[高瞻自然科學教育資源平台] σ 鍵(Sigma bond)

國立高雄中學化學科龔自敬老師

化學上所謂的 σ 鍵(Sigma bond)是「共價」化學鍵的一種。由兩個相同或不相同的原子軌域沿軌域的對稱軸方向相互重疊而形成的共價鍵，便稱為 σ 鍵。

一般而言，σ 鍵對於共價鍵「鍵軸」之旋轉是具有對稱性的，依據這個說法，σ 鍵可能的形式包括：s+s、p_z+p_z、 s+p_z, 和d_z²+d_z²（此處 z 即代表鍵軸方向）。對兩相同原子的共價鍵而言，σ 軌域在這兩個原子間是沒有「波節平面」的。「σ」這個符號是希臘字母中的「s」，當我們順著共價鍵的鍵軸往下看，σ 鍵看起來就像「s」（圓球）軌域一樣。

通常 σ 鍵由於在軌域的重疊部分較多（頭對頭式重疊），所以是共價鍵中較強的一種，而 σ 鍵中的電子有時也被稱為「σ 電子」。一般的「單鍵」(single bond)都屬於 σ 鍵， 比如 C-H, O-H, N-H, C-C, C-Cl 等等。現在舉「丙烷」(C₃H₈) 為例，我們可描述丙烷分子中的共價鍵有：2 個 C-C「σ 鍵」和 8 個 C-H「σ 鍵」；一般的「雙鍵」(double bond) 中，含有一個 σ 鍵和一個 π 鍵；而一般的「參鍵」(triple bond)中，則含有一個 σ 鍵和二個 π 鍵。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 道耳吞(Dalton)的原子論(Atomic theory)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

道耳吞在 1808 年提出原子論(Atomic Theory)，其要點如下：
（一）原子(atom)是組成化學元素(element)的最小粒子；它是不可分割(indivisible)的。
（二）針對每一特定元素，其原子皆完全相同。
（三）不同元素的原子具有不同的質量以及其他性質。
（四）化合物是由不同元素的原子所組成，其原子組成間一定是簡單整數比。
（五）原子粒子不能再切割為更小的粒子，且在任一化學反應中，原子不可加以摧毀，化學反應只是將原子加以重組而已。

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• 道耳吞(Dalton) (一)
• 道耳吞(Dalton) (二)
• 道耳吞(Dalton) (三)
• 道耳吞(Dalton) (四)

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2008年, 化學, 化學教育, 化學與社會, 陳文靜, Dalton, 化學家傳記, 原子論, 道耳吞, 高瞻自然科學教育資源平台, 科學Online

[高瞻自然科學教育資源平台] 道耳吞(Dalton) (四)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

道耳吞最重要的研究工作是，化學的原子理論，這與他的名字密不可分。他建議在研究乙烯（olefiant 煤氣）和甲烷（carburetted 氫） ，或分析一氧化二氮（protoxide的azote）和二氧化氮（deutoxide 的 azote）時用這原子理論，而上述兩種意見被權威的托馬斯湯木生所證實。不過，一項研究的道耳吞的自己的實驗室筆記本，發現在房間的光與菲爾，得出結論認為，到目前為止，解釋多種比例的定律，是 Dalton 的想法，他確定特有重量的原子交互作用會組成化學組成，他研究大氣和其他氣體的物理性質讓他強化了他對原子的認識。這一想法是在，他的對氣體的吸收論文中被發現的，時間是 1803 年 10 月 21 日，當時並沒有公佈，直到 1805 年。在這裡，他說：「為什麼不承認水與大多數的氣體一樣呢？我有充分考慮這個問題，雖然不能自我滿足但已幾乎處於被說服狀況了，情況是取決於這幾種氣體粒子的重量和數量。」

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• 道耳吞(Dalton) (三)
• 道耳吞(Dalton)的原子論

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[高瞻自然科學教育資源平台] 道耳吞(Dalton) (三)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

1800　年他當曼徹斯特文學和哲學學會的書記，隨後一年，他口頭地提出一系列重要論文，題目為「實驗論文」論及混合氣體的組成；在真空和空氣中，氣體的氣壓和不同溫度下的蒸氣；蒸發；以及氣體的熱膨脹。1802 年，這四個論文被出版於「光」與菲爾的回憶錄中。

這些論文中的第二篇說了一句醒目話「無庸致疑地，我們可把任何種類的彈性液體都看成液體，且不能不看，混合氣體在低溫和強施加壓力後的進一步影響」 。經過確定 0℃ ~ 100℃ 間不同蒸汽壓的實驗後（32℉ 和 212℉）時，他從觀察六個不同液體的蒸氣壓力做了一個總結，即相同溫度下，所有液體的蒸氣壓都相同。在第四篇文章中，他說「我們有足夠的理由去推斷說：同壓時彈性流體受熱會進行相同擴展；且溫度越高時，和水銀擴展相比時，空氣的擴展會成比例地減少。因此，這意味著，彈性流體比其他物質來得容易表現出熱的絶對數量與性質」。

因此，他闡述了給呂薩克定律或查理定律，1802 年由約瑟夫路易士給呂薩克出版。這些文章出版後的兩、三年，道耳吞又發表幾篇相類似的文章，有關於水和其他液體對氣體的吸收（1803 年），其中還有他的氣體分壓定律，現在又稱為道耳吞定律。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 道耳吞(Dalton) (二)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

在 1794 年，他到曼徹斯特後不久，道耳吞被選為曼徹斯特文學和哲學社會的「光與菲爾」的成員，幾個星期後他發表了他的第一份論文「關於視覺顏色的異常事實」，他假設，對顏色感覺短缺是眼球液體媒介的色變所引起的。事實上，某些人對顏色悟性短缺並未被描述或注意到，直到道耳吞寫了關於他自己。 雖然道耳吞的理論在他終其一生時未被採用，但是，他以自己的視覺問題做詳盡而有條不紊的研究之本性廣被表彰，道耳吞成為色盲的代名詞。1995 年，檢查他被保存的眼珠顯示出，道耳吞實際上屬於較不尋常的色盲–中等波長敏感錐體是缺掉的，而不是色盲的最尋常類型–色素突變化所引起的。 除光譜的藍色和紫色以外他只能認知一種顏色，黃色，或者，他在他的論文內說，「紅色影像對我而言，就像光陰影或光的瑕疵。對我而言，橙色，黃色和綠色，似乎是一種從亮黃到淡黃色逐漸降低的顏色，或許，我該把它稱做黃色的不同濃淡色度」。

此文曾在不同的主題中被引用過，例如雨、露水、初春、熱、天空的顏色，蒸汽、英語助動詞、分詞和光反射、折射中，本文都被引用過。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 道耳吞(Dalton) (一)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

道耳吞(John Dalton)是織布工的兒子，十五歲時，他進入他哥哥 Jonathan 在 Kendal 附近管理的貴格派信徒學校求學。1790 年道耳吞考慮唸法律或醫學，但是他的親戚並不鼓勵他去 –當時英國大學排斥異教徒到他們的大學任教或上課—所以，他仍留在 Kendal。直到 1793 年的春天，道耳吞搬到曼徹斯特，被任命教數學和自然哲學。他是透過盲眼哲學家約翰高夫才到曼徹斯特的這所異教派的新學院教書的。高夫很博學但他的科學知識並非由正式教育獲得。道耳吞在那個職位直到 1800 年。當學院財政惡化到他不得不辭去他的職位並開始在曼徹斯特當數學和自然哲學的私人教師。

道耳吞早期生活中，他深受一位卓越 Eaglesfield 貴格派的信徒 Elihu 魯賓遜所影響，Elihu 魯賓遜是一位能幹氣象學家和儀器製造者，且對數學和氣象學的問題感興趣。在Kendal的期間，道耳吞對 Gentlemen’s and Ladies’ Diaries 提供對各種主題的疑問和問題的解答。他從 1787 年開始寫氣象日誌，持續 57 年之久，作了超過 20 萬種的觀察。道耳吞的第一份出版物是氣象觀測和雜記(1793)，書中包含數種他新發現的種子。然而，竟管他有其獨創性，其他學者也不太注意他。道耳吞在 1801 年出版第二本書–英國文法的元素。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 普羅斯特(Joseph Louis Proust) (二)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

當然,這最後結果是普羅斯特勝利，因為普羅斯特能證明：改變反應物的數量就能改變生成物的數量，但不能改變生成物的組成。貝托雷當時以溶液、合金、玻璃及某些金屬氧化物、鹽類作舉證，卻不知這些物質有部分是混合物。例如:托貝雷以金屬鉛在空氣中加熱，先變成 Pb₂O（327℃ 以下），再加熱，產生PbO;持續加熱，又得 Pb₃O₄；若用稀稍酸處理 Pb₃O₄ 可得到 PbO₂，但他並不知道這些鉛的氧化物是不同化合物，當然不會組成固定了。

普羅斯特曾在 1802 ~ 1808 年的法國【物理雜誌】中回答了貝托雷的批評。普羅斯特承認，同樣的幾個元素可以生成不只一種化合物，但每種化合物各自有固定組成。他還指出：混合物的各成份可以用物理方法分離開來，而化合物中各成分只能靠化學方法來分解。所以， 普羅斯特是第一位可以正確區分混合物與化合物的人，他甚至就以定比定律來區分混合物與化合物了。 到了 1808 年， 普羅斯特見解較被社會上化學家接受，而貝托雷說法被抛棄了。

普羅斯特也對甜蔬菜與水果中的糖感，到興趣而研究它，1799 年他在馬德里的課堂上示範葡萄糖與蜂蜜的糖是相同的東西。整體而言， 普羅斯特在研究中發現糖的三種型態。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 普羅斯特(Joseph Louis Proust) (一)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

定比定律（定組成定律）：由兩種或兩種以上元素化合成一化合物時，其元素間的質量比是固定的。此定律乃普羅斯特 (Joseph Louis Proust，1754 ~ 1826) 於 1799 年所提出的。以下是對普羅斯特的簡介： 普羅斯特出生於 1974 年 9 月 26 日，出生地是法國安格斯(Angers， France)，父親是安格斯的藥劑師。普羅斯特在他父親的店學習化學，後來到巴黎，並成為巴黎最好的藥劑師。因為卡羅士四世(Carlos IV)的影響，他來到西班牙，並在 Segovia 與 Salamanca 大學教化學。

普羅斯特最廣為人知之事乃是他與貝托雷的爭辯。因為他發現天然的與人造的鹽基性碳酸銅(CuCO₃–Cu(OH)2•xH₂O)之組成完全相同。所以，提出此理論。但是，這理論遭到當時法國化學界權威貝托雷(Claude Louis Berthollet)反對，因貝托雷正好提出 Recherches sur les lois de l’af-finite（1801，親和力原理的研究）一書， 貝托雷較著眼於化學變化的過程，而沒有著重於化學變化的產物，並認為「一物質與另一可相親和的物質化合時是以任一比例相化合的」，所以他提出化合物的組成是可變的，而非確定不變的。但他有正確指出:「某些化學反應是可逆的，一些反應生成物的產率會隨反應中原有反應物量的多寡而改變。」

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[高瞻自然科學教育資源平台] 哈洛．克魯托(Harold Kroto) (二)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

早年的工作
1961 年，在Sheffield大學獲得大學化學學位，1964 年同樣在 Sheffield 大學獲得博士學位。

博士研究包含利用高解析度電子光譜來研究用照光打斷化學鍵。尤其他是第一位以碳磷雙鍵形成化合物(phosphaalkenes)的學者，他的博士研究包括對碳的低氧化物（二氧化三碳,C3O2 or O=C=C=C=O）等一些未發表的研究，此研究導致一般學者對分子含有多重鍵結的碳鏈之興趣。開始對有趣的有機化學進行研究，但是，當他接觸到光譜學時就較傾向於研究於量子化學。

在加拿大全國研究會議和美國貝爾實驗室的博士後研究之後，1967 年開始在英國 Sheffield 大學教學與研究。1985 年他成為專任教授，並在 1991 年到 2001 年擔任皇家社會研究教授（皇家學院教授）。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 哈洛．克魯托(Harold Kroto) (一)

國立高雄女中化學科陳文靜老師責任編輯

Harold (Harry) Walter Kroto, FRS （生於 1939 年 10 月 7 日）是英國化學家，也是1996年諾貝爾化學獎得主三人之一。 他 2004 年任教於佛羅里達(Florida)州立大學，目前仍在佛羅里達州立大學任教。在那之前他花大部份的心力在薩西克斯(Sussex)大學， 並在那裡擔任教授（退休而保有教授頭銜）。

早年生活 他出生在英國劍橋郡的名叫 Wisbech 市集地的 Harold Krotoschiner，獨特的名字源自於 Silesian。他父親來自荷蘭的 Bojanowo，母親來自德國的柏林。 父母都是出生在柏林，但因為他的父親是猶太人，所以在 1930 年代受到 Nasis 的迫害來到英國。

他在英國蘭開郡(Lancashire)的波頓(Bolton)成長並就讀於波頓(Bolton)學校，與曾獲二屆奧斯卡提名的舞台劇演員 Ian McKellen（演魔界三部曲中甘道夫角色的人）是同時期的人。

1955 年，他的姓氏變短為 Kroto。 小時候，他對 Meccano 組合模型十分著迷。能技巧性地有效運用在科學研究，這都歸功於Meccano。雖然生長於猶太家庭，但宗教不曾對他有任何影響。 他現在聲稱有四個「信仰」：人道主義、無神論、特赦國際主義和幽默。中學時，發現自己在化學、物理和數學上很有興趣，因為他的高中化學老師 Harry Heaney（後來成為大學教授） 認為 Sheffield 大學擁有全英國最好的化學系，所以，他去了 Sheffield 大學。 1963 年，與就讀於同一所大學唸書的馬格瑞特．韓特(Margaret Henrietta Humter)結婚。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鍺(Germanium)的化學性質

高雄市立高雄女中化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鍺是兩性元素，主要生成 +2、+4 氧化態，它的化學性質比矽活潑，主要表現在以下幾方面：

1. 室溫下單質鍺穩定，不與水和氧作用。加熱到 973K 以上時，鍺與氧反應生成二氧化鍺

   Ge + O₂ → GeO₂

   若沒有氧化劑存在，則鍺與沸水也不會反應。
2. 在加熱下，鍺能與鹵素或硫反應生成鹵化物或硫化物：

   Ge + 2X₂ → GeX₄ (X = F、Cl、Br、I)
   Ge + S → GeS
   Ge + 2S → GeS₂

3. 鍺不與非氧化性酸作用，也不與稀酸作用，能溶於熱的濃硫酸，生成硫酸鍺：

   Ge + 4H₂SO₄ → Ge(SO₄)₂ + 2SO₂ + 4H₂O (973K)

   與濃硝酸作用，生成白色的二氧化鍺水合物沉澱：

   Ge + 4HNO₃ → GeO₂∙H₂O + 4NO₂ + H₂O

4. 鍺易溶於硝酸或氫氟酸的混合酸中，生成氟鍺酸：

   Ge + 4HNO₃ + 6HF → H₂GeF₆ + 4NO₂ + 4H₂O

5. 鍺與矽類似，易溶於熔融的苛性鈉（或鉀）中，生成鍺酸鈉（鉀）：

   Ge + 2NaOH + H₂O → Na₂GeO₃ + 2H₂

   在過氧化氫、次氯酸鈉等氧化劑存在下，鍺能溶解在鹼性溶液中生成鍺酸鹽。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鍺(Germanium)

高雄市立高雄女中化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

1871 年，元素週期律的發現者門得列夫曾預言「類矽」元素的存在。
1886 年，德國化學家 Winkler C. A. 用光譜的方法分析硫銀鍺礦時，8 個全分析結果均差 7% 左右，因此他斷定礦石中一定含有一種未知的新元素。他用氫氣還原硫化鍺製得了金屬鍺。Clemens Winkler 為了紀念他的祖國，把新元素命名為 Germanium（德國的拉丁名為 Germania），元素符號 Ge，中文為鍺。

鍺在地殼中的含量為 7 × 10^-7，比金、銀、鉑還多，但尚未有大規模的開採，因為鍺是最分散的元素之一。大量的鍺以分散狀態存在於各種金屬的矽酸鹽礦和硫化物礦、以及各種形式的煤中。其中含鍺量最高的礦是低溫閃鋅礦，含量在 0.01% ~ 0.1% 之間；含鍺量較高的礦物有硫銀鍺礦 4AgS∙GeS₂、鍺石礦 CuS∙FeS∙GeS₂、含鍺量在 0.001% ~ 0.1% 之間。

鍺的製備與應用：
製備方法：鍺主要以硫化物礦石、煤、高溫冶金所得中間產物或廢渣為原料來生產的。有時也利用含鍺原料的工廠副產物、煤焦工業的氨水或煤灰、煙道灰來回收 鍺。這些原料所提供的鍺通常為二氧化鍺，用鹽酸處理並蒸餾得四氯化鍺：GeO₂+4HCl → GeCl₂+2H₂O ，通過精餾純化 GeCl₄，再加水水解得到二氧化鍺：GeCl₄+2H₂O → GeO₂+2H₂O ，然後用氫在 800K ~ 900K 還原 GeO₂，得到金屬鍺粉末：GeO₂+2H₂ → Ge+2H₂O 將溫度升至 1373K，鍺粉熔化，注入模中得鍺錠。最後用物理方法區域熔融法來進一步純化得高純度鍺，目前可得 11 個 9 的高純度鍺。

物理性質：鍺為銀灰色的脆性金屬，具有金剛石晶格。其熔點為 1210K，沸點為 3103K，密度為 5.35g/cm³ (293K)，莫氏硬度為 6 ~ 6.5。室溫下鍺的可塑性很小，加工性能以石英和玻璃，有明顯的非金屬性質。當液態鍺凝固時，體積膨脹 5%，是少數幾種(Si,Ga,Ge,Sb, Bi)凝固時體積膨脹的物質。超高純度單晶鍺是重要的半導體材料。鍺另一特性是當溫度變化時，鍺的電阻也随著發生特別靈敏的變化。所以鍺被用來製造熱敏電阻，來測知物體溫度，把鍺塗在玻璃、石英上，製成電阻用來製造光電管、熱電隅。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 沸點(Boiling point)

臺北市立第一女子高級中學化學科江慧玉老師/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

液體的蒸氣壓(vapor pressure)與周圍環境的壓力相等時，此時液體沸騰(boiling)的溫度稱為「沸點」。液體在低壓環境下的沸點比一般環境（受大氣壓力影響）的沸點低；而在高壓環境中的沸點比其在大氣環境下的沸點為高。換句話說，任何液體在不同的環境條件下，有不同的沸點。在沸點的溫度下，液體中的分子足以克服內聚力(cohesive force)的束縛而汽化(vaporization)，氣體分子形成氣泡逸去。 液體的正常沸點（normal boiling point，又稱為大氣沸點）是液體的蒸氣壓等於我們定義的『海平面上的氣壓』即『一大氣壓』(atmospheric pressure)時的沸點。國際純化學暨應用化學聯合會（簡稱IUPAC）將正常沸點定義為：『液體在一大氣壓下沸騰時的溫度』。

至於「汽化熱」(heat of vaporization)是指將液體汽化變成氣體時所需吸收的熱量。 液體也可能在低於沸點的溫度下自發地汽化(vaporization)成為氣體(gas)，稱為「蒸發」(evaporation)。蒸發是少數液體分子獲得足夠的動能，逸出液體表面，進入氣體狀態的現象。若與沸點相較，沸騰則是液體中所有分子快速汽化形成了大量的氣泡。 液體的沸點溫度決定於液體的蒸氣壓，因此我們可說：『沸點的高低決定於壓力』。一般來說，我們較為強調其與「大氣壓力」的關係。在高海拔地區，由於大氣壓力低，故沸點較在平地時為低。此外，沸點會隨著壓力增加而升高，直到到達一臨界值，稱為臨界溫度(critical temperature)。物質超過臨界點後，無法區分氣態或液態，稱為超臨界流體(super-critical fluid)。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鎂 (Magnesium)

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鎂是地殼中分布最廣的元素之一，但由於它的化學性質活潑不易將它自化合物中分離出來，因此長期以來，化學家不能肯定它們作為元素單質存在。直至電池發明以後，利用電解的方式分離出鎂元素單質後，才被確定是元素。

1808 年，英國化學家戴維(Davy H.)電解汞和氧化鎂的混合物，得到鎂汞齊，將鎂汞齊中的汞蒸餾後，就得到了銀白色的金屬鎂。

鎂的英文名稱為 Magnesium，希臘文原意為「美格尼西亞」，因為在希臘的「美格尼西亞」城附近當時盛產一種稱為苦土的鎂礦(氧化鎂)，古羅馬人把這種礦物稱為 magnesia alba，「alba」的意思是白色的，意即「白色的美格尼西亞」，中文翻譯成鎂，元素符號為 Mg。

鎂是一種銀白色的金屬，化學性質活潑，在自然界中無元素單質狀態存在。鎂的礦物主要有白雲石(CaCO₃∙MgCO₃)、光鹵石 (KCl∙MgCl₂∙6H₂O、菱鎂礦(MgCO₃)、橄欖石(Mg,Fe)₂SiO₄和蛇紋石(Mg)₆[Si₄O₁₀](OH)₈。鎂在地殼中的含量約為 2.1%，在已知的百餘種元素中居第八位。海水中含鎂約 0.13%，每立方公尺海水中約含鎂 1.04kg，大多以氯化物和硫酸鹽形式存在於 海水中。金屬鎂的製備方法主要有：

1. 溶融電解法：電解熔融的無水氯化鎂，適用於從海水中提取鎂 MgCl₂（電解）→Mg+Cl₂ ↑
2. 熱還原法：將白雲石分解為氧化鎂，再用碳或碳化鈣還原：MgO+C→CO↑+Mg；MgO+CaC2→Mg+CaO+2C 。世界鎂產量有一半以上是以海水為原料以電解法生產的。

物理性質：鎂是輕金屬，密度為 1.74g/cm³，熔點 922K，沸點 1363K，硬度 2.0，比同族其他鹼土族都高。鎂具優良加工性能，在冶金中製備輕量、強韌的鎂鋁合金，大量用於飛機、汽車，電子產品外殼等。

化學性質：鎂的電負度 1.31，標準還原電位 -2.36V，是一個比較活潑的金屬，化學性質如下：

1. 作為還原劑：不論固態或水溶液中，鎂具有較強的還原力。如高溫下，金屬鎂能在二氧化碳中繼續燃燒，把二氧化碳還原成 碳：2Mg+CO₂→2MgO+C。鎂也可將二氧化矽還原成單質矽：2Mg+SiO₂→Si+2MgO；鎂還原四氯化鈦為金屬鈦：2Mg+TiCl₄→Ti+2MgCl₂。目前工業上利用鎂的還原性，在真空或惰性氣體保護下，生產某些稀有金屬。鎂很容易跟水反應，但由於表面生成氧化膜保護，因此鎂不與冷水反應，但能跟熱水作用產生氫氣：Mg+2H₂O（熱水） →Mg(OH)₂+H₂↑
2. 鎂在空氣中燃燒時放出耀眼白光，生成氧化鎂：2Mg+O₂→2MgO；也在在高壓下與氫作用合成氫化鎂：Mg+H₂→MgH₂
3. 有機反應中，鎂在醚溶液中能與鹵化烴作用，生成有名的格瑞鈉試劑(Grignard reagent)：Mg+RX→R-MgX（R為烴基，X為Cl、Br、I）為有機化學中用途相當廣的試劑。
4. 鎂具有生成配位錯合物的傾向，最著名即為葉綠素。

重要化合物的性質、製取與其用途：

1. 氧化鎂：俗稱苦土，為白色粉末狀固體。熔點 3125K，沸點 3878K，高溫煅燒後難溶於水。可由金屬鎂在高溫下燃燒：2Mg+O₂→2MgO 工業 上製法為利用煅燒碳酸鎂或氫氧化鎂來生產氧化鎂。氧化鎂大量用於耐火材料、金屬陶瓷、電絕緣材料，醫學上用作制酸劑及瀉藥，另也用於人造纖維加工、造紙等方面用途。
2. 氫氧化鎂：氫氧化鎂為一弱鹼，加熱至 623K 即脫水分解：Mg(OH)₂→MgO+H₂O，易溶於酸或銨鹽溶液。工業上常以海水與廉價的氫氧化鈣溶液（石灰乳）反應，可得氫氧化鎂沉澱，氫氧化鎂的乳狀懸濁液在醫學上作為制酸劑和緩瀉劑。
3. 鎂鹽：
   • 氯化鎂：電解生產金屬鎂的原料。
   • 硫酸鎂：MgSO₄∙7H₂O為著名的瀉藥；硫酸鎂用作印染的媒染劑、造紙的填充劑和防火織物的填料等。
   • 碳酸鎂：自然界多以菱鎂礦的形式存在，是鎂的重要來源。碳酸鎂在溶有二氧化碳的水中會生成碳酸氫鎂 Mg(HCO₃)₂為暫時硬水的成份之一，受熱時原本溶在水中的碳酸氫鹽會沉澱出來成為鍋垢：Mg(HCO₃)₂(受熱) →MgCO₃↓+CO₂↑+H₂O

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鋁(Aluminium)鹽與鋁酸鹽

高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

鋁鹽：鋁鹽都含有 Al³⁺ 離子，在水溶液中 Al³⁺ 是以八面體水合錯離子 [Al(H₂O)₆]³⁺ 的形式存在，它水解使溶液呈酸性：[Al(H₂O)₆]³⁺+H₂O →[Al(H₂O)₅OH]²⁺+H₃O⁺ ，[Al(H₂O)₅OH]²⁺ 還會逐級水解，直至產生 Al(OH)₃ 沉澱。鋁鹽加熱時會促進 Al³⁺ 水解而產生一部分 Al(OH)₃ 沉澱： [Al(H₂O)₆]³⁺→Al(OH)₃+3H₂O+3H⁺ ；在鋁鹽溶液中加入碳酸鹽或硫化物會促使鋁鹽完全水解：2Al³⁺+3CO₃^2-+3H₂O→2Al(OH)₃+3CO₂；2Al³⁺+3S^2-+3H₂O→2Al(OH)₃+3H₂S。

鋁酸鹽：Al₂O₃ 與鹼熔融可以製得鋁酸鹽：Al₂O₃+2NaOH →2NaAlO₂+H₂O 固態的鋁酸鹽有 NaAlO₂、KAlO₂ 等，但在水溶液中鋁酸鹽離子是以 [Al(OH)₄]^– 的形式存在。 鋁酸鹽水解使溶液呈鹼性：[Al(OH)4]– →Al(OH)3+OH– 在這個溶液中通入 CO₂ 氣體，可以促使水解的進行而得到 Al(OH)₃ 沉澱：2NaAlO₂+CO₂+3H₂O→2Al(OH)₃+Na₂CO₃ 工業上正是利用這個反應從鋁礬土礦製取 Al(OH)₃，而後製備 Al₂O₃。

三氯化鋁 AlCl₃：為共價鍵為主分子化合物，在氣相或非極性溶劑中會以 Al₂Cl₆ 二聚物存在，兩個 AlCl₃ 靠氯橋鍵結合起來形成 Al₂Cl₆ 分子，與 B₂H₆ 氫橋鍵類似。無水 AlCl₃ 為一白色固體，容易水解生成 Al(OH)₃ 沉澱，可作為淨水劑。

硫酸鋁與明礬：硫酸鋁易與 K⁺、Rb⁺、Cs⁺、NH₄⁺、Ag⁺ 等一價金屬離子的硫酸鹽結合形成複鹽，通稱礬，其通式為 MAl(SO₄)₂∙12H₂O (M 代表 +1 價金屬陽離子)。在礬的結構中，有 6 個水分子與 Al³⁺ 配位，形成 [Al(H₂O)₆]³⁺ 離子，剩下的為晶格中的水分子，它們在 [Al(H₂O)₆]³⁺ 與陰離子 (SO₄^2-)之間形成氫鍵。KAl(SO₄)₂∙12H₂O 亦稱鋁鉀礬，俗稱明礬。硫酸鋁或明礬多易溶於水並水解，其水解產物均有吸附或凝聚作用，因此硫酸鋁和明礬被用做淨水劑或絮凝劑。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鋁(Aluminium)的製備與冶煉

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鋁是活潑金屬，它的離子有很高的水合能，因此不能從水溶液中提取此種金屬。但從乾燥態的化合物製備鋁又需要更活潑的金屬（如鈉）作還原劑，在經濟上和操作上都是不利的。近代工業是用電解熔融氧化物的方法能製備金屬鋁。

以鋁礬土礦出發提煉鋁的步驟如下：

1. 用鹼溶液處理鋁礬土礦 Al₂O₃ 或是用碳酸鈉焙燒鋁礬土礦得到鋁酸鹽：Al₂O₃+2NaOH+3H₂O→2Na[Al(OH)₄] Al₂O₃+Na₂CO₃→2NaAlO₂+CO₂
2. 將鋁酸鹽溶液靜置澄清除去不溶雜質後，向鹼溶液中通入 CO₂ 促使鋁酸鹽水解：2Na[Al(OH)₄]+CO₂→2Al(OH)₃+Na₂CO₃+H₂O 2NaAlO₂+CO₂+3H₂O→2Al(OH)₃+Na₂CO₃
3. 將 Al(OH)₃ 過濾分離，乾燥後煅燒，便得到符合電解需要的純淨的氧化鋁：Al(OH)₃→Al₂O₃+3H₂O 分離後剩下的 Na₂CO₃ 再轉成 NaOH 後又可以再次用來浸提鋁礬土。
4. 將 Al₂O₃ 熔在熔融的冰晶石 Na₃AlF₆（電解質）中進行電解。2Al₂O₃→4Al+3O₂，電解約在 1000℃ 時進行，在陰極上得到金屬鋁，鋁是液態的，可由電解槽底部流出，鑄成鋁錠。電解槽使用石墨作陰、陽極，每電解出 1 噸金屬鋁要消耗 2×10⁴ kWh 的電能，電解鋁純度約為 98~99%，

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鋁(Aluminium)的性質

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鋁是典型的兩性元素。鋁易溶於稀酸，能從稀酸中置換氫，不過鋁的純度愈高，在酸中的反應愈慢。 2Al+3H₂SO₄→Al₂(SO₄)₃+3H₂。 在冷的濃硝酸和濃硫酸中，鋁的表面會被鈍化不發生作用。但鋁能與熱的濃硫酸應：2Al+6H₂SO₄(濃)→Al₂(SO₄)₃+3SO₃+6H₂O

鋁能溶在強鹼溶液中生成鋁酸鈉，其脫水產物或高溫熔融產物的組成符合最簡式NaAlO₂：2Al+2NaOH+6H₂O→2Na[Al(OH)₄]+3H₂

鋁是親氧元素，一接觸空氣，其表面立即生成一層緻密的氧化膜，阻止內層的鋁繼續被氧化，使鋁在空氣中有很高的穩定性。 高溫下反應並放出大量的熱：4Al+3O₂→2Al₂O₃，H =-3339 kJ/mol ，利用這個反應的高反應熱，鋁常被用來行其他氧化物中置換金屬，這種方法被稱為鋁熱法，例：2Al+Fe₂O₃→Al₂O₃+2Fe 在反應中放出的熱量可以把反應混和物加熱至很高的溫度(3000℃)，使產物金屬熔化而與氧化鋁熔渣分層。鋁熱還原法常被用來焊接損壞的鐵路鋼軌，這種方 法也常被用來還原某些難以還原的金屬氧化物（如 MnO₂、Cr₂O₃等）。所以鋁是冶金工業上常用的還原劑。 在高溫下，鋁也容易與其他非金屬反應生成硫化物、鹵化物等。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鋁(Aluminium)的化合物(Compound)

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氧化鋁：
Al₂O₃ 有多種晶體結構，其中最為人們所熟悉的是 α-Al₂O₃ 和 γ-Al₂O₃。它們都是難溶與不溶於水的白色粉末。金屬鋁表面上的氧化膜則屬於另外一種晶形。 α-Al₂O₃：自然界存在的剛玉為 α-Al₂O₃，晶形為六方最密堆積，6 個氧原子圍成一個八面體，在整個晶體中有 2/3 的八面體孔穴被 Al 原子所佔據。由於這種緊密堆積結構晶格能很大，所以 α-Al₂O₃ 的熔點(~2000℃)和硬度(8.8)都很高。它不溶於水，也不溶於酸或鹼，耐腐蝕且電絕緣性好。還可用做高硬度的研磨材料和耐火材料。天然或人造剛玉中由於含有不同的雜質而有多種顏色，例如含有微量 Cr²⁺ 時呈紅色，稱為紅寶石；含有 Fe²⁺、Fe³⁺ 或 Ti⁴⁺ 的稱為藍寶石。將水合氧化鋁加熱至 1000℃ 以上，可以得到 α-Al₂O₃。

加熱使氫氧化鋁脫水，在較低的溫度下生成 γ-Al₂O₃。它的晶體屬於面心立方堆積。Al 原子不規則地排列在由 O 原子圍成的八面體和四面體空穴中。這種結 構使 γ-Al₂O₃ 硬度不高，具有較大的表面積，粒子小，具有較高的吸附能力和催化活性，性質比 α-Al₂O₃ 活潑，較易溶於酸或鹼溶液，又名活性氧化鋁，可以用做吸附劑和催化劑。

Al₂O₃+6H⁺→2Al³⁺+3H₂O

Al₂O₃+2OH^–→2AlO₂^-+H₂O

氫氧化鋁：Al₂O₃的水合物一般稱為氫氧化鋁 Al(OH)₃，加氨水或鹼於鋁鹽溶液中，可以沉澱出體積蓬鬆的白色 Al(OH)₃ 沉澱。它是一種兩性氫氧化物，但其鹼性略強於酸性，仍屬於弱鹼。

Al³⁺+3OH^–+Al(OH)₃ → Al(OH)₃+3H⁺+Al³⁺+3H₂O

Al(OH)₃+OH^–→[Al(OH)₄^–] ，Al(OH)₃ 不溶於 NH₃ 中，它與 NH₃ 不會生成錯合物。
Al(OH)₃ 和 Na₂CO₃ 一同溶於氫氟酸中，則可生成冰晶石 Na₃AlF₆：2Al(OH)₃+12HF+3Na₂CO₃→2Na₃AlF₆+3CO₂+9H₂O

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鋁(Aluminium)

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1825 年，丹麥化學家和礦物學家 Oersted H. C. 用鉀汞齊還原無水氯化鋁，第一個製備出不純的金屬鋁。

1827年，德國化學家維勒(Wöhler F.)用金屬鉀還原無水氯化鋁，製備出較純的鋁，並描述了它的許多性質。

由於維勒製取鋁的方法不可能應用於大量生產，因此鋁曾經是珠寶店裡的商品，王室的珍寶。直到 1886 年，美國科學家豪爾及法國科學家埃羅分別獨立地用電解法製取鋁獲得成功，才使鋁成為普通的商品。

鋁的命名源自拉丁文 Alumen，在歐洲這是對具有收斂性礬的總稱。英文名稱為 Aluminium，元素符號為 Al。

鋁在自然界中主要以礬土礦(bauxite ore)形式存在，它是一種含有雜質的水合氧化鋁礦。鋁元素在地殼中的含量僅次於氧和矽，名列第三(8%)。在全部金屬元素中鋁占第一位，它比鐵幾乎多了一倍，是銅的近千倍。

金屬鋁是一種質輕、銀白色有光澤的金屬，密度為 2.7g/cm³，熔點為 930K，沸點為 2740K，它具有良好的延展性和導電性，能代替銅用來製造電線、電壓電纜、發動機等電器設備。 Al 原子的價電子組態為 3s²3p¹，在化合物中氧化數經常為 +3 價。由於 Al³⁺ 有相當大的極化能力，在化合物中常會顯現相當的共價性，表現出缺電子特性。分子可自身聚合或生成加合物。又因 Al 原子有空的 3d 軌域，與具有孤對電子(lp)之電子給予體能形成配位數是 6 或 4 的穩定錯合物。

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[高瞻自然科學教育資源平台] 鉈(Thallium)

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1861年英國化學家和物理學家克魯克斯(Crooks W.)在用光譜分析鑑定硫酸礦的殘渣時，發現兩條從來沒有見過的、帶有新綠色的譜線，他斷定殘渣中必定含胝一種新元素，並把它命名為「Thallium」該字源自拉丁文「Thallos」，意思是「剛發芽嫩枝」，即綠色。中文音譯為鉈，次年，克魯克斯用電解法製備出單質鉈。鉈在地殼中的含量為千萬分之三，以低濃度分佈在長石、雲母和閃鋅礦中。鉈是灰白色、重而軟的金屬，熔點 304℃，沸點 1457℃，密度為 11.85g/cm³，硬度 1.2~1.3。室溫下，鉈就能與空氣中的氧作用，失去光澤變得灰暗，生成厚的氧化亞鉈 Tl₂O 膜。鉈與氧作用還可生成 Tl₂O₃。室溫下，鉈能與鹵素作用生成 TlX₃。TlX₃不穩定，TlBr₃、TlI₃不存在。高溫時，鉈能與硫、硒、碲、磷反應。鉈不溶於鹼，與鹽酸作用較慢，但能迅速溶解在硝酸、稀硫酸中，生成可溶性的鹽。

製備：鉈主要是從硫化物礦焙燒的煙道灰中提取的，可用熱水或稀硫酸浸取，再製成氯化亞鉈或還原為金屬。此法所得粗鉈常含有鉛、鋅、鎳等雜質，用熱的稀硫酸溶解鉈，稍加稀釋除去硫酸鉛，再用鹽酸和熱的稀硫酸反復沉澱和溶解，將鉈進一步純化，最後電解為金屬。

鉈的某些化合物對紅外線特別敏感，主要用於紅外線探照燈、紅外線照相、夜視等。某些化合物可做有機合成的催化劑。 鉈及其化合物對人體和生物體都有毒，可以做殺鼠、殺蟲劑，而人食入少量的鉈鹽可使毛髮脫落，致死量為 1.75g 硫酸亞鉈。

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