第七章 物質的變化
剛從冰箱中取出的霜淇淋，非常堅硬，但放在室溫下，不久霜淇淋就開始變軟 ， 繼而熔化。剛煮好的飯菜，香噴噴的，令人垂延涎三尺，但吃剩的飯菜，如果沒 有趕快放入冰箱中，在炎熱的夏天裡，不到一天的時間，可能就會發出腐壞的 酸味了。 這些物質的發生了變化，這些變化究竟只是外表形態發生改變呢？還是產生了 另一種新的物質？物質發生變化時，有哪些性質會隨之改變？物質發生變化時 是不是會伴隨著能量的轉移？食鹽水與純水的性質有何不同？要如何將食鹽與 水分離？都是本章的內容，將可藉由本章幫助你一一瞭解。 7-1 物質的變化 清晨花瓣上的晶瑩露珠，在陽光照射下消失的無影無蹤；夏天裡翠綠的樹葉， 到了秋天變成枯黃的落葉。在我們日常生活中，隨時感到周圍物質的改變，而這 些變化到底是屬於什麼變化？於本節中將為各位解答。 一. 物質：凡佔有空間、具有質量，且具有某些性質可供辨認的東西，均可稱之 為物質。如：金、水、空氣、木材、鋼鐵等等。一般而言，物質的性質，有下列 特性： 1.物質並定具有質量，且本身的性質不會因物質的大小形狀的改變而改變。 如：鐵釘、鐵製的小刀、鐵粉均可被磁鐵吸引或者鐵釘鐵製的小刀、鐵粉放在潮 濕的空氣中，均容易生鏽。 2.每一種物質各有不同的特性。如：銅可以導電，但塑膠不能導電。酒精可以 燃燒但水則不行。 3.同一種物質能以不同的狀態(三態)存在。如：固態的水(冰)、液態的水(水)、 氣態的水(水蒸氣)均是由水所組成，可視為同一物質。 二. 物質的變化：物質由於所處環境的改變、溫度的變化、受到外力的作用、接觸 物質的改變，可能導致物質發生各種不同的反應。 如： 金屬受外力切割，改變外形。 紙張點火後燃燒變成灰燼，因外在溫度的改變而改。 鹽溶於水、鐵受潮濕而生鏽等等，因外在環境因素而改變。 總而言之，物質的變化幾乎都涉及到與能量有關，但所有的變化都可依據其是 否有新物質的生成，而將物質的變化區分成物理變化與化學變化兩種： 1.物理變化：指物質發生變化時，只有外表的形狀發生改變，但其本身的 成分性質並沒有改變；換句話說，沒有新的物質生成。如： (1).熱漲冷縮：物質受熱後體積膨脹，遇冷時體積收縮。或者較特別 40C 的水 熱漲冷也漲。如，溫度計中的水銀受熱時體積膨脹，遇冷時體積則收縮，雖然體 積改變，但仍是水銀，並沒有新的物質生成，所以是物理變化。(2).物質的三態變化：空氣中的水蒸氣遇冷時會凝結成露珠(水)，露珠受陽光 照射時，又會蒸發成水蒸氣，雖然露珠與水蒸氣在形態上不一樣，但都是水， 發生變化的過程中並沒有新的物質生成，所以是物理變化。 (3).溶解：溶劑溶解溶質形成溶液，如：糖或食鹽溶於水。 (4).其他：食鹽磨成粉、燈絲通電後變成紅熱等等。 2.化學變化：指物質經由反應後，會產生新的物質，其外觀產生變化，而 且物質本身的成分性質亦隨之改變。如： (1).燃燒：如，燃燒前的火柴(火藥)與燃燒後的火柴(焦黑的碳)是不同的物質， 產生新的物質，所以是化學變化。 (2).鐵的生鏽：鐵在潮濕的空氣中與氧氣作用產生鐵鏽(氧化鐵)，鐵鏽與原來 的鐵不一樣，是一種新的物質，所以是化學變化。 (3).光合作用：綠色植物進行光合作用時，將二氧化碳與水轉換成葡萄糖與氧 氣，亦是一種化學變化。 (4).其他：如，鹽酸與大理石作用產生二氧化碳、碳酸鈉與氯化鈣兩溶液混合 產生沈澱、酒在空氣中久置而變酸、食物在人體內被消化、食物腐敗、生米煮成熟 飯、火藥爆炸等等均是化學變化。 <小試身手>： 1.酷熱的夜晚，眉眉開冷氣睡覺，同時放一杯水於房內，隔天醒來發現杯內 的水變少了，你覺得此現像是 (1)化學變化 (2)物理變化 (3)物理及化學變化 (4) 熱漲冷縮現象。 2.茶壺中的水受熱後，其重量減少，是因為 (1)化學變化 (2)物理變化 (3)物理 及化學變化 (4)條件不足，無法判斷。 3.下列哪一項是化學變化？ (1)冰塊於常溫下熔化成水 (2)試管中的碘固體受 熱變成紫色蒸氣 (3)藍墨水經由蒸餾，分離出無色液體 (4)澄清石灰水通入二氧 化碳會變成白色混濁。 4.下列何者是物理變化？ (1)酒精燃燒 (2)生米煮成熟飯 (3)粉筆磨成粉 (4)牛奶 變酸。 三.物質的性質：一般而言，物質的性質可分成下列兩種： 1.物理性質：物質經物理變化之後，仍具有原本可提供辨識的性質，如： 糖溶解於水中的前後仍具有甜味。 2.化學性質：物質經化學變化之後，原本的性質消失，卻產生了新的物質。 例如：鐵具有導電性及較強的硬度，鐵銹則是不易導電且較脆弱。 四.物理變化與化學變化的恢復： 1.物理變化可用物理方法使之恢復原狀。如：蒸發、凝固、熔化、溶解、結晶、
昇華等方法。 2.化學變化時，實質已改變，不能用物理方法使之恢復，但有時可用化學 方法使之恢復。即是，一般化學反應之逆反應。如：白色硫酸銅粉末遇水後會變 成藍色硫酸銅晶體(溶液)，而藍色硫酸銅晶體可經由加熱(化學變化)，使其變成 白色硫酸銅粉末。兩者間的變化均是化學變化。 3.日常生活中的變化常不只是一種單純的物理變化或是化學變化，而是同 時兼有兩種變化的，例如：蠟燭燭蕊點火後，蠟燭熔化成蠟燭油，順燭蕊上升 又受熱變成蒸氣，著火成火焰，其中包括狀態改變的變化(物理變化)，還有燃 燒(化學變化)。 <想想看>： 1.糖溶於水形成糖水，是物理變化還是化學變化？為什麼？ 2.大理石與鹽酸作用產生二氧化碳氣體，是物理變化還是化學變化？為什 麼？ <小試身手>： 1.巧克力含在口中逐漸熔化，吃下後在胃腸內被消化分解；上列兩種敘述 (1) 前者是物理變化，後者是化學變化 (2)前者是化學變化，後者是物理變化 (3)兩 者均是物理變化 (4)兩者均是化學變化。 2.蠟燭燃燒的化學變化是指 (1)燈蕊直接與空氣中的氧作用 (2)固體的蠟直接 與空氣中的氧作用 (3)熔化的液態蠟與空氣中的氧作用 (4)受熱汽化後的蠟與空 氣中的氧作用。 3.下列哪一種變化，能以簡單的物理方法使之恢復原狀？ (1)木材燃燒 (2)火 藥爆炸 (3)牛奶變酸 (4)冰熔化成水。 4.方糖放入水中時會冒出一些小氣泡，是因為 (1)起了化學變化 (2)其化學性 質改變了 (3)糖溶水的特有現象 (4)方糖孔隙中所含有的難溶於水的空氣。 5.銅片在空氣中加熱，表面生成一種黑色物質(氧化銅)，用刀片刮去，又露出 紅色的銅，由以上情形可推斷，銅加熱是 (1)化學變化 (2)物理變化 (3)物理化學 變化均有 (4)沒有任何變化。 7-2 純物質與混合物 一. 物質的分類：自然界的物質可分成純物質與混合物，敘述如下： 1.純物質：凡具有一定的組成和性質(如固定的熔點、沸點與密度等等)的物質 即稱之為純物質。 例如：純水、鎂、氧氣、金、銀、二氧化碳、硫酸銅等等。 2.混合物：由兩種或兩種以上的純物質依任何比例相混合而成(其組成並不固 定)，而此混合的物質中，仍保有原純物質的特性，則此混合而成的物質，稱之 為混合物。
例如：紅糖、糖水、酒、牛奶、玻璃、煤氣、石油等等。 3.純物質與混合物的區別： (1).純物質有一定的性質，但混合物沒有一定的性質。 (2).混合物常藉助於純物質的特性，可用各種方法(蒸發結晶、溶解過濾、蒸 餾等等)將其分離，而得到兩種以上之純物質。 (3).混合物中各成分物質的含量比例並不固定。 <補充>：純物質又可細分成元素與化合物兩類： 1.元素：只由單種原子所組成，如，氧、氮、鎂、銅、鐵、金等等。目前約一百一 十種。如下頁附表。 2.化合物：是由兩種或兩種以上的元素結合而成的純物質。如，糖(白糖、冰 糖)、純水、二氧化碳、酒精、硫酸等等。 3.一般而言，元素不能再分解；化合物可以用化學變化的方法解出其他成分 元素；而混合物則可以用物理變化的方法分解出其他成分。 <小試身手>： 1.下列何者是純物質？ (1)泥沙 (2)精製冰糖 (3)自來水 (4)粗鹽。 2.下列何者是混合物？ (1)純水 (2)二氧化碳 (3)糖水 (4)鐵。 3.食鹽、水泥、貝殼、自來水、奶油、白金，上述六種物質中，屬於純物質的有 幾種？ (1)4 (2)3 (3)2 (4)1。 4.下列哪組物質皆為純物質？ (1)汽油、酒、水 (2)氧、碳酸鈣、酒精 (3)醋、醬油、 糖 (4)煤氣、墨水、酒。 5.有一種飲料稱之為『雪克 33』，飲用前需要搖幾下，試問這種飲料是 (1)純 物質 (2)混合物 (3)可能是混合物，亦可能是純物質。 6.把甲、乙兩種物質混合，結果發生化學變化，並生成物質丙，則丙是 (1)純 物質 (2)混合物 (3)可能是純物質亦可能是混合物 (4)介於甲、乙之間。
二. 物質的分離：
1.物質分離的原理：要將不同的純物質，由混合物中分離出來，常可藉助各 種純物質的特有性質，選用合適的物理方法將其分離，而得到純物質。範例如下 (1).糖與鐵粉的混合物中，鐵粉可被磁鐵吸引，而糖則不被磁鐵吸引，因
此可利用磁鐵把鐵粉與糖分開。 (2).食鹽易溶於水，沙粒則否，因此可利用溶解過濾法，將食鹽與沙粒分離 但所得到的是食鹽與水的混合物，因此得再用蒸發結晶法，將沸點較低的水蒸 發，而得到食鹽晶體。 2.物質分離的方法：將混合物分離而得到純物質，於實驗室中最基本的操作 方法有過濾法、結晶法等等。 (1).過濾法：利用溶解度的差異，以濾紙來分離可溶性與不溶性固體的混 合物。 原理：利用固體的顆粒大，無法通過濾紙；而水或溶液的顆粒較小，可通過 濾紙，而將其分離。 器材：漏斗、漏斗架、濾紙、燒杯、玻璃棒等等如下圖。 步驟： step1：先將混合物加入水(液體)中後，並靜置。 step2：將濾紙依下列方法折疊。先以較粗糙之一面向內對折，再對折使留約 100 角，從較小的一摺撕下一角，打開較大的摺，成一圓錐形置於漏斗內，如圖 1-3(a)。 step3：用手或玻璃棒固定濾紙，並以滴管滴入少許的蒸餾水使濾紙潮濕，緊貼 漏斗壁，如圖1-3(b)。 step4：並將漏斗置於漏斗架上，調整漏斗至合適的高度，使漏斗管頸和承接濾 液之燒杯內壁相接觸，如圖1-3(c)。 step5：使玻棒中段與燒杯凹口接觸，用另一容器在下方盛接濾液，再將 step1 之液體緩緩倒入過濾，如圖1-3(d)。 圖1-3(a)
圖 1-3(b) 圖 1-3(c) 圖 1-3(d) (2).結晶法：加熱溶液，使沸點較低的物質先行蒸發，而使沸點較高的物 質以一定形狀的晶體出現，而來分離物質的方法。 器材：蒸發皿、酒精燈、石綿心網、鐵架等等。 步驟： step1：將先前 step5 所得之濾液，利用加熱，將水(液體)趕走，即可得所要的物 質。此方法叫做蒸發(結晶)。 (3).結論及注意事項： 簡易分離步驟，如下： 漏斗底端須與燒杯內壁接觸，為避免液體往外賤開。 濾紙的摺疊是為了，使其與漏斗的密合度增加，可提高過濾的效果。 傾倒液體時，須沿玻棒是為了，避免液體往外濺開。 傾倒液體時，不可高於漏斗之濾紙高度。 實驗 7-1 純物質與混合物 一.實驗目的：利用簡單的方法，將混合的食鹽與沙粒的混合物分離。
二.實驗步驟： step1：以玻璃棒略為攪拌混合，並觀察其外觀。如下圖。 Note：混合物的外觀質地堅硬，外表成灰白色。 step2：取濾紙一張，摺疊為一半，再摺疊為四分之一，撕去一角，並將其 置入漏斗中，避免外角突起產生空隙，並用些許的水，使其完全附著於器壁。如 下圖。 Note：將濾紙撕去一角的目的是：使濾紙與漏斗接觸更緊密，避免混合液從 濾紙與漏斗間流下。 step3：直接將紙上的混合物倒一些於摺好的濾紙中，觀察食鹽與沙粒能否 通過濾紙？如下圖左。 step4：將濾紙上的混合物改倒於裝有約 20 毫升水的燒杯中，利用玻棒攪 拌，並靜置觀察。如上圖右。 step5：用玻璃棒攪拌燒杯中的混合物後，迅速倒入裝好的漏斗架中加以過 濾，如下頁圖左。 step6：將所得之濾液倒入蒸發皿中，緩緩加熱使濾液蒸發至乾，如下頁圖 右。觀察錶玻璃上有無無色液體存在以及蒸發皿中留下什麼物質？
3.實驗討論： (1).step5 中，玻棒的用途是藉由附著力將溶液的部分迅速導入漏斗中；而漏斗 頸下端與燒杯內壁接觸，則是為了避免濾液濺出。 (2).step6 中，錶玻璃上有無色液滴出現，是水。而蒸發皿上亦留有白色晶體，則 是食鹽。 <小試身手>： 1.作過濾實驗時，折好的濾紙何以要撕去一角？ (1)作記號 (2)濾紙太大 (3) 讓溶液從撕處流下 (4)使濾紙密切接觸漏斗，而不翹起來。 2.從食鹽水中得到食鹽晶體，需利用何種性質？ (1)食鹽的沸點較水低 (2)食 鹽的沸點較水高 (3)食鹽較水易揮發 (4)食鹽不溶於水。 3.精製含難溶性砂粒之食鹽時，有下列各操作過程：(a)溶解(b)蒸發(c)結晶(d) 過濾，其最理想的操作順序是 (1)abcd (2)cabd (3)adbc (4)badc。
4.蒸發皿加熱時，常使用陶瓷纖維網，其目的是 (1)阻止熱傳給蒸發皿 (2)使 熱量集中 (3)使蒸發皿均勻受熱 (4)使熱量散失到空氣中。 5.某生自砂粒與食鹽的混合物中，是利用他們對水的何種特性，把食鹽與砂 粒分開? (1)溶解度 (2)沸點 (3)密度 (4)凝固點。 6.由含砂粒的食鹽經製成食鹽的過程中，下列哪一項不是其中的步驟? (1)溶 解 (2)昇華 (3)結晶 (4)過濾。 7.欲將液體過濾時，需用何種器材? (a)漏斗架 (b)濾紙 (c)試管 (d) 漏斗 (e)燒杯 (f)鐵夾 (g)玻璃管 (h)酒精燈 (i)陶瓷纖維 (j)玻璃棒 7-3 化學反應的現象
今天你將沙子與鐵砂混在一起，看起來好像發生了某生事情，但你可藉由磁鐵 輕鬆的將兩者分開，而且兩者沒有任何的變化；而你也曾學過，若將大理石與 鹽酸作用，不但大理石、鹽酸不見了，更會產生二氧化碳氣體及其他物質。而這 就是本章節所要探討的，到底發生化學反應時，可能伴隨著那些現象呢？是產 生新物質呢？吸收或放出熱量？反應前後的總質量變化呢？ 一.化學反應的現象：化學反應是物質的可變性質與狀態都改變的反應。因 此，化學反應發生時，經常會伴隨著一些現象。有產生新的物質、使系統的溫度 發生改變及質量的變化，敘述如下： 1.產生新的物質： (1).有些化學反應過程中，發生顏色的改變。 如：當均無色的氯化鈣水溶液與碳酸鈉水溶液反應時，會產生白色沈澱(碳酸 鈣)。
氯化鈣(CaCl2)+碳酸鈉(NaCO3)→碳酸鈣(CaCO3白色)+氯化鈉(NaCl)
加有酚太的氫氧化鈉溶液本來是紅色，在吹氣之後，溶液則變成 無色。 (2).有些化學反應會產生氣體。 如：大理石與鹽酸反應，會產生二氧化碳氣體。 雙氧水受熱或加二氧化錳，會產生氧氣。 (3).有些化學反應過程中，會產生沈澱。 如：氯化鈣溶液與碳酸鈉溶液反應時，會產生白色沈澱(碳酸鈣)。 氯化鈣(CaCl2)+碳酸鈉(NaCO3)→碳酸鈣(CaCO3白色)+氯化鈉(NaCl)
2.系統的溫度變化： (1).有些反應使溫度上升。 如：氫氧化鈉與稀硫酸反應，會放出熱量，使溫度上升。 物質燃燒時，放出光與熱，屬於放熱反應，使溫度上升。 硫酸與水作用，屬於放熱反應，使溫度上升。 (2).有些反應則使溫度下降。 光合作用則是於反應過程中吸收太陽的能量，屬於吸熱反應。 硝酸銨晶體與水作用時，則會吸收熱量，使溫度下降。 <Note>：並不是只有化學反應才會使溫度發生變化，有些物理變化亦會使溫 度發生改變。如，冰的熔化、水蒸氣的凝結等等的三態變化。 <補充>：能的轉換，自然界中有許多形式的能源，並不是每一種能量均可直 接使用，但我們可藉著能量的轉換，將其轉換成我們之所需。於日常生活中，常
見的轉換有： 1.利用電鍋煮飯，是將電能轉換成熱能。 2.太陽能計算機，是將光能轉換成電能。 3.瓦斯、木炭的燃燒，則是將化學能轉換成熱能。 4.螢火蟲的發光，是將化學能轉換成光能。 <想想看>：市面上有一種熱包，它的主要成分是鐵粉與食鹽等，使用時，因 曝露於空氣中吸收水分，而食鹽會加速鐵的氧化(生銹)，使溫度上升，故可作 為熱包。由此可知，試問鐵的生銹是吸熱或放熱反應? 3.質量的變化：在一般的化學反應中，反應前的所有物質總質量恆等於反 應後的總質量。但有些反應的前後總質量似乎有點改變。如，鐵生銹會變重，乃 是因為多了空氣中氧氣的參與；而鹽酸與大理石作用，若不蓋蓋子，則總質量 變輕，乃是因為所產生的二氧化碳跑掉了。如果將參與或跑掉的任何物質均考慮 在內的話，則反映前後的總質量不變。 <小試身手>： 1.有關化學反應的敘述，何者正確? (1)必為吸熱反應 (2)必為放熱反應 (3)有些 為放熱反應，有些是吸熱反應 (4)必定發生質量變化。 2.當氫氧化鈉與稀硫酸作用時，有何種現象發生? (1)溫度上升(2)產 生白色沈澱 (3)產生大量氣泡 (4)溶液變成紅色。 3.雙手摩擦產生熱是 (1)動能變成熱能 (2)化學能變成熱能 (3)電能變成熱能 (4) 動能變成位能。 二.質量守恆定律： 1.何謂反應物?生成物(產物)? (1).反應物，在化學反應中參與反應的物質。一般而言，位於化學反應式中 的左邊。 (2).生成物，在化學反應中生成的新物質。一般而言，位於化學反應式中的 右邊。 A(反應物) + B(反應物) → C(生成物) + D(生成物) 2.質量守恆定律：在一般的化學反應中，反應前的所有物質(反應物)總質量恆 等於反應後的所有物質(生成物)總質量。此定律即稱之為質量守恆定律。如： (1).大理石與鹽酸作用，反應前的大理石加上鹽酸的總質量一定等於反應 後所生成氯化鈣、水及二氧化碳的總質量。 (2).鐵生銹，反應前的鐵加上空氣中氧氣的總質量一定等於反應後所生成 鐵銹(氧化鐵)的總質量。 (3).木材燃燒，反應前的木材加上空氣中氧氣的總質量一定等於反應後所
生成灰燼、水蒸氣及二氧化碳的總質量。 (4).碳酸鈉水溶液與氯化鈣水溶液的反應，反應前的總質量一定等於反應 後的總質量。 <小試身手>： 1.於化學變化前後的物質總質量不變，叫做 (1)質量守恆定律 (2) 能量守恆定律 (3)定比定律 (4)倍比定律。 2.某化學反應之方程式為 2A + B → 2R，今有 a 公克的 A，恰與 b 公克的 B 完 全反應，生成r 公克的 R，則下列敘述何者正確? (1)2a + b = 2r (2)a/2 + b = r/2 (3)a + b = 2r (4)a + b = r。 3.將 6 公克的木炭燃燒，可生成二氧化碳 22 公克，則 6 公克的木炭完全燃燒， 需要純氧多少公克? (1)6 (2)18 (3)16 (4)24。 4.於密閉容器中裝有 10 公克的氧氣與 10 公克的氫氣，點燃後不使物質散失 於外，則反應後密閉容器中之氣體、液體的總質量是 (1)10 (2)20 (3)30 (4)40 公克 5.甲與乙完全反應生成丙時，你認為哪一項是正確的? (1)反應物的總質量必 等於生成物的總質量 (2)反應物的總體積必等於生成物的總體積 (3)反應物的總 質量不等於生成物的總質量 (4)反應物的總體積不等於生成物的總體積。 實驗 7-2 化學反應的現象 一.實驗目的：觀察化學反應時所伴隨的各種現象，並探討化學反應前後的總 質量變化。 二.實驗步驟： (甲).沈澱 step1：將 4 公克的氯化鈣(CaCl2)放入裝有 50 毫升蒸餾水的錐形瓶中，並 輕搖使其完全溶解。 step2：另取碳酸鈉水溶液 5 毫升加到小試管中，將其放置於 step1 中的錐 形瓶裡，並利用天平測量其質量，如下頁圖。 step3：取下 step2 中的錐形瓶，用手握住錐形瓶的瓶頸與瓶塞，傾倒錐形 瓶，使瓶內的兩種溶液相混合，如下圖左。然後將錐形瓶直立放好，並觀察其發 生了什麼現象。
step4：利用天平稱得 step3 中錐形瓶的質量；並與 step2 中的錐形瓶質量比 較。 (乙).溫度改變 step1：用滴管取氫氧化鈉水溶液 5 毫升，加入空試管中，並測量其溫度， 記錄之。如下圖左。 step2：另取稀硫酸水溶液 5 毫升加入 step1 的試管中(可用手指輕觸試管外 壁，觀察溫度是否有變化)，待溫度計之讀數不再變化時，記錄其溫度。如下圖 右。 三.實驗討論： 1.在實驗甲中，反應後，錐形瓶內的物質外觀上有何變化? 2.在實驗甲中，反應前後物質的總質量是否相同? 3.在實驗乙中，氫氧化鈉水溶液與稀硫酸水溶液反應後，溫度有何變化? <小試身手>： 1.阿凱作一鎂帶燃燒的實驗，結果是：坩鍋淨重 19.08 公克，鎂帶與坩鍋重 20.03 公克，氧化鎂與坩鍋重 21.10 公克，則： (1).所用的鎂帶重 公克，產生的氧化鎂重 公克，所消耗的氧氣重 公克。 (2).反應物是 ，生成物是 。 (3).由以上可知反應物的總質量 於生成物的總質量。
