元素各論-碳矽

中道中學

99 課綱化學科補充教材

整理：楊明錦老師 二年級 班 姓名 座號 講義編號：013 主題：碳、矽及其化合物 碳（C）屬於週期表第Ⅳ族（14 族）元素，其價電子組態為 2s2 _2p2_。 碳的性質安定，自然界有大量的元素碳（如煤、石墨）存在。 碳的四個價電子使其在化學反應時具有多種的結合方式而形成極多的化合物。 一、元素碳 1.在自然界，碳已多種的型態存在，例如：石墨、金剛石、芙、無定形碳等。 2.金剛石（鑽石） A.是無色透明的固體，不導電，不傳熱。 B.折射率極大，琢磨成多面體，受光線照射則顯出耀眼的光彩，常當作飾物。 C.其比重為 3.5，熔點高於 3500℃，硬度為所有物質中最大者。 D.金剛石晶體結構是由每個碳原子以共價鍵結合另外四個碳原子而成為安定 的三度空間網狀固體，故具有高熔點及高硬度。 3.石墨： A.是灰黑色具有金屬光澤的片狀晶體，比重 2.25，是電與熱的良導體。 B.其晶體結構是每個碳原子以共價鍵結合另外三個碳原子形成兩度空間的 網狀固體，而面與面之間只靠微弱的引力來結合。 C.石墨能耐高溫，又具有軟滑性，常被用來製造潤滑劑。 D.它具有導電性，可用來做電極。 E.石墨和黏土混合可用來做筆心。 F.利用石墨做成的碳纖維，質輕強韌並具有彈性，可做魚竿，運動器材等。 G.1955 年科學家首次成功地在約 1200℃及 50000 大氣壓下將石墨轉變成為 金剛石，此種人造金剛石在工業上的主要用途作為切割或研磨材料。 ※ 金剛石與石墨的性質比較 熔點（℃） 沸點（℃） 密度（g/ ㎤） 顏色 硬度 導電性 金剛石 3500 4800 3.5 無色 最硬 無 石墨 3367 昇華 2.2 灰黑 軟 良導體 4.芙－60（C60）： A.分子構造類似足球的形狀，稱為巴克球（Bucky ball）。 這是繼石墨、金剛石之後，發現的第三種穩定的碳構造。 B.芙－60 由 60 個碳原子組成，是迄今所發現最圓，最對稱的球狀分子。 C.

芙

-60 的結構為 32 面形（12 個五邊形、20 個六邊形）

共 90 個邊，60 個頂角結構中應有 30 個 C＝C，

即有 30 個 π 鍵。

5.無定形碳其主要有木炭、煤焦、活性碳、骨炭、炭黑等。 用途：木炭、煤焦：燃料、還原劑。 活性碳：防毒劑。 骨炭：脫色劑。 碳黑：油墨、橡膠、顏料等。 二、碳的重要化合物 1.二氧化碳（CO2 ） （1）製備： A. 實驗室法：常用碳酸鹽與酸反應製造二氧化碳，例如大理石（碳酸鈣） 與鹽酸反應，不需加熱即可放出二氧化碳，其反應式為 CaCO3  s ＋ 2 HClaq  CaCl2 aq ＋ CO2  g ＋ H2 O l B. 工業法：利用自然界中的灰石（碳酸鈣），在高溫下分解可製得 CO2 ， 其反應式為 CaCO3  s  CaO s ＋ CO2  g （2）性質與用途： A. 為無色、無臭、無毒的氣體。 B. 在 STP 時的密度為 1.966 g/L。 C. 空氣中約含 0.03﹪的 CO2 ，若空氣中含過多的CO2 ，則呼吸時會 妨礙O2 的吸收，對人體有害。 D. 二氧化碳供作滅火劑之用，亦可製作清涼可口的飲料，如汽水、可樂， 皆是以加壓溶入二氧化碳氣體的飲料。 E. 固態二氧化碳俗稱乾冰，常用作冷劑，可直接用於冷凍食品。 F. 在娛樂界，也常用乾冰來製造場景的效果。

2. 一氧化碳（CO） （1）生成： A. 一氧化碳可由含碳燃料的不完全燃燒而生成。 B. 可由水煤氣中分離而得。 C. 在高溫時，碳和二氧化碳反應可生成一氧化碳。 C s ＋ CO2  g  2 CO g （2）性質與用途： A. 為無色、無臭的氣體，有劇毒。 B. 因比氧更易與血紅素結合，影響氧的運送而引起窒息。 人在含有0.05﹪的一氧化碳的空氣中，四小時內即可能窒息而死。 C. 石油和煤的不完全燃燒也會產生一氧化碳，另外秋天樹葉凋零時， 會使葉綠素分解會同時產生大量的一氧化碳。 D. 在都市中一氧化碳的主要來源是汽油在汽、機車內燃機的不完全 燃燒所導致。 3. 碳化矽（SiC）：俗稱金剛砂 （1）製備：工業上常用煤焦、砂、木屑和食鹽在電爐中強熱而製得 SiC， 加入木屑是增加空隙便於導熱，因砂的熔點很高，以食鹽為助熔劑。 SiO2  s ＋ 2 C s  Si s ＋ 2 CO g Si s ＋ C s  SiC s （2）性質與用途：碳化矽的硬度大，常用以代替金剛石做切割玻璃， 研磨物料的工具。 ※矽與其化合物 矽（Si）屬於週期表第Ⅳ族（14 族）元素，其價電子組態為 3s2_3p2 _。 有與碳相似的四個鍵結量，又由於有 3d 空軌域可供利用，因此矽的 化合物的幾何形狀較多樣化。矽為地殼中含量僅次於氧元素， 佔地殼總質量的 28.15﹪，為多種岩石、礦物及砂的主要成分。 一、元素矽 1. 製備： （1） 工業法：將石墨和白砂（主要成分為 SiO2 ）混合，在電爐中反應 製得矽，其反應式為 SiO2  s ＋ 2 C s  Si s ＋ 2 CO g （2） 實驗室法：利用活性金屬（例如 Al）還原 SiO2 ，即可得矽。 3 SiO2  s ＋ 4 Al s  3 Si s ＋ 2 Al2 O3  s （3） 高純度的矽還要經過複雜的精製程序，以使其純度達 99.9999﹪， 以供半導體工業之用。 2. 性質與用途： （1） 矽以 sp3 _{軌域鍵結，形成三度空間網狀固體，類似金剛石。} （2） 硬度大、熔點高，均為第三週期元素之冠。 （3） 矽為灰黑色具金屬光澤的晶體，矽晶的電導性界於導體與非導體 之間，即所謂的半導體。 （4） 常溫時，矽相當安定，只與氟發生劇烈的反應而生成四氟化矽。 Si s ＋ 2 F2  g  SiF4  g （5） 在高溫時則可與其他鹵族元素反應。 例如：Si s ＋ 2 Cl2  g  SiCl4  g （6） 近年來電子工業蓬勃發展，高純度的矽在半導體裝置上的需求很大， 以矽為基體的各種電子組件樣式日增，是最基本的電子組件。 A.p-型半導體：在高純度的矽中，摻雜少量電子受體（如Ⅲ A 族 B、Ga 等） ，由於其價電子較矽少一個，故與矽相結合時，形成電洞，然後藉電洞 的移動而導電。 B.n-型半導體：在高純度的矽中，摻雜少量電子予體（如Ⅴ A 族 P、As 等） ，由於其價電子較矽多一個，故與矽相結合時，形成自由電子，然後藉 自由電子的移動而導電。 二、矽的重要化合物 1. 二氧化矽（SiO2）： （1） 純粹的二氧化矽以水晶（rock crystal）及石英（quartz）方式存在， 砂為含有雜質的二氧化矽。 （2） 水晶與石英都很硬，熔點亦很高（水晶熔點約為 1550℃）。

（3） SiO2可溶於氫氟酸，其反應式為 SiO2  s ＋ 4 HFaq  SiF4  g ＋ 2 H2O l （4） 在高溫熔化二氧化矽，急速冷卻時變成石英玻璃。石英玻璃加熱時 的膨脹係數很小，因此作為耐熱玻璃使用。 （5） 高純度的石英玻璃可拉長成纖維狀，稱為光纖維。從光纖維一端入射 的光線能夠很有效的傳至另一端，因此廣用於光通信方面， 例如內視鏡。 2. 偏矽酸鈉（Na2 SiO3；俗稱矽酸鈉） （1） 可混合二氧化矽與碳酸鈉強熱使其熔化而製得偏矽酸鈉。 SiO2  s ＋ Na2CO3  s  Na2 SiO3  s ＋ CO2  g （2） 偏矽酸鈉為玻璃狀的固體，加水加熱會成為黏性很大的液體，俗稱 水玻璃。水玻璃可溶於水，成強鹼性，可作為肥皂的填充劑、玻璃 的黏著劑與防火劑。 （3） 水玻璃加酸時，可得膠凍狀半透明矽酸（H2 SiO3）。

Na2 SiO3  l ＋ 2 HClaq  H2 SiO3  l ＋ 2 NaClaq

3. 矽膠： （1） 將矽酸乾燥脫水所成的粒狀固體稱為矽膠（silica gel）。 （2） 矽膠粒中間有無數細微的空間，吸濕性很強，因此常用作乾燥劑。 4. 天然的矽化合物 （1)自然界的矽化合物多以各種矽酸鹽結構存在於礦物，砂、黏土等中。 （2)最簡單的矽酸鹽含有 SiO4 4 離子，稱為正矽酸鹽，例如橄欖石。 （3)在 SiO4 4 離子中，矽以sp3 軌域鍵結，矽原子佔有四面體的中心， 而氧原子則佔在四面體的四個角落。 一、單選題 1.富勒烯（C60）的分子鍵結與下列何種化合物相似？ (A)矽　(B)石墨　(C)金剛石　(D)斜方硫 2.常溫下，下列何者可導電？ (A)石墨　(B)矽　(C)鍺　(D)金剛石 3.下列物質的主要成分，何者錯誤？ (A)鉛筆筆心石墨　(B)金剛砂碳化矽　 (C)石英二氧化矽　(D)定影液硝酸鈉 4.下列有關金剛石之敘述，何者正確？ (A)立體形分子　(B)常溫不導電，溫度上升即可導電　 (C)其內化學鍵鍵長大於 Si(s)　(D)常溫下為黑色晶體 5.何者配位數為 4？(A)石墨　(B)金剛石　(C)富勒烯　(D)乙炔 6.下列何種藥品的儲存不妥當？ (A)鈉置於石油中　(B)黃磷置於冷水中　 (C)氫氟酸以塑膠瓶儲存　(D)氫氧化鈉放入玻璃瓶中 7.玻璃是由何種熔融的矽酸鹽所組成？

(A) Na2SiO3  CaSiO3　(B) K2SiO3  MgSiO3　

(C) CaSiO3  Na2O‧xSiO3　(D) Na2CO3  CaCO3

8.下列敘述何者符合一氧化碳的性質？ (A)為綠色植物進行光合作用所必需的氣體　 (B)黃綠色氣體，有毒，其水溶液可殺菌與漂白　 (C)僅占空氣中約 1％的含量，且不具反應性的氣體　 (D)無色氣體，毒性強，少量存在於空氣中，也可能致命 9.下列何者構造並非平面形？ (A)石墨　(B)乙烯　(C)苯　(D)金剛石 10.富勒烯（C60）的分子鍵結與下列何者相似？ (A)金剛石　(B)二氧化矽　(C)乙烷　(D)石墨 二、多重選擇題 1.在常溫下，哪些項試驗沒有氣體產生？ (A)二氧化矽於氫氟酸溶液　(B) Cu 於稀硝酸溶液　 (C) H2O2滴入酸性KMnO4溶液　(D) Cu 於濃鹽酸溶液　 (E) Au 於濃硝酸溶液 2.下列何物質的主要成分為鋁矽酸鹽？ (A)石英　(B)黏土　(C)玻璃　(D)沸石　(E)水玻璃 3.關於矽的敘述，正確者為：

(A)矽為網狀晶體　(B)在自然界大都以游離態存在　 (C)矽在非金屬中於地殼之存量占第一位　 (D)易與 HF 反應　(E)矽遇 NaOH 可生成 H2 4.下列屬於鋁矽酸鹽的物質為： (A)陶瓷(B)磚(C)水泥(D)沸石(E)玻璃 5.下列關於碳及矽化合物的敘述，何者正確？ (A)二氧化碳溶於水呈弱酸性　(B)二氧化碳分子為直線形　 (C)高純度的矽中加入硼，形成 p 型半導體　 (D)工業上將石墨與白砂混合，在電爐中製得矽　 (E)四氟化矽在常溫下為氣體 6.碳有哪些結晶型的同素異形體？ (A)活性碳　(B)金剛石　(C)石墨　(D)富勒烯　(E)煤 7.下列哪些元素無同素異形體？ (A)硫　(B)氧　(C)磷　(D)氯　(E)碳 8.下列關於水煤氣的敘述，何者正確？ (A)是水蒸氣和煤氣的混合氣體　(B)其平均分子量大於 28.8　 (C)完全燃燒後生成二氧化碳和水　 (D)可以於燒紅的碳上噴上水蒸氣後生成　 (E)是一氧化碳與氫氣莫耳數比 l：l 的混合物 9.有關金剛石與石墨的敘述，下列何者正確？ (A)前者配位數 4，後者為 3　(B)硬度：金剛石  石墨　 (C)熔點：金剛石  石墨　(D)導電度：金剛石  石墨　 (E)碳與碳的鍵長：金剛石  石墨 10.下列有關石墨的敘述，何者錯誤？ (A)呈現平面形的層狀排列　(B)C 的配位數為 4　 (C)面與面有很強的吸收力 (D)常溫、高溫均可導電　(E)靠  電子導電 一、單選題 1.【解答】(B) 2.【解答】(A) 3.【解答】(D) 4.【解答】(A) 5.【解答】(B) 6.【解答】(D) 7.【解答】(A) 8.【解答】(D) 9.【解答】(D)10.【解答】(D) 二、多重選擇題 1.【解答】(D)(E) 2.【解答】(B)(D) 3.【解答】(A)(E) 4.【解答】(A)(B)(C)(D)5.【解答】(A)(B)(C)(D)(E) 6.【解答】(B)(C)(D) 7.【解答】(D) 8.【解答】(C)(D) 9.【解答】(A)(B)(D) 10.【解答】(B)(C)