過渡金屬

銥(Iridium)

銥(Iridium)
臺北市立永春高級中學一年級廖秉彥/臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師

銥是一種化學元素,18 世紀時科學家發現將鉑放入王水中,會產生可溶性鹽類,並會生成少量不可溶的殘留物。英國化學家特南特(Tennant)分析此殘留物,推斷可能有新的金屬元素存在。而後沃克朗(Vauquelin)把殘留物在酸鹼中浸洗,得到一種揮發性氧化物,他認為是新元素的氧化物。後來特南特又大量分析殘留物,而得到兩種新元素,即是鋨和銥兩種元素。

鈾 (Uranium)
臺北市立第一女子高級中學二年級陳亭均

簡介

鈾是元素週期表中錒系的金屬元素,原子序數為92,元素符號是U。鈾在地球上形成各式各樣的化合物,為許多礦物的構成元素之一,已知的含鈾礦物即超過150種。鈾存在於礦石、土壤以及水中,可藉開採含鈾礦物而提煉獲得。鈾元素於1789年被德國化學家馬丁•克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)首先發現。鈾之英文名稱 Uranus 沿自天王星,而天王星名字來自希臘神祇烏拉諾斯。

鈾原子有92個質子和92個電子,其中6個是價電子。它的中子數目介於141至146個之間,共有六個同位素。自然界的鈾礦主要含有兩種鈾的同位素,即「鈾–235」(U235,比例約占0.7%)與「鈾–238」(U238,比例約占99.3%),其中鈾–235才能產生分裂反應,而鈾–238並不能產生分裂反應。所有鈾同位素皆不穩定,具有微弱放射性。鈾是自然元素中質量次重、原子量次高的元素,僅次於鈽-244。它的密度比鉛高出約70%,但不如金、鎢密實。鈾在自然界中以數百萬分率的低含量存在於土壤、礦石和水中,可藉由開採瀝青鈾礦等含鈾礦物並提煉之。

銠(Rhodium)

銠(Rhodium)
國立新莊高級中學陳偉民退休教師

銠是稀有、銀白色、堅硬以及活性小的過渡金屬,是屬於鉑系金屬(platinum group)的一員。它的元素符號是Rh,原子序為45。在自然界只有一種銠的同位素:103Rh。自然界中的銠通常是以元素狀態存在,或與類似之金屬形成合金,只有少數是以化合物的形態存在於鮑依石(Bowieite,銠銥鉑硫化物,化學式為(Rh,Ir,Pt)2S3)、硫銠鉛礦(rhodplumsite)等礦物中。銠是貴重金屬(precious metals)中最稀有的元素之一。

銠可抗腐蝕,和其他鉑系金屬一起出現在鉑或鎳礦中,也是貴金屬(noble metal)之一。1803年沃拉斯頓(W. H. Wollaston)在這類礦物中發現了銠,他用王水處理礦石之後,得到了銠,便以銠的某種氯化物所呈現的玫瑰色為這種元素命名(rhodium源自希臘字中的rhodon,是「玫瑰」的意思)。

特性

銠是堅硬,呈銀白色的金屬,反射性良好,即使受熱也不易形成氧化物。只有在銠的熔點附近才會由空氣中吸收氧氣,但是在固化時,又會釋出。銠的熔點比鉑高,密度比鉑低。它不受大多數的酸腐蝕:在硝酸中完全不溶解,在白金中微溶。

銠屬於週期表第9族,但其最外層電子殼層之組態為5s1 4d8,與同族其他元素不太相同。它附近的數個元素如鈮(原子序41,價電子組態4d4 5s1)、釕(原子序44,價電子組態4d7 5s1)及鈀(原子序46,價電子組態4d10)也有此現象。

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)。

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