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, 6 月 2016 編輯助理 第14期 / 2016年7月, 高中化學教學疑難問題與解題 在〈氧化物、過氧化物或超氧化物與其化學猜謎 ／ 施建輝〉中留言功能已關閉

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
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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）。

表1：鹼金屬元素在O2中燃燒的產物
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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MO為(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)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*2py與π*2pz，證實液態氧具有順磁性。

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圖1：氧分子（O2）的結構符合八隅體法則

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圖2：液態氧的順磁性實驗

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

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圖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MO為(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)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MO為(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)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]和[2]所示。

4Li + O2 → 2Li2O    [1]

2M + O2 → 2MO （M為Be、Mg、Ca、Sr、Ba）    [2]

2.        Na與Na2O2反應，可得氧化鈉（Na2O），其反應如式[3]所示。

2Na + Na2O2 → 2Na2O    [3]

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

10M + 2MNO3 → 6M2O + N2 （M為K、Rb、Cs）    [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·H2O與H2O2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 （M為K、Rb、Cs）    [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CaCl2·6H2O、H2O2、氨水為原料反應而得，其反應如式[10]和[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SrO和BaO與O2在一定條件下反應製得，其反應如式[12]和[13]所示。

2SrO + O2（2×107Pa） clip_image015 2SrO2    [12]

2BaO + O2（1×105Pa） 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Be與Mg外）都能生成相對應的超氧化物，其製備方法敘述如下。

1.        通O2於Na、K、Rb、Cs的液氨溶液中製得，其反應如式[14]所示。

M + O2 clip_image016 MO2 （M為Na、K、Rb、Cs）    [14]

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

M + O2（過量） → MO2 （M為K、Rb、Cs）    [15]

3.        也可將加壓的O2和Na2O2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 （M為Ca、Sr、Ba）   [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H2O2，H2O2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]和[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。

表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)     第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)     第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)     第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。

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圖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。

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圖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。

 

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