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

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

圖 10-1 　鹼金屬在週期表的位置

• 鹼金屬的一般性質

藍色深紅色紫色黃色紅色焰色1.873 1.532 0.862 0.971 0.534 密度 *(g/cm3)

678.5 687.9 773.9 883.0 1347 沸點 (C)

28.4439.05 63.65 97.81 180.54 熔點 (C)

1.701.491.380.990.59離子半徑 (Å)

2.652.482.271.861.52原子半徑 (Å)

6s15s14s13s12s1基態價電子組態55 37 19 11 3 原子序

銫 (Cs) 銣 (Rb) 鉀 (K) 鈉 (Na) 鋰 (Li) 　　　　　元素性質

*表中密度為於 20°C下的量測值。

• 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

• 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

(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

• 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

圖 10-3 　鈉金屬的切割

• 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

2(g)(aq)52(s)(l)52 H+ONaH2C2Na+OHH2C

• 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

• 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

(l)23(aq)22(g)(aq) OH+CONaCO+2NaOH

• 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

• 索耳未法

式中所產生的 CO2及 NH4Cl均可回收循環使用

3(s)2(l)22(g)△

3(s)

(aq)43(s)(aq)(l)23(g)2(g)

CONa+OH+CO2NaHCO

ClNH+NaHCONaCl+OH+NH+CO

• 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

• 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

• 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

2(g)3(s)22(g)2(s) 3O+CO2K2CO+4KO

• 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

• 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

• 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

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

圖 10-4 　鹼土金屬在週期表的位置

• 鹼土金屬的一般性質

綠色深紅色紅橙色無色無色焰色3.602.541.551.741.85密度 *(g/cm3)

16371383.91483.610902970沸點 (C)

729769839648.81278熔點 (C)

1.361.131.000.700.27離子半徑 (Å)

2.222.151.971.601.11原子半徑 (Å)

1s21s21s21s21s2基態價電子組態563820124原子序

鋇 (Ba) 鍶 (Sr) 鈣 (Ca) 鎂 (Mg) 鈹 (Be) 　　　　　元素性質

*表中密度為於 20°C下的量測值。

• 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

• 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

• 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

(s)(s)2(g)(s) C+2MgOCO+2Mg

圖 10-5 　鎂和酸反應生成氫氣

• 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

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

• 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

圖 10-8 　鈣在水中產生氫氣，而鎂在水中則無反應

• 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

2+3(s) 2(g) 2 (l) (aq) 3 (aq)CaCO +CO +H O Ca +2HCO

(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

• 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

2(g)(s)△

3(s) CO+CaOCaCO

• 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

熱+Ca(OH)OH+CaO 2(s)(l)2(s)

(l)23(s)2(g)2(s) OH+CaCOCO+Ca(OH)

• 自然界中存在的硫酸鈣俗稱石膏 (CaSO4． 2H2

O)，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

• 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

圖 10-10 　病患服食硫酸鋇做 X 光照相，供胃腸潰瘍的診斷

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

• 鋁、錫、鉛的一些性質

7.29 （，白錫）11.345.77 （α，灰

錫）2.698密度 *(g/cm3)

175126232467沸點 (°C)

327232660.37熔點 (°C)

1.180.930.53離子半徑 (Å)

1.751.411.43原子半徑 (Å)

6s6p25s5p23s3p1基態價電子組態825013原子序

鉛 (Pb) 錫 (Sn) 鋁 (Al) 　　　　　　元素性質

*表中密度為於 20°C下的量測值。

• 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

2(g)(l)電解

3(l)2 3O+4AlO2Al

圖 10-11 　鋁電解槽

• 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

(l)3(l)2△

(s)3(s)2 2Fe+OAl2Al+OFe

• 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

圖 10-12 　含氧化鋁的寶石

• 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

• 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 (SnO

2)還原而得金屬

(g)(l)(s)2(s) 2CO+Sn2C+SnO

• 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)

• 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

2+ - +(aq) 4(aq)

4+ 2+(aq) (aq) 2 (l)

5Sn +2MnO +16H

5Sn +2Mn +8H O

圖 10-13 　氯化亞錫

• 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

(s)44(s)(g)23(g)4(g) Cl4NH+Sn(OH)O4H+4NH+SnCl

• 鉛金屬可作防腐材料、抵抗輻射之鉛板、鉛蓄電池及合金等用途，可利用碳將氧化鉛還原而得鉛金屬

2(g)(l)(s)(s) CO+2PbC+2PbO

• 在鉛的化合物中，鉛亦有 +2及 +4兩種氧化數，其中 Pb (II)是比較常見的形式，而 Pb(IV)的化合物亦具有相當大的共價性

圖 10-14 　鉛的氧化物(a) 一氧化鉛 (b) 二氧化鉛

• 一氧化鉛 (PbO)俗稱密陀僧，為淡黃色結晶粉末，用於製玻璃、琺瑯、釉藥及其他鉛化物。

• 四氧化三鉛 (Pb3O4)俗稱鉛丹，為鮮紅色粉末，可由一氧化鉛在空氣中加熱至 500°C而得，四氧化三鉛可與油類相混合塗於鐵器以防止生鏽

4(s)32(g)(s) O2PbO+6PbO

• 二氧化鉛 (PbO2)為棕色粉末，可做氧化劑，用於製造鉛蓄電池的正極極板。

• 鉻酸鉛 (PbCrO4)俗稱鉻黃，為黃色粉末，是重要的黃色顏料。

• 鉛白為鹼式碳酸鉛（ 2PbCO3·Pb(OH)2），是白色粉末，作為白色顏料或塗料

10-4　過渡金屬及其化合物

• 在週期表中央的金屬元素，介於第 2族（ IIA族）和第 13族（ IIIA族）元素之間，這些金屬總稱為過渡元素 (transition elements)

• 都具有金屬光澤，是電與熱的良導體，除了鋅、鎘和汞以外，熔點和沸點大都很高

• 化合物大部分具有多種氧化態，例如錳具 +2、+3、 +4、 +6及 +7等氧化數，少部分僅具一種氧化數，例如鈧為 +3，鋅為 +2

• 在化學反應中，大都涉及氧化還原反應，且過渡金屬所形成的化合物大都具有顏色

圖 10-15 　過渡元素在週期表中的位置

10-4-1　第一列過渡金屬及其化合物

• 週期表中，緊鄰於鈣之後的第一列過渡元素共有十個，依次為：鈧 (Sc)、鈦 (Ti)、釩 (V)、鉻 (Cr)、錳 (Mn)、鐵 (Fe)、鈷 (Co)、鎳 (Ni)、銅 (Cu)、鋅 (Zn)

• 第一列過渡金屬元素的性質

7.148.938.918.807.877.477.196.114.552.99密度 *(g/cm3)

907256727322870275019622672338032872831沸點 (C)

1.251.171.151.161.171.171.181.221.321.44原子半徑(Å)

3d104s23d104s13d84s23d74s23d64s23d54s23d54s13d34s23d24s23d14s2基態價電子組態

30292827262524232221原子序

鋅銅鎳鈷鐵錳鉻釩鈦鈧　　　元素性質

*表中密度為於 20°C下的量測值。

• 鈧屬於稀有金屬，僅以 +3氧化數存在，如 ScCl3。由於存量少，故未被廣泛使用

• 鈦具有低密度、高強度及抗化學侵蝕的特性，可作為良好的結構材料。

• 二氧化鈦 (TiO2)俗稱鈦白，價廉且無毒性，為高度不透明的物質，可作白色塗料，可添加於化妝品、紙、塑膠、橡膠、塗料等

• 奈米級二氧化鈦可做光觸媒，具有抑菌、殺菌、脫臭、自淨性等特性，是熱門的環保用品

圖 10-16 　二氧化鈦可做白色顏料

• 釩具有硬性及抗腐蝕的特性，常與鐵及鈦混合做成合金，可用於汽車材料

• 接觸法製硫酸時使用五氧化二釩 (V2O5)為催化劑，可將 SO2 轉變成 SO3

• 在鉻化合物中，例如 CrCl2, CrCl3, K2CrO4

鉻具有 +2、 +3及 +6等氧化數，其水溶液具有不同的顏色

圖 10-17 　鉻化合物水溶液具有不同的顏色

• 三氧化二鉻 (Cr2O3)俗稱鉻綠，為墨綠色不溶性粉末，性極安定，可作綠色顏料。將二鉻酸銨（ (NH4)2Cr2O7）加熱，即可得鉻綠

2(g)(g)23(s)2△

7(s)224 N+O4H+OCrOCr)(NH

圖 10-18 　二鉻酸銨加熱分解產生鉻綠

• 鉻酸鉀 (K2CrO4)為黃色，二鉻酸鉀 (K2Cr

2O7)為橘紅色，兩者的水溶液，可藉調整 pH值而互相轉換

2 + 24 (aq) (aq) 2 7 (aq) 2 (l)2CrO +2H Cr O +H O

( ) ( )

黃色 橘紅色

圖 10-19 　鉻酸鉀與二鉻酸鉀的轉換

酸液

• 鉻酸鉀在鹼性液中可當作沉澱劑，和一些金屬陽離子形成沉澱物，例如黃色鉻酸鋇 (BaCrO4)、黃色鉻酸鉛 (PbCrO4)、磚紅色鉻酸銀 (Ag2CrO4)等沉澱物

• 二鉻酸鉀是極好的氧化劑，例如在酸性溶液中，二鉻酸鉀可將 Fe2+氧化成 Fe3+

(aq)+3

(l)2(aq)+3

(aq)+2

(aq)+

(aq)272 6Fe+O7H+2Cr6Fe+14H+OCr

• 錳的氧化數多變化，顏色亦不同• 常見的化合物是二氧化錳 (MnO2)、錳酸鉀 (K2MnO4)和過錳酸鉀 (KMnO4)，都是強氧化劑

• 二氧化錳是黑色粉末，為錳礦的主要成分，可供製造火柴及實驗室中製氯、溴、碘之用，亦作為製陶瓷器及玻璃之著色劑，以及製造其他錳化合物的原料

• 錳的氧化數及顏色

紫色MnO4? （過錳酸根離子） +7

綠色MnO42? （錳酸根離子）+6

黑褐色MnO2 （二氧化錳） +4

桃紅色Mn3+ （錳 (III) 離子） +3

無Mn2+ （錳 (II) 離子） +2

顏　色離子或化合物氧化數

• 在鐵的化合物中，鐵有兩種常見的氧化數，即 +2和 +3。具有 +2電荷者為亞鐵化合物，如氯化亞鐵 (FeCl2)；具有 +3電荷者為鐵化合物，如氯化鐵 (FeCl3)

• 亞鐵化合物較不安定，易受氧化而轉變成鐵化合物

圖 10-20 　氯化亞鐵的外觀

• 鈷的主要用途是作為合金 (alloy)，其化合物也有兩種常見的氧化數，即 +2和 +3

• 具有 +2電荷的鈷化合物比較安定，例如粉紅色的氯化亞鈷晶體 (CoCl2． 6H2O)，脫水即變為藍色

圖 10-21 　含水氯化亞鈷脫水後顏色的改變

• 鎳的主要用途亦是作為合金，化合物中以 +2價者最為安定，而 Ni2+非常不容易轉變成 Ni3+，鎳離子 Ni2+呈綠色

圖 10-22 　鎳離子 (Ni2+) 呈綠色

• 在銅的化合物中，銅也有兩種氧化數，即 +1和 +2。具有 +1電荷者為亞銅化合物，例如氧化亞銅 (Cu2O)，可用於製造紅色玻璃或船底漆；具有 +2電荷者為銅化合物，例如氧化銅 (CuO)，可作為黑色顏料或弱氧化劑

• 銅 (I)較不安定，易氧化成銅 (II)。藍色的含水硫酸銅晶體 (CuSO4． 5H2O)又稱藍礬或膽礬，用於電鍍、精製銅、木材防腐、游泳池消毒以及製造農藥、殺蟲劑等

圖 10-23 　銅的化合物

(a) 氧化銅（黑色）和氧化亞銅（紅色）

(b) 硫酸銅晶體

• 銅在潮濕的空氣中，會氧化產生銅綠，其反應過程複雜，大致上可以表示成

(s) 2 (l) 2(g) 2(g) 3 2(s)2Cu +H O +CO +O CuCO Cu(OH)

銅綠（鹼式碳酸銅）

• 鋅的化學性質活潑，在潮濕空氣中存放，表面會生成鹼式碳酸鋅（ ZnCO3． Zn(OH)2），可保護內部，例如白鐵即為在鐵的表面上鍍鋅，具有防止鐵生鏽的效果

• 化合物中的鋅只有一種 +2價氧化數，例如硫化鋅 (ZnS)可作為電視螢光幕的發光材料

10-4-2　金屬錯合物

• 過渡金屬可形成錯合物，錯合物是現代無機化學的重要研究對象，廣泛運用於生物化學、分析化學、電化學、催化反應等

• 在過渡金屬的化合物中，有些是以中性金屬原子或其陽離子為中心，利用其低能量的空價軌域與具有孤電子對 (lone pair)之陰離子或分子以共價鍵結合的帶電荷或中性原子團。這種帶電荷或中性的化合物稱為錯合物 (complex)或配位化合物 (coordination compound)，習慣上以中括弧 [ ]表示錯合物的部分

• 帶電荷的錯合物稱為錯離子 (complex ion)，錯離子和其相反電荷的相對離子 (counter ions)形成錯離子化合物，如 [Ag(NH3)2]Cl為一典型錯離子化合物， [Ag(NH

3)2]+即為錯離子，與中括號外的 Cl?離子形成離子化合物

• 在固體時，此化合物由陽離子 [Ag(NH3)

2]+和陰離子 Cl? 堆積組成。此離子固體溶於水時，解離成陽離子和陰離子

(aq)(aq)+

23OH

(s)23 Cl+])[Ag(NH]Cl)[Ag(NH 2 錯離子 離子

• 在金屬錯合物中，與金屬共價鍵結的離子或分子稱為配位基 (ligand)，配位基中提供電子對與金屬結合的原子，稱為電子予體原子 (electron donor atom)。配位基可以是具孤對電子的分子，如 H2O或 NH3，亦或是陰離子，如 CN?或 Cl?，例如： [Cu(NH3)4]2+氨銅錯離子中，中心粒子為 Cu2+，配位基為 NH3； [Fe(CN)6]?鐵氰錯離子中，中心粒子為 Fe3+，配位基為 CN?

• 與中心金屬鍵結的電子予體原子總數稱為配位數 (coordination number)。例如： K3[Fe(CN)6]、 K4[Fe(CN)6]等的配位數皆為 6。錯合物的配位數數目決定其分子形狀

• 配位數為 2, 4及 6的配位基排列方式

Fe(CN)64?

Fe(CN)63?

6

Pt(NH3)42+

Zn(NH3)42+

4

Ag(NH3)2+2

例　子幾何形狀配位數

• 具有一個電子予體原子的配位基稱為單牙基 (unidentate)，如： NH3、 H2O、 Cl?、 CN?等。

• 一個配位基具有兩個或兩個以上的電子予體原子，此配位基稱為多牙基 (polydentate)。如草酸根（ C2O4

2?，簡寫為 ox）或乙二胺（ H2NCH2CH2NH2，簡寫為 en）都是雙牙基 (bidentate)，其一個配位基可提供二個電子予體原子與中心金屬相結合

(a) 草根酸 (b) 乙二胺

圖 10-24 　雙牙基

圖上箭頭表示電子予體原子提供電子對給中心金屬

• 乙二胺四乙酸根（ ethylenediaminetetraacetate，簡寫為 EDTA）為六牙基 (hexadentate)，其配位基可提供六對孤對電子與中心原子或其陽離子相結合

• EDTA可與大部分金屬離子形成穩定錯離子，所以 EDTA又被稱為去除有毒重金屬的「終結者」，例如 EDTA可從人體體內排除重金屬鉛或用來分析溶液中金屬離子的含量

• 在清潔劑中添加 EDTA，可利用其鉗合力清除衣物的金屬物質，達到洗淨效果

(a)EDTA (b)EDTA 與金屬形成之錯合物

圖 10-25 　六牙基金屬錯合物

• 多牙基與金屬所形成之錯合物稱為鉗合物 (chelate)，其穩定性會高於單牙基所形成之錯合物。例如用草酸溶液除去鐵鏽時，其反應式為

(aq)3

342(aq)242(aq)

3 ])O[Fe(CO3C+Fe +

圖 10-26 　三草酸鐵 (III) 離子

錯離子 [Fe(C2O4)3]3?的結構中，過渡金屬陽離子 Fe3+雖然只與三個草酸根結合，但草酸根為雙牙基，故對 Fe3+而言，配位數仍為 6

• 亞鐵氰化鉀 (K4[Fe(CN)6] ． 3H2O)為含三分子結晶水之黃色晶體，俗稱黃血鹽，易溶於水，生成亞鐵氰離子 [Fe(CN)6]4?。此離子遇鐵鹽溶液則生成深藍色沉澱，稱作普魯士藍 (Prussian blue)，為高貴的藍色顏料

3+ 4(aq) 6 (aq) 4 6 3(s)4Fe +3[Fe(CN) ] Fe [Fe(CN) ]

• 鐵氰化鉀 (K3[Fe(CN)6])為不含結晶水之赤紅色晶體，俗稱赤血鹽。鐵氰化鉀可溶於水，生成鐵氰離子 [Fe(CN)6]3?，此離子遇亞鐵離子亦生成深藍色沉澱，稱為滕氏藍

• 目前已知滕氏藍與普魯士藍相同，為亞鐵氰化鐵 Fe4[Fe(CN)6]3，而非早期所述之鐵氰化亞鐵 Fe3[Fe(CN)6]2

圖 10-28 　赤血鹽圖 10-27 　黃血鹽

• 錯合物在生物界中佔有重要的地位，其中最為人熟知的兩種錯合物為原血紅素 (heme)及葉綠素 (chlorophyll)

• 原血紅素為含鐵之錯合物，以 Fe2+為中心原子；而葉綠素為含鎂的錯合物，以Mg2+為中心原子，二者的結構很相似，皆以含 N的原子為配基形成錯合物

• 原血紅素為血紅素 (hemoglobin)之一部分，即血液中紅血球的紅色質。血紅素的重要功能為運送氧氣，藉著血紅素的鐵 (II)和 O2之結合，而將氧氣由肺部運送到組織細胞中。

• 葉綠素為植物葉中的綠色質，會吸收陽光行光合作用

圖 10-29 　血紅素的化學結構

圖 10-30 　葉綠素的化學結構

10-5　合　金

• 合金 (alloy)的組成元素，通常以金屬為主，但非金屬和金屬元素也可以組成合金，例如鋼即為鐵與少量碳所形成的合金

• 金屬元素形成合金時，許多性質會隨之改變。若和純金屬比較，一般而言，合金的硬度較高、表面較不易氧化，而熔點較低、延展性、導電及導熱性則較差。例如銅加入少量錫時稱為青銅，其硬度就比純銅高。

• 合金的性質會隨著組成元素的不同種類和比例，產生很大差異，因此適當的選用組成合金的元素種類，控制其成分比例，可得到不同用途的合金材料

圖 10-31 　毛公鼎是西周時代有名的青銅器

• 除了青銅之外，常見的銅合金，尚有含鋅的黃銅，及含鎳的白銅。黃銅用來製造銅器、樂器及門把等，現在的硬幣則多採用含有大量鋅及鎳的銅合金

(a) 樂器 (b) 硬幣圖 10-32 　銅合金之應用

• 常見的鐵合金– 含碳量在 1.5%以下的鋼– 含碳量在 2%到 5%左右的生鐵（或叫鑄鐵）

– 約含 18%鉻、 8% 鎳的合金（不鏽鋼）

(a) 鑄鐵柵欄 (b) 不鏽鋼餐具圖 10-33 　鐵合金之應用

• 鎂具有質輕且密度低又強韌的特性，常用來製造合金，例如鎂鋁合金的強度高並耐高溫，應用廣泛

• 鎂鋰合金是比重最輕的合金，可用以製造質輕的產品

(a) 汽車發動機 (b) 筆記型電腦之外殼

(c) 相機機身 (d) 高爾夫球桿的桿頭圖 10-34 　常見鎂的合金產物

• 鋁的特點亦是質輕（密度約為鐵的三分之一），而且延展性非常好

• 鋁早期因無法大量生產，又因其熔點 (660.37°C)較低且強度較差，所以並未被廣泛利用

• 後來發現只要在鋁中加入少量錳，就可增加其強度；若繼續摻入少量銅、鋅和鎂，即成為一種輕鋁合金，稱為堅鋁，在二次大戰期間，曾被應用於製造飛機

• 現代日常生活和工業大量使用鋁合金

• 鈦也是輕金屬，但熔點 (1660°C)卻遠高於鋁，強度也比鋁高得多

• 在鈦中添加鋁、釩等形成鈦合金，具有重量輕、強度大、彈性高、耐熱且耐低溫、耐腐蝕等優良特性，剛開始被廣泛應用在太空及航空科技上，如飛機、導彈、火箭和太空船等，被譽為「未來的金屬」，是具有相當發展前途的材料

• 目前已在化工業、發電廠、醫療設備、鐘錶、電腦、廚具、人工骨骼、人工植齒與牙套等許多工業及消費產品中加以利用

(a) 鏡框 (b) 錶帶 (a) 手鍊

圖 10-35 　鈦合金之應用

• 金的質地柔軟，常和銀、銅等金屬熔製成合金，以增加其硬度並改變其光澤

• 純金為二十四開金（ K金），而十八開金（ K金）即表示含 75%金及 25%的其餘金屬。開金除應用於戒指、項鍊等裝飾品外，亦應用於製作鋼筆

圖 10-36 　鋼筆筆尖多由十八開金製成