空氣

第二章

空氣

2-1 空氣的組成

<鐵的生銹>： 原理：由於鐵與空氣中的氧與水蒸氣接觸，使得鐵進行氧化作 用(即生銹)。 性質：鐵生銹後，質鬆而多孔，銹蝕後容易脫落，影響鐵的強 韌性，損害器具。 防止：防止鐵生銹的方法是使鐵與空氣隔絕，通常有下列方法： (1).於鐵器表面上一層薄油。 例如：腳踏車的磁輪、鏈條上油可防鏽。 (2).於鐵器表面上一層油漆。 例如：家裡的鐵門、鐵窗常上漆可防銹。 (3).於鐵器表面鍍錫或鋁、鋅。 例如：食品罐頭是在鐵罐內鍍錫，俗稱馬口鐵。 例如：鍍鋅的鐵，俗稱白鐵。 (4).把鐵器放置在乾燥空氣中，亦可減緩鐵的生銹。 <作作看>：空氣成分的測試或者空氣是混合物的證明 利用鐵的生銹檢驗氧氣： (1).步驟： 1.取鋼絲絨約 0.3 公克，放入水中浸濕。 2.將鋼絲絨塞入玻璃管中一端。如圖 2-1。 3.將其置於裝有 1/2 水的燒杯中，調整玻璃管高度，使其管內外水 面同高，並用膠帶將其黏於燒杯內壁。如圖2-2。 4.取下滴管橡皮頭套在玻璃管上，如圖 2-3。<Note>：若水面稍微下 降，則以滴管調整水面，使其水面高度一樣，並以油性筆做下記號。 5.持續觀察，並比較內外之水面高度差。

(2).問題： 1.鋼絲絨的外觀上有何變化? 2.玻璃管內水面的高度有何變化? 3.玻璃管中空氣體積是否減少，為什麼? 利用燃燒檢驗氧氣： (1).步驟： 1.取空保特瓶一個，將保特瓶作持圖 2-1(a)。 2.在保特瓶切口端割開一缺口，如圖 2-1(b)。並於高度約 6 公分處用 油性筆作一記號。將瓶蓋打開，使保特瓶站立於有水的塑膠水槽中， 水深約4 公分。 3.取一支點燃的線香，插入保特瓶中，觀察線香的燃燒情形，如圖 2-1(c)。數秒後將線香抽出吹熄，把保特瓶取出並置於桌面上。 4.將保利綸圓片放置於水面上，取一團鋼絲絨約 2.5 公克，弄濕後 置於保利綸圓片上，以保特瓶罩住保利綸圓片，如圖2-2(a)，此時瓶 口並未加蓋。 5.調整水槽內之水位，使保特瓶內外之水面均位於記號處，並旋緊 瓶口蓋。如圖2-2(b)。 6.靜置後，持續觀察鋼絲絨及瓶內之水位高度變化並作上記號，直 到瓶內水位不在上升，並加水於水槽內，使瓶內外之水位等高。 7.取一支點燃的線香，迅速打開瓶蓋並插入保特瓶中，觀察線香的 燃燒情形?

(2).問題： 1.鋼絲絨的外觀上有何變化? 2.實驗前後，保特瓶內水面的高度有何變化? 3.前後兩支線香在瓶中的燃燒情形是否相同? <空氣的成分>： 空氣為無色、無味、無臭，是一種混合物。其主要成分是氮與氧，其 餘組成及含量，如下表： 成 分 體積百分比(%) 質量百分比(%) 氮 78.08 75.50 氧 20.94 23.14 氬 0.94 1.3 二氧化碳 0.03 0.05 其他(水蒸氣、氦、氖) 0.01 0.01 氮氣(N2)：約占空氣總體積的五分之四。 (1).氮為無色、無臭、無味的氣體，略溶於水，比空氣輕。 (2).氮不能助燃，也不能幫助呼吸。 (3).氮是形成蛋白質的重要組成。 (4).氮是構成肥料尿素、硫酸銨及工業上製氨、硝酸的主要成分。 (5).於室溫下幾乎不發生反應，但在高溫時仍可與部分金屬發生反應。 (6).在食品的包裝中，將包裝內之空氣抽掉，在充入氮氣，可常保食 物新鮮。 氧氣(O2)：約占空氣體積的五分之一。 (1).氧為無色、無臭、無味的氣體，略溶於水，比空氣重。 (2).氧氣不能燃燒，但可以助燃。

(3).維持動物生命必備氣體。 (4).水中之魚類及動物的生存端賴水中之溶氧量。 (5).鐵生銹必備氣體。 稀有氣體：包含有氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、山(Xe)、氡 (Rn)。除氡為放射性元素外，其餘均存在於空氣中，但含量稀少，故 稱稀有氣體。其組成相當安定，於常溫或高溫下均極不易發生反應， 故又稱為惰性氣體或惰性氣體。 (1).氦氣：密度很小，只大於氫氣，且不易發生反應，故可代替氫氣 填充氣球與飛艇。 (2).氖氣：可充入燈管內，通電後產生紅色燈光，可做為霓虹燈或燈 塔指示燈。 (3).氬氣：稀有氣體中含量最多的氣體。於焊接金屬時，使用氬氣可 防止金屬與氧反應；亦可填入燈泡中，防止燈絲被燒斷，延長燈泡 壽命，增加亮度。 <液態空氣>：利用加壓、降溫可使空氣變成淡藍色液態氣體。可利 用此現象證實空氣是混合物。 證實：如果將液態空氣緩緩蒸發(加溫)，因為氮氣的沸點較氧氣低， 所以氮氣先蒸發，把氧氣殘留下來，故可證明空氣是混合物。

2-2 氧氣

<性質>： 氧為無色、無臭、無味的氣體，略溶於水，比空氣重。 氧氣不能燃燒，但可以助燃；且可和許多物質反應。 <例如>： (1).將點燃的線香，插入裝有氧氣的瓶中，可看到線香燒的更旺盛。 (2).留有紅熱的火柴灰燼，插入純氧的瓶中，可看到火焰復燃的現象。 維持動物生命必備氣體。 水中之魚類及動物的生存端賴水中之溶氧量。 鐵生銹必備氣體。 <想想看>：在日常生活中，雙氧水可用來殺菌。但未加蓋的雙氧 水，放久了以後就失去效果，你知道為什麼嗎? Ans：因為它會分解成氧氣與水。 <製備>：在實驗室內，可利用二氧化錳(MnO2)與雙氧水(H2O2)混 合製得氧氣。

原理：於室溫下利用二氧化錳(MnO2)當催化劑，即可加速雙氧水 (H2O2)分解成水與氧氣。 雙氧水  水 + 氧 H2O2  H2O + O2 <Note>：催化劑，可加速化學反應速率，但反應前後本身的質量、本 質均不改變的物質，即是。例如，二氧化錳(MnO2)。 裝置：如下圖。 步驟： (1).先於錐形瓶中加入少許的二氧化錳，再由薊頭漏斗長管底部加入 些許的水。使水位略高於薊頭漏斗長管底部。 (2).再由薊頭漏斗慢慢加入雙氧水。 (3).即可看出錐形瓶中有氣體生成。 <Note>： (a).薊頭漏斗長管底部需保持於液面下，以免產生的氣體由漏斗外洩。 (b).二氧化錳是催化劑，所以，其量的多寡並不影響氧氣的產量。 (c).每次所加入雙氧水的量不要太多，以免產生氧氣的速率太快，而 使得雙氧水由薊頭漏斗噴出。若有此現象發生時，可將導管暫時移出 水面。 (d).剛開始所產生的氣體，可不必收集以增加氧氣的純度。 (e).反應中若不加入二氧化錳，而直接加熱亦可產生氧氣，但速率會 比較慢。 收集：因為氧氣為難溶於水的氣體，故以排水集氣法收集所產生 的氧氣。又因為氧氣比空氣重(密度大)，所以收集完後，應正立於桌

面上並蓋上玻璃，使得氧氣沈於底部，免於氧氣流失。 <收集氣體方法>：可分成易溶於水與不易溶於水 易溶於水：可利用向上排氣法或向下排氣法 (1).向上排氣法：適用於易溶於水且比空氣重(密度大)的氣體。例如， 氯化氫、二氧化硫、二氧化碳。如圖一。 (2).向下排氣法：適用於易溶於水且比空氣輕(密度小)的氣體。例如， 氨氣。如圖二。 不易溶於水：適用於難溶於水的氣體。例如，氫、氧、氮、二氧化碳。 如圖三。 圖一 圖二 圖三 <燃燒>：物質與氧氣進行劇烈的化學反應，且反應過程中可產 生光與熱的現象。 性質：燃燒是一種放熱的化學反應，可使外界溫度的上升，亦可 產生新的物質；同時可放出光和熱。 產物：燃燒時乃是與氧進行化學作用，而產生含氧的化合物，稱 之為氧化物；可分為金屬氧化物與非金屬氧化物。 (1).金屬氧化物：金屬和氧反應所產生的含氧化合物。 <例如>：鎂帶在純氧中燃燒，可產生氧化鎂及強烈白光。 鎂(銀白色固體) + 氧  氧化鎂(白色固體) <性質>：金屬氧化物溶於水，所成的水溶液呈鹼性；可使濕的藍色 石蕊試紙變成紅色。故可知金屬氧化物溶於水變成鹼性物質。 氧化鎂(銀白色固體) + 水  氫氧化鎂(鹼性)

(2).非金屬氧化物：非金屬和氧反應所產生含氧的化合物。 <例如>：硫在純氧中燃燒，可產生二氧化硫及藍紫色光亮的火焰。 硫(黃色粉末) + 氧  二氧化硫(氣體) <性質>：非金屬氧化物溶於水，所成水溶液呈酸性；可使濕的紅色 石蕊試紙變成藍色。故可知非金屬氧化物溶於水變成酸性物質。 二氧化硫(氣體) + 水  亞硫酸(酸性) (3).不論金屬氧化物或非金屬氧化物，若產物不溶於水，無法使試紙 變色，則視為中性。 產物酸鹼性的測試：利用特殊化學藥品，如，石蕊試紙、酚太、酚 紅等，即可得知物質的酸鹼性。 酸鹼性 石蕊試紙 酚太 酚紅 範例 酸性 紅色 無色 黃色 碳酸、醋酸、硫酸、鹽酸 鹼性 藍色 紅色 紅色 石灰水、氨水、氫氧化鈉水溶液 中性 不變色 純水、酒精、糖水、食鹽水

2-3 二氧化碳

在日常生活中，都可發現二氧化碳的蹤跡，例如，動植物的呼吸作 用、木炭的燃燒、清洗廁所用的鹽酸滴到大理石地板，所產生的氣泡 等等都會產生二氧化碳。 <性質>： 為無色、無臭氣體，比空氣重，可溶解於水中(約 1：1)，溶解度較 氧大。 無助然性，性質安定，不幫助木材、汽油燃燒，無可然性。 溶於水後會形成碳酸，使得水溶液呈酸性。所以濕的藍色石蕊試紙 可變成紅色，分太變成無色。 利用其不助燃性，且密度又比空氣大，故可用來滅火。 固態的二氧化碳叫做乾冰。 <製備>：在實驗室中，常利用大理石(碳酸鈣，CaCO3)與鹽酸 (HCl)作用，以排水集氣法收集二氧化碳。 大理石(碳酸鈣) + 稀鹽酸  氯化鈣 + 二氧化碳 + 水 <裝置>：如下圖。 <步驟>： (1).先於錐形瓶中加入些許的大理石碎片或貝殼，再由薊頭漏斗加入 些許的水。使水位略高於薊頭漏斗長管底部。

(2).再由薊頭漏斗慢慢加入稀鹽酸。 (3).即可看出錐形瓶中有氣體生成。 (4).利用排水集氣法，收集二氧化碳，其目的是增加純度。 <Note>： (a).薊頭漏斗長管底部需保持於液面下，以免產生的氣體由漏斗外洩。 (b).若氣體產生的速度太快，將橡皮管暫時移開水面。 (c).剛開始所產生的氣體，可不必收集以增加二氧化碳的純度。 <收集>：因為二氧化碳的溶解度不大也不小，又比空氣重，故 以排水集氣法或向上排氣法收集所產生的二氧化碳。因為二氧化碳比 空氣重(密度大)，所以收集完後，應正立於桌面上並蓋上玻璃，使得 二氧化碳沈於底部，免於流失。 <檢驗>：將未知氣體通入澄清石灰水，會使產生白色混濁的碳 酸鈣沈澱，即可知此氣體為二氧化碳。 <想想看>：是不是所有燃燒的物質放進只有二氧化碳的瓶中， 都會熄滅?

2-4 空氣污染

大氣中因為工廠、汽車、燃燒物質所排出的廢氣，而使空氣中的某些 成分超量或多出一些原來沒有的物質，即稱之為空氣污染。 <空氣污染>： 一. 空氣污染指標：空氣品質的好壞，均以空氣污染指標(PSI)來標 示之，一般而言，若PSI 大於 100 以上，即代表空氣品質不良， 應避免從事戶外活動。PSI 值，以 0 至 500 的數值來表示空氣污染 程度；並依據指標可將空氣污染對人體的影響，分成五個等級， 如下表： 指 標 值 0~50 51~100 101~199 200~299 300~500 對健康的影響 良好 中等 不良 極不良 有害 二. 空氣污染的種類： 1.碳的氧化物：如，一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)。

2.硫的氧化物：如，二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)。 3 3.氮的氧化物：如，一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)。 4 4.石油成分微粒：汽機車、飛機等交通工具及煉油廠、塑膠工廠 都有可能排放石油成分到空氣中。 5.塵埃與浮游物：工廠及汽油排放的煙霧，含有微小的顆粒，飄 浮在空氣中，因此造成了烏煙瘴氣的現象。 三. 空氣污染的來源與影響：主要的污染源是石油與煤炭的燃燒產物 1. 碳的氧化物： 一氧化碳： 來源：石油、煤與家庭煤氣，於氧氣不足時，燃燒不完全的產物。 影響：若人體吸入過量，會有致命的危險；因為會影響紅血球輸送 氧氣。 二氧化碳： 來源：燃燒森林、汽機車、工廠大量燃燒石化燃料所產生的。 影響：空氣中的二氧化碳濃度過高，會造成溫室效應，全球溫度升 高，同時，使得海平面升高。 2. 硫的氧化物： 來源：石油與煤炭中含硫的雜質於燃燒後的產物，即是二氧化硫； 若繼續燃燒則可得三氧化硫。 影響：二氧化硫會損害支氣管，使人咳嗽，呼吸困難。溶於雨水後， 即造成俗稱的酸雨，會侵蝕大理石建築，並改變土壤之酸鹼性，影 響生態。 3. 氮的氧化物： 來源：汽機車引擎內的燃燒溫度極高，使得空氣中的氧和氮於引擎 內發生反應，而產生氮的氧化物。 影響：最大害處是產生光煙霧，進而產生各種有刺激性、有毒性的 物質。而氮氧化合物亦會與臭氧作用，進而破壞臭氧層。亦是酸雨的 來源之一。 四.空氣污染的防治： 1.治本的方法：積極控制空氣中的污染源。 全面改用無鉛汽油，減少空氣中的鉛污染。

汽機車應定期作排放氣檢查。

以新冷媒取代會破壞臭氧層的氟氯碳化物。

2.治標的方法：訂定各種法律，嚴格管制工廠排放棄體，建立各 種污染物的測定與分析，如，在交通頻繁區或工業區設置一座一氧 化碳濃度顯示器，提醒我們空氣污染程度，以作警惕。