化學海洋學（ Chemical Oceanography ）研究海水之化學成份與其分佈狀態及分析、提煉技術、海洋中有機與無機物之組成、分佈與利用等問題。作者：張嘉倫

海洋中的化學‧資源篇‧ 化學海洋學（Chemical Oceanography）研究海水之化學成份與其分佈狀態及分析、提煉技術、海洋中有機與無機物之組成、分佈與利用等問題。作者：張嘉倫

海洋中的化學教學主題 超連結海水淡化網 http://www.taiwandesal.com.tw/1history.htm

地球與海洋 • 地球的3/4的面積被海洋覆蓋。 • 一般人們將這些占地球很大面積的鹹水水域稱為「洋」，大陸邊緣的水域被稱為「海」。 • 海洋是地球上決定氣候發展的最主要的因素之一。

生活小常識：為什麼海水是鹹的？ • 最初的海水並不鹹，後來陸地上的岩層受到風化侵蝕，逐漸將其中的鹽分子溶出來，經由雨水帶到溪河，再匯入海洋。 • 海洋日復一日接收來自溪河的鹽份，一天比一天鹹，可是，過量的鹽也會沉澱結晶，最後達到平衡狀態，海水就維持穩定的鹹度了。

海水淡化的方法 海水淡化的方法有下列三種蒸餾逆滲透結冰(冷凍法) 超連結海水淡化網http://www.taiwandesal.com.tw/news.htm 介紹台灣海水淡化近況及技術

溫度計 熱水出冷水入冷凝水蒸餾法 • 蒸餾是一種熱力學的分離工藝，它利用混合液體或液-固體系中各組分沸點不同，使低沸點組分蒸發，再冷凝以分離整個組分的單元操作過程，是蒸發和冷凝兩種單元操作的聯合。

太陽能蒸發法 (Solar Still) • 原理：利用太陽的熱源使海水水份轉變為水蒸汽而由表面蒸發。 而沿著玻璃上蓋內緣流向收集管道，最後再流向集水池。 與相較之下溫度較低的玻璃上蓋接觸，經過一段時間後即凝結成水滴。 蒸汽不斷產生，增加了水表面的濕度及溫度，使得溫度較高且具有較高濕度的空氣上升。

逆滲透 (Reverse osmosis) • 問題一：為何要叫逆滲透？那什麼是滲透？ • 問題二：如果我在前面這裡放了一瓶香水，坐後面的你聞到，請問這是滲透嗎？

逆滲透 (Reverse osmosis) • 又稱RO逆滲透或反滲透，是一種淨化水的辦法。然若在高張溶液處施予力，則可見水由滲透壓高的地方流向滲透壓低的地方。將清水(低張溶液)和鹹水(高張溶液)置於兩邊，中間以只允許水通過的張溶液)的地方流向滲透壓高(高張溶液)的地方，這就是滲透。

滲透模擬

回顧 • 為何海水是鹹的？ • 海水的淡化法為？ • 蒸餾法是利用物質的什麼原理？ • 為什麼叫逆滲透？ • 經半透膜的滲透後，哪邊水位較高？（海水還是純水），若要從海水中得純水要於哪邊加壓？

動動腦!!哪些東西的功能與半透膜相同？只能允許小分子通過？動動腦!!哪些東西的功能與半透膜相同？只能允許小分子通過？ • 解答：雞蛋膜可以。目前逆滲透膜主要由二大類材料構成，一種是醋酸纖維（CA），一種是聚醯胺類(T.F.C.)．

小實驗： • 拿一根吸管下面用雞蛋膜包住，吸管內放入稀糖水溶液(約1L的水中加入半茶匙的糖)，約3公分左右。然後將其放入裝有清水的容器裡，吸管中的液面會漸漸升高，但上升了幾公分後就會停止，而且保持在一定的高度。 • 液面上升的高度與糖水的濃度有關，糖水越濃，液面上升越高。這個現象叫「滲透現象」。 • (參考自郝俠遂(淡江大學化學系)原載2002-6-3中華日報副刊) 另考參考http://www.ytlee.org.tw/publish/find/menu_show.asp?period=138

結冰(冷凍法)（ Freezing ） • 係將海水冷卻至凝固點並產生冰結晶，而與其他液態物質分離，將冰結晶清洗及融化即可得淡水。 • 原理：當水要結冰時，水分子之間會產生氫鍵而形成晶體，但如果水中溶解有其他物質的話，將阻礙晶體的形成，造成水的冰點下降。

冷凍法實驗（證明） • 拿兩杯相同大小的杯子，最好是透明的，一杯裝自來水，一杯加入食鹽，及其他雜物（沙子或是果汁），將此兩杯放入冷凍庫，冷凍相同時間，看其結冰狀況？

取相同體積的溶液 1小時候 2小時候mov 結果：從實驗得知清水很快就結冰了，最難結冰的是食鹽水，牛奶也在6小時後表面結成硬塊，但食鹽水中間還是未結冰。證明：純水較溶液易結冰。 3小時候mov 4小時候mov 5小時候mov 6小時候mov

回顧 • 哪些材質可當半透膜？ • 如何利用雞蛋膜做滲透的實驗？ • 從海水提取純水的方法是？ • 如何證明結冰法可得純水？ • 為什麼有加入溶質的水比較不易結冰？

海洋中的成份 • 海水中含量大於1毫克/千克的11種化學成分。它們包括﹕ • 陽離子：鈉﹑鎂﹑鈣﹑鉀和鍶等﹔ • 陰離子：氯根﹑硫酸根﹑碳酸氫根(包括碳酸根)﹑溴根和氟根等。 • 這些成分的總量佔海水中所有溶解成分的99.9％以上。 • 被河川搬運入海的岩石風化產物和火山等的噴發物﹐是海水主要溶解成分的主要來源。

成分與濃度

海水的鹽分 • 海水所含的鹽分各處不同，平均約為3.5％。這些溶解在海水中的無機鹽，最常見的是氯化鈉，即日用的食鹽。 • 有些鹽來自海底的火山，但大部分來自地殼的岩石。岩石受風化而崩解，釋出鹽類，再由河水帶到海裡去。在海水氣化後再凝結成水的循環過程中，海水蒸發後，鹽留下來，逐漸積聚到現有的濃度。 • 海洋所含的鹽極多，可以在全球陸地上鋪成約厚500呎的鹽層。超連結海洋生技產業，食鹽 http://sea.ntou.edu.tw/03maritime/maritime02_02.php

生活小常識：何謂低鈉鹽？ • 解答：低鈉鹽是以同樣具有鹹味的氯化鉀取代氯化鈉，其鉀含量通常都較高。圖片來源：台鹽實業股份有限公司網站

食鹽的種類 • 若以出產的地方來說的話它的種類有： • 1.海鹽、 2.岩鹽、 3.湖鹽。 • 若以使用的分別有： • 粗鹽〈工業用、醃製用〉食用鹽。超連結鹽的特展http://activity.nmmba.gov.tw/20031227salt/index.asp

食鹽的用途 【湯匙碗盤污漬】濃稠的鹽水、或鹽水混合醋，均可擦除污漬。【洗毛巾】毛巾使用久了，常常會溼濕黏黏的，可用鹽搓揉後，用清水洗淨，則可除去濕黏之物。【洗菜驅蟲】青花菜中常會躲藏青色的小蟲，將青花菜浸泡在鹽水中片刻，小蟲自動會爬出來。【除草】家中的庭園中，若是雜草叢生，則可在雜草的地方灑上大把的食鹽，三、四次後，即可遏止雜草生長。【防止水果變色】將蘋果、梨子等富含鐵質的水果削皮後，只需放置片刻即會變色，如果將削好的放入鹽水中，則可防止變色。【鎮咳】如為氣管敏感性咳嗽，鹽與水的比例約1：100，充分攪拌使其溶解，用吸管喝鹽水，則能緩和咳嗽。【當做催吐劑】食物輕微中毒或喝酒太多導致不舒服，可飲用濃鹽水，將胃中的食物嘔吐出來。【蛤蜊吐沙】煮蛤蜊之前，將其浸泡於鹽水中，讓其吐沙，食用時才不會吃到沙土。【防止蛀蟲】木質傢俱，為了防止蛀蟲蛀蝕，可於表面用濃鹽水多塗抹幾次，則有防蛀效果。【頭皮屑】常用鹽水洗頭髮，可去除頭皮屑，亦可防止頭髮脫落。

海洋無機資源的利用 • 海洋水體是地球上最大的連續礦體，覆蓋著地球表面的71％。其中，水的儲量約為地球上總水量的97％。 • 溶解的鹽類﹐平均濃度可達35000ppm(也就是說﹐每一立方公里的海水中﹐含有約3500萬噸無機鹽類物質)。 • 各種天然存在的元素﹐都已在海水中發現。經檢測並初步確定其主要溶存形式的元素﹐已超出80種﹐它們在海水中的總量非常巨大﹐即使是某些痕量元素﹐如鋰(0.17ppm) ﹑銣(0.12ppm)﹑碘(0.06ppm)﹑鈾(0.003ppm)﹑鈷(0.0001ppm)等﹐在海水中的總藏量也都要分別以億噸﹑百億噸甚至千億噸計算。

海水製鹽及鹵水綜合利用 • 海水製氯 • 海水製鈉金屬 • 海水製氟 • 海水製溴 • 海水提碘 • 海水製鎂 • 海水提鈾 • 海水提鉀

回顧 • 海水中所佔的各成分為？ • 食鹽的主要成分為？ • 何謂低鈉鹽？ • 食鹽可拿來做什麼？ • 什麼叫做鹵素？哪裡可得到？ • 從海水中可得哪些鹵素？

海水製氯 • 電解濃的食鹽水 • 可在陽極得到氯氣，陰極得到氫氧化鈉及氫氣 • 用途： • 消毒：氯酸系列(HClOx)亦廣受應用，尤以最具氧化力的次氯酸的應用最為常見。 • 離子在人體中也是平衡體液滲透壓不可或缺的物質之一。陰極反應 : 2H2O(l) + 2e-→ H2(g) + 2OH-(aq)陽極反應 : 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-淨反應式 : 2NaCl(aq) + 2H2O(l) →H2(g) + 2 NaOH(aq) + Cl2(g)

海水製鈉金屬 • 電解熔融態的食鹽 • 可在陽極析出氯氣，陰極析出鈉金屬 • 用途： • 鈉鉀合金可以用作核反應爐的冷卻材料，有機合成的還原劑。 • 可用於製造氰化鈉、維生素、香料、染料、鈉汞齊、四乙基鉛、金屬鈦等。 • 還可用於石油精製等方面。 • 鈉可用在鈉蒸氣燈中，尤其在內燃機用的致冷閥中作為一種傳熱劑。 • 氯化鈉（食鹽的化學名稱）是人體不可缺少的物質，是一種調味劑。電解 NaCl(l)陰極反應 : Na+ (l) + e- →Na(s)陽極反應 : 2Cl-(l) → Cl2(g) + 2e-淨反應式 : NaCl(l) → Na(s) + Cl2(g)

海水製氟 • 氟為元素中最強的氧化劑，因此不能用氧化劑將其由F-氧化而得，故電解熔鹽中的HF(l)製備之 • HF(l)不能被電解，因HF(l)以氫鍵形成(HF)x之聚合物，不能導電，所以先將HF(l)溶於KF(l)熔鹽中形成KHF2(l)以產生K+HF2-而導電 2 HF(KF熔鹽) → H2(陰極) + F2(陽極) • [Note]若改以HF(aq)電解時即電解HF(aq)相當於電解水，而無法獲得F2 • 用途：氟離子與防蛀牙相關，常添加於牙膏及飲用水中。陽極： 4H+ + 4e- → 2H2陰極： 2H2O → 4H+ + O2 + 4e-全反應式：2H2O → 2H2 + O2

海水製溴 • 實驗室製法：將溴化物、硫酸及二氧化錳混合加熱可得溴。 • 工業製法：從苦滷或鹽井水，以氯氣氧化而得。 Cl2(g) + 2 Br-(aq) → 2 Cl-(aq) + Br2 (l) • 溴在海洋水體中的總藏量達95萬億噸﹐約佔地球上總貯溴量的99％。溴的世界年產量約20萬噸。 • 用途：殺蟲劑、合成染料、醫藥、照相感光劑的主要原料

海水提碘 • (1)實驗室製法 • 以Cl2(g)或Br2(l)與碘化物(如NaI)反應 Cl2(g) + 2 NaI(aq) → 2 NaCl(aq) + I2(s) 以二氧化錳(氧化劑)以化碘化物而得(與製氯、溴方法相同)2 I- + MnO2 + 4H+ → I2 + Mn2+ + 2 H2O • (2)工業法 • 由智利硝石(NaNO3)所含少量的碘酸鈉(NaIO3)以亞硫酸還原而得碘2 IO3-(aq) + 5 HSO3- → I2 + 5 SO42- + 3 H+ + H2O • [Note]還原劑或氧化劑之用量會影響產物 <第二冊實驗題！> IO3-(aq) + 3 HSO3- → I- + 3 SO42- + 3 H+ 當HSO3-用完、IO3-過量時，則 5 I- + IO3- + H+→ 3 I2 + 3 H2O

碘的用途 • 碘是應用已久的藥用元素和化工原料﹐又是近代用於人工降雨和火箭添加劑中不可缺少的物質。 • 缺乏碘會引致碘缺乏病，影響甲狀腺，所以在日常飲食中得不到足夠碘的人要吃碘鹽（碘化鈉、碘化鉀，或碘酸鉀） • 碘酊（又稱碘酒，為碘的酒精溶液）是一種緊急用的消毒劑。 • 攝影用的膠卷含有碘化鉀。 • 電燈裡的燈絲含有碘化鎢。 • 碘化氮是一種炸藥。 • 碘遇澱粉變成藍色，能夠驗證澱粉是否存在。

海水製鎂 • 從海水中製鎂時，先加鹼使海水中的鎂離子生成氫氧化鎂沉澱，後者經輕燒、成型、“死燒”﹐即成氧化鎂﹔ • 欲製取金屬鎂時，可將氫氧化鎂加鹽酸轉變成氯化鎂後進行電解冶煉。 • 電解熔融狀態的鎂化合物，在陰極可得鎂金屬。 2MgO(l)  2Mg(S) + O2 (g) • 海水中鎂的濃度僅次於氯和鈉，居第 3位。 • 海洋水體中鎂的總藏量約1800億噸。 • 用途： • 由於鎂比鋁輕，因此可以作為合金在航空、太空上使用。 • 利用鎂易於氧化的性質，可用於製造許多純金屬的還原劑。 • 可用於閃光燈、吸氣器、煙花、照明彈等。 • 從18世紀初開始，苦土（MgO）和瀉鹽（MgSO4·7H2O）就已作為藥品得到了使用。

海水提鈾 • 海水中鈾的濃度雖低，但它在海洋水體中的總藏量約45億噸，較陸地儲量多2000倍左右，是巨大的潛在核能資源。 • 近20多年來，試用過水合氧化鈦、鹼式碳酸鋅、硫化鉛、黏土、泥炭、氟石、有機樹脂等鈾吸著劑和某些藻類即生物濃集劑。 • 在海水提鈾工作中﹐較重要的突破是應用了某些特異結構的樹脂和纖維物質作為海水提鈾的吸著劑﹔其捕鈾量甚至可達到陸地上某些富鈾礦的品位。

海水提鉀 • 海水中鉀的總藏量達 500萬噸左右。 • 早期比較著名的海水提鉀方法是二苦醯胺沉澱法。此法曾用於中間規模試產，但有一定缺點。 • 戴維在發現鉀的實驗中，用的是電解法，但在實際生產中卻不能用此法，因為戴維用的是鉑電極，它不與鎔融的金屬鉀作用，但實際生產中只能用石墨電極，鎔融的金屬鉀能滲透到石墨中，侵蝕電極。 • 所以現在金屬鉀的生產方法都採用金屬鈉與氯化鉀的反應：Na＋KCl＋NaCl。鉀的沸點比鈉低，不斷地將鉀的蒸氣分離出去，就能使反應持續進行。用真空蒸餾法可將鉀的純度提高為99.99％。 • 1960年以來，各國多重視吸著法的研究，試用過天然及人工氟石、海綠石、蛭石、蒙脫石、磷酸氫鎂、磷酸氫鋯、磷酸氫鈦和有機高分子吸著劑等。 • 用途： • 鉀主要用作還原劑及用於合成中。 • 鉀的化合物在工業上用途很廣。 • 鉀鹽可以用於製造化肥及肥皂。 • 鉀對動植物的生長和發育起很大作用，是植物生長的三大營養元素之一。

回顧 • 要如何從海水中得氯氣及鈉金屬？ • 為何電解HF(aq)反而得到H2與O2？ • 要提取溴可加入什麼氣體？ • 鹵素中的碘可有何用途？ • 電解鎂化物可得鎂金屬，但要用哪一種狀態的鎂化物？（固態、液態或氣態） • 鈾是什麼的原料？ • 從海水中得各鹵素的基本用途是？

原來海洋有如此多的資源，你現在知道了嗎？ 經過以上所解說的內容後，相信你對於海洋與化學有更深入的了解，納現在你能從了解中獲得什麼啟發嗎？ 1.情意評量：請你回去寫一篇月約200字以上的心得，內容要包含上課的知識整理及你對目前台灣海洋產業的了解。（請親筆寫於化學筆記本，當作一次作業成績，佔成績10％）。 2.另外下次上課老師要考選擇題，請你對於本次上課內容回家詳讀。

參考網頁及書籍 • 維基百科http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E6%B5%B7%E6%B4%8B&variant=zh-tw • 海水淡化網 http://www.taiwandesal.com.tw • 海洋學的發展 http://w3.oc.ntu.edu.tw/chap1/chap1.htm • 海洋產業http://sea.ntou.edu.tw/03maritime/maritime02.php • 大地的白色保障(食鹽)http://activity.nmmba.gov.tw/20031227salt/B20.htm • 泰宇基礎化學(B)

化學海洋學（ Chemical Oceanography ）研究海水之化學成份與其分佈狀態及分析、提煉技術、海洋中有機與無機物之組成、分佈與利用等問題。作者：張嘉倫