/
/
/
/
/
 

  以原子結構為基礎所建立的現代週期表,可幫助我們系統化地探討各元素的性質,而使化學研究更有條理。週期表上的元素一般分為金屬、非金屬及半金屬(或類金屬)等三類。金屬具金屬光澤且富延展性,而非金屬則無,半金屬的性質介於兩者之間。室溫時,除了汞外,金屬元素均為固體。然而大部分的非金屬元素呈氣態,小部分為固態的非金屬通常具有硬而脆的性質,溴是唯一在室溫時為液態的非金屬。半金屬因在較高溫或加入某些元素時,會有較好的導電性,故可當半導體的材料。高一基礎化學曾提及氧氣、氮氣和惰性氣體均為空氣的成分,本章將介紹常見的非金屬元素,說明元素及一些化合物的性質、製備和用途,下一章則介紹金屬元素及其重要化合物。

第一節 氫氣
top

﹡氫氣的性質

氫是原子序最小的元素

1. 氫的原子核只有一個質子,電子組態為 1s1

2. 因為第一層軌域只有 1s 軌域,且 1s 軌域最多只能容納兩個電子,所以氫可以失去一個電子變成 H+,或得到一個電子成為 H,而與氦的電子組態 1s2 相同

氫的性質和週期表各元素不同,但是常被置於

1. 第 1 族:因為和鹼金族同,亦失去一個電子

2. 第 17 族:因為和鹵素同,亦得到一個電子

﹡氫氣的性質

1. 氫氣是雙原子分子,無色、無臭、無味且難溶於水,熔點 -259.1℃,沸點 - 252.5℃

2. 在空氣中安定,常溫時和氟可直接反應,產生氟化氫,和氧混合要有電弧的幫助才會化合成水。

氫氣的製備
實驗室製氫(少量):鋅和稀鹽酸(稀硫酸)作用。 因氫難溶於水,所以用排水集氣法收集。

﹡氫氣的製備
工業製氫(大量):甲烷和水蒸氣在高溫下作用;或水蒸氣和灼熱的煤焦作用。

﹡氫的原子序最小,為無色、無臭、無味的雙原子分子氣體。實驗室中常以鋅和稀酸作用而得。其用途除了當哈柏法製氨的原料外,亦可用於氫氧焰,和作為冶金時的還原劑,此外,亦可當燃料使用。

第二節 惰性氣體
top

﹡拉姆賽發現惰性氣體--氦、氖、氬、氪、和氡。惰性氣體雖不活潑,但部分仍可與活性較大的物質作用,如與氟形成四氟化等。

﹡惰性氣體的性質
惰性氣體均為單原子分子,因外層軌域都填滿電子,所以十分穩定,熔點和沸點都很低(但仍可和活性很高的物質作用)。

﹡惰性氣體的製備
氖、氬、氪、氙等可由空氣中獲得、將空氣液化後,利用沸點不同予以分餾。氦的沸點甚低且含量甚微,較難由空氣中製得,但有些油井所生產天然氣中含有氦氣,可將天然氣壓縮並冷卻,此時天然氣已液化,而氦仍是氣體,故可分離之。

﹡惰性氣體的用途

1. 氦氣不易燃,可以充裝飛船或升空氣球。

2. 氦在血液中濃度很低,如果深海潛水伕用氦氣稀釋的氧氣代替空氣,則不易患潛水伕病。

3. 因為沸點低,所以做實驗室用冷卻劑。

4. 氖氣在放電管中可放射紅光,用於製造霓虹燈,又因紅光的折射率低,能透過濃霧,當船或飛機在遠方時即可看到。

5. 氬氣在高溫時不和鎢絲作用,可填充燈泡,以延長其壽命。

第三節 鹵素及其化合物
top

﹡鹵素包含氟、氯、溴、碘和等元素,容易得到電子,而形成一價的陰離子。重要的鹵素化合物有鹵化氫、鹵素的含氧酸等。

鹵素的性質

1. 元素態的鹵素為雙原子分子。

2. 室溫時,氟和氯分別為淡黃色和黃綠色的氣體,溴為深棕色液體,碘為紫黑色固體。

3. 因為鹵素的電子組態只需一個電子即可變成穩定的鈍氣組態,所以容易得到 1 個電子形成鈍氣組態。

4. 鹵素的化性很強,容易和其他的元素形成各種鹵化物。

鹵素的製備
氟可由電解 KHF2 製得

氯可由濃食鹽水或是熔融的氯化鈉製備,濃食鹽水電解反應如下:

亦可以在稀硫酸中加入過錳酸鉀氧化食鹽製備

鹵素的用途

1.製備氟的化合物,如分離鈾同位素六氟化鈾
2.製成特夫綸的四氟乙烯單體
3.抗熱,抗蝕,低附著性
4.當冷媒的氟氯碳烷(氟利昂)

1.工業上最重要的鹵素
2.用於製造含氯的有機物
3.造紙紡織時的漂白劑
4.自來水的消毒劑

1.汽油添加劑(1,2-二溴乙烷)
2.照相感光(溴化銀)

1.製備含碘添加劑(碘化鈉,碘化鉀)
2.因碘是製造甲狀腺的要素,缺碘會引起甲狀腺腫

第四節 硫及其化合物
top

﹡週期表第 16 族(Ⅵ A 族)包括氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)和釙(Po)等五元素,其最外層的電子組態均為 ns2 np4n 等於 2 6),若獲得兩個電子,則可達成鈍氣組態,因此常形成負二價離子,或形成兩個共價鍵。

﹡硫常以硫礦形式存於地下,若是埋於較深的地下則以弗拉許法開採

弗拉許法:藉由打入過熱的水和熱空氣,將硫熔化並壓昇至地面的方法。

﹡硫為週期表第 16 族(ⅥA族)的元素,最大用途為製造硫酸和當橡膠的填加劑。重要的含硫化合物有二氧化硫和硫酸等。

﹡常溫時硫以安定的斜方硫形式存在
斜方硫是黃色,無味的固體。硫還有兩種同素異形體,若斜方硫緩慢加熱至 95.6℃,會變成單斜硫,亦是黃色,無味的固體(和斜方硫都是 S8 結構)。

﹡硫的化合物
造成酸雨的主要物質是二氧化硫
二氧化硫有毒;具刺激性氣味;溶於水生成亞硫酸;硫在空氣中燃燒;時也會產生三氧化硫。
因為產生三氧化硫的活化能較大,所以若要產生較多的三氧化硫要加入催化劑。

﹡硫酸是工業上最重要的無機酸
1. 黏稠性透明液體。
2. 熔點 10.5℃,比重在 18℃時為 1.834
3. 實驗室常用硫酸濃度為 98%(18 M)
4. 濃硫酸稀釋時放熱甚多,所以稀釋時要把濃硫酸加入水中,若把水加入濃硫酸中,會造成危險,因為產生的熱量不及散出,硫酸會噴出。

接觸法製硫酸:將硫燃燒成二氧化硫,在高溫及催化劑的作用下繼續氧化為三氧化硫,以硫酸吸收可得焦硫酸,稀釋可得硫酸。

第五節 氮、磷及其化合物
top

﹡氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)和鉍(Bi)為週期表第 15 族(V A族)的元素,最外層的電子組態為 ns2 np3n 等於 26),若能得到三個電子,可成為鈍氣組態,但是氮、磷除了與活性較大的金屬形成如 Na3N 等化合物外,含有負三價陰離子的化合物並不多見。

﹡本族的非金屬元素常與其他物質形成共價化合物,其氧化數隨鍵結原子的數目和種類不同,而有 -3+5 的變化。

﹡氮為空氣中最主要的成分,氮的化合物也是生物體中的重要物質,例如蛋白質中約有 17% 的氮。

﹡氮氣較不活潑,最大的用途為製造氨。常見的含氮化合物有氨、硝酸、硝酸鹽等。磷的用途則為製造磷肥和磷酸。重要的含磷化合物有磷化氫、三鹵化磷、五鹵化磷、十氧化四磷和磷酸等。

﹡氮氣為無色、無臭、無味的雙原子分子,分子中的兩個氮原子以參鍵組合,所以很穩定。熔點 -209.9℃,沸點 -195.8℃,標準狀態下,密度為 1.256 克/升。

﹡工業上製氮:利用液態空氣中氮氣沸點與其他成分不同,而加以分餾分離。實驗室製氮氣:亞硝酸鈉+氯化銨;排水集氣法。

﹡氮的循環:氮氣轉化為含氮化合物,進入土壤或動、植物體中,再藉由微生物分解產生氮氣,而回到大氣中。

﹡液態氮:高壓及低溫下,氮氣可轉變為液體,液態氮可當低溫的冷媒。

﹡氮的化合物

1. 氮的氧化物最主要為 NO NO2

2. 主要來源為汽機車的內燃機,內燃機的溫度越高,越容易產生氮的氧化物。

3. 排出的一氧化氮會和氧氣產生二氧化氮。

4. 二氧化氮是紅棕色、有刺激性的氣體,對呼吸道有不良影響。

﹡氮的含氧酸
硝酸:無色、有刺激性氣味,熔點為 -42℃,沸點為 86℃,比重 1.502
硝酸製法。
早期:硝酸鉀加硫酸加熱

目前工業製氨採用奧士華法(Ostwald process)
奧士華法:氨與氧在觸媒的催化下生成一氧化氮,再繼續氧化為二氧化碳,最後與水作用而得硝酸

﹡氮的化合物

1. 硝酸最大的用途是做氮肥。

2. 亞硝酸為弱酸,不安定

3. 將等體積的一氧化氮和二氧化氮結合,通入鹼性溶液中,可以製造亞硝酸鹽。

4. 亞硝酸鹽曾被用作肉類防腐劑,但因為致癌,所以已經禁用。

擁有兩種常見的同素異形體
白磷:不穩定(需存放在水中)。
紅磷:較穩定。
自然界中,磷以磷酸鹽型態存在。
將磷礦在高溫中反應可得磷。

第六節 碳、矽及其化合物
top

﹡碳和矽為 14 族(ⅣA族)的元素。因碳-碳鍵的鍵能較大,可與氫、氧及其他元素形成數量極多的化合物。碳的同素異形體有金剛石、石墨和碳 -60 等。常見的含碳無機化合物有一氧化碳、二氧化碳、碳酸、碳酸鹽等。矽較安定,主要用途為製造半導體。

﹡矽的化合物有石英和矽酸鹽等。石英為三度空間的網狀固體,而矽酸鹽包含直鏈形結構的石綿和平面結構的雲母等。

﹡碳的化合物
碳的氧化物
一氧化碳:氧氣不足下燃燒
二氧化碳
碳酸
碳酸鹽
一氧化碳

﹡矽
矽以矽化合物的型態存在岩石、沙礫、土壤中,其含量僅小於氧
元素矽為灰色固體
熔點為 1410℃
其結構為三度空間,因此相當硬

﹡矽的化合物
矽酸鹽:為矽酸的衍生物,種類很多,可以分為單獨陰離子基團,直鏈型和平面型等。

 
top