安息日會青年榮譽解答手冊/健康與科學/化學

化學
健康與科學總會	技能等級 2
健康與科學總會	介紹年份：1937

化學榮譽是健康大師獎的一部分。

1. 定義以下術語

a. 元素

一類物質，不能透過化學方法分離成更簡單的物質，所有這些基本物質元素首先由恆星重新形成、改變和擠出。比如鐵。

b. 化合物

由兩種或多種元素組成的均勻物質。例如鋼（定義了許多不同的鐵和主要成分為碳的類似化合物），也被定義為合金（金屬化合物材料）。

c. 化學符號

每個元素都用一個或兩個字元的縮寫表示，這些字元代表元素的名稱。第一個字元始終大寫，如果存在第二個字元，則始終小寫。

H 代表氫

He 代表氦

Li 代表鋰

C 代表碳

有些符號不代表現代名稱，而是原始名稱。

Ag 代表 argentum（拉丁語）或銀

Au 代表 aurum（拉丁語）或金

W 代表 wolfram（德語）或鎢

地球上自然存在 94 種元素，還有 17 種元素是在原子加速器中創造出來的，它們的半衰期非常短。另外有 7 種元素已被報道，但它們仍處於確認/命名階段。所有這些元素都使用“元素週期表”進行組織，該週期表是由德米特里·門捷列夫建立的。

d. 溶液

兩種或多種不發生化學反應的物質的混合物。如果你將糖、鹽或其他物質溶解在水中，你就在製造溶液。

e. 原子

原子是物質的基本組成部分。原子的大小範圍從 0.5Å 到 24Å。（Å 是表示稱為埃的測量單位的符號。一根金髮的直徑在 170,000Å 到 500,000Å 之間，一根黑髮的直徑在 560,000Å 到 1,810,000Å 之間）

原子主要由空隙組成，但由於電子運動速度非常快，我們觸控到的物質會感覺非常堅固。氫是最簡單的原子，它由一個質子和一個電子組成。原子的經典模型是想像電子繞中心質子運轉。如果我們用一個籃球來製作這個原子的模型，那麼電子的大小就相當於一粒鹽，並且它會在 40,000 英尺的距離上繞行。

我們無法用普通顯微鏡直接觀察原子。光波長在 4,000Å 到 7,000Å 之間，大約是原子直徑的 1000 倍。由於光波長太長，它幾乎沒有與原子相互作用。可以使用 X 射線（中子或電子）束（它們的波長遠小於光）來“觀察”原子的中心，並確定原子周圍電子雲的位置，這些技術包括X 射線晶體學、中子晶體學或電子晶體學。或者可以使用掃描隧道顯微鏡。

f. 分子

兩個或多個相互鍵合的原子。

g. 元素週期表

化學元素週期表是顯示化學元素的表格方法。該表格說明瞭元素性質中的週期性（週期性）趨勢。

族 →

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

↓ 週期

1

1
H

2
He

2

3
Li

4
Be

5
B

6
C

7
N

8
O

9
F

10
Ne

3

11
Na

12
Mg

13
Al

14
Si

15
P

16
S

17
Cl

18
Ar

4

19
K

20
Ca

21
Sc

22
Ti

23
V

24
Cr

25
Mn

26
Fe

27
Co

28
Ni

29
Cu

30
Zn

31
Ga

32
Ge

33
As

34
Se

35
Br

36
Kr

5

37
Rb

38
Sr

39
Y

40
Zr

41
Nb

42
Mo

43
Tc

44
Ru

45
Rh

46
Pd

47
Ag

48
Cd

49
In

50
Sn

51
Sb

52
Te

53
I

54
Xe

6

55
Cs

56
Ba

57
La

58
Ce

*

72
Hf

73
Ta

74
W

75
Re

76
Os

77
Ir

78
Pt

79
Au

80
Hg

81
Tl

82
Pb

83
Bi

84
Po

85
At

86
Rn

7

87
Fr

88
Ra

89
Ac

90
Th

**

104
Rf

105
Db

106
Sg

107
Bh

108
Hs

109
Mt

110
Ds

111
Rg

112
Cn

113
Uut

114
Uuq

115
Uup

116
Uuh

117
Uus

118
Uuo

* 鑭系元素

59
Pr

60
Nd

61
Pm

62
Sm

63
Eu

64
Gd

65
Tb

66
Dy

67
Ho

68
Er

69
Tm

70
Yb

71
Lu

** 錒系元素

91
Pa

92
U

93
Np

94
Pu

95
Am

96
Cm

97
Bk

98
Cf

99
Es

100
Fm

101
Md

102
No

103
Lr

元素週期表的化學系列
鹼金屬²	鹼土金屬²	鑭系元素¹²	錒系元素¹²	過渡金屬²
貧金屬	類金屬	非金屬	鹵素³	惰性氣體³

¹錒系元素和鑭系元素統稱為“稀土金屬”。 ²鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、錒系元素和鑭系元素統稱為“金屬”。 ³鹵素和惰性氣體也是非金屬。

在標準溫度和壓力下的狀態

原子序數為藍色的元素在STP下不存在
原子序數為紅色的元素在標準溫度和壓力 (STP)下為氣體
原子序數為綠色的元素在STP下為液體
原子序數為黑色的元素在STP下為固體

自然存在

具有實線邊框的元素具有比地球更古老的同位素 (原始元素)
具有虛線邊框的元素自然產生於其他化學元素的衰變，並且沒有比地球更古老的同位素
具有點線邊框的元素是人工製造的 (合成元素)

未知性質

具有青色背景的元素具有未知的化學性質。

h. 燃燒

我們通常使用“燃燒”一詞來描述燃料與氧化劑（通常是氧氣）快速結合的化學過程，即燃燒。這個過程通常與火焰、光、熱和煙霧有關。

i. 酸

“酸”這個詞來自拉丁語 acidus，意思是酸的。在化學早期，人們習慣於品嚐或聞氣味並記錄感覺。許多酸性物質是酸的。檸檬汁因為其中含有檸檬酸而呈酸味。

由於許多物質可能有毒，這可能導致許多化學家死亡，包括著名的科學家漢弗萊·戴維，他提出瞭解釋酸本質的理論。

戴維的假設是，酸是含有可置換氫的物質。這種氫可以被金屬置換，這個反應會留下鹽。

2HCl + Zn → ZnCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ → H₂ + FeSO₄

j. 鹽

鹽是指離子化合物的固態形式，例如氯化鈉 (Na⁺Cl^-) 或氫氧化鉀 (K⁺(OH)^-)。

k. 質子

一個帶正電的粒子，是原子核的一部分。質子的質量為 $1.67\times 10^{-27}$ kg。一立方厘米的水包含 $6.02\times 10^{24}$ 個質子，這些質子構成氫和氧原子的原子核。氫的中心有一個質子，而氧有 8 個質子。

l. 中子

一個不帶電的粒子，是原子核的一部分。中子的質量為 $1.67\times 10^{-27}$ kg。當我們觀察水時，我們發現它是由氫和氧組成的。氫沒有中子，但每個氧原子有 8 箇中子。

中子由一種被稱為“弱相互作用力”的力量束縛在一起。自由中子衰變的半衰期約為 10.3 分鐘，衰變為質子、電子和電子中微子。在原子核內，由於另一種被稱為“強相互作用力”的力量，中子非常穩定。

m. 電子

一個帶負電的粒子，其質量為 $9.11\times 10^{-31}$ kg。電子在帶正電的原子核周圍形成雲層。

n. 蒸餾

蒸餾是指將液體加熱至沸騰並收集冷凝蒸汽，是一種根據不同沸點分離組分的有效技術。蒸餾分離兩種易揮發液體，其中更易揮發組分更純淨。沸點相差越大，蒸餾越有可能成功。沸點越低，化合物越易揮發，因此越快汽化。成功還取決於粒子之間的相互作用，因為兩種溶解在彼此中的不同液體很可能形成共沸物。如果發生這種情況，液體和氣相將具有相同的組成，因此沸騰不會導致進一步分離。

o. 分餾

分餾是一種技術，其中在同一塔內進行多次蒸餾，並由某種多孔介質進行介導。它允許分離沸點比簡單蒸餾更接近的物質，並且使相同溶液的蒸餾更加有效。由於幾個因素，分餾與簡單蒸餾相比，可獲得更好的分離效果。其中之一是蒸餾柱通常用銅、鋼絲或玻璃珠填充。這增加了表面積，使得蒸汽和冷凝物之間的熱量交換能夠實現高效和連續的汽化和冷凝。

p. 過濾

過濾是一種技術，其中將固體沉澱物（或固體廢物）與液體分離。將混合物放置在濾紙上，濾紙允許液體透過，留下固體。通常，首先將液體加熱到一定溫度，以使液體中幾乎沒有固體溶解，從而使分離更加有效。這種過濾可以使用重力進行，也可以使用吸力。

2. 哪些氣體可以使生命熄滅，以及如何熄滅？解釋一種化學滅火器的原理。

在極端情況下，幾乎任何氣體都會殺死人。即使是純氧也會致命，因為人體無法有效地處理純氧。氣體可以透過以下方式殺死

1) 窒息- 氣體取代氧氣，導致人體缺氧而死亡。一些最危險的窒息劑是氧化物，例如

CO_{2}

或 CO

2) 毒害- 有些氣體，如氰化氫氣體 HCN，劇毒。氰化物與稱為細胞色素 c 氧化酶的酶中的鐵原子結合，從而阻斷 ATP 的產生。ATP 是所有生物體的通用能量貨幣。

3) 爆炸- 許多氣體具有高度可燃性，並且可以造成破壞性爆炸。大多數礦井中的輕烴只需一個小火花就能引發爆炸。

火與生命一樣，都需要氧氣，因此滅火器中常用的方法是使用一種氣體或液體來阻止氧氣到達燃料。

嘗試使用此“門摺疊”來教授此榮譽：http://www.youtube.com/watch?v=Ymk6Di-WUM8

3. 命名兩種常見的二氧化碳來源。為什麼它很危險？

在安裝催化轉化器之前的汽車尾氣中，含有大量的 CO（一氧化碳）。如果排氣系統在此之前發生損壞，則存在吸入窒息性氣體的危險。催化轉化器將大部分 CO 轉換為 $CO_{2}$ （二氧化碳）。汽車尾氣中仍然可能存在足以致命的 CO，但由於現在大部分是 $CO_{2}$ ，它具有氣味或至少有一種感覺，因此意外窒息的可能性更小。（ $CO_{2}$ 也會致命，但具有很強的腐蝕性，會在鼻子和肺部造成灼痛感。如果你曾經呼吸過蘇打水罐裡的氣泡，你就會聞到 $CO_{2}$ 的氣味。）

另一個常見的 CO 來源是天然氣或丙烷爐、加熱器、熱水器或烘乾機。如果這些電器損壞，它們會非常危險。在舊的爐子或熱水器附近安裝 CO 探測器是一個好主意，以便提供早期預警。

氧氣由紅細胞從肺部輸送到細胞，CO₂ 則由紅細胞帶回肺部撥出。紅細胞有一個 3D 空間，可以容納氧氣和 CO₂，但允許它們在到達目的地時被排出。CO 也能適應這個空間，但不會釋放出來，因此裝載了 CO 的紅細胞就不能再完成它的工作。如果足夠多的紅細胞受到影響，人體細胞就無法獲得所需的氧氣，廢 CO₂ 會積聚，導致死亡。

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4. 物質的三態是什麼？

固體: 原子處於相當剛性的結構中，在宏觀層面上感覺堅硬或固體。原子可能排列在非常堅硬的晶體結構中，但結構內仍然存在振動。
液體: 原子可以自由移動，但不像氣體那樣分離。液體可以流動，通常感覺不到固體或堅硬。液體不可壓縮。當氦被冷卻到接近絕對零度時，它會表現出奇怪的行為，變成超流體。由於其溫度，處理它很危險。
氣體: 氣體分子完全可以自由移動，在標準室溫下，它們會在碰撞到另一個分子之前移動數十米。氣體是空氣般的。除非你穿過它並感覺到風，否則你可能不知道它的存在。
等離子體: 等離子體分子被電離，導致它們相互排斥，因此等離子體看起來幾乎像液體一樣流動，並且由於一些分子改變電離狀態而發光。

物質的三態主要根據構成物質的分子和原子之間的相互作用程度來定義。這種相互作用取決於溫度（和壓力），並且每個元素或分子在特定氣壓下（即正常海平面氣壓）都有明確的凝固點（液體變為固體）、熔點（固體變為液體）、沸點（液體變為氣體）、凝結點（氣體變為液體）。

這就是為什麼水在空氣壓力低於海平面的山頂上沸點較低。這會影響透過煮沸對水進行消毒的效率，需要更長的時間。

CO₂ 是一種非尋常的氣體，因為它在固態時不會熔化，而是直接變為氣體（昇華）。這就是為什麼固態 CO₂ 被稱為乾冰，因為它不會經歷液態，所以不是“溼”的。

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5. 完成以下五項，並解釋發生的化學作用

a. 嘗試點燃一個方糖，先不加任何東西，然後在方糖上塗抹一些灰燼，從而展示催化劑的作用。

材料

方糖
壁爐或篝火的灰燼
火柴或打火機
鋁箔
一塊木頭或三腳架，用作絕緣體

方法

在三腳架或一塊木頭上鋪上一塊鋁箔。
將方糖放在鋁箔的中心附近。
取另一塊方糖，用灰燼塗抹。
將塗有灰燼的方糖放在第一個方糖旁邊，但不要讓它們接觸。
嘗試點燃每個方糖。塗有灰燼的方糖應該更容易點燃。

b. 將一個冰塊放入一杯水中，在玻璃杯和冰塊上放一根四英寸 (10.2 釐米) 的繩子，然後解決不接觸冰塊的情況下將冰塊從水中取出的問題。

材料

冰
鹽
水
玻璃杯
10 釐米長的繩子

方法

將冰塊放入玻璃杯中
在繩子上系一個環，並將它放在冰塊上
在環和冰塊上放少許鹽
等待一會兒，然後拉起繩子

c. 使用水、松節油和肥皂將一張報紙上的圖片轉移到一張空白紙上。

材料

30 毫升肥皂粉（例如：象牙雪）
60 毫升熱水
15 毫升松節油
小碗
量杯
畫筆
報紙或舊雜誌

方法

將肥皂粉溶解在熱水中，然後加入松節油。
使用時，將刷子蘸入墨水中，並在要轉移的圖片上刷一下，等待約十秒鐘，然後將一張紙放在圖片上，用勺子摩擦紙的背面。圖片將被轉移到紙上。

墨水在容器中放置一段時間後會凝固。要逆轉這種情況，只需將瓶子放在一鍋溫水中，直到融化，然後搖晃即可。

d. 使用一根蠟燭和一張紙板，直觀地展示蠟燭火焰的三個部分。

1) 藍色區域: 藍色區域是火焰的底部。在這個區域，熱解（蠟燭蠟改變狀態成為可燃氣體）發生。此外，燃燒的部分也發生在這裡。這個區域的溫度約為 1200-1400 °C。

2) 暗區: 火焰中間靠近頂端的黑暗區域。火焰的這個黑暗核心大約在 800-1000 °C。在這些更藍的區域內，氫氣正在從燃料中分離出來，並燃燒形成水蒸氣。

3) 發光區: 黃色發光區域在暗區之上。火焰的這個更亮、更黃的部分是剩下的碳被氧化形成二氧化碳。白熾的碳黑顆粒導致橙色和黃色發光。該區域的溫度約為 1200 °C。

4) 火焰幔: 它位於火焰的外緣，是無色的，或者是很淡的藍色，是蠟燭火焰中最熱的部分。大約 1400 °C。

e. 使用一碗水、木火柴、一塊糖和少許肥皂，演示糖和肥皂對漂浮的火柴的作用。

材料

方糖
洗潔精
2 個小碗
12 根牙籤（或木火柴）
水

方法

將兩個碗裝滿水。
將一半的牙籤分別放入兩個碗中
將方糖放入其中一個碗中。牙籤應該被吸引到它附近。
在另一個碗中滴一滴洗潔精。牙籤應該被排斥它。

糖會吸收水，並隨著它的吸收，會產生一股小的水流，將牙籤吸引到它附近。另一方面，肥皂會破壞水的表面張力，並立即在表面上擴散。當它在表面上移動時，它也會產生一股水流，帶著牙籤一起移動。

f. 將一個新鮮的雞蛋放入清水中，然後放入鹽水中，觀察差異。

材料

新鮮的（生的）雞蛋
1 升水
120 毫升鹽
2 個碗

方法

將鹽和半升水加入一個碗中，攪拌至鹽溶解。
將另一半升水加入另一個碗中 - 不要新增任何鹽。
將雞蛋放入鹽水中。它應該漂浮起來
將雞蛋移到清水中。它應該沉下去。

鹽水的密度比淡水高，這意味著相同體積的鹽水比相同體積的淡水重量更大。雞蛋的密度介於鹽水和淡水的密度之間。如果一個物體比它所放置的液體密度小，它就會漂浮起來。由於雞蛋比淡水密度大，所以它會沉下去。但由於雞蛋比鹽水密度小，所以它會漂浮起來。注意：如果沒有發生任何變化，那麼取兩個雞蛋，將一個放入清水中，另一個放入鹽水中。清水中的雞蛋應該會膨脹，鹽水中的雞蛋應該會收縮，這是由於滲透作用。

g. 使用鋼絲絨、鉛筆、橡皮筋、水杯和一盤水，演示生鏽會消耗氧氣。

材料

鋼絲絨（普通，不含肥皂）
鉛筆
橡皮筋
玻璃杯（透明玻璃）
碗
水

方法

用橡皮筋將鋼絲絨固定在鉛筆的橡皮擦端。鉛筆應該足夠短，以便它可以放入玻璃杯中，而不會從頂部伸出來。將玻璃杯裝滿一半的水，並將鉛筆放入玻璃杯中，鋼絲絨團放在底部。將一個碗倒置在玻璃杯的頂部，小心地將玻璃杯和碗翻過來，使玻璃杯倒置，碗直立。在碗中加一些水，並在玻璃杯側面上標記水位。將裝置放在不會被幹擾的地方。幾天後，檢查鋼絲絨 - 它應該生鏽了。

當鋼絲絨生鏽時，它會消耗掉玻璃杯中捕獲的氧氣。這會減少玻璃杯內的空氣量，而玻璃杯外的空氣壓力會透過向下壓碗內的水來進行補償。這反過來會將玻璃杯中的水推得更高。透過將當前水位與實驗開始時標記的水位進行比較來驗證。