物質科學_化學篇(下) 第十章非金屬元素的性質

(1)

物質科學_化學篇(下)

第十章非金屬元素的性質

10-1氫氣 1. 氫

(1) 氫是宇宙中含量最豐的元素，據估計約佔宇宙組成成分的 93.4%，太陽約有 90%的質量是氫，地球上氫原子的數目約為所有原子數目的 15%，但質量卻不到 1%。

(2) 許多物質如水、石油和其它有機物中，均含有氫。生物中，不論植物或動物，氫都是生命中的一種重要元素。

(3) 氫的同位素

名稱元素符號質子數 (電子數)

中子數原子量 (amu)

含量放射性

氫 ¹¹^H 1 0 1.008 99.985% 無氘 1²^H 或 ^D 1 1 2.014 0.015% 有氚 1³^H 或^T 1 2 3.016 10^-17% 有

2. 氫氣的基本性質

(1) H2是一種無色、無味、無臭的氣體，也是最輕的氣體。

(2) 氫氣具有高度可燃性，可和空氣中的氧反應生成水，具爆炸性。因氫氣浮力很大，可用於航空用途，但 1937 年德國興登堡飛船發生爆炸，顯示出氫氣的危險性，現今飛船都以氦氣代替氫氣。

(2)

(3) 基本性質

熔點(℃) -259(14K) 沸點(℃) -253(20K) 密度(克/升，STP 下) 0.0898 鍵長(nm) 0.074 鍵解離能(仟焦耳/莫耳) 436 3. 氫氣的製備

反應方程式

水+烴 ^CH⁴⁽^g⁾ ⁺^H²^O⁽^g⁾ ^^^Ni⁹⁰⁰^^^o^C^→³^H²⁽^g⁾ ⁺^CO⁽^g⁾

) ( 2 ) ( 2 )

( 2 )

(_g H O_g ^Fe²^O³ 3H _g CO _g

CO +  →^∆ +

水+碳 ( ) 2( )

1000 )

( 2 )

( g g

C g

s H O CO H

C + ^∆ô → + (水煤氣) 水+鐵 ³^Fe⁽^s⁾⁺⁴^H²Ô^^∆^{ →}⁶⁵^ô^C ^Fe³Ô⁴⁽^s⁾ ⁺⁴^H²⁽^g⁾

電解水鹼氯工業的副產物：陰極得到氫氣。

) ( 2 ) ( 2 ) ( )

( 2 )

( 2 2

2NaCl_aq + H O_l  → NaOH _aq +H _g +Cl _g 電解純水：²H2O(_l)  → 2H2(_g)+O2(_g)

由酸製得 ^Zn⁽^s⁾⁺²^HCl⁽^aq⁾ ^→^H²⁽^g⁾⁺^ZnCl²⁽^aq⁾

) ( 2 )

( 2 ) ( )

(_s 2HCl_aq H _g FeCl _aq

Fe + → +

) ( 4 )

( 2 ) ( 4 2 )

(_s 2H SO _aq H _g ZnSO _aq

Zn + → +

4. 氫氣的用途

(3)

用途方程式氨的製造哈柏法製氨

3 2

2 3H 2NH

N + ^{高溫高壓,}^催化劑→ 石油產物加

氫作用烯或炔的加成。

C C

H H C C

H

H H

H H₂ (Pt )

植物油的氫

化烯或炔的加成。

C C

H

H H

H

C C

H

H H

H H₂ (Pt or Ni)

甲醇的製造在高溫高壓下，以ZnO/Cr2O3為催化劑。

) ( ) 3

2( )

(_g 2H _g CH OH _g

CO + →

燃料、焊接及

切割氫氧焰、火箭燃料、燃料電池等。

kJ H

O H O

H _g _g 2 _l 571

2 ₂₍ ₎+ ₂₍ ₎ → ₂ ₍₎ ∆ =− 金屬氧化物

的還原強還原劑，如

) ( ) ( 2 ) ( )

(

2 g CuOs H Og Cus

H + → +

其他化學品的製造

5. 氫的非金屬性質：氫的熔點、沸點低，常溫常壓下形成氣體分子，可與

Ⅰ

A及

Ⅱ

^A族化合成鹽狀金屬氫化物，與非金屬類似。²Na(s) +H2(g) →2NaH(s)

6. 氫的類金屬性質：氫離子在水中帶正電，與金屬類似。

(4)

10-2 稀有氣體 1. 惰性氣體

(1) 惰性氣體包含：氦、氖、氬、氪、氙、氡，由英國化學家雷姆塞(W.Ramsey) 在 1894~1898 年間陸續發現的。

(2) 氬的發現

(a) 1892年，英國科學家雷立(L.Rayleigh)進行氮氣密度的測定，他將空氣中的氧氣、二氧化碳、水蒸氣移去後，求出氮氣密度為 1.2561 克/升，而從

所製得氮氣密度則為 1.2498 克/升。

) ( 2 ) ( 2 )

( 2 ) (

3g g g l

) ( 2 3 )

( 2 )

(s g s

2 86 88

6 2

3

4NH + O → N + H O

(b) 雷姆塞認為從空氣取得的氮氣中，應含有較重的未知的氣體，他和雷立進行分離實驗，將鎂帶和空氣中的氮氣進行燃燒反應，反應方程式為

，當氮氣全部耗盡後，仍有少數氣體殘留，經仔細的分離研究後，於 1894 年宣布發現了氬元素。

3Mg +N →Mg N

(3) 其他惰性氣體的發現

(a) 1894年，雷姆塞將鈾礦加熱而分離出氦，1903 年，從鐳的衰變中也測得氦。²²⁶^Ra^→²²²^Rn⁺⁴^He

(b) 1898年，雷姆塞和其同事從液態空氣中，陸續分離出氖、氪、氙等元素。

2. 惰性氣體的性質 (1) 惰性氣體的通性

(a) 惰性氣體位於週期表中的

Ⅷ

A族(18 族)。

(5)

(b) 惰性氣體均具有極安定的電子組態，除了氦為¹ 外，其他元素最外層的電子組態均為。

s2

6 2np ns

(c) 惰性氣體均為無色、無臭、無味的氣體。

(d) 均為單原子分子，分子間引力極微，故熔點、沸點低，但隨原子序增加而增加，不易液化。

(e) 化學性質比氮更不活潑，但仍可與氟或氧等活性大的元素形成化合物，

如XeF2、XeF4、XeF6等。

(2) 物理性質的比較元

素符號

原子序

原子量

密度 (克/升) STP

熔點 (℃)

沸點 (℃)

特點

氦 ^He 2 4.003 0.178 -272.2 -268.9 僅次於氫的最輕氣體

氖 ^Ne 10 20.18 0.900 -248.7 -245.9 紅色霓虹燈光氬 ^Ar 18 39.95 1.78 -189.2 -185.7 空氣中含量僅次於

氮、氧氪 ^Kr 36 83.80 3.70 -156.6 -152.9 藍色燈光氙 ^Xe 54 131.30 5.85 -112 -107.1 藍色燈光氡 ^Rn 86 222.0 9.73 -111 -61.8 放射性氣體

3. 惰性氣體的應用 (1) 氦

(a) 氦的密度很小，僅次於氫的最輕氣體。

(6)

(b) 空氣中含量甚微，但在天然氣中含量多達 2%，是工業用氦氣的重要來源。氦的製備方法，是將天然氣壓縮及冷卻使其液化，因氦是最難液化的氣體，因而可以分離。

(c) 氦因不易燃，用於裝填飛船及氣球，比氫氣更安全。

(d) 潛水夫在深水處，因海水壓力高使過多氣體溶於血液，浮出水面後形成氣泡，造成潛水夫病。由於氦不易溶於血液，因此可用以稀釋氧氣，防止潛水夫症。

(2) 氖：氖氣可由液態空氣分餾時分離製得。在真空放電管中發出紅色光，可用以製造廣告招牌的霓虹燈。

(3) 氬：空氣中有微量存在外，也存在於溫泉和火山噴出的氣體中。化性不活潑，可用以灌充燈泡來保護鎢絲。

(4) 氪和氙：兩者的沸點比氦、氖、氬高，是分餾液態空氣時的最後殘留物。

在真空放電管中發出藍色光，可做探照燈的充填氣體。

(5) 氡：是一種放射性氣體，自然界中幾乎不存在。

10-3 液化空氣 1. 空氣的液化

(1) 將空氣施壓和降溫，可將其液化成液體，即俗稱的液態空氣( liquid air)。

(2) 當空氣進入壓縮機壓縮並冷卻後，再使此壓縮的空氣膨脹，讓空氣的溫度降得更低，如此重複壓縮、冷卻、膨脹的過程，便可使空氣溫度不斷不降，

(7)

而得到液態空氣。

(3) 液化的過程及裝置：

重複操作

降溫急速膨脹

壓縮淨化

2. 液態空氣的性質

(1) 液態空氣外觀像水，呈淡藍色，密度約為 0.91g/ml。

(2) 液態空氣的沸點約為-190℃，是一種極佳的冷劑。

(3) 將橡皮筋放入液態空氣中變得硬而脆，失去彈性。將液態汞放入液態空中會變得似鐵般的堅硬。

(4) 鑽石在空氣中加熱，幾乎是不可燃的，但是在液態空氣中，鑽石的燃燒卻是相當劇烈。

(8)

(5) 液態空氣徐徐蒸發時，氮會先行氣化而分離，氖、氬、氪、氙等稀有氣體等皆可從分餾液態空氣而獲的。

10-4 鹵素 1. 鹵素的性質

(1) 週期表右側第 17 族(

Ⅶ

A族)含有五個元素：氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I) 及砈(At)，合稱為鹵素元素(halogens)。其中砈有放射性，在自然界中存量極少。

(2) 鹵素元素的比較元

素分子

原子序

原子量

價電子組態

原子半徑 (Å)

離子半徑 (Å)

熔點 (℃)

沸點 (℃)

顏色

氟 ^F² 9 19.00 ²^s²²^p⁵ 0.72 1.33 -222 -188 淡黃色氣體氯 ^Cl² 17 35.45 ³^s²³^p⁵ 0.99 1.81 -101 -34 黃綠色

氣體溴 ^Br² 35 79.90 ⁴^s²⁴^p⁵ 1.14 1.96 -7 59 紅棕色

液體碘 ^I² 53 126.9 ⁵^s²⁵^p⁵ 1.33 2.19 114 184 黑紫色

固體

(3) 鹵素的通性

(a) 鹵素均為雙原子分子，以通式表示。 2

X X

(b) 易獲得一個電子而形成安定八隅體組態的陰離子，以通式 ⁻表示。

(c) 鹵素為有色、有毒之物質，化學性質很活潑，活性隨原子序增加而減弱。

氧化力：氟>氯>溴>碘，氟是最活潑的非金屬。

(9)

(d) 與水反應

○¹ 氟與水激烈反應產生氧： 2( ) 2 () ( ) 2( )

2 2 _aq 1 _g

l

g H O HF O

F + → +

○² 氯可溶於水，溴微溶於水，部分起自身氧化還原反應：

O H

Cl₂ + ₂ H⁺ +Cl⁻ +HOCl；^Br2 ⁺^H2^O H⁺ +Br⁻ +HOBr

○³ 碘幾乎不溶於水，但可溶於碘化鈉(或碘化鉀)水溶液中：^I2 ^{+ I}⁻

−

I3

2. 鹵素的存在與製備

元素主要存在 X2的製備氟(F) 氟石( )、冰晶

石( )、氟磷

灰石( )

CaF2 6 3AlF Ca₅( Na

F PO₄)₃

電解^KF 的熔鹽：

) ( 2 ) ( 2 )

( ( )

2HF_l in KF ^電解→ H _g +F _g 氯(Cl) ^Cl⁻(海水)

NaCl(岩鹽) 實驗室中：

) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 )

( 2 )

( 2

4HCl_aq +MnO _s →^∆ MnCl _aq +Cl _g + H O_l 工業上：電解濃食鹽水

) ( )

( 2 ) ( 2 )

( 2 )

( 2 2

2NaCl_aq + H O_l ^電解→ Cl _g +H _g + NaOH _aq 溴(Br) ^Br⁻(海水) 氯氧化溴化物：

) ) (

( 2 )

( ) 2

( 2

2Br⁻ aq +Cl g →Br l + Cl⁻ aq

碘(I)

I−(海水、海藻灰) NaIO3(智利硝石之不純物)

氯氧化碘化物：

) ) (

( 2 ) ( ) 2

( 2

2I⁻ aq +Cl g →I l + Cl⁻ aq

亞硫酸氫鈉還原碘酸鈉：

→

+ ⁻

−

) 3 ( )

3 ( 5

2IO aq HSO aq

) ( ) 2

( )

( 2 4 )

(

2 s 5SO aq 3H aq H O_l

I + ⁻ + ⁺ +

3. 鹵化氫 (1) 比較

(10)

化學式

分子量

熔點 (℃)

沸點 (℃)

X H − 鍵長(Å)

溶解度 (g/100g水)

X

H − 的製造 (鹵化物+酸) HF 20.0 -83 19.5 0.92 ∞ ^CaF² ⁺^H²^SO⁴ ^^→^∆

2HF+CaSO4

HCl 36.5 -115 -84.2 1.27 78 ⁺ ^^→

∆ 4 2SO H NaCl

NaHSO4

HCl+

HBr 80.9 -89 -67.1 1.41 210 ⁺ ^^→

∆ 4 3PO H NaBr

4 2PO NaH HBr+

HI 127.9 -51 -35.1 1.61 234 ⁺ ^^→

∆ 4 3PO H NaI

4 2PO NaH HI+

(2) 鹵化氫的用途

(a) HF：蝕刻玻璃、陶瓷 ^SiO2 ⁺⁴^HF ^→^SiF4 ⁺²^H2^O

2 2

2 3

(b) HCl：

○¹ 製造鹽酸，與金屬產生氫：^Zn⁺²^HCl ^→^ZnCl ⁺^H

○² 與大理石反應產生二氧化碳：^CaCO ⁺²^HCl ^→^CaCl ⁺^H ^O⁺^CO

○³ 其他：製造味精、醬油、溶解鐵鏽、浴廁清潔劑。

4. 鹵素的含氧酸 (1) 比較

氧化數化學式

Cl Br I

中文名稱

+1 ^HClO ^HBrO ^HIO 次鹵酸

+3 HClO2 - - 亞鹵酸

+5 HClO3 HBrO₃ HIO₃ 鹵酸 +7 HClO4 HBrO₄ KIO₄ 過鹵酸

(11)

(2) 酸性大小

(a) 含氧酸愈多，酸性愈強。^HClO4 ^>^HClO3 ^>^HClO2 ^>^HClO

3 3

3

2 3

4

(b) 原子序愈大，酸性愈弱。^HClO ^>^HBrO ^>^HIO ；^HClO^> ^HBrO^> ^HIO (c) 受熱之安定性：^HClO ^>^HClO ^>^HClO ^>^HClO

5. 鹵素的用途

鹵素用途

氟(F) ○¹ 可製冷媒(氟利昂，CCl2F2)。

○² 特夫綸(四氟乙烯)，具抗熱、抗蝕、可用於不沾鍋。

○³ 自來水或牙膏中添加氟離子( 或 )，可降低齒的罹患率。

NaF Na₄(PO₄)F

○⁴ 與U 結合成UF₆氣體，利用擴散分離²³⁵U和²³⁸U。氯(Cl) ○¹ 在酸中穩定，但在鹼中易起自身氧化還原反應

O H ClO Cl

OH

Cl₂ +2 ⁻→^冷 ⁻ + ⁻ + ₂ O H ClO

Cl OH

Cl₂ 6 5 ₃ 3 ₂

3 + ⁻ →^∆ ⁻ + ⁻ +

○² 氯在水中生成的為強氧化劑，具有漂白、殺菌的作用，

水處理也常以氯消除水中的細菌。

HOCl

○³ 製當造有機氯化物，用於溶劑、塑膠、殺蟲劑、醫藥、染料。

○⁴ 與熟石灰作用可製造漂白粉(^Ca(ClO)₂)

溴(Br) ○¹ 製造高級汽油之添加劑二溴乙烷，以及各種農藥。

○² 製造照相底片的感光劑^AgBr。碘(I)

○¹ 可製造醫藥用的碘酒(碘和碘化鉀的酒精溶液)

○² 食鹽中添加少量碘化鈉，可防止因缺碘引起甲狀腺腫。

6. 鹵離子的檢驗

(1) 加形成沉澱，並觀察在及硫代硫酸鈉溶液( )中的溶解情形。

Ag+ NH_{3 aq}₍ ₎ Na₂S₂O₃

(2) 比較結果

(12)

鹵化銀純水中氨水中硫代硫酸鈉溶液中

AgCl(白色) 難溶可溶○¹ 可溶

AgBr(淡黃) 難溶微溶可溶○²

AgI(黃色) 難溶難溶難溶

○¹ AgCl(_s)+2NH3(_aq) → Ag(NH3)2⁺⁽^aq⁾ +Cl⁻⁽^aq⁾

○² ( ) 2 3 2³ ⁽ ⁾ ⁽ ⁾ (Na 當定影劑)

2 3 2 )

(_s 2S O âq Ag(S O ) âq Br âq

AgBr + ⁻ → ⁻ + ⁻ ₂S₂O₃

10-5 氮、磷、硫及其他化合物 1. 硫及其化合物

(1) 硫的加熱變化與同素異形體

斜方硫 95.6℃ 斜方硫彈性硫

加熱

119℃

加熱

445℃

液硫

加熱

硫蒸氣

突冷注入水中

加熱至160℃

成褐色黏稠狀

。

至200℃黏度降低。

冷卻至室溫

斜方硫單斜硫彈性硫

黃色錐狀結晶黃色長針形結晶黃色無定形

S8單元 ^S8單元 ^Sx單元

(13)

(2) 硫的化合物 (a) 硫酸的製備

○¹ 接觸法(現代的，可得 90%以上的硫酸)

) ( 2 )

( 2 )

(s O g SO g

S + →

) ( 3 )

( 2 )

( 2

5 2

12

g O

V g

g O SO

SO +  →

) ( 4 2 ) (

3g H SO aq

SO + H₂S₂O₇₍_aq₎(焦硫酸)

) ( 7 2 2S O aq

H +H₂O₍_l₎→2H₂SO₄₍_aq₎

○² 鉛室法(古法，只能得到 70%的硫酸) S₍_s₎+O₂₍_g₎ →SO₂₍_g₎

2( ) 2( ) 3( )

2

12

g NO

or NO g

g O SO

SO + → SO_{3 g}₍ ₎+H₂O₍_l₎→H₂SO₄₍_aq₎ (b) 硫酸的性質及用途

○¹ 稀硫酸為二質子酸，可與許多金屬產生，如2 2 4 4 2

2

H Zn+H SO →ZnSO +H

○² 熱濃硫酸有強的氧化力，可氧化^Cu、等生成^Zn ^SO 或。 ^S

○³ 高沸點、低揮發性，可與許多鹽類共煮製得有揮發性的酸，如

)

2NaCl(_s +H₂SO₄₍_l₎ →^∆ Na₂SO₄₍_s₎+2HCl₍_g₎ ↑

) (

2NaNO3_s +H₂SO₄₍_l₎→^∆ Na₂SO₄₍_s₎+2HNO₃₍_g₎ ↑

) (

CaF2 s +H₂SO₄₍_l₎ →^∆ CaSO_{4 s}₍₎+2HF₍_g₎ ↑

(14)

○⁴ 脫水性：可當乾燥劑除去水，可使糖脫水成焦碳，使藍色硫酸銅脫水呈白色粉末。

○⁵ 檢驗：加 (氯化鋇溶液)於硫酸鹽溶液中，產生白色硫酸鋇沉澱。

即

− 2

SO4

Ba2

+

Ba2

→ BaSO ↓

+ ⁻

+ 2

SO₄ ₄

3 2

3 4

2 4 2 2

4 2

4 2 4

(c) 硫代硫酸鈉(^Na ^SO ，俗稱海波(hypo)或大蘇打)

○¹ 製備：亞硫酸鈉與元素硫共熱，可得硫代硫酸鈉，^SO ( ) ( ) 2 3² ⁽ ⁾ 2

3 ⁻aq +S s →S O ⁻aq

○² 用途：在攝影術中做為定影劑，用以溶解未感光之溴化銀。

) ( )

( 3 2 3 ) 2

( 2 3 2 )

(s 2S O aq Ag(S O ) aq Br aq

AgBr + ⁻ → ⁻ + ⁻

(d) 硫酸鹽

○¹ 淨水劑：硫酸鋁^Al ^(SO ⁾ ，或明礬^KAl⁽^SO ⁾ ^⋅¹²^H ^O。

○² 添加劑：硫酸鈉^Na ^SO ，造紙添加劑。

○³ 肥料：硫酸銨⁽^NH ⁾ ^SO (e) 硫含氧酸的分子結構

S O

-

S O

O

-

硫代硫酸根

S O

-

O O

S S S

O O

O

-

四硫磺酸根

S O H

O O

OH

硫酸

S O H

O

OH

亞硫酸 2. 氮、磷及其化合物

(1) 氮和磷的比較

氮(N) 磷(P)

(15)

基態電子組態 ^[^He^]²^s²²^p³ ^[^Ne^]³^s²³^p³

分子 ^N² ^P⁴

熔點(℃) -210.0 44.1(白磷) 600(紅磷) 沸點(℃) -195.8 280(白磷) 存在大氣，智利硝石( 3)

3 4 5

NaNO 磷酸鹽岩 2，磷

灰石，

4 3(PO ) Ca

F PO₄)₃

Cl Ca₅( PO ) Ca ( 製備工業上：液化空氣分餾

實驗室：

○¹ ^NH4^Cl^{+ NaNO}2 ^→ 2 2

4 3

O H NaCl

N + +

○² 2NaN3 →2Na+3N2

(汽車安全氣囊的作用)

工業上：

C SiO

PO

Ca ( ) 6 10 2 ₃ ₄ ₂ + ₂ +

→

^∆ 6CaSiO +10CO+P

用途液氮可當冷凍劑

製造、、炸藥、

肥料

NH3 HNO₃

製造、^H 、火柴、

炸藥、煙火、肥料、農藥

10

4O 3 3

P PO

(2) 磷的同素異形體：紅磷和白磷的比較

白磷( ) P4 紅磷( ) ^P4

結構

燃點(℃) 35(易燃、極危險) 400(較安定)

(16)

外觀白色蠟狀物質，表面易轉變成紅磷而變黃，亦稱黃磷。

紅色固體

毒性毒性強，接觸皮膚亦會造成灼傷。

毒性較低

溶解性可溶於醚、二硫化碳等溶劑

不易溶

活性在空氣中自燃，須存放水中。與鹵素生成及

，與活潑金屬生成或^Ca 。

PX3

PX5

P

Na₃ ₃P₂

亦可與鹵素及活潑金屬反應，但反應溫度需更高。

(3) 氮的化合物 (a) 氮的檢驗

○¹ 有些活潑的金屬可和氮反應生成氮化物，例如鎂可和氮反應生成黃色的氮化鎂，其反應方程式為 2(g) (s) 3 2(s)(黃色)

3 2

2

2 2

3Mg Mg N

N + →

○² 氮化鎂遇水即產生氨氣，使濕石蕊試紙呈藍色，故可用鎂檢驗氮氣的存在。

(b) 氮的反應

○¹ 哈柏法：^N ⁺³^H ^^高溫高壓^{ →}^^ ²^NH

○² 奧士華法：4^NH3 +5^O2 →4^NO+6^H2^O

2NO+O →2NO

3NO₂ +H₂O→2HNO₃ +NO (c) 硝酸

○¹ 是一種強酸，實驗室常用的濃硝酸約 70%，相當於 16M 左右。

(17)

○² 是一種強氧化劑，氧化力與溫度、濃度及還原劑的性質有關。銅與稀硝酸產生^NO，與濃硝酸產生 2。

2

NO

(d) 王水：硝酸與鹽酸以體積比 1：3 混合而成的溶液，可溶解金與鉑等貴金屬。Au(s) +4H⁺(aq)+4Cl⁻(aq) +NO3⁻(aq) → AuCl4⁻(aq)+NO(_g)+2H2O(_l)

(e) 亞硝酸：亞硝酸鈉( )可當肉類防腐劑，但在人體中可能致癌，應避免使用。

NaNO

(4) 磷的化合物

(5) 磷的縮合(脫水)

(a) 2H3PO4 →H2O+H4P2O7(焦磷酸) (b) 3H3PO4 →2H2O+H5P3O10(三聚磷酸) (c) nH₃PO₄ →nH₂O+(HPO₃)n(偏磷酸)

(18)

O OH O

H

O

P OH

OH O

P O

OH O

H

O

P O

OH O

P O

OH O

P H

焦磷酸三聚磷酸

10-6 碳與矽 1. 碳與矽的比較

碳(C) 矽(Si)

基態電子組態

2 22 2 ]

[He s p [Ne]3s²3p² 同素異形體金剛石、石墨、碳-60、焦碳、

煤、活性碳、…等

類似金剛石的一種安定晶體結構。

氧化物 ^CO、^CO2 SiO2

(19)

離子

C O

-

O O

-

CO₃²⁻

Si O

-

O

-

O

-

O

-

− 4

鍵能 (kJ/mol)

347 226

存在碳酸鹽礦( 、 )，

大氣( )，有機體(0.01%) CaCO3 MgCO₃ CO2

岩石，沙礫(SiO2)中，黏土用途金剛石：切割

石墨：電極、鉛筆芯碳黑：墨水、輪胎活性碳：除臭、脫色碳纖：複合材料

14C：同位素定年

純矽：半導體

水玻璃( )：黏著、防

水、防火

2

2O xSiO

Na ⋅

碳化矽(^SiC)：金剛砂、砂輪黏土、沸石：離子交換

矽酸鹽類：玻璃、陶瓷、水泥 SiO4

C C−

2. 碳的同素異形體

金剛石石墨 ^C⁶⁰

C C− 鍵結軌域

sp3 sp² sp²

分子形狀立體網狀平面層狀由層狀結合成球面

模型

用途切割、鑽磨 (硬度最大)

電極、鉛筆芯 (可導電)

觸媒、塑膠、奈米材料、…

(20)

3. 碳的氧化物

二氧化碳(CO2) 一氧化碳(CO) 外觀無色、無臭之氣體無色、無臭之氣體

毒性無毒有劇毒(易與紅血球結合)

沸點 -79(昇華) -192

對水溶解度 8.7mL/mL 水難溶製造大理石與鹽酸：

→ + HCl CaCO₃ 2

O H CaCl CO₂ + ₂ + ₂ 灰石強熱分解：

CaO CO

CaCO₃ →^∆ ₂ +

含碳物不完全燃燒：

CO O

C 2

2 + ₂ →

葉綠素分解(自然界) 甲酸脫水：



 →

^conc^.^H²^SO⁴

HCOOH CO+H₂O 4. 矽的應用與純化

(1) 半導體

○¹ ⅤA 族如，較多一個電子，可使矽導電度增加，形成 n 型半導體。 ^P ^Si B Si

○² ⅢA 族如，較少一個電子，可使矽導電度增加，形成 p 型半導體。

(2) 矽的純化

(21)

(a) 矽的的初製造：^SiO2 +²^C→^∆ ^Si⁽純度⁹⁸^%)+²^CO (b) 分離雜質：Si+2Cl2 →^∆ SiCl4(_l) (與雜質分離) (c) 用或、2 予以還原： 4 2

2

2 ) ( 2 2

) ( )

(

2s aq aq

7 2

H Zn Mg SiCl +2Zn→2ZnCl +Si(純度99.9999%以上) 5. 矽的化合物

(1) 二氧化矽(^SiO )：水晶、石英、石英玻璃(耐熱)、光纖的主要成分。

(2) 水玻璃：矽石與氫氧化鈉共熱時，可得到水溶性的矽酸鈉，俗稱水玻璃，

其反應式如下：^xSiO ⁺²^NaOH ^→^Na ^O^⋅^xSiO ⁺^H ^O ^x⁼⁰^.⁵^~⁴

(3) 矽酸鹽：矽酸( )的衍生物。是常見礦物的基本結構。如矽酸鈧

礦含焦矽酸根及橄欖石含矽酸根。

4 4SiO

H SiO₄⁴⁻

M2 7

2O

ScSi Si₂O₇²⁻ SiO₄ (M =Fe,Mg) SiO₄⁴⁻

−

O 2

Si SiO₄⁴⁻ (4) 矽酸脫水的粒狀固體為矽膠( 2 3)。

( )

( ) (

2s s s g

SiO H

(5) 碳化矽俗稱金剛砂，工業上製造碳化矽的方法是將矽石與煤焦共置於電爐中強熱而製得的：SiO )，碳化矽的硬度和鑽石相近，

用來製造砂輪，可供磨光金屬或切割金屬之用。

2 3C →SiC + CO +

補充資料：

(22)

課後練習 10-1氫氣

一. 單一選擇題

1、( A ) 在實驗室欲製備氫氣時，所需試劑的組合，下列何者最適合？ (Ａ)鋅與稀硫酸 (Ｂ)銅與熱濃硫酸 (Ｃ)鋅與稀硝酸 (Ｄ)銅與濃硝酸

2、( C ) 酸性溶液與金屬反應會產生何種氣體？ (Ａ)氧氣 (Ｂ)二氧化碳 (Ｃ) 氫氣 (Ｄ)一氧化氮

3、( D ) 有關氫氣的敘述，下列何者錯誤？ (Ａ)密度最小 (Ｂ)無色、無臭、無

味的氣體 (Ｃ)氫氣容易在空氣中點火爆炸 (Ｄ)氫氣易溶於水

4、( C ) 下列有關氫的性質，何者正確？ (Ａ)氫是活潑的元素 (Ｂ)氫氣(H2)是一種無色、無臭的液體 (Ｃ)其熔點為 260℃ (Ｄ)氫氣具有助燃性 ⁻ 5、( C ) 德國的興登堡曾發生飛船爆炸事件，因此現今的飛船已改用何種氣體

代替氫氣？ (Ａ)氖氣 (Ｂ)氮氣 (Ｃ)氦氣 (Ｄ)氬

6、( B ) 下列何種氣體具可燃性？ (Ａ)氧 (Ｂ)氫 (Ｃ)二氧化碳 (Ｄ)氦

7、( C ) 下列有關氫氣的基本性質之敘述，何者錯誤？ (Ａ)氫氣之密度為

(23)

0.0898(克/升，在 STP 下) (Ｂ)可和空氣中的氧氣反應生成水 (Ｃ)氫氣的沸點為 100℃ (Ｄ)空氣中若含 4%到 74%體積的氫氣時，具有爆炸性 ⁻

8、( D ) 下列有關氫的性質之敘述，何者錯誤？ (Ａ)氫是最輕的元素 (Ｂ)生活

中許多物質如水、石油和其他物質，均含有氫，所以不論動物或植物，

氫都是生命中的一種重要物質 (Ｃ)氫有三種同位素 (Ｄ)氫不是星球的主要組成元素

二. 多重選擇題

9、( BCD ) 下列有關製備氫氣的方法，何者正確？ (Ａ)將液態空氣蒸發 (Ｂ)電解水 (Ｃ)將鋅粒和稀鹽酸反應 (Ｄ)可由天然氣製取 (Ｅ)銅與熱濃硫酸

10、( ACD ) 下列有關氫同位素之敘述，何者正確？ (Ａ)氫有三個同位素 (Ｂ)質量數為 2 的同位數，稱為氘，以符號 T 表示 (Ｃ)質量數為 3 的同位素，

稱為氚，又稱重水 (Ｄ)由於氘、氚具有放射性，可用於生物學領域中 (Ｅ)氚是氫彈的一種重要成分

11、( CE ) 在實驗室中製備氫，可用下列哪些組合最適當？ (Ａ)鋅與稀硝酸

(Ｂ)鉀與稀硝酸 (Ｃ)鋅與稀硫酸 (Ｄ)鉀與稀硫酸 (Ｅ)鋅與稀鹽酸 12、( ABCE ) 下列有關氫的用途，何者正確？ (Ａ)可製造氨 (Ｂ)製造甲醇 (Ｃ)

用來固化植物 (Ｄ)製造硝酸 (Ｅ)植物油的加氫作用 10-2 稀有氣體

一. 單一選擇題

1、( C ) 填裝氣球或飛船之氣體最好使用 (Ａ)氧 (Ｂ)氮 (Ｃ)氦 (Ｄ)氫

2、( B )在放電管中可產生紅光而用以製造霓虹燈的氣體是 (Ａ)氮 (Ｂ)氖 (Ｃ) 氫 (Ｄ)氪

3、( B ) 氖氣在真空放電管中會發出何種顏色的光，所以可用來製造廣告招牌的霓虹燈？ (Ａ)藍色 (Ｂ)紅色 (Ｃ)黃色 (Ｄ)綠色

4、( C ) 下列關於氡的性質何者錯誤？ (Ａ)可與氟化合成 KrF2 (Ｂ)為一放射性氣體 (Ｃ)氪在真空放電管中會發出紅色光輝 (Ｄ)氡的密度為 9.73(克/

升)，在 STP 下

5、( C ) 大氣中惰性氣體含量最高的為 (Ａ)氦 (Ｂ)氖 (Ｃ)氬 (Ｄ)氪

(24)

6、( C ) 下列有關氦氣的敘述，何者錯誤？ (Ａ)氦的密度很小，是無色、無臭、

無味的氣體 (Ｂ)在油井所產的天然氣中含量多達 2%，為工業用氦氣的重要來源 (Ｃ)氦的沸點(−268.9℃)比氪高 (Ｄ)由於氦不溶於血液，呼吸用氦稀釋的氧氣，可防止潛水伕症 −−

7、( A ) 1894年，雷姆塞將鈾礦加熱而分出何種氣體？ (Ａ)氦 (Ｂ)氖 (Ｃ)氬 (Ｄ)氪

8、( D ) 要防止電燈泡燈絲汽化，應使燈泡內 (Ａ)真空 (Ｂ)填充氧氣 (Ｃ)填充空氣 (Ｄ)填充氬氣

9、( A ) 下列何種氣體與氧混合可供潛水者呼吸，以預防潛水夫病？ (Ａ)氦 (Ｂ)氖 (Ｃ)氬 (Ｄ)氪

10、( C ) 下列有關氦的用途，何者正確？ (Ａ)可製霓虹燈 (Ｂ)可裝入白熾燈泡，防止燈絲汽化 (Ｃ)可填充氣球或飛艇的氣囊 (Ｄ)可以沖淡氧，防止氧化過於激烈

二. 多重選擇題

11、( ABCE ) 以下關於惰性氣體的各項敘述中，正確是 (Ａ)現代化學家又稱它們為貴重氣體(noble gas) (Ｂ)惰性氣體是由英國化學家雷姆塞在 1894～

1898年間陸續發現 (Ｃ)在氣態及液態均是單原子分子 (Ｄ)是元素中存在量最少的，又稱稀有元素 (Ｅ)幾乎不與其他元素反應

12、( ACE ) 下列有關英國科學家雷姆塞發現惰性氣體的歷史、由來，何者錯誤？

(Ａ)雷姆塞認為從空氣中取得之氮氣中，仍含有未知的氣體，經過分析研究後，發現了氬 (Ｂ)雷姆塞將鈰(Ce)加熱分解出氦 (Ｃ)1898 年，雷姆塞與同事從液態空氣中陸續分離出氖、氪和氙等元素 (Ｄ)1910 年，

從鈾的衰變產物中發現了氦 (Ｅ)雷姆塞在 1904 年獲得到諾貝爾化學獎

13、( ACD ) 有關惰性氣體的敘述，哪些正確？ (Ａ)氬填充白熾燈泡，可防止鎢絲氧化延長燈泡壽命 (Ｂ)飛船及熱氣球填充氦，是因為氦比氫氣輕 (Ｃ)裝氖氣的真空放電管發出紅色光，因折射率甚低，在濃霧中透光性好，適合當霧燈 (Ｄ)氦是最難液化的氣體 (Ｅ)惰性氣體的化合物至今仍無法合成

物質科學_化學篇(下) 第十章 非金屬元素的性質