文字方塊: 名稱	溫度(°C)	密度(g/cm3)
冰	0	0.9170
水	0	0.9999
	4	1.0000
	15	0.9991
	25	0.9971
	100	0.9583

一、水的性質:

1.水是構成生命的主要物質之一,為無色、無臭、為味的液體。

2.水在1大氣壓時,凝固點為0°C,沸點為100°C

3.水在4°C時的體積最小,密度最大。故將1atm4°C時水的密度定為1g/cm3

4.水在固相或液相時,具有很高的比熱,能調節大氣的溫度,避免溫度變化過大。

5.水具有極高的汽化熱(539 cal/g),可調節氣候,維持水溫和大氣間熱量與水蒸氣之轉換平衡。

6.水是一種很好的溶劑,可以溶解很多的物質,在生物體中擔任輸送營養和廢棄物的介質。

7.水的化學式為H2O,純水是一種非常弱的電解質,其解離反應式為:
H2OH+(aq)+OH-(aq)
25°C
時,純水中所含的氫離子和氫氧根離子的濃度為
[H+]=[OH-]=10-7M

8.水和金屬氧化物反應生成鹼性物質:
K2O(s)+H2O(l)
2KOH(aq)
CaO(s)+H2O(l)
Ca(OH)2(aq)

9.水和非金屬氧化物反應生成酸性物質:
SO3(s)+H2O(l)
H2SO4(aq)
P4O10(s)+H2O(l)
4H3PO4(aq)

 

二、自然水及其處理法:

1.存在於自然界未經處理的水,稱為自然水。如海水、河水、湖水、泉水、地下水、雨水等。

2.雨水是淡水的主要來源。在一般情形,雨水是自然淨化的水。

3.水的處理法:水的處理法一般分為水的淨化、消毒、軟化等三項。

(1)水的淨化:
一般可分為沉澱、過濾、蒸餾等方法。

ヾ沉澱法:
利用沉降作用,將含有懸浮物的水靜置,使懸浮物沉於池底而得澄清的水。若懸浮物的顆粒太小,無法自然沉澱,可加入明礬等化合物,產生膠質沉澱物而與懸浮粒子一起沉降。

ゝ過濾法:
將固體由流體中除去的一種有效方法。水的淨化過程通常以小石子或細砂來代替濾紙,以除去殘留的懸浮物。欲除去水中不良氣味,則可使用活性碳過濾,活性碳表面積很大,能吸附水中的有機物雜質。

ゞ蒸餾法:
利用混合物中各成分的沸點不同,藉著蒸發、凝結和收集的過程,達到分離的目的。

(2)水的消毒:
為了除去水中的細菌,可以使用氯氣(Cl2)或臭氧(O3)來消毒。氯氣的濃度約到達0.21.0ppm(part per million,百萬分之一)便能殺死細菌。臭氧使用後化學殘留物較少且能殺死更多的病原菌及病毒,但缺點是持續性較差。

(3)水的軟化:

ヾ硬水:
含有鈣或鎂等金屬離子的水,稱為硬水。

ゝ暫時硬水:
硬水中,若成分為鈣或鎂的碳酸氫鹽(酸式碳酸鹽),稱之。可藉煮沸法產生不溶的碳酸鹽而除去:
Ca(HCO3)2(aq)CaCO3(s)
+CO2(g)+H2O(l)
Mg(HCO3)2(aq)MgCO3(s)
+CO2(g)+H2O(l)

ゞ永久硬水:
硬水中,若成分為鈣或鎂的硫酸鹽或氯化物,稱之。硬水可使用石灰蘇打法或離子交換法來除去鈣或鎂。

々石灰蘇打法:
利用石灰(CaO)及蘇打(Na2CO3)來軟化硬水。化學反應式如下:
CaO(s)+H2O(l)
Ca(OH)2(aq)
Mg2+(aq)+Ca(OH)2(aq)
Mg(OH)2(s)+Ca2+(aq)
Ca2+(aq)+Na2CO3(aq)
CaCO3(s)+2Na+(aq)

ぁ離子交換法:
硬水通過含有鈉離子的沸石或樹脂的管柱時,會產生陽離子交換反應,二個鈉離子交換一個鈣()離子,而將鈣()離子留在管柱中。下圖中為A型沸石,鋁原子、矽原子、氧原子鍵結在一起,成為一種巨大的陰離子,交換反應如下:
Ca2+(aq)+2NaZ(s)
CaZ2(s)+2Na+(aq)
式中,NaZ代表沸石,Z-代表巨大的陰離子的一部分。當沸石使用一段時間後,管柱可用濃氯化鈉溶液清洗,以恢復原狀,此過程又稱為「再生」。


 


三、海水資源及其化學處理:

1.海洋占地球表面的72%,海水的水量更高達地球總水量的97.2%

文字方塊: 離子種類	公克/公斤海水	體積莫耳濃度(M)
Cl-	19.35	5.5×10-1
Na+	10.76	4.7×10-1
SO42-	2.71	2.8×10-2
Mg2+	1.29	5.4×10-2
Ca2+	0.412	1.0×10-2
K+	0.40	1.0×10-2

2.地殼上的礦物質不斷地經由河川流入海洋,但因沉降作用及海洋生物的消耗,使海水中各種離子的含量十分穩定。海水中主要的物質含量如右表:

3.海水蒸發時,各種溶鹽順序結晶而出,首先沉澱的是硫酸鈣(CaSO4),之後是食鹽(NaCl)。提取食鹽後餘下之濃鹽溶液稱為「苦滷」,可用以採收鎂化合物、鹵化物等。

4.由海水製氯法:

ヾ電解熔融的食鹽時,陽極可得氯氣,陰極可得金屬鈉。反應式如下:
2NaCl(l) 2Na(s)+Cl2(g)

ゝ電解濃食鹽水時,陽極可得氯氣,陰極可得氫氣及氫氧化鈉。反應式如下:
2NaCl(aq)+2H2O(l) Cl2(g)+H2(g)+2NaOH(aq)

5.由海水製溴法:
將濃縮的海水酸化後,通入氯氣,便可得溴。
2Br-(aq)+Cl2(g)
Br2(l)+2Cl-(aq)

6.由海水提取鎂:
利用沉降反應法,將氫氧化鈣加入海水取樣中,以產生氫氧化鎂沉澱,
Mg2+(aq)+2OH-(aq)
Mg(OH)2(s)
再加鹽酸與氫氧化鎂反應生成氯化鎂,
Mg(OH)2(s)+2HCl(aq)
MgCl2(s)+2H2O(g)
電解熔化的氯化鎂,即可得鎂。
MgCl2(s)
Mg(s)+Cl2(g)

7.海水的淡化:從海水中除去Na+Cl-等離子,而得淡水以供使用。其方法有下列四種:

ヾ凝固法:當一種電解質水溶液(如海水)慢慢凝固時,會得到純冰的晶體,餘下較濃的食鹽溶液,將純冰取出後熔化即得淡水。

ゝ蒸餾法:將海水煮沸,水蒸氣冷凝後可得純水。下圖為一種簡單的太陽能蒸餾器。


ゞ逆滲透法:當淡水和鹽水中間以半透膜(此半透膜只能讓水分子通過,而不能讓食鹽分子透過)隔開,由於擴散作用,水分子會自動的由濃度較小的淡水擴散到濃度較大之鹽水中。今若加壓於鹽水,強迫水分子由鹽水移到淡水,而達到海水淡化的目的。如下圖所示。


々離子交換法:利用離子交換法可得去離子水,使海水淡化。

 


四、自然水的污染及其防治:

1.水污染的來源:未處理過的生活污水、農畜污水、工業廢水等。

2.水污染的害處:
ヾ家庭污水含有需氧廢料,會降低河川的溶氧量。
ゝ洗滌水含清潔劑,會產生河、海泡沫污染。
ゞ農業上使用肥料及殺蟲劑,隨雨水流入河川或水庫。

3.污水中含有一些毒性較強的金屬及非金屬化合物:

     

  

(As)

來源可由煤炭和石油產品燃燒,先構成空氣污染,再進入河川;或工業廢水放流至河川;亦可由磷酸鹽中的雜質及噴灑在果樹上的含砷農藥,經雨水沖洗累積在土壤表層。

引起腸胃病變及烏腳病等,甚至可能致癌。

(Cd)

鎘的化學性質與鋅相似,廣泛使用在金屬表面處理。電鍍工廠將廢液未經處理排放,造成嚴重的鎘污染。

高血壓、腎臟損傷、肌肉組織的破壞及痛痛病。

 

(Pb)

汽油中所加的抗震劑「四乙基鉛」[(C2H5)4Pb]、油漆及陶瓷釉中的鉛溶解於水中。

腎臟和生殖功能的喪失及中樞神經的傷害。

(Hg)

汞齊法電解食鹽:通常使用汞為陰極,在陰極形成汞齊,在陽極產生氯氣。汞也廣泛使用在農藥中。

引起水  病導致中毒或死亡。

其他無機離子

從事表面處理的工廠所排出的氰酸根離子(CN-)為極毒的物質;亞硝酸根離子(NO2-)和亞硫酸根離子(SO32-)等會改變水中進行的氧化還原反應。

影響生態平衡。

農藥

以前的殺蟲劑:「二氯二苯三氯乙烷」(DDT)

現在的殺蟲劑:巴拉松、卡巴落等。

DDT使多種生物體內發生病變,影響野生動物的繁殖能力。

現在的殺蟲劑在水中易被分解。

清潔劑

清潔劑是一種主要的水污染物,其主要成分為烷苯磺酸鹽,其通式如下:

其中R代表烷基(CnH2n+1)9n15

R有「直鏈」與「分枝」兩種。

R為分枝的,不能被細菌分解,會長久存於自然界中,造成泡沫污染。

R為直鏈的,可以被水中細菌分解,較不會造成環境污染。

 

4.水污染之種類及量測方法:

ヾ熱污染:因熱量排入河流、湖泊或海洋中,使水中自然生態破壞的污染。

ゝ優養化:因含氮、磷的物質排入水中,造成水中藻類及微生物快速繁殖生長,而耗盡水中的氧氣,造成水中生物死亡而發臭的現象。

ゞ重金屬污染:重金屬及其化合物排放於水中,所造成的污染。

々生化需氧量(BOD):微生物在污水中分解有機廢料所消耗氧的總量。需氧量越多,污染越嚴重。

ぁ化學需氧量(COD):以化學方法(一般是以二鉻酸鉀在酸性下),去氧化污水中所有的廢料,所需要的氧量。需氧量越多,污染越嚴重。

5.水污染的防制:

ヾ預防方面:配合一套周延的法令與管制措施,修訂不合時宜的法令規章。
污染性工業:於設立或變更生產前,應嚴格審查水污染防治計畫,同時應要求定期申報廢()水處理情形。
家庭污水:應規畫長期性污水下水道發展計畫,以防治大量家庭污水污染環境。
畜牧污水:應依其規模大小分級管制。配合畫定水資源保護區及水污染防治區,規範區內行為,尤其禁止污染負荷大的畜牧業及其他事業進駐。

ゝ污染源的減廢方面:應發展高科技低污染性的操作方法及原料,以降低污染產生量,並盡可能作到資源回收工作。

ゞ廢()水處理方面:一般廢()水處理包括三級。
第一級:主要以過濾的方法除去固態物質;
第二級:以除去需氧物質(如有機物)為目的;
第三級:為專門處理,針對特殊的污染物質選擇特定的方法來處理。