物質科學_化學篇(下) 第十一章金屬元素的性質

(1)

物質科學_化學篇(下)

第十一章金屬元素的性質

11-1鹼金屬元素及其化合物 1. 鹼金屬元素

(1) 鹼金屬又稱鹼金族，包含、、、、^Cs、等六種金屬，其中為放射性元素，半生期很短，不易得到。

Li Na K Rb Fr

Fr

Li Na K Rb

(2) 一般性質：

鋰( ) 鈉( ) 鉀( ) 銣( ) 銫(^Cs) 傾向

原子序 3 11 19 37 55 遞增

電子組態 ^2s¹ ^3s¹ ^4s¹ ^5s¹ ^6s¹ 均為 ^ns¹ 原子半徑 0.152 0.186 0.227 0.248 0.265 遞增離子半徑 0.059 0.099 0.138 0.149 0.170 遞增熔點℃ 180.54 97.81 63.65 39.05 28.4 遞減沸點℃ 1347 883.0 773.9 687.9 678.5 遞減密度 0.534 0.971 0.862 1.532 1.873 不規律焰色紅色黃色紫色深紅色藍色

活性小大遞增

(3) 鹼金屬的價電子組態為，容易失去一個價電子而帶+1 價，均為強還原劑，化性活潑，與許多非金屬直接化合，所以在自然界中不以元素形態存

ns1

(2)

在，而以化合態存在。

(4) 目前均以電解法製備金屬。

(5) 鹼金屬容易與空氣、水反應，因此一般常保存於煤油中。

(6) 鋰：

(g) 最輕的金屬，密度為水的一半。

(h) 在自然界中是存在於鋰鋁矽酸鹽礦中。

(i) 電解氯化鋰熔液，可在陰極獲得鋰金屬。

(j) 鋰可用來製造電池，鋰電池不僅質量輕，且能提供較高的電壓。

(7) 鈉：

(g) 電解熔融的氯化鈉可獲得鈉金屬，鈉金屬質軟，可用小刀切割，切面呈銀白色。

(h) 鈉可用來製造鈉燈，用於霧中照明。

(8) 鉀：

(g) 鉀的活性比鈉活潑，置於水中能產生氫，反應劇烈時會冒出火花。

(h) 鋰、鈉、鉀的燃燒焰色分別呈紅色、黃色及紫色。

(9) 鹼金屬化合物的鍵結

(g) 鹼金屬化合物的鍵結主要為離子鍵。

(h) 大部分的鋰化合物之鍵結具有某種程度的共價性。例如氯化鋰( )、過氯酸鋰( )等，均可溶於乙醇、丙酮等有機溶劑中。

LiCl

LiClO4

2. 鹼金屬元素的化合物

(3)

(1) 鹼金屬與氧作用生成氧化物，例如：^Li2^O(白色)、 2 2(黃色)、^KO2(黃色)

2

2 2 2 2

O Na

(2) 氧化物溶於水呈鹼性反應：，反應先產生

，然後會迅速分解產生^O ，並且釋出大量的熱，過氧化鈉和硫粉的混合粉末，加入幾滴水後，硫粉將被氧化而猛烈燃燒，生成二氧化硫。

2 2 2

2

2O 2H O 2NaOH H O

Na + → +

O

H H O

(3) 鹼金屬元素之化合物 (g) 氯化鈉

○¹ 粗鹽：蒸發海水，即得粗鹽，因含有少量氯化鎂及氯化鈣，故有苦味且易潮解。

○² 精鹽：粗鹽溶於水中，加入碳酸鈉，則氯化鎂及氯化鈣變成不溶性之碳酸鎂及碳酸鈣，過濾去除後，加熱蒸發即得精鹽。

) ( )

( 3 )

( 3 2 ) (

2 _aq Na CO _aq MgCO _s 2NaCl_aq

MgCl + → +

) ( )

( 3 )

( 3 2 ) (

2_aq Na CO _aq CaCO _s 2NaCl _aq

CaCl + → +

○³ 用途：精製過的食鹽，可供家用調味及保藏食物，食鹽常加碘化鉀，以防甲狀腺缺乏對症狀。

(h) 氫氧化鈉

○¹ 電解氯化鈉之濃溶液，陰極可得氫氣及氫氧化鈉，陽極則產生氯氣。

○² 氫氧化鈉是工業上及實驗室重要的化學藥品，為白色固體，具強腐蝕性。

○³ 極易溶於水，其水溶液具滑膩感，呈強鹼性。

○⁴ 氫氧化鈉在空氣中極易潮解，並吸收二氧化碳成為碳酸鈉：

) ( 2 ) ( 3 2 )

( 2 )

2NaOH(_s +CO _g →Na CO _aq +H O_l

(4)

○⁵ 用途：實驗室常用的強鹼試劑；肥皂、紙漿、人造絲及煉鋁工業。

(i) 碳酸鈉( 2 3俗稱蘇打、洗濯鹼)

4 3

2 3

2 2 3

2 2 3 2 2

3

CO Na

○¹ 可用索耳未法(Solvay's process)製備。將二氧化碳及氨通入飽和食鹽水中，先製得碳酸氫鈉，續將碳酸氫鈉強熱，放出二氧化碳及水而生成碳酸鈉。

Cl NH NaHCO

NaCl O

H NH

CO + + + → + (CO 由^CaCO 加熱分解而來)

3 2 2

2

2NaHCO3 →^∆ CO +H O+Na CO

○² 碳酸鈉與酸作用可生成^CO ：^Na ^CO ⁺²^H⁺ ^→²^Na⁺ ⁺^CO ⁺^H ^O

○³ 碳酸鈉為白色粉末，易溶於水。溶於水因水解而呈鹼性，但無氫氧化鈉的腐蝕性。

○⁴ 用途：供洗濯使用；作為硬水的軟化劑；可作為造紙、玻璃、清潔劑的原料。

(j) 碳酸氫鈉(^NaHCO 俗稱焙用鹼或小蘇打)

○¹ 白色粉末，可溶於水，溶解度較小於碳酸鈉。

○² 水溶液呈鹼性，但其鹼性較碳酸鈉水溶液弱。

○³ 可與酸反應產生^CO2：HCO₃⁻ +H⁺ →CO₂ +H₂O。

○⁴ 用途：可作為胃酸制酸劑；與酒石酸氫鉀混合成烘焙粉，俗稱焙用鹼；

碳酸氫鈉與硫酸可製成酸鹼滅火劑。

(k) 硝酸鉀(^KNO 俗稱硝石)

○¹ ^KNO 為自然界礦物，直接開採。

(5)

○² 人工合成法是將智利硝石( )與氯化鉀之濃溶液煮沸，因氯化鈉在高溫時的溶解度較小，先從沸水中析出，冷卻濾液，再析出。

NaNO3

3

2 2 2

3 8

3 2

2

KNO

○³ 硝酸鉀為無色、易溶於水的晶體。

○⁴ 硝酸鉀為強之氧化劑，強熱產生分解反應，先分解出及氧，再分解出、及。

KNO2

O N K O

○⁵ 用途：火藥與煙火( 亦有類似性質)，黑色火藥組成 75%硝酸鉀 ( )、15%木炭、10%硫磺( )。

KClO3

KNO S

(l) 碳酸鉀(^K ^CO 俗稱草鹼)

○¹ 一般草木灰中約含有 10%K CO .

○² 電解濃^KCl溶液中所得之^KOH 溶液中，通入適當的^CO 。

○³ 用途：含碳酸鉀的草木灰可作為洗濯之用；鉀為製造肥皂、玻璃、氫氧化鉀等的原料；製造鉀肥。

(4) 一些鹼金屬化合物的用途

(6)

Be Mg Ca Sr Ba Ra

Be Mg Sr Ba

2s2 3s² 4s² 5s² 6s²

11-2 鹼土金屬元素及其化合物 1. 鹼土金屬元素

(1) 鹼土金屬位於週期表之第二行，又稱鹼土族。因其具有高熱不熔且不易分散的「土」性質，故稱「鹼土金屬」。

(2) 包括鈹( )、鎂( )、鈣( )、鍶( )、鋇( )、鐳( )六種，其中鐳具有放射性。

(3) 鹼土金屬的化合物具有較強的離子鍵，故熔點極高，其氧化物溶於水呈鹼性。

2. 鹼土金屬元素的一般性質及製取 (1) 鹼土金屬元素的一般性質

鈹( ) 鎂( ) 鈣(^Ca) 鍶( ) 鋇( ) 傾向

原子序 4 12 20 38 56 遞增

電子組態均為 ²

原子半徑 0.111 0.160 0.197 0.215 0.222 遞增離子半徑 0.027 0.070 0.100 0.113 0.136 遞增熔點℃ 1278 648.8 839 769 729 不規律沸點℃ 2970 1090 1484 1384 1637 不規律 ns

(7)

密度 1.85 1.74 1.55 2.54 3.60 不規律焰色無色無色紅橙色深紅色綠色

活性小大遞增

氧化電位小大遞增

(2) 鹼土金屬價電子組態均為^ns²，因此化合物氧化數均為+2。

(3) 鹼土金屬因化性活潑，在自然界中並無元素狀態存在，均以化合物狀態存在，其中鈣、鎂的蘊藏量相當大(鈣佔 3.4%，鎂佔 1.9%)。

(4) 鹼土金屬的提煉與鹼金屬相似，礦石先以處理，使其轉變成氯化物，

再電解熔融的氯化物。

HCl

(5) 鈹的性質

(g) 鈹的離子半徑小，電荷密度高，其鍵結具有共價性。

(h) 寶石的成分中含鈹，如綠柱石，成分為矽酸鈹鋁。

(i) 大部分鈹的化合物具有極強的毒性，甚至可能導致癌症。

(6) 鎂的性質

(a) 鎂的質輕且密度低，常用來製造合金，如鋁鎂合金。

(b) 海水是提煉鎂的主要來源，鎂離子先和氫氧化鈣反應，生成氫氧化鎂沉澱物，再析出沉澱物並與鹽酸反應氯化鎂，最後電解氯化鎂即可獲得鎂。

(j) 鎂的化性活潑，即使在二氧化碳中亦能燃燒。²^Mg⁽^s⁾⁺^CO²⁽^g⁾ ^→²^MgO⁽^s⁾⁺^C⁽^s⁾ (c) 鎂粉與氯酸鉀的混合物可作閃光燈的原料。

(8)

(7) 鈣的性質

(a) 鈣在地殼中含量甚豐，佔第五位，許多生物的骨骼、貝殼、珊瑚等均含有鈣。

(b) 大部分的鈣金屬是由氧化鈣還原而得的。

(c) 鈣在水中可反應產生氫氣，鎂則不能。^Ca(s) +2H2O(l) →Ca(OH)2(aq) +H2(g)

(8) 鍶、鋇、鐳的性質

(a) 鍶、鋇、鐳在自然界中含量極微。

(b) 鍶的同位素⁹⁰^Sr具放射性，正核分裂的產物，對骨頭的傷害力很大。

(c) 鋇的化學性質活潑，可和空氣反應，因此必須存於石油中(或真空室內)。

(d) 鐳非常稀少，幾乎僅附存於鈾礦中，鐳的半生期為 1590 年。

(9) 同週期鹼金屬與鹼土金屬的比較

比較性質原因

原子半徑與離子半徑核電荷ⅡA 較大，故半徑較小活性 ⅠA 價電子只有 1 個，較易失去氯化物之離子性 ⅠA 較易轉移電子，形成離子化

合物

氧化物或氫氧化物鹼性 ⅠA 化合物較具離子性，在水中易解離

ⅠA>ⅡA

化合物對水溶解度 ⅠA 化合物離子性較強

ⅡA>ⅠA 熔點、沸點、昇華熱、

硬度 ⅡA 金屬鍵較強

(9)

焰色複雜性 ⅡA 具有較多的價電子，激發之後產生的光譜較複雜

3. 鹼土金屬元素的化合物 (1) 氧化鎂(^MgO俗稱苦土)

(a) 鎂在氧中燃燒：²^Mg⁺^O2 ^→²^MgO

2 3

4

2 2

4 4

2 3

2 4

3

(b) 煅燒菱鎂礦：^MgCO ^^→^∆ ^MgO⁺^CO

(c) 氧化鎂為白色粉末，略能溶於水而成弱鹼性之氫氧化鎂，醫藥上可作為強制酸劑，中和胃酸過多的症狀。

(d) 氧化鎂熔點很高，達 2800℃，耐火性極強，常用以製造坩鍋、耐火磚及電爐襯裡。

(2) 硫酸鎂(MgSO )

(a) 硫酸鎂是存在於自然界中之一種鹽礦。

(b) 加硫酸於菱鎂礦可製得硫酸鎂：^MgCO ⁺^H ^SO ^→^MgSO ⁺^H ^O⁺^CO

(c) 含 7 個結晶水的硫酸鎂為無色晶體，俗稱瀉鹽( )，醫藥上作為瀉劑。

O H MgSO ⋅7

(d) 工業上用於鞣皮及染色。

(3) 碳酸鈣(^CaCO )

(a) 碳酸鈣是灰石、大理石的主要成分，自然界存量甚多。

(b) 自然界中鐘乳石及石筍就是由於水中含碳酸氫鈣，受熱時水分揮發而析

(10)

出的碳酸鈣沉積而成。 Ca(HCO3)2(_aq) →^∆ CaCO₃₍_s₎ +CO₂ +H₂O

(c) 碳酸鈣幾不溶於純水，但遇二氧化碳時則可產生可溶性之碳酸氫鈣。

O H CO

CaCO₃₍_s₎+ ₂ + ₂ Ca(HCO₃)₂₍_aq₎

(4) 氧化鈣(^CaO俗稱生石灰，簡稱石灰)

(a) 工業上將灰石強熱而得氧化鈣^CaCO3(s) →^∆ CaO(s) +CO2(g)

(b) 加水則發熱變為氫氧化鈣，俗稱熟石灰^CaO(s)⁺^H2^O(l) ^→^Ca⁽^OH⁾2 ⁺^heat

2

4

2 4

2 2 4

(c) 熟石灰容易吸收空氣中的二氧化碳而又變回碳酸鈣

) ( 2 ) ( 3 )

( 2 ) (

)2

(OH _aq CO _g CaCO _s H O_l

Ca + → +

(d) 氧化鈣與煤焦在電爐中強熱產生碳化鈣(電石)，是製造乙炔的重要原料。

CO CaC

C

CaO+3 ³⁰⁰⁰ →^? ₂ +

(e) 氧化鈣與氯氣反應可製漂白粉：^CaO⁺^Cl ^→^Ca⁽^OCl⁾^Cl (f) 索耳未法中產生的^NH4^Cl再與^Ca 反應可製氨。

CaCl₂

→

)2

(OH O H₂

3 +2 NH OH

Ca Cl

NH₄ ( )₂ 2

2 + +

(5) 硫酸鈣(^CaSO )

(a) 自然界中存在的硫酸鈣俗稱石膏(^MgSO ^⋅²^H ^O)，為半透明纖維狀之晶體。

(b) 石膏加熱至 125℃則失去部分結晶水，變成熟石膏(⁽^{MgSO )} ^⋅^H ^O)。

(c) 熟石膏之特性為可與水化合再變成石膏，產生硬化現象，且硬化時體積略為膨脹，故可用以製模、塑像及外科接骨之繃紮材料等。

(d) 石膏加熱至 200℃以上時，則完全失去結晶水而成無水硫酸鈣，不具熟石灰之硬化性，可用以製造粉筆。

(6) 鹼土金屬化合物的一般用途

(11)

11-3鋁、錫、鉛及其化合物 1. 鋁、錫、鉛的性質及製取

(1)

鋁( ) ^Al 錫( ) ^Sn 鉛( ) ^Pb

原子序 13 50 82

電子組態 ³^s²³^p¹ ⁴^d¹⁰⁵^s²⁵^p² ⁴^f¹⁴⁵^d¹⁰⁶^s²⁶^p²

原子半徑 0.143 0.141 0.175

離子半徑 0.053 0.093 0.118

熔點℃ 660.37 232 327

沸點℃ 2467 2623 1751

密度 2.698 5.77(灰錫)

7.29(白錫) 11.34 氧化數 +3 +2，+4(安定) +2(安定)，+4 (2) 鋁

(12)

(a) 鋁在地殼中存量僅次氧及矽(7.5%)。

(b) 鋁為強還原劑，在自然界中不以元素態存在，主要以+3 價之化合物存在。

(c) 主要的鋁礦有鋁礬土(Âl2Ô3^⋅^xH2Ô)、冰晶石(NaAlF6)。

(d) 製備：

Al₂O₃ • x H₂O NaOH Fe₂O₃

Al₂O₃

NaAl(OH)

4

Na₃AlF₆

CO₂ 濾除不溶性雜質

+

Al(OH)₃ Al

(e) 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，

並加入冰晶石助熔劑以降低熔點。

(f) 鋁富延展性，為電、熱良導體，可製導線。

(g) 鋁為銀白色、質軟且比重小的輕金屬(為鐵的¹₃)，鋁合金常用於航空工業。

(h) 鋁在空氣中易氧化生成氧化鋁(Al2O3)薄膜，但此薄膜具保護作用，可保

(13)

護內部不再氧化，常用作建材，如鋁門窗。

(i) 鋁的價電子組態為³ ，易形成。而的水合能很大足以克服三個電子的游離能總和，故金屬鋁仍為強還劑。

1 23 p

s Al³⁺ Al³⁺

(j) 鋁為兩性元素，可溶於強酸與強鹼： 3 ( ) 2( ) )

) (

( 6 2 3

2Als + H⁺aq → Al ⁺aq + H _g

) ( ) 2

4 ( ) 2

) (

( 2 6 2 ( ) 3

2Als + OH⁻aq + H O→ Al OH ⁻ aq + H _g

(k) 鋁化合物的鍵結具相當強之共價性，如氯化鋁( )不像一般離子化合物具高熔點與高沸點，在 178℃昇華。其分子不似離子固體無限延伸：

6 2Cl Al

Al Cl

Cl

Cl Al

Cl

(3) 錫

(a) 以錫石(SnO2)方式存在，以焦碳為還原劑還原錫石。

C→^∆ Sn CO SnO₂ +2 +2

(b) 熔點不高，易於陶鑄加工，為史前已知之金屬，青銅器即為銅、錫合金。

(c) 具有二價及四價氧化態，四價較安定，故二價化合物可作為還原劑。

(d) 氧化數愈高，其共價性愈強，故四價化合物具較大程度共價性。

(e) 鍍錫鐵板(俗稱馬口鐵)可防鏽。(錫為隔絕氧與鐵接觸) (4) 鉛

(a) 存在於方鉛礦，將方鉛礦煅燒生成，再以焦碳還原製得

； PbS

2PbO

PbO

Pb+

Pb

2

2 2

3

2PbS+ O →^∆ + SO PbO+C→ CO

(b) 鉛熔點不高，易於陶鑄加工，為史前已知之元素，古埃及時代即已使用

(14)

鉛為貨幣。

(c) 具有二價及四價氧化態，二價較安定，故四價化合物可作為氧化劑。

(d) 鉛在空氣中氧化，生成鹼式碳酸鉛^[ ，此層可保護內部不再腐蝕。

] )

(OH PbCO Pb ₂ ⋅ ₃

3 2

2 2 4

(e) 防腐蝕材料、抗幅射鉛板、合金、鉛蓄電池等。

2. 鋁、錫、鉛的化合物 (1) 鋁的化合物

(a) 氧化鋁(礬土)存在於剛玉、剛石粉、紅寶石、藍寶石等。

○¹ 人造寶石：^Al ^O 強熱熔化添加少量過渡金屬氧化物經養晶過程製得。

○² 氧化鋁是兩性化合物，可溶於強酸與強鹼。

) ( ) 2

( 3 )

) ( ( 3

2O s 6H aq 2Al aq 3H O_l

Al + ⁺ → ⁺ + Al2O3(s)+2OH⁻(aq) +3H2O(l) →2Al(OH)4⁻(aq)

○³ 可用於製作飾品及鐘錶或各式機械的軸承等。

(b) 氫氧化鋁

○¹ 加氨水於鋁鹽之溶液即可得其白色沉澱。 ⁺ ⁺ ⁻ ^→ 3() ^↓

3 3OH Al(OH) _s

Al

○² 為兩性氫氧化物，可溶於強酸與強鹼 )3

(OH Al

) (OH Al

) ( ) 2

( 3 )

) ( (

3s +3H⁺ aq → Al ⁺ aq +3H O_l

) 4 ( )

) ( (

3s +OH⁻ aq →2Al(OH) ⁻ aq

○³ 氫氧化鋁能膠結水中懸浮物質並使其沉澱，故用作淨水劑。

○⁴ 氫氧化鋁能吸附色質或其化合，使其固著於棉紗纖維，故用作媒染劑。

(c) 明礬[^KAl⁽^SO ⁾ ^⋅¹²^H ^O十二水合硫酸鋁鉀，簡稱鉀礬]

(15)

○¹ 由硫酸鋁與硫酸鉀溶液適量混合而製成的，是一種複鹽。

○² 礬：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之複鹽，

具^M⁺¹^M⁺³⁽^SO4⁾2^⋅¹²^H2^O通式，統稱礬。

2

2 2

4

) ( 4 )

( 2 ) (

2s g l

4 4

2 3 4

PbO

2

2 2 2

3

(2) 錫的化合物

(a) 氯化亞錫(氯化錫(Ⅱ)，SnCl )

○¹ 將錫溶於濃鹽酸中，再蒸發其溶液，即可得無色針狀結晶的^SnCl ^⋅²^H ^O。

○² 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^[ 的白色沉澱，若加少量的鹽酸可防其水解。

] ) (OH Cl Sn

○³ 氯化亞錫為強還原劑，例如能使氯化汞還原成氯化亞汞；能使氯化鐵還原成氯化亞鐵；能使過錳酸鉀、二鉻酸鉀之酸性溶液褪色。

(b) 氯化錫(SnCl )

○¹ 通過量的氯氣於氯化亞錫溶液中即可得：^SnCl ⁺^Cl ^→^SnCl

○² 室溫下為無色發煙之液體。

○³ 軍事煙幕彈：蒸氣與氨水及水氣混合，即生成氫氧化錫及氯化銨之

微粒而呈濃煙狀。反應式如下：。

SnCl4

Cl NH OH

Sn O H NH

SnCl +4 +4 → ( ) +4

(3) 鉛的化合物

(a) 一氧化鉛( 俗稱密陀僧)

○¹ 鉛在空氣中燃燒：²^Pb⁺^O ^→²^PbO

○² 加熱硝酸鉛：²^Pb⁽^NO ⁾ ^^→^∆ ²^PbO⁺⁴^NO ⁺^O

○³ 為淡黃色結晶粉末，為兩性之氧化物，用於玻璃、琺瑯、釉藥及其化鉛化

(16)

物。

(b) 四氧化三鉛( 3 4俗稱鉛丹)

2

2 2 3 2

3 4

3

4

4 2 4 4

4 2

2 3

O Pb

○¹ 一氧化鉛在空氣中加熱至 500℃而得。

○² 為鮮紅粉末，可視為^PbO ^⋅²^PbO之複合物。

○³ 與油類相混合塗於鐵器上可防止生鏽。

(c) 二氧化鉛(PbO )

○¹ 由四氧化三鉛與硝酸作用可得。^Pb ^O ⁺⁴^HNO ^→^PbO ⁺²^Pb⁽^NO ⁾ ⁺²^H ^O

○² 二氧化鉛為棕色粉末，是兩性氧化物，加熱則產生氧氣，為氧化劑。

○³ 可製造鉛蓄電池之陰極極板，鉛蓄電池之放電半反應如下：

陽極：^Pbs ⁺^SO ⁻(aq) ^→^PbSO₄₍s₎⁺2^e⁻

2 4 ) (

陰極： ( ) 4() 2 () 2

) 4 ) (

(

2s 4H aq SO aq 2e PbSO _s 2H O_l

PbO + ⁺ + ⁻ + ⁻ → +

(d) 鉻酸鉛(^PbCrO 俗稱鉻黃)

○¹ 將鉻酸鉀與鉛鹽作用製得。^K ^CrO ⁺^PbSO ^→^PbCrO ⁺^K ^SO

○² 為黃色粉末，是重要的黃色顏料如馬路上的黃線即是由含有鉻黃的塗料畫成的。

(e) 鉛白^[²^PbCO ^⋅^Pb⁽^OH⁾ ^]

○¹ 鉛白為白色粉末，是一種典型的白色顏料。

(4) 常見含鋁、錫、鉛化合物的用途

(17)

11-4 過渡元素及其化合物 1. 過渡元素的性質

(1) 過渡元素

(a) 週期表中第 3~12 族(B 族)為過渡元素

(18)

(b) 均為金屬元素，最外層的及電子參與化學反應，價軌域為及

。

ns (n−1)d ns

d n 1) ( −

(c) 第四週期的 10 個過渡元素，因軌域已經半滿或全滿，電子填入³ 軌域中。

s

4 d

(d) 過渡元素所形成的離子或化合物通常具有顏色。

(e) 內過渡元素：鑭系及錒系元素其價電子填入及⁵ 軌域，屬於第六週期及第七週期，其化合物亦多呈顯著顏色。

f

4 f

(2) 第一列過渡元素的性質

(a) 電、熱導性：過渡元素均為金屬元素，具有金屬光澤，均為電、熱良導

(19)

體。

(b) 熔點和沸點：第一列過渡元素除鋅外均具有高熔點與沸點，鋅的³ 軌域已填滿電子，價電子較不自由，金屬鍵較其他過渡金屬弱，故其熔點及沸點稍低。

d

(c) 氧化數過渡元素除鈧與鋅外都具有多種氧化態，如錳有+2，+3，+4，+6，

+7 等氧化數。

(d) 化性：第一列過渡元素的化性沒有規律性，但其中鐵、鈷、鎳化性相似，

均屬ⅧB 族。

○¹ 活性較鐵高的鉻在空氣中，因鉻表面先生成一層很薄的氧化膜，此薄膜可保護內部的鉻不與空氣接觸，使鉻反而不易生鏽。

○² 銅是第一列過渡元素最穩定的金屬，能以元素態存在於自然礦物中。

(e) 顏色

○¹ 過渡金屬具有未填滿的^d軌域，其化合物及離子水溶液大部分具有顏色。

○² 若^d軌域無電子(如^Sc³⁺、^Ti⁴⁺)或軌域填滿電子(如^d ^Zn²⁺、^Cd²⁺、^Hg²⁺、^Cu⁺、

(20)

Ag+)其水溶液就沒有顏色。

TiO

(f) 氧化物的酸鹼性：氧化數增加時，某些元素氧化物的鹼性降低而酸性增加，例如

氧化物鹼性兩性酸性

鉻的氧化物 ^CrO ^Cr²^O³ ^CrO³

氧化數 +2 +3 +6

氧化物鹼性兩性酸性

錳的氧化物 ^MnO ^Mn²^O³ ^MnO² ^MnO³ ^Mn²^O⁷

氧化數 +2 +3 +4 +6 +7

2. 過渡元素的化合物

(1) 二氧化鈦(^TiO2俗稱鈦白)

4 2

2

5 2

5

2 2

(a) 將^TiCl 在 700℃與氧氣共熱，即可獲得^TiO 。

(b) 二氧化鈦俗稱鈦白，可用於白色塗料，由於價廉且無毒性，因此取代了鉛白而廣被使用。

(c) 的晶體具高折射率，可作為寶石。

(2) 五氧化二釩(^V O ) (a) 可由天然釩礦製備。

(b) 人工合成方式可灼燒釩酸銨或釩酸亞汞，而製得較純的^V ^O 。

(c) V ^O 最主要的用途就是在接觸法製硫酸時，作為催化劑，可將^SO 轉變成

(21)

SO3

NH4

2CrO

。 (3) 鉻的化合物

(a) 三氧化二鉻( 2 3俗稱鉻綠)

2 3 2 3

4 2

7 2 2

O Cr

○¹ 將氫氧化鉻加熱，可製得三氧化二鉻。²^Cr⁽ÔH⁾ ^^→^∆ ^CrÔ ⁺³^H Ô

○² 將二鉻銨^[(NH4⁾2Cr2O7^]加熱，即可得鉻綠，其反應式為

3 2 )

(

7 s Cr O

O →^∆ ₍ ₎ ₂ ₍ ₎ ₂₍ ₎

2

2 4

)

( Cr _s + H O_g +N _g

○³ 三氧化二鉻為墨綠色不溶性粉末，性質極安定，可作綠色顏料。

(b) 鉻酸鉀(K CrO )

○¹ 鉻酸鉀為黃色化合物，雖然含有+6 價的鉻，卻不適合當氧化劑。

○² 在鹼性液中可當作沉澱劑，可和一些金屬陽離子形成沉澱物，如鉻酸鋇、

鉻酸鉛等。

○³ 在硝酸銀滴定氯離子的過程中，鉻酸鉀可作指示劑，當磚紅色的鉻酸銀出現時，即達滴定終點。

(c) 重鉻酸鉀(K Cr O )

○¹ 重鉻酸鉀為橘色化合物，是一個極好的氧化劑，在酸性溶液中，可將碘離子氧化成碘，亦可將^Fe²⁺氧化成^Fe³⁺。

○² 鉻酸鉀與重鉻酸鉀的水溶液可藉調整^pH 而互相轉換，其反應式為

) ( )

( 2

4 ⁻aq(黃色)+2H⁺ aq ( ) ₂ ₍₎

2 7

2O aq H Ol

Cr ⁻ (橙色)+

依勒沙特列原理可判斷，在酸性溶液時應以橙色的存在，而在鹼性溶液中應以黃色的^CrO 存在。

− 2 7 2O Cr

− 2 4

(22)

CrO₄^2- Cr₂O₇^2-

Cr³⁺

Cr(OH)_3(g) Cr(OH)₄^-

Cr₂O₃(綠)

H⁺ OH^-

H⁺ OH^- H⁺

OH^-

(黃) (橙)

(綠) (綠)

(綠)

兩性氫氧化物

Fe²⁺

Br^- H₂S C₂O₄^2- H₂O₂

I^- Cl^- SO₂ H₂O₂

在酸性溶液中在

鹼性溶液中

(4) 錳的化合物

(a) 二氧化錳( ₂)

2 2

2 3

4

6 4

MnO

○¹ 在實驗室將硝酸亞錳加熱可製得二氧化錳^Mn⁽^NO ⁾ ^^→^∆ ^MnO ⁺²^NO

○² 二氧化錳常為氧化劑，可用於製氯、溴、碘，及製造火柴。

○³ 作為製陶瓷器及玻璃之著色劑。

○⁴ 製電池時之去極劑 (b) 過錳酸鉀

○¹ 過錳酸鉀( )為黑紫色有光澤晶體，物溶於水，其溶液呈過錳酸根離子之美麗紫色。

KMnO

○² 為強氧化劑，過錳酸鉀在化學分析中常當作亞鐵鹽、草酸等的定量試劑。

○³ 醫藥上亦常用作為消毒劑。

○⁴ 過錳酸鉀的氧化力隨溶液之酸鹼條件不同而異。

(5) 鐵的化合物

(a) 亞鐵氰化鉀(^K ^[^Fe⁽^CN⁾ ^]，俗稱黃血鹽)

(23)

○¹ ^K4[^Fe(^CN)6]⋅3^H2^O為黃色晶體，易溶於水，生成亞鐵氰離子Fe(CN)₆⁴⁻。

○² 亞鐵氰離子遇鐵鹽(^Fe³⁺)則生成深藍色沉澱Fe4[Fe(CN)6]3稱為普魯士藍。

4 Fe³⁺ + 3[Fe(CN)₆]^4- Fe₄[Fe(CN)₆]_3(s) 鐵離子亞鐵氰離子亞鐵氰化鐵

○³ 普魯士藍為貴重藍色顏料。

(b) 鐵氰化鉀(^K3^[^Fe⁽^CN⁾6^]，俗稱赤血鹽)

3 6 4

○¹ 為不含結晶水之赤色晶體，可溶於水中，生成鐵氰離子Fe(CN)6³⁻。

○² 鐵氰離子遇亞鐵鹽( )亦可生成深藍色沉澱，早期被稱為滕氏藍 ( )，但目前己認定普魯士藍與滕氏藍完全相同，均為

。

+

Fe2

2 6 3[Fe(CN) ] Fe

] ) ( [Fe CN Fe

○³ 先將還原成，而本身則氧化成，然後再生成

沉澱。

+

Fe2 Fe(CN)₆³⁻

] ) (CN Fe

− 4

)6

(CN

Fe Fe³⁺

[ Fe

○⁴ ^Fe²⁺與^Fe³⁺的檢驗

+

Fe2 Fe³⁺

加^NaOH或氨水 Fe(OH)2白色沉澱 ^Fe^(OH⁾3紅褐色沉澱加黃血鹽

] ) (

[ ₆

4 Fe CN

K

無沉澱反應深藍色沉澱(普魯士藍)

加赤血鹽 ] ) (

[ ₆

3 Fe CN

K

深藍色沉澱(普魯士藍) 無沉澱反應

加硫氫化鉀^KSCN 無變化血紅色溶液(FeSCN²⁺)

(6) 鈷的化合物

(24)

(a) 鈷的化合物也有兩種常見的價數，+2 及+3，+2 價的化合物比較安定，

例如氯化亞鈷(^CoCl2^⋅⁶^H2^O)。

2

) ( 3 2

2 s

4

(b) 鈷有很強的磁性，鈷合金常被用作馬達的磁性裝置。

(7) 鎳的化合物

(a) 鎳的化合物以硫化物、氧化物、矽酸鹽為主。

(b) 大部分的鎳經提煉後，主要用途是合金(alloy)。

(c) 鎳化合物以+2 價者最為安定，而^Ni²⁺非常不容易變成^Ni³⁺。 (8) 銅的化合物

(a) 銅的化合物也有兩種價數，+1 及+2 價，+1 價者為亞銅化合物，例如氧化亞(^Cu ^O)，+2 價者為銅化合物，例如氧化銅(^CuO)。+2 價較安定。

(b) 銅在潮濕的空氣中，會產生銅綠(^Cu ⁽^OH⁾ ^CO ，鹼式碳酸銅)。

(9) 鋅的化合物

(a) 鋅的化合物只有一種+2 價氧化數，例如氧化鋅( )、硫化鋅( )、

硫酸鋅( )等。

ZnO ZnS

ZnSO

(b) 常見鋅化合物的用途：

化合物用途

氧化鋅橡膠的加強劑、顏料、化粧品、飲食的添加劑、

影印機的光電導體。

硫化鋅 X光及電視螢幕的感光劑、顏料、發光塗料硫酸鋅製造人造絲、動物飼料、木材防腐劑

(25)

11-5 合金的性質與應用 1. 合金

(1) 兩種以上不同元素(其中至少有一種是金屬)，依某種比例合成的金屬物質，叫做合金。

(2) 合金的組成元素通常以金屬為主，但非金屬和金屬元素也可以組成合金，

例如鋼為含少量碳的鐵合金。

2. 合金的性質

(1) 當金屬元素形成合金時，許多性質如硬度、強度、韌性及電阻等會因而增高。

(2) 常見的合金及性質如下：

名稱組成性質

黃銅 ^Cu⁺^Zn⁽²⁰^%) 延展性為純銅的 1.3 倍

青銅 ^Cu⁺^Sn 硬度增加

不鏽鋼 ^Fe⁺^Cr⁽¹⁸^%)⁺^Ni⁽⁸^%) 耐腐蝕、不生鏽

3. 重要金屬之合金

(1) 鋁合金：只要在鋁中加入少量錳，就可增加其強度，若繼續摻入少量銅、

鋅和鎂，即成為一種輕鋁合金，稱為堅鋁。

(2) 鐵合金

(a) 鐵為地殼中存量僅次於鋁之金屬，其主要之礦石有磁鐵礦(Fe3O4)、赤

(26)

鐵礦( )、褐鐵礦( )及菱鐵礦( )，至於黃鐵礦( ) 並不適合煉鐵。

3 2O

Fe Fe₂O₃⋅3H₂O FeCO₃ FeS₂

(b) 鐵的冶煉：採用鼓風爐

○¹ 原料：鐵礦(各式氧化鐵)、煤焦(作燃料及還原劑)、高溫空氣(使煤焦燃燒發生高溫，同時產生一氧化碳使氧化鐵還原。)、熔劑(使礦石中的雜質能熔成液體流出)

○² 由鼓風爐煉得的鐵為鑄鐵，又稱生鐵，約 2~4.5%的碳及少量之矽、錳、

磷、硫等，熔點約為 1200℃，鑄鐵質硬而脆，用途極受限制，一般僅能鑄造鐵器。

○³ 將鑄鐵中之硫、磷及矽以熱空氣氧化除去，並調整碳之含量，即成為鋼。

○⁴ 軟鋼為一種低碳鋼，其含碳量在 0.2%以下，富延展性，可製造鐵絲、鐵釘等。

○⁵ 中碳鋼含碳 0.2~0.6%，用於製造鐵軌、鋼樑及其他結構材料。

○⁶ 硬鋼為一種高碳鋼，含碳 0.6~1.5%，用於製造剃刀、鑽頭及外科器械等。

○⁷ 在熔化之鋼中加入少量之他種金屬(或非金屬)即能改良其性質，使適合於特殊用途，此種鋼料稱為特殊鋼。

名稱組成% 性質用途

高速鋼 ^W=18；^Cr=4；^V =1 熱至紅熱，亦不失去其硬性

高速工具及鑽孔器等

不鏽鋼 ^Cr=18； =8 ^Ni 耐腐蝕，不生鏽刃物，裝飾邊條等

(27)

耐酸鋼 ^Si=13.5~14.5

堅硬，有耐酸性酸導管，酸容器

(3) 銅合金

(a) 銅僅少數以元素態存在，主要之礦石為赤銅礦( ) 、輝銅礦(^Cu )、

黃銅礦(^CuFeS )及藍銅礦[ ]等。

O

Cu₂ ₂S

2 (CuCO3)2 ⋅Cu(OH)2

(b) 銅的冶煉

○¹ 以元素銅礦製取，只將礦石磨碎，用水洗去泥沙，然後加入熔劑共置爐中熱之，銅即熔化分出。

○² 以氧化銅或碳酸銅與煤焦共置於鼓風爐中加熱，銅即還原析出。

○³ 輝銅礦或黃銅礦因含銅較少，以浮選法濃縮後，再進行冶煉。

○⁴ 先將礦石壓碎研細，置入含有泡沫的油水中，泡沫吸附礦粉而浮於液面，岩石碎粒則沉於底部，除去岩石後，將泡沫乾燥烘烤，選出含銅量豐富的礦粉進行鍛燒，將硫化銅轉變成銅。

) ( 2 )

( )

( 2 ) (

2S _l O _g 2Cu _l SO _g

Cu + →^∆ +

○⁵ 將上述鍛燒所得之粗銅再以電解法純化，即可得到純銅。電解時以粗銅為陽極，薄純銅為陰極，以硫酸銅和少量硫酸為電解液。

○⁶ 銅的主要合金

名稱組成% 性質用途

黃銅銅 67%，鋅 33% 黃色，易熔，不生鏽，

強度比銅小，易於加工

製槍砲彈之銅殼及用具、機械等

青銅銅 88~96%，錫赤褐色，硬度大，適於鑄造

製器具、貨幣、獎牌及鑄銅像

(28)

12~4

白銅銅 55%，鋅 25%，

鎳 20%

銀白色，質堅硬，電阻甚大。

製電阻箱、電熱器及裝飾用、輔幣

(4) 金的合金

○¹ 開金(K 金)是金和銅的合金。純金為 24K 金，而 18K 金即表示含 75%金及 25%銅。

○² K 金除應用於戒指、項鏈等裝飾品，亦應用於製作鋼筆。

(5) 鈦合金

○¹ 鈦也是輕金屬，但熔點(1660℃)卻遠高於鋁，強度也比鋁高得多。

○² 鈦合金是一種重要的工業及建築材料，現代高速飛機的機身，以及火箭和太空船等都廣泛使用鈦合金。

補充：

(29)

課後練習：

11-1鹼金屬元素及其化合物一. 單一選擇題

1、( D ) 碳酸氫鈉分解時，哪一元素被氧化？ (Ａ)碳 (Ｂ)氫 (Ｃ)鈉 (Ｄ)無

2、( D ) 下列有關鈉與水反應之敘述，何者錯誤？ (Ａ)鈉為還原劑 (Ｂ)水為氧

化劑 (Ｃ)鈉被氧化 (Ｄ)氧被還原 (Ｅ)氫被還原

3、( C ) 工業上之鈉係以 (Ａ)電解 NaCl 水溶液 (Ｂ)以還原劑還原 NaOH (Ｃ) 電解熔融之 NaCl (Ｄ)Na2CO3中之鈉以其他金屬原子取代

4、( D ) 金屬之通性，下列敘述何者錯誤？ (Ａ)導電導熱性佳 (Ｂ)延展性佳 (Ｃ)具有光澤 (Ｄ)金屬活性愈佳的，導電性愈強

5、( B ) 下列有關於鹼金屬各元素的敘述何者錯誤？ (Ａ)游離能隨原子序增加而減小 (Ｂ)熔點隨原子序增加而增高 (Ｃ)均易失去一個電子成為 M⁺陽

物質科學_化學篇(下) 第十一章 金屬元素的性質