地球 / 子課題
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 (Knowledge Groups)
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 · scoring points
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。
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關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
