A-level 化學/AQA/模組 5/週期性
Na、Mg、Al 和 Si 比 H 更具電正性，可以將水還原成氫氣
Na 與水劇烈反應，生成氫氧化物和氫氣
- 2Na(s) + 2H2O(l) → 2NaOH(aq) + H2(g)
所得溶液呈強鹼性，pH 值為 14。
Mg 與冷水反應非常緩慢，但可以與蒸汽迅速反應生成氧化物和氫氣
- Mg(s) + 2H2O(l) → Mg(OH)2(aq) + H2(g)
- Mg(s) + H2O(g) → MgO(s) + H2(g)
所得溶液呈弱鹼性，因為氧化物略微鹼性（pH = 9）。
Al 和 Si 在某些條件下也會與蒸汽反應。
P、S 和 Cl2 不會將水還原成氫氣。磷和硫不與水反應，但氯會歧化生成酸性溶液
- Cl2(g) + H2O(l) → HClO(aq) + HCl(aq)
所得溶液含有 HCl(aq)，因此呈酸性（pH = 2）。
第三週期元素對水的反應活性從 Na 到 Si 降低，然後從 P 到 Cl 升高。所得溶液的酸性逐漸增強。
第三週期中除氯和氬外，所有元素都能與氧直接反應生成氧化物。
- 4Na(s) + O2(g) → 2Na2O(s)
Na2O 是一種離子型氧化物。這種反應非常劇烈，鈉會以黃色火焰燃燒
2Na(s) + O2(g) → Na2O2(s)
Na 也可以與 O2 反應生成 Na2O2（過氧化鈉）。
- 2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s)
MgO 也是一種離子型氧化物。這種反應非常劇烈，會發出耀眼的白色火焰，生成白色的氧化鎂灰燼。
- 4Al(s) + 3O2(g) → 2Al2O3(s)
Al2O3 主要為離子型，但存在明顯的共價性。這種反應一開始很劇烈。
- Si(s) + O2(g) → SiO2(s)
SiO2 是一種巨型共價氧化物。這種反應很慢。
- P4(s) + 5O2(g) → P4O10(s)
P4O10 是一種分子共價氧化物。P 在該氧化物中的氧化數為 +5。這是一種劇烈反應，會生成大量五氧化二磷的白煙。
- S(s) + O2(g) → SO2(g)
SO2 是一種分子共價氧化物。硫很容易熔化，並以藍色火焰燃燒，生成二氧化硫（二氧化硫），一種無色且具有窒息性氣味的氣體。
另一種氧化物 SO3 在 SO2 和 O2 在 V2O5 催化劑（接觸法）的作用下加熱時形成，這是一個可逆過程。
這些氧化物的物理性質取決於鍵的型別。
Na2O、Al2O3 和 MgO 都是離子型氧化物，因此具有高熔點。MgO 和 Al2O3 的熔點高於 Na2O，因為電荷更高，原子半徑更小，導致離子之間的靜電吸引力（力）更強。
SiO2 具有巨型共價結構，因此具有高熔點。所有原子之間存在強共價鍵，因此需要大量能量才能斷裂它們。
P4O10 和 SO3 是分子共價的，因此分子之間只存在分子間力（範德華力）。因此熔點要低得多。 P4O10 是一個比 SO3 大得多的分子，因此具有更高的熔點，因為範德華力更強。
| 元素 | 氧化物的分子式 | 氧化物的結構 | 氧化物的熔點 /°C |
|---|---|---|---|
| Na | Na2O | 離子型 | 1275 |
| Mg | MgO | 離子型 | 2852 |
| Al | Al2O3 | 主要為離子型 | 2072 |
| Si | SiO2 | 巨型共價 | 1703 |
| P | P4O10 | 分子共價 | 300 |
| S | SO3 | 分子共價 | -10 |
離子型氧化物含有 O2− 離子。這是一種強鹼性離子，與水反應生成氫氧根離子
- O2−(aq) + H2O(l) → 2OH-(aq)
因此，所有離子型氧化物都呈鹼性。
共價氧化物不含離子，但在非氧原子上具有強正偶極。這會吸引水分子上的孤對電子，釋放 H 離子
- MO(s) + H2O(l) → MO(OH)-(aq) + H+(aq)
因此，所有共價氧化物都呈酸性。
中間氧化物可以根據條件以上述兩種方式中的任何一種方式反應。因此，它們可以表現出酸性或鹼性，因此為兩性的。
Na2O 是一種鹼性氧化物。它溶於水生成鹼性溶液（pH = 14）。它也會與酸反應
- Na2O(s) + H2O(l) → 2NaOH(aq)
- Na2O(s) + 2H+(aq) → 2Na+(aq) + H2O(l)
MgO 是一種鹼性氧化物。它在水中僅微溶，因此溶液僅呈微鹼性（pH = 9）。它會與酸迅速反應
- MgO(s) + H2O(l) == Mg(OH)2(s) == Mg(OH)2(aq)
- MgO(s) + 2H+(aq) → Mg2+(aq) + H2O(l)
Al2O3 是一種兩性氧化物。它不溶於水（pH = 7），但溶於酸和鹼。
- Al2O3(s) + 6H+(aq) → 2Al3+(aq) + 3H2O(l)
- Al2O3 + 3H2O(l) + 6OH-(aq) → 2Al(OH)3−6(aq)
- Al2O3 + 3H2O(l) + 2OH-(aq) → 2Al(OH)4-(aq)
SiO2 是一種酸性氧化物。它不溶於水（pH = 7），但溶於熱的濃鹼。
- SiO2(s) + 2OH-(aq) → SiO2−3(aq) + H2O(l)
P4O10 是一種酸性氧化物。它溶於水形成酸性溶液，也溶於鹼。
- P4O10(s) + 6H2O(l) → 4H3PO4(aq) pH = 3
- P4O10(s) + 12OH-(aq) → 4PO3−4(aq) + 6H2O(l)
SO2 和 SO3 是酸性氧化物。它們溶於水形成酸性溶液，也與鹼反應。
- SO2(g) + H2O(l) H2SO3(aq) pH = 2
- SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq) pH = 1
- SO2(g) + 2OH-(aq) → SO2−3(aq) + H2O(l)
- SO3(g) + 2OH-(aq) → SO2−4(aq) + H2O(l)
SO2 是許多工業過程中的廢氣。它是有害的，因為它溶解在雨水中形成酸雨。它可以從廢氣中去除，因為它溶解在鹼中，因此它透過廢氣出口中的鹼性溶液來減少排放到大氣中的量。
第三週期氧化物的酸鹼性質可以總結在下表中
| 元素 | Na | Mg | Al | Si | P | S | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 氧化物的分子式 | Na2O | MgO | Al2O3 | SiO2 | P4O10 | SO2 | SO3 |
| 氧化物的酸鹼性質 | 鹼性 | 鹼性 | 兩性 | 酸性 | 酸性 | 酸性 | |
| 溶於水時溶液的pH值 溶於水 |
12 - 14 | 8 - 9 | 7（不溶） | 7（不溶） | 2 - 4 | 2 - 4 | 1 - 3 |
因此，氧化物在元素週期表中從左到右移動時，酸性增強。
第三週期元素的氯化物（自2010年1月起不再屬於教學大綱）
[edit | edit source]自2010年1月起，第三週期氯化物不再屬於AQA化學5單元的教學大綱
氯化物的形成
[edit | edit source]第三週期所有元素，除了氬，都能直接與氯氣反應生成氯化物。
- 2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)
NaCl 是一種離子氯化物。這是一個非常劇烈的反應。
- Mg(s) + Cl2(g) → MgCl2(s)
MgCl2 也是一種離子氯化物。當元素被加熱時，反應劇烈。
- 2Al(s) + 3Cl2(g) → 2AlCl3(s)
AlCl3 是共價的。它在固態中形成聚合物結構，在加熱時迅速轉化為二聚體氣體（Al2Cl6）。因此，它的行為類似於簡單的分子氯化物。當元素在無水條件下加熱時，該反應劇烈。
- Si(s) + 2Cl2(g) → SiCl4(s)
SiCl4 是一種分子共價氯化物。反應緩慢。
- P4(s) + 10Cl2(g) → 4PCl5(s)
這是一個緩慢的反應。實際上，P2Cl10 在固態中是離子性的 - 它以 [PCl4]+[PCl6]- 的形式存在於固態中。
氯化物的物理性質
[edit | edit source]NaCl 和 MgCl2 是離子氯化物。由於分離離子需要大量能量，因此熔點很高。
AlCl3 和 SiCl4 是分子共價氯化物，因此分子之間只存在分子間力。因此，它們的熔點遠低於離子氯化物。
AlCl3 實際上以聚合物形式存在於固態中，在氣相中轉化為二聚體形式。這是因為鋁原子是缺電子的 - 它只有四個價電子軌道中的三個被佔據，因此它有一個空軌道可以接受來自相鄰單體的 Cl 原子的孤對電子。在高溫下，它會恢復到簡單的分子結構。
PCl5 是離子性的，因此其熔點很高。然而，在加熱時，它會恢復到簡單的共價結構並昇華。
元素 Na Mg Al Si P 氯化物的化學式 NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 PCl5 氯化物的結構 離子 離子 聚合物 分子共價 離子 氯化物的熔點 /°C 801 710 184 58 162
氯化物與水的反應
[edit | edit source]氯化物與水的反應方式取決於氯化物中存在的鍵型別
離子氯化物溶於水形成中性溶液
- NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq) pH = 7
- MgCl2(s) → Mg2+(aq) + 2Cl-(aq) pH = 7
氯化鋁與水反應生成水合鋁離子與氯離子。水合鋁離子會發生去質子化，形成酸性溶液
- AlCl3(s) + 6H2O(l) → Al(H2O)3+6(aq) + 3Cl-(aq)
- Al(H2O)3+6(aq) + H2O(l) → [Al(H2O)5(OH)]2+(aq) + H3O+(aq)
其他共價氯化物在室溫下易與水反應，生成氧化物或氫氧化物和 HCl(g)。HCl 以白色霧狀蒸汽的形式生成，觀察到這些蒸汽是氯化物為共價物的良好指示。
- SiCl4(l) + 2H2O(l) → SiO2(s) + 4HCl(g) pH = 1 - 2
- PCl5(s) + 4H2O(l) → H3PO4(aq) + 5HCl(g) pH = 1 - 2
因此，共價氯化物與水反應生成酸性溶液。酸性是由於溶解的 HCl 造成的。
水分子透過將孤對電子捐獻到電正性原子上的低能空軌道，攻擊共價氯化物。在 AlCl3 的情況下，有一個可用的 3p 軌道，而在 SiCl4 和 PCl5 中，有可用的 d 軌道
3s 3p 3d
AlCl3 [Ne] ↓↑ ↓↑ ↓↑
SiCl4 [Ne] ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑
PCl5 [Ne] ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑
正是這些低能空軌道的存在，使得這些氯化物能夠與水發生容易反應。