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

圖 9-1 　非金屬元素在週期表的位置

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

436鍵解離能（千焦耳／莫耳）0.074鍵長 (nm)0.0898密度（克／升，在 STP下）?253沸點 (°C)?260熔點 (°C)

• 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 19

37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

(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

• 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

• 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

(g)2(g)△ Ni,

(g)24(g) CO3HOHCH

(g) 2 (g) 2(g) 2(g)CO H O H CO 催化劑

• 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

圖 9-3 　水的電解

2(g)2(g)電解

(l)2 O2HO2H

• 在實驗室中製備氫，可利用鋅粉和稀鹽酸反應(aq)

22(g)(aq)(s) ZnH2HZn

圖 9-4 　實驗室中製備氫的裝置

• 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

(aq)2(g)(l)2(s) 2NaOHHO2H2Na

(aq)2(g)(l)2(s) LiOHHOHLiH

• 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

2(g) (g) 3 (l)2H CO CH OH 催化劑

(s)(g)2(s)2(g) CuOHCuOH

－C－C－H－C＝C－ Pt(g)2

H∣ H∣ H∣ H∣∣H

∣H

3(g)C500 atm, 200

2(g)2(g) 2NHN3H

鐵粉催化

• 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

圖 9-5 　氫燃料電池構造示意圖

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 ga

s)• 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

• 稀有氣體的物理性質

?9.73?71?61.8222.086Rn氡 *8.7×10?45.85?112?107.1131.354Xe氙1.14×10?33.70?156.6?152.983.8036Kr氪9.34×10?11.78?189.2?185.739.9518Ar氬1.82×10?30.900?248.7?245.920.1810Ne氖5.20×10?40.178?272.2?268.94.00312He氦空氣中佔有體積百分率 (%)

密度（克 /升） (STP)熔點 (°C)

沸點 (°C)

原子量原子序符號元素

註： *表示放射性氣體。

• 這些元素是由英國化學家拉姆塞在 1894～ 1898年間陸續發現的

圖 9-6 　拉姆塞

• 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

• 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

圖 9-7 　氖常用以製造廣告招牌的霓虹燈

• 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，避免金屬氧化圖 9-8 　填充氬氣的燈泡可以延長使用的壽命

• 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

圖 9-9 　裝了氙的探照燈

圖 9-10 　氙與氟在 400°C 反應生成的穩定化合物 XeF4

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

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

圖 9-11 　可盛裝液態空氣的杜瓦瓶

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

• 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

圖 9-12 　鹵素的蒸氣顏色（由左至右為碘、氯、溴）

• 鹵素的特性

較弱強很強最強氧化力較不活潑活潑很活潑最活潑化學性質

2.161.951.811.36離子半徑(Å)

1.331.140.990.71原子半徑(Å)

18459? 34? 188沸點 (°C)114? 7? 101?200熔點 (°C)5335179原子序I2 Br2 Cl2 F2分子式

紫黑色固體暗紅色液體黃綠色氣體淡黃色氣體室溫時外觀碘溴氯氟　　　元素性質

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

2(g)2(g)電解

(l) FH熔鹽）KF（2HF

• 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

圖 9-13 　氟化氫蝕刻的玻璃

• 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

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(l)22(g)2(aq)

△(s)2(aq) O2HClMnClMnO4HCl

(aq)2(g)2(g)電解

(l)2(aq) 2NaOHHClO2H2NaCl

• 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 (CH2　 CHCl) 。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

圖 9-14 　游泳池水中常加氯以消毒

• 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

4(aq)2(g)4(aq)2(s) SONa2HClSOH2NaCl

• 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

(aq)(aq)(l)22(g) HCl+HOClOH+Cl

2(g)(s)△,MnO

3(s) 3O+2KCl2KClO 2

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

(aq)2(l)2(g)(aq) 2ClBrCl2Br

(aq)(aq)3232(aq)

232(s) Br)OAg(SO2SAgBr

圖 9-15 　軟片上塗有溴化銀

9-4-4　碘• 碘在室溫下為紫黑色固體，遇熱時會昇華

圖 9-16 　碘遇熱昇華

• 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

圖 9-17 　澱粉溶液用碘檢驗呈藍色

圖 9-18 　鹵化銀沉澱

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

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

圖 9-19　氧與硫在週期表的位置

• 氧與硫的性質O2S8

1.270.73原子半徑 (Å)444.6?183.0沸點 (C)

112.8 （斜方）、119.0 （單斜）?218.8熔點 (C)

168原子序S8 O2分子式

黃色固體無色氣體室溫時外觀硫氧　　　　　元素性質

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

• 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。

3(aq)2(l)22(g) SOHOHSO

(aq)(l)2(s)2 2NaOHOHONa

• 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

285.35 2O3O 3(g)2(g) H

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 su

lfur)

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

• 斜方硫可由蒸發硫的二硫化碳溶液製得，是室溫下硫最穩定的形式• 將斜方硫緩慢加熱至 95.6°C時，會逐漸轉變成長針形單斜硫• 將硫粉加熱熔化後，將其倒入冷水中快速冷卻即可得到彈性硫，又稱無定形硫，它在常溫下會逐漸變回斜方硫。斜方硫與單斜硫均以冠形

S8分子為構成單位圖 9-21 　冠形 S8 分子

• 硫在工業上最重要的用途是製造硫酸 (sulfuric acid)

• 從磷酸岩礦中製造肥料、鉛蓄電池的電解液及各種化學工業製程等均需要硫酸，硫酸的生產量反映一個國家傳統化學工業的水準，所以硫酸號稱化學工業之母• 早期 17世紀採用鉛室法 (lead chamber process)製造硫酸，現代通常採用接觸法 (contact proces

s)製造硫酸，

• 接觸法

4(aq)2(l)27(aq)22

7(aq)224(aq)23(g)

3(g)OV

2(g)2(g)

2(g)2(g)8(s)

SO2HOHOSH

OSHSOHSO

2SOO2SO

8SO8OS52

• 實驗室中所用的濃硫酸濃度為 98%，相當於 18 M，具有很強的脫水性，可將有機物如木頭或蔗糖脫水成焦碳，因此氧氣、氮氣、二氧化硫等氣體的製備在乾燥時可使用硫酸當脫水劑

• 濃硫酸在稀釋時會放出大量的熱，因此稀釋硫酸的正確方法是要將硫酸緩慢地倒入水中，反之若將水倒入濃硫酸中，易造成飛濺而發生意外傷害

圖 9-22 　硫酸的強脫水性可使糖在極短的時間變成焦碳

9-6　氮與磷及其化合物• 氮 (N, nitrogen)與磷 (P, phosphorus)是在週期表右側的第 15 族（ VA 族）元素，具 ns2np3的價電子組態

• 氮與磷的性質N 2P4

1.280.92原子半徑 (Å)280 （白磷）?196沸點 (°C)

44 （白磷）、 592 （紅磷）?210熔點 (°C)157原子序P4 N2 分子式

白蠟狀固體（白磷）、紅色固體（紅磷）無色氣體室溫時外觀磷氮　　　元素性質

9-6-1　氮• 自然界的氮，大都以氮分子 N2 形式存在於空氣中，佔體積的 78.1% （約為五分之四），是一種無色、無臭、無味的氣體• 氮氣的化學性質不活潑，不能自燃，也不能助燃，在常溫下幾乎不與任何元素反應，若在高溫時可與氧化合生成一氧化氮

• 有些活潑的金屬（如 Li、 Na、Mg等）可和氮反應生成氮化物，例如鎂可和氮反應生成黃色的氮化鎂• 氮化鎂遇水即產生氨氣，其反應式為因此可用鎂的氮化反應檢驗氮氣的存在

2(s)3△

(s)2(g) NMg3Mg+N

(g)32(s)(l)22(s)3 2NH+3Mg(OH)O6H+NMg

• 工業上製造氮氣的最大來源是分餾液態空氣，而在實驗室中則可經由加熱亞硝酸鈉和氯化銨的混合物製得氮氣(l)2(s)2(g)

△(s)42(s) O2H+NaCl+NClNH+NaNO

圖 9-23 　從亞硝酸鈉及氯化銨的混合物中製備氮的裝置

• 液態氮在常壓時沸點甚低，可當作低溫冷卻劑，將液態氮注入室溫的桌面上時，由於溫度比氮的沸點高了 200°C，因此液態氮會發出嘶嘶聲響，並且劇烈地變成氣體散開圖 9-24 　液態氮於室溫下汽化

• 氨為無色、有刺激臭味的氣體，大量的使用於肥料、硝酸的製造。工業上採用哈柏法製氨，實驗室則利用熟石灰與氯化銨共熱製得(l)22(s)3(g)

△(s)42(s) O2H+CaCl+2NHCl2NH+Ca(OH)

• 硝酸 (HNO3)是氮的重要化合物之一。硝酸為無色、有刺激性氣味的發煙液體，但在陽光照射下，會分解出二氧化氮 (NO2)，而使久置的硝酸呈現黃色

圖 9-25 　純硝酸呈無色（左瓶），於陽光下久置時，因產生紅棕色的二氧化氮溶解其中，使硝酸呈黃色（右瓶）

• 濃硝酸含有 70% HNO3 （濃度為 15 M），蛋白質遇濃硝酸則變黃，如皮膚不慎碰觸濃硝酸會變黃色

圖 9-26 　蛋白質過濃硝酸變黃反應呈現黃色

• 工業上製造硝酸採用奧士華法（ Ostwald process ），此法是以氨與空氣為原料，通過鉑銠合金當催化劑並加熱產生一氧化氮，再將其與空氣反應產生二氧化氮，最後將產物通入水中生成硝酸，並回收一氧化氮循環反應

• 奧士華法

(g)3(aq)(l)22(g)

2(g)2(g)(g)

(g)2(g)CPt/Rh,900

2(g)3(g)

NO+2HNOOH+3NO

2NOO+2NO

O6H+4NO5O+4NH

• 硝酸是強氧化劑，其氧化能力與溫度、濃度及還原劑的性質有關，例如銅與濃硝酸反應會產生二氧化氮紅棕色氣體

圖 9-27　銅與濃硝酸反應產生紅棕色二氧化氮

(l)22(g)2(aq)33(aq)(s) O2H+2NO+)Cu(NO（濃）4HNO+Cu

• 若銅與稀硝酸加熱反應則產生一氧化氮無色氣體，但鋅與稀硝酸反應產生既不產生一氧化氮，也不產生二氧化氮，主要是產生銨離子。硝酸除用於製造硝酸銨作為氮肥外，亦可用於製造炸藥(l)23(aq)42(aq)33(aq)(s)

(l)2(g)2(aq)3△

3(aq)(s)

O3H+NONH+)4Zn(NO（稀）10HNO+4Zn

O4H+2NO+)3Cu(NO（稀）8HNO+3Cu

• 疊氮化鈉 (NaN3)應用在汽車的安全氣囊，可在瞬間釋出大量氮氣充填氣囊而保護乘員(s)2(g)3(s) 2Na+3N2NaN

圖 9-28 　汽車的安全氣囊

9-6-2　磷• 元素磷有數種同素異形體，在常壓下常見的有白磷（或稱黃磷） (white phosphor

us)及紅磷（或稱赤磷） (red phosphorus)兩種• 磷的主要用途為製造肥料、火柴、有機磷農藥，軍事上可供製造燃燒彈和煙幕彈

圖 9-29 　磷的同素異形體：貯存於水中的白磷（左）和置於錶玻璃上的紅磷（右）

• 白磷有毒而且化性活潑，燃點約 35°C，因此在空氣中能自燃，必須儲存在水中。白磷是以 P4為單位的固體，其分子形狀為以四個磷原子所構成的正四面體

(a) 白磷 (b) 紅磷圖 9-30 　磷分子的結構與特性

• 在空氣不足且潮濕的環境中，白磷會緩慢氧化而發出磷光• 白磷與鹵素發生強烈的直接化合反應，其主要產物是 PX3或 PX5

• 高溫下，白磷可與活潑金屬（如鈉、鈣）反應，生成磷化物（如磷化鈉 (Na3

P)與磷化鈣 (Ca3P2) ）

• 紅磷可由白磷在真空下加熱至 250°C，或以光線照射而形成，常溫下紅磷在空氣中較白磷穩定，加熱至 400°C才會燃燒，毒性較低• 白磷可溶於苯和醚類，但紅磷則否• 紅磷亦能與鹵素反應，但要在較高的溫度才能進行

• 白磷在缺乏氧氣或空氣不充分的條件下，氧化生成白色氧化磷 (III) （或 P4O6 ）結晶。氧化磷 (III)加入冷水後變成亞磷酸(H3PO3, phosphorous acid)

• 將磷的鹵化物 PX3 溶於水，亦可反應生成亞磷酸3(aq)3(l)26(s)4 PO4HO6H+OP

(aq)3(aq)3(l)23 3H+POHO3H+P XX

• 白磷在充足的空氣存在下燃燒時，即產生氧化磷 (V) （或 P4O10 ）。氧化磷 (V)是很強的乾燥劑 (desiccant)，與水反應可產生磷酸 (H3PO4, phosphoric acid)

• 將磷的鹵化物 PX5 溶於水，亦可反應生成磷酸，其反應式為4(aq)3(l)210(s)4 PO4HO6HOP

(aq)4(aq)3(l)25 5HPOHO4HP XX

圖 9-31 　氧化磷 (III) 及氧化磷 (V) 的結構

• 磷酸和它的衍生物是重要的工業化學品，用途廣泛，磷酸鹽可做食物添加劑、清潔劑、軟水劑、農藥等，磷酸鹽肥料可促進植物生長，但過度使用磷化物也加速造成河川和湖泊的優養化現象

圖 9-32 　磷酸鹽肥料造成河川和湖泊的優養化

9-7　碳與矽及其化合物• 碳與矽在週期表中屬於同一族（ IVA 族或第 14 族），它們的價電子組態均為 ns2np2

• 碳為非金屬，是生命體中組成分子的基本架構• 矽為類金屬，高純度的矽是半導體工業的材料，在自然界裡以矽化合物的形式分布於各種地質、土壤之中

圖 9-33　碳與矽在週期表的位置

• 碳與矽的性質

1.180.91原子半徑 (Å)2677?沸點 (C)14103527 （石墨）熔點 (C)

146原子序SiC元素符號

灰白色固體黑色固體（石墨）、透明晶體（金剛石）室溫時外觀矽碳　　　　元素性質

• 碳在自然界中有兩種常見的同素異形體，即石墨和金剛石（或鑽石）

(a)石墨 (b) 金剛石圖 9-34 　碳的同素異形體

• 石墨的碳原子與臨近的三個碳原子以共價鍵結合，形成六角形的平面網狀結構，其層面間的連結力不強，容易滑動鬆脫，因此常被用作鉛筆的材質。因為每個碳原子還有一個價電子可移動，所以石墨具有導電性，可當作電極

• 將碳化合物纖維材質（如嫘縈 rayon ）經高溫處理後，表面的碳原子形成薄層的石墨結構，此種物質就是碳纖維 (carbon fiber)

• 碳纖維可強化塑膠製品，不但輕巧而且更加堅韌，應用在自行車體、釣魚桿、高爾夫球桿、降落傘、貨櫃繩索等製品

圖 9-35 　碳纖維（直徑 7 μm ）

• 金剛石的碳原子以四面體結構與臨近的四個碳原子以共價鍵結合，形成透明堅硬的網狀固體，為不良導體，硬度為所有物質中最大者，故在工業上應用於切割或鑽磨。 1955年，美國科學家在約 2500°C、 100000大氣壓下，成功地將石墨轉換成為鑽石

kJ/mol 2.9=Δ （鑽石）C（石墨）C H

• 1985年，化學家發現碳的另一種同素異形體 C60

• C60是由 60 個碳原子所組成，由 12 個五邊形及 20 個六邊形排列形成足球狀的分子，其連結的形式與石墨非常類似，也稱為巴克球 (buckyball)結構

圖 9-36 　 C60 的結構和足球類似

• 日常生活中常見的含碳化合物主要是一氧化碳和二氧化碳• 一氧化碳是由於碳或含碳化合物，在氧或空氣不足時不完全燃燒而生成。 CO為無色、無臭的氣體，在水中溶解度極小，但與血紅素極易結合，使人體缺氧甚而致死

• 二氧化碳是無色、無臭和無毒的氣體，比空氣重。固態的二氧化碳俗稱乾冰 (dry ice)，可達 ?78°C的低溫，因此常被用做冷凍劑。 CO2是一種很安定的物質，不能燃燒也不會助燃，並且高溫時不易分解，因此常利用碳酸氫鈉 (NaHCO3)與硫酸 (H2SO4)反應產生 CO2來滅火

3(aq) 2 4(aq) 4(aq) 2 (l) 2(g)NaHCO +H SO NaHSO +H O +CO

• 二氧化碳若維持壓力 73 atm，而溫度在 31°C以上時，二氧化碳無法液化，則成為超臨界流體 (supercritical fluid) 。超臨界流體是一種和液體相似卻不是液體的流體，兼具液體的溶解性和氣體的穿透力（可通過固體）。• 超臨界流體的二氧化碳在食品工業上萃取咖啡因，進而製造「去咖啡因」的咖啡，也可自食物或藥材中除去污染物，或應用在乾洗衣服的溶劑、清洗奈米半導體晶片等精密材質，由於超臨界二氧化碳無毒、不會燃燒且易回收利用，具備環保、符合「綠色溶劑」之條件

9-7-2　矽• 矽在地殼中的存量僅次於氧，在自然界中以二氧化矽 (SiO2)或矽酸鹽分布於各種岩石、沙礫之中。• 元素矽是由焦碳還原二氧化矽（如石英、白砂）而製得此法製得的矽，純度達 98%左右

(g)(l)△C,3000

(s)2(s) 2CO+Si2C+SiO

• 現代半導體 (semiconductors)工業所使用的高純度矽是先將矽製成 SiCl4，再以活性金屬如鎂、鋅還原，即可獲得高純度（ 99.9999%以上）的矽2(aq)(s)(s)4(l)

4(l)△

2(g)(s)

2ZnCl+Si2Zn+SiCl

SiCl2Cl+Si

圖 9-37 　矽晶片

• 在矽中摻入少量磷可製成 n型半導體• 在矽中摻入少量硼可製成 p型半導體

圖 9-38 　矽與半導體的結晶構造

• 常見的矽化合物有二氧化矽 (SiO2)、碳化矽 (SiC)和各種矽酸鹽等。

• 二氧化矽俗稱矽石，無色透明的石英是純二氧化矽。二氧化矽是安定的化合物，但可與氫氟酸 (HF)反應產生四氟化矽 (SiF4)的氣體化學分析利用這個反應，從反應後的重量變化計量矽的含量

(l)24(g)(aq)2(s) O2H+SiF4HF+SiO

• 矽膠 (silica gel)是由矽酸鹽和酸作用所生成的多孔性顆粒，具膠性且吸水性強，常用作糖果食品包裝內的乾燥劑• 矽石與氫氧化鈉共熱時，可以得到矽酸鈉 (Na2O．xSiO2)，俗稱水玻璃 (water glass)，是水溶性物質，廣泛用於黏著劑、防水及防火劑

• 碳化矽 (silicon carbide, SiC) 俗稱金鋼砂，工業上強熱矽石和煤焦而製得。碳化矽硬度和鑽石相近，用來製造砂輪，可供磨光金屬或切割金屬之用。

圖 9-39 　石英 圖 9-40 　矽膠常用作乾燥劑

• 自然界的矽化合物多以各種矽酸鹽狀態存於各種礦物中• 最簡單的矽酸鹽含有 SiO4

4?離子，稱為正矽酸鹽 (orthosilicates)，其結構是以矽原子為中心的四面體結構• 所有的矽酸鹽都是以 SiO4

4?為基本單位組成的

圖 9-41 　正矽酸鹽的結構

• 自然界中含矽的另一常見礦物，就是鋁矽酸鹽 (aluminum silicates) 。此類礦物包括黏土、沸石等，也都是以 SiO44?為組織基幹的化合物

• 由於 Al3+ 比 Si4+少一個正電荷，鋁矽酸鹽都含有鹼金屬離子以維持電中性，因此黏土和沸石具有離子交換特性