單元壹:認識物質的世界

一、 物質的意義

()何謂物質:

1.物質是指地球表面的所有「天然物質」,如:土壤、岩石、水、空氣…等,以及人類利用這些天然物質,製造出來的「加工物質」,例如:紙、布、汽油、塑膠…等。

2.我們能感覺得到物質的存在,主要是因為物質具有兩大特性:

(1)占有空間:物質都具有體積,故占有一定的空間。

(2)具有質量:物質中所含物質的量,同體積不同的物質;所含的質量不相同。

()物質的基本量:

1.基本物理量:在物理學上的三大基本量為長度、質量、時間。物理量皆可以藉由儀器加以測量觀察。

2.物質具有可以測量的特性:我們可以使用量筒來測量液體的體積,此體積即是該液體所占有的空間大小;我們可以用天平測量物質所具有的質量,物質具有這些物理學上可供測量的基本量。

 

二、 物理性質與化學性質

1.我們可以藉由感官來觀察物質的性質,例如方糖的形狀是立方體、白糖的味道是甜的、糖可以溶於水中等性質。

2.人類觀察物質所得到的許多特性,為了便於分析整理,故將這些不同的性質依其本質是否改變,可分為物理性質和化學性質兩類。

()物理性質:

1.物理性質:不改變物質原本的性質,而以觀察、測量或其他方法,描述出物質的性質,稱為物理性質。

2.例如:顏色、形狀、氣味、體積、質量、密度、硬度、沸點、熔點、導電性、導熱性等,物質之【三態變化】、物質的【溶解度】也是物理變化。

3.觀察物質的物理性質並不會改變其本身的性質,例如:銀的導電性和導熱性極佳,當我們實地取銀金屬通以電流測試其導電性或加熱測試其導熱的速率後,銀金屬在觀察後本質並未發生任何改變。

()化學性質:

1.化學性質:描述一種物質與其他物質作用後,變成另一種新物質的性質,此現象稱為化學性質。

2.例如:物質的可燃性、助燃性、安定性、腐蝕性和氧化活性…等。說明如下:

(1)沒有甜味的食物(如米飯),在口中咀嚼一段時間後會出現甜味,這是因為米飯所含的【澱粉轉變成糖】。

(2)將【二氧化碳通入澄清石灰水,經過一段時間後會產生白色沉澱】。

(3)日常生活中具有可燃性的物質,例如木炭、去漬油等,可以在空氣中點火【燃燒】。

(4)有些家庭中的藥物和實驗室的化學藥品,受到光線照射容易變質,所以製造商會以深色瓶子或不透光的容器盛裝,以延長這些物質的有效使用期限。

 

三、 物質的分類

()純物質與混合物:

1.純物質:物質具有固定的組成和一定的物理及化學性質者,稱為純物質。

(1)例如:純水於1大氣壓下,沸騰時沸點固定在100熔化時溫度固定00密度必為1g/cm3,純水電解後產生的氫和氧體積比為21,故純水屬於純物質

(2)純物質包含『元素和『化合物

(3)元素:構成物質最簡單的單元,無法再用化學或物理方法分解成兩種以上的物質。

(4)化合物:由兩以上的元素依經化學變化組合而成(簡稱化合)。

2.混合物:混合物的組成無一定的成分比例,由兩種以上的純物質以任意比例混合,混合物中的成分物質仍【具有其原來的特有性質】。

(1)混合物的性質不固定,例如沸點不固定,當混合物在沸騰時,溫度仍會上升,故沸點有一個範圍而非一個定值。

(2)如:空氣、合金、水溶液等物質皆為混合物,組成混合物的成分物質無一定的比例,故表現出來的物理性質或化學性質也不一定。

(3)食鹽水的密度不固定(濃度愈大則密度愈大),且沸騰時沸點不在一定點溫度上(溫度會持續上升),故水溶液皆為混合物。

()粗鹽的精製:

1.實驗說明:粗鹽水溶液流經濾紙後,可發現粗鹽水溶液至少含有兩類以上的物質,一類是留在濾紙上的雜質,另一類則是可以透過濾紙纖維縫隙的食鹽水。由此可知粗鹽是混合物

2.實驗目的:瞭解並證明粗鹽及其水溶液是混合物,熟悉並運用分離物質的方法,如:溶解過濾法和結晶法。

3.實驗步驟:

(1)溶解過濾法:粗鹽中含食鹽和細砂顆粒,因兩者對水的溶解度不同,用瀘紙過瀘法將食鹽和沙粒分離,証明粗鹽是混合物(如圖一):

(2)操作時注意以玻璃棒緊貼於燒杯口,利用溶液與玻棒之間的附著力使水溶液能準確倒入漏斗中。

(3)玻棒末端緊貼濾紙摺疊處以防濾紙翹起造成空隙,避免雜質由空隙流失。

(4)漏斗頸下端須緊貼燒杯內壁,目的是防止濾液濺出

(5)結晶法:過瀘後的液體可用結晶法得到精鹽,因食鹽的沸點不同,故在加熱後分離,由此可証明食鹽水是混合物 (如圖二所示)

(6)食鹽水加熱沸騰後,因食鹽的沸點較高,當水完全汽化後,殘留在蒸發皿中的是食鹽結晶。

4.等量的粗鹽中,所含的雜質多寡,不一定相同,兩杯任意調配的食鹽水中,食鹽和水的比例也不一定相同。

5.粗鹽和食鹽水的成分或組成並不固定的物質,稱為混合物。

 

四、 分離物質的方法

()分離混合物:

1.混合物的成分並未發生粒子間的鍵結現象,亦即未發生化學鍵結,故組成混合物的各種物質分子結構並未改變,因此欲分離混合物只需物理方法即可。

2.所謂物理方法,包括溶解過濾法、結晶法、蒸餾法、濾紙色層分析法(簡稱層析法)…等,這些方法在分離物質的過程中物質仍保留原本的特性,並未發生化學反應。

3.利用物理方法通常可藉各純物質的特性,由混合物中將不同的純物質分離出來,再選擇適當的方法加以分離。

(1)溶解過濾法:利用不同物質對水的溶解度不同以達到分離物質的目的,稱為溶解過濾法。

(2)結晶法利用沸點高低不同,讓沸點較低的物質先汽化以收集沸點較高的物質,稱為結晶法。

(3)蒸餾法利用沸點高低不同,使沸點較低的物質汽化,再以冷凝裝置收集沸點較低的物質,稱為蒸餾法。

(4)濾紙色層分析法:又名層析法,其原理是利用不同物質對濾紙(或藉以分離的物質)的附著力不同以分離物質

()墨水的蒸餾:

1.蒸餾法與結晶結的原理相同,都是利用不物質的沸點不同,以汽化的先後順序來分離物質。

2.墨水是顏料溶於水配製而的水溶液,是為混合物質,其成分物質的沸點高低不同,故可利用此一特性分離水和顏料。

3.常壓下水的沸點是100,溶於水中的顏料無論高於或低於100,只要不是100,皆可達到分離水及顏料的目的。

4.實驗裝置:(如圖一所示)

(1)將藍色墨水置於蒸餾瓶中加熱,蒸餾瓶上端裝置溫度計,注意溫度計下端感溫球恰好位於支管處,以測得水蒸氣凝結溫度。

(2)李必氏冷凝管:讓水蒸氣通過李必氏冷凝管,使水蒸氣遇冷凝結成液體,
最後留入右側燒杯中,是為蒸餾水。

(3)可用藍色氯化亞鈷試紙檢驗,若試紙遇水則由藍色變為粉紅色。以蒸餾法製得的水純度極高,可視為純水。

(4)藍色墨水經蒸餾後可將純水分離,而配製墨水的藍色顏料則留在蒸餾瓶內,如此可證明藍色墨水是混合物

(5)在蒸餾的過程,水的沸騰屬於三態變化中的汽化,需要大量的熱能,故蒸餾為吸熱的物理反應。

()墨水的色層分析:

1.此法在證明藍色墨水中的顏料是由數種不同顏色的物質混合而成,進而證明藍色墨水為混合物。

2.濾紙色層分析法:此法的原理是利用不同物質對濾紙的附著力不同,擴散的速率亦不相同,藉此來分離墨水中的不同顏料。

3.取一張濾紙在中心滴一滴藍色墨水,見藍色墨水由濾紙中心均勻向外擴散,隔數秒鐘後再滴一滴藍色墨水,反覆上述動作直到濾紙出現多層色環為止。(如圖二所示)

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