第 9 章 非金屬元素的性質

1. 第9章　非金屬元素的性質 • 9-1　氫　氣 • 9-2　稀有氣體 • 9-3　空氣的液化 • 9-4　鹵素及其化合物 • 9-5　氧與硫及其化合物 • 9-6　氮與磷及其化合物 • 9-7　碳與矽及其化合物

2. 圖 9-1　非金屬元素在週期表的位置

3. 熔點(°C) ?260 沸點(°C) ?253 密度（克／升，在STP下） 0.0898 鍵長(nm) 0.074 鍵解離能（千焦耳／莫耳） 436 9-1　氫　氣 • 氫是最輕的元素，分子式為H2，因為氫的分子量小，所以熔點及沸點都很低，在常溫常壓下是一種無色、無味的氣體

4. 氫氣具有可燃性，在空氣中會和氧起劇烈燃燒反應生成水，具有爆炸性氫氣具有可燃性，在空氣中會和氧起劇烈燃燒反應生成水，具有爆炸性 • 氫氣的成本較便宜且浮力很大，不但曾被研究作為航空及軍事用途，也曾拿來灌充氣球，但在1937年，德國的興登堡(Hindenburg)飛船發生爆炸事件，證明了此種用途的危險性，所以現今的飛船或氣球都改用氦來代替氫 • 氫氣的燃燒熱很大，約可產生3000°C的高溫，應用於切割及焊接所用的氫氧焰 • 液態氫可作為火箭的燃料，燃燒產物為水，不至於污染環境

5. (a)興登堡飛船爆炸事件 (b)以不可燃的氦取代氫作為飛船的填充氣體 圖 9-2　氫是最輕的氣體，但其易燃的特性曾經使利用它來填充的飛船發生爆炸，而造成多人的傷亡

6. 氫有三種同位素 • 氕(protium) 含量最多，以符號H表示，質量數為1 • 氘(deuterium)亦叫做重氫，以符號D表示，質量數為2 • 氚(tritium) 以符號T表示，其質量數為3 • 氘、氚具有放射性，可應用於生物學領域中；氘也是氫彈的成分之一

7. 工業上製取氫氣是用鎳金屬(Ni)在高溫高壓下催化天然氣與水蒸氣反應，再將混合氣體通入水蒸氣中，使一氧化碳反應變成二氧化碳，同時釋出氫氣工業上製取氫氣是用鎳金屬(Ni)在高溫高壓下催化天然氣與水蒸氣反應，再將混合氣體通入水蒸氣中，使一氧化碳反應變成二氧化碳，同時釋出氫氣 此氣體產物含有H2及CO2，可經由加壓通過氫氧化鈉而除去二氧化碳，如此便可獲得氫氣

8. 圖 9-3　水的電解 • 高純度的氫氣製備是利用直流電電解水產生，但耗用電力使成本高昂並不適合大量生產

9. 圖 9-4　實驗室中製備氫的裝置 • 在實驗室中製備氫，可利用鋅粉和稀鹽酸反應

10. 活潑金屬如鈉、鉀與水起劇烈反應亦會產生氫氣活潑金屬如鈉、鉀與水起劇烈反應亦會產生氫氣 • 若氫與活潑金屬結合生成離子性氫化物如LiH，將其置入水中亦會產生氫氣

11. 氫氣在工業上的主要用途是利用哈柏法生成氨，也用來將石油產物、不飽和植物油進行加氫作用達飽和化，並製造甲醇、鹽酸等其他化學品氫氣在工業上的主要用途是利用哈柏法生成氨，也用來將石油產物、不飽和植物油進行加氫作用達飽和化，並製造甲醇、鹽酸等其他化學品 • 氫氣也是一種強還原劑，可將金屬氧化物還原成金屬，例如將氫氣通過灼熱氧化銅，即可獲得銅

12. 鐵粉催化 H∣ H∣ H∣ H∣ ∣ H ∣ H

13. 氫燃料電池可說是能源的明日之星，以氫氣為燃料，和氧氣經電化學反應後產生電能，不但發電效益高，且最終副產品只有熱能與純水，將燃料中的化學能直接轉換成為電能，是一種兼顧環保與效率的新興發電工具氫燃料電池可說是能源的明日之星，以氫氣為燃料，和氧氣經電化學反應後產生電能，不但發電效益高，且最終副產品只有熱能與純水，將燃料中的化學能直接轉換成為電能，是一種兼顧環保與效率的新興發電工具

14. 圖 9-5　氫燃料電池構造示意圖

15. 9-2　稀有氣體 • 週期表最右邊的第18族，即氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)，皆為單原子的分子，常溫常壓下為無色、無味的氣體。 • 在自然界中含量甚微，故稱為稀有氣體(rare gas) • 除了氦的電子組態為1s2外，其他元素最外層則為ns2np6，故很難與其他元素反應，所以又稱為惰性氣體(inert gas)或鈍氣

16. 元素 符號 原子序 原子量 沸點(°C) 熔點(°C) 密度（克/升）(STP) 空氣中佔有體積百分率(%) 氦 He 12 4.003 ?268.9 ?272.2 0.178 5.20×10?4 氖 Ne 10 20.18 ?245.9 ?248.7 0.900 1.82×10?3 氬 Ar 18 39.95 ?185.7 ?189.2 1.78 9.34×10?1 氪 Kr 36 83.80 ?152.9 ?156.6 3.70 1.14×10?3 氙 Xe 54 131.3 ?107.1 ?112 5.85 8.7×10?4 氡* Rn 86 222.0 ?61.8 ?71 9.73 ? • 稀有氣體的物理性質 註：*表示放射性氣體。

17. 圖 9-6　拉姆塞 • 這些元素是由英國化學家拉姆塞在1894～1898年間陸續發現的

18. 氦的密度很小，為僅次於氫氣的最輕氣體 • 在空氣中含量甚微，但在油井所產天然氣中含量多達2%，所以氦的製備方法，是將天然氣壓縮及冷卻，使其液化，但因氦是最難液化的氣體，因而可以分離 • 氦因不易燃，用於裝填飛船及氣球，比氫氣更安全 • 由於氦不溶於血液，人們於深海潛水為防止潛水夫症，可以呼吸用氦稀釋的氧氣

19. 圖 9-7　氖常用以製造廣告招牌的霓虹燈 • 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

20. 圖 9-8　填充氬氣的燈泡可以延長使用的壽命 • 氬氣除存在於空氣中外，亦發現於溫泉和火山噴出的氣體中，是大氣中含量最多、也是工業上使用最多的惰性氣體。氬可用以灌充燈泡來保護鎢絲，也用於精密金屬熔接，避免金屬氧化

21. 圖 9-9　裝了氙的探照燈 • 氪和氙的沸點比氦、氖、氬高，是分餾液態空氣時的最後殘留物。氪、氙在真空放電管中發出藍色光輝，可用做探照燈的充填氣體

22. 由於稀有氣體化合物的合成，改變了以往認為稀有氣體不可能生成化合物的觀點由於稀有氣體化合物的合成，改變了以往認為稀有氣體不可能生成化合物的觀點 圖 9-10　氙與氟在400°C反應生成的穩定化合物XeF4

23. 9-3　空氣的液化 • 將空氣施加壓力和降低溫度，可使其液化成液體，俗稱液態空氣(liquid air) • 液態空氣外觀像水，呈極淡的藍色，密度約為每毫升0.91克，可儲存於特製的杜瓦瓶(Dewar flask)中 • 液態空氣的主要成分是氧與氮當液態空氣徐徐蒸發時，氮會先行氣化而分離。氖、氬、氪、氙等稀有氣體等亦可從液態空氣分餾獲得；但是氦則由天然氣分離而得，因天然氣一般含2～3%氦氣 • 液態空氣具有許多特異的性質，例如將彈性佳的橡皮圈放入液態空氣中會變得失去彈性，硬脆而易斷裂

24. 圖 9-11　可盛裝液態空氣的杜瓦瓶

25. 9-4　鹵素及其化合物 • 在週期表右側的第17族（VIIA族）含有五個元素：氟(F, fluorine)、氯(Cl, chlorine)、溴(Br, bromine)、碘(I, iodine)及(At, astatine)，合稱鹵族元素或鹵素(halogens) • 最外層有7個價電子，具ns2np5的電子組態，易接受1個電子形成穩定八隅體組態的陰離子，如F?、Cl?、Br?、I?，因此很容易和金屬元素反應生成鹽類 • 化性活潑，活性則依原子序增加而減弱

26. 在自然界之鹵素元素以雙原子分子形式存在，如F2、Cl2、Br2、I2，常以X2表示，砈為放射性元素，在自然界中不存在在自然界之鹵素元素以雙原子分子形式存在，如F2、Cl2、Br2、I2，常以X2表示，砈為放射性元素，在自然界中不存在 • 鹵素都具有毒性，氯曾在戰場上作為化學毒劑 • 鹵素原子半徑隨原子序之增加而增大，而分子間作用力、熔點、沸點亦隨原子序增加而增大，因此在常溫下，氟與氯為氣體，溴則為常溫下唯一的液態非金屬，碘則為固體

27. 圖 9-12　鹵素的蒸氣顏色（由左至右為碘、氯、溴）

28. 元素 性質 氟 氯 溴 碘 室溫時外觀 淡黃色氣體 黃綠色氣體 暗紅色液體 紫黑色固體 分子式 F2 Cl2 Br2 I2 原子序 9 17 35 53 熔點(°C) ?200 ?101 ?7 114 沸點(°C) ?188 ?34 59 184 原子半徑(Å) 0.71 0.99 1.14 1.33 離子半徑(Å) 1.36 1.81 1.95 2.16 化學性質 最活潑 很活潑 活潑 較不活潑 氧化力 最強 很強 強 較弱 • 鹵素的特性

29. 9-4-1　氟 • 氟是最強的氧化劑，僅能經由電解製備，但氟化氫不易導電，且電解氟化氫水溶液會獲得氧無法獲得氟，故需經由電解熔鹽（含氟化鉀(KF)）中的氟化氫製得

30. 圖 9-13　氟化氫蝕刻的玻璃 • 氟有多種化合物，氟化氫HF為有毒氣體，其水溶液稱為氫氟酸，雖是一種弱酸，但能腐蝕玻璃，可用以鏤刻玻璃

31. 氟氯碳化物(chlorofluorocarbons)，俗稱氟氯烷(freon)，曾被廣泛用作冷媒，但氟氯烷在大氣中會分解出氯原子而破壞臭氧層，故多改用氫氟碳化物取代氟氯碳化物(chlorofluorocarbons)，俗稱氟氯烷(freon)，曾被廣泛用作冷媒，但氟氯烷在大氣中會分解出氯原子而破壞臭氧層，故多改用氫氟碳化物取代 • 高分子的氟碳化合物如聚四氟乙烯，俗稱特夫綸(teflon)，可作為強抗蝕性的實驗器具、亦可作為廚具不沾鍋的塗層物 • 在公共給水或在牙膏中添加微量的氟化物，可以防止齲齒

32. 9-4-2　氯 • 氯是一種具刺激性臭味的氣體，在實驗室中可利用二氧化錳和鹽酸反應製取氯 • 工業上由電解濃食鹽水在陽極得到氯

33. 鹵類在有機化學中應用普遍，氯可用來製造有機氯化物，例如氯乙烯(CH2CHCl)。氯乙烯是塑膠原料，可進行聚合反應生成聚氯乙烯（簡稱PVC）鹵類在有機化學中應用普遍，氯可用來製造有機氯化物，例如氯乙烯(CH2CHCl)。氯乙烯是塑膠原料，可進行聚合反應生成聚氯乙烯（簡稱PVC） • 氯可用作造紙與紡織的漂白劑 • 淨水處理時也常添加適量的氯來消毒殺菌

34. 圖 9-14　游泳池水中常加氯以消毒

35. 實驗室中將氯化鈉和濃硫酸反應，可得氯化氫氣體實驗室中將氯化鈉和濃硫酸反應，可得氯化氫氣體 • 氯化氫的水溶液即氫氯酸，俗稱鹽酸，是常用的強酸，可作為金屬表面清潔劑、廁所洗潔劑，在食品工業上製造味精、醬油。工業用鹽酸常因溶有少量氯化鐵而呈淡黃色

36. 將氯氣通入冷水中可產生自身氧化還原反應生成次氯酸HOCl。次氯酸是弱酸卻是強氧化劑，可作漂白用將氯氣通入冷水中可產生自身氧化還原反應生成次氯酸HOCl。次氯酸是弱酸卻是強氧化劑，可作漂白用 • 氯酸鉀(KClO3)是製造炸藥的原料，在實驗室裡常將氯酸鉀與二氧化錳催化劑共熱以製造氧氣

37. 9-4-3　溴 • 工業上製溴是將海水中的溴離子以氯氧化而得 • 溴的化合物中，溴化銀（AgBr，黃色）是照相感光劑的主要原料。感光的溴化銀發生還原反應成為銀原子沉積在軟片上，未感光的溴化銀則在暗房內用硫代硫酸鈉溶液做定影劑而將其溶洗，其反應式為

38. 圖 9-15　軟片上塗有溴化銀

39. 圖 9-16　碘遇熱昇華 9-4-4　碘 • 碘在室溫下為紫黑色固體，遇熱時會昇華

40. 在食鹽中添加少量的碘酸鉀(KIO3)，可預防罹患甲狀腺腫在食鹽中添加少量的碘酸鉀(KIO3)，可預防罹患甲狀腺腫 • 碘的同位素131I，可用於核子醫學方面，研究肝臟、腎臟等的病變與治療 • 碘與澱粉溶液反應會呈現藍色，因此碘可作為澱粉溶液的檢測劑

41. 圖 9-17　澱粉溶液用碘檢驗呈藍色

42. 溶液中的Cl?、Br?、I?可藉硝酸銀溶液檢驗，分別形成AgCl（白色）、AgBr（黃色）、AgI（黃色）等沉澱溶液中的Cl?、Br?、I?可藉硝酸銀溶液檢驗，分別形成AgCl（白色）、AgBr（黃色）、AgI（黃色）等沉澱 圖 9-18　鹵化銀沉澱

43. 9-5　氧與硫及其化合物 • 氧(O, oxygen)與硫(S, sulfur)是在週期表右側的第16族（VIA族）元素，它們的最外層有6個價電子，具ns2np4的價電子組態，易形成負二價陰離子

44. 圖 9-19　氧與硫在週期表的位置

45. 　　　　　元素 性質 氧 硫 室溫時外觀 無色氣體 黃色固體 分子式 O2 S8 原子序 8 16 熔點(C) ?218.8 112.8（斜方）、119.0（單斜） 沸點(C) ?183.0 444.6 原子半徑(Å) 0.73 1.27 • 氧與硫的性質

46. 9-5-1　氧 • 氧是地殼含量最多的元素，約佔地殼重量的50% • 在常溫常壓下，氧是無色、無臭、無味的氣體，以O2分子形式存在，佔空氣重量約23%（體積約21%），密度比空氣稍大 • 氧氣在水中的溶解度不大，於20°C、1 atm時約30 mL/L，許多水中生物依賴此少量的氧而得以生存

47. 氧的化學性質活潑，可以和許多元素形成氧化物，一般而言，非金屬氧化物溶於水呈酸性，例如二氧化硫溶於水中生成亞硫酸氧的化學性質活潑，可以和許多元素形成氧化物，一般而言，非金屬氧化物溶於水呈酸性，例如二氧化硫溶於水中生成亞硫酸 • 鹼金族、鹼土金族的氧化物溶於水呈鹼性，例如氧化鈉溶於水中生成氫氧化鈉 • 氧的用途非常廣泛，例如動物呼吸、燃料燃燒、有機廢物的分解、製造化學品（如甲醇、硝酸）等。

48. 臭氧(O3, ozone)是氧氣的同素異形體(allotrope)，將氧氣施以高電壓或照射紫外線，就可生成臭氧 • 臭氧呈淡藍色、具高毒性、有特殊臭味，是非常強的氧化劑，其用途可作為消毒劑、殺菌劑、棉花及織物的漂白劑，或應用在飲用水質淨化及廢水、廢氣處理等

49. 9-5-2　硫 • 硫在地球上的分布很廣，常以元素狀態存在。硫在常溫下為安定的固體，有多種同素異形體，本節僅介紹其中最重要的三種：斜方硫(rhombic sulfur)、單斜硫(monoclinic sulfur)與彈性硫(plastic sulfur)

50. (a)斜方硫 (b)單斜硫 (c)彈性硫 圖 9-20　硫的三種同素異形體