元素各論-氫氣

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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：009

主題：非金屬元素各論

壹、氫

一、氫的分布 1.氫是宇宙中含量最豐的元素，據估算約佔宇宙組成成分存量的 93.4﹪。太陽約有 90﹪的質量是氫。 2.在地球上氫原子的數目約占地殼、海洋與大氣所有原子數目的 15﹪，但質量卻不到 1﹪。 3.許多物質如水、石油和其他有機物中，均含有氫。生物中，不論動物或植物，氫都是生命中一種重要的元素。二、氫的同位素名稱元素符號質子數中子數原子量含量放射性氫 1 1H 1 0 1.008 99.985 ﹪ 無氘 2 1H（D） 1 1 2.014 0.015﹪ 有氚 3 1H（T） 1 2 3.016 1017﹪ 有三、氫氣（H2 ）的性質 1. H2 是雙原子分子，是一種無色、無味、無臭的氣體，也是最輕的氣體。 2.氫氣的基本性質熔點（℃）沸點（℃）密度（克/升）鍵長（nm）解離鍵能（KJ/mol） -259 -253 0.0898 0.074 436 3.氫氣具有高度可燃性，可和空氣中的氧反應生成水，具有爆炸性，反應非常劇烈，因此在處理上必須謹慎。氫氣球的浮力很大，曾被研究作為航空及軍事用途。現今的飛船則改用氦（He）代替氫（H2 ）。四、氫氣的製備反應物質方程式水＋烴 CH4 g ＋H2O g  C Ni_,₉₀₀0 3H2  g ＋CO g CO g ＋H₂O g  Fe2O3, CO₂  g ＋H₂  g 水＋碳 C s ＋H2 O g 1000 C H2  g ＋CO g （水煤氣）水＋鐵 3Fe s ＋4H2 O g  C 0 65 Fe 3O4 s ＋4 H2  g 電解水 2H2 O l 電解 2 H2  g ＋O2  g 電解水（鹼氯工業）

2NaClaq＋2H2 O l 電解 2NaOHaq＋H2  g ＋O2  g

來自酸（實驗室法） Zn s ＋2HClaq  H2  g ＋ZnCl2aq Zn s ＋H2 SO4 aq  H2  g ＋ZnSO4 aq Fe s ＋2HClaq  H₂  g ＋FeCl2aq 五、氫氣的性質與用途 1.氫的用途 A 化學方面用途 B 其他用途 A1：氨的製造 B1：燃料 A2：石油產物的加氫作用 B2：金屬氧化物的還原 A3：植物油的加氫作用 B3：焊接及切割 A4：甲醇的製造 B4：其他化學品的製造 A1：（a）此法為 1914 年德國化學家哈柏（F. Haber 1868～1934）所創，稱為哈柏法製氨（Haber process）。（b）條件：在壓力約 200 atm，及溫度約 500℃，並使用適當的催化劑（如鐵粉）來製造氨。（c）反應式： N2  g ＋ 3 H2  g  2 NH3  g ＋ 22 Kcal A2、A3：雙建（烯）或參鍵（炔）的加成。

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A4： CO g ＋ 2 H2  g  CH3OH B1，B3：燃料、氫氧焰、火箭燃料、燃料電池等。 B2：強還原劑：2 H2  g ＋ CuO s  H2O g ＋Cu s 2.氫的非金屬性質：氫的熔點、沸點均低，常溫常壓下形成氣態分子，可與Ⅰ A、Ⅱ A 族化合成鹽狀金屬氫化物，與非金屬類似。 H2  g ＋ 2 Na s  2 NaH s 3.氫的類金屬性質：氫離子在水中帶正電，與金屬類似。

貳、液態空氣與惰性氣體

一、液態空氣（1）製備：將空氣降低溫度與加大壓力，使其分子間的距離縮小，引力變大，最後可被液化成液態空氣。（2）儲存：一般儲存於杜耳瓶（Dewar flask）或特製的鋼瓶中。（3）性質： A.外觀似水，顏色呈淡藍色。 B.密度約為每毫升 0.91 克。 C.沸點約為 -190℃。（4）用途： A.為一種極佳的冷劑。許多物質在液態空氣中會顯出特異的性質，例如將樹葉或橡皮筋置入液態空氣中則會變得硬而脆，擲在地上立即破碎；將液態汞放入其中，會使其變得和鐵一樣的堅硬。 B.工業上的氮氣與氧氣的主要來源。液態空氣的主要成分為氮與氧，沸點分別是 –195.8℃和 –182.96℃，故將液態空氣徐徐蒸發時，可分餾出氮與氧（氮先分餾出）。二、惰性氣體（1）惰性氣體又稱為稀有氣體，包括 He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn，（Uuo），前五種存在於空氣中，其中以 Ar 最多，約佔 0.94﹪，Rn 俱放射性。（2）惰性氣體位於週期表Ⅷ A 族，皆為單原子分子。（3）物性： A.常溫時為無色，無臭，無味的氣體。 B.由於分子間的引力十分微弱，故熔點、沸點極低，不易液化。 C.原子量、沸點、熔點、密度、原子半徑均隨原子序增加而增加。 D.游離能均很大，其值隨原子序增加而減小。元素原子序原子量沸點（℃）熔點（℃）密度（g/L）原子容游離能（kJ/mol） He 2 4.003 -268.9 -272.2 0.178 31.8 2372 Ne 10 20.18 -245.9 -248.7 0.900

16.8

2081 Ar 18 39.95 -185.7 -189.2 1.78 28.5 1521 Kr 36 83.80 -152.9 -156.6 307. 32.2 1351 Xe 54 131.3 -107.1 -112 5.85 42.9 1170 Rn 86 （222） -61.8 -111 9.73 50.5 1037 （4）化性： A.均具有極安定的電子組態，氦的組態為 1s2 _{；其餘元素外層為}_{n s}2_np6_。 B.活潑性隨原子序的增加而增大。 C.惰性氣體化合物：1962 年巴勒特（N.Bartlett，1932），利用氙和六氟化鉑反應，製得橙黃色的六氟鉑酸氙（XePtF6），這是人類首次製得鈍氣的化合物，截至目前，已有數百個惰性氣體的化合物相繼製得。最具特性者

為氟化氙，如 XeF2、XeF4 、XeF6等，每一種均是Xe 和 F2 直接反應。

※但 He、Ne、Ar，至目前尚無化合物。（5）用途： A.氦：密度很小，為僅次於氫的最輕氣體，在 0℃、一大氣壓下，每升約重為0.178 克。氦在空氣中的含量甚微，但在油井所產的天然氣中可含有 2﹪之多，是工業上的重要來源。（a）氦因不易燃燒，可用於裝填飛船與氣球，比氫氣更安全。

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（b）由於氦不溶於血液，潛水夫若呼吸用氦稀釋的氧氣代替空氣，則較不會造成潛水夫病。 B.氖：（a）在真空放電管中發生紅色光，可用來製造廣告招牌得霓虹燈。（b）氖的紅色光折射率甚低，能透過濃霧，可作為機場或港口的領航燈。 C.氬：可用於灌充燈泡來保護鎢絲，延長燈泡的壽命。 D.氪、氙：在真空放電管中產生藍色光輝，可用於快速照相。 E.氡：是一種放射性氣體，可用於治療癌症。一、單選題　（　　　）1.何種金屬不能進行 M + 2H+_{→ M}2+_{+ H} 2反應？　 (A)Zn　(B)Ni　(C)Hg　(D)Co。（　　　）2.等重之下列各金屬的反應，何者產生氫氣最多？

（Al = 27，Na = 23，Mg = 24，Fe = 56）　(A)鋁與氫氧化鈉水溶液　 (B)鈉加入水中　(C)鎂帶置入鹽酸中　(D)鐵置入稀硫酸中。（　　　）3.鈉 46 克和水反應在 S.T.P.下時，可以製得氫若干升？（Na  23） (A)11.2 升　(B)22.4 升　(C)33.6 升　(D)44.8 升。（　　　）4.氣象用氣球所需之氫氣，常用氫化鈣(CaH2)與水反應，生成氫氧化鈣（Ca(OH)2）及氫氣。試平衡此反應方程式，並求在

1atm、25℃欲得 245 公升氫氣，需若干克 CaH2？（Ca = 40）　

(A)204 克　(B)210 克　(C)234 克　(D)244 克。（　　　）5.下列物質，何者最不適合和稀鹽酸反應製取氫氣？　 (A)鎂　(B)鐵　(C)鈉　(D)鋁。（　　　）6.由 CuO 冶煉出 Cu 時，H2用作：　 (A)氧化劑　(B)還原劑　(C)催化劑　(D)助熔劑。（　　　）7.下列敘述何項錯誤？　(A)大氣中氫主要是以化合態存在　 (B)氫可由電解氫氧化鈉水溶液得到　 (C)水煤氣是水蒸氣和氫的混合物　(D)電解水應使用直流電。（　　　）8.0.42 克的化合物(MH2)和水發生下列反應： MH2(g) + 2H2O(l) → M(OH)2(s) + 2H2(g) ，在 25℃、1atm 時可產生乾燥氫氣490 毫升，則 M 的原子量為：　 (A)40　(B)30　(C)20　(D)10。（　　　）9.下列關於惰性氣體的敘述，何者錯誤？　 (A)氦氣為最難液化的氣體　(B)電燈泡中填充氬氣以保護鎢絲　 (C)其沸點隨原子序的增加而增加　 (D)潛水夫所用的氧氣筒內之氣體與空氣的成分一樣。（　　　）10.下列稀有氣體何者可作領航燈之用？　 (A)He　(B)Ne　(C)Ar　(D)Kr。（　　　）11.下列敘述，何者錯誤？　 (A)氫是最難液化的氣體　(B)氫是最輕的元素　 (C)H2為無色、無臭、無味的氣體　(D)H2在空氣中點火會爆炸。（　　　）12.下列何者不能與鹽酸反應產生 H2(g)？　 (A)Al　(B)Fe　(C)Cu　(D)Zn。二、多選題　（　　　）1.下列金屬元素 Ca，Mn，Sn，Ag 中何者正確？　 (A)可取代酸中之氫的：Ca，Mn，Sn　 (B)可取代酸、水蒸氣中之氫的 Ca，Mn　 (C)可取代酸、水蒸氣或冷水中之氫的：Ca　 (D)不能有以上取代者為 Ag　(E)不能有以上取代者為 Ca。（　　　）2.有關 H2敘述何者正確？　(A)銀與鹽酸反應可生 H2　 (B)一個氚分子重約為一個普通氫分子重的 3 倍　 (C)除了 He 外，氫是所有元素中具最低沸點　 (D)由氫的熔沸點可說明其分子間引力頗大　

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(E)電解 NaH(l) 在陰極可得H2。（　　　）3.有關氫的敘述何者正確？　(A)S.T.P.下為一切氣體中密度最小者，現代常用於填充飛船　(B)電解 NaH(1)時，在陽極可得H2　 (C)在稀硫酸水溶液中，通入直流電源電解，陽極若產生氫氣 2 升，在同狀況下，陰極得氧氣1 升　(D)氫無助燃性，有可燃性　 (E)冶金時，可作為金屬氧化物的還原劑，如：CuO(s) + H2(g) Cu(s) + H2O(1) 。（　　　）4.下列有關液態空氣的敘述，哪些是正確的？　 (A)一般可貯存於杜耳瓶中　(B)沒有固定的沸點　 (C)將液態空氣加熱，氧比氮先汽化　 (D)液態空氣中的成分組成（重量％）與常溫常壓下之空氣組成完全相同　(E)杜耳瓶之瓶壁為雙層玻璃，可防止熱傳播。（　　　）5.下列有關大氣性質之敘述，何者正確？　 (A)大氣中的氧氣可經由植物之呼吸作用而產生　 (B)大氣中的對流層及臭氧層之溫度，隨離地面高度之增加而減少　 (C)閃電可促使大氣中氮氣與氧氣反應，生成氮的氧化物　 (D)生物腐敗分解時，一般放出二氧化碳及氧氣至大氣中　 (E)空氣裡的惰性氣體中，以氬的含量最多。（　　　）6.有關鈍氣的各項敘述，何者正確？　 (A)空氣中鈍氣含量最多者為 He　 (B)鈍氣化合物至今仍無法合成　 (C)He 為鈍氣中，沸點最低者，也最容易液化　 (D)Ne 的紅色光折射率最小，可供船隻進港領航之用　 (E)He 與氧混合氣體較純氧更適合於潛水人員呼吸用。答案一、單選題　 1.C 2.A 3.B 4.B 5.C 6.B 7.C 8.A 9.D 10.B 11.A 12.C 二、多選題　