「鑽石恆久遠，一顆永流傳」是很有名的廣告詞 由於鑽石的特殊結構 使得鑽石成為最堅硬的礦物 而且在自然界中以穩定的元素態存在 碳與矽都是第14族帶有四個價電子的元素 這兩種元素間是否有許多類似的地方呢？ 這個單元 就讓我們來學習碳與矽的相關知識 碳的同素異形體種類結構性質如表 同學們可以複習選修化學一 物質的構造中有介紹過碳的同素異形體 碳的同素異形體 只有富勒烯（C₆₀）是分子結構 與其他的同素異形體網狀結構不一樣 所以特別詳細說明富勒烯（C₆₀） 富勒烯（C₆₀） 1. 鍵結 富勒烯亦可稱為巴克球 它是由60個碳原子 以20個六邊形與12個五邊形 所形成的球狀結構 其中每個碳原子皆以sp²的混成軌域 與相鄰的三個碳原子鍵結 鍵角為120° 整個巴克球分子含90個σ鍵與30個π鍵 2. 物理性質 雖然巴克球與石墨的原子間鍵結型態很類似 但由於巴克球不是延伸的結構 而是分子物質 因此分子與分子之間只有微弱的凡得瓦力 故巴克球的熔點 沸點也就明顯較低 3. 導電性 巴克球分子之間 沒有像石墨同層原子具有可自由移動的π鍵電子 故無法導電 以下為碳的同素異形體之相關敘述 哪些是正確的？ 接著我們來認識自然界中常見的碳化合物 1. 一氧化碳 為無臭、無味但有毒的氣體 與血紅素的結合力強於氧氣 因此會取代氧氣在血紅素上的位置 導致生物窒息死亡 一氧化碳可在催化劑的存在下 與氫氣反應製得甲醇 反應如畫面所示 2. 二氧化碳為無色、無味的氣體 因密度比空氣大 故可用來滅火 製備方式有 工業上製法 加熱大理石或碳酸鈣 反應如畫面所示 實驗室製法 將大理石或碳酸鈣與稀鹽酸反應 再以排水集氣法收集 可得到純度很高的二氧化碳 反應如畫面所示 3. 碳酸鹽類 例如石灰石、白雲石、大理石中 均含有碳酸鈣 菱鎂礦中含有碳酸鎂 這些碳酸鹽類的物質 與酸反應均會產生二氧化碳 因此 酸雨會腐蝕以大理石為材質的雕像或建築物 下列哪些是有關碳化合物的正確敘述？ 接下來 來認識矽元素 矽原子以sp³混成軌域 與周圍鄰近的4個矽原子形成共價鍵 晶體結構與金剛石類似 都是三度空間的共價網狀固體 具有高硬度、高熔點、高沸點的特質 是第三列元素中熔點及沸點最高的元素 矽是略帶金屬光澤的灰黑色晶體 導電性介於金屬與絕緣體間 為半導體 溫度上升 導電度會增大 高純度的矽 是半導體元件及太陽能發電板所需的重要材料 矽為地殼中含量第二多的元素 以石英、矽酸鹽類的形態存在 3. 若想要得到純的矽元素 可以使用下面的方法製得 實驗室製備法 以活性金屬（如Mg、Al）還原石英砂 反應如畫面所示 工業製備法 以煤焦作為還原劑 與石英砂在電爐中共熱 反應如畫面所示 若想得到高純度的矽 可再經由精製處理而得 4. 矽的化學性質安定 常溫下只可與氟作用 生成四氟化矽氣體 反應如畫面所示 5. 矽為類金屬 導電性介於金屬與非金屬之間 故矽為良好的半導體材料 如 在高純度的矽中 添加少量的5A族元素（如P、As） 可製得n型半導體 其原理是利用晶體中 具有可自由移動的價電子來導電 在高純度的矽中 添加少量的3A族元素（如B、Ga） 可製得p型半導體 其原理是利用電洞的移動而導電 最後介紹的是矽化合物 自然界有許多由矽化合物所形成的礦物 例如輝石、雲母等 主要是以SiO₄⁴⁻為基本單元 搭配金屬離子形成離子化合物的矽酸鹽 其中 矽原子位於正四面體的中心 四個氧原子則分別位於正四面體的四個頂點 可簡化表示如畫面所示 常見矽的化合物 例如 石英 稱為二氧化矽 每個矽原子與四個氧原子鍵結 每個氧原子與二個矽原子鍵結 其實驗式為SiO₂ 石英為透明無色的共價網狀晶體 硬度大、熔點高 化學性質極穩定 在室溫下不易與酸性物質反應 但可與弱酸的氫氟酸作用 產生四氟化矽氣體 反應如畫面所示 石英玻璃是將二氧化矽熔化並急速冷卻後製成 具有熱膨脹係數小 耐熱性高的特點 通常可作為實驗室設備 和特殊高純度產品的提煉設備之用 與一般的玻璃性質不同 高純度的石英玻璃 熔化拉絲後可作成柔軟度佳的光學纖維 作為電纜、通訊及醫學內視鏡檢查儀器的材料 鋁矽酸鹽 鋁矽酸鹽是矽酸鹽礦物 有部分的矽原子被鋁原子取代 因鋁離子比矽離子少一個正電荷 故含有鹼金屬陽離子以維持電中性 因此這類的鋁矽酸鹽 如黏土及沸石可具有離子交換的功用 玻璃 主要成分是二氧化矽 在加熱時加入碳酸鈉 氧化鈣等物質以降低熔點 生成Na₂SiO₃和CaSiO₃的混合物 經過迅速冷卻而得到貌似固態 但仍呈現液態時分布的玻璃成品 下列有關矽及其化合物的敘述 何者有誤？ 讓我們來整理一下這個單元學到的觀念 碳的同素異形體 碳的化合物 矽的特點與石英 其他矽化合物的整理如下表 同學們 看完本單元你是否已經認識「碳與矽」的相關知識了呢？ 歡迎與我們分享你的學習心得喔！ 我們下次再見