過渡元素

金(Gold)的性質

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

金是眾人最熟知的貴重金屬,在地殼中的含量約 5×10−7 %。金在自然界通常以元素態存在,大多是金塊或是金片,除此之外,金還能以純金岩脈或鍗化物礦物形式存在,通常存在於石英礦和黃鐵礦附近。由於金性質穩定,自古以來被當做貨幣和保值物品,至今每年的開採量超過2500噸,年再回收量也超過4000噸。其實在海洋中也存在大量黃金,不過濃度非常小(50–150 fmol/L),開採需花費大量成本,經濟價值低。

鐵(Iron)

鐵(Iron)
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

在鐵系元素(鐵、鈷、鎳)中以鐵分佈最廣,約占地殼質量的5.1%,居元素分布序列中的第4位,僅次於氧、矽、鋁。鈷和鎳在地殼中的豐度分別是:1×10-3%和1. 6×10-2%。在自然界中,鐵很少以元素單質的形式存在,因為它很容易因氧氣、水氣存在而氧化。鐵的主要礦石有:赤鐵礦Fe2O3、磁鐵礦Fe3O4、褐鐵礦2Fe2O3 • 3H2O、菱鐵礦FeCO3、黃鐵礦FeS2。鈷和鎳在自然界常共生,重要的鈷礦和鎳礦是輝鈷礦CoAsS和鎳黃鐵礦NiS • FeS。

一般認為人類發現鐵並使用鐵大約在西元前2000年,最早使用的鐵器是用來自外太空的隕石製造的,也稱為隕鐵。鐵的元素符號是Fe,來自於它的拉丁文名稱,Ferrum,英文名稱為 Iron。鐵及鐵的合金是目前最常用的金屬及最常見的鐵磁材料。新鮮的鐵表面是銀灰色金屬光澤,但在空氣中易氧化而呈紅褐色的氧化物薄層,鐵銹的成分比較複雜,通常用Fe2O3 • xH2O表示。純鐵比鋁還要軟,但摻入雜質(如碳)後,可增強它們的硬度。今日,鋼鐵工業已成為國民經濟的支柱產業,鋼鐵的產量常作為國家工業發展的標誌。鋼鐵是最重要且應用最廣的金屬材料。

鐵的冶煉主要由鐵礦石(赤鐵礦、磁鐵礦)在高爐中由C、CO還原而得鐵水,熔渣主要是由氧化鈣、氧化矽組成。由高爐所得的鐵稱為生鐵,因含碳、硫、鎂、磷、錳等雜質而變脆、變硬。工業上會再進一步地依使用需求,調整鐵合金的成份比例。

鎳(Nickel)

鎳(Nickel)
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

鎳的元素符號為Ni,原子序28。它是銀白色具金屬光澤的金屬,熔點為1726K,沸點3005K,密度8.9g/cm3。鎳比鐵硬且堅韌,有鐵磁性和延展性,能導電和導熱,屬過渡元素,地殼中的含量約0.018%,常與黃鐵礦共生,它也常用來製作硬幣、合金、不銹鋼。

製備:
鎳主要產於俄羅斯、加拿大、澳洲。地球物理證據顯示,地核中含有大量的鎳。而工業上提煉鎳的方法有三:

1.電解法:
將含鎳的硫化物礦石煅燒成氧化物,經CO還原成金屬鎳,再以電解法精煉,但此法常會有鐵、鈷等雜質。

2.化學還原法:
將鎳的氧化物以氫氣還原,即可得金屬鎳。

鈀與鉑(Palladium and platinum)

鈀與鉑(Palladium and platinum)
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


1803年英國化學家在處理鉑礦時,從粗鉑中發現了新元素鈀,鈀被命名為”Palladium”,是為了紀念當時發現的一顆小行星:Pallas,中文命名為鈀,元素符號:Pd。鈀與鉑、銠、釕、銥和鋨合稱為鉑族元素。因鉑族元素的獨特催化特性,使其在工業製造上扮演非常重要的角色,現今鈀、鉑有一半以上產量用於汽車觸媒轉化器的製作。鈀礦及其他鉑族金屬產量非常稀少,主要產於南非;或由廢棄的觸媒轉化器回收。

鈀的發現史:
Wollaston於南美洲的白金原礦中使用王水將礦物溶解後以氫氧化鈉中和後收集(NH4)2PtCl6/NH4Cl,加入氰化汞後可得氰化鈀,將氰化鈀加熱後便可得鈀。
目前鈀主產於俄羅斯、南非、美國、加拿大。鈀常與鉑族金屬、鉑、金礦共生,在南非洲,鎳、銅礦中含有具開採價值的鈀,世界上單一最大鈀產量產自於南非的鎳礦床中。

鎘(Cadmium)

鎘(Cadmium)
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

鎘的元素符號是Cd,原子序48,鎘是一種柔軟、可塑性高有毒的藍白色金屬。許多特性與鋅類似,但可形成更多複雜的化合物。最常見的價數是+2價,但也有極少數+1價被發現,主要產於閃鋅礦中。鎘主要用於電池及塑料製品的顏料,已知鎘會導致癌症。

鎘在地殼中的含量比同族元素鋅、汞要少,且少有鎘的專門礦物,一般都是附雜在鋅礦中。鎘是鋅金屬中常見的雜質,常是鋅生產過程被分離出來的副產品。在鋅的冶煉過程中,鋅礦石先轉變成氧化物,再以碳還原。而鎘是在鋅還原產物中以低壓蒸餾法,自熔融態鋅中分離(鎘的沸點765℃)。或者使用電化學還原法生產鋅時,在硫酸中電解硫酸鋅時,鎘離子會形成硫酸鎘沉澱而分離。

鎘和鋅一樣是常見的電鍍材料,因鎘的活性比鋅更差,因此鍍鎘比鍍鋅更耐腐蝕,特別耐鹼的腐蝕。而在原子爐中,因鎘吸收中子的效率高,是製造原子反應爐控制棒的材料。

鉻(Chromium)

鉻(Chromium)
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

1797年法國化學家沃克蘭(Vauquelin L. N.)在研究西伯利亞紅鉛礦時發現了鉻。當時沃克蘭在富爾克魯瓦(Fourcroy A. F.)的實驗室工作,他把西伯利亞紅鉛礦石與碳酸鉀一起煮,得到意料之中的碳酸鉛沉澱和一種性質不明的鮮黃色溶液。將該黃色溶液中加入高汞鹽溶液,出現了紅色溶液;加入鉛鹽溶液,出現了黃色沉澱物;加入氯化亞錫,溶液又變為綠色。這於這種新元素能夠形成各種顏色不同的化合物,所以命名為”Chromium”,希臘文原意為”色彩艷麗”,中文譯名為鉻,元素符號Cr。

鉻是銀白色有金屬光澤的金屬,最重要的鉻礦是鉻鐵礦Fe(CrO2)2。鉻的製備方法有:
鋁熱法:用鋁還原Cr2O3製備鉻:Cr2O3 + 2Al → 2Cr + Al2O3
電解法:電解鉻鹽溶液(如CrCl3)製備鉻。

鈷 (Cobalt)
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

鈷是一種堅硬、具光澤,呈銀灰色的金屬,密度為8.9g/cm3,元素符號為Co,原子序27。雖然人類很早以前便採用鈷基(鈷藍)顏料於首飾、顏料上;希臘、羅馬、埃及及中國很早就有利用鈷的化合物著色的證據。但古人並不知道其化學成分為何,直至1735年,鈷元素單質才被瑞士化學家Georg Brandt自鈷礦物中還原而得。鈷的名稱主要來自於它的礦石,輝鈷礦CoAsS,此藍色礦石可使玻璃染上藍色,當時人們稱它為”Kobalt”,德文的意思是”惡鬼”,英文Cobalt由德文Kobalt而來。鈷富集於多種金屬礦中,如砷化物、硫化物、氧化物,但主要來源是來自於銅、鎳礦生產的附產品,全世界鈷礦主要產於非洲剛果(Congo)桑比亞(Zambia)。

鈦(Titanium)

鈦(Titanium)
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

鈦是英國業餘地質學家格雷哥爾(William Gregor)在1791年研究鈦鐵礦和金紅石時發現的;之後德國化學家克拉普羅斯(Martin Heinrich Klaproth)在分析金紅石時也發現了這種元素(其氧化物)。他引用希臘神話中眾神的稱呼”Titans”,將此新元素命名為Titanium,中文翻譯為鈦,元素符號Ti。

但格雷哥爾和克拉普羅斯當時所發現的鈦是粉末狀的二氧化鈦,而不是金屬鈦。因為鈦的氧化物相當穩定,且金屬鈦在高溫時才能與氧、氮、氫、碳等元素起激烈反應,因此純鈦很難製備,直至1910年才由美國化學家亨特(Matthew A. Hunter)第一次製得高純度的金屬鈦。

鈦的製備
由於鈦在高溫下化合能力極強,可與氧、碳、氮以及其他多種元素化合,因此鈦的最大缺點是難以提煉。現在製備金屬鈦常用的方法是在800℃(1070K)左右,由氬氣氛中,用熔融的金屬鎂還原四氯化鈦蒸氣的克洛耳製程(Kroll process),除了用鎂作還原劑外,還可以使用金屬鈉為還原劑。
以四氯化鈦製備金屬鈦的反應方程式如下:
TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2
TiCl4 + 4Na → Ti + 4NaCl。

汞(Mercury)

汞(Mercury)
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

汞亦稱為水銀,元素符號Hg,原子序80,是一密度大、銀色的金屬,在常溫常壓下為液態(常溫、常壓下有機會為液態的還有Cs,Fr,Ga,Rb,Br2;但在STP下為液態的只有汞和溴)。汞用於溫度計、氣壓計、壓力表、血壓計、浮球閥和其他科學儀器。但由於汞具毒性,故部分溫度計已被酒精溫度計取代。但在其他科學研究及牙科、醫藥上,汞齊、汞化合物仍有其用途。汞在自然界主要以硫化汞形式存在。元素態汞及硫化汞因不溶於水而毒性不強,但可溶的化合物如氯化汞及甲基汞,毒性則相當強。

發現史:
汞是常溫下唯一液態的金屬,人類在古代就發現了汞,它的使用歷史在金屬中僅次於金、銀、銅、錫、鐵和鉛。汞的希臘文原意是”液態的銀”。古羅馬人將汞稱為Hydrargyrum,拉丁名稱是由Hydra(水)和argyrum(銀)組成,元素符號為Hg,英文名稱為Mercury。

汞是地殼中含量相當稀少的元素,質量比約佔0.08ppm。但汞礦中含汞的百分比可高達2.5%,少的也有0.1%。汞礦(硫化汞,辰砂,cinnabar)通當發生在年輕的造山帶岩層、較高密度的岩層與地殼受壓之處,也會與雄黃和黃鐵礦一起形成於火山噴道及溫泉周圍。把硫化汞置於空氣中加熱,就可以得到汞,汞具有相當大的密度、特殊的流動狀態,它還能夠溶解金、銀、銅、錫、鉛等多種金屬,形成柔軟的合金:汞齊。