DSE 化學 · Topic I
地球
Planet Earth
地球的大氣、海洋和岩石礦物是 DSE 化學的入門課題，涵蓋分離方法、化學試驗、電解海水及石灰石反應。
01
大氣
Atmosphere
空氣組成、液態空氣分餾及工業氣體用途
核心考點
1. 空氣組成與分餾
考評提示：空氣成份百分比、分餾原理及沸點比較
- 空氣組成：N₂ (78%), O₂ (21%), Ar (0.9%), CO₂ (0.04%)。
- 液態空氣分餾原理：先液化空氣，再根據各成份沸點不同分離：N₂ (b.p. −196°C) 先蒸出，O₂ (b.p. −183°C) 後蒸出。
HKEAA 評卷員建議
2023 年
2. 大氣氣體的工業用途
考評提示：N₂/O₂/Ar 用途配對、氣體試驗方法
- N₂ 性質不活潑（N≡N 三鍵鍵能極高）→ 工業用途：食品包裝防氧化、焊接保護氣。O₂：醫療、鋼鐵冶煉。Ar：燈泡填充防鎢絲氧化。
- CO₂ 為溫室氣體，吸收紅外輻射→ 溫室效應。氧氣試驗：帶火星的木條重燃（glowing splint relit）。
- 稀有氣體用途：He 用於氣球（密度低且不燃）；Ne 用於霓虹燈（通電發出橙紅光）。
3. 燃燒、污染物與酸雨
考評提示：化石燃料燃燒產生的污染物及其影響
- 不完全燃燒產生 CO（有毒，與血紅蛋白結合）和碳微粒（引致呼吸問題）。
- 含硫雜質燃燒產生 SO₂；高溫下 N₂ 與 O₂ 反應產生 NOx。兩者皆可形成酸雨。
常見題型
描述液態空氣分餾的原理並解釋各成份的工業用途
- 原理：先壓縮冷卻液化空氣，再蒸餾分離——沸點較低的N₂先蒸出（−196°C），O₂後蒸出（−183°C）。
- N₂：化學不活潑（N≡N鍵能極高），用於食品包裝（防氧化）、焊接保護氣（防金屬被氧化）。
- O₂：支持燃燒和生命呼吸，工業上用於鋼鐵冶煉和醫療用途。
- Ar：惰性氣體，用於白熾燈泡填充（防鎢絲在高溫下氧化）及精密焊接保護。
解釋溫室效應的成因及 CO₂ 增加的影響
- CO₂（及 CH₄、H₂O 等）吸收地球輻射的紅外線，阻止熱量散逸至太空→溫室效應。
- 工業革命後大量燃燒化石燃料（煤、石油、天然氣）→大氣 CO₂ 濃度持續上升→溫室效應加劇→全球暖化。
- 影響：冰川融化、海平面上升、極端天氣增加。
- 對策：使用再生能源、提高能源效益、碳捕集技術。
描述常見大氣氣體的化學試驗方法
- 氧氣 (O₂)：使帶火星的木條重燃。
- 二氧化碳 (CO₂)：使石灰水變乳白色（白濁）。
- 水蒸氣 (H₂O)：使無水氯化鈷(II)試紙由藍色變粉紅色（或使無水硫酸銅(II)由白色變藍色）。
- 氫氣 (H₂)：使燃著木條發出「噗」一聲並熄滅。
比較氮氣與氧氣的化學活潑性並以結構解釋
- 活潑性：氧氣比氮氣活潑得多。
- 結構：氮分子內具 N≡N 三鍵，鍵能極高，極難斷裂，故性質不活潑。
- 應用：氮氣可用於保護易氧化的食品或化學品，而氧氣支持燃燒和呼吸。
舉例說明稀有氣體的用途及其性質的關係
- 氦 (He)：用於填充氣球和飛船；因為其密度比空氣低且性質極不活潑（安全）。
- 氖 (Ne)：用於製作霓虹燈；因為通電時會發出橙紅色的強光。
- 氬 (Ar)：填充電燈泡；因為性質不活潑，防止鎢絲在高溫下氧化。
設計實驗測量空氣中氧氣的體積百分比
- 步驟：將已知體積的空氣反覆通過加熱的銅粉（裝在針筒中）。
- 現象：紅棕色銅粉變為黑色（生成 CuO），氣體體積逐漸減少。
- 計算：減少的體積即為氧氣體積。百分比 = (體積減少量 / 初始體積) × 100%。
- 注意：銅粉必須過量，且需待裝置冷卻至室溫後才讀取最終體積。
解釋化石燃料燃燒產生的主要大氣污染物及其來源
- 二氧化硫 (SO₂)：來源於燃料中的含硫雜質燃燒；引起呼吸道疾病及酸雨。
- 氮氧化物 (NOx)：來源於汽車引擎高溫下 N₂ 與 O₂ 的化學反應；引起酸雨和光化學煙霧。
- 一氧化碳 (CO)：來源於燃料的不完全燃燒；與血紅蛋白結合導致中毒。
- 懸浮粒子：來源於不完全燃燒或建築工地；降低能見度及損害肺部。
分析酸雨的成因及對環境和建築物的影響
- 成因：大氣中的 SO₂ 和 NO₂ 溶解在雨水中形成 H₂SO₃/H₂SO₄ 和 HNO₃。
- 影響：使湖泊酸化，殺死水生生物；損害植物葉片，減少農作物產量。
- 建築物：侵蝕石灰石或大理石建築（CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + H₂O + CO₂）。
- 金屬：加速鐵製品腐蝕（生鏽）。
區分物理變化與化學變化在大氣相關過程中的例子
- 物理變化：液化空氣和分餾液態空氣；因為只是狀態改變，沒有新物質生成。
- 化學變化：燃料燃燒、銅粉與氧反應、酸雨侵蝕石灰石；因為有新物質（如 CO₂、CuO、Ca²⁺）生成。
- 能量：化學變化通常伴隨較大的能量變化（如放熱）。
解釋一氧化碳 (CO) 的毒性及其危險性
- 機制：CO 與紅血球中的血紅蛋白 (Haemoglobin) 結合的能力比氧氣強得多（約 200 倍）。
- 後果：減少血液輸送氧氣至全身的能力，導致細胞缺氧。
- 危險性：CO 是無色、無味、無臭的氣體，人體難以察覺。
- 預防：確保燃氣器具通風良好，安裝 CO 報警器。
描述減少汽車尾氣污染物的技術手段
- 催化轉化器 (Catalytic converter)：利用鉑/鈀/銠催化劑將 CO、NOx 和碳氫化合物轉化為 CO₂、N₂ 和 H₂O。
- 方程式示例：2CO + 2NO → 2CO₂ + N₂。
- 無鉛汽油：防止催化劑中毒（鉛會覆蓋催化劑表面）。
- 電動車：消除路邊尾氣排放。
比較全球暖化與溫室效應的關係
- 溫室效應：一種自然的現象，使地球保持適宜生命居住的溫度。
- 全球暖化：由於人類活動排放過多溫室氣體（如 CO₂），導致溫室效應加劇，地球平均氣溫異常上升。
- 主要溫室氣體：CO₂、CH₄、N₂O、CFCs 及水蒸氣。
- 後果：極端天氣趨於頻繁，全球生態平衡受威脅。
02
海洋
Ocean
海水成份、分離方法、化學試驗、電解海水及飲用水處理
核心考點
1. 海水分離方法
考評提示：分離法的適用情況（蒸發 vs 蒸餾 vs 過濾）
- 海水含多種溶解鹽（主要為 NaCl）。物理分離法：蒸發結晶（提取食鹽）；蒸餾（分離純水）；過濾（去除不溶性固體）。
2. 化學試驗與顏色變化
考評提示：焰色試驗顏色、氯化物試驗步驟、觀察與結論的區分
- 焰色試驗 (Flame test)：Na → 黃色；K → 丁香紫/淡紫；Ca → 磚紅色；Li → 深紅色；Ba → 蘋果綠；Cu → 藍綠色。
- 描述現象時不可寫化學品名稱。正確：看到「無色氣泡」產生；錯誤：寫成「有 H₂ 產生」（這是結論）。正確：寫「溶液由橙色變為無色」；錯誤：只寫「褪色」。
- 氯化物試驗：加 AgNO₃(aq) + 稀 HNO₃ → 白色 AgCl 沉澱。
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2023 年
3. 電解海水（氯鹼工業）
考評提示：陰極/陽極半方程式、產物及用途
- 電解濃 NaCl(aq)（氯鹼工業）：陰極：2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻；陽極：2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂。溶液變成 NaOH(aq)。Cl₂ 用途：製 PVC、漂白、消毒。NaOH 用途：製肥皂、紙漿。
4. 飲用水處理
考評提示：三步驟順序及各步驟功能，陷阱：氯化不能去除溶解物
- 飲用水處理三步驟：① 沉降 (Sedimentation)——靜置去除大顆粒；② 過濾 (Filtration)——砂礫去除懸浮物；③ 氯化 (Chlorination)——加 Cl₂ 殺菌。氯化只能殺菌，不能去除溶解重金屬（如 Pb²⁺）或溶解鹽。
常見題型
設計實驗從海水中製備純水並說明裝置細節
- 方法：簡易蒸餾 (Simple Distillation)。
- 沸石 (Anti-bumping granules)：防止溶液劇烈沸騰（暴沸），確保受熱均勻。
- 冷凝管 (Condenser)：水從「底入頂出」，確保冷凝管填滿水以達到最大冷卻效果。
- 溫度計位置：應置於蒸餾瓶支管口，以量度蒸氣的精確溫度（純水應為 100°C）。
比較「蒸發至乾」與「結晶」提取食鹽的差異
- 蒸發至乾 (Evaporation to dryness)：加熱至水分全乾；速度快，但晶體細小且含不揮發雜質。適用於溶解度隨溫度變化不大的鹽（如 NaCl）。
- 結晶 (Crystallisation)：加熱至「飽和」後自然冷卻；速度慢，但晶體較大且純度高。適用於溶解度隨溫度變化大的鹽。
- 安全：蒸發末期應停止加熱，利用餘熱烘乾，防止晶體飛濺（Spitting）。
解釋為何海水是混合物並描述電解產物的觀察
- 混合物證據：海水沒有固定的沸點，會在一個溫度範圍內沸騰；成分比例隨海域改變。
- 電解濃食鹽水：陽極（+）產生黃綠色、刺鼻氣味氣體（Cl₂）；陰極（-）產生無色、可燃氣體（H₂）。
- 酚酞測試：陰極附近溶液加入酚酞變粉紅色，證明生成了 NaOH(aq)。
描述檢驗海水中氯離子 (Cl⁻) 的步驟及化學方程式
- 步驟：取少量海水，加入稀硝酸 (HNO₃)，再加入硝酸銀溶液 (AgNO₃)。
- 觀察：產生白色沉澱。
- 離子方程式：Ag⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s)。
- 加入稀硝酸的原因：消除碳酸根 (CO₃²⁻) 等其他離子的干擾（防止生成 Ag₂CO₃ 沉澱）。
列舉並比較三種金屬離子的焰色試驗結果
- 鈉 (Na⁺)：金黃色。
- 鉀 (K⁺)：丁香紫色（需透過鈷藍玻璃觀察以濾去鈉的干擾）。
- 鈣 (Ca²⁺)：磚紅色。
- 步驟：將洗淨的鉑絲（或鎳鉻絲）蘸取樣本，置於本生燈非發光火焰（藍色火焰）中觀察。
詳細說明城市飲用水處理的三個主要階段
- 沉降 (Sedimentation)：加入明礬使雜質凝聚並沉降到水池底部。
- 過濾 (Filtration)：讓水通過砂礫層，去除剩餘的不溶性雜質（懸浮物）。
- 氯化 (Chlorination)：加入氯氣殺死水中的病菌，確保飲用安全。
- 注意：氯化不能去除溶解在水中的重金屬離子或有害化學物質。
解釋淡化海水的常用方法及其原理
- 蒸餾法 (Distillation)：將海水煮沸，冷凝收集純水蒸氣；原理是利用水與鹽的沸點差異。
- 逆滲透法 (Reverse Osmosis)：利用高壓使海水通過半透膜，阻擋鹽分而讓水分過。
- 優缺點：蒸餾法能耗高；逆滲透法需要昂貴的半透膜且需定期更換。
描述檢驗氯氣 (Cl₂) 的化學試驗
- 試劑：濕潤的藍色石蕊試紙。
- 觀察：試紙先變紅（生成 HCl 和 HOCl），隨即褪色變成白色（HOCl 的漂白作用）。
- 氣味：具刺鼻性（Pungent smell）。
- 顏色：黃綠色氣體。
分析在銀硝酸試驗中「觀察」與「結論」的分別
- 觀察：加入 AgNO₃ 後產生白色沉澱；不可直接說生成了 AgCl。
- 結論：樣本中含有氯離子 (Cl⁻)。
- 錯誤示例：觀察到白色 AgCl 形成（這混合了結論）。
- 規範：觀察應僅限於感官能覺察到的現象（顏色、狀態變化）。
解釋電解濃食鹽水時溶液 pH 值的變化
- 陰極反應：2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻。
- 原因：水分子在陰極被還原，產生氫氧根離子 (OH⁻)。
- 結果：陰極附近的溶液中 OH⁻ 濃度增加，導致 pH 值上升（變鹼性）。
- 驗證：加入酚酞指示劑，溶液會變為粉紅色。
討論海邊金屬設施比內陸更易生鏽的原因
- 成分：海水中含有大量溶解鹽（如 NaCl）。
- 原理：溶解鹽充當電解質，增強海水的導電性，加快了電化學腐蝕（生鏽）的速率。
- 條件：海邊空氣濕度高，且含鹽分的霧滴容易附著在金屬表面。
描述實驗室中處理硝酸銀和酸的安全守則
- 硝酸銀 (AgNO₃)：若接觸皮膚會留下黑斑（被還原為銀原子），應戴手套。
- 酸 (如 HNO₃)：具腐蝕性，應戴護目鏡，若濺到皮膚應立即用大量清水沖洗。
- 廢液處理：含銀廢液應收集於指定廢液瓶中，不應直接倒入水槽。
03
岩石和礦物
Rocks and Minerals
石灰石的化學反應鏈、金屬礦石提取及硬水的分類與軟化
核心考點
1. 石灰石反應鏈
考評提示：完整反應序列（熱分解→消化→石灰水測試→過量CO₂）
- 石灰石 (CaCO₃) 加強熱 → CaO + CO₂；CaO + H₂O → Ca(OH)₂（消石灰/熟石灰）；Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O（石灰水測試CO₂原理）。過量 CO₂：CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂（沉澱溶解）。
- 碳酸鈣試驗：加稀 HCl → 產生 CO₂ 氣泡，使石灰水變白濁（CO₂ 試驗）；Ca 焰色試驗：磚紅色。
HKEAA 評卷員建議
2023 年
2023 年
2. 金屬礦石提取
考評提示：活性與提取方法的對應關係
- 金屬礦石提取方式視活性而定：低活性（Au, Ag, Cu 有時）→ 天然形式存在或直接加熱；中等活性（Zn, Fe, Pb, Cu）→ 碳/CO 還原；高活性（Na, K, Ca, Mg, Al）→ 電解。
3. 硬水與軟化
考評提示：硬水定義、皂垢形成及軟化方法
- 硬水含有較高濃度的 Ca²⁺ 或 Mg²⁺。
- 與肥皂反應生成皂垢 (Scum)——不溶性的硬脂酸鈣/鎂；與合成清潔劑不生成皂垢。
- 軟化方法：① 煮沸（僅限暫時硬水）；② 加入蘇打 (Na₂CO₃)；③ 離子交換樹脂。
常見題型
描述石灰石受熱分解的實驗觀察及方程式
- 操作：強熱石灰石 (CaCO₃) 碎塊。
- 觀察：碎塊邊緣發出強光；產生氣體使石灰水變乳白色。
- 化學方程式：CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)。
- 產物性質：生成的 CaO（生石灰）是白色固體。
分析石灰石與稀鹽酸反應的過程及應用
- 反應現象：產生無色氣泡，石灰石逐漸溶解。
- 化學方程式：CaCO₃(s) + 2HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)。
- 應用：在實驗室製備二氧化碳氣體。
- 注意：不能使用稀硫酸，因為會生成微溶的 CaSO₄ 覆蓋表面阻礙反應。
詳述從「石灰石」轉化為「石灰水」的化學步驟
- 步驟一（分解）：加熱 CaCO₃ 生成 CaO（生石灰）。
- 步驟二（消化）：CaO 加入少量水，生成 Ca(OH)₂（消石灰）；反應劇烈放熱。
- 步驟三（溶解）：將 Ca(OH)₂ 溶於過量水中並過濾，得到的澄清濾液即為石灰水。
- 名稱辨析：生石灰 (CaO)、消石灰 (Ca(OH)₂)、石灰水 (澄清溶液)。
解釋石灰水測試二氧化碳時「先變乳白後變澄清」的原理
- 變乳白：CO₂(g) + Ca(OH)₂(aq) → CaCO₃(s) + H₂O(l)（生成不溶性碳酸鈣）。
- 變澄清：CaCO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(g) → Ca(HCO₃)₂(aq)（生成可溶性碳酸氫鈣）。
- 條件：通入「過量」的二氧化碳。
- 現象描述：溶液先變白濁，繼續通氣後白濁消失。
設計實驗鑑定一塊未知岩石是否為碳酸鹽礦石
- 試驗一：加入稀鹽酸 (HCl)。若產生使石灰水變乳白色的氣體，證明含有碳酸根離子。
- 試驗二：焰色試驗。若火焰呈磚紅色，則可能含有鈣離子 (Ca²⁺)，暗示可能是石灰石。
- 結論：若兩項皆符合，則該岩石很可能是碳酸鈣組成的。
分析自然界中鐘乳石和石筍的形成過程
- 侵蝕：含 CO₂ 的雨水與石灰石反應生成可溶性的 Ca(HCO₃)₂，溶洞隨之形成。
- 沉澱：含 Ca(HCO₃)₂ 的水滴下時，壓力降低或水分蒸發，反應逆向進行。
- 方程式：Ca(HCO₃)₂(aq) → CaCO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(g)。
- 結果：碳酸鈣固體重新沉澱並緩慢堆積成鐘乳石。
定義硬水並比較暫時硬水與永久硬水的分別
- 定義：含有高濃度 Ca²⁺ 或 Mg²⁺ 離子的水。
- 暫時硬水：含有碳酸氫鈣/鎂；可透過煮沸軟化（生成 CaCO₃ 沉澱）。
- 永久硬水：含有硫酸鈣/鎂或氯化鈣/鎂；不能透過煮沸軟化。
- 共通點：皆會與肥皂反應生成皂垢，降低清潔效能。
討論硬水對日常生活及工業的影響
- 生活：浪費肥皂（需先反應完 Ca²⁺）；在水壺內形成水垢 (Limescale)。
- 工業：鍋爐結垢會降低熱傳導效率，甚至導致鍋爐過熱爆炸。
- 優點：提供人體所需的鈣質；有研究指硬水可能有助預防心血管疾病。
解釋使用離子交換樹脂軟化硬水的原理
- 原理：將硬水通過含有鈉離子 (Na⁺) 的樹脂。
- 過程：水中的 Ca²⁺ 或 Mg²⁺ 被樹脂吸附，同時釋放出等電荷量的 Na⁺ 到水中。
- 方程式：2Na⁺(Resin) + Ca²⁺(aq) → Ca²⁺(Resin) + 2Na⁺(aq)。
- 再生：失效後可用濃食鹽水 (NaCl) 沖洗樹脂，使其重新載滿 Na⁺。
比較金屬活性與提取方法的關係並舉例
- 高活性（K, Na, Mg, Al）：性質穩定，需用電解法 (Electrolysis) 提取。
- 中活性（Zn, Fe, Pb, Cu）：可用碳或一氧化碳還原 (Reduction by carbon) 提取。
- 低活性（Ag, Au）：以天然形式存在，或只需直接加熱氧化物即可提取。
- 原理：活性越高，其化合物越穩定，越難被還原。
解釋為何鋁的提取比鐵困難且昂貴
- 活性：鋁比鐵更活潑，其氧化物 (Al₂O₃) 極穩定，不能被碳還原。
- 方法：鋁需使用電解熔融鋁礦 (Bauxite)；鐵只需在高爐中用焦炭還原。
- 能耗：電解過程消耗大量電能，且需加熱使固體熔化，成本極高。
- 歷史：因此鋁被大規模工業提取的時間比鐵晚得多。
討論開採金屬礦石對環境造成的影響
- 生態：開採過程破壞植被，導致棲息地喪失和生物多樣性減少。
- 污染：冶煉過程中釋放有害氣體（如 SO₂ 導致酸雨）和粉塵。
- 水質：礦石洗滌水可能含有重金屬，若處理不當會污染地下水。
- 對策：推廣金屬回收利用，減少對原生礦石的依賴。
