水循環與碳循環、水的淨化與軟化：高中必修化學重點整理

水是地球上生命不可或缺的物質，透過蒸發、凝結、降水與逕流不斷循環；而水質也會受到汙染物影響，需要透過不同方法進行淨化。此外，水中的鈣、鎂離子會造成硬水問題，可利用煮沸、石灰蘇打法及離子交換法進行軟化。

一、水循環與碳循環

1. 水循環

水循環的過程為：

蒸發 → 凝結 → 降水 → 逕流

水經由蒸發進入大氣，凝結形成雲，再以降水形式回到地表，最後透過地表逕流等方式流動，形成持續的循環。

2. 碳循環

植物和動物都會經由呼吸作用，以及有機物的氧化作用，消耗氧而產生二氧化碳；植物則利用水和二氧化碳經光合作用而釋出氧。

碳循環與地球生態平衡密切相關，碳在生物與環境之間不斷轉換。

二、水的淨化

水中可能含有懸浮物、溶解物或微生物，因此需要依照汙染物的性質選擇適當的淨化方式。

方法	說明
沉澱法	使水靜置，利用重力使懸浮物沉於池底，而得到澄清的水；若懸浮物的顆粒太小，可加入明礬（KAl(SO₄)₂·12H₂O），產生氫氧化鋁 [Al(OH)₃] 膠質粒子，使懸浮物聚集在一起而沉澱。
過濾法	利用小石子或細砂層代替濾紙，除去殘留的懸浮物。
曝氣法	使水與空氣的接觸面積擴大，以增加水中的溶氧量。
除臭法	將水流經過活性炭，活性炭會以物理方式吸附有機化合物。
消毒法	常使用氯氣（Cl₂）或臭氧（O₃）等氧化劑。

三、水的軟化

1. 什麼是硬水？

硬水是含有大量鈣離子（Ca²⁺）或鎂離子（Mg²⁺）的水。

依照造成硬水的成分，可分為：

• 暫時硬水：含碳酸氫鹽（HCO₃⁻）的硬水。

• 永久硬水：含硫酸鹽（SO₄²⁻）或氯化物（Cl⁻）的硬水。

2. 硬水的缺點

(1) 使用肥皂在硬水中洗滌，會降低洗滌效果。

(2) 硬水受熱後容易形成鍋垢，在高壓系統中，有可能引起鍋爐爆炸。

3. 硬水軟化的方法

（1）煮沸法

此法僅適用於暫時硬水。

反應式：

Ca(HCO₃)₂(aq) → CaCO₃(s)＋CO₂(g)＋H₂O(l)

Mg(HCO₃)₂(aq) → MgCO₃(s)＋CO₂(g)＋H₂O(l)

透過加熱，使碳酸氫鹽分解並形成沉澱，以降低水的硬度。

（2）石灰蘇打法

添加蘇打（Na₂CO₃），直接把鈣離子與鎂離子轉變成沉澱物。

反應式：

Ca^2＋(aq)＋CO₃^2－(aq) → CaCO₃(s)

Mg^2＋(aq)＋CO₃^2－(aq) → MgCO₃(s)

（3）陽離子交換法

當硬水通過含有鈉離子的沸石或陽離子交換樹脂的管柱時，會產生陽離子交換反應。

反應式：

M^2＋(aq)＋2 NaR(s) → MR₂(s)＋2 Na^＋(aq)

其中，M 為 Ca 或 Mg；R 代表沸石或陽離子交換樹脂中帶負電的原子團。

再生方式：加入飽和食鹽水；當管柱內 Na⁺ 減少時，效果會變差，可加入飽和食鹽水進行逆反應，再生成 NaR。

此種軟化方式會增加水中鈉離子濃度，對人體健康可能造成影響，市售飲用水之濾水器已逐漸不採用此軟化方式。

四、海水的淡化

海水含有大量溶解鹽類，不能直接作為一般淡水使用。講義介紹三種淡化方法：

1. 蒸餾法

如果靠人工加熱的方法進行蒸餾，消耗能量過多。目前已有利用太陽能進行海水蒸餾，可大幅降低成本，缺點為淡水產量不大。

2. 結晶法

又稱為凝固法，將海水冷凍形成濃縮海水與冰共存的混合物，將水取出熔化則得淡水，缺點為成本高。

3. 逆滲透法

較多的水分子由淡水水緣中半透膜流至海水，此現象稱為滲透；藉由加壓力使水分子反向由高濃度往低濃度流動，此現象稱為逆滲透，如加壓海水使水分子經半透膜流至淡水中。

五、講義範例與解答

範例 1：碳循環與氧化還原

題目：

碳在地球表面的循環與生態平衡關係密切，相關的重要含碳物質有機質、碳酸鹽（CO₃²⁻）、二氧化碳、二氧化碳、天然氣（主要含甲烷）、石油（主要含碳氫化合物）、石墨、煤等，下列有關碳之氧化還原性質的敘述，哪些正確？（應選 3 項）

(A) 石墨主要由甲烷還原而成

(B) 二氧化碳在水中可形成碳酸

(C) 呼吸作用可產生二氧化碳

(D) 植物行光合作用是將二氧化碳還原成碳及氧

(E) 將一氧化碳進一步氧化就可以得到二氧化碳

解答：B、C、E

解析：

(A) 甲烷脫氫（氧化）才能形成石墨。

(D) 植物行光合作用是將二氧化碳還原成葡萄糖及氧。

範例 2：自來水的淨化與消毒

題目：

下列有關自來水的敘述，哪些正確？（應選 3 項）

(A) 自來水加氯消毒是利用氯氣的還原原應能力

(B) 臭氧可用於自來水消毒，是利用其具有強氧化力的特性

(C) 要去除湖水、雨水等水中的雜質，是靠離心力

(D) 在混濁的水中加入明礬使水澄清，是一種沉澱反應

(E) 自來水加氯消毒後仍保持些許餘氯，可利用煮沸的方式去除大部分餘氯

解答：B、D、E

解析：

(A) 靠氯之氧化力。

(C) 利用靜置、凝聚或過濾等方法。

範例 3：硬水的判斷

題目：

下列關於硬水的敘述，哪些錯誤？

(A) 暫時硬水可藉煮沸法除去水中的鈣離子或鎂離子

(B) 永久硬水通過含有鈉離子的沸石可將鈣離子除去

(C) 硬水中的成分含有鈣或鎂的硫酸鹽或氯化物者為暫時硬水

(D) 硬水與肥皂作用會產生不溶性的鈣肥皂或鎂肥皂

(E) 鍋爐使用永久硬水，則生成的鍋垢成分可能為硫酸鈣

解答：C

解析：硫酸鹽或氯化物造成的是永久硬水。

範例 4：陽離子交換樹脂

題目：

某離子交換樹脂的裝置如右圖所示：甲管裝填 RNa 型陽離子交換樹脂，乙管裝填 ROH 型陰離子交換樹脂。當含硫酸鈣的水溶液依序通過甲、乙兩管時，下列哪些敘述正確？（應選 2 項）

(A) 在甲管內，鈣離子會與氫離子交換

(B) 當甲管的交換率降低後，可用飽和食鹽水再生

(C) 在乙管內，硫酸根離子會與氫氧根離子交換

(D) 在乙管內，硫酸根離子會與氫氧根離子交換

(E) 當乙管交換率降低後，可用鹽酸再生

解答：B、D

解析：

(A) Ca²⁺ 與 Na⁺ 交換；(C) SO₄²⁻ 與 OH⁻ 交換；(E) 需用強鹼來再生。

莫斯利提醒：水循環與水處理的必考觀念

1. 水的淨化：沉澱、過濾、曝氣、活性炭除臭與消毒，作用各不相同。

2. 硬水的成因：Ca²⁺、Mg²⁺ 是判斷硬水的關鍵；碳酸氫鹽造成暫時硬水，硫酸鹽或氯化物造成永久硬水。

3. 軟化方法：煮沸法只適用於暫時硬水；石灰蘇打法利用沉澱反應；離子交換法則以離子交換降低水的硬度。

4. 海水淡化：蒸餾、結晶與逆滲透的原理不同，題目常比較其方法與缺點。

5. 自來水消毒：氯氣與臭氧都可用於消毒，須掌握其氧化性。

莫斯利自然科學｜高中必修化學，從水的循環、淨化到軟化與淡化，掌握生活化學的核心原理。