臺灣化學教育

疑難問題集錦之二：
基礎科學教學研習會的幾個疑難問題

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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自2003年思源科技教育基金會主辦第一屆高中數學暨自然科學教學研習會，到2014年改由交通大學校友會主辦的高中自然科學教學研習會，迄今已舉辦14屆，此一研習會廣受高中職自然科教師的歡迎。研習會上午主要內容是「專題講座」，下午則是分科研習。分科研習分成兩時段，第一時段為「教案觀摩」或「創意實驗分享與實作」，第二時段為「教學疑難問題的Q&A」。第一時段的「教案觀摩」或「創意實驗分享與實作」，邀請研發教師帶領參與教師們分享其教學經驗或研發的實驗，以增進教師的教學知能。第二時段的「教學疑難問題的Q&A」則是由參加研習的教師們事先提出教學上的疑難問題，再由主持分科研習的教師邀請資深教師答覆。本專欄名稱為「高中化學教學疑難問題與解題」，本人負責此專欄，常常負責回答教師疑難問題的「資深」化學教師之一，本人也邀請過其他資深教師撰寫有關回答教學疑難問題。在這篇文章中，本人將重新回答曾經回答過但答覆內容仍有一些疑慮的幾個問題，並在此篇文章中提出本人個人的看法。本人的看法可能會與之前答覆問題的教師見解有所不同，不過本人認為正確的答覆才是最重要的。借用龍應台女士所著的書：「請用文明來說服本人」，本人的見解若是有誤謬之處，本人也希望有教師指正，「請用真理來說服本人」，讓包括本人和其他存有疑慮的教師們解惑。此篇文章要提出的疑難問題如下：

一、   鑽石是否具有導電性？

二、   氫氧化銨（NH₄OH）是否存在？

三、   臭氧（O₃）變成氧氣（O₂）是否為氧化還原反應？

n  疑難問題一：鑽石是否具有導電性？

在某一次教師研習會上，一位資深的化學教師提出一個觀點：「不要以為鑽石是絕緣體，不導電」，這位教師給了一些物質的導電度的數據（見表1），表1下方1~3為數據說明（此處僅列出其提供的部分資料）。從表一的資料來看，導電率相對比值，石墨：鑽石：食鹽水＝16000：4000：1，所以這位教師強調「石墨是導體沒有問題，但是鑽石的導電性比1 M的食鹽水好，怎可將鑽石說成絕緣體！」，看起來似乎言之有理。

表1：三種物質的導電率比較-I

然而，本人對鑽石具有導電性的說法是頗有疑惑的。本人先來看看石墨的結構，如圖1左所示，每個碳原子與鄰近的三個碳原子以共價鍵結合，剩餘的1個價電子，則與另一個碳原子的1個價電子形成π鍵，這2個π電子是未定域化的（delocalized），也就是說這些未定域化的π電子在石墨的每一個層面上是可以移動的，這就是石墨能導電的原因。接著看鑽石的結構，如圖1右所示，每個碳原子與鄰近的四個碳原子以共價鍵結合，形成立體結構，由於要破壞碳碳之間的共價鍵甚難，因此鑽石是目前所知物質中硬度最大的。由於每個碳原子的4個價電子都已與另外四個碳原子形成共價鍵，已經不再有未定域化的電子，因此本人認為鑽石不可能具有導電性，或直接說，本人認為鑽石應該視為絕緣體。

 

圖1：石墨（左）與鑽石（右）的結構式

（圖片來源：http://goo.gl/rYKlcA（左），http://goo.gl/0w9cNx（右））

為了支持這種說法，本人收集了各種資料，並製作與該位教師提供的類似表格（見表2）。

表2：三種物質的導電率比較-II

本人查到的資料中，石墨和表1相去不遠，但是鑽石就出現極大的差異。在表1中，導電率相對比值，鑽石：食鹽水＝4000：1，但在表2中，導電率相對比值則為鑽石：食鹽水＝（1.25×10⁻¹²~1.25×10⁻¹⁵）：1，比起1 M的食鹽水，鑽石的導電率低了十幾個數量級，依此結果，鑽石絕稱不上是導體，謂之為絕緣體亦不為過。

n  疑難問題二：氫氧化銨是否存在？

早期的化學課本對氨水呈鹼性的描述，都是說氨氣（NH₃）溶於水（H₂O）生成氫氧化銨（NH₄OH），氫氧化銨再解離成銨根（NH₄⁺）與氫氧根（OH⁻），其化學反應如式[1]和[1]所示：

NH₃(g) + H₂O(l) → NH₄OH(aq)    [1]

NH₄OH(aq) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)    [2]

後來的化學課本不再出現氫氧化銨（NH₄OH）這個名稱，也不再出現NH₄OH這個化學式，但是仍有教師習慣在教到氨水時，向學生說出早期的敘述方式。在研習會上就有教師提問：「氫氧化銨是否存在？」這個疑問，也有教師支持這個早期的說法。相同地，本人還是存在疑慮，希望能釐清「氫氧化銨是否存在？」這個疑問。

本人查閱多本化學書籍，列舉各種說法，如下所述：

1.    諾貝爾化學獎得主鮑林（Linus Pauling）在其撰寫的General Chemistry^[3] 中提到以氫氧化銨（NH₄OH）來說明氨水是弱鹼。

2.    中國大陸普通高等教育〝十一五〞國家級教材之《無機元素化學》^[4] 的敘述如下：「NH₃為極性分子，在水中溶解度極大，NH₃在水中形成NH₄⁺和OH⁻，使呈鹼性（K_b = 1.75×10⁻⁵）。」、「銨鹽和鹼金屬鹽（NH₄⁺與M⁺），它們陽離子電荷相同，半徑相近（r_NH4⁺ = 148 pm，r_K⁺ = 133 pm，r_Rb⁺ = 148 pm），在性質上有許多相似之處（如晶體結構、溶解度）。」

3.    中國大陸《高中理科學習解疑叢書之化學學習解疑》^[5]一書，則有一個單元是「為什麼氨水的主要成份可表示為NH₃‧H₂O，而不能寫成NH₄OH？」。主要論點有二，

(1)     「人們還從來沒有檢測到這種弱電解質在水溶液中存在」；

(2)     「大量實驗證明NH₄⁺的性質極像K⁺，人們無法解釋KOH是一強鹼，而NH₄OH卻是一種弱鹼」。

4.    Inorganic Chemistry^[6] (Nils Wiberg etc.): “Undissociated (NH₄)OH does not exist; it is a strong base and exists only in the completely dissociated state. Ammonia, which is almost completely undissociated in aqueous solution, is present as a hydrate (NH₃‧nH₂O).”

根據以上資料，本人比較認同2~4項這三個論點。鮑林的描述是一種早期的表示法，與本文前面呈現之化學反應式[1]和[2]相同。然而，2~3項這二個論點的資料表示，銨根（NH₄⁺）所帶電荷與陽離子半徑皆與銣離子（Rb⁺）相近，氫氧化銣（RbOH）是強鹼，在水中幾乎百分之百解離，若氫氧化銨（NH₄OH）真的存在，那它也應該是幾乎百分之百解離且呈現強鹼的特性，這與氨水是弱鹼的事實不符。再從另一個觀點來看，因為氫氧化銨（NH₄OH）在水中是百分之百解離，所以在水中存在的是銨根（NH₄⁺）與氫氧根（OH⁻）。若想分離出氫氧化銨（NH₄OH）這個化合物，必須加熱趕走水，但是加熱時，氨氣（NH₃）將從水中逸出，也就不再存在氫氧化銨（NH₄OH），結果是氫氧化銨（NH₄OH）無法在水中偵測到其存在的證據，也無法單獨分離出此化合物，所以無法支持氨氣（NH₃）溶於水（H₂O）生成氫氧化銨（NH₄OH）的說法。Nils Wiberg等人撰寫的Inorganic Chemistry告訴我們未解離的氨（NH₃）在水中是以水合物NH₃‧nH₂O存在。根據以上敘述，本人建議教師們捨棄氨氣（NH₃）溶於水（H₂O）生成氫氧化銨（NH₄OH），氫氧化銨（NH₄OH）再部分解離生成銨根（NH₄⁺）與氫氧根（OH⁻）的說法。對於氨水解離，建議使用目前教科書常見的表示法，如式[3]所示：

NH₃(g) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)    [3]

中國大陸的化學書籍則是以式[3]表示，供教師們參考。

NH₃‧H₂O (aq) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)    [4]

n  疑難問題三：臭氧（O₃）變成氧（O₂）是否為氧化還原反應？

2016年教師研習會上，有一位化學教師提了一個問題：「臭氧（O₃）變成氧氣（O₂）是否屬於氧化還原反應」，之前正好另一位教師也問過本人相同的問題，本人就當場為這位教師提供本人的看法。有兩位教師問同樣的問題，顯然它是一個值得重視的問題，本文將提供本人的見解。

若問題「臭氧變成氧氣」指的是2O₃ → 3O₂，答案很明顯，並沒有任何原子的氧化數發生變化，這個反應不屬於氧化還原反應。為了慎重起見，本人查了化學手冊與電化學等幾本書，在標準還原電位表中呈現的資料都是O₃ + 2H⁺ + 2e⁻ → O₂ + H₂O   E⁰ = 2.075 V，乍看之下，「似乎」是臭氧（O₃）反應生成氧氣（O₂）的半反應，但是若能冷靜思考一下，會發現臭氧（O₃）與氧氣（O₂）兩者並沒有發生氧化數的變化，應該關注的是臭氧（O₃）反應生成的水分子（H₂O）才是此還原半反應的主要產物，本人試著將這個半反應分段表達其反應，如式[5]~[7]所示：

O₃ + 2e⁻ → O₂ + O²⁻    [5]

O²⁻ + 2H⁺ → H₂O    [6]

[5] + [6] 得     O₃ + 2H⁺ + 2e⁻ → O₂ + H₂O   [7]

若將還原半反應改寫為：O₃ + 2H⁺ + 2e⁻→ O₂ + H₂O   E⁰ = 2.075V，就能釐清反應的對象了。因此，問題出在不該將這個半反應解讀為「臭氧變成氧氣」。若是因為參考書出這樣的一個問題：以下何者為氧化還原反應？選項中有「臭氧變成氧氣」，標準答案又列為正確答案，那就難怪造成某些教師的困惑了。

n   參考資料

1.    Electrical resistivity and conductivity,  https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity.

2.    J.V. Manca*, M. Nesladek, M. Neelen, C. Quaeyhaegens, L. De Schepper, W. De Ceuninck. High electrical resistivity of CVD-diamond. Microelectronics Reliability, 39, 1999, 269~273.

3.    Linus Pauling, General Chemistry, Reprint. Originally published: 3^rd Edition, M. H. Freeman, 1970.

4.    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。

5.    朱文祥、龐淑玲、杜宏功編，高中理科學習解疑叢書之化學學習解疑，學術期刊出版社。

6.    Nils Wiberg, A. F. Holleman, and Egon Wiberg, Inorganic Chemistry, 34^th Edition, Walter de Gruyter, Berlin, New York, 1995.