歡迎來到地球：你的化學探險之旅！
哈囉各位同學！歡迎來到「地球的化學世界」單元的學習筆記。想想我們身邊的世界——腳下的岩石、鹹鹹的海洋、你呼吸的空氣。這一切都是由化學物質組成的！在這個章節裡，我們會扮演化學偵探。我們會學習如何辨識在岩石和海洋中常見的一些物質，然後探索化學家如何運用出色的技術來分離混合物，並從中取得純淨、有用的物質。這點非常重要，因為無論是我們洋芋片上的鹽，還是純淨的飲用水，都是透過這些方法得到的。快點開始吧！
第一部分：重溫基礎 – 快速回顧
不用擔心你可能忘記了一些基本概念！這裡有個簡單又快速的溫習，幫助你快速進入狀態。理解這些基本概念，是掌握這個單元其餘部分的關鍵。
元素、化合物與混合物
想像你有一碗樂高積木。
• 元素：就好比一堆只有紅色積木。你無法將它們分解成更簡單的物質。(例如：氧、鐵、鈣)
• 化合物：當你將不同顏色的積木以固定的方式拼砌在一起，組合成一件特定的東西，好比一輛小汽車。這些積木是經過化學鍵合的。(例如：水 ($$H_2O$$)、鹽 (NaCl)、碳酸鈣 ($$CaCO_3$$))
• 混合物：這就是你將一堆不同的積木以及已經組裝好的樂高車，全部丟入一個大箱子裡面。它們只是混合在一起，但並沒有化學結合。你可以輕易將它們分開。這就是我們會學習如何分離的對象！(例如：海水 (鹽、水及其他礦物質的混合物)、岩石 (不同礦物的混合物))。
溶液：溶解的奧秘
當你將鹽溶於水中，它好似消失了！你就製成了一個溶液。
• 溶質：被溶解的固體。(例如：鹽)
• 溶劑：用來溶解的液體。(例如：水)
• 溶液：溶質溶解於溶劑中形成的最終混合物。(例如：鹽水)
• 飽和溶液：在特定溫度下，無法再溶解更多溶質的溶液。它已經「滿」了！
第二部分：地球的寶藏 – 岩石與礦物
地殼就好比一個巨大的化學寶庫。我們以礦物的形式找到這些化學物質，而這些礦物組合在一起就形成了岩石。
岩石與礦物是什麼？
• 礦物是天然存在、具有特定結構的固態化合物。你可以將它們想像成純淨的原材料。
• 岩石就是一種或多種不同礦物的混合物。它們就好比用不同材料製成的蛋糕。
你需要認識一種很重要的礦物，就是碳酸鈣 ($$CaCO_3$$)。
碳酸鈣：岩石界的巨星
這種化合物隨處可見！它有不同的形態，但都是同一種化學物質。
• 石灰岩：一種常見的岩石，用於建築，製作水泥。
• 大理岩：一種美麗、較硬的岩石，由石灰岩在地球深處受熱與擠壓形成。用於雕塑及華麗的地板。
• 粉筆 (白堊)：一種柔軟、白色的岩石，由微小海洋生物的化石殼組成。沒錯，就是黑板上用的那種！
你知道嗎？
英國著名的多佛白崖，幾乎完全由數百萬年前生存的微觀海洋生物所形成的白堊組成！
碳酸鈣的測試
我們如何證明一塊岩石是石灰岩呢？我們會做兩個簡單的測試！
1. 測試碳酸根部分 ($$CO_3^{2-}$$)：
碳酸鹽會與酸反應，產生二氧化碳氣體。我們可以測試這種氣體。
• 步驟 1：將幾滴稀鹽酸加入一小塊岩石上。
• 觀察：你會看到氣泡 (冒泡)！這裡有氣體正在產生。
• 步驟 2：為了證明產生的氣體是二氧化碳，將它通入石灰水 (氫氧化鈣溶液) 中。
• 陽性結果：石灰水會變渾濁或呈乳白色。這就是二氧化碳的經典測試！
文字方程式是：
碳酸鈣 + 鹽酸 → 氯化鈣 + 水 + 二氧化碳
2. 測試鈣離子部分 ($$Ca^{2+}$$：)
我們會用火焰試驗。不同的金屬離子燃燒時會發出不同、漂亮的顏色。
• 步驟 1：將潔淨的鐵線環 (通常是鎳鉻或鉑) 浸入濃鹽酸，然後再沾取少量岩石粉末樣本。
• 步驟 2：將鐵線環放入本生燈火焰最熱的部分。
• 陽性結果：如果是鈣，你會看到磚紅色火焰！很漂亮！
岩石與礦物的重點歸納
岩石是礦物的混合物。石灰岩、大理岩與粉筆都是碳酸鈣這種礦物的不同形態。我們可以透過加入酸 (測試碳酸根) 與火焰試驗 (測試鈣離子) 來測試它。
第三部分：化學家的工具箱 – 分離技術
好了，到重點了！大多數有用的物質都以混合物形式存在，好比海水裡的鹽，或者沙與鹽混合在一起。為了得到我們想要的純淨物質，我們就需要將它們分離。所有這些方法都是物理變化——不會有新的物質形成！
過濾法：篩選術
這可能是最簡單的技術。想像一下好比用篩子篩走麵粉裡的顆粒，又或者用濾網隔開義大利麵的水。
• 何時用：用來分離不溶於水的固體 (不會溶解的固體) 與液體。
• 經典例子：將沙與水分離。
過濾法一步一步來：
1. 取一張濾紙，將它摺成圓錐形。
2. 將圓錐形濾紙放入漏斗中，然後將漏斗放在燒杯或錐形瓶上方。
3. 將你的混合物 (例如：沙水) 慢慢倒入濾紙裡面。
4. 液體 (水) 會穿過濾紙上微小的孔隙，並收集在燒杯中。這個收集到的液體叫做濾液。
5. 固體 (沙) 因為太大而無法穿過，會被困在濾紙裡面。這個被困住的固體叫做濾渣。
快速回顧小貼士
過濾法適用於：不溶固體 + 液體
你會得到：濾渣 (固體) 與濾液 (液體)。
結晶法：製備純淨晶體
這種方法非常適合用來從已溶解的物質中獲取純淨的固體樣本。它比單純將所有水煮乾要溫和得多。
• 何時用：用來分離可溶於水的固體 (會溶解的固體) 與溶劑，特別是當固體可能會被過高溫度損壞的時候。
• 經典例子：從溶液中獲取純淨的硫酸銅(II) 晶體。
結晶法一步一步來：
1. 將溶液放入蒸發皿中，輕輕加熱，將部分溶劑蒸發。目標是使溶液變得更濃縮。
2. 繼續加熱，直到溶液變得飽和。要檢查是否飽和，可以將玻璃棒浸入溶液中，然後取出冷卻。如果玻璃棒上形成細小晶體，就代表準備好了！
3. 熄火，讓蒸發皿慢慢冷卻。不要心急這個步驟！
4. 當溶液冷卻時，固體的溶解度會降低，並開始形成純淨、漂亮的晶體。
5. 晶體冷卻後，你可以用過濾法將它們與剩餘的液體分離。
6. 用少量冷的蒸餾水清洗晶體，然後讓它們風乾。
要避免的常見錯誤
不要將溶液煮到完全乾透！如果你加熱太多，只會得到粉末，而不是漂亮的晶體。對於某些化學物質來說，強烈的加熱亦會導致它們分解。
蒸餾法：回收液體
如果你想保留液體溶劑而不是固體怎麼辦呢？又或者你兩種都想保留？那麼你就需要蒸餾法了！
• 何時用：用來分離液體溶劑與已溶解的溶質。
• 原理：它的原理是溶劑與溶質有非常不同的沸點。水的沸點是100°C，但鹽的沸點超過1400°C！
• 經典例子：從海水中獲取純淨的水 (這個過程叫做海水淡化)。
蒸餾法一步一步來：
1. 將混合物 (例如：海水) 在蒸餾瓶中加熱。
2. 水達到沸點 (100°C) 並變成蒸氣，將鹽留下。(這是蒸發過程)。
3. 蒸氣上升並進入一個叫做冷凝管的裝置。冷凝管有一個冷卻外套，有水不斷流經。
4. 當熱蒸氣接觸到冷凝管冰冷的內表面時，它會冷卻並變回純淨的液態水。(這是冷凝過程)。
5. 純淨的液態水會滴落並收集在燒杯中。這種純淨、收集到的液體叫做餾出液。
分離技術的重點歸納
這些技術是根據溶解度與沸點等物理性質來分離混合物。過濾法用來分離不溶於水的固體。結晶法用來獲取純淨的可溶性固體。蒸餾法則用來獲取純淨的液體溶劑。
第四部分：按需求選擇合適方法
在考試中，你可能會被要求選擇分離特定混合物的最佳方法。不用怕！只需問自己兩個問題就可以了。
問題一：固體是否溶解在液體中？
• 否 (它是不溶於水的固體，好比沙在水中)：答案永遠都是過濾法。
• 是 (它是可溶於水的固體，好比鹽在水中)：那麼就去問題二！
問題二：你想保留什麼？
• 「我想從溶液中得到純淨的液體。」
答案是蒸餾法。(例如：從墨水中獲取純水)。
• 「我想從溶液中得到溶解的固體。」
你有兩個選擇：
→ 使用結晶法，如果你想要高純度的晶體，或者固體對熱敏感。這通常是從溶液中獲取固體的最佳答案。
→ 你也可以使用蒸發法 (加熱直到所有液體蒸發)，但這個方法比較粗略，只會得到粉末，而且有分解固體的風險。
最終總結表格
技術
過濾法
結晶法
蒸餾法
蒸發法
分離...
不溶固體與液體
可溶固體與溶劑
溶劑與可溶固體
可溶固體與溶劑
以獲取...
固體 (濾渣) 和液體 (濾液)
純淨的晶體固體
純淨的液體溶劑 (餾出液)
單獨的固體 (粉末狀)
就這麼多！你已經學會如何辨識地球上的一些主要物質，以及化學家如何巧妙地將它們分離。記得練習繪畫過濾法與蒸餾法的裝置圖，並試著多想想現實生活中的例子。你一定可以的！