。
✓ 海水約 96.5% 是水,溶解鹽類只約 3.5%,兩者比例切勿倒轉。
✗ 認為蒸發海水可以得到純水。
✓ 蒸發只會留下鹽;要得純水必須用蒸餾,把水汽冷凝收集。
✗ 焰色試驗把鈉的焰色寫成淺紫色。
✓ 鈉呈金黃色;淺紫色是鉀的焰色,兩者切勿混淆。
✗ 檢驗水時加入硫酸銅溶液便算完成。
✓ 必須用無水硫酸銅(II) 固體粉末,遇水由白色變藍色才有意義。
✗ 以為鹽溶於水後生成新物質,分離屬於化學變化。
✓ 溶解與分離都沒有新物質生成,屬於物理變化,只是把原有成分分開。

75 題快測 Quick check

Q1海水含鹽約百分之幾?主要成分是什麼?

Q2從海水提取食鹽和分離純水,分別用什麼物理分離法?

Q3焰色試驗中,鈉的火焰是什麼顏色?說明什麼?

Q4怎樣檢驗樣本含氯化物?

Q51 千克海水約含鹽多少克?

8重點回顧 Recap

  • 海水約 3.5% 是溶解鹽類(以氯化鈉為主),其餘約 96.5% 是水
  • 溶液由溶劑和溶質組成;不能再溶解更多溶質時為飽和溶液
  • 取鹽用蒸發結晶(低成本),取純水用蒸餾(水汽經冷凝器收集)
  • 試驗三寶:焰色試驗驗鈉(金黃色)、硝酸銀驗氯化物(白色沉澱)、無水硫酸銅(II) 驗水(白變藍)
  • 蒸發、蒸餾、結晶和過濾都是物理分離法,過程沒有新物質生成

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