疑難問題集錦之一： 有關離子安定性和分子偶極的問題 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 n  疑難問題一：為何離子的安定性Pb2+ > Pb4+ 而Sn4+ > Sn2+？ 前言 《普通高級中學課程暫行綱要》（95暫綱）高中二下金屬元素之「錫、鉛及其化合物」這一小節，有一段文字：「錫與鉛的氧化態有+2和+4，其中Sn4+比較安定，因此Sn2+在氧化還原反應中提供電子，自身形成Sn4+，此處Sn2+做為還原劑；反之，Pb2+比較安定，所以Pb4+在氧化還原反應中得到電子，自身形成Pb2+，此處Pb4+做為氧化劑」。這段文字經常被學生詢問：「為什麼？」，大多數高中化學教師也覺得困惑，不知如何解釋清楚這段文字。此篇文章提供「惰性電子對效應」（The Inert-Pair Effect）的說法，可幫助教師向學生們解釋這段文字。 惰性電子對效應 「惰性電子對效應」是英國化學家N. V. Sidgwick（1873~1952）為了解釋ⅢA族（13族）、ⅣA族（14族）與ⅤA族（15族）某些元素的穩定氧化態與族數不一致而提出的說法。以ⅢA族（13族）為例，B2O3之硼的氧化態為+3，鋁離子為Al3+，其氧化態亦為+3，兩者皆與其族數同，但同族位於下方的鎵有Ga3+、Ga+、銦有In3+、In+、以及鉈有Tl3+、Tl+，此三個元素皆存在兩種氧化態，共同的特點是後者的氧化態的價數比其族數少2單位。這種離子之氧化態較其族數少兩個單位的趨勢稱為「惰性電子對效應」。 另一個「惰性電子對效應」的例子為ⅣA族（14族），將金屬錫在空氣中燃燒，生成的產物為氧化錫（SnO2），其中錫為+4價，但是原子序較大的金屬鉛只失去其2個p軌域的電子而生成氧化鉛（PbO），其中鉛為+2價。N. V. Sidgwick認為這個現象是因為這些族愈往下面的週期，其價軌域中s軌域與p軌域能量差距愈大。這是因為s軌域上的電子有較好的穿透性（penetration），且內層d軌域的電子對s軌域上的電子的遮蔽能力（shielding ability）較低，因此位於價軌域的s軌域比起p軌域能量明顯低甚多，使得s軌域的2個電子傾向於留在原子內而不游離，這就是「惰性」與「電子對」兩個名稱的由來。同樣地，為何ⅣA族（14族）錫與鉛這兩種金屬在空氣中燃燒時，位於第五週期的金屬錫易於失去4個價電子而以+4價的Sn4+存在，位於第六週期的金屬鉛則易於失去2個價電子而以+2價的Pb2+存在，就能獲得令人滿意的解釋。最後附上N. V .Sidgwick所提出之「惰性電子對效應」英文原文：「The inert-pair effect is the tendency to form ions two units lower in charge than expected from the group number; it is most pronounced for heavy elements in the […]