臺灣化學教育
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疑難問題集錦之三 1. 為何四氨銅離子的混成軌域是dsp2而不是sp3？ 2. 碘溶於正己烷或酒精中為何顏色會不一樣？ 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 疑難問題一：四氨銅離子的化學式為[Cu(NH3)4]2+，即以Cu2+ 為中心，以四個NH3為配基（ligand），形成四配位的錯離子。其幾何形狀應該是四面體還是平面方形？為什麼？ 1. 前言：以混成軌域（hybrid orbital）判斷四氨銅離子的幾何形狀時，到底應該是以sp3混成軌域鍵結，幾何形狀為四面體；還是以dsp2混成軌域鍵結，幾何形狀為平面方形？ 2. 下文將說明此一疑難問題的緣起，並經由資料的蒐集，整理出解說此一問題的方式。 (1) 中性銅原子價軌域的電子組態為3d104s1，見圖1-(A)；當銅失去兩個電子形成銅離子，則銅離子價軌域的電子組態為3d9，見圖1-(B)。從圖1-(B)的電子組態，若要與四個氨分子形成四氨銅離子，自然而然會認為銅離子應該以1個4s軌域與3個p軌域等四個空軌域形成sp3混成軌域，再與四個氨分子以配位共價鍵鍵結，見圖1-(C)，若這個說法正確，則四氨銅離子的幾何形狀應當是四面體，見圖1-(D)。 (D) 圖1 銅原子與銅離子的價軌域電子組態、混成軌域與與四氨銅離子的幾何形狀(假設) (2) 但是書上明明白白的寫著：四氨銅離子的幾何形狀為平面方形，不是四面體！所以出現一個說法： 「銅離子形成混成軌域時，3d的1個電子提升到4p軌域，以1個3d軌域、1個4s軌域與2個p軌域等四個空軌域形成dsp2混成軌域，再與四個氨分子以配位共價鍵鍵結，見圖2-(A)，所以四氨銅離子的幾何形狀為平面方形，見圖2-(B)。」 (A) (B) 圖2 四氨銅離子的混成軌域與幾何形狀 (3) 在我教學的歷程中，學生們對此說法大多是不滿意的。那該怎麼解釋呢？這個問題其實也困擾我多年。 (4) 在近期閱讀的一本無機化學原文書*對此問題有合理的說明，本人將該書的論點消化後，擷取與此問題相關的部分，如下： (a) 四氨銅離子其實是六配位而非四配位，正確的表示法是[Cu(NH3)4(H2O)2]2+，幾何形狀為八面體。四個氨分子以較強的鍵結、較短的鍵長位於赤道面（equatorial position），兩個水分子以較弱的鍵結、較長的鍵長位於軸上（axial position），見圖3-(A)。以價鍵理論而言，六配位的混成軌域應該是d2sp3（內錯合物，inner orbital complexes）或sp3d2（外錯合物，outer orbital complexes），若以圖1-(B)中銅離子價軌域的電子組態來看，[Cu(NH3)4(H2O)2]2+ 應屬於外錯離子，見圖3-(B)。 (A) (B) 圖3 四氨銅離子六配位的幾何形狀與混成軌域 (b) 老師們可能會質疑(a)中的內容：若銅離子是六配位，為何不是與六個氨分子鍵結，以六氨銅離子[Cu(NH3)6]2+的方式存在，而是[Cu(NH3)4(H2O)2]2+？關於這部份，書上列出水溶液中的銅離子在滴入氨水時與氨鍵結的逐步形成常數（cumulative formation constant）： [Cu(H2O)6]2+ + […]
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schemistry0120@gmail.com 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 物質 石墨 鑽石 1 M食鹽水 導電率（mho/cm） 1.3×103 2.9×102 0.08 相對比（概略值） 16000 4000 1 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 物質 石墨[1] 鑽石[2] 1 M食鹽水 導電率（mho/cm） 2.0 × 103 ~ 3.0 × 103 10−13 ~ 10−16 0.08 相對比（概略值） 25000 ~ 37500 […]