第十章
非金屬元素
一.週期表上的元素關係： 1.同族元素：性質相近，如 IA 族元素之游離能均很低，均易形成 1 價的陽離子，與 水作用呈鹼性，並均可放出氫氣。 2.同列元素：性質互不相同，但有遞變的傾向。如，第三列元素之半徑由 IA 至VIIIA 漸減，而熔點則是先減後增。 3.對角規則：週期表同一族元素之性質相近，但並不完全相同。如， IA 的鋰與鈉的性 質不盡相同；反而與右下角的鎂相近。同樣的，鈹與硼的性質分別與右下角的鋁與 矽相似，此即所謂的對角規則。如，(Li、Mg)、(Be、Al)、(B、Si)。 10-1 氫 一.性質： 1.物理性質： (1)無色、無味、無臭，難溶於水的氣體；要用排水集氣法收集。 (2)為最輕的物質，密度最小。 (3)具有三種同位素氫(11H H)、氘( ) 2 1H D 、氚( ) 3 1H G ，其化性相同，但物性 不同。 (4)僅次於氦之難液化氣體，bp 252.7oC、mp 259oC。 (5)大部分以化合物的狀態存在，但火山噴出的氣體中會含有氫氣。 (6)太陽大約有90%的氫氣，多進行核融合反應產生氦氣並放出大量的熱。反應如下： H H H 11H 7kcal 3 1 2 1 2 1 7.510 或 H H He n kcal 6 1 0 4 2 2 1 3 1 4.010 。 2.化學性質： (1) 常 溫 下 ， H H 的 化 學 鍵 強 ， 不 易 破 壞 ， 化 性 安 定 ； 只 能 與 氟 作 用 。 2 2 2 H F HF。但於合適的條件下，可與大多數非金屬反應並可生成共價化合 物。如，H2(g) Cl2(g) 2HCl(g)、2H2(g) C(s) CH4(g)。 (2)高溫下若有催化劑存在時，可與非金屬作用。如，3 2 2 2 3 Fe H N 高溫高壓 NH 。 (3)以電弧點火可與氧化合生成水蒸氣。2H2(g) O2(g)點火 2H2O(g)。 (4)可與較活潑的金屬(IA、IIA)產生氫化物。如， 2 2Na H 2NaH或 2 2 Ca H CaH 。 (5)有可燃性，無助燃性；與空氣混合時，若碰觸火焰，會有爆炸的危險；尤其與純 氧混合更危險。(6)金屬氧化物可以被氫還原成金屬，因此可用氫來冶鍊活性比氫小的金屬元素如， ( )s 2( )g ( )s 2 ( )l CuO H Cu H O 。 二.製備： 1.實驗室： (1)活性大的金屬(Zn、Mg、Fe、Al)與稀鹽酸或 稀硫酸作用可產生氫氣；其裝置，如圖10 1 所示。 ( )s 2 4(aq)( ) 4(aq) 2( )g Zn H SO 稀 ZnSO H ( ) ( ) 3( ) 2( ) 2Als 6HClaq ( )稀 2AlCl aq 3H g ( )s 2 4(aq)( ) 4(aq) 2( )g Fe H SO 稀 FeSO H 圖10 1 製造氫氣的實驗裝置 (2)利用兩性元素(Al、Zn)與強鹼水溶液作用。如， ( ) ( ) 2 ( ) 4( ) 2( ) 2Als 2OHaq 6H Ol 2 (Al OH) aq 3H g 2 ( )s 2 (aq) 2 2 ( )l ( )4(aq) 2( )g Zn OH H O Zn OH H (3)活性大的金屬與水作用。如， a.IA、IIA中之Ca、Sr、Ba與冷水反應。如， ( ) 2 ( ) ( ) 2( ) 2Nas 2H Ol 冷水2NaOHaq H g ( )s 2 2 ( )l ( )2(aq) 2( )g Ca H O 冷水Ca OH H b.鈹、鎂與熱水作用。如， ( )s 2 2 ( )l ( )2(aq) 2( )g Be H O 熱水Be OH H ( )s 2 2 ( )l ( )2(aq) 2( )g Mg H O 熱水Mg OH H c.鐵、鋅與高溫水蒸氣作用。如， ( ) 2 ( ) 3 4( ) 2( ) 3Fes 4H Ol 高溫Fe O s 4H g (4)電解水可於陰極得到氫氣。2H O2 電解2H2O2 2.工業製法： (1)水煤氣法：將水蒸氣通過灼熱的煤焦( )C ，可生成一氧化碳與氫氣。藉由催化劑的 作用，將水煤氣與水蒸氣繼續作用生成CO2與H2；最後利用溶解度的差異，將 兩者分離。反應方程式如下： H O2 ( )g C( )s CO( )g H2( )g CO( )g H O2 ( )g 催化劑 CO2( )g H2( )g (2)鐵與水蒸氣反應，反應方程式如下： 3Fe( )s 4H O2 ( )g 650oC Fe O3 4( )s 4H2( )g (3)甲烷與水蒸氣反應，反應方程式如下： step1 H O2 ( )g CH4( )g CO( )g 3H2( )g
2 step H O2 ( )g CO( )g 催化劑 CO2( )g H2( )g (4)石油化學工業之副產品，烷類裂解可得氫氣。 (5)電解水可於陰極得到氫氣。2H O2 電解2H2O2 3.其他方法： (1)烷類脫氫反應，反應方程式如下： C H2 2 2 3 CnH2n H2 O Cr n n (2)2C H OH2 5 2Na2C H ONa H2 5 2 (3)C H6 14 C H6 6 4H2 催化劑 三.用途： 1.製造氨氣：N23H2高溫高壓催化劑 2NH3。 2.製造氯化氫：H2(g) Cl2(g) 2HCl(g)，溶於水後可得氫氯酸，俗稱鹽酸。 3.製造甲醇：CO( )g 2H2( )g Cr O2 3 CH OH3 ( )g 高溫高壓 ZnO 。 4.製造甲烷：3 2( ) ( ) 4(g) 2 (l) Ni g g CO CH H O H 。 5.氫化反應：C2H4(g) H2(g)Ni C2H6(g)。 6. 氫 氧 焰 ， 高 溫 熔 接 金 屬 。 2H2(g) O2(g) 2H2O(g) 熱， 可 讓 溫 度 升 高 到 C o 2500 ~ 2000 。 7.冶鍊金屬之還原劑。可利用氫氣來還原活性小於氫氣的金屬元素(Cu、Hg、Ag、W、 ) Pt 。如， CuO( )s H2( )g Cu( )s H O2 ( )g WO3( )s 3H2( )g W( )s 3H O2 ( )g 8.食品工業。將植物油(不飽和烴)變成動物油(飽和烴)。 9.作燃料。如，氫氧吹管、氫燃料電池。 10.中子減速劑：重水(D2O)，2D2 O2 2D2O。 1.將氫氣與一氧化碳置於高溫高壓，並以ZnO‧Cr2O3當催化劑，則可得到的產物是 (A)甲烷 (B)甲醚 (C)甲醇 (D)甲酸。 (C) 2.將鈉(Na)46 克和水反應，則 (1)寫出該反應方程式。
(2)於STP下，可製得氫若干升？(Na 23) 3.將鎂(Mg) 48.6克和水反應，則 (1)寫出該反應方程式。 (2)於STP下，可製得氫若干升？(Mg 24.3) 4.將鋁( Al)54 克和水反應，則 (1)寫出該反應方程式。 (2)於STP下，可製得氫若干升？(Al 27) 5.下列各反應中，金屬均為等重，按產生氫氣的多寡順序排列？(Al 27、Na23、 24.3 Mg 、Fe56) (甲)鋁與氫氧化鈉水溶液(乙)鈉加入水中(丙)鎂帶置入鹽酸中 (丁)鐵置入稀硫酸中。 6.已知，今有0.42g的金屬氫化物(MH2)會與水發生下列反應，則於25oC、1atm時 會產生乾燥氫氣490mL，則 (1)寫出該反應方程式。 (2)金屬(M)的原子量是多少？
7.下列各項敘述中，錯誤 的是 (A)大氣中氫主要是以化合物存在 (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.利用CuO冶煉出Cu的反應中，H2是當作 (A)氧化劑 (B)還原劑 (C)催化劑 (D)助熔 劑。
9.下列物質為實驗室常見的化學藥品，其中NaH 為氫化鈉，常作為還原劑，試根據其
化學性質回答下列問題(均選多選題)：甲：Na、乙：NaH 、丙：NaCl、丁：NaOH、 戊：NH Cl4 、己：HNO3、庚：反式－丁烯二酸。 (1)若將上述物質置入純水中，則會產生氫氣的有？ (A)甲 (B)乙 (C)丙 (D)丁 (E)戊。 (2)若將上述物質置入純水中，則會使紅色石蕊試紙變成藍色的是 (A)乙 (B)丙 (C)丁 (D)己 (E)庚。(92 指考) 10.下列各項敘述中，正確的是 (A)氫化物中氫的氧化數必為 1 (B)氫的氧化數 1 比 1 普通 (C)利用氫氣作為燃料產生能量的過程中，所造成的汙染通常很少 (D)氫參 與之反應通常很慢，主要是由於H H鍵很弱 (E)電解水時，產生的氫比氧(莫耳數 )多。
11.下列各種氣體中，可以拿來作燃料且對環境影響最小的是 (A)氫 (B)天然氣 (C)酒精 (D)石油。 12.下列各反應中，可以製得氫氣的是 (A)強熱大理石 (B)電解濃的氯化鈉水溶液 (C)銅 片與濃硝酸共熱，銅溶解 (D)將水蒸氣通過650oC以上的鐵 (E)焦碳與水蒸氣在高 溫(1000oC)下作用。 12.下列有關氫的敘述中，正確的是 (A)氫有三種同位素，自然界中絕大部分是氫 1 1 ( H) (B)室溫下，氫氣與氧氣混合就會劇烈燃燒，並可能發生爆炸 (C)氫氣是所有氣體中 最輕的氣體，也是沸點最低的氣體 (D)氫氣是宇宙存量最多的元素，地球上的氫絕 大部分都以元素太存在。 13.下列金屬中，不會跟熱稀硫酸反應產生氫氣的是 (A)Mg (B)Al (C)Cu (D)Fe (E)Zn 。(93 指考) 14.下列各組合均可產生氫氣，其中哪一種組合的製造過程最危險？ (A)鐵與鹽酸(B)鈣 與水 (C)鈉與硫酸 (D)鋁與氫氧化鈉溶液。 14.某金屬a公克，完全溶於鹽酸中，可產生b莫耳的氫氣與M3離子，則該金屬原子
的原子量是 (A)3 2 a b (B) ) 2 3 a b (C) ) 2b a b (D) ) 3b a b 。 <Homework 10-1> 1.在常溫常壓下，欲用氫氣灌充49L的救生衣，則 (1)寫出該反應方程式。(CaH2 2H2OCa(OH)2 2H2(g)) (2)需若干克的氫化鈣(CaH2)與水作用才可產生足夠的氫氣。(Ca 40) (42g) 2.下列各種反應中，無法產生氫氣的是 (A)丙烷在空氣中燃燒 (B)電解濃食鹽水 (C)電解 水 (D)鋁與鹽酸作用。(A) 3.下列各項敘述中，正確的是 (A)氫在常溫常壓時可和氮發生反應產生氨 (B)氫與活潑 金屬反應會產生氫化物 (C)氫和空氣混合時遇火焰會發生爆炸性燃燒 (D)氫能還原氧 化銅 (E)氫可產生高溫火焰用於熔接金屬。(BCDE) 4.氣象用氣球所需的氫氣，常用氫化鈣(CaH2)與水反應，生成氫氧化鈣(Ca(OH)2) 及氫氣。則
(1)平衡此反應方程式。(CaH2 2H2OCa(OH)2 2H2(g)) (2)於1atm、25oC 欲產生245L的氫氣，則需多少公克的 2 CaH ？(Ca 40)(210) 5.下列各項敘述中，錯誤 的是 (A)H2作氧化劑，以冶煉銅 (B)D2O可使中子加速，以 便撞擊235U ，產生核分裂 (C)氫氣充入飛艇，但安全性差 (D) 2 H 作燃料，較不具汙 染 (E)H2在燃料電池中裝入陽極。(AB) 6.下列物質，與稀鹽酸反應不能 產生 氫氣的是 (A)鎂 (B)鐵 (C)鈉 (D)鋁。(C) 7.下列物質中，不能與鹽酸產生氫氣的是 (A)鋁 (B)鐵 (C)銅 (D)鋅。(C) 8.食品工業上，常使用下列何種氣體，將不飽和的食用油，製成人造奶油？ (A)氫氣 (B)氮氣(C)乙炔 (D)甲烷。(A) 9.由 反應C(s) H2O(g) CO(g) H2(g)， 欲 於 STP下 製 得 水 煤 氣112 ，則需純度為L % 60 的煤多少公克？(50) 10.下列各項敘述中，正確的是 (A)電解水可於陽極產生氫氣 (B)氫化物中，氫的氧化數 必為1 (C)水煤氣是水蒸氣與氫氣的混合氣體 (D)氫氣是一種不會造成污染的的優良 燃料 (E)氫氣可以用來還原氧化鈣。(D) 11.金屬鋁與鎂之粉末狀混合物共有 5.13 公克，加入足量的鹽酸使其完全溶解產生氫氣， 並用排水集氣法收集 (已知，27oC 時，水的飽和蒸氣壓是27mmHg)，於27oC 、 757mmHg下，收集到 6.40 公升的氫氣，則 (1)生成氫氣的莫耳數是多少？ (2)混合物中，鎂的重量百分率是多少？ 10-2 稀有氣體與液態空氣 一.稀有氣體(惰性氣體、鈍氣)： 1.發現： (1)發現時間：於 19 世紀末的短短六年間陸續被發現。 (2)發現順序：Ar、He、Kr、Ne、Xe、Rn。 (3)發現者：拉姆賽與雷利爵士。 (4)週期表位置：位於週期表最右邊。 2.性質：鈍氣包含有氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪Kr、氙(Xe)、氡(Rn)。且均為單原子 分子。 (1)含量少，故又稱之為稀有氣體。 (2)化性非常不活潑，又稱之為鈍氣或惰性氣體，最早被發現的化合物是XePtF6；陸 續也發現了Kr、Xe、Rn，但He、Ne、Ar仍未發現。
(3)熔點、沸點、密度、原子量、半徑均隨原子序的增加而增加；其中He是所有元素中 熔點、沸點最低的元素，也是最難液化的氣體。 3.製備： (1)He：於工業上可由天然氣(含有2%的He)分離而得或經過鐳衰變亦可製得，方 程式如下所示，22688Ra22286Rn24He。 (2)Ne、Ar、Kr與Xe：可由液態空氣中分餾而得。 4.用途： (1)氦(He)： a.密度小，僅次於H2氣體，故可代替H2充入氣球或飛行船。 b.混合於氧氣筒中，可防止潛水夫病。(He：O2 4：1) c.液態氦氣，可作為極低溫的冷卻劑。(4K 269oC) d.於生產矽與鍺時，可作保護氣體。 (2)氖(Ne)： a.低壓下放電會產生紅光，可用於霓虹燈。 b.紅色光折射率低，能穿透濃霧，可用於機場或港口的領航燈。 (3)氬(Ar)： a.充入鎢絲燈泡中，可使鎢絲不易氧化，延長燈泡壽命。 b.焊接及高溫冶金時，可保護金屬不易被氧化。 c.外科醫師利用氬雷射焊接動脈血管或切除腫瘤。 (4)氪(Kr)： a.高速照相的電閃光燈。 b.螢光燈管的填充氣體。 (5)氡(Rn)：量少較格昂貴，較無實用價值。 a.具有放射性，可用於癌症治療。 b.於真空管中放電，可產生藍光。 二.液態空氣： 1.製備：將空氣於高壓、低溫下，即可製得。 2.儲存：一般儲存於杜耳瓶中(如圖10 2 )； 圖10 2 杜耳瓶 此瓶為雙層玻璃，中間抽成真空以防止熱量傳導與對流，並於內層鍍銀或水銀以防 止熱量的輻射。 3.性質：
(1)外觀像水，呈現淡藍色。 (2)為一混合物，沒有固定的沸點。 (3)將其徐徐蒸發，蒸發出氣體的順序是HeNeN2 ArO2 KrXe。 (4)其組成比例與一般空氣組成比例(N O2: 2 4 :1)不一樣。 4.用途： (1)工業上氧氣與氮氣之主要來源。 1.自然界所存在的惰性氣體中，含量最多的是 (A)氦 (B)氖 (C)氬 (D)氙。 2.下列關於惰性氣體的敘述中，錯誤的是 (A)氦是最難液化的氣體 (B)沸點隨著原子序 的增加而增加 (C)無法生成任何化合物 (D)均為單原子分子。 3.欲使氣體液化，下列各種條件中，最合適的是 (A)加壓、降溫 (B)加壓、升溫 (C)減壓、 降溫 (D)減壓、升溫。 4.下列各種惰性氣體中，可用來代替氮氣以供深海潛水夫使用的是 (A)氖 (B)氬 (C)氦 (D)氪。 5.下列關於鈍氣的敘述中，錯誤 的是 (A)鈍氣的化學性質極不活潑，絕對無法與其他元 素化合 (B)各種鈍氣元素在自然界中，均以無色單原子氣體存在 (C)最外層的電子組 態均為ns2np6 (D)為週期表第VIIIA族元素 (E)鈍氣元素原子放出 1個電子所需的 能量隨原子序之增加而增大。
6.下列關於液態空氣的敘述中，正確的是 (A)液態空氣外觀像水一樣，也有固定沸點 (B)液態空氣徐徐蒸發時，氧先氣化 (C)液態空氣的主要成分的比例與空氣相同 (D) 液態空氣在工業上主要供製取氧與氮 (E)液態空氣之含量是N2 O2。 7.下列各項惰性氣體的性質中，不隨原子序增加而增大的有 (A)熔點 (B)沸點 (C)原子容 (D)原子半徑 (E)活性。 8.下列有關氣體的敘述中，錯誤 的是 (A)氦是最難液化的氣體 (B)潛水夫所用的氧氣筒 內的氣體與空氣的成分一樣 (C)電燈泡中含有氬氣以保護鎢絲 (D)氖氣在真空放電管 中發光，可用以製造霓虹燈。 9.下列有關惰性氣體的敘述中，正確的是 (A)最外層的電子組態均是ns np2 6 (B)化性極 不活潑，無法與任何元素形成化合物 (C)沸點隨著原子序增加而增加 (D)氪是放射性 氣體。 10.霍夫曼電解稀硫酸的裝置如右圖，圖中所示的液面是電解前的高度，則電解後，液 面最低的是 (A)甲管 (B)乙管 (C)丙管 (D)一樣高。
11.下列有關鈍氣的敘述中，正確的是 (A)元素之所以會發生反應，乃是其本身並非形 成鈍氣之電子組態 (B)惰性氣體知名乃是因為其缺乏化學活性之故 (C)鈍氣最先被發 現的是氦 (D)巴特勒為首位製造出含有鈍氣之化合物 (E)KrPtF6是最早被合成出來 的鈍氣化合物。 <Homework 10-2> 1.液態空氣中所含氧的量較空氣中所含氧的量為多，其原因是 (A)氧可助燃，而氮不能 助燃 (B)對水的溶解度，氧大於氮 (C)氧之化性較氮活潑 (D)氧之沸點較氮為高。(D) 2.下列各種惰性氣體中，用來填充燈泡以延長其使用壽命的是 (A)氖 (B)氪 (C)氡 (D)氬。 (D) 3.下列關於惰性氣體的敘述中，正確的是 (A)惰性氣體因存量甚微，又稱為稀有氣體 (B)惰性氣體不活潑，在自然界沒有化合物存在 (C)惰性氣體的熔點、沸點均隨原子序 增加而減小(D)在空氣中所含惰性氣體最少者為氬 (E)惰性氣體的原子半徑隨原子序 增加而增大。(AE) 4.生產液態氦氣的成本遠比液氮氣為高，其可能的原因有：(甲)氦的沸點比氮低很多 (乙)氦的化學活性比氮低(丙)自然界中氦的含量極低。則下列各選項中，正確的有 (A) 甲、乙 (B)乙、丙 (C)甲、丙 (D)甲、乙、丙。(C) 5.下列各項敘述中，錯誤 的是 (A)氖在真空放電管中發生紅光 (B)氬產生之色光其折射 率很低，能透過濃霧，以為飛機著陸及輪船進港領航之用 (C)氡是一放射性氣體，自 然界中幾不存在 (D)飛船及氣球填裝的氣體是氦 (E)充填鎢絲燈泡的氣體是氪。(BE) 6.下列各項敘述中，正確的是 (A)液態空氣常存於杜耳瓶中，其原理類似暖水瓶 (B)將 液態空氣蒸發時，氮較氧先逸出 (C)液態空氣有固定的沸點 (D)液化空氣時，最難液 化的是稀有氣體，尤以氦最難 (E)液態空氣並不是混合物。(ABD) 7.有關鈍氣的敘述中，正確的是 (A)元素所以會發生化學反應，乃其本身並非形成鈍氣 電子組態 (B)惰性氣體之名乃因其缺乏化學活性之故 (C)鈍氣最先被發現者為He (D)
巴特勒為首位製出鈍氣之化合物者 (E)KrPtF6乃最先被製出之鈍氣化合物。(ABD) 8.下列有關惰性氣體的敘述中，正確的是 (A)工業上取氦氣的重要來源是油井所產之天 然氣 (B)均為雙原子分子 (C)在週期表中化學家將其列為VIIIA族 (D)STP時之密度 隨原子序增加而增大 (E)均不能生成化合物。(ACD) 9.下列關於鈍氣與液態空氣的敘述中，正確的是 (A)液態空氣是屬於混合物 (B)潛水用 的氧氣筒為氦與氧的混合氣體 (C)徐徐蒸發液態空氣時，氧先蒸發出來 (D)鈍氣元素 在自然界中，均以無色單原子狀態存在 (E)液態空氣的外觀為淡藍色液體。(ABDE) 10.下列各項敘述中，錯誤 的是 (A)氦是最難液化的氣體 (B)潛水夫所用的氧氣筒內的氣 體與空氣的成分一樣 (C)電燈泡中含有氬氣以保護鎢絲 (D)氖氣在真空放電管中發光， 可用以製造霓虹燈。(B) 11.下列關於惰性氣體的敘述中，正確的是 (A)氡具有放射性 (B)惰性氣體是最晚被發現 的一族元素 (C)惰性氣體中沸點最低的是氡 (D)每一種元素的電子組態最外層均有八 個電子 (E)氖氣在真空放電管中能發生紅色光。(ABCE) 12.下列有關大氣性質的敘述中，正確的是 (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，形成氮的氧化物 (D)生物腐敗分解時，一般會釋放出二氧 化碳與氧氣到大氣中 (E)空氣裡的惰性氣體中，以氮的含量最多。(85 日大)(C) 13.下列各項敘述中，正確的是 (A)氖在真空放電管中，可產生紅光 (B)氬氣產生之色光 其折射率很低，能透過濃霧，作為飛機著陸及輪船進港領航之用 (C)氡是一放射性氣 體，自然界中不存在 (D)飛船與氣球的填裝氣體是氦氣 (E)充填鎢絲燈泡的氣體是氪。 (ACD) 14.液態空氣中含有氧之量較空氣中所含者多，可由下列哪一選項來解釋？ (A)氧氣可 助燃，而氮氣不會 (B)對水的溶解度，氧大於氮 (C)氧之化性較氮活潑 (D)氧之沸點 高於氮。(D)
10-3 鹵素及其化合物 一.存在：第VIIA族元素包括氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砈( At)，合稱鹵素。其 中，砈為放射性元素。因為活性大，故自然界不以元素態存在，而已化合態存在。如 F2 以氟石(CaF2)、冰晶石(Na AlF3 6)與氟磷灰石(Ca PO5( 4 3) F)形式存在。 Cl2以海水與NaCl形式存在。 2 Br 以NaBr、KBr、MgBr2、海水、苦滷水均有存在。 2 I NaIO3、NaIO4或存在於智利硝石中。 二.性質： 1.其價電子組態為ns np2 5，是一雙原子分子。 2.常溫下氟為淡黃色的氣體、氯為黃綠色的氣體、溴為常溫下唯一液態的非金屬，呈暗 紅色；碘則為紫黑色的固體，且均有毒。 3.鹵素分子間作用力皆為凡得瓦引力，故熔點、沸點、莫耳汽化熱、莫耳熔化熱等隨原 子序增大而增大(因分子量愈大)。 4.活潑性大，易得到電子，形成X；是一個強氧化劑。 5.易與水反應。X2H O2 HX HOX 為一自身氧化還原反應。但碘難溶於水。 6.在CCl4中的顏色：F2呈無色、Cl2呈淡黃色、Br2呈橙色(或紅色)、I2呈紫色，而I2溶 於KI(aq)、乙醇或乙醚中可呈棕色。 7.隨原子序變大性質變大的有熔點、沸點、莫耳汽化熱、莫耳熔化熱、密度、原子容、原 子半徑、離子半徑等等。 8.隨原子序變大性質變小的有活性、毒性、第一游離能、X 的水合能(水合能與電荷成 正比，與半徑平方成反比)、電負度、還原電位。 9.鹵素中F2最強的氧化劑，I為最強的還原劑。 10.電子親和力大小順序：Cl F BrI。 11.鍵能(解離能) 大小順序：Cl2 Br2 F2 I2。 12.F 於任何化合物中均為1，而元素態F2為則 0；Cl、Br、I 則具有 0(元素態X2)、 1 、1、3、5、7的氧化數。
三.鹵素的重要反應： 1.鹵素與水反應： (1)F2具有強氧化力，會與水發生激烈反應，並產生氧氣。如， 2 2 2 2F 2H O4HF O (2)Cl2可溶於水，Br2微溶於水，會與水發生自身氧化還原反應。如， 2 2 2 Cl H O HClClO 2 2 2 Br H O HBrBrO (2)I2難溶於水，但可溶於非極性或極性很小的溶劑。如，CS2或CCl4。 2.鹵素與H2的反應：X2H2 2HX 能量。其中反應速率是F2 Cl2 Br2 I2。 3.鹵素與鹼液的自身氧化還原反應：其中X2 Cl2、Br2、I2。 (1)高溫：3X2 6OH 5X XO3 3H O2 。 (2)低溫：X2 2OH X XO H O2 。 4.鹵素與金屬的反應： (1)鹵素與鹼金屬反應可生成白色固體。 2 2 2 X M MX 能量 (2)氟之Cu、Ni之化合物可防止氟進一步被侵蝕，所以可作為裝氟的容器。 四.鹵素的製備與性質： 1.氟(F2)： (1)製備：氟為元素中最強的氧化劑；因此不能用氧化劑將F 氧化而得；故需要電 解熔融鹽類HF(l)才可製得。而 HF(l)不能被電解，因為HF(l)會以氫鍵形成 (HF)x之聚合物，故不能導電。所以須先將HF(l)溶於KF(l)熔鹽中形成KHF2 l( ) 以產生K HF 2而導電才行。反應方程式如下： 2KHF2(l)電解 H2(g)F2(g) 2KF(l) (2)性質： a.氟無正氧化態，即無穩定的含氧酸。 b.最強的氧化劑(還原電位最高)。 c.F電負度最大，但電子親和力卻是Cl2最大。 2.氯氣(Cl2)： (1)製備： a.工業製法： (a)電解濃食鹽水NaCl(aq)：可於陽極(正極)得到氯氣。
2NaCl(aq) 2H O2 ( )l Cl2( )g H2( )g 2NaOH(aq) 電解 (b)電解熔融之氯化鈉NaCl(l)：可於陽極(正極)得到氯氣。 () () 2( ) 2 1 g l l Na Cl NaCl 電解 b.實驗室製法： (a)鹽酸與二氧化錳(氧化劑)反應：裝置如圖10 3 所示。反應方程式如， 2( )s 4 (aq) 2(aq) 2( )g 2 2 ( )l MnO HCl MnCl Cl H O 。 圖10 3 實驗室製造氯氣的裝氣 (b)鹽酸與過錳酸鉀(氧化劑)反應： 2KMnO4(aq)16HCl(aq) 2MnCl2(aq)2KCl(aq)5Cl2( )g 8H O2 ( )l (c)可將氯化物、濃硫酸及氧化劑(MnO2)共熱亦可得氯氣。 2 2 2 2 4 2 4 4 2 2 2
MnO NaCl H SO Na SO MnSO Cl H O 3.溴(Br2)： (1)製備： a.實驗室製法：類似氯氣的製備。 (a)將溴化物、硫酸及二氧化錳混合加熱可得溴。裝置如圖10 4 所示。 MnO2 2KBr 2H SO2 4 K SO2 4 MnSO4 Br2 2H O2 (b)氫溴酸與二氧化錳反應。反應方程式如下 MnO2( )s 4HBr(aq) MnBr2(aq) Br2( )l 2H O2 ( )l b.工業製法：從海水苦滷或鹽井水，以氯氣取代Br而得。但須先酸化才行(因為 2 Br 於OH 中會發生反應)。方程式如下。2Br(aq)Cl2( )g 2Cl(aq) Br2( )l 。
圖10 4 實驗室製造溴的裝置 圖10 5 實驗室製造碘的實驗 4.碘( )I2 ： (1)製備： a.實驗室製法： (a)將碘化鉀、硫酸與二氧化錳混合加熱。裝置如圖10 5 所示。 2 2 2 2 4 2 4 4 2 2 2 MnO KI H SO K SO MnSO I H O (b)2I(aq)Cl2( )g 2Cl(aq) I2( )s (c)2I(aq) Br2( )g 2Br(aq) I2( )s (d)MnO2( )s 4HI(aq) MnI2(aq)I2( )s 2H O2 ( ) b.工業製法：
(a)由智利硝石(NaNO3)中所含少量的碘酸鈉(NaIO3)以亞硫酸氫鈉(NaHSO3) 還原而得碘。2IO3(aq) 5HSO3(aq) I2( )s 5SO4(2aq) 3H H O2 (b)海藻燃燒後所得的灰份中含0.5~1.5%的碘離子，通氯氣氧化可得碘。反 應方程式如下所示，2I(aq) Cl2( )g 2Cl(aq) I2( )s 。 五.鹵素的用途： 1.氟( )F2 ： (1)分離同位素：利用與鈾(U)先生成UF6( )g ，再利用同位素235UF6及 238 6 UF 不等重， 藉著擴散法 1 2 2 1 M M rr 分離二氟化物，再個別還原，則可得 235U 及238U ，前者可 製得原子彈。 (2)製成氟氯碳化物(冷凍劑)：氟氯碳化物俗稱氟利昂( freon)，如：二氟二氯甲烷 ) (CF2Cl2 ，無臭、無毒，具有很高的汽化熱不易燃，作冰箱或冷凍機器之冷媒 氟利昂舊譯為氟氯烷，會破壞臭氧層。 (3)製造特夫綸(四氟乙烯(C F2 4)聚合物)：一種聚合物(塑膠)，俗稱特夫綸，學名聚四 氟乙烯。具抗熱抗酸鹼侵蝕的特性，可作為抗強烈化性物質的容器，或防鏽、耐 磨等。 (4)公共給水中添加1ppm氟離子，可大幅度降低齲齒的罹患，防止蛀牙常加入者為 NaF、Na SiF2 6(六氟矽酸鈉)、H SiF2 6(六氟矽酸)、Na PO F2 3 (氟磷酸鈉)。 2.氯(Cl2)：
(1)氯的鍵能與電子親和力均較氟大。 (2)氯可分別與溴化物、碘化物反應產生Br2、I2。 (3)氧化力強，故具有殺菌、消毒作用，可作為自來水的殺菌劑。 (4)可製造常見的溶劑，如CH Cl2 2、CHCl3。 (5)氯溶於水，是一種自身氧化還原反應。反應是Cl2 H O2 HClO H Cl 。 (6)氯的去除：於自來水中常加入氯氣進行消毒，可藉著加入硫代硫酸鈉(Na S O2 2 3、 俗稱海波或大蘇打)或氫氧化鈉予以去除。反應方程式如下： Na S O2 2 34Cl25H O2 2NaHSO48HCl Na S O2 2 32HCl2NaCl H O S 2 SO2 2NaOH Cl 2 NaCl NaOCl H O 2
(7)製造漂白粉： a.反應：將氯氣通入熟石灰即可製得漂白粉，叫做氯化次氯酸鈣Ca OCl Cl( ) 或次 氯酸氯化鈣CaCl OCl( )。反應方程式如下所示： 2 ( )2 ( ) 2 Cl Ca OH Ca OCl Cl H O b.性質：為一種白色粉末，其成分是Ca OCl Cl( ) 可視為氯化鈣CaCl2與次氯酸鈣 2 ( ) Ca OCl 的複鹽。故漂白粉具有與次氯酸相似的OCl ，故具有漂白與殺菌的作 用(因為與酸作用可生成次氯酸HClO)。 3.溴(Br2)： (1)活性比氯小，對水溶解度更低，故用途較小。 (2)高純度溴可製造照片感光劑(AgBr)。2AgBr光 2Ag Br 2。 (3)製造汽油添加劑二溴乙烷(C2H4Br2)，使含有四乙基鉛(Pb C H( 2 5 4) )的汽油於 燃燒的過程中，轉變成PbBr2而揮發逸出。 (4)活性大於碘，故可用於從碘化物中製碘。2I(aq)Br2( )g 2Br(aq)I2( )s 。 (5)製造農藥。 4.碘( )I2 ： (1)製造藥品與照相感光片。 (2)於人體中碘是製造甲狀腺素的要素，體內若缺少碘就會引起甲狀腺腫，故於食 鹽中常添加有少量的NaI 、KI 。 (3)製造人造雨的晶種AgI。 (4)可製成碘仿CHI3，是一種防腐劑。 (5)可製成碘酒(碘+酒精+碘化鉀)，是一種消毒劑或消腫劑。 (6)碘-澱粉檢驗：碘 + 澱粉 → 深藍色的錯合物
(7)碘比溴更難溶於水，可溶於酒精(碘酒)，乙醚或四氯化碳，易溶於KI(aq)，產生 3 I (棕色)。 六.常見的含鹵素化合物： 1.次氯酸(HClO)及其鹽： (1)製備： a.通氯氣於冰水中，Cl2 H O2 H Cl HClO 。
b.通氯於鹼液中，可得次氯酸鹽，Cl22NaOH H O NaCl NaClO2 。 c.工業上用電解冷的食鹽水並激烈攪拌來製備NaOCl。 (2)性質與用途： a.強氧化劑，具有漂白作用。 b.極弱的酸 c.受熱易發生自身氧化還原。3ClO ClO3 2Cl 。 d.製造漂白粉(Ca OCl Cl( ) ( )s )。 2.亞氯酸(HClO2)及其鹽： (1)製備：
a.通ClO2於水中分解，2ClO2H O2 HClO2HClO3。
b.通ClO2於鹼液中，可得亞氯酸鹽，2ClO2 2OH H O ClO2 2 ClO3
。 (2)性質與用途： a.HClO2為非常不穩定的化合物，但比亞氯酸鹽安定 b.具有漂白作用。 3.氯酸(HClO3)及其鹽： (1)製備：
a.次氯酸根水溶液加熱，發生自身氧化還原。3ClO ClO3 2Cl 。 b.電解熱氯化鈉水溶液並加以攪拌，Cl2 6OH ClO3 5Cl 3H O2 。 (2)性質與用途： a.強氧化劑。 b.製造炸藥。 4 過氯酸(HClO4)及其鹽： (1)製備：
a.低壓蒸餾KClO4與H SO2 4混合液。KClO4H SO2 4 HClO4 KHSO4。 b.綠酸鹽的熱分解。4KClO33KClO4KCl 催化劑 。 (2)性質與用途： a.最安定的含氧酸，不易分解 b.為很強的酸。 七.鹵素離子的檢驗： 1.氯離子(Cl)： (1)加入Ag(aq) ，會產生白色AgCl沉澱。 (2)加氯水後再加CCl4，則沒反應，但Cl2在下層CCl4呈現淡黃色。 2.溴離子(Br)： (1)加入Ag(aq) ，會產生淡黃色AgBr沉澱。 (2)加氯水後再加CCl4，則有反應，但反應所生成的Br2在下層CCl4呈現橙色。 3.碘離子( )I ： (1)加入Ag(aq) ，會產生黃色AgI沉澱。 (2)加氯水後再加CCl4，則有反應，但反應所生成的I2在下層CCl4呈現紫色。 (3)加澱粉與雙氧水，發生2I H O2 2 2H I2 2H O2 反應，故呈現藍色。 1.於27oC 、1atm下，取10M 的 ) ( aq HCl 40mL與17.4g 的MnO2 s( )混合加熱完全作 用，則所生成的氣體體積是多少？(Cl 35.5、MnO2 87) 2.下列各選項中，正確的是 (A)氟能與水反應而生成氧化數為 1 的HFO (B)氫鹵酸中 以 HF 酸性最強 (C)鹵化銀中只有氟化銀可溶於水 (D)鹵素中以氟的氧化力最強 (E) 鹵化氫中以氟化氫的鍵能最大。 3.下列有關氟、氯、溴、碘四種鹵素的敘述中，正確的有 (A)解離能以氯為最大 (B)四種鹵 素中氟是最弱氧化劑 (C)氣態氟無色，其餘氣態鹵素均具有顏色 (D)碘易溶於水中，
但不易溶於二硫化碳(CS2)中。
4.下列各種化合物中，可作為汽油添加劑的是 (A)氟化物 (B)氯化物 (C)溴化物 (D)碘化 物。
5.下列各組反應中，可使兩層中的下層溶液，呈現暗紅色的有 (A)AgNO3(aq) KCl(aq) HNO3(aq)
(B)Cl2(aq) KI(aq)CCl4(l) (C)I2(aq) KBr(aq) CCl4(l) (D)Cl2(aq)KBr(aq) CCl4(l) (E)AgNO3(aq) KI(aq) HNO3(aq)
6.下列各種反應中，無法產生氯氣的是 (A)電解飽和濃食鹽水 (B)將溴通入食鹽水中 (C) 二氧化錳與濃鹽酸共熱 (D)食鹽、二氧化錳與濃硫酸共熱。 7.已知，過氯酸鉀(KClO4)可由下列三個連續反應製備，(K 39、Cl 35.5) Cl2 KOH KClKClOH2O KClOKClKClO3 KClO3 KClKClO4 (方程式未平衡)。 則欲製備69.25g的KClO4需要多少莫耳的Cl2？又合多少公克
8.把化合物 X 的水溶液與氯的CCl4溶液充分搖勻。靜置後，下層溶液變為較深顏色。 若改用溴的CCl4溶液，則也會變為較深顏色，則 X 可能是 (A)LiBr (B)NaF (C)
KI (D)Ba(NO3)2。 9.稱取0.15g的碘酸鉀(KIO3 214)固體溶於水中，並加入2.0g的碘化鉀(KI 166) 及 少 量 硫 酸 ， 結 果 會 有 固 體 的 碘 生 成 ， 並 用 未 知 濃 度 的 硫 代 硫 酸 鈉 溶 液 2 2 3( ) (Na S O aq 158)滴定，共用了30mL的硫代硫酸鈉溶液可達當量點，則該的硫代 硫酸鈉溶液的濃度是多少？
10.固態碘容易溶於下列哪種水溶液？ (A)KI (B)NaCl (C)KOH (D)Na S O2 2 3 (E)AgNO3 。
11.在氯的製備實驗中，下列各種物質無法吸收過剩氯氣的是 (A)Na S O2 2 3 (B)NaOH (C)Na SO2 4 (D)Ca OH( )2。
<Homework 10-3>
1.欲從含有F 、 Cl、Br 、 I 等離子的溶液中，檢測出 F 的存在，最好先加入的 試劑是 (A) NH3 (B)(NH4)2S (C)HNO3 (D)Mg(NO3)2。(D)
2.下列各種鹵素的性質中，不會隨著原子序而呈規律性變化的是 (A)離子半徑 (B)電負 度 (C)解離能 (D)離子的水合能。(C) 3.下列關於鹵素及其離子的敘述中，錯誤的是 (A)氧化力強弱順序F2 Cl2 Br2 I2 (B)電 子親 和力FClBrI (C) 沸點 、熔 點F2 Cl2 Br2 I2 (D)離 子還 原 力 I Br Cl F (E)鍵能Cl2 Br2 F2 I2。(BC) 4.某生利用下列實驗裝置所示化學實驗，試回答下列各題： (1)反應瓶中，甲管為何需要伸至底部？乙部分為何需要彎曲？ (與MnO2充分作用，避免有Cl2逸出的功能；避免Cl2衝出並控制流速) (2)四個錐形瓶(丙)中所收集氣體呈何顏色？丙錐形瓶中之丁管為何需要伸至底部？ (黃綠色；因為Cl2比空氣重，要用向上排氣法收集) (3)己錐形瓶中溶液反應完成後將己瓶取下，並加入適量四氯化碳，攪伴後靜置，會 分為兩 層，則四氯化碳在哪一層？呈何顏色？ (下層、紫色) (4)用平衡化學方程式表示戊瓶中可能的化學反應。 (Cl2 H2OHClHClO) 5. 下 列 家 庭 用的洗滌物質中， 哪兩種混 合使用，會產生有 毒氣體 (A)鹽酸 (B)肥皂 (C)通樂(含氫氧化鈉) (D)沙拉脫 (E)漂白粉(含次氯酸鈉)。 (AE) 6.以氟化氫(HF)為原料，可經由下列哪種方法製備氟 (A)與 KF 共熔後電解 (B)與水溶
7.已知，過氧化氫水溶液(H2O2(aq))有1.20g與過量的的碘化鉀(KI)及少量硫酸反應， 方程式如下：2H(aq) H2O22I(aq) I2 2H2O，生成碘後再以標準的硫代硫酸鈉 ) (Na2S2O3(aq) 滴 定( 加 入 少 量 的 澱 粉 溶 液 ) ， 直 到 變 色 時 ， 共 用 去0.01N 的 ) (Na2S2O3(aq) 21mL ，則原來過氧化氫水溶液的重量百分率是多少？(2.98%) 8.下列有關鹵素及其化合物的敘述中，正確的是 (A)氟原子在鹵素中體積最小，所以同 體積的固態鹵素中，氟的分子數最多，密度最大，熔點最高 (B)氟的離子半徑在鹵素 中最小，所以F2、Cl2、Br2、I2中，以F2的鍵結能為最大 (C)鹵素都具有 1 、 3 、5、7的氧化數 (D)鹵化銀中，以氟化銀最易溶於水 (E)Cl2的氧化力較Br2 強。(DE) 9.下列關於鹵素元素的敘述中，正確的是 (A)其熔點隨原子序增加而升高 (B)其沸點隨 原子序增加而降低 (C)其活性隨原子序增加而減少 (D)常溫常壓下，溴為暗紅色的液 體 (E)家庭用漂白粉成分的化學式為Ca(OCl)Cl。(ACDE)
10.將ClO2通入氫氧化鈉水溶液(NaOH(aq))中，可得到的產物有 (A)Cl (B)ClO (C)ClO2 (D) 3 ClO (E) 4 ClO 。(CD) 11.漂白粉為混合物，可通入氯氣於乾燥的石灰而製得。試寫出製造漂白粉的反應方程 式並指出何者為氧化劑？何者為還原劑？ (Cl2 CaOCa(OCl)Cl、Cl2、Cl2) 12.下列各種鹵素的特性中，不隨原子序而呈規律性變化的是 (A)離子半徑 (B)電負度 (C)解離能 (D)離子的水合能。(C) 13.把化合物 X 的水溶液與氯的四氯化碳水溶液( ) 4 2 CCl Cl 溶液充分搖勻。靜置後，下 層溶液變為較深顏色。若改用溴的四氯化碳水溶液( ) 4 2 CCl Br ，則不會變為較深顏色
則 X 可能是 (A)LiBr (B)NaF (C) KI (D)Ba(NO3)2。(A)
14.已知，甲、乙、丙三種溶液各含有一種陰離子X (X Cl、Br 、 I)；若於甲中 加澱粉和氯水，則溶液會變成暗紅色，若再加丙溶液，則顏色無明顯變化。則甲、乙、 丙依次可能是含有 (A)Br 、 Cl、I (B) Br 、 I 、 Cl (C)I 、 Br 、 Cl (D) Cl 、I 、 Br 。(A) 15.欲從含F 、 Cl、Br 、 I 等離子的溶液中檢測出 F 的存在，最好先加入的試劑 是 (A)NH3 (B)(NH4)2S (C)HNO3 (D)Mg(NO3)2。(D)
一.硫：電子組態是3 3s p2 4，週期表的位置第三週期、 VIA族。 1.存在：硫礦在地球上分佈很廣，在自然界中常以游離態(即元素態)存在，也可以化 合物狀態存在 2 4 (SO 、S2)。常溫常壓下，硫為一安定之固體，有多種同素異性體， 但大多數都是不穩定的，元素硫會與大部分元素化合，且在常溫下仍相當安定。(如 2 SO 、ZnS、Ag S2 等)。 2.硫的同素異性體：主要有斜方硫、單斜硫及彈性硫三種。 (1)晶體之硫：硫的同素異性體中最重要的兩種晶體為斜方硫(錐狀結晶，常溫下最穩 定，如圖10 6 )與單斜硫(針狀晶體，於95.6oC~119oC間最穩定，常溫下會變成 斜方硫，如圖10 7 )，此二者均以環形S8(如圖10 8 )為構成，是一種無臭、無 味且難溶於水的黃色固體。斜方硫及單斜硫均可溶於二硫化碳(CS2)，若使二硫 化碳的溶液緩緩蒸發後，均可得斜方硫。 圖10 6 圖10 7 圖10 8 (2)非晶體之硫：無法溶於二硫化碳(CS2)，如彈性硫，常溫下不安定，但易變成斜方 硫。 (3)S8的電子點結構，如圖10 9 3.製備：大多採取弗拉許法，利用高溫(170oC)、高壓，壓縮空氣與熱水，將地層下的 硫磺溶化後並將其擠升到地面，此方法即是。一般而言，可得到硫之純度大約為 99.5%。如圖10 10 。 圖10 9 S8電子點結構 圖10 10 氟拉許法製硫 4.硫加熱時的變化： (1)流程圖：如圖10 11 。
圖10 11 硫受熱的變化情形 (2)過程中的變化： a.顏色逐漸加深。 b.黏度：先減(S8與S8分子間的作用力因加熱而被破壞，故不再吸引在一起)後増 (S8 環斷裂後形成長鏈S8，互相糾纏在一起)再減(加熱使得長鏈S8分裂變成短 鏈，而短鏈分子不易糾纏在一起)。 二.硫酸(H2SO4)：硫酸的生產量反應一個國家化學工業的水準，故稱工業之母。 1.製備：硫酸製備方法有兩種，分別是接觸法與鉛室法，二者之差異在於氧化時所用 催化劑的不同： (1)接觸法：屬於非勻相催化反應；可得較純的H SO2 4，約90%，且易調製成任意濃 度，為目前台灣所使用的方法。其反應過程如下所示： step1 2 5 2( ) 2( ) 400~450 3( ) 1 2 o V O g g C g SO O SO step2 SO3( )g H SO2 4( )l H S O2 2 7( )l step3 H O2 ( )l H S O2 2 7( )l 2H SO2 4(aq) (2)鉛室法：屬於非勻相催化反應；因於鉛製反應器中製造而得名，屬於勻相催化 反應，濃度大約是70%，用NO與NO2作為催化劑。其反應過程如下所示： step1 2NO( )g O2( )g 2NO2( )g step2 SO2( )g NO2( )g SO3( )g NO( )g step3 H O2 ( )g SO3( )g H SO2 4(aq) 2.性質： (1) 純 硫 酸 為 無 色 油 狀 ( 黏 稠 狀 ) 之 液 體 ， 俗 稱 礬 油 ， 比 重1.84、mp10.5oC、 338o bp C，沸騰時會分解成SO3和H O2 。H SO2 4( ) H O SO2 3( )g 。 (2)實驗室中所使用之濃硫酸濃度為98%，比重1.84，約為18M 。
(3)溶於水時會放出大量的熱，由於比重比水大，故稀釋時必須將濃硫酸緩緩倒入 水中以免發生爆炸。 (4)硫酸為強酸，二質子酸，解離方程式如下 H SO2 4 H HSO4 Ka1=極大 2 4 4 HSOHSO 2 2 1.0 10 (25 ) o a K C (5)H SO2 4或硫酸鹽的檢驗： 2 4 SO 離子遇Ca2、Sr2、Ba2、Pb2等離子會產生白色 沈澱，且不溶於酸、鹼。如， 2 2 (aq) (aq) 4( )s Ba SO BaSO 。 (6)沸點甚高，可用來製造沸點低的酸。 a.製備鹽酸：2NaCl( )s H SO2 4(aq) Na SO2 4(aq) 2HCl( )g b.製備硝酸：2KNO3( )s H SO2 4(aq) K SO2 4(aq) 2HNO3( )g c.製備氫氟酸：CaF2( )s H SO2 4(aq) CaSO4( )s 2HF( )g (7)濃硫酸具有強脫水性，與碳水化合物作用脫去水份而變成黑碳。如， 2 4 12 22 11 12 ( ) 11 2 ( ) H SO s C H O C H O (8)硫酸的氧化力(硫酸之氧化力比磷酸強，但比硝酸弱)濃硫酸具有氧化力(強氧化 劑)，而稀硫酸則無，故無脫水性。 a.與金屬(如銅)反應時，硫被還原成4價的SO2。其它如碳、硫亦可於熱濃硫酸反應， 反應方程式如下所示： Cu( )s 2H SO2 4(濃) CuSO4(aq)SO2( )g 2H O2 ( )s 2 2 4( ) 2( )g 2 2( )g 2 2 C H SO 濃 CO SO H O S( )s 2H SO2 4(濃) 3SO2( )g 2H O2 b.鋅的活性大於銅(還原力比銅強)，能將濃硫酸還原成元素硫，反應方程式如下 所示： ( ) 2 4( ) 4( ) ( ) 2 3Zns 4H SO 濃 3ZnSO aq Ss 4H O c.酸與活性大之金屬反應產生氫氣。如， ( )s 2 4( ) 4(aq) 2(g) Zn H SO 濃 ZnSO H (9)其結構式如圖10 12 。
圖10 12 H SO2 4與SO42 的結構 圖10 13 2 3 SO 的結構 三.其他的含硫化合物： 1.亞硫酸根 2 3 (SO )： (1)除了IA族的金屬離子外，會與其他金屬離子形成沉澱。 (2)其沉澱物均可溶於酸中，可由下列反應表示 2 3 2 2 2 SO H SO H O，且會有惡臭 2 (SO )。 (3)其結構式如圖10 13 。 2.硫代硫酸鈉(Na S O2 2 3)： (1)俗稱海波或大蘇打。 (2)製備：亞硫酸鹽與硫共煮即可， 2 2 3 2 3 S SO S O 。 (3)結構： 2 2 3 S O 的結構，可視為 2 4 SO 中一個氧原子被硫原子取代，如圖10 14 所 示。其中，兩個硫原子的氧化數分別為1、5，故S之平均氧化數為2。 (4)性質及用途： a.照像術中作為定影劑：可去除未感光的AgBr，反應如下所示： 2 3 2 3( ) ( ) 2 3 2( ) ( ) 2S O aq AgBrs Ag S O( ) aq Braq b.當作還原劑，如下所示： 2 2 2 3(aq) 2( )g 4(aq) (aq) S O Cl SO Cl 2 2 2 3(aq) 2( ) 4(aq) (aq) S O Br SO Br S O2 3(2aq) I2( ) S O4 6(2aq) I(aq) c. 2 2 3 S O 遇 H會產生黃色沈澱及 2 SO 氣體，如下所示， 2 2 3 2 2 2 S O H SO H O S 。 d.於實驗室製備氯氣時，可用來吸收Cl2與HCl。 Na S O2 2 34Cl25H O2 2NaHSO4 8HCl 2 2 Na S O HCl NaCl S SO H O
3.焦硫酸H S O2 2 7：俗稱發煙硫酸。其製備方法如下所示： (1) 2 分子硫酸脫 1 分子水。反應方程式如下， 2 4 2 2 7 2 2H SO H S O H O。 (2)SO3被濃H SO2 4吸收。反應方程式如下， 3 2 4 2 2 7 SO H SO H S O 。 (3)其結構式如圖10 15 。 圖10 14 2 2 3 S O 的結構 圖10 15 7 2 2S O H 的結構 圖10 16 4 4 6 S O 的結構 4.硫化物(S2)：除了 IA、IIA、 4 NH、 H以外，S2均可與其他陽離子產生沉澱。 (1)沉澱物顏色： a.白色：ZnS。 b.黑色：PbS 、CuS、Ag S2 。 c.粉紅色：MnS。
(2)可溶於酸的硫化物，如FeS、MnS、CoS 、ZnS、NiS。反應式如下所示， MS( )s 2H(aq) H S2 (aq) M(2aq) 。 1.於接觸法製造硫酸的過程中，有關SO3形成步驟的敘述中，正確的是 (A)反應必須使 用催化劑，通常是用純金屬 (B)增加壓力可增加SO3產量 (C)反應為吸熱，所以在 C o 450 ~ 400 下進行 (D)通常是用NO2作氧化劑。 2.下列關於H2SO4的敘述中，正確的是 (A)接觸法製H2SO4以V2O5為催化劑 (B)鉛 室法製H2SO4以NO為催化劑 (C) 2 4 SO 之檢驗常用BaCl2 (D)發煙硫酸所冒出的 煙為SO3 (E)SO42所形成的沉澱，可溶於鹼而不溶於酸中。 3.下列關於元素硫及其化合物的敘述中，正確的是 (A)硫有斜方硫、單斜硫、彈性硫三種
同素異形體 (B)稀硫酸與銅作用產生二氧化硫氣體 (C)接觸法製造硫酸以一氧化氮為 催化劑 (D)濃硫酸具有很強的脫水性，可使蔗糖脫水成為黑碳 (E)亞硫酸為雙質子酸。 4.下列關於硫的敘述中，正確的是 (A)硫的同素異形體，分子式均為S8 (B)斜方硫和單 斜硫均易溶於CS2 (C)硫沸騰後成為氣態，可能含S8、S6、S4、S2，溫度愈高， 低分子量的含量愈少 (D)硫的同素異形體，在常溫下，以斜方硫最安定 (E)用放大鏡 觀察，斜方硫為菱形晶體，單斜硫為針狀晶體，彈性硫為富彈性之黃褐色非晶體。 5.下列各氧化數的敘述中，錯誤 的是 (A)H2SO5 S8 (B)H2S2O3，兩個硫的氧化 數均為 2 (C)脫水前後，H3PO4中的 P 氧化數恆為5 (D)H2S2O8 S 6 (E) 2 7 2 2 4 CrO CrO ，因氧變多了，故為氧化反應。 6.已知，甲、乙、丙三瓶藥品之標籤脫落，而此三種藥品分別是Na2SO3、Na2SO4、 3 2CO Na ；經實驗得知與BaCl2 aq( )作用皆可產生沉澱，而甲的沉澱不溶於酸、乙跟 丙的沉澱皆可溶於酸並產生氣體，再將生成之氣體通過KMnO4 aq( )的酸性溶液，則 丙所生成的氣體可使其褪色，則甲、乙、丙三溶液分別是什麼？ 7.下列有關各種實驗方法或操作的敘述中，錯誤 的有 (A)稀釋硫酸時，應將濃硫酸慢慢 滴入水中並徐徐攪拌之 (B)做實驗時，若不慎被濃硫酸濺到皮膚，應立即以氨水擦 拭，再送往醫務室處理 (C)實驗室製造氧氣時，常用排水集氣法收集 (D)以過錳酸鉀 溶液進行氧化還原滴定時，常在酸性溶液中進行，常用的酸為硫酸。
8.下列各種現象中，是利用硫酸不 易 揮發 ( 沸點高 ) 性質的是 (A)銅片與濃硫酸共熱，銅 溶解 (B)硝酸鉛水溶液與稀硫酸生硫酸鉛沉澱 (C)氯化鈉與硫酸共熱生鹽酸 (D)鋅加 入稀硫酸產生H2 (E)滴濃硫酸於蔗糖，則糖變焦黑。 9.燃燒純度為30%的黃鐵礦(FeS2)1000g，則可製得2.5M 的硫酸多少公升？ 10.下列各種現象，利用濃硫酸強氧化力性質的有 (A)銅片溶於濃硫酸，產生有刺激臭 氣體 (B)利用食鹽和濃硫酸製氯化氫 (C)硝酸鋇滴入硫酸生成白色沉澱 (D)蔗糖滴加 濃硫酸而變黑 (E)碳與濃硫酸作用產生氣體。 11.只利用一種試劑，就可分辨Na2S 、Na2CO3、Na2S2O3、NaAl(OH)4、Na2SO4五 種溶液的是 (A)氯化鋇水溶液 (B)鹽酸水溶液 (C)氫氧化鈉水溶液 (D)氨水。 12.下列關於硫酸的敘述中，正確的是 (A)硫酸為強酸，故可將H 完全解離 (B)熱濃硫 酸可氧化Cu成Cu2，本身還原成硫粉 (C)稀釋硫酸，應將硫酸滴入水中，並不斷 攪拌 (D)鹽酸倒入硫酸中，可得HCl( g)，乃因硫酸之脫水性 (E)濃硫酸加入氟化鈣， 可製得 HF ，乃因濃硫酸沸點高。 13.硫酸可用來製造其他無機酸，其主要原因是 (A)沸點較高 (B)比重大 (C)較易揮發 (D) 脫水性強。
14.下列關於硫代硫酸鈉的敘述中，正確的有 (A)由Na2SO3與S 共熱製得 (B)可溶解 ) ( s AgBr (C)可溶解I2 s( ) (D)可用做脫氯劑 (E)俗稱大蘇打。 15.如右圖所示，試管X 被加熱時，試管Y、Z可以 觀察到什麼現象？ (A)Y：沒有變化、Z：沒有 變化 (B)Y：黃色沉澱、Z：沒有變化 (C)Y： 沒有變化、Z：白色沉澱 (D) Y：白色沉澱、 Z：黃色沉澱 (E)Y：白色沉澱、Z：退色。 <Homework 10-4> 1.將硫加熱至160oC時，黏度會增加而且顏色會呈褐色，其原因乃是 (A)由 ) ( 8 s S 成為 ) (l S (B)形成(S )8 x之聚合物 (C)形成Sx之分子液體，且
x
為一較大整數 (D)形成 2 S 與S2並且互相吸引之離子液體。(C) 2.欲鑑別硫酸鈉及亞硫酸鈉，則下列各種試劑中，較合適的有 (A)鹽酸 (B)食鹽水 (C)過 錳酸鉀酸性溶液 (D)氯化鋇水溶液 (E)氫氧化鈉水溶液。(AC) 3. 下 列 各 物 質 中 ， 可 當 做 定 影 劑 的 是 (A)Na2S2O3 (B)Na2S (C)Na2S2O5 (D) 4 2SO Na 。(A) 4.鹽酸鹽或硝酸鹽以濃硫酸處理時可變為硫酸鹽。其主因是因為硫酸 (A)為黏稠性的油 狀物質 (B)為揮發性較大的強酸 (C)沸點比鹽酸、硝酸較高 (D)為二質子酸。(C) 5.硫的各種同素異形體中，屬於鏈狀分子的是 (A)彈性硫 (B)單斜硫 (C)斜方硫 (D)S8。 (A) 6.將50mL、10M 的濃鹽酸與12.6g 的亞硫酸鈉(Na2SO3)作用，則可於STP下，產 生多少公升的二氧化硫？(Na23、S 32、O 16) (2.24L)7.下列各種方法中，無法製得二氧化硫的是 (A)燃燒硫 (B)活性大的金屬與稀硫酸作用 (C)亞硫酸鹽與強酸作用 (D)硫化物的煅燒 (E)硫代硫酸鈉與鹽酸作用。(B) 8.試完成下列相關於硫的化學之相關問題。 (1)硫原子的電子組態。( 1 22 22 63 23 4) 16S s s p s p (2)硫的同素異形體。(斜方硫、單斜硫、彈性硫) (3)一般硫酸的製造方法，並指出各反應的催化劑。(接觸法V O2 5、鉛室法 NO) 9.硫在何種溫度時黏性最大？ (A)112oC (B)115oC (C)160oC (D)446oC。(C) 10.下列有關氧化數的敘述中，正確的是 (A)H2S2O3，兩個硫的氧化數均為 (B)2 5 2SO H ，S 8 (C)H2S2O8，S 6 (D)Fe3O4，三個鐵的氧化數均為 3 8 。(C) 11.回答下列各題： (1)硫的原子量為 32，其原子序是多少？(16) (2)硫元素的電子組態為何？(1 2 2 3 3 )s s2 2 p s p6 2 4 (3)最常見的硫晶體是單斜硫與斜方硫，兩者的關係為何？(同素異形體) (4)將硫在空氣中燃燒會產生二氧化硫，而二氧化硫在 的催化下，繼續與氧作用生 成三氧化硫，將三氧化硫通入90%的硫酸中，會產生 ，繼而加水就可製得 。(92 北部) 10-5 氮與磷 於週期表VA族元素中，包括有非金屬的氮(N、氣體)、磷(P、固體)、砷(As、類金 屬)、銻(Sb、金屬)與鉍(Bi、金屬)等等。 一.氮： 1.存在： (1)約佔空氣中的78%，以N2的方式存在。 (2)地殼中以硝酸鹽存在，主要的礦物則有硝石(KNO3)、智利硝石(NaNO3)。而生物 體內的蛋白質中含15 ~ 19%的氮。 2.製備： (1)工業法：利用沸點不同(N2 O2)，蒸餾液態空氣即可得N2。 2 N 高壓低溫 緩緩蒸發 空氣 液態空氣 先逸出 (2)實驗室製法： a.從空氣中分離：直接將空氣與灼熱銅粉作用可形成氧化銅CuO，即可除去O2， 而剩下的氣體中絕大部分是氮氣(用排水集氣法收集即可)。其簡單的實驗裝置如 圖10 17 所示。反應方程式如下，
2( ) 2( ) ( ) ( ) 2( ) 4N g O g 2Cus 2CuOs 4N g 。 圖10 17 由空氣製造氮氣的實驗裝置 b.亞硝酸鈉與氯化銨共熱。實驗裝置如圖10 18 所示。反應方程式如下： 2 4 2 2 2 NaNO NH ClN NaCl H O c.將氨氣通過灼熱的氧化銅。實驗裝置如圖10 19 所示。其中， 1 step ：可以先將氯化銨與熟石灰共熱製得氨氣，其反應方程式如下： 4 2 2 2 3 2NH Cl Ca OH ( ) CaCl 2H O2NH 2 step ：再將製得的氨氣通入灼熱的氧化銅，即可。其反應方程式如下： 3 2 2 2NH 3CuON 3Cu3H O 圖10 18 圖10 19 3.性質：氮氣是一較不活潑之元素，只可於高溫下發生反應。 (1)高溫下與氧氣作用可生成一氧化氮。N2 O2 2NO 。 (2)高溫下與鋰或鎂作用可生成氮化物。 2 6 2 3 N Li Li N或 2 3 3 2 N MgMg N (3)高溫下與碳化鈣(俗稱電石，CaC2)作用會產生氰胺基化鈣。 2 2 2 N CaC CaCN C。 4.氮的檢驗： step1先與鎂化合生成黃色氮化鎂。
2 3 3 2 N MgMg N 。 2 step 加水會生成氨，可使石蕊試紙由紅變藍。 3 2 6 2 3 ( )2 2 3 Mg N H O Mg OH NH 。 5.用途： (1)充入燈泡，防止燈絲氧化，增長燈泡壽命。 (2)冷卻劑，將氮氣加壓降溫變成液態氮氣。 (3)用於食品包裝，延長保存期限。 (4)製造氨氣與肥料。 6.常見的含氮化合物： (1)氨(NH3)： a.製備： 圖10 20 實驗室製氨的裝置 (a)工業上：利用哈柏法製氨。反應方程式如下， 500 350 2 3 2 2 3 oC atm N H 鐵粉 NH 。 (b)實驗室：將氯化銨與氫氧化鈣共熱後，再利用向下排氣法來收集，其裝置 如圖10 20 。反應方程式如下， 4 2 2 2 3 2NH Cl Ca OH ( ) CaCl 2H O2NH b.性質： (a)常溫下，為有刺激性味道的無色氣體，bp 33.4oC、mp 77oC。 (b)易溶於水，1 體積的水大約可溶 1300 體積的氨氣，所以可作噴泉氣體的材 料。 (c)其混成軌域為sp3是一角錐形分子。 (d)濃氨水開瓶後，遇潮濕的空氣會產生煙霧，其原因是氨氣會吸收空氣中的 水蒸氣而變成氨水微滴。 c.用途： (a)可用於製造肥料(尿素、硝酸銨、硫酸銨)。 2NH3CO2 CO NH( 2 2) H O2 3 3 4 3 NH HNO NH NO 3 2 4 4 2 4 2NH H SO (NH ) SO (b)可用於製造硝酸。 3 2 3 2 NH O HNO H O d.檢驗：氨氣遇到鹽酸，會立即產生白色氯化銨固體微粒，其反應方程式如下， 3( )g ( )g 4 ( )s NH HCl NH Cl ，實驗裝置如圖10 21 所示。
圖10 21 氨氣或鹽酸的檢驗 圖10 22 製造硝酸的裝置 (2)硝酸(HNO3)： a.製備：可分成兩種方法： (a)實驗室法：直接加熱硝酸鹽與濃硫酸混合物。此法乃是利用濃硫酸的沸點高於硝 酸。實驗裝置如上頁圖10 22 所示。 3 2 4 4 3
KNO H SO KHSO HNO 。
(b)工業法：以氨為原料經過特殊氧化，稱之為奧士華法，分成三個步驟： 1 step 4NH35O2 Pt Rh合金 4NO6H O2 2 step 2NO O 2 2NO2 3 step 3NO2H O2 2HNO3NO 全反應NH32O2 HNO3H2O b.性質： (a)是一無色，但有刺激氣味的發煙氣體。 (b)純硝酸或硝酸水溶液於陽光照射下會分 解產生紅棕色氣體(NO2)，故久置後硝 圖10 23 硝酸的結構 酸會變成黃褐色，需用深色瓶裝或置於陰暗處。反應方程式如下所示， 3 2 2 2 4HNO 光 4NO O 2H O。 (c)為一單質子強酸。 (d)其結構式如圖10 23 。 (e)是一強氧化劑，其氧化力與溫度、濃度及還原劑的性質有關；一般而言，濃 度愈高氧化力愈強。除了金(Au)、鉑( )Pt 以外，幾乎所有金屬都會被硝酸氧 化。還原半反應如下所示， 3( ) 2 2 2 NO He NO H O 濃 NO3( ) 4H 3e NO 2H O2 稀 (f)常見的反應有 3( ) 3 2 2 2 4HNO 濃 CuCu NO( ) 2NO 2H O 3( ) 3 2 2 8HNO 稀 3Cu3Cu NO( ) 2NO4H O
