氧化物、過氧化物或超氧化物與其化學猜謎 / 施建輝

星期二 , 21, 六月 2016 Leave a comment

氧化物、過氧化物或超氧化物與其化學猜謎

施建輝

國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
schemistry0120@gmail.com

n  鹼金屬、鹼土金屬與氧氣反應的產物是氧化物、過氧化物還是超氧化物?

鹼金屬、鹼土金屬與氧氣反應時,能形成各種類型的氧化物,包括氧化物(oxide)、過氧化物(peroxide)或超氧化物(superoxide),表1是鹼金屬元素在過量的且乾燥的氧氣中燃燒的產物,可看到鋰生成氧化鋰(Li2O),鈉生成過氧化鈉(Na2O2)和部分超氧化鈉(NaO2),鉀、銣、銫分別生成超氧化鉀(KO2)、超氧化銣(RbO2)與超氧化銫(CsO2)。

1:鹼金屬元素在O2中燃燒的產物
image

鹼金屬、鹼土金屬與氧氣反應時,何時生成氧化物、過氧化物或超氧化物?同一種金屬元素可否在不同條件下生成氧化物、過氧化物或超氧化物?這三種類型的氧化物中,超氧化物O的氧化數為clip_image002,是一個分數,為何是分數?這些困擾高中化學教師多年的問題,筆者試著解析此一問題,希望提供教師們一個清晰的解釋。

n  氧離子(O2)、過氧離子(O22)與超氧離子(O2)的電子組態與其氧化數

1.        氧原子的電子組態為1s22s22p4,氧離子(O2)多了兩個電子,故其電子組態為1s22s22p6。以氧化鋰(Li2O)為例,這是一個離子化合物,由2個鋰離子(Li+)與氧離子(O2)以離子鍵結合,在這個化合物中,O的氧化數為2

2.          氧分子(O2)依據價鍵理論,其結構具有雙鍵、符合八隅體法則(Octet rule),如圖1所示。根據這個結構而言,氧分子應該是逆磁性(diamagnetism)。但是若將液態氧通過磁場,卻發現其被磁場吸引,如圖2所示,表示其具有順磁性(paramagnetism),應該具有未成對的電子,也表示價鍵理論無法真實的呈現氧分子的電子組態,故必須改以分子軌域(molecular orbital)的理論才能解釋此一實驗結果。以分子軌域理論來看氧分子,其價電子之MO2s)2(σ*2s)22px)22py)22pz)2(π*2py)1(π*2pz)1,如圖3所示,可看到各有一個未成對的電子在π*2pyπ*2pz,證實液態氧具有順磁性。

clip_image004

1:氧分子(O2)的結構符合八隅體法則

clip_image006

2:液態氧的順磁性實驗

(圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Paramagnetism

clip_image008

3:氧分子(O2)的分子軌域

3.        過氧化鈉(Na2O2)也是一個離子化合物,由2個鈉離子(Na+)與過氧離子(O22−)以離子鍵結合。過氧離子(O22−)為氧分子(O2)得到2個電子,其價電子之MO2s)2(σ*2s)22px)22py)22pz)2(π*2py)2(π*2pz)2。這2個電子由2個氧原子平分,每個氧原子得到1個電子,故過氧化物中O的氧化數為−1

4.        超氧離子(O2)為氧分子(O2)得到1個電子,其價電子之MO2s)2(σ*2s)22px)22py)22pz)2(π*2py)2(π*2pz)1。這1個電子由2個氧原子平分,每個氧原子平均得到 clip_image010 個電子,故超氧化物中O的氧化數為clip_image002,這就是為何超氧化物的氧會有分數之氧化數的緣故。

n  鹼金屬、鹼土金屬的氧化物

1.        Li和鹼土金屬在O2中燃燒生成氧化物,其反應如式[1][2]所示。

4Li + O2 → 2Li2O    [1]

2M + O2 → 2MO MBeMgCaSrBa    [2]

2.        NaNa2O2反應,可得氧化鈉(Na2O),其反應如式[3]所示。

2Na + Na2O2 → 2Na2O    [3]

3.        KRbCs與硝酸鹽(MNO3)反應,可得氧化物,其反應如式[4]所示。

10M + 2MNO3 → 6M2O + N2 MKRbCs    [4]

n  鹼金屬、鹼土金屬的過氧化物

鹼金屬、鹼土金屬(除Be外)都能生成相對應的過氧化物,但是製備方法各異,敘述如下。

1.          過氧化鋰(Li2O2):LiOH·H2OH2O2反應,經減壓、加熱脫水製得,其反應如式[5]所示。

2LiOH·H2O + H2O2 → Li2O2 + 4H2O    [5]

2.        過氧化鈉(Na2O2):在除去二氧化碳(CO2)的乾燥空氣通入熔融鈉中,控制空氣流量和溫度,即可製得過氧化鈉(Na2O2),其反應如式[6]所示。

2Na + O2 → Na2O2    [6]

說明:過氧化鈉會與二氧化碳反應,生成碳酸鈉(Na2CO3)與氧氣,其反應如式[7]所示。

2Na2O2 + 2CO2 → 2Na2CO3 + O2    [7]

3.        其餘鹼金屬之過氧化物(M2O2)難以用製備過氧化鈉(Na2O2)的方式製得純過氧化物,因為這些過氧化物很容易進一步氧化為超氧化物(MO2)。其製備方式為在低溫下,通氧氣於這些金屬的液氨溶液中製得,其反應如式[8]所示。

2M + O2 clip_image012 M2O2 MKRbCs    [8]

4.        過氧化鎂(MgO2)無法以Mg與氧氣反應獲得,只能在液氨溶液中製得,其反應如式[9]所示。

Mg + O2 clip_image013 MgO2    [9]

5.        過氧化鈣(CaO2)的製備方式是先製得八水合過氧化鈣(CaO2·8H2O),再經脫水而得。八水合過氧化鈣的製備是以CaCl2·6H2OH2O2、氨水為原料反應而得,其反應如式[10][11]所示。

CaCl2·6H2O + H2O2 + 2NH3 + 2H2O CaO2·8H2O + 2NH4Cl    [10]

CaO2·8H2O clip_image015 CaO2 + 8H2O   [11]

6.        過氧化鍶(SrO2)與過氧化鋇(BaO2)則是以SrOBaOO2在一定條件下反應製得,其反應如式[12][13]所示。

2SrO + O22×107Pa clip_image015 2SrO2    [12]

2BaO + O21×105Pa clip_image015 2BaO2    [13]

n  鹼金屬、鹼土金屬的超氧化物

鹼金屬(除Li外)、鹼土金屬(除BeMg外)都能生成相對應的超氧化物,其製備方法敘述如下。

1.        O2NaKRbCs的液氨溶液中製得,其反應如式[14]所示。

M + O2 clip_image016 MO2 MNaKRbCs    [14]

2.        KRbCs於過量的O2中燃燒製得,其反應如式[15]所示。

M + O2(過量) → MO2 MKRbCs    [15]

3.        也可將加壓的O2Na2O2在高溫下反應製得超氧化鈉(NaO2),其反應如式[16]所示。

Na2O2 + O2 (1.5 × 107 Pa) clip_image015 2NaO2   [16]

4.        超氧化鈣、超氧化鍶與超氧化鋇由相對應的過氧化鈣、過氧化鍶與過氧化鋇和H2O2在真空下加熱製得,其反應如式[17]所示。

MO2 + 2H2O2 clip_image018 M(O2)2 + 2H2O MCaSrBa   [17]

n  過氧化物與超氧化物的用途

1.        鹼金屬的過氧化物中,以過氧化鈉最常見也最實用。過氧化鈉與水或稀酸反應會生成H2O2H2O2又可立即分解,其反應如式[18]~[20]所示

Na2O2 + 2H2O → H2O2 + 2NaOH    [18]

Na2O2 + H2SO4 → H2O2 + Na2SO4    [19]

2H2O2 → 2H2O + O2    [20]

因此過氧化鈉可以做為氧化劑、漂白劑與供氧劑。

2.        超氧化物主要的用途是做為氧化劑與供氧劑。如果使用超氧化鉀充填在呼吸面罩中,能發生反應,其反應如式[21][22]所示

4KO2 + 2CO2 → 2K2CO3 + 3O2    [21]

4KO2 + 4CO2 + 2H2O → 4KHCO3 + 3O2    [22]

其反應釋放出的氧氣可供面罩配戴者呼吸。在特殊場合,例如礦坑、水面下、高山上或高空飛行等,這種特殊面罩是非常有用的。

n  化學猜謎的回顧與分享

高中化學在「氧化還原反應」這個單元中會提到氧化數的觀念,在氧(O)的部份,會介紹過氧化物與超氧化物,有學生會問:何時會生成過氧化物?何時會生成超氧化物?任課教師若沒有事先準備,還蠻容易被學生們當場考倒,筆者也遇過學生問起這個問題,一時之間確實無法清楚地回答學生的問題,後來翻閱幾本相關化學書籍,才對這個問題有比較清楚的概念。之後,陸續有其他教師問起這個問題,才決定撰寫這篇文章提供教師們參考。

一、化學猜謎:某一化學物質(兩個字)

筆者於化學的教學方面,曾開創「化學猜謎」的活動,兼具知識性、挑戰性與趣味性,進行方式以3~4位同學組成一組,以組為單位回答問題,答案寫在答案卷上,如表2所示。

2:化學猜謎的答案卷

題號

1

2

3

4

5

第一個提示

 

 

 

 

 

第二個提示

 

 

 

 

 

第三個提示

 

 

 

 

 

第四個提示

 

 

 

 

 

「化學猜謎」的實施過程,每一謎底播放六張投影片,說明如下:

(1)     1張投影片:謎底是某一化學物質,有兩個字,每一個題目有4個提示,如圖5上左所示;

(2)     2張投影片出現第1個提示,如圖5上中所示,給各組20秒的時間討論,並將討論後的答案寫在答案卷中第1題的第1個空格,若不知答案為何,在該空格打「û」;

(3)     3張投影片出現第2個提示,如圖上右5所示,同樣給各組20秒的時間討論,討論後,若覺得原先答案正確,則在第2個空格打「ü,若覺得原先答案錯誤,則在第1個空格的答案上打「û」,並將正確的答案寫在第2個空格;

(4)     依此類推,第3個提示,如圖5下左所示;第4個提示,如圖5下中所示;謎底揭曉,如圖5下右所示。

(5)     給分原則:若每題10分,出現第1個提示答對者給10分,出現第2個提示答對者給6分,出現第3個提示答對者給4分,出現第4個提示答對者給2分,完全錯誤的不給分。

clip_image020 clip_image022 clip_image024

clip_image026 clip_image028 clip_image030

5:化學猜謎的題目設計原貌(上左);第1個提示(上中);第2個提示(上右);第3個提示(下左);第4個提示(下中);謎底揭曉(下右)

二、化學猜謎:某一化學物質(四個字)

運用這篇文章的主題,設計化學猜謎的題目,如圖6所示。

clip_image032 clip_image034 clip_image036

clip_image038 clip_image040 clip_image042

6:化學猜謎的題目設計原貌(上左);第1個提示(上中);第2個提示(上右);第3個提示(下左);第4個提示(下中);謎底揭曉(下右)

完成此一化學猜謎的題目後,本人會進行機會教育,告訴學生們化學藥品不是媒體的報導總是負面消息,它們其實是可以用來救人的。在礦坑工作的礦工經常面臨礦坑崩塌的危險,若礦場主人能珍惜為其工作的礦工的安全與寶貴的性命,應該要讓每位礦工攜帶裝有超氧化鉀的面罩進入礦坑,若真的不幸遇到礦坑崩塌,戴上這種特殊面罩,其內的超氧化鉀將會提供氧氣並吸收二氧化碳,提供的氧氣能讓礦工們呼吸並維持生命,吸收二氧化碳則避免二氧化碳濃度太高而窒息。因此,我會向學生們強調,今天大家學到的是一種神奇的化學藥品超氧化鉀。

接著進行氧化數的教學,介紹超氧化鉀中氧的氧化數。經過這樣的教學安排,學生們的學習意願明顯的提高。

n  參考資料

1.        劉新錦、朱亞先、高飛編著,無機元素化學(第二版,2010),科學出版社。

2.        劉翊綸主編,基礎元素化學(第一版,1992),高等教育出版社。

3.        嚴宣申、王長富編著,普通無機化學(第二版,1999),北京大學出版社。

4.        宋其聖主編,無機化學學習筆記(第一版,2009),科學出版社。

 

10605 Total Views 8 Views Today
Print Friendly, PDF & Email

Please give us your valuable comment

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *