課題一：地球 — 大氣層

同學您好！歡迎來到「地球」單元的第一部分學習筆記。您有沒有停下來思考過，其實您現在吸入的空氣是什麼呢？我們很容易就忽略了它的存在，但這種肉眼看不到的氣體混合物，對地球上所有生命都非常重要。在這個章節，我們會一起探討大氣層由什麼組成、如何將其中最重要的氣體分開，以及如何證明我們得到的是純氧。這是理解我們身邊奇妙化學世界的第一步。事不宜遲，開始吧！


1. 空氣的組成

首先要說明清楚：空氣並不是單一物質。它是由不同氣體組成的混合物。混合物的意思是，不同的元素或者化合物只是簡單地混合在一起，而沒有發生化學反應。想像一下一碗什錦果仁——杏仁、核桃、腰果都在同一個碗裡，但它們都還是獨立的果仁。空氣也是如此，不過是氣體版本而已。


潔淨、乾燥空氣的主要成分包括：

• 氮氣 (N₂): 約 78%
• 氧氣 (O₂): 約 21%
• 氬氣 (Ar): 約 0.9%
• 二氧化碳 (CO₂): 約 0.04%

空氣中亦有少量其他氣體，稱為微量氣體，例如氖氣和氦氣，還有含量不定的水蒸氣。

記憶小貼士！

想記住主要氣體含量由多至少的次序，可以思考這句：「Nice Old Animals Chat」（「很Nice的老OuldAnimals聊天Chat」）。這個口訣對應著：Nitrogen (氮氣)、Oxygen (氧氣)、Argon (氬氣)、Carbon dioxide (二氧化碳)。

學習重點

空氣是混合物，並不是純物質。它的主要成分是氮氣（約78%），其次是氧氣（約21%）。


2. 從空氣中分離氣體

由於氮氣和氧氣有許多重要用途（例如：氧氣用於醫院和焊接、氮氣用於食物包裝以保持新鮮），所以我們需要方法將它們從空氣中分離出來。工業上用來做這個的方法叫做液態空氣分餾法。

不用擔心，就算聽起來很複雜，它的主要原理其實很簡單！

核心原理：沸點差異

分餾法之所以有效，是因為空氣中不同的氣體由液態變回氣態的溫度都不同。這個溫度就叫做沸點。

類比：想像您有一種混合物，裡面有水（沸點100°C）和純酒精（沸點78°C）。如果您輕輕加熱這種混合物，酒精會首先沸騰並變成蒸氣。您可以收集這些蒸氣，然後冷卻它們以得到純酒精，而水就會留在後面。我們對液態空氣也是做同樣的事情，只不過是在極低溫下進行而已！

分步講解：空氣的旅程

整個過程主要分為兩個階段：

階段一：將空氣變成液體

1. 過濾空氣：首先，空氣會通過過濾器，以去除灰塵顆粒。
2. 去除水及二氧化碳：然後，空氣會被冷卻到約-80°C。在這個溫度下，水蒸氣會凝結成冰，而二氧化碳則會變成固體（乾冰）。它們必須被去除。
3. 壓縮與冷卻：潔淨、乾燥的空氣會被壓縮到極高壓力，這個過程會使空氣變熱。之後，它會被允許迅速膨脹，使它變得極之寒冷。這個過程會重複進行，直到空氣變得夠冷（約-200°C），轉化成淺藍色的液體。

您知道嗎？
我們必須去除水和二氧化碳，如果不然，在所需的低溫下，它們會凝固成固體，堵塞機器內部的管道！


階段二：分離液態空氣（分餾法）

液態空氣會被泵入一個高塔的底部，這個高塔叫做分餾塔。這個塔底部比較暖，越向上就越冷。

以下是需要記住的主要沸點：

• 氮氣: -196°C (最低沸點)
• 氬氣: -186°C
• 氧氣: -183°C (最高沸點)

負數小貼士：「越大」的負數（例如-196），代表越冷，所以它是最低的溫度。

以下是分餾塔裡面發生的事：

1. 液態空氣在分餾塔底部會被輕微加熱。

2. 沸點最低的氮氣（-196°C）會首先沸騰。它會轉化成氣體，並上升到寒冷的分餾塔頂部被收集。

3. 沸點最高的氧氣（-183°C）會維持液態較長時間。它會流到分餾塔底部，以液態形式被收集。

4. 氬氣的沸點介乎於氮氣和氧氣之間，所以它會上升到分餾塔的中間部分，再轉回液體並在那裡被收集。


學習重點

空氣中的氣體是透過分餾法分離的。這個方法有效，是因為每種氣體都有不同的沸點。氮氣的沸點最低，會在分餾塔的頂部被收集；而氧氣的沸點最高，則會在底部被收集。


3. 氧氣的化學檢驗

那麼您分離了一種氣體，還覺得它是氧氣。如何可以確定呢？化學家會用一種簡單而可靠的化學測試，叫做餘燼試驗。

步驟：餘燼試驗

1. 在試管裡面收集您想要測試的氣體樣本。

2. 拿一支木條，用火焰點燃它。

3. 輕輕吹熄火焰。木條尖端應該還是紅色和發光的。這個時候，它就是一支餘燼。

4. 立即將帶有餘燼的木條末端放入裝有氣體的試管口。

氧氣的陽性結果

如果氣體是氧氣，餘燼會復燃，重新冒出火焰！

為什麼會這樣？

氧氣本身不會燃燒，但它是物質燃燒所需的（它助燃）。帶有餘燼的木條仍然很熱，當它放入高濃度的純氧中時，它有足夠的燃料（木材）和氧氣再次燃燒。

木條燃燒的文字方程式是：

碳（來自木材）+ 氧氣 → 二氧化碳


快速回顧：常見錯誤提點！

確保您用的是餘燼，而不是正在燃燒的木條。如果是正在燃燒的木條，它只會在氧氣中燒得更旺，那樣就比較難判斷。而餘燼復燃是一個更清晰、更明確的測試！


學習重點

氧氣的檢驗方法是將一支餘燼放進去。陽性結果就是餘燼復燃。