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基礎化學(二)-2-5金屬=te

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Academic year: 2021

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(1)

2-5 金屬固體 班級: 座號: 姓名:

一、金屬鍵的形成 (一) 電子海模型 1. 金屬原子易釋出價電子而成為帶正電荷的陽離子。 2. 金屬原子所釋出的價電子,並不固定於兩個原子間,而能夠在整個晶 體中自由移動,稱為自由電子,為所有原子所共有。 3. 金屬原子的空價軌域數多,而每一原子和其周圍的原子價軌域相互重 疊,且重疊程度相同,故能接受鄰近原子的價電子。故能接受鄰近 原子的價電子。 4. 金屬陽離子呈規則性的排列,而所有的價電子則在許多低能量的空軌域中游動,宛如所有 的陽離子沉浸於電子海中。 (二) 金屬鍵:電子海中之自由電子與金屬陽離子的庫侖靜電引力。 二、金屬鍵的性質與強弱: (一) 性質: 1. 金屬鍵不具方向性。 2. 金屬鍵與離子鍵不同,因金屬鍵無陰離子生成。 3. 金屬鍵與共價鍵不同,因為共用的價電子可以在金屬中自由移動。 4. 同種或異種金屬皆能形成金屬鍵。如:K 金中含有金、銅元素,兩者之間亦能形成金屬鍵。 (二) 金屬鍵的強度:金屬鍵能量約 50 ~ 150 kJ/mol,鍵能只有共價鍵或離子鍵的 1/3。 1. 價電子數:週期表同列金屬,原子序增加,價電子與核電荷均變大,半徑變小,電子海中 陽離子對價電子具有較強的吸引力,所以金屬鍵強度較大,金屬鍵鍵能也較高, 故熔點、沸點皆較高。 2. 金屬離子半徑:金屬陽離子半徑愈小,金屬陽離子與自由電子的引力愈大,金屬鍵愈強。 3. 原子堆積形式:晶體堆積愈緊密,金屬鍵愈強。 (三) 金屬鍵在週期表上的規律性:金屬陽離子的電荷密度愈高,與自由電子間的吸引力就愈大, 金屬鍵愈強。 1. 同族元素:∵同族金屬陽離子的電荷相同,而原子半徑漸增,金屬陽離子與自由電子間的 吸引力漸減,故同族元素的金屬鍵強度由上而下漸減。 (1) 鹼金屬具有相同晶格排列,故熔點:Li > Na > K > Rb > Cs。 181℃ 98℃ 64℃ 39℃ 28℃ (2) 鹼土金屬因晶格排列方式不同,故熔點並無規律性。 2. 同列元素:∵核電荷及價電子數漸增,原子半徑漸減,金屬陽離子與自由電子間的吸引力 漸增,故週期表中同列元素的金屬鍵強度自左至右漸增。 如第三列元素熔點:Na < Mg < Al。 98℃ 650℃ 660.3℃ 【範例 1】 金屬及金屬鍵 下列關於金屬及金屬鍵的敘述,何者正確? (A)週期表中,金屬元素約占五分之一 (B)固態金屬中,有金屬鍵、陽離子及自由電子 (C)氣態的金屬無法形成金屬鍵 (D)異種金屬原子間不能形成金屬鍵 (E)參與金屬鍵的電子不再屬於某一原子,而是屬於整個晶體。 答 (B)(C)(E) 解 (A) 金屬約占五分之四。 (C) 原子間距離太遠,無法形成「電子海」。 (D) 異種金屬原子間亦能形成金屬鍵,例如:合金。 [類題 1] 下列哪個物質的結構中含有金屬鍵?

(A) Na2O (B) Al (C) 18K 金 (D) NH4Cl (E) Ba(OH)2。

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三、金屬的特性 (一) 金屬的化學式 金屬與離子固體類似,原子以特定的堆積方式組成三度空間的 巨大立體結構,所以金屬的化學式亦採用 實驗式(簡式)表示。 (二) 具金屬光澤 (1) 金屬原子之電子吸收大部分波長的可見光後,電子躍遷至高能 階,並立即再落回至基態而放出可見光。 (2) 大部分金屬呈銀白色,但 Cu 為紅色、Au 為黃色(能階差不同, 產生光之波長亦不同) (三) 導熱及導電度大 (1) 金屬固體中的自由價電子,在整個晶體構造中自由運動,當金 屬兩端外接直流電時,金屬的價電子即可循固定之方向迅速移 動而造成導電現象,因此金屬固態或液態都具有導電性。 導電性:銀 Ag>銅 Cu>金 Au>鋁 Al

(2) 金屬局部受熱時,此局部金屬陽離子會激烈振動;振動的金屬 陽離子會與自由電子碰撞,使自由電子獲得大量動能,之後自 由電子會將動能傳遞至金屬的另一部分而導熱。 (四) 具延性與展性 (1) 在受外力時,金屬原子雖然滑動,但金屬陽離子仍浸在電子海 中,金屬鍵仍然存在,所以金屬具有很好的延性與展性 (2) 延性與展性最好的金屬為金。1 克金可拉成 165 公尺的金絲而 不斷裂;若製成金箔,面積可達 1 平方公尺 (五) 熔點範圍大 (1) 由於原子基本特性與堆積方式等差異,金屬具有較廣範圍的熔 點與沸點分布。室溫下除 Hg 外,均以固態存在。熔、沸點普 遍較分子化合物高。 (2) 金屬熔點以 W(mp:3422℃)最高,Hg(mp:-38.9℃)最低。 【範例 2】 金屬的特性 下列有關金屬特性的敘述,何者正確? (A)金屬均由金屬鍵結合而成 (B)金屬均呈銀白色 (C)金屬元素的原子核對於其價電子的束縛力很小,故易產生自由電子 (D)溫度升高時,因為自由電子的移動速率增加,故金屬的導電度變大 (E)大部分的金屬硬而脆。 答 (A)(C) 解 (B) 例如:銅是紅色,金是黃色。 (D) 溫度愈高,金屬的導電度愈小。

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四、金屬的用途 用 途 範例與說明 鑄造器物 銅、鐵、鋁、錫 飾品 金、鉑、銀,其化性很小,光澤美麗 還原劑 鉀、鈉、鋁,其失去電子的傾向很大 血壓計 汞(目前政府已建議不要採用) 燈絲材料 鎢,其熔點高達 3410 °C 合 金 (一) 定義:一種金屬與別種金屬或非金屬元素形成的固態溶液,但呈現出金屬 的性質。 (二) 性質: 1. 導電度,傳熱度均降低(即電阻會加大)。合金常產生局部的化學鍵,減少自 由電子活動,使導電度下降。 2. 硬度增加,金屬光澤減弱或消失,延展性減少。金屬中加入少量 C、P4、 S8,會變成硬且脆。乃是由於加入的元素與金屬原子生成共價鍵,延展性 變得較差。 3. 熔點改變(是升或降看所加入物質而定)。 4. 目的:可改變原來金屬的硬度、延性與展性、光澤、導電度、抗蝕性等 合 金 成 分 特色與用途 K 金 Au+Cu 增加硬度、光澤;製飾品 不鏽鋼 Fe+Cr+Ni+C 耐腐蝕,不易生鏽;製容器 黃銅(黃色) Cu+Zn 增加硬度;製彈殼 青銅(褐色) Cu+Sn 增加硬度;製獎牌、塑像 白銅(銀白) Cu+Zn+Ni 電阻甚大;製電熱器 ※ 純金為 24K,常用作鏡框的是 14K,其含金量為 14 24×100%=58.3% 【範例 3】 金屬的用途 下列有關金屬用途的敘述,何者正確? (A)電腦零件中含有金 (B)衛福部大力提倡使用水銀血壓計量血壓,因為其很準確 (C)鋼為含鐵與碳的合金 (D)黃金是金與銅的合金 (E)合金的顏色與原金屬相同。 答 (A)(C) 解 (A) 許多電腦零件中,含有黃金絲所做的導線及接腳。 (B) 由於汞的劇毒性質,衛福部提倡使用電子血壓計。 (D) 黃金就是金。 (E) 合金的顏色可能與原金屬不同。 [類題 3] 下列何者是最強的還原劑?

(A) Zn (B) Cu (C) Na (D) Al (E) Ag。 答 (C)

愈易失去電子者,為愈強的還原劑。 失電子傾向為 Na>Al>Zn>Cu>Ag

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五、化學鍵整理 種 類 共價鍵 離子鍵 金屬鍵 引 力 原子核與共用電子對間的引力 陰、陽離子間的引力 陽離子與電子海間 的引力 方向性 有方向性 無方向性 無方向性 鍵 能 離子鍵 共價鍵>金屬鍵 離子鍵、共價鍵:150 ~ 400 kJ/mol;金屬鍵:50 ~ 150 kJ/mol 形成物質 分子固體 網狀固體 離子固體 金屬固體 組 成 非金屬原子 C、Si、B 陰、陽離子 金屬原子 粒子間 作用力 凡得瓦力、氫鍵 共價鍵 離子鍵 金屬鍵 狀 態 固體、液體、氣體 固體 固體 固體(汞為液體) 硬 度 軟 極硬 (石墨較軟) 硬 硬 (鹼金屬較軟) 熔、沸點 低 高 高 低~高 固體的延 性與展性 無 無 無 有 導 電 性 固體(s) ╳ 僅石墨、半導體 ╳ ○ 液體(l) ╳ ╳ 水溶液 酸、鹼分子水溶液 溶解度 多不溶於水 不溶 許多可溶 不溶 ※ 由於金屬鍵的鍵能較離子鍵及共價鍵弱,故 (1) 一般而言,熔點:網狀固體、離子晶體>金屬固體>分子固體(分子間引力較弱)。 (2) 某些金屬質地較軟,例如:鈉,可用刀片切割。 (3) 化學鍵之方向性,是指原子或離子是否須由特定方向相互接近才可形成鍵結。 【範例 4】 物質的特性 甲、乙、丙三種純物質的特性如下 : 甲:黃色光澤固體,延性與展性佳,具導電性。 乙:非導體,在 650 °C 熔化,成了導電液體。 丙:紅色固體,具刺激臭味,熔點 171 °C,熔化後亦為非導體。 由上述資料判斷,何者為離子晶體? 答 乙 解 甲具光澤,本身可導電,應為金屬固體。 乙的熔點高,本身不導電,但熔融態可導電,應為離子晶體。 丙的熔點不高,熔化後亦不導電,應為分子固體。 [類題 4] 下列物質的導電度,何者最高?

(A) NH3() (B) C4H10() (C) MgCl2() (D) Na(s) (E) HCl(aq)。

答 (D)

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【範例 5】 物質的特性 ○1 ~ ○9 為週期表前三週期的元素,其位置如下圖所示。回答下列問題: (1) 下列選項中的元素在彼此結合後,何者會形成金屬鍵? (A) ○1 、○2 (B) ○2 、○2 (C) ○3 、○8 (D) ○6 、○6 (E) ○6 、○8 。 (2) 下列選項中的元素在彼此結合後,何項所形成的物質有最高的熔點? (A) ○1 、○1 (B) ○7 、○7 (C) ○1 、○6 (D) ○1 、○8 (E) ○9 、○9 。 答 (1)(B) (2)(B)

解 ○1 為 H、○2 為 Na、○3 為 Ca、○4 為 Cu、○5 為 Al、○6 為 C、○7 為 Si、○8 為 O、○9 為 Cl。

(1) (A) NaH,為離子鍵。(B) Na,為金屬鍵。(C) CaO,為離子鍵。(D)石墨、鑽石等碳的同素

異形體,為共價鍵。(E) CO2,為共價鍵。

(2) (A) H2。(B) Si,為網狀固體。(C) CH4。(D) H2O。(E) Cl2。 [類題 5] 承範例 5,回答下列問題: (1) 下列何者為最常用的電線材料? (A) ○2 (B) ○3 (C) ○4 (D) ○5 (E) ○9 。 (2) 下列選項中的元素在彼此結合後,何者可以形成網狀固體? (A) ○2 、○8 (B) ○6 、○8 (C) ○6 、○6 (D) ○7 、○7 (E) ○7 、○8 。 (3) 下列選項中的元素在彼此結合後,何者可以形成電解質? (A) ○1 、○9 (B) ○3 、○3 (C) ○3 、○8 (D) ○4 、○4 (E) ○6 、○8 。 答 (1)(C) (2)(C)(D)(E) (3)(A)(C)(E) (1) (C) 銅為最常用的電線材料。

(2) (A) Na2O。(B) CO2。(C)石墨、鑽石,為網狀固體。(D) Si,為網狀固體。(E) SiO2,為網狀固體。

(3) (A) HCl,酸為電解質。(B) Ca。(C) CaO,離子化合物為電解質。(D) Cu。(E) CO2,溶於水形成

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深入了解:

1. 金屬有光澤的原因 當光線照射金屬表面時, 自由電子吸收所有可見光的頻率, 然後很快的發射出大部分吸收 的可見光,故絕大多數的金屬呈銀白色或鋼灰色光澤。但金屬在粉末狀態時,由於晶體排列不規 則,可見光被自由電子吸收後難以發射出去,因此金屬粉末一般呈黑色或灰色。少數金屬的粉末 會保持原來的顏色及光澤,例如:金、鋁。 表:金屬之最 金屬種類 性質 銀 導熱、導電性最強 鉑 延性最突出 金 展性最優 鋨 密度最大(於 25 ℃時為 22.57 g/cm3 鉻 硬度最高(8.5)(摩氏硬度) 鎢 熔點最高(3410 ℃) 2. 常見五金 五金即指金、銀、銅、鐵和錫這五種常見的金屬元素,其後該詞引申至指一般常見的金屬製 品,所以五金店所賣的不僅限於這五種金屬。 3. 金屬導體、半導體與絕緣體導電性比較: (一) 金屬導體:Eg ≒ 0,價電子很容易可以從價帶躍遷至傳導帶而導電。 (二) 絕緣體:價帶與傳導帶之能量相差甚大,價電子甚難獲得足夠能量,從價帶躍遷到傳導帶而 導電。 (三) 導電性介於導體與絕緣體之間,導電性隨溫度之升高而增大,因價帶與傳導帶之間的能量差 較絕緣體為小,電子可因加溫而從價帶躍遷到傳導帶。如:B、Si、Ge、As、Sb、Se、Te。 1. 半導體如矽有4個價電子,其能階分布如圖(a)所示 2. n 型半導體:若將微量的5個價電子的雜原子(如磷)摻入矽晶體中,雜原子取代晶體中的矽 原子,多出的一個電子,就成為自由電子,進入傳導帶中而能導電,其能階 分布如圖(b)所示。 3. p 型半導體:加入有3 個價電子的雜原子(如硼)取代矽後,就會形成一個電洞(空的價軌域), 鄰近電子移入電洞後,又產生一個新電洞,如此就可導電,其能階分布如圖 (c)。 4. 導電性:p 型半導體> n 型半導體>元素半導體。

參考文獻

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