第 10 章 金屬元素的性質

1. 第10章　金屬元素的性質 • 10-1　鹼金屬及其化合物 • 10-2　鹼土金屬及其化合物 • 10-3　鋁、錫、鉛及其化合物 • 10-4　過渡金屬及其化合物 • 10-5　合　金

2. 10-1　鹼金屬及其化合物 • 鹼金屬位於週期表左邊第一行，又稱為鹼金族，包括鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)、(Fr)等六種金屬，其中為放射性物質，半生期很短，不易得到。由於鹼金族元素的氧化物溶於水中呈鹼性，故該族稱為鹼金屬

3. 圖 10-1　鹼金屬在週期表的位置

4. 　　　　　元素 性質 鋰(Li) 鈉(Na) 鉀(K) 銣(Rb) 銫(Cs) 原子序 3 11 19 37 55 基態價電子組態 2s1 3s1 4s1 5s1 6s1 原子半徑(Å) 1.52 1.86 2.27 2.48 2.65 離子半徑(Å) 0.59 0.99 1.38 1.49 1.70 熔點(C) 180.54 97.81 63.65 39.05 28.44 沸點(C) 1347 883.0 773.9 687.9 678.5 密度*(g/cm3) 0.534 0.971 0.862 1.532 1.873 焰色 紅色 黃色 紫色 深紅色 藍色 • 鹼金屬的一般性質 *表中密度為於20°C下的量測值。

5. 鹼金屬的價電子組態為ns1，容易失去一個價電子而帶+1電荷，因此各元素均為極強的還原劑鹼金屬的價電子組態為ns1，容易失去一個價電子而帶+1電荷，因此各元素均為極強的還原劑 • 鹼金屬化性活潑，可與許多非金屬直接化合，在自然界中不以元素形態存在 • 鹼金屬容易與空氣、水反應，因此一般常保存於石油中 • 目前均以電解法提煉鹼金屬

6. 鹼金屬化合物的鍵結主要為離子鍵。但大部分的鋰化合物之鍵結有某種程度的共價性，如氯化鋰(LiCl)，過氯酸鋰(LiClO4)等，均可溶於乙醇、丙酮等有機溶劑中鹼金屬化合物的鍵結主要為離子鍵。但大部分的鋰化合物之鍵結有某種程度的共價性，如氯化鋰(LiCl)，過氯酸鋰(LiClO4)等，均可溶於乙醇、丙酮等有機溶劑中 • 鋰是目前已知最輕的金屬，可用來作為鋰電池的陽極，鋰電池不僅質量輕，且能提供較高的電壓（約3.0伏特），已成為工業中重要的金屬元素之一。 • 鋰是鹼金屬中化性最不活潑的，與水反應產生氫氧化鋰和氫氣，但作用不如鈉、鉀劇烈。鹼金屬氮化物中，氮化鋰(Li3N)是安定存在於常溫下的化合物。氫化鋁鋰(LiAlH4)是有機化學中常用的強還原劑。液態鋰、氫化鋰(LiH)是核反應的重要材料之一

7. (a)鋰和水的反應 (b)鈉和水的反應 圖 10-2　鹼金屬和水反應產生氫氣

8. 圖 10-3　鈉金屬的切割 • 鈉的物性質軟，可以小刀切割，切面為銀白色 • 鈉可用來製造鈉燈，發出穿透力強的黃光，可用於霧中照明

9. 鈉和水反應產生氫氧化鈉和氫氣，反應釋出大量的熱，易引燃氫氣而爆炸，所以實驗殘餘的鈉不可棄置水槽，應用乙醇處理鈉和水反應產生氫氧化鈉和氫氣，反應釋出大量的熱，易引燃氫氣而爆炸，所以實驗殘餘的鈉不可棄置水槽，應用乙醇處理

10. 氯化鈉(NaCl)俗稱食鹽，利用鹽田引入海水並蒸發可得粗鹽，粗鹽中含有少量氯化鈣而易潮解，並因含氯化鎂而帶有苦味氯化鈉(NaCl)俗稱食鹽，利用鹽田引入海水並蒸發可得粗鹽，粗鹽中含有少量氯化鈣而易潮解，並因含氯化鎂而帶有苦味 • 氯化鈉有鹹味，可供家用調味及保藏食物，工業上用以製造金屬鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、氯氣、鹽酸等。食鹽常添加碘酸鉀(KIO3)，用以防治甲狀腺腫大

11. 氫氧化鈉(NaOH)俗稱苛性鈉或燒鹼，為白色固體，有強腐蝕性，極易溶於水，其水溶液具滑膩感，呈強鹼性，是工業及實驗室重要的化學藥品，在空氣中極易潮解，並吸收二氧化碳成為碳酸鈉氫氧化鈉(NaOH)俗稱苛性鈉或燒鹼，為白色固體，有強腐蝕性，極易溶於水，其水溶液具滑膩感，呈強鹼性，是工業及實驗室重要的化學藥品，在空氣中極易潮解，並吸收二氧化碳成為碳酸鈉

12. 碳酸鈉(Na2CO3)俗稱蘇打，工業上用索耳未法(Solvay process)製備。此法先將二氧化碳及氨通入飽和食鹽水中，製得溶解度較小的碳酸氫鈉，再將碳酸氫鈉強熱，放出二氧化碳及水而生成碳酸鈉

13. 索耳未法 式中所產生的CO2及NH4Cl均可回收循環使用

14. 碳酸鈉是重要的工業原料，用於製造玻璃、肥皂、陶瓷等；與酸作用產生二氧化碳，亦應用於食品工業中碳酸鈉是重要的工業原料，用於製造玻璃、肥皂、陶瓷等；與酸作用產生二氧化碳，亦應用於食品工業中 • 碳酸鈉可沉澱硬水中的鈣、鎂離子，作為硬水軟化劑

15. 碳酸氫鈉(NaHCO3)是索耳未法過程的中間產物，俗稱焙用鹼或小蘇打碳酸氫鈉(NaHCO3)是索耳未法過程的中間產物，俗稱焙用鹼或小蘇打 • 白色粉末，可溶於水呈弱鹼性，能與鹽酸中和，故可作胃酸制酸劑，用以中和胃液中過量之鹽酸 • 與酒石酸氫鉀(KHC4H4O6)混合，即為製糕餅所用焙粉

16. 鉀的化性比鈉稍微活潑，置入水中能產生氫氣，反應劇烈而冒出火花鉀的化性比鈉稍微活潑，置入水中能產生氫氣，反應劇烈而冒出火花 • 鉀和氧起劇烈反應產生超氧化鉀(KO2)，可作為呼吸面罩、潛艇等密閉系統的氧氣源

17. 硝酸鉀(KNO3)俗稱硝石 • 人工合成法是將智利硝石(NaNO3)與氯化鉀之濃溶液煮沸，因其中氯化鈉在高溫時的溶解度較小，先從沸水中析出。過濾後，將濾液冷卻，因硝酸鉀在低溫時溶解度較小，故可析出硝酸鉀 • 硝酸鉀為無色晶體，為強氧化劑，其主要用途為製造肥料、火藥及煙火

18. 碳酸鉀(K2CO3)俗名草鹼，因一般草木灰中約含10%碳酸鉀，故而得名碳酸鉀(K2CO3)俗名草鹼，因一般草木灰中約含10%碳酸鉀，故而得名 • 洗潔劑尚未發展之際，碳酸鉀可供洗濯之用 • 在電解氯化鉀濃溶液所得的氫氧化鉀溶液中，通入適量的二氧化碳，可生成碳酸鉀 • 碳酸鉀為製造玻璃、肥皂、氫氧化鉀等的原料

19. 銣和銫化性非常活潑在空氣中迅速氧化，與水反應會爆炸。銫在照光時易失去電子，常用以製造光電池銣和銫化性非常活潑在空氣中迅速氧化，與水反應會爆炸。銫在照光時易失去電子，常用以製造光電池

20. 10-2　鹼土金屬及其化合物 • 鹼土金屬位於週期表之第二行，又稱為鹼土族。鹼土金屬包括：鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)六種，其中鐳具有放射性，附存於鈾礦中

21. 圖 10-4　鹼土金屬在週期表的位置

22. 　　　　　元素 性質 鈹(Be) 鎂(Mg) 鈣(Ca) 鍶(Sr) 鋇(Ba) 原子序 4 12 20 38 56 基態價電子組態 1s2 1s2 1s2 1s2 1s2 原子半徑(Å) 1.11 1.60 1.97 2.15 2.22 離子半徑(Å) 0.27 0.70 1.00 1.13 1.36 熔點(C) 1278 648.8 839 769 729 沸點(C) 2970 1090 1483.6 1383.9 1637 密度*(g/cm3) 1.85 1.74 1.55 2.54 3.60 焰色 無色 無色 紅橙色 深紅色 綠色 • 鹼土金屬的一般性質 *表中密度為於20°C下的量測值。

23. 鹼土金屬的價電子組態為ns2 • 金屬鍵較鹼金屬為強，熔點亦較鹼金屬為高，固體硬度亦較高 • 自然界中，本族元素以M2+陽離子與其他元素陰離子產生離子化合物而存在，其中以鈣、鎂較為常見 • 鹼土金屬的化合物因具有較強的離子鍵，故熔點極高，其氧化物溶於水呈鹼性 • 提煉鹼土金屬元素的方法可經由電解其熔化的氯化物而獲得

24. 鈹(Be)離子半徑小、電荷密度高，其鍵結具有共價性。大部分鈹的化合物具有極強的毒性，甚至可能導致癌症鈹(Be)離子半徑小、電荷密度高，其鍵結具有共價性。大部分鈹的化合物具有極強的毒性，甚至可能導致癌症

25. 鎂(Mg)是質輕且堅韌的金屬，和酸反應迅速，生成氫氣鎂(Mg)是質輕且堅韌的金屬，和酸反應迅速，生成氫氣 • 鎂的化性活潑，即使在二氧化碳中亦能燃燒

26. 圖 10-5　鎂和酸反應生成氫氣

27. 鎂在空氣中燃燒，生成氧化鎂(MgO)和氮化鎂(Mg3N2)，並發出耀眼的白光。鎂在空氣中燃燒，生成氧化鎂(MgO)和氮化鎂(Mg3N2)，並發出耀眼的白光。 • 鎂粉與氯酸鉀的混合物可作為閃光燈泡的原料 • 氧化鎂(MgO)俗稱苦土，為白色粉末，略溶於水而生成弱鹼性的氫氧化鎂（Mg(OH)2），醫藥上可作為制酸劑。 • 氧化鎂的熔點很高(2800°C)，耐火性極強，可製耐火磚及電爐的襯裡等

28. 圖 10-6　鎂燃燒發出強光 圖 10-7　氫氧化鎂可當做制酸劑及通便劑

29. 鈣(Ca)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，大部分的鈣金屬是由氧化鈣還原而得的。室溫時，鈣在水中可反應產生氫氣，而鈹、鎂則不會產生反應鈣(Ca)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，大部分的鈣金屬是由氧化鈣還原而得的。室溫時，鈣在水中可反應產生氫氣，而鈹、鎂則不會產生反應

30. 圖 10-8　鈣在水中產生氫氣，而鎂在水中則無反應

31. 碳酸鈣(CaCO3)是灰石及大理石的主要成分，難溶於水，但遇二氧化碳時則可產生可溶性的碳酸氫鈣碳酸鈣(CaCO3)是灰石及大理石的主要成分，難溶於水，但遇二氧化碳時則可產生可溶性的碳酸氫鈣 • 自然界中的鐘乳石及石筍，就是由於水中含碳酸氫鈣，水分揮發後而析出碳酸鈣沉積而成

32. (a)鐘乳石 (b)石筍 (c)石柱 圖 10-9　新墨西哥卡爾斯貝洞窟國家公園

33. 氧化鈣(CaO)俗稱生石灰，可當乾燥劑，但不適用於酸性物質氧化鈣(CaO)俗稱生石灰，可當乾燥劑，但不適用於酸性物質 • 工業上將灰石（碳酸鈣CaCO3）加熱而得生石灰

34. 氫氧化鈣是廉價的強鹼，亦是重要的工業原料，用於製造漂白粉、造紙、肥料氫氧化鈣是廉價的強鹼，亦是重要的工業原料，用於製造漂白粉、造紙、肥料 • 生石灰加水則發熱變為氫氧化鈣，俗稱熟石灰 • 熟石灰容易吸收空氣中的二氧化碳，而又變回碳酸鈣

35. 自然界中存在的硫酸鈣俗稱石膏(CaSO4．2H2O)，加熱至125°C則失去部分的結晶水，變成熟石膏（(CaSO4)2．H2O）自然界中存在的硫酸鈣俗稱石膏(CaSO4．2H2O)，加熱至125°C則失去部分的結晶水，變成熟石膏（(CaSO4)2．H2O） • 熟石膏的特性為可與水化合再變成石膏，產生硬化現象，硬化時會放熱且體積稍脹，可用以製模、塑像及外科接骨之紮繃材料等 • 石膏加熱至200°C以上時，則完全失去結晶水而成無水硫酸鈣(CaSO4)，不具熟石膏之硬化性，可用以製造粉筆

36. 鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)在自然界中含量極微 • 鍶的同位素90Sr具放射性，是核分裂的產物，對骨頭的傷害力很大；鍶鹽燃燒時發出深紅色火焰，可用於製造煙火和信號彈 • 鋇的化學性質活潑，可和空氣反應，因此必須儲存於石油中（或真空室內）；硫酸鋇俗稱重石，雖為有毒物質，但因溶解度很低而不被腸胃吸收，吸附於胃壁上可做為X光照射顯影用。還可作為造紙的填料及白色塗料 • 鐳是鹼土金屬中最活潑的元素，具有放射性，可用於治療癌症

37. 圖 10-10　病患服食硫酸鋇做X光照相，供胃腸潰瘍的診斷

38. 10-3　鋁、錫、鉛及其化合物 • 週期表中，第13族（IIIA族）到第15族（VA族）的金屬元素，較常見的有鋁(Al)、錫(Sn)和鉛(Pb)，它們的氫氧化物，如Al(OH)3、Sn(OH)2、Pb(OH)2等，是可和酸或鹼反應的兩性物質

39. 　　　　　　元素 性質 鋁(Al) 錫(Sn) 鉛(Pb) 原子序 13 50 82 基態價電子組態 3s3p1 5s5p2 6s6p2 原子半徑(Å) 1.43 1.41 1.75 離子半徑(Å) 0.53 0.93 1.18 熔點(°C) 660.37 232 327 沸點(°C) 2467 2623 1751 密度*(g/cm3) 2.698 5.77（α，灰錫） 11.34 7.29（b，白錫） • 鋁、錫、鉛的一些性質 *表中密度為於20°C下的量測值。

40. 鋁在地殼中存量僅次於氧及矽，是存量很高的金屬，在自然界中皆以三價的化合物存在鋁在地殼中存量僅次於氧及矽，是存量很高的金屬，在自然界中皆以三價的化合物存在 • 現代工業煉鋁採用霍爾(C. M. Hall, 1864～1914)法電解氧化鋁(Al2O3)。將氧化鋁置於電解槽中，碳襯內壁為陰極，懸於槽內的碳棒為陽極，以熔融的冰晶石(Na3AlF6, cryolite)做為助熔劑(flux)，溫度維持在950°C電解，陰極析出金屬鋁，由槽底流出

41. 圖 10-11　鋁電解槽

42. 鋁的化性活潑，是強還原劑，可將氧化鐵還原成鐵鋁的化性活潑，是強還原劑，可將氧化鐵還原成鐵 • 鋁在空氣中氧化時，表面產生緻密的薄層氧化物，可保護內部不再腐蝕，因此鋁常被用作抗腐蝕的材料，例如鋁罐、鋁合金等

43. 氧化鋁(Al2O3)亦稱礬土，在自然界中形成剛玉、剛石粉、藍寶石、紅寶石等氧化鋁(Al2O3)亦稱礬土，在自然界中形成剛玉、剛石粉、藍寶石、紅寶石等 • 剛玉為純氧化鋁之無色晶體，硬度僅次於鑽石 • 剛石粉含有四氧化三鐵，呈黑色 • 藍寶石含有氧化鐵及氧化鈦而呈藍色 • 紅寶石含有氧化鉻，呈紅色

44. 圖 10-12　含氧化鋁的寶石

45. 氫氧化鋁（Al(OH)3）為白色粉末，在鋁鹽溶液中加入氫氧化鈉或氨水，可得氫氧化鋁的白色沉澱物。氫氧化鋁能吸附水中濁質而使其沉澱，故用作淨水劑，亦能吸附色質或與其化合，使其固著於棉紗纖維，故用作媒染劑氫氧化鋁（Al(OH)3）為白色粉末，在鋁鹽溶液中加入氫氧化鈉或氨水，可得氫氧化鋁的白色沉澱物。氫氧化鋁能吸附水中濁質而使其沉澱，故用作淨水劑，亦能吸附色質或與其化合，使其固著於棉紗纖維，故用作媒染劑 • 明礬是硫酸鋁鉀（KAl(SO4)2．12H2O），無色晶體，可用作淨水劑、媒染劑及造紙的填充劑

46. 錫是自古知名的金屬，中國的青銅器時代在銅器中摻合錫，做成各種器具。錫的熔點低(232°C)，易於陶鑄，具有良好的延展性。工業上，利用碳將錫石(SnO2)還原而得金屬錫是自古知名的金屬，中國的青銅器時代在銅器中摻合錫，做成各種器具。錫的熔點低(232°C)，易於陶鑄，具有良好的延展性。工業上，利用碳將錫石(SnO2)還原而得金屬

47. 錫金屬可用來製作罐頭的馬口鐵（鍍錫鐵板）、錫箔、合金錫金屬可用來製作罐頭的馬口鐵（鍍錫鐵板）、錫箔、合金 • 錫的化合物中，錫具有+2及+4的氧化數 • 錫有兩種形式的氯化物：氯化亞錫（或氯化錫(II)）(SnCl2)以及氯化錫（或氯化錫(IV)）(SnCl4)

48. 氯化亞錫為離子化合物固體，在水溶液中是良好的還原劑，例如：氯化亞錫能使過錳酸根離子還原為錳離子氯化亞錫為離子化合物固體，在水溶液中是良好的還原劑，例如：氯化亞錫能使過錳酸根離子還原為錳離子

49. 圖 10-13　氯化亞錫

50. 氯化錫在室溫下為液體，熔點為?33°C，具有相當大的共價性氯化錫在室溫下為液體，熔點為?33°C，具有相當大的共價性 • 氯化錫蒸氣與氨及水蒸氣混合，可生成氫氧化錫與氯化銨的固體微粒而呈濃煙狀，軍事上用於製造煙霧