主族元素 | 科學Online

主族元素(Main Group Elements)

2011/11/11

主族元素(Main Group Elements)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

主族元素，是指在元素週期表當中，s區(s-block)與p區(p-block)的元素。若用IUPAC對於元素的族的命名，則分別是1、2、13、14、15、16、17、18一共八個族的元素。在傳統對於族的CAS命名裡面，則分別是IA至VIIIA族元素。

12族的鋅、鎘、汞等元素，雖然說一般會併入d區的過渡金屬討論，然而其s與d軌域均填滿，因而具有一部份的主族元素性質，因此也有一些人主張，將12族元素算入主族元素。

主族元素佔據了宇宙，以及自然界、生命體當中大部分的重要角色。組成生物體主要成分的碳、氫、氧、氮、磷、硫等，均是屬於主族元素當中的非金屬元素。主族元素除了氫以外，依照其性質，又有鹼金屬、鹼土金屬、類金屬、半金屬、非金屬、鹵素、惰性氣體等分類。其中鹼金屬、鹼土金屬分別佔據了第1族與第2族，但不包含氫；而鹵素與惰性氣體則對應了第17族與第18族。中間的13、14、15、16族，則較少有習慣稱呼；一般以硼族、碳族、氮族(pnictogen)、氧族(chalcogen) 等來表示。

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氫(Hydrogen)的性質

2010/10/14

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氫(Hydrogen)的性質
國立林口高級中學化學科林明祥老師/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

地殼中蘊藏最豐富的元素是氧，而宇宙中含量最豐富的元素是氫，氫大約佔據宇宙質量的75%。自然界中，氫元素的分佈也是十分廣泛，不過大多存在於化合物中，如水、石油、碳水化合物蛋白質等有機化合物，而僅少數以氫分子(H₂)形式存在。而在恆星上，氫則以電漿態形式存在。

氫是最簡單的元素，原子序為1，位在元素週期表第一位，元素符號為H，其原子質量為1.00794 amu。氫原子本身沒有中子，僅由一個質子與電子構成。

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鋇（Barium）

2009/11/17

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鋇（Barium）
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

鋇是一種柔軟、銀白色的鹼土金屬，因活性相當大，在自然界中沒有元素單質態自然產出。自然產出的礦物主要是不溶的硫酸鋇和碳酸鋇。

鹼土金屬的硫化物具有磷光現象，即它們在受到光的照射後在黑暗中會繼續發光一段時間。鋇正是因這一特性而開始被人們發現的。17世紀在義大利的波倫亞城（Bologna）有一個名叫卡仙羅拉（Casciarola）的鞋匠發現了當地出產的重晶石（硫酸鋇）的磷光現象。這一發現引起了當時學者們的研究，於是重晶石就被稱為”波倫亞石（Barium）”。

1779年瑞典化學家舍勒（Scheele K. w. 1742~1786）首次證明了重晶石不是石膏（硫酸鈣），也不是方解石（碳酸鈣）。他從重晶石中製備出一種新的土稱為Baryta重土（氧化鋇）。明確指出重土和石灰（氧化鈣）是不同的物質。一些化學家曾想把它分解但都沒有成功。直到1800年義大利物理學家伏打（Volta A. 1745~1827）發明電池後，重土才被分解。1808年英國化學家戴維（Davy H. 1778~1829）電解氧化鋇和氧化汞的混合物，首次獲得了金屬鋇。鋇被稱為Barium，名詞是源自重晶石的名稱。該詞源於希臘文bary，意思是”重的”，元素符號為Ba，中文為鋇。

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鉀（Potassium）

2009/11/17

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鉀（Potassium）
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

鉀的性質
鉀的外觀以及物理性質和化學性質均與鈉相似，同樣都是由戴維電解熔鹽發現，但鉀比鈉更活潑。鉀由三種同位素組成，其中39K含量達93.08%，其次是40K（有放射性），含量0.0118%和41K含量6.88%。所以鉀有微弱的放射性，而鈉則沒有。工業上，鉀的冶煉並不是電解熔融態的氯化鉀，因鉀金屬的活性太大，過於危險；比較安全的方法是在850℃下，將鈉與氯化鉀作用：Na(l) + KCl(l) → K(g) + NaCl(l)，利用Le châtelier原理，移除混合物中的鉀蒸氣後，便可使反應向右進行。

鉀是生命中不可或缺的元素。正常成人體內鉀總量為120g左右，98%存在於細胞內，是細胞液的主要陽離子。鉀和鈉的無機化學特性雖然很相似，但在許多代謝過程中，生理活性卻大不相同，甚至起抗頡作用。例如鉀離子是丙酮酸酶的啟動劑，能加速蛋白質合成速度和肌肉組織的呼吸作用；而鈉離子對這兩種過程起抑制作用。人缺鉀會四肢無力、腹脹、心律紊亂、神志不清，甚至死亡。

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硼（Boron）

2009/11/17

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硼（Boron）
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

硼的名稱boron主要源自於阿拉伯語，指其礦物：硼砂。人類幾千年前就知道硼砂這礦物，但直至英國化學家戴維（Davy）、給呂薩克等人，利用電解產生的鉀金屬，還原無水硼酸後，才得到單質硼，並確認它為一新的元素。硼的原子序5，元素符號是B；為三價的非金屬元素，自然界中沒有游離態的硼。它主要以硼砂（borax）以及各種硼酸鹽形式存在。硼酸含于某些溫泉水中。硼酸鹽礦物有硼砂Na₂B₄O₅(OH)₄ • 8H₂O、方硼石2Mg₃B₈O₁₅ • MgCl₂、斜方硼砂Na₂B₄O₇•4H₂O等。土耳其及美國是世界上硼的主產地。單質硼的冶煉是利用硼的氧化物與金屬如鎂、鋁作用而得。較純的硼則是用硼的鹵化物與氫氣在高溫下反應還原而得。

硼有兩種穩定的同位素：¹¹B（80.1%）、¹⁰B（19.9%）。單質硼屬於原子晶體，已知有多種的同素異形體存在。無定形硼是褐色，性質較活潑，能與許多非金屬直接結合。而結晶硼是黑色，硬度非常高（莫氏硬度約9.5），性質不活潑，不與HF、HCl作用，但可和熱的高濃度過氧化氫、硝酸、硫酸等作用。室溫下硼即可與氟化合反應；加熱則可與氯、溴、氧及硫作用。硼的主要用途在半導體作為摻雜物、核反應控制系統及殺蟲劑、防腐劑、化學合成試劑、硼玻璃和陶瓷、工程材料（B₄C）等。

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鈉（Sodium）

2009/11/17

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鈉（Sodium）
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

在19世紀初伏打（Volta A. G. 1745~1827）發明了電池後，各國化學家紛紛利用電池分解水並獲得了成功。英國化學家戴維（Davy H. 1778~1829）利用電池分解各種物質的實驗研究。他希望利用電池將苛性鉀分解為氧氣和一種未知的”基”。因為當時化學家們認為苛性鹼也是氧化物。他先用苛性鉀的飽和溶液實驗，所得的結果卻和電解水一樣，只得到氫氣和氧氣。後來他改變實驗方法電解熔融的苛性鉀時，發現在陰極上出現了具有金屬光澤的、類似水銀的小珠，其中一些小珠立即燃燒並發生爆炸形成光亮的火焰，而另一些小珠不燃燒只是表面變暗，覆蓋著一層白膜。他把這種小小的金屬顆粒投入水中立即起火焰，在水面急速奔躍並發出響聲。就這樣，戴維在1807年發現了金屬鉀。幾天之後，他又從電解苛性鈉中獲得了金屬鈉。戴維將鉀和鈉分別命名為”Potassium”和”Sodium”，因為鉀是從草木灰（Potash）、鈉是從天然鹼－蘇打（Soda）中得到的。鈉的元素符號Na來自其拉丁文”Natrium”。鈉離子可溶在水中，地球的海水中含有的主要鹽類即為氯化鈉。鈉有極強的黃色焰色，其中最有名的是鈉蒸氣D線（鈉雙黃線589.6；589.0nm）

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鋅及ⅡB族元素的通性（Zinc and ⅡB Group Elements）

2009/09/14

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鋅及ⅡB族元素的通性（Zinc and ⅡB Group Elements）
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

鋅、鎘、汞為鋅族元素，又稱ⅡB族元素。鋅族元素原子的價電子組態為（n-1）d¹⁰ns²，最外層電子與鹼土族相同，只有2個s電子，但鹼土族原子次外層具有8個電子（Be只有2個），而鋅族元素原子的次外層則有18個電子，所以ⅡB族與ⅡA族最外層電子數雖然相同，但因d軌域對原子核的遮蔽效應比s、p軌域電子小得多，因此鋅族元素的有效核電荷較大，對最外層s電子的吸引力比鹼土金屬強，與同周期的鹼土金屬相比，原子半徑和離子半徑都較小，活性較低。又因為鋅族元素d軌域已填滿，一般形成+2價氧化數，只有汞具有+1價的亞汞離子Hg₂²⁺。

鋅族金屬的特點主要表現為低熔點和低沸點。其熔點、沸點不僅低於鹼土金屬，還低於銅族金屬。並按Zn→Cd→Hg的順序下降。汞是金屬中熔點最低的元素，而且是室溫下唯一的液態金屬，有流動性。鋅族金屬為低熔點金屬（熔點Zn: 419℃，Cd: 321℃，Hg: -39℃）。

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碘

2009/09/14

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碘 (Iodine)
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

1. 碘的發現簡史：

法國人庫瓦特 (Courtois B. ,1777-1838) 在1811年用濃硫酸處理海藻灰母液時，製得了單質碘。庫瓦特出生於法國，他的父親是一家硝石工廠的廠主，庫瓦特一面在硝石廠工作，一面在第戎學院學習，與化學結下了不解之緣。在第戎附近的諾曼第海岸有許多淺灘，海生植物受潮水衝擊漂浮到淺灘上，在退潮時，庫瓦特就去那裡採集藻類植物。他把它們燒成灰，用水浸取就得到一種溶液，蒸發那些溶液就可以得到Na₂CO₃、NaCl、KCl和硫酸鹽等。

1811年的一天，庫瓦特加入了過多的硫酸處理海藻灰時，有紫色的蒸氣組成美麗的雲朵冉冉上升，並伴有類似氯氣的氣味。這些蒸氣在冷的物體上凝結後並不生成液體，而是成為一種暗黑色的有光澤的晶體。庫瓦特猜想這種物質可能是一種新元素。由於庫瓦特的實驗室中缺乏必要的儀器和藥品，加上他的經濟不富裕，所以他無法證實這種新物質是一種新元素。於是他只好請化學家德索爾姆 (Charles Bernard Desormes) 和克雷門 (Nicolas Clement) 繼續這一研究，並允許他們向科學界宣佈這種新元素的發現經過。1813年，戴維 (Davy) 用直流電將碳絲燒成紅熱，使它與這種新物質的結晶接觸並不能把它分解，從而證明了這種新物質是一種新元素單質。這種新元素被命名為”Iodine”，希臘文原意是「紫色」，中文譯名為碘，元素符號為I。

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