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）。 表1：鹼金屬元素在O2中燃燒的產物 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，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。 圖1：氧分子（O2）的結構符合八隅體法則 圖2：液態氧的順磁性實驗 （圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Paramagnetism） 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  個電子，故超氧化物中O的氧化數為，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 + […]

藍印術的另類實驗與探討檸檬酸根的反應 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  趣味化學實驗：「藍印術」 高中化學於選修化學（下）無機化學這個單元，會介紹到以下內容：「鐵離子（Fe3+）與黃血鹽（K4[Fe(CN)6], potassium ferrocyanide）混合時會生成稱為普魯士藍（Prussian blue）的深藍色沉澱」，同時也會提及：「亞鐵離子（Fe2+）與赤血鹽（K3[Fe(CN)6], potassium ferricyanide）混合時也會生成深藍色沉澱，以往稱為滕氏藍（Turnbull’s blue），後來發現它的結構與普魯士藍一樣，因此通稱為普魯士藍」，如圖1所示。 圖1：黃血鹽與Fe3+反應或赤血鹽與Fe2+反應均生成普魯士藍 （圖片取自翰林出版社） 一、傳統的「藍印術」 這個反應一般應用於建築界的設計圖，稱為藍圖，由於藍圖的呈現需要經過陽光曝晒，因此一般稱為「晒藍圖」，所得到的藍圖稱為「藍晒圖」。筆者於新竹科學園區實驗中學任教時，曾於選修課加入這個實驗，稱為「藍印術」。「藍印術」的實驗步驟如下： 1.        溶液A：30 g赤血鹽（K3[Fe(CN)6]，又稱鐵氰化鉀）溶於100 mL水中。溶液B：40 g檸檬酸銨鐵（(NH4)3Fe(C6H5O7)2, iron(Ⅲ) ammonium citrate）溶於100 mL水中。 2.        取等量之溶液A與溶液B混合，塗在圖畫紙上，於暗處陰乾，即得感光紙。 3.        取另一張圖畫紙設計圖案並剪裁，將剪裁完成之圖案蓋在已塗有感光原料之圖畫紙上，進行曝晒，若陽光強烈，約2~3分鐘即可完成反應，得到普魯士藍之藍色沉澱，此一步驟於照相術中稱為「顯影」。 4.        移走蓋在上方之圖畫紙，以自來水小心沖洗下方之圖畫紙，將未曝光的感光原料從圖畫紙上移除，此一步驟於照相術中稱為「定影」。 5.        晾乾，即得「藍印術」作品。 6.        「藍印術」學生作品見圖2。   圖2：新竹科學園區實驗中學「藍印術」學生作品 二、周芳妃老師改良的「藍印術」 臺北市第一女子高級中學化學科周芳妃老師2013年於高中基礎科學教學研習會中，介紹新的「藍印術」的實驗步驟給研習老師，過程簡單，成果良好，簡介如下： 1.        溶液A：檸檬酸銨鐵25 g / 100 mL水。溶液B：鐵氰化鉀10 g / 100 mL水。感光液：A、B = 1：1的混合溶液。 2.        步驟 (1)     先取一個透明小塑膠袋，使用黑色油性筆在塑膠袋上畫一些圖案，作為遮光罩的圖案。 […]

學測試題解析：離子晶體中異電荷離子的靜電引力是否等於同電荷離子的靜電斥力 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  91年學測自然科第26題試題與解析 一、   試題 26. 下列有關氯化鈉晶體的敘述，何者正確？ (A)   NaCl分子是氯化鈉晶體的最小單位。 (B)    晶體中Na+與Cl−的電子數，恰好一樣多。 (C)    晶體中的Na+與Cl−均擁有惰性氣體原子的電子數目。 (D)   氯化鈉晶體中異電荷離子的靜電引力恰等於同電荷離子的靜電斥力，故十分穩定。 標準答案為(C)。 二、   解析 (A)     NaCl分子是氯化鈉晶體的最小單位解析：NaCl為離子化合物，不以分子的狀態存在，因此沒有最小單位，故(A)錯誤。 (B)     晶體中Na+與Cl−的電子數，恰好一樣多。解析：由於11Na的電子有11個，因此11Na+的電子數為10；由於17Cl的電子有17，因此17Cl−的電子數為18。兩者不相等，故(B)錯誤。 (C)     晶體中的Na+與Cl−均擁有惰性氣體原子的電子數目。解析：由於11Na的電子排列方式為2,8,1，因此11Na+的電子排列方式為2,8，與惰性氣體Ne相同；由於17Cl的電子排列方式為2,8,7，因此17Cl−的電子排列方式為2,8,8，與惰性氣體Ar相同。Na+與Cl−均擁有惰性氣體原子的電子數目，故(C)選項正確。 (D)     氯化鈉晶體中異電荷離子的靜電引力恰等於同電荷離子的靜電斥力，故十分穩定。解析：從題幹來看，此選項的敘述「似乎」正確，引力總要等於斥力才能維持平衡，也才能穩定。很多化學老師這樣想，想不通時就想到物理老師對作用力比較了解，因此也與物理老師討論過，物理老師的答覆是：「當然引力要等於斥力才能穩定」，這一來就造成困惑了，因為此題是單選題，若(C)選項是絕對正確的，則(D)應該是錯誤的。那到底錯在哪裡呢？不少化學老師與我討論過這個問題，我經過仔細思考與查閱相關書籍後，我將解答提供給這幾位老師們參考，他們都覺得這樣的解釋是合理而且可以接受。但之後還是有老師們繼續問起這個問題，我覺得不如藉著此一專欄將我的解釋寫出來，供化學老師們參考，此題的解釋內容請參考下段文字敘述。 n  氯化鈉晶體中異電荷離子的靜電引力是否等於同電荷離子的靜電斥力？ 一、   以「離子鍵的生成」這個概念來思考這個問題，會讓多數老師誤以為(D)選項：「氯化鈉晶體中異電荷離子的靜電引力恰等於同電荷離子的靜電斥力，故十分穩定」是正確的。在正式解釋原因前，我們先來看與這段文字敘述有密切相關的概念：Na+與Cl−形成離子鍵的過程中，其異電荷離子的靜電引力與兩離子斥力的變化過程。圖1是Na+與Cl−位能與原子核間距離關係圖。 圖1：Na+與Cl−形成離子鍵過程的位能（Potential energy）與原子核間距離（Internuclear distance）關係圖 （圖片來源：http://goo.gl/PGO32i） 在圖1中，引力與斥力之敘述如下： 1.        圖中位能與原子核間距離關係，綠色曲線為靜電引力造成的結果，紅色曲線為斥力造成的結果，紫色曲線則為引力與斥力合計造成整體的能量變化結果。 2.        當Na+與Cl−距離無窮遠時（r = ∞），兩者幾乎不會交互作用，故引力與斥力皆近乎零。 3.        當Na+與Cl−逐漸接近時，陰陽離子會以靜電引力相吸，而使位能下降。此時，引力 > 斥力，因此兩者會繼續接近。 4.        當Na+與Cl−更接近，且r = r0時， 從紫色曲線可看出Na+與Cl−此一離子對（ion pair）位能最低，亦即達到最穩定狀態。以Na+與Cl−而言，其r0 = 236 […]

硫酸銅晶體的結構探討：內容更正和進階探討 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  更正啟事 本人於《臺灣化學教育》第三期撰寫之文章〈硫酸銅晶體的結構探討〉，近期上課與學生分享時，學生提出一些問題，本人當場意識到我犯了嚴重錯誤，因此趕緊寫這篇更正版，以免誤導讀者，甚至造成引用者發生更嚴重的問題。以下是更正後內容和進階探討，請各位指教。 n  無水和五水合硫酸銅晶體和粉末的外觀 無水硫酸銅（CuSO4, copper(II) sulfate anhydrous）粉末的顏色呈無色，如圖1所示。五水合硫酸銅（CuSO4‧5H2O, copper(II) sulfate pentahydrate）晶體呈現藍色，而粉末狀則呈現藍綠色，如圖2所示。   圖1：無水硫酸銅（CuSO4）粉末（右）及其粉末滴加水後（左）的外觀 （圖片來源：由左而右，https://en.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate，https://simple.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate）   圖2：五水合硫酸銅（CuSO4‧5H2O）晶體（左）及其粉末（右）的外觀 （圖片來源：由左而右，https://en.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper(II)-sulfate-pentahydrate-sample.jpg） n  內容更正：五水合硫酸銅晶體的結構 一、   第三期的原文描述到：結合兩個硫酸銅的硫酸根誤植為上下各1個，如圖3所示。這樣的結構會導致硫酸銅（CuSO4）所帶的結晶水之個數是錯誤的。計算其結晶水如下： 1.        原圖：以圖3的左半邊的銅離子（Cu2+）來看，它的上下方各有1個硫酸根（SO42−），但其中的一個硫酸根與其他銅離子共用。因此，此處的銅離子的硫酸根個數為1，符合五水合硫酸銅（CuSO4‧5H2O）晶體化學式中Cu2+：SO42−＝1：1。此外，此一銅離子的周圍有4個配位鍵結的水分子（H2O），完全屬於這個銅離子。 2.        原圖的延伸。以圖3的整張圖來看，位於中間上下各有1個水分子，它們與結構的左右兩邊以氫鍵結合在一起。此2個水分子中，左方的銅離子分到1個水分子，加上4個配位鍵結的水分子，共計5個水分子，「似乎」符合「五水合」這個名稱。然而，錯誤就是發生在此！因為晶體會往四周延伸，因此延伸至左右的部份又有四個水分子，與這兩個結構以氫鍵結合在一起，這四個水分子以黃色表示，如圖4所示。這樣一來，每個銅離子再分到1個水分子，水分子的總個數是6個而非5個，硫酸銅晶體化學式將是CuSO4‧6H2O。因此，圖4之結構圖也是錯的。 圖3：第三期原文描述的五水合硫酸銅晶體之結構圖（左），這張圖的結構式不正確。 圖4：延伸後的五水合硫酸銅晶體之結構圖（右），這張圖的結構式仍然不正確。 二、   更正：結合兩個硫酸銅的結晶水應只有1個。硫酸銅晶體的化學式與所帶結晶水個數的計算如下： 1.        以圖5的來看，銅離子與硫酸根結合的結晶水個數與圖3相同。再者，銅離子的周圍有4個配位鍵結的水分子，所有的結晶水屬於這個銅離子。 2.        更正說明：只有1個水分子與左右兩個結構以氫鍵結合在一起，左右各分到  個水分子。與圖4相似，將晶體往四周延伸，如圖6所示，因此延伸至左右的部份將又有1個水分子與兩個結構以氫鍵結合在一起，這樣一來，每個銅離子將再分到  個水分子，加上前述  個水分子，共1個水分子。再者，銅離子有4個配位鍵結的水分子和以氫鍵結合的1個水分子，得到水分子的總個數是5個，符合硫酸銅晶體的化學式：CuSO4‧5H2O。 圖5：更正後的部分結構圖，這張圖的結構式不完整。 圖6：更正後五水合硫酸銅晶體延伸的結構圖，這張圖的結構式才正確。 n  內容更正：五水合硫酸銅晶體受熱失去結晶水的過程 一、   CuSO4‧5H2O晶體加熱至102℃時 1.        第三期的原文描述到：與銅離子配位且不與其他配位基生成氫鍵的水分子，先脫離2個H2O而生成CuSO4‧3H2O，如圖7（左）所示。 2.        更正說明：圖7（左）兩旁上方的兩個水分子（H2O被框住的上方兩個紅框）在延伸結構圖中，與圖4相同，其實兼具配位鍵與氫鍵，與下方兩個水分子僅具配位鍵，兩種水分子的鍵結是不同的，因此不會在相同的溫度（102℃）同時失去。應該是結構式下方的兩個水分子僅具配位鍵，如圖7（右）所示。失去的這4個水分子，分屬兩單元的CuSO4‧5H2O晶體，每一單元平均失去2個H2O，所以化學式為CuSO4‧3H2O。   圖7：加熱至102℃失去的結晶水（左，原文），加熱至102℃失去的結晶水（右，更正） 二、   CuSO4‧3H2O　晶體加熱至113℃時 1.        […]

「膠體溶液的帶電性與凝聚」的回饋與補充 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   簡述回饋、更正及補充 針對《臺灣化學教育》第五期「膠體溶液的帶電性與凝聚」一文，簡述回饋、回應、更正及補充如下： A.      回饋-1：以硫化砷說明「金屬的硫化物則帶負電」有不妥之處，因為砷為非金屬，不宜以此例說明「金屬的硫化物則帶負電」。 回應：非常感謝，應改為硫化鎘或硫化鋅等金屬硫化物才合適。 B.       回饋-2：膠體溶液的帶電性以吸附層、擴散層說明是膠體化學常有的說法，但是文中所附圖片都是呈現「單一離子」，似乎不妥，應該有其他離子被吸附，只是有量多量少的區別罷了。 回應：除膠核之結晶態結構僅能吸附特定粒子，吸附層與擴散層確實應該有帶不同電荷的離子被吸附，僅是數量有多有少，詳見圖5。 C.       回饋-3：「氫氧化鐵溶膠：氯化鐵溶於水可製得氫氧化鐵溶膠」描述太簡略，因為將氯化鐵溶於水無法製得氫氧化鐵溶膠，應該是「氫氧化鐵溶膠：氯化鐵溶於沸水可製得氫氧化鐵溶膠。 回應：謝謝告知，藉此各位讀者可了解如何配製氫氧化鐵溶膠，非常感謝。 D.      回饋-4：金屬的氫氧化物帶正電，金屬的硫化物則帶負電」不適用於某一反應物過量的情況，例如Fe(OH)3膠體溶液，以FeCl3與KOH配製時，若是FeCl3過量，則氫氧化鐵溶膠帶正電；若是KOH過量，則氫氧化鐵溶膠帶負電。 回應：可參考課本原文「金屬的氫氧化物帶正電，金屬的硫化物則帶負電」僅適用於「氯化鐵溶於沸水製得氫氧化鐵溶膠」這種特例，若某一物質過量，即不適用此段文字。此一回饋將於後文中詳加論述。 E.       更正：膠核（colloidal nucleus）應包括結晶態（aggregate）吸附層中緊密吸附之與結構有關之離子，詳見圖6。 F.        專有名詞英文更正：膠粒（granule），詳見圖6。 G.      專有名詞英文增列：膠團（micelle or colloidal particle），詳見圖6。 n   翔實說明 「拋磚引玉」這句成語，在《臺灣化學教育》第五期「膠體溶液的帶電性與凝聚」一文獲得見證。該文章發表後，不久即收到我多年的老友，在高中化學老師中可說是學養相當豐富的老師，該老師對我的文章內容頗多肯定，但也指出一些闕漏之處，如上述回饋內容，對我有震聾啟聵之效，並提供參考文章供我閱讀，本人非常感佩。基於該位老師的特別叮嚀：「低調」，只好姑隱其名。本文將就這位老師提供的參考文章進行補遺的工作。 根據Panet-Fajans’s rule: Only these ions, which are included in the structure of the insoluble salt crystal or those, that form insoluble compounds […]