IB 化學/環境化學

E2 酸沉降

E.2.1 說明“酸沉降”一詞的含義並概述其來源。

酸沉降是指酸性顆粒物、氣體和降水離開大氣層的過程。由於溶解了 CO₂，雨水天生呈酸性，pH 值約為 5.6，但酸雨的 pH 值低於 5.6，是由硫和氮的氧化物造成的。這些氧化物與雨水反應生成酸

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

2NO₂ + 2H₂O → 2HNO₃ + H₂

SO₂ + H₂O → H₂SO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

E.2.2 討論酸沉降對環境的影響以及可能的中和方法。

酸沉降的一些影響包括

• 從土壤中淋溶掉重要的營養物質，例如 Ca²⁺、Mg²⁺ 和 K⁺，這會導致葉綠素減少，從而降低光合作用的能力。

• 可能殺死湖泊和河流中的水生生物，而硝酸鹽會導致富營養化。

• 侵蝕含有碳酸鈣（例如大理石）的石頭。

• 刺激粘膜，增加患哮喘、支氣管炎和肺氣腫等呼吸系統疾病的風險。

可以透過以下方法降低硫和氮氧化物的排放量來抵消酸沉降的影響

• 改進發動機設計

• 催化轉化器

• 在使用含硫燃料之前、期間和之後去除硫

還包括減少燃料燃燒量、使用替代能源方法和使用公共交通工具。此外，可以使用 CaCO₃ 和 CaO 等鹼性洗滌器去除氧化物。

向湖泊中新增 CaO 或 CaOH 可以中和酸性，增加鈣離子含量，並使溶液中的鋁沉澱。

E3 溫室效應

E.3.1 描述溫室效應。

溫室氣體允許入射的太陽短波輻射透過，但吸收來自地球的長波輻射。一些吸收的再輻射被重新輻射回地球。

E.3.2 列出主要溫室氣體及其來源，並討論它們的相對影響。

氣體	來源	與CO2相比的熱量捕獲	對全球變暖的貢獻
CH4	厭氧腐爛 白蟻 稻田 石油和天然氣生產	30倍	18%
H2O	蒸發 碳氫化合物的燃燒	0.1倍	>1%
CO2	化石燃料、生物質的燃燒 動植物的腐爛 土壤氧化 森林火災 內燃機	1倍	50%
N2O	細菌作用 化肥	150倍	6%
O3	二次汙染物煙霧	2000倍	12%
CFCs	製冷劑 推進劑	2500-10000倍	14%

E.3.3 討論溫室氣體增加對大氣層的影響

溫室氣體增加會導致地球的自然溫室效應增強，從而導致全球變暖。隨著溫度升高，極地冰蓋可能會融化，導致海洋擴張。此外，全球變暖可能會導致溫度和降水量的波動，從而導致作物生產的變化。

E4 臭氧層損耗

E.4.1 描述平流層中臭氧的形成和耗竭過程。

臭氧層位於地球表面以上 12 公里到 50 公里的平流層中。平流層臭氧與氧氣處於動態平衡，不斷形成和分解。

形成

O₂ + UV → 2O◦

O₂ + O◦ → O₃

耗竭

O₃ + UV → O₂ + O◦

O₃ + O◦ → 2O₂

E.4.2 列出消耗臭氧層的汙染物及其來源。

過去，氯氟烴被用作製冷劑、推進劑和清潔溶劑。不幸的是，這些分子會破壞臭氧層。

引發

CF₂Cl₂ + UV → Cl◦ + CF₂Cl◦

傳播

Cl◦ + O₃ → ClO◦ + O₂

ClO◦ + O◦ → O₂ + Cl◦

終止

ClO◦ + ClO◦ → 2Cl◦ + O₂

這樣，CFC 就起到了催化劑的作用——破壞現有的 O₃，阻止 O₃ 的形成，而不會被消耗。 NO_x 也能與 O₃ 發生催化反應。

NO + O₃ → NO₂ + O₂

NO₂ + O◦ → NO + O₂

淨效應： O₃ + O◦ → 2O₂

NO₂ + UV → NO + O◦

O₃ + O◦ → 2O₂

E.4.3 討論 CFC 的替代品及其性質。

一些選擇包括 HCFC（氫氯氟烴）、HFC（氫氟烴）和其他不含氯的碳氫化合物。例如：三氟甲烷、1,1,1,2-四氟乙烷和 2-甲基丙烷。透過用氟原子取代一些氯原子，需要更多的能量來斷裂鍵，從而減少了自由基的形成。

E5 水中的溶解氧

E.5.1 概述生化需氧量（BOD）作為衡量水中需氧廢物的指標。

BOD 是衡量水體中所有有機廢物和氨在 20 ⁰C 下經過 5 天生物分解所需溶解氧（以百萬分率計）的指標。這些廢物需要氧氣才能分解。

E.5.2 區分水中無機物的有氧分解和無氧分解。

如果水中存在足夠的氧氣，微生物會以有氧方式分解有機物。這會使 C、N、P、S 和 H 氧化，生成 CO₂、NO₃-、PO3−4、SO2−4 和 H₂O。

如果水中存在不足的氧氣，微生物會以不需要氧氣的方式分解有機物。它們會將 C、N、S 和 P 分解成 CH4、NH3、H2S 和 PH3。

元素	有氧產物	無氧產物
C	CO2	CH4
N	NO3-	NH3
P	PO3−4	PH3
S	SO2−4	H2S

E.5.3 描述富營養化的過程及其影響。

化肥中的硝酸鹽和洗滌劑中的磷酸鹽會積聚在湖泊和河流中。這些營養物質會促進植物和藻類的生長。這會影響BOD，因為如果植物生長過快，而溶解氧 (DO)不足以透過有氧分解來分解所有有機物和廢物，則會發生無氧分解。更多物種將因無氧腐爛而死亡。湖泊將變得停滯，失去生命。

富營養化

E.5.4 描述水體中熱汙染的來源和影響。

如果水被加熱，氧氣在水中的溶解度就會降低。同時，魚是冷血動物，因此隨著水溫升高，它們的代謝也會增加。這形成了一個困境，因為隨著BOD增加，DO減少。這一過程有助於導致赤潮。

E6 水處理

E.6.1 列出廢水中發現的主要汙染物並確定其來源。

廢水中含有漂浮、懸浮和膠體有機物，溶解的離子，以及各種微生物和細菌，以及雜物、垃圾、油脂和其他化學物質。

殺蟲劑：滴滴涕、除草劑、百草枯、殺菌劑

二噁英：有機氯化合物未在足夠高的溫度下焚燒時形成。毒性很大，會在肝臟中積累。

多氯聯苯 (PCB)：用於變壓器和電容器。會持續存在於環境中，會在肝臟中積累，也是致癌物質。

硝酸鹽：來自化肥或酸雨。高濃度時有毒，尤其是對嬰兒，因為嬰兒的胃酸比成人少，會導致藍嬰綜合症。

重金屬：鎘 (Cd)（來自充電電池）、汞 (Hg)（來自電池）、銅 (Cu)（來自家用管道）、鉛 (Pb)

E.6.2 概述廢水處理的一級、二級和三級處理階段，並說明每個階段去除的物質。

一級處理：去除大型固體

一級處理可去除60%的固體物質和三分之一的BOD廢物。然而，之後水仍然不安全飲用。

一級處理涉及以以下順序將水透過以下機制進行處理：

1. 格柵：去除水體表面的大型物體和碎片，並去除漂浮固體。

2. 沉澱池：用於從水中沉澱出沙子、汙垢和小物體（因為它們會沉到底部）；這些顆粒隨後被送往垃圾填埋場。

3. 沉澱池：明礬 (Ca(OH)₂ 和 Al₂(SO₄)₃) 沉澱出來，並帶走固體懸浮顆粒（此過程稱為絮凝）。

二級處理：使用微生物去除有機物質

• 活性汙泥法
  • 將空氣鼓入已與含有細菌的汙泥混合的汙水中。
  • 好氧細菌氧化汙水中的有機物。
  • 含有分解懸浮顆粒的水透過沉澱池，在那裡收集活性汙泥。
  • 部分汙泥被回收，部分被送往垃圾填埋場。
  • 此方法可去除90%的有機需氧廢物、50%的氮和30%的磷酸鹽。
• 然後用氯或臭氧處理出水，以殺死病原菌，然後再將水排放到湖泊或河流中。
• 其他方法包括使用碳床去除剩餘的有機物，離子交換去除許多可溶性離子，反滲透和電滲析。

三級處理：去除剩餘的有機物、營養物質和有毒重金屬離子

• 重金屬離子與磷酸鹽透過沉澱去除，例如鎳

Ni2+(aq) + OH_(aq)- → Ni(OH)_{2 (s)}

• 硫酸鋁和磷酸鹽透過沉澱去除

Al3+(aq) + PO3−4 (aq) → AlPO_{4 (s)}

Al3+(aq) + SO2−4 (aq) → Al₂(SO₄)_{3 (s)}

• 硫酸鋁和氧化鈣可用於去除磷酸鹽

3CaO_(aq) + 2PO3−4 (aq) + 3H₂O → Ca₃(PO₄)_{2 (s)} + 6OH_(aq)-

• 重金屬在氫氧化物存在下會沉澱。

Cr3+(aq) + 3OH_(aq)- → Cr(OH)_{3 (s)}

• 硝酸鹽更難透過沉澱去除，因為它們溶解度很高，但有一些方法可以去除它們。
  • 厭氧反硝化細菌可以將硝酸鹽還原為氮氣。

2NO2−3 (aq) → N_{2 (g)} + 3O_{2 (g)}

• 另一種方法是將它們送入藻類池塘，在那裡藻類將硝酸鹽作為營養物質。

E.6.3 評估使用多級蒸餾法和反滲透法從海水獲得淡水的過程。

還有一些其他的處理方法，例如蒸餾。在蒸餾中，海水被泵入一個儲層，然後被加熱。蒸發出來的純水會冷凝在被泵入的冷水中，留下鹽水，然後被泵出。

另一種常用的方法是反滲透系統。在這種系統中，有一個半透膜，水被泵入其中，這與正常的滲透系統相反（在正常的滲透系統中，水會從低濃度流向高濃度）。

E7 土壤

E.7.1 討論鹽鹼化、養分枯竭和土壤汙染作為土壤退化的原因。

土壤是無機和有機物質的複雜混合物，包括生物體。土壤退化降低了作物產量，它是由多種人為因素造成的，包括：酸化、鹽鹼化、汙染、荒漠化、侵蝕。

我們關注以下因素

• 鹽鹼化：持續灌溉土壤的結果；在排水不良的土壤中，水蒸發後，鹽分會殘留下來，植物無法從鹽鹼土壤中吸收水分而死亡。

• 養分枯竭：植物在生長過程中從土壤中吸收養分和礦物質。如果沒有透過輪作或施肥等方式對土壤進行適當管理，養分將會枯竭。

• 土壤退化：由不當使用農藥和過度施肥造成；化學物質會破壞食物網，降低土壤生物多樣性，最終破壞土壤。

E.7.2 描述土壤有機質 (SOM) 在防止土壤退化中的作用，並概述其物理和生物功能。

SOM 指土壤中的有機成分。這包括植物和動物組織、部分分解產物和土壤生物量。從植物分解中發現的 SOM 中的化學物質是高分子量有機物，例如多糖、蛋白質、糖和氨基酸。分解的最終產物是腐殖質。腐殖質是植物賴以生存的有機分解層。它包含來自植物、動物或微生物來源的簡單和更復雜的有機化學物質的混合物。

SOM 如何防止土壤退化

• 幫助土壤保持水分，深色有助於保持熱量並在春季溫暖土壤。
• 包含它與植物交換的礦物質營養素（在根部）。
• 它改善了土壤結構
• 它減少了土壤侵蝕。

SOM 的生物功能

• 腐殖質為土壤提供營養來源（例如 N、P 和 S）。氮提供蛋白質，磷提供酶，硫提供氨基酸。

SOM 的物理功能

• SOM 可以保留其質量數倍的水（像海綿一樣）。因此，更多的 SOM 意味著更多的水，使土壤更穩定。

從化學上講，SOM 像粘土一樣具有陽離子交換容量 (CEC)：它包含能夠使其結合到營養陽離子的活性位點。腐殖質還具有透過充當緩衝劑來維持恆定 pH 的能力。

E.7.3 列出常見的土壤有機汙染物及其來源

以下是常見土壤汙染物及其主要來源列表

• 農用化學品：來自殺蟲劑、除草劑和殺真菌劑。
• 多環芳烴：來自煤、石油、天然氣、木材和垃圾的不完全燃燒。
• 多氯聯苯 (PCB)：來自變壓器和發電機（它們用作冷卻劑）。
• 有機錫化合物：來自殺菌劑和殺真菌劑（用於紙張、木材、紡織品和防汙漆）。
• 碳氫化合物和其他揮發性有機化合物：來自運輸、溶劑和工業過程。

E8 廢物

E.8.1 概述和比較各種廢物處理方法。

處理方法 | 優點 (+) | 缺點 (-)

垃圾填埋 | (+)便宜，填埋後留下了大量的土地可以重新利用 | (-)滲入土壤和地下水；需要時間沉降，沼氣需要維護

露天傾倒 | (+)極其便宜，方便 | (-)難看；造成疾病、氣味、地下水汙染

海洋傾倒 | (+)便宜，方便 | (-)海洋中有毒，對魚類有害，汙染海洋

焚化 | (+)提供能源來源，佔地面積小，殘渣穩定 | (-)造成空氣汙染

回收利用 | (+)生產新的原材料，創造可持續的環境 | (-)昂貴，仍然會造成一些空氣汙染

E.8.2 描述金屬、玻璃、塑膠和紙張產品的回收過程，並概述其益處。

回收利用對金屬、玻璃、塑膠和紙張有三個主要益處。它們是

• 節約原材料
• 節約能源（因為生產新材料需要能量）
• 節約空間（在垃圾填埋場）

此外，玻璃和金屬可以無限迴圈回收（一次又一次），而材料不會發生太多降解。

每種材料的回收過程如下

• 金屬：分類（透過磁鐵或浮選）--> 熔化 --> 重新鑄造 --> 重新使用。
• 玻璃：分類（顏色）--> 洗滌 --> 粉碎 --> 重新鑄造 --> 重新使用。
• 塑膠：分類 --> 降解為單體（透過熱解、加氫、氣化和熱裂解）--> 重新聚合 --> 重新使用。
• 紙張：與水和化學品混合（形成紙漿）--> 旋轉紙漿（去除訂書釘/回形針）--> 洗滌以去除墨水 --> 烘乾和漂白 --> 重新使用。

E.8.3 描述不同型別放射性廢物的特徵和來源。

低階廢物包括在處理放射性物質的區域使用的任何手套、紙巾或防護服。活性水平低，半衰期短。這種廢物通常來自醫院，因為它們進行癌症治療，並且包括與放射性物質接觸的任何物品。

高階廢物是由核電站和軍隊產生的。它顯示出高水平的活性，並且通常同位素具有很長的半衰期。高階廢物還來自燃料棒或乏燃料的再處理（電力公司、軍隊）

E.8.4 比較不同型別放射性廢物的儲存和處置方法。

核衰變過程會產生熱量和能量。低水平放射性廢物儲存在冷卻池中，直到其活性下降到安全水平（通常幾年）。然後，水透過離子交換樹脂，去除導致活性的同位素。然後，水被稀釋並釋放到海中。

高水平放射性廢物需要數千年才能失去活性。許多乏燃料會被回收再利用。如果沒有，廢物，通常是放射性廢物的液體混合物，透過玻璃化過程轉化為固態玻璃成分：廢物在爐中乾燥，並與玻璃製造材料（沙子）一起送入熔爐。然後，熔化的材料倒入不鏽鋼容器中，在那裡冷卻並凝固。這些容器將保持放射性數千年。目前，這些容器儲存在混凝土地下室中，但希望將來有一天能轉移到鹽室中，儲存數千年，直到活性降至安全水平。

E9 臭氧層破壞 (HL)

E.9.1 解釋 O2 和 O3 解離對光波長的依賴性。

O₂ 的鍵級為 2（雙鍵），因此更難斷裂。這意味著斷裂它需要更多的能量，因此需要更短的波長（242 奈米）。

O₂ + UV (242 nm) → 2O◦

O₃ 由於其共振結構，其鍵級為 1.5，這意味著它比 O₂ 中的雙鍵更容易斷裂。這意味著斷裂它需要更少的能量，意味著需要更長的波長（330 奈米）。

O₃ + UV (330 nm) → O₂ + O◦

E.9.2 描述 CFC 和 NOx 催化臭氧消耗的機理。

大氣中的一些汙染物，如氮氧化物和氯氟烴 (CFC)，充當臭氧消耗的催化劑。

例如，平流層中存在用於製冷劑和推進劑的氯氟烴 (CFC)。紫外線能夠透過均裂來斷裂較弱的 C-Cl 鍵，產生氯自由基。CFC 通常停留在對流層中，但 CFC 分子最終會擴散到上層大氣平流層，在那裡它們從紫外線中獲得更高的能量。當 CFC 暴露於高能紫外線輻射時，會發生光化學分解，產生反應性氯氣原子。與 C-F 鍵（更具電負性，因此比 C-Cl 鍵更強）相比，較弱的 C-Cl 鍵首先斷裂。

由 CFC 光化學分解產生的氯自由基充當臭氧分解的催化劑。

然後，新形成的 ClO 分子透過與氧自由基反應形成氧分子和氯自由基而進入終止步驟。

由於氯自由基被再生，一個氯自由基可以按照與上述相同步驟破壞許多臭氧分子。用於超音速飛機發動機的氮氧化物，與 CFC 與臭氧的反應方式相似。

從初始步驟開始，一氧化氮與臭氧反應產生二氧化氮和一個氧分子。然後，二氧化氮與氧自由基反應再生一氧化氮和一個氧分子。

結果是，一個臭氧分子與一個氧自由基反應形成 2 個氧分子。

E.9.3 概述極地地區臭氧消耗更大的原因。

南極上空發現了一個臭氧層空洞。消耗是季節性的，最大的空洞出現在早春（10 月/11 月）。這種減少是由於人類產生的化學物質造成的。在冬季（6 月-9 月），NO2 和 CH4 與 ClO 和 Cl2 一起被困在冰的表面。冰表面上的催化反應將 ClO 轉化為 Cl2 和 HClO，形成“氯儲庫”。這暫時減少了釋放到大氣中的氯的量。當冰在春季融化時，包含在冰晶中的氯湧入大氣，從而導致臭氧層空洞暫時擴大。

E10 霧霾 (HL)

E.10.1 說明主要汙染物的來源以及光化學煙霧形成所需的條件。

霧霾是煙霧、霧氣、空氣和其他化學物質的混合物。光化學煙霧發生在內燃機排氣在大氣中集中的城市。氮氧化物和碳氫化合物使空氣呈現出特有的黃色/棕色。在陽光下，這些化學物質會轉化為二次汙染物。霧霾往往在大型城市形成，並受到無風的影響。它也更常發生在碗形城市，因為這些城市周圍的高地阻止了空氣的流動。霧霾通常發生在出現逆溫的時候。通常，溫度隨著海拔高度而降低。溫暖的空氣通常會上升，帶走汙染物，然後被更清潔的冷空氣取代。然而，在以霧霾著稱的地區，大氣條件會導致一層靜止的暖空氣覆蓋一層冷空氣。被困的汙染物無法上升，如果這種情況持續下去，地面附近暖空氣中的汙染物濃度會上升到危險水平。

E.10.2 說明光化學煙霧中二次汙染物的形成。

光化學煙霧是一種化學混合物，包含數百種不同的化學物質，這些化學物質在大氣中形成，是紫外線引起自由基反應的結果。

在清晨，汽車尾氣中積累的碳氫化合物 (VOC) 和 NOx 會發生積累。隨著太陽昇起，NO2 吸收陽光並形成自由基。

N₂ + O₂ → NO₂ (主要汙染物)

NO₂ + UV → NO + O◦

這些自由基與 O2 反應形成臭氧和水，或形成羥基自由基。

O◦ + O₂ → O₃ (二次汙染物)

O◦ + H₂O → 2OH◦

二次光化學氧化劑與各種分子和碳氫化合物反應形成過氧化物、醛和酮。

OH◦ + NO₂ → HNO₃

OH◦ + RH → R◦ + H₂O

R◦ + O₂ → ROO◦ (過氧化物自由基)

當過氧化物自由基與 NO2 反應形成過氧醯基硝酸鹽 (PAN) 時，會發生鏈終止，PAN 是眼睛和皮膚的刺激物。

ROO◦ + NO₂ → ROONO₂ (PAN)

E11 酸沉降 (HL)

E.11.1 描述氮氧化物和硫氧化物引起的酸沉降的機制。

NOx 和 SOx 透過自由基反應轉化為酸。

H₂O + O₃ → 2HO◦ + O₂

然後，羥基自由基在水存在的情況下直接與SO_x 和 NO_x 反應生成酸。

HO◦ + NO₂ → HNO₃

HO◦ + NO → HNO₂

或者，

HO◦ + SO₂ → HOSO₂◦

HOSO₂◦ + O₂ → HO₂◦ + SO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

E.11.2 解釋氨在酸沉降中的作用。

氨氣可以在一定程度上透過形成 (NH₄)₂SO₄ 和 NH₄NO₃ 來中和酸雨在大氣中的影響。

2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃

NH+4 是一種強共軛酸，因此當銨鹽沉入地下時，NH+4 進入土壤，在那裡會發生酸化和硝化。

E12 水和土壤 (HL)

E.12.1 解決與透過化學沉澱去除重金屬離子、磷酸鹽和硝酸鹽有關的問題。

土壤中的一些鹽溶解，但大部分仍然以固體形式存在，從而形成平衡。記住這五個步驟

1. 寫一個平衡方程式
2. 找到平衡方程 (K_sp = [離子濃度][離子濃度])
3. 確定平衡變化的方向
4. 使用 ICE 法！初始、變化、平衡
5. 將 E 行代入平衡方程式並求解 x，然後繼續進行以找到問題要求的內容（例如，如果需要濃度，則代入 2x，或者如果需要，則求解 Ksp。）

E.12.2 說明陽離子交換容量 (CEC) 的含義，並概述其重要性。

SOM 和粘土都含有帶負電荷的粒子，這些粒子會與陽離子結合，例如 Ca+2、Mg+2、Na+、K+、Al+3。土壤能夠容納的帶正電荷的陽離子數量稱為陽離子交換容量 (CEC)。較大的 CEC 表示容納陽離子的能力更大。這些陽離子與植物根毛上的氫離子等陽離子交換，為其提供營養物質。

E.12.3 討論土壤 pH 對陽離子交換容量和養分有效性的影響。

如果土壤更酸性，土壤中酸性陽離子的比例就會更高。土壤 pH 很重要，因為鋁離子等酸性陽離子對植物有害。雖然土壤具有一定的緩衝能力，但有時需要在土壤中新增石灰來提高 pH 值，並增加粘土和 SOM 中保持的基本陽離子的濃度。

當對土壤進行分析時，將基本陽離子的總濃度與酸性陽離子的總濃度進行比較。Al+3 等陽離子對植物有害。土壤 pH 值很重要，因為當 pH 值大於 5 時，Al+3 會從溶液中沉澱出來。如果雨水中含有酸，降低了土壤的 pH 值，Al+3 將不再從溶液中沉澱出來。這種陽離子對植物有毒，因此從本質上說，酸雨會殺死植物。

E.12.4 描述土壤有機質 (SOM) 的化學功能。

除了植物所需的營養陽離子和有機質外，SOM 還可以與土壤中的有機和無機化合物結合，這有助於減少汙染物（如農藥、重金屬離子和其他汙染物）的負面環境影響。SOM 有助於 CEC，增強土壤緩衝 pH 值變化的能力，並與陽離子形成穩定的絡合物。SOM 還可以減少農藥、重金屬和其他汙染物的影響。