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元素活性關係

元素活性關係剪不剪不剪不剪不清清清清、、、、理還亂的理還亂的理還亂的理還亂的元素活性元素活性元素活性元素活性關係關係關係關係相信各位在高二「物質科學化學篇(下)」中，一定曾學過週期表第 1 族元素的相關性質。該族元素又稱為鹼金屬族或 IA 族，包含有六種元素：鋰 Li、鈉 Na、鉀 K、銣 Rb、銫 Cs、鍅 Fr；而此族元素的活性，隨原子序增大而增大，亦即：鍅＞銫＞銣＞鉀＞鈉＞鋰，而鍅 Fr 是所有金屬中活性最大者。但在高三「化學(下)」氧化還原反應的電化學單元，介紹各金屬元素的標準氧化電位，並...

剪不剪不剪不剪不清清清清、、、、理還亂的理還亂的理還亂的理還亂的元素活性元素活性元素活性元素活性關係關係關係關係相信各位在高二「物質科學化學篇(下)」中，一定曾學過週期表第 1 族元素的相關性質。該族元素又稱為鹼金屬族或 IA 族，包含有六種元素：鋰 Li、鈉 Na、鉀 K、銣 Rb、銫 Cs、鍅 Fr；而此族元素的活性，隨原子序增大而增大，亦即：鍅＞銫＞銣＞鉀＞鈉＞鋰，而鍅 Fr 是所有金屬中活性最大者。但在高三「化學(下)」氧化還原反應的電化學單元，介紹各金屬元素的標準氧化電位，並根據此數值大小，排列各金屬的活性順序，所得結果則為：鋰＞銣＞鉀＞銫＞鋇＞鍶＞鈣＞鈉＞鎂＞鋁＞鈹＞(碳) ＞鋅＞鉻＞鐵＞鎳＞錫＞鉛＞(氫)＞銅＞汞＞銀＞鉑＞金。仔細檢視其中鹼金屬元素的活性關係，卻是：鋰＞銣＞鉀＞銫＞＞＞＞鈉，鍅則因其為人造元素而不列入。為何兩者間會有如此大的差異？要回答上述兩個問題，或許大家應該先思考一下，究竟「元素活性」的意義為何？從字面解釋，活性就是「活潑性」，元素活性愈大，愈容易發生反應，生成穩定化合物；但探討元素活性時，一定需要另一種物質參與該反應，且生成的化合物種類亦將隨之不同。換言之，決定元素活性順序的因素，除了元素本身的特性之外，還需同時考慮反應時的其他條件，甚至於溫度、壓力的不同，也會影響最後的實驗結果。元素參與的反應，多為氧化還原反應，因此是否容易進行，可利用該反應的電位值、或能量變化值來判斷。通常電位值愈大、或反應進行時需自外界提供的能量愈少者，該反應將愈容易進行。金屬的標準氧化電位值，是在溫度 25℃、壓力 1 atm、電解液濃度 1.0 M 時，與氫標準電極相連接，所測得的相對電位。其反應通式為(以 M 代表鹼金屬)： M(s) → M+(aq) + e- (注意各物質所標註的狀態)。但若從能量來討論，可發現此一反應包含若干個能量變化的過程：金屬的昇華熱、金屬原子的游離能、金屬離子的水合能等。試將各鹼金屬元素的相關數值整理如表一所示：表一 25℃、1atm 時，鹼金屬族元素在水溶液中反應之能量(能量單位 kJ/mol) 化學反應式鋰 Li 鈉 Na 鉀 K 銣 Rb 銫 Cs 昇華熱 M(s) → M(g) 159.3 107.5 89.0 80.9 76.5 游離能 M(g) → M+(g) + e- 520.2 495.8 418.8 403.0 375.7 水合能 M+(g) → M+(aq) -545 -436 -351 -326 -293 總能量變化 M(s) → M+(aq) + e- 134.5 167.3 156.8 157.9 159.2 氧化電位 M(s) → M+(aq) + e- 3.05V 2.71V 2.92V 2.93V 2.92V 由表一可發現，鉀、銣、銫反應的總能量變化值差異不大，非常接近，而其氧化電位值亦有相似的關係，兩者不謀而合。鋰為該族元素中反應總能量變化最小者，只需吸收 134.5 kJ/mol 的能量即可進行反應，而其氧化電位為最大；相較於此，鈉反應所需的能量最多，需要 167.3 kJ/mol，而其氧化電位則為最小。由此可推知： 25℃℃℃℃、、、、1atm，，，，鹼金族元素在水溶液中的反應活性順序為鹼金族元素在水溶液中的反應活性順序為鹼金族元素在水溶液中的反應活性順序為鹼金族元素在水溶液中的反應活性順序為：：：：鋰鋰鋰鋰＞＞＞＞(銣銣銣銣、、、、鉀鉀鉀鉀、、、、銫銫銫銫)＞＞＞＞鈉鈉鈉鈉。。。。接著，再來討論非金屬元素第 17 族，也就是 VIIA 族或稱為鹵素族元素的活性問題；該族元素的活性討論與鹼金屬相似，但因鹵素於常溫、常壓時為雙原子分子，且具有不同的狀態，故其所討論的能量種類將有所不同。其中包含有： Br2 和 I2 的相變能量、鹵素分子的鍵能、氣態鹵素原子的電子親和力 2 倍、氣態鹵素離子的水合能 2 倍；且因反應過程中，鹵素分子將得到電子進行還原反應，故須比較其還原電位值。試將各鹵素族元素的相關數值整理如表二所示：表二 25℃、1atm 時，鹵素族元素在水溶液中反應之能量(能量單位 kJ/mol) 化學反應式氟 F2 氯 Cl2 溴 Br2 碘 I2 相變能量 X2(s) 或 X2(l) → X2(g) －－ 30.9 62.4 化學鍵能 X2(g) → 2X(g) 154 239 193 149 電子親和力 × 2 2X(g) + 2e- → 2X-(g) -655.6 -697.4 -649 -590.4 水合能 × 2 2X-(g) → 2X-(aq) -1024 -748 -680 -604 總能量變化 X2(g) + 2e- → 2X-(aq) -1525.6 -1206.4 -1105.1 -983.0 還原電位 X2(g) + 2e- → 2X-(aq) 2.87V 1.36V 1.09V 0.54V 從計算所得的數據，可知鹵素在 25℃、1 atm 時，於水溶液系統的反應為放熱反應；釋放出的熱量愈多，表示該反應愈容易進行，其順序為：氟＞氯＞溴＞碘，此一關係亦可由其還原電位值推得相同的結果。由此可推知： 25℃℃℃℃、、、、1atm，，，，鹵素族元素在水溶液中的反應活性順序為鹵素族元素在水溶液中的反應活性順序為鹵素族元素在水溶液中的反應活性順序為鹵素族元素在水溶液中的反應活性順序為：：：：氟氟氟氟＞＞＞＞氯氯氯氯＞＞＞＞溴溴溴溴＞＞＞＞碘碘碘碘。。。。但若鹼金屬不是在水溶液系統進行反應，則將不會有水合現象發生，也就不須考慮水合能值，此時第 1 族元素反應時所需吸收的能量大小關係為(括號內為能量值，單位 kJ/mol)：鋰(679.5)＞鈉(603.3)＞鉀(507.8)＞銣(483.9)＞銫(452.2)，故此時的活性順序應為：鍅＞銫＞銣＞鉀＞鈉＞鋰。同理，如果鹵素不是在水溶液系統進行反應，也不須考慮其水合能值，此時該族元素反應時所能釋放的能量大小關係為(括號內為能量值，單位 kJ/mol)：氟 (501.6)＞氯(458.4)＞溴(425.1)＞碘(379.0)，此時的活性順序為：氟＞氯＞溴＞碘。但完全根據元素反應時的能量變化值，即推論其於非水溶液系統進行反應的活性關係，此判斷方式並不完全正確。因為，當陰離子與陽離子形成時，彼此之間還會因為庫侖靜電引力相吸，交錯堆積成離子晶體，則此時就必須再進一步討論該晶體形成時的晶格能。由此可知，想要明確排列出各元素於不同反應條件時的活性順序，真的是剪不清、理還亂呀！！((((原文登載於科學月刊第原文登載於科學月刊第原文登載於科學月刊第原文登載於科學月刊第 451451451451 期期期期，，，， 2002002002007777 年年年年 7777 月版月版月版月版)))) 北一女中廖淑芬老師

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