第9章 非金屬元素的性質 9-1 氫 氣 9-2 稀有氣體 9-3 空氣的液化 9-4 鹵素及其化合物 9-5 氧與硫及其化合物

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1 第9章 非金屬元素的性質 9-1 氫 氣 9-2 稀有氣體 9-3 空氣的液化 9-4 鹵素及其化合物 9-5 氧與硫及其化合物
第9章　非金屬元素的性質 9-1　氫　氣 9-2　稀有氣體 9-3　空氣的液化 9-4　鹵素及其化合物 9-5　氧與硫及其化合物 9-6　氮與磷及其化合物 9-7　碳與矽及其化合物

2 圖 9-1　非金屬元素在週期表的位置

3 9-1 氫 氣 氫是最輕的元素，分子式為H2，因為氫的分子量小，所以熔點及沸點都很低，在常溫常壓下是一種無色、無味的氣體 436
9-1　氫　氣 氫是最輕的元素，分子式為H2，因為氫的分子量小，所以熔點及沸點都很低，在常溫常壓下是一種無色、無味的氣體 436 鍵解離能（千焦耳／莫耳） 0.074 鍵長(nm) 0.0898 密度（克／升，在STP下） ?253 沸點(°C) ?260 熔點(°C)

4 氫氣具有可燃性，在空氣中會和氧起劇烈燃燒反應生成水，具有爆炸性
氫氣的成本較便宜且浮力很大，不但曾被研究作為航空及軍事用途，也曾拿來灌充氣球，但在1937年，德國的興登堡(Hindenburg)飛船發生爆炸事件，證明了此種用途的危險性，所以現今的飛船或氣球都改用氦來代替氫 氫氣的燃燒熱很大，約可產生3000°C的高溫，應用於切割及焊接所用的氫氧焰 液態氫可作為火箭的燃料，燃燒產物為水，不至於污染環境

5 (a)興登堡飛船爆炸事件 (b)以不可燃的氦取代氫作為飛船的填充氣體 圖 9-2　氫是最輕的氣體，但其易燃的特性曾經使利用它來填充的飛船發生爆炸，而造成多人的傷亡

6 氫有三種同位素 氕(protium) 含量最多，以符號H表示，質量數為1 氘(deuterium)亦叫做重氫，以符號D表示，質量數為2
氚(tritium) 以符號T表示，其質量數為3 氘、氚具有放射性，可應用於生物學領域中；氘也是氫彈的成分之一

7 工業上製取氫氣是用鎳金屬(Ni)在高溫高壓下催化天然氣與水蒸氣反應，再將混合氣體通入水蒸氣中，使一氧化碳反應變成二氧化碳，同時釋出氫氣
此氣體產物含有H2及CO2，可經由加壓通過氫氧化鈉而除去二氧化碳，如此便可獲得氫氣

8 高純度的氫氣製備是利用直流電電解水產生，但耗用電力使成本高昂並不適合大量生產
圖 9-3　水的電解

9 在實驗室中製備氫，可利用鋅粉和稀鹽酸反應
圖 9-4　實驗室中製備氫的裝置

10 活潑金屬如鈉、鉀與水起劇烈反應亦會產生氫氣
若氫與活潑金屬結合生成離子性氫化物如LiH，將其置入水中亦會產生氫氣

11 氫氣在工業上的主要用途是利用哈柏法生成氨，也用來將石油產物、不飽和植物油進行加氫作用達飽和化，並製造甲醇、鹽酸等其他化學品
氫氣也是一種強還原劑，可將金屬氧化物還原成金屬，例如將氫氣通過灼熱氧化銅，即可獲得銅

12 鐵粉催化 H ∣ ∣ H

13 氫燃料電池可說是能源的明日之星，以氫氣為燃料，和氧氣經電化學反應後產生電能，不但發電效益高，且最終副產品只有熱能與純水，將燃料中的化學能直接轉換成為電能，是一種兼顧環保與效率的新興發電工具

14 圖 9-5　氫燃料電池構造示意圖

15 9-2　稀有氣體 週期表最右邊的第18族，即氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)，皆為單原子的分子，常溫常壓下為無色、無味的氣體。 在自然界中含量甚微，故稱為稀有氣體(rare gas) 除了氦的電子組態為1s2外，其他元素最外層則為ns2np6，故很難與其他元素反應，所以又稱為惰性氣體(inert gas)或鈍氣

16 稀有氣體的物理性質 ? 9.73 ?71 ?61.8 222.0 86 Rn 氡* 8.7×10?4 5.85 ?112 ?107.1 131.3 54 Xe 氙 1.14×10?3 3.70 ?156.6 ?152.9 83.80 36 Kr 氪 9.34×10?1 1.78 ?189.2 ?185.7 39.95 18 Ar 氬 1.82×10?3 0.900 ?248.7 ?245.9 20.18 10 Ne 氖 5.20×10?4 0.178 ?272.2 ?268.9 4.003 12 He 氦 空氣中佔有體積百分率(%) 密度（克/升）(STP) 熔點(°C) 沸點(°C) 原子量 原子序 符號 元素 註：*表示放射性氣體。

17 這些元素是由英國化學家拉姆塞在1894～1898年間陸續發現的
圖 9-6　拉姆塞

18 氦的密度很小，為僅次於氫氣的最輕氣體 在空氣中含量甚微，但在油井所產天然氣中含量多達2%，所以氦的製備方法，是將天然氣壓縮及冷卻，使其液化，但因氦是最難液化的氣體，因而可以分離 氦因不易燃，用於裝填飛船及氣球，比氫氣更安全 由於氦不溶於血液，人們於深海潛水為防止潛水夫症，可以呼吸用氦稀釋的氧氣

19 氖氣可由液態空氣分餾時分離製得。在真空放電管中發出紅色光，可用以製造廣告招牌的霓虹燈
圖 9-7　氖常用以製造廣告招牌的霓虹燈

20 氬氣除存在於空氣中外，亦發現於溫泉和火山噴出的氣體中，是大氣中含量最多、也是工業上使用最多的惰性氣體。氬可用以灌充燈泡來保護鎢絲，也用於精密金屬熔接，避免金屬氧化
圖 9-8　填充氬氣的燈泡可以延長使用的壽命

21 氪和氙的沸點比氦、氖、氬高，是分餾液態空氣時的最後殘留物。氪、氙在真空放電管中發出藍色光輝，可用做探照燈的充填氣體
圖 9-9　裝了氙的探照燈

22 圖 9-10　氙與氟在400°C反應生成的穩定化合物XeF4
由於稀有氣體化合物的合成，改變了以往認為稀有氣體不可能生成化合物的觀點

23 9-3 空氣的液化 將空氣施加壓力和降低溫度，可使其液化成液體，俗稱液態空氣(liquid air)
9-3　空氣的液化 將空氣施加壓力和降低溫度，可使其液化成液體，俗稱液態空氣(liquid air) 液態空氣外觀像水，呈極淡的藍色，密度約為每毫升0.91克，可儲存於特製的杜瓦瓶(Dewar flask)中 液態空氣的主要成分是氧與氮當液態空氣徐徐蒸發時，氮會先行氣化而分離。氖、氬、氪、氙等稀有氣體等亦可從液態空氣分餾獲得；但是氦則由天然氣分離而得，因天然氣一般含2～3%氦氣 液態空氣具有許多特異的性質，例如將彈性佳的橡皮圈放入液態空氣中會變得失去彈性，硬脆而易斷裂

24 圖 9-11　可盛裝液態空氣的杜瓦瓶

25 9-4　鹵素及其化合物 在週期表右側的第17族（VIIA族）含有五個元素：氟(F, fluorine)、氯(Cl, chlorine)、溴(Br, bromine)、碘(I, iodine)及(At, astatine)，合稱鹵族元素或鹵素(halogens) 最外層有7個價電子，具ns2np5的電子組態，易接受1個電子形成穩定八隅體組態的陰離子，如F?、Cl?、Br?、I?，因此很容易和金屬元素反應生成鹽類 化性活潑，活性則依原子序增加而減弱

26 在自然界之鹵素元素以雙原子分子形式存在，如F2、Cl2、Br2、I2，常以X2表示，砈為放射性元素，在自然界中不存在
鹵素都具有毒性，氯曾在戰場上作為化學毒劑 鹵素原子半徑隨原子序之增加而增大，而分子間作用力、熔點、沸點亦隨原子序增加而增大，因此在常溫下，氟與氯為氣體，溴則為常溫下唯一的液態非金屬，碘則為固體

27 圖 9-12　鹵素的蒸氣顏色（由左至右為碘、氯、溴）

28 鹵素的特性 較弱 強 很強 最強 氧化力 較不活潑 活潑 很活潑 最活潑 化學性質 2.16 1.95 1.81 1.36 離子半徑(Å)
1.33 1.14 0.99 0.71 原子半徑(Å) 184 59 ? 34 ? 188 沸點(°C) 114 ? 7 ? 101 ?200 熔點(°C) 53 35 17 9 原子序 I2 Br2 Cl2 F2 分子式 紫黑色固體 暗紅色液體 黃綠色氣體 淡黃色氣體 室溫時外觀 碘 溴 氯 氟 　　　元素 性質

29 9-4-1　氟 氟是最強的氧化劑，僅能經由電解製備，但氟化氫不易導電，且電解氟化氫水溶液會獲得氧無法獲得氟，故需經由電解熔鹽（含氟化鉀(KF)）中的氟化氫製得

30 氟有多種化合物，氟化氫HF為有毒氣體，其水溶液稱為氫氟酸，雖是一種弱酸，但能腐蝕玻璃，可用以鏤刻玻璃
圖 9-13　氟化氫蝕刻的玻璃

31 氟氯碳化物(chlorofluorocarbons)，俗稱氟氯烷(freon)，曾被廣泛用作冷媒，但氟氯烷在大氣中會分解出氯原子而破壞臭氧層，故多改用氫氟碳化物取代
高分子的氟碳化合物如聚四氟乙烯，俗稱特夫綸(teflon)，可作為強抗蝕性的實驗器具、亦可作為廚具不沾鍋的塗層物 在公共給水或在牙膏中添加微量的氟化物，可以防止齲齒

32 9-4-2　氯 氯是一種具刺激性臭味的氣體，在實驗室中可利用二氧化錳和鹽酸反應製取氯 工業上由電解濃食鹽水在陽極得到氯

33 鹵類在有機化學中應用普遍，氯可用來製造有機氯化物，例如氯乙烯(CH2　CHCl)。氯乙烯是塑膠原料，可進行聚合反應生成聚氯乙烯（簡稱PVC）
氯可用作造紙與紡織的漂白劑 淨水處理時也常添加適量的氯來消毒殺菌

34 圖 9-14　游泳池水中常加氯以消毒

35 實驗室中將氯化鈉和濃硫酸反應，可得氯化氫氣體
氯化氫的水溶液即氫氯酸，俗稱鹽酸，是常用的強酸，可作為金屬表面清潔劑、廁所洗潔劑，在食品工業上製造味精、醬油。工業用鹽酸常因溶有少量氯化鐵而呈淡黃色

36 將氯氣通入冷水中可產生自身氧化還原反應生成次氯酸HOCl。次氯酸是弱酸卻是強氧化劑，可作漂白用
氯酸鉀(KClO3)是製造炸藥的原料，在實驗室裡常將氯酸鉀與二氧化錳催化劑共熱以製造氧氣

37 9-4-3 溴 工業上製溴是將海水中的溴離子以氯氧化而得
9-4-3　溴 工業上製溴是將海水中的溴離子以氯氧化而得 溴的化合物中，溴化銀（AgBr，黃色）是照相感光劑的主要原料。感光的溴化銀發生還原反應成為銀原子沉積在軟片上，未感光的溴化銀則在暗房內用硫代硫酸鈉溶液做定影劑而將其溶洗，其反應式為

38 圖 9-15　軟片上塗有溴化銀

39 9-4-4　碘 碘在室溫下為紫黑色固體，遇熱時會昇華 圖 9-16　碘遇熱昇華

40 在食鹽中添加少量的碘酸鉀(KIO3)，可預防罹患甲狀腺腫
碘與澱粉溶液反應會呈現藍色，因此碘可作為澱粉溶液的檢測劑

41 圖 9-17　澱粉溶液用碘檢驗呈藍色

42 圖 9-18　鹵化銀沉澱 溶液中的Cl?、Br? 、I?可藉硝酸銀溶液檢驗，分別形成AgCl（白色）、AgBr（黃色）、AgI（黃色）等沉澱

43 9-5　氧與硫及其化合物 氧(O, oxygen)與硫(S, sulfur)是在週期表右側的第16族（VIA族）元素，它們的最外層有6個價電子，具ns2np4的價電子組態，易形成負二價陰離子

44 圖 9-19　氧與硫在週期表的位置

45 氧與硫的性質 1.27 0.73 原子半徑(Å) 444.6 ?183.0 沸點(C) 112.8（斜方）、119.0（單斜） ?218.8
16 8 原子序 S8 O2 分子式 黃色固體 無色氣體 室溫時外觀 硫 氧 　　　　　元素 性質

46 9-5-1 氧 氧是地殼含量最多的元素，約佔地殼重量的50%
9-5-1　氧 氧是地殼含量最多的元素，約佔地殼重量的50% 在常溫常壓下，氧是無色、無臭、無味的氣體，以O2分子形式存在，佔空氣重量約23%（體積約21%），密度比空氣稍大 氧氣在水中的溶解度不大，於20°C、1 atm時約30 mL/L，許多水中生物依賴此少量的氧而得以生存

47 氧的化學性質活潑，可以和許多元素形成氧化物，一般而言，非金屬氧化物溶於水呈酸性，例如二氧化硫溶於水中生成亞硫酸
鹼金族、鹼土金族的氧化物溶於水呈鹼性，例如氧化鈉溶於水中生成氫氧化鈉 氧的用途非常廣泛，例如動物呼吸、燃料燃燒、有機廢物的分解、製造化學品（如甲醇、硝酸）等。

48 臭氧(O3, ozone)是氧氣的同素異形體(allotrope)，將氧氣施以高電壓或照射紫外線，就可生成臭氧
臭氧呈淡藍色、具高毒性、有特殊臭味，是非常強的氧化劑，其用途可作為消毒劑、殺菌劑、棉花及織物的漂白劑，或應用在飲用水質淨化及廢水、廢氣處理等

49 9-5-2　硫 硫在地球上的分布很廣，常以元素狀態存在。硫在常溫下為安定的固體，有多種同素異形體，本節僅介紹其中最重要的三種：斜方硫(rhombic sulfur)、單斜硫(monoclinic sulfur)與彈性硫(plastic sulfur)

50 (a)斜方硫 (b)單斜硫 (c)彈性硫 圖 9-20　硫的三種同素異形體

51 斜方硫可由蒸發硫的二硫化碳溶液製得，是室溫下硫最穩定的形式 將斜方硫緩慢加熱至95.6°C時，會逐漸轉變成長針形單斜硫
將硫粉加熱熔化後，將其倒入冷水中快速冷卻即可得到彈性硫，又稱無定形硫，它在常溫下會逐漸變回斜方硫。斜方硫與單斜硫均以冠形S8分子為構成單位 圖 9-21　冠形S8分子

52 硫在工業上最重要的用途是製造硫酸(sulfuric acid)
從磷酸岩礦中製造肥料、鉛蓄電池的電解液及各種化學工業製程等均需要硫酸，硫酸的生產量反映一個國家傳統化學工業的水準，所以硫酸號稱化學工業之母 早期17世紀採用鉛室法(lead chamber process)製造硫酸，現代通常採用接觸法(contact process)製造硫酸，

53 接觸法

54 實驗室中所用的濃硫酸濃度為98%，相當於18 M，具有很強的脫水性，可將有機物如木頭或蔗糖脫水成焦碳，因此氧氣、氮氣、二氧化硫等氣體的製備在乾燥時可使用硫酸當脫水劑
濃硫酸在稀釋時會放出大量的熱，因此稀釋硫酸的正確方法是要將硫酸緩慢地倒入水中，反之若將水倒入濃硫酸中，易造成飛濺而發生意外傷害

55 圖 9-22　硫酸的強脫水性可使糖在極短的時間變成焦碳

56 9-6　氮與磷及其化合物 氮(N, nitrogen)與磷(P, phosphorus)是在週期表右側的第15族（VA族）元素，具ns2np3的價電子組態

57 氮與磷的性質 磷 氮 元素 性質 1.28 0.92 原子半徑(Å) 280（白磷） ?196 沸點(°C) 44（白磷）、592（紅磷）
?210 熔點(°C) 15 7 原子序 P4 N2 分子式 白蠟狀固體（白磷）、紅色固體（紅磷） 無色氣體 室溫時外觀 磷 氮 　　　元素 性質

58 9-6-1 氮 自然界的氮，大都以氮分子N2形式存在於空氣中，佔體積的78.1%（約為五分之四），是一種無色、無臭、無味的氣體
9-6-1　氮 自然界的氮，大都以氮分子N2形式存在於空氣中，佔體積的78.1%（約為五分之四），是一種無色、無臭、無味的氣體 氮氣的化學性質不活潑，不能自燃，也不能助燃，在常溫下幾乎不與任何元素反應，若在高溫時可與氧化合生成一氧化氮

59 有些活潑的金屬（如Li、Na、Mg等）可和氮反應生成氮化物，例如鎂可和氮反應生成黃色的氮化鎂
氮化鎂遇水即產生氨氣，其反應式為 因此可用鎂的氮化反應檢驗氮氣的存在

60 工業上製造氮氣的最大來源是分餾液態空氣，而在實驗室中則可經由加熱亞硝酸鈉和氯化銨的混合物製得氮氣

61 圖 9-23　從亞硝酸鈉及氯化銨的混合物中製備氮的裝置

62 液態氮在常壓時沸點甚低，可當作低溫冷卻劑，將液態氮注入室溫的桌面上時，由於溫度比氮的沸點高了200°C，因此液態氮會發出嘶嘶聲響，並且劇烈地變成氣體散開
圖 9-24　液態氮於室溫下汽化

63 氨為無色、有刺激臭味的氣體，大量的使用於肥料、硝酸的製造。工業上採用哈柏法製氨，實驗室則利用熟石灰與氯化銨共熱製得

64 硝酸(HNO3)是氮的重要化合物之一。硝酸為無色、有刺激性氣味的發煙液體，但在陽光照射下，會分解出二氧化氮(NO2)，而使久置的硝酸呈現黃色

65 圖 9-25　純硝酸呈無色（左瓶），於陽光下久置時，因產生紅棕色的二氧化氮溶解其中，使硝酸呈黃色（右瓶）

66 濃硝酸含有70% HNO3（濃度為15 M），蛋白質遇濃硝酸則變黃，如皮膚不慎碰觸濃硝酸會變黃色
圖 9-26　蛋白質過濃硝酸變黃反應呈現黃色

67 工業上製造硝酸採用奧士華法（Ostwald process），此法是以氨與空氣為原料，通過鉑銠合金當催化劑並加熱產生一氧化氮，再將其與空氣反應產生二氧化氮，最後將產物通入水中生成硝酸，並回收一氧化氮循環反應

68 奧士華法

69 硝酸是強氧化劑，其氧化能力與溫度、濃度及還原劑的性質有關，例如銅與濃硝酸反應會產生二氧化氮紅棕色氣體

70 圖 9-27　銅與濃硝酸反應產生紅棕色二氧化氮

71 若銅與稀硝酸加熱反應則產生一氧化氮無色氣體，但鋅與稀硝酸反應產生既不產生一氧化氮，也不產生二氧化氮，主要是產生銨離子。硝酸除用於製造硝酸銨作為氮肥外，亦可用於製造炸藥

72 疊氮化鈉(NaN3)應用在汽車的安全氣囊，可在瞬間釋出大量氮氣充填氣囊而保護乘員
圖 9-28　汽車的安全氣囊

73 9-6-2　磷 元素磷有數種同素異形體，在常壓下常見的有白磷（或稱黃磷）(white phosphorus)及紅磷（或稱赤磷）(red phosphorus)兩種 磷的主要用途為製造肥料、火柴、有機磷農藥，軍事上可供製造燃燒彈和煙幕彈

74 圖 9-29　磷的同素異形體：貯存於水中的白磷（左）和置於錶玻璃上的紅磷（右）

75 白磷有毒而且化性活潑，燃點約35°C，因此在空氣中能自燃，必須儲存在水中。白磷是以P4為單位的固體，其分子形狀為以四個磷原子所構成的正四面體
(a)白磷 (b)紅磷 圖 9-30　磷分子的結構與特性

76 在空氣不足且潮濕的環境中，白磷會緩慢氧化而發出磷光
白磷與鹵素發生強烈的直接化合反應，其主要產物是PX3或PX5 高溫下，白磷可與活潑金屬（如鈉、鈣）反應，生成磷化物（如磷化鈉(Na3P)與磷化鈣 (Ca3P2)）

77 紅磷可由白磷在真空下加熱至250°C，或以光線照射而形成，常溫下紅磷在空氣中較白磷穩定，加熱至400°C才會燃燒，毒性較低
白磷可溶於苯和醚類，但紅磷則否 紅磷亦能與鹵素反應，但要在較高的溫度才能進行

78 白磷在缺乏氧氣或空氣不充分的條件下，氧化生成白色氧化磷(III)（或P4O6）結晶。氧化磷(III)加入冷水後變成亞磷酸(H3PO3, phosphorous acid)
將磷的鹵化物PX3溶於水，亦可反應生成亞磷酸

79 白磷在充足的空氣存在下燃燒時，即產生氧化磷(V)（或P4O10）。氧化磷(V)是很強的乾燥劑(desiccant)，與水反應可產生磷酸(H3PO4, phosphoric acid)
將磷的鹵化物PX5溶於水，亦可反應生成磷酸，其反應式為

80 圖 9-31　氧化磷(III)及氧化磷(V)的結構

81 磷酸和它的衍生物是重要的工業化學品，用途廣泛，磷酸鹽可做食物添加劑、清潔劑、軟水劑、農藥等，磷酸鹽肥料可促進植物生長，但過度使用磷化物也加速造成河川和湖泊的優養化現象
圖 9-32　磷酸鹽肥料造成河川和湖泊的優養化

82 9-7 碳與矽及其化合物 碳與矽在週期表中屬於同一族（IVA族或第14族），它們的價電子組態均為ns2np2
9-7　碳與矽及其化合物 碳與矽在週期表中屬於同一族（IVA族或第14族），它們的價電子組態均為ns2np2 碳為非金屬，是生命體中組成分子的基本架構 矽為類金屬，高純度的矽是半導體工業的材料，在自然界裡以矽化合物的形式分布於各種地質、土壤之中

83 圖 9-33　碳與矽在週期表的位置

84 碳與矽的性質 1.18 0.91 原子半徑(Å) 2677 ? 沸點(C) 1410 3527（石墨） 熔點(C) 14 6 原子序 Si
元素符號 灰白色固體 黑色固體（石墨）、 透明晶體（金剛石） 室溫時外觀 矽 碳 　　　　元素 性質

85 碳在自然界中有兩種常見的同素異形體，即石墨和金剛石（或鑽石）

86 (a)石墨 (b)金剛石 圖 9-34　碳的同素異形體

87 石墨的碳原子與臨近的三個碳原子以共價鍵結合，形成六角形的平面網狀結構，其層面間的連結力不強，容易滑動鬆脫，因此常被用作鉛筆的材質。因為每個碳原子還有一個價電子可移動，所以石墨具有導電性，可當作電極

88 將碳化合物纖維材質（如嫘縈rayon）經高溫處理後，表面的碳原子形成薄層的石墨結構，此種物質就是碳纖維(carbon fiber)
碳纖維可強化塑膠製品，不但輕巧而且更加堅韌，應用在自行車體、釣魚桿、高爾夫球桿、降落傘、貨櫃繩索等製品

89 圖 9-35　碳纖維（直徑7 μm）

90 金剛石的碳原子以四面體結構與臨近的四個碳原子以共價鍵結合，形成透明堅硬的網狀固體，為不良導體，硬度為所有物質中最大者，故在工業上應用於切割或鑽磨。1955年，美國科學家在約2500°C、100000大氣壓下，成功地將石墨轉換成為鑽石

91 1985年，化學家發現碳的另一種同素異形體C60 C60是由60個碳原子所組成，由12個五邊形及20個六邊形排列形成足球狀的分子，其連結的形式與石墨非常類似，也稱為巴克球(buckyball)結構

92 圖 9-36　C60的結構和足球類似

93 日常生活中常見的含碳化合物主要是一氧化碳和二氧化碳
一氧化碳是由於碳或含碳化合物，在氧或空氣不足時不完全燃燒而生成。CO為無色、無臭的氣體，在水中溶解度極小，但與血紅素極易結合，使人體缺氧甚而致死

94 二氧化碳是無色、無臭和無毒的氣體，比空氣重。固態的二氧化碳俗稱乾冰(dry ice)，可達
二氧化碳是無色、無臭和無毒的氣體，比空氣重。固態的二氧化碳俗稱乾冰(dry ice)，可達?78°C的低溫，因此常被用做冷凍劑。CO2是一種很安定的物質，不能燃燒也不會助燃，並且高溫時不易分解，因此常利用碳酸氫鈉(NaHCO3)與硫酸(H2SO4)反應產生CO2來滅火

95 二氧化碳若維持壓力73 atm，而溫度在31°C以上時，二氧化碳無法液化，則成為超臨界流體(supercritical fluid)。超臨界流體是一種和液體相似卻不是液體的流體，兼具液體的溶解性和氣體的穿透力（可通過固體）。 超臨界流體的二氧化碳在食品工業上萃取咖啡因，進而製造「去咖啡因」的咖啡，也可自食物或藥材中除去污染物，或應用在乾洗衣服的溶劑、清洗奈米半導體晶片等精密材質，由於超臨界二氧化碳無毒、不會燃燒且易回收利用，具備環保、符合「綠色溶劑」之條件

96 9-7-2 矽 矽在地殼中的存量僅次於氧，在自然界中以二氧化矽(SiO2)或矽酸鹽分布於各種岩石、沙礫之中。
9-7-2　矽 矽在地殼中的存量僅次於氧，在自然界中以二氧化矽(SiO2)或矽酸鹽分布於各種岩石、沙礫之中。 元素矽是由焦碳還原二氧化矽（如石英、白砂）而製得 此法製得的矽，純度達98%左右

97 現代半導體(semiconductors)工業所使用的高純度矽是先將矽製成SiCl4，再以活性金屬如鎂、鋅還原，即可獲得高純度（99
圖 9-37　矽晶片

98 在矽中摻入少量磷可製成n型半導體 在矽中摻入少量硼可製成p型半導體 圖 9-38　矽與半導體的結晶構造

99 常見的矽化合物有二氧化矽(SiO2)、碳化矽(SiC)和各種矽酸鹽等。
二氧化矽俗稱矽石，無色透明的石英是純二氧化矽。二氧化矽是安定的化合物，但可與氫氟酸(HF)反應產生四氟化矽(SiF4)的氣體 化學分析利用這個反應，從反應後的重量變化計量矽的含量

100 矽膠(silica gel)是由矽酸鹽和酸作用所生成的多孔性顆粒，具膠性且吸水性強，常用作糖果食品包裝內的乾燥劑
矽石與氫氧化鈉共熱時，可以得到矽酸鈉(Na2O．xSiO2)，俗稱水玻璃(water glass)，是水溶性物質，廣泛用於黏著劑、防水及防火劑 碳化矽(silicon carbide, SiC)俗稱金鋼砂，工業上強熱矽石和煤焦而製得。碳化矽硬度和鑽石相近，用來製造砂輪，可供磨光金屬或切割金屬之用。

101 圖 9-39　石英 圖 9-40　矽膠常用作乾燥劑

102 自然界的矽化合物多以各種矽酸鹽狀態存於各種礦物中
最簡單的矽酸鹽含有SiO44?離子，稱為正矽酸鹽(orthosilicates)，其結構是以矽原子為中心的四面體結構 所有的矽酸鹽都是以SiO44?為基本單位組成的

103 圖 9-41　正矽酸鹽的結構

104 自然界中含矽的另一常見礦物，就是鋁矽酸鹽(aluminum silicates)。此類礦物包括黏土、沸石等，也都是以SiO44
由於Al3+比Si4+少一個正電荷，鋁矽酸鹽都含有鹼金屬離子以維持電中性，因此黏土和沸石具有離子交換特性