元素各論-鋁錫鉛

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中道中學化學科補充教材

整理:楊明錦老師 班級 姓名 座號 講義編號:006

重點主題:鋁、錫、鉛及其化合物

一、 鋁、錫、鉛的性質及製取 ※鋁、錫、鉛的一般性質 元素 鋁(Al) 錫(Sn) 鉛(Pb) 原子序 13 50 82 原子量 26.98 118.69 207.19 基態價電子組態 3s2 3p1 4d5s2 5p2 4f5d6s26p2 原子半徑(nm) 0.143 0.141 0.175 離子半徑(nm) 0.053 0.093 0.118 原子容積 (mL/mol) 10.0 16.3 18.3 熔點(℃) 660.37 232 327 沸點(℃) 2467 2623 1751 密度(g/cm ) 2.698 5.77(α,灰錫) 7.29(β,白錫) 11.34 氧化數 +3 +2、+4(安定) +2(安定)、+4 二、各論

1.鋁

(1)存在  鋁在地殼中存量僅次於氧和矽。  鋁為強還原劑,在自然界中不以元素態存在,主要以 +3 價化合物存在。  主要鋁礦有鋁礬土(Al2 O3·X H2 O)、冰晶石(Na3AlF3)。

(2)製備  流程 Al2O3·X H2 O + NaOH  NaAl(OH)4 (可溶) 鋁礬土 過濾除去不溶性雜質 Fe2 O3(雜質) + CO2 (或H   aq )Al(OH)3  Al2 O3 電解 Al  電解精煉鋁 (a)電解法煉鋁,使用郝耳電解槽,其陰極為石墨內襯,以鋁礬土作為 原料,並加入冰晶石當助熔劑,以降低熔點。 (b)半反應 陽極: 2 Al2 O3  s + 3 C s  4 Al3  l + 3CO2  g + 12 e 陰極: 4 Al3   l + 12 e  4 Al l 全反應: 2 Al2 O3  s + 3 C s  4 Al l + 3CO2  g (3)性質與用途  鋁富有延展性,為電、熱的良導體,可製導線。  鋁為銀白色、質軟且比重小的輕金屬,比重為 2.7,是鐵的 1/3 , 鋁的合金常用於航空工業。  鋁在空氣中易氧化生成氧化鋁(Al2O3)薄膜,而此薄膜體積較 原鋁原子為大,可保護內層使內部的鋁不再氧化。因此鋁常當建材。  鋁為強還原劑。

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(a)鋁的價電子組態為3s2 3p1(三個價電子),易形成Al3 (b)三個價電子之總游離能不小,但 Al3的水合能頗大,故金屬鋁仍為 強還原劑。例如鋁可還原氧化鐵或氧化鉻。 Fe2 O3  s + 2 Al s  Al2 O3  s + 2 Fe s Cr2 O3  s + 2 Al s  Al2 O3  s + 2 Cr s  鋁為兩性元素,可溶於強酸與強鹼。 2 Al s + 6 H   aq  2 Al3  l +3 H2  g  2 Al s + 2 OH   aq + 6 H2 O  2 Al(OH)    aq 4 +3 H2  g   鋁化合物的鍵結具有相當強的共價鍵。 例如氯化鋁,不像一般離子化合物具有高的熔點與沸點, 在 178℃時有昇華現象。其結構不似離子固體般的無限延伸, 而是分子型態。

2.錫

(1)存在:錫石(SnO2)。 (2)製備:焦炭作為還原劑還原錫石。 SnO2 + 2 C  Sn + 2 CO (3)性質  熔點不高,易於陶鑄加工,為史前已知的金屬,青銅器時代即有 銅、錫合金所製的器具。  具有二價及四價的氧化態,四價較安定,二價易氧化成為四價的 化合物,故二價化合物可作為還原劑。  氧化數愈高,其共價性愈強,故四價化合物具較大程度的共價性。 化合物 SnCl4 SnCl2 熔點 -33℃ 246℃ 共價性 大 小 (4)用途  鍍錫鐵板(俗稱馬口鐵),可防鏽。②製錫箔,但目前大都以鋁箔取代。  製合金。 合金 成分組成 用途 銲蠟 錫、鉛 低熔點、銲接金屬用 活字金 錫(5﹪)、銻(20﹪)、鉛 (75﹪) 印刷用鉛字 青銅 錫、銅 鑄像

3.鉛

(1)存在:方鉛礦 PbS 。 (2)製備:方鉛礦先煅燒生成 PbO2 ,再以焦碳還原PbO 製得 Pb。 步驟一: 2 PbS + 3 O2  2 PbO + 2 SO2 步驟二: PbO + C  Pb + CO (3)性質  鉛熔點不高,易於陶鑄加工,為史前已知的元素,古埃及即當成貨幣。  具有二價與四價的氧化態,二價較安定,四價化合物易還原成二價狀態, 故四價化合物可當成氧化劑。  鉛在空氣中氧化,生成鹼式碳酸鉛[Pb(OH)2 ‧Pb CO3],此薄層 可保護內部不再被腐蝕。 (4)用途:防腐蝕材料、抗輻射鉛板、合金、蓄電池等。 三、鋁、錫、鉛的化合物 1.鋁的化合物

1) 氧化鋁(Al

2

O

3

;俗稱礬土)

含氧化鋁的寶石成分 寶石名稱 主成分 次成分 顏色 鋼玉 純 Al2 O3 無 無色 剛石粉 Al2O3 Fe3O4 黑色 紅寶石 Al2O3 Cr2 O3 紅色 藍寶石 Al2O3 Fe2O3與TiO2 藍色  存在:鋼玉、剛石粉、紅寶石、藍寶石等。

(3)

 人造寶石 (a) 組成:Al2 O3強熱熔化添加少量過渡金屬氧化物,經養晶過程製得。 (b) 製造:強熱氫氧化鋁,可得白色氧化鋁粉末,再強熱氧化鋁,使其 熔化再添加少量過度金屬氧化物,經養晶過程即可得人造寶石。 2 Al(OH)3  Al2O3  s + 3 H2O  性質:氧化鋁是兩性化合物,可溶於強酸與強鹼。 (a) 與強酸作用: Al2 O3  s + 6 H   aq  2 Al3 aq + 3 H2 O (b) 與強鹼作用: Al2 O3  s + 2 OH   aq + 3 H2 O  2Al(OH)    aq 4  用途:製作飾品及鐘錶或各式機械的軸承等。

2) 氫氧化鋁(Al(OH)

3

 製備:加氨水於鋁鹽之溶液中即可得其白色沉澱。 Al3 aq + 3 OH   aq  Al(OH)3  s ↓  性質:Al(OH)3為兩性氫氧化物,可溶於強酸與強鹼。 (a)與強酸作用: Al(OH)3+ 3 H   aq  Al3 aq + 3 H2 O (b)與強鹼作用: Al(OH)3+ OH   aq  2Al(OH)    aq 4  用途 (a)淨水劑:氫氧化鋁能膠結水中懸浮物質並使其沉澱,可作為淨水劑。 (b)媒染劑:氫氧化鋁能吸附色質與其化合物,使其固著於棉紗纖維, 故可當作媒染劑。 (3)明礬[KAl(SO4 )2 ‧12 H2 O;十二水合硫酸鋁鉀,簡稱為鉀礬]  製備:硫酸鋁與硫酸鉀的溶液適量混合後,蒸發製得無色八面體型的 硫酸鋁鉀晶體,稱為鉀礬,簡稱明礬,是一種複鹽。 Al2(SO4 )3 + K2 SO4 + 24 H2 O  KAl(SO4 )2‧12 H2O  礬類:由 +3 價金屬離子與 +1 價金屬離子或銨離子的硫酸鹽所生成的 複鹽,稱為礬類。通式為:MM3(SO 4 )2 ‧12 H2 O。 常見的礬類如下表 化學式 名稱 簡稱 顏色 KAl(SO4 )2 ‧12 H2O 鉀鋁礬 鉀礬或明礬 無色 KFe(SO4 )2 ‧12 H2O 鉀鐵礬 鐵礬 淡紫 NH4 Al(SO4 )2 ‧12 H2O 銨鋁礬 銨礬 無色 NH4 Cr(SO4 )2 ‧12 H2O 銨鉻礬 KMn(SO4 )2 ‧12 H2 O 鉀錳礬 錳礬 淡紅 KCr(SO4 )2 ‧12 H2O 鉀鉻礬 鉻礬 黑紫  同形體:結晶形狀相同而組成不完全相同的物質稱為同形體(isomorphs) 或稱「異質同形體」。礬類晶形相同(八面體)但組成不相同,屬之。  性質與用途:明礬較易純化,代替硫酸鋁作為媒染劑、淨水劑等。 2. 錫的化合物 錫有兩種形式的氯化物,氯化亞錫(SnCl2)及氯化錫(SnCl4 ), 其中四價的氯化錫較安定。

1) 氯化錫(SnCl

4

 製備:通適量的氯氣於氯化亞錫溶液中即可得到。 SnCl2 + Cl2  SnCl4  性質與用途 (a)室溫下為無色發煙之液體。 (b)軍事煙幕製造:SnCl4 蒸氣與氨水及水氣混合,即可生成氫氧化錫與 氯化銨之微粒而呈現煙霧狀。 SnCl4 + 4 NH3 + 4 H2 O  Sn(OH)4 + 4 NH4 Cl

2)氯化亞錫(SnCl

2

 製備:將錫溶於濃鹽酸中,再蒸發其溶液即得無色針狀的 SnCl2 結晶。 Sn + 2 HCl  SnCl2 + H2

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 性質 (a)氯化亞錫為無色固體,溶於水起水解反應生成鹼式氯化亞錫【SnOHCl】 的白色沉澱,若加少量的鹽酸可防止其水解(勒沙特列原理)。 SnCl2  s + H2O l  SnOHCl s +HClaq (b)氯化亞錫為強還原劑。 例 1:能使氯化汞還原成氯化亞汞。 SnCl2 + 2 HgCl2  SnCl4 + Hg2 Cl2 例 2:能使氯化鐵還原成氯化亞鐵。 SnCl2 + 2 FeCl3  SnCl4 + 2 FeCl2 例 3:能使過錳酸鉀、二鉻酸鉀之酸性溶液退色。 5 Sn2 + 2 MnO 4 + 16 H  5 Sn4 + 2 Mn2 + 8 H2 O 3 Sn2 + Cr 2 O27 + 14 H  3 Sn4 + 2 Cr3 + 7 H2O 3. 鉛的化合物 鉛的化合物主要有二價與四價的化合物,其中二價的較穩定, 鉛的化合物具有毒性,必須謹慎使用。

1)一氧化鉛(PbO;俗稱密陀僧)

 製備 (a)鉛在空氣中燃燒氧化。 2 Pb + O2  2 PbO (b)加熱硝酸鉛。 2 Pb(NO3)2  2PbO + 4 NO2 + O2  性質與用途 (a)為淡黃色結晶粉末。 (b)兩性的氫氧化物。 (c)可用以製玻璃、琺瑯、釉藥及其他的鉛化物。

2)四氧化三鉛(Pb

3

O

4

;俗稱鉛丹)

 製備:一氧化鉛在空氣中加熱至 500℃而得。 6 PbO s + O2  g  2 Pb3O4  s  性質與用途 (a)為鮮紅色粉末。 (b)可視為 PbO22PbO 的複合物。 (c)與油類混合塗於鐵器上可防止生鏽。

3)二氧化鉛(PbO

2

 製備:由四氧化三鉛與硝酸作用而得。

Pb3O4 + 4 HNO3  PbO2 + 2Pb(NO3)2 + 2 H2 O

 性質與用途 (a)為棕色粉末。 (b)是兩性氧化物。 (c)加熱則會產生氧氣,為氧化劑。 2 PbO2  2 PbO + O2 (d)可製造鉛蓄電池的極板。 陽極: Pb s + SO24 aq  PbSO4  s + 2 e 陰極:PbO2  s +4 H   aq +SO24 aq+2 e   PbSO4  s +2 H2O

4)鉻酸鉛(PbCrO

4

;俗稱鉻黃)

 製備:將鉻酸鉀與鉛鹽作用製得。

K2CrO4 + PbSO4  PbCrO4 + K2 SO4

 性質與用途:黃色粉末,是重要的顏料,例如馬路上的分道線,即是 由含有鉻黃之塗料所劃。

5)鉛白[2 PbCO

3

Pb(OH)

2

]

性質與用途:鉛白為白色粉末,是極典型的白色顏料。 ※常見的鋁、錫、鉛化合物的用途 化合物 用途 Al2 O3 鋁及含鋁化合物的來源,耐火專及爐襯

(5)

裡, 合成藍寶石與紅寶石 Al2(SO4 )318 H 2 O 製紙、淨水 AlCl3 鋁的製備,有機反應的催化劑 SnO2 含錫化合物的製品、釉與瓷漆 SnCl2 製備有機化合物的還原劑 PbO 鉛玻璃 PbO2 鉛蓄電池的陰極 Pb3O4 鋼結構的上色顏料 一、單一選擇題: 1. ( )明礬溶液中,各種離子的莫耳濃度由小到大的順序為何? 

(A) OH-,H,Al3+,K,SO

42- (B) OH-,H+,K+,Al3+,SO42- 

(C) OH-,K,Al3+,H,SO

42- (D) K+,SO42-,Al3+,H+,OH-。

2. ( )鉛、錫、鐵、銅和鋁這五種今日常見的金屬中,前四者在龐貝廢墟(此 城建於西元前 240 年)出土的文物中大量可見。唯獨鋁在 1825 年才被 發現,並於 1855 年巴黎科展時被視為稀有金屬作展示,為什麼以前鋁 的出產量如此稀少?  (A)在地殼中存量稀少,且只有極少的鋁以元素態存在於自然界  (B)鋁活性大,在自然界中易氧化而不以元素態存在  (C)鋁的化合物易形成膠體溶液 (D)鋁在空氣中,表面與氧反應生成 一薄層緻密的氧化鋁,成為保護膜,可防止內部的鋁氧化 (E)以上皆非。 3. ( )下列有關鋁的敘述,何者正確? (A)鋁之比重小,僅為鐵之 ,故 純鋁常作為航空材料 (B)純鋁富延展性,為電、熱的良導體 (C)用 以冶煉鋁的礦石為冰晶石 (D)電解法製鋁為一極消耗能量的方法, 現已不採用 (E)鋁可溶於鹽酸,但難溶於氫氧化鈉中。 4. ( )鋁比鐵不易腐蝕,其原因為何? (A)鋁不易與氧反應 (B)氧化數 從+3 至 0,鐵的還原電位比鋁高 (C)鋁的表面生成一層 Al2O3 的 薄膜 (D)鋁的導電度比鐵高。 5. ( )把 X 溶液(或氣體)慢慢加入或通入一定量的 Y 溶液中,產生的沉澱 質量(W)與加入 X 物質的質量關係,如下圖,則下列何項符合圖意? (A ) Y 為 Ca(OH)2,X 為 SO2 (B) Y 為 Ca(NO3)2,X 為氨水 

(C) Y 為 AlCl3,X 為 NaOH (D) Y 為 NaAl(OH)4,X 為 HCl。

6. ( )稱取兩份鋁粉,第一份加足量濃 NaOH(aq),第二份加足量 HCl(aq),如要

產生體積比為 1:3 的氫氣(在同溫、同壓下),兩份鋁粉的質量之比 為何? (A) 1:2 (B) 1:3 (C) 3:2 (D) 1:1。 7. ( )下列有關元素在自然界的藏量之敘述,何者錯誤?(A) IA 族以鈉最多  (B) IIA 族以鎂最多 (C)金屬元素以鋁最多 (D)海水中 Na+ 多於 K。  8. ( )下列有關鋁化合物之敘述,何者正確? (A) MⅠM(SO 4)2.12H2O 屬 四面體 (B) Al(OH)3(s) 屬於兩性物質,不溶於氨水 (C)純 Al2O3 中 含少量 Cr2O3 呈藍色,為藍寶石 (D) KAl(SO4)2.12H2O 可軟化硬水。  9. ( )下列有關鋁化合物之敘述,何者正確? (A) Al(OH)3 屬於兩性物質, 可溶於氨水 (B)純 Al2O3 含少量 Cr2O3 呈藍色,為藍寶石  (C) KAl(SO4)2.12H2O 可作為媒染劑  (D) KAl(SO4)2.12H2O 屬於四面體結構。 10. ( )下列有關鋁化合物之敘述,何者正確? (A) Al(OH)3 屬兩性物質, 可溶於氨水 (B)純 Al2O3 中含少量 Cr2O3,呈藍色,為藍寶石  (C) KAl(SO4)2.12H2O 為冰晶石 (D)明礬溶於水可解離出鉀離子、 鋁離子及硫酸根等離子,其中作為淨水劑的功用與鋁離子有關  (E)硫酸鋁加入氨水,可得到黃色沉澱。 11. ( )下列有關 Pb 及 Sn 之敘述,何者錯誤? (A) Sn 的氧化數+4 比+2  穩定,Pb 的氧化數+2 比+4 穩定 (B)鉛的價電子 6s26p2  (C)鉛易溶於 H2SO4 及 HCl,但不溶於 HNO3 中  (D) SnCl4+4NH3+4H2O → Sn(OH)4(s)+4NH4Cl(s)。  12. ( )下列對錫與鉛性質之敘述,何者錯誤? (A)錫與鉛均為 IVA 族元素, 價電子組態 ns2np2 (B)鉛與錫活性大,冶煉時常用電解法 

(6)

(C) SnO 與 PbO 均為兩性化合物 (D)錫+4 的氧化態較穩定, 鉛+2 的氧化態較穩定。 13. ( )下列有關 Al、Sn、Pb 之性質比較中,何者錯誤?  (A)還原力:Al > Sn > Pb (B)價電子數:Sn=Pb > Al  (C)密度:Pb > Sn > Al (D)熔點:Al > Sn > Pb。  14. ( )有關錫、鉛之敘述,何者錯誤? (A)氯化錫(II)為相當好的還原劑 

(B)氧化力:PbO2 > SnO2 (C)還原力:Pb(NO3)2 < Sn(NO3)2 

(D) PbO2 可作乾電池之陰極 (E)四乙基鉛和第三丁基錫(TBT) 皆屬劇毒的有機金屬化合物。 15. ( )有關錫化合物的一些敘述,何者錯誤? (A) SnCl2.2H2O 為無色 針狀結晶 (B)錫鍍在鐵板上,即為俗稱的馬口鐵,可以防鏽  (C)氯化錫(IV)溶於水會水解產生白色沉澱 Sn(OH)Cl(D) SnCl4 與氨、 水蒸氣混合可產生白色煙狀微粒 (E)有機金屬錫化合物有劇毒, 但純錫無毒。 二、多重選擇題: 1. (    )下列有關明礬水溶液之敘述,何者正確? (A)可用作淨水劑, 因能生成膠狀 Al(OH)3 吸附微小粒子(B)漸加氨水時生成白色沉澱, 續加氨水時又會溶解 (C)漸加氫氧化鈉水溶液時生成沉澱,但續 加時又會溶解 (D)加入氯化鋇水溶液時生成白色沉澱  (E)明礬水溶液具有導電性。 2. (    )有關明礬水溶液之敘述,何者正確?(A)加入氫氧化鈉溶液時, 生成沉澱,但續加時又會溶解 (B)可用作淨水劑,因能生成膠狀  Al(OH)3 吸附微小粒子 (C)加入氯化鋇水溶液時,生成白色沉澱  (D)漸加氨水時,生成白色沉澱,續加氨水時又會溶解  (E)浸入紅色石蕊試紙時變藍。 3. (    )下列有關錫與鉛及其化合物的敘述,何者正確?  (A) SnCl4 在軍事上可作煙幕 (B) Pb(NO3)2 加熱分解可 產生 NO2 及 O2 兩種氣體 (C) SnCl2 在酸性溶液中可使  MnO4- 還原(D) PbO2 可作鉛蓄電池的負極板 (E)配製  SnCl2 水溶液時,須加入少許 HCl 以防止沉澱生成。 4. (    )某離子 X2+ 的最外層電子組態為 5s2,若將 X(單質)與鹽酸 反應可製 XCl2 溶液,則下列敘述何者正確? (A) X 元素常見之 氧化數為+2 及+4 (B) X(OH)2 為強鹼 (C) XCl2 溶液呈酸性  (D) X 元素的最高氧化物的水合物呈強酸性 (E) X2+ 可使酸性 過錳酸鉀溶液褪色。 5. (    )下列有關鉛的敘述,何者正確? (A)鉻酸鉛俗稱密陀僧, 可用以製造玻璃、琺瑯、釉藥 (B)二氧化鉛為氧化劑,可作為 鉛蓄電池的陽極 (C)氧化鉛為兩性氧化物,可當鉛蓄電池的陰極  (D)四氧化三鉛俗稱鉛丹,可用於鐵器的防鏽 (E)汽油中添加 四乙基鉛,可作抗震劑。 6. (    )鉛在空氣中加熱製得 PbO,將 PbO 在空氣中緩緩加熱至  450 ℃可製得 Pb3O4,Pb3O4 與硝酸反應可製得 PbO2。關於鉛的 化合物,下列敘述何者正確? (A)鉛的化合物以+4 最安定, 遇熱時反應 2PbO+O2 → 2PbO2 利於向右進行 (B) Pb3O4 為 紅色粉末,以油類混合塗於鐵器可防鏽 (C) Pb3O4 中每個鉛原子 的氧化數均為 (D) PbO2 可作為鉛蓄電池的陰極極板 

(E) Pb3O4 與硝酸反應:Pb3O4+4HNO3 → PbO2+2Pb(NO3)2+2H2O,

反應中硝酸作為氧化劑。 7. (    )下列有關錫之敘述,何者正確? (A) SnCl4 的共價性大於  SnCl2,在常溫下為液體 (B)+2 比+4 的氧化態安定  (C) SnCl2 能使過錳酸鉀酸性溶液褪色 (D) SnCl4 可製造煙幕彈  (E) SnCl2 能將 FeCl2 氧化成 FeCl3。 8. (    )下列關於錫、鉛的敘述,哪些是正確的?  (A)氧化劑強度:Pb4+ > Sn4+ (B)氧化劑強度:Sn4+ > Pb4+  (C)還原劑強度:Pb2+ > Sn2+ (D)還原劑強度:Sn2+ > Pb2+  (E) Pb4++Sn2+ → Pb2++Sn4+ 向右反應是自發反應(意即有利向右)。

(7)

一、單一選擇題: 1. 答案:(A) 2. 答案:(B) 3. 答案:(B) 4. 答案:(C) 5. 答案:(C) 6. 答案:(B) 7. 答案:(B) 8. 答案:(B) 9. 答案:(C) 10. 答案:(D) 11. 答案:(C)12. 答案:(B)13. 答案:(D)14. 答案:(D) 15. 答案:(C) 二、多重選擇題(計八題): 1. 答案:(A)(C)(D)(E) 2. 答案:(A)(B)(C) 3. 答案:(A)(B)(C)(E) 4. 答案:(A)(C)(E) 5. 答案:(D)(E) 6. 答案:(B)(D) 7. 答案:(A)(C)(D) 8. 答案:(A)(D)(E)

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