本關重點
- 純物質（pure substance）有固定組成與固定熔點、沸點；混合物（mixture）組成可變，看起來均勻不代表是純物質。
- 分離混合物的關鍵是找出成分之間的「性質差異」：沸點→蒸餾，溶解度→萃取，吸附與溶解程度→色層分析，離子種類→硬水軟化。
- 相圖（phase diagram）只考水與二氧化碳：會讀三相點、會用「水平線、垂直線」判斷升溫或加壓時的相變。
- 拉瓦節（Lavoisier）用密閉容器秤重，建立質量守恆；定比定律、倍比定律讓道耳頓（Dalton）提出原子說。
- 色層分析的移動距離只做定性比較，結論只能說「成分相符」，不能說「證明是同一支筆」。
核心觀念
一、純物質與混合物
判斷時別用「看起來」，要用「組成是否固定」。蒸餾水、乾冰（固態 CO₂）、氧氣是純物質；海水、空氣、汽水、牛奶、合金（例如 18K 金含約 75% 金）都是混合物。純物質又分元素（只含一種原子，例如 O₂、石墨）與化合物（兩種以上元素以固定比例結合，例如 H₂O、CO₂）。
一個實用的檢驗：純物質在定壓下熔化或沸騰時，溫度維持不變；混合物則會在一段溫度範圍內慢慢變化。
二、分離方法：先問「哪個性質不一樣」
| 方法 | 利用的性質差異 | 生活例子 |
|---|---|---|
| 過濾 | 顆粒大小（能否通過濾紙） | 濾掉茶葉渣 |
| 蒸餾 | 沸點 | 釀造酒蒸餾成烈酒、海水蒸餾得淡水 |
| 萃取 | 成分在不同溶劑中的溶解度 | 熱水沖咖啡、泡茶 |
| 色層分析（chromatography） | 成分被固定相吸附、溶於展開液的程度不同，移動速率不同 | 分離墨水、葉片色素 |
| 硬水軟化 | 用離子交換樹脂把鈣離子、鎂離子換成鈉離子或氫離子 | 家用軟水器 |
| 逆滲透 | 加壓讓水分子穿過只容許水通過的薄膜 | 淨水器、海水淡化廠 |
色層分析中，展開液往上爬時帶動色素；越不容易被片子「抓住」、越容易溶在展開液裡的色素跑得越遠。同一種展開液、同一種片子下，同一種色素的「移動距離 ÷ 展開液前緣距離」大致固定，可以拿來比對。這個比值常稱為 Rf 值（retention factor），課綱沒有要求背誦或計算它，題目用到時會在題幹給定義；你要會的是定性判讀：「跑得較遠＝與固定相作用較弱」。
三、水與二氧化碳的相圖
相圖的橫軸是溫度、縱軸是壓力，三條界線把圖分成固、液、氣三區。三線交會點稱為三相點（triple point），在該溫度與壓力下三相共存。
| 三相點 | 1 atm 下的行為 | 固液界線斜率 | |
|---|---|---|---|
| 水 | 約 0.01 °C、0.006 atm | 0 °C 熔化、100 °C 沸騰 | 向左傾（加壓使熔點略降） |
| 二氧化碳 | 約 −56.6 °C、5.1 atm | −78.5 °C 直接昇華 | 向右傾（加壓使熔點略升） |
讀圖口訣：**定壓升溫畫水平線，定溫加壓畫垂直線，線穿過哪條界線就發生哪種相變。**乾冰在 1 atm 下不會變成液體，因為 1 atm 低於 CO₂ 的三相點壓力，水平線只穿過固、氣兩區。
四、從質量守恆到原子說
- 質量守恆：拉瓦節在密閉容器中加熱金屬，反應前後總質量不變。開放容器中鎂帶燃燒後變重，是因為結合了空氣中的氧，不是質量憑空增加。
- 定比定律：同一種化合物，不論怎麼製備，各元素的質量比固定。例如水中氫與氧的質量比約 1:8。
- 倍比定律：兩元素形成多種化合物時，固定其中一種元素的質量，另一元素的質量成簡單整數比。例如與 1.00 g 碳結合的氧，在 CO 中約 1.33 g、在 CO₂ 中約 2.67 g，比為 1:2。
- 道耳頓原子說：物質由原子組成；同元素原子性質相同；化合物由不同原子以簡單整數比結合；化學反應只是原子重新排列，原子不會消失或產生。這套理論同時解釋了上面三個定律。後來發現原子還有內部結構、同位素原子質量不同，原子說被修正，這正是科學知識隨證據演進的例子。
素養怎麼考
- 相圖判讀：給乾冰、高壓鍋、溜冰等情境，要你在圖上找路徑，判斷會不會出現液態。
- 分離流程設計：給咖啡、淨水器或古土壤樣品的處理流程，問每一步利用了什麼性質差異。
- 色層分析結果解讀：比對斑點位置找出相符的樣品，並判斷結論是否推論過度。
- 科學史數據：給一張質量數據表，要你算出比值、判斷符合哪一個定律，或說明原子說如何解釋。
真題考法對照（用本站的話描述，非原題）
- 115 學年度學測第 25 題：香蕉灰提取鉀鹽的五步實驗紀錄，要從流程中認出用到哪些分離方法（過濾、沉澱）。本關第 2 題的海帶取碘流程就是同型練習。
- 114 學年度學測第 30 題：一次給好幾種純化情境（再結晶、蒸餾、萃取後蒸餾、濾紙層析），逐一判斷可不可行，考的是「性質差異→方法」。
- 115 學年度學測第 20 題、112 學年度學測第 21 題：相圖用的是題幹附上的「化合物甲」與硫的相圖，不是水或 CO₂。課綱只要求熟悉水與 CO₂，但只要會「畫水平線、垂直線、看穿過哪條界線」，任何附在題幹的相圖都能讀。
解題技巧
- 分類題先問「組成固定嗎」，把合金、溶液、空氣先刪掉。
- 分離題先找「兩成分差在哪個性質」，再對應方法；不要只背方法名稱。
- 相圖題先標出題目給的壓力或溫度，畫水平或垂直線，數一數穿過幾條界線。
- 倍比定律題：先把其中一個元素的質量固定成 1，再比另一個元素，化成最簡整數比。
- 色層分析結論題：只比「斑點位置與數量是否都相同」，再檢查選項有沒有寫成「證明」「一定是」。
常見陷阱
- 以為「透明均勻的液體就是純物質」：海水、糖水都是混合物。
- 以為乾冰昇華是化學變化：相變只改變分子排列，CO₂ 分子本身沒變。
- 把昇華點當成沸點：−78.5 °C 是 1 atm 下乾冰的昇華溫度。
- 色層分析中以為「跑得慢是因為量比較少」：移動距離由性質決定，斑點大小才和量有關。
- 看到鎂燃燒變重就說質量不守恆：忘了把參與反應的氧算進去。
BOSS 戰
BOSS 戰：蒸餾瓶擬態怪
物質的分類、分離與原子說 擋住了去路！共 8 題。
計時從進入每題開始，看詳解時暫停；同分比時間。
延伸閱讀與資料來源
- NIST Chemistry WebBook：二氧化碳相變資料（三相點 216.58 K、5.185 bar）（美國國家標準與技術研究院標準參考資料，數值屬事實，引用註明出處）
- NIST Chemistry WebBook：水的相變資料（同上）
- PubChem Periodic Table（原子量）（美國 NCBI 公開資料）
- 教育部 十二年國教課綱 自然科學領域（課綱文件，公開閱覽）