Structure & Bonding_試題分析

此課題目繁多、不時在公開試出現。在此挑選一些較特別的題目講解，順道就上次課題繼續伸延。(時間關係，長題目下次這兩天再補加)

DSE/13/1A/1

Silicon is an element in Group IV of the Periodic Table. The oxide of silicon has the chemical formula SiO₂. Which of the following statements about silicon and its oxide is correct?

A.          Silicon is a good conductor of heat.

B.          Silicon exists as simple molecules.

C.          SiO₂ is a hard material at room temperature.

D.         SiO₂ dissolves in water to give an acidic solution.

除了上次提及的鑽石、石墨及二氧化矽外，硼(Boron)及矽(Silicon)亦具有巨型共價結構，不過在考試中無須畫出此兩種元素的結構。矽的結構內全是由共價鍵組合出來、沒有任何簡單分子，它的傳熱能力和離子化合物及簡單分子一樣麻麻 (事實上傳熱能力好的都是金屬和石墨)。所以A及B都錯。

二氧化矽的物理特性和其他巨型共價結構的物質一樣在溶點、沸點及硬度都很高(所以答案是C)。但大家未必清楚了解二氧化矽是種酸性(acidic)物質，因為它能夠溶在鹼性的氫氧化鈉水溶液(NaOH (aq))中產生矽酸鈉 (Na₂SiO₃ (aq))，情況就類似中和作用︰

SiO₂ (s) + 2NaOH(aq) à Na₂SiO₂ (aq) + H₂O (l)

但要記住二氧化矽是不溶於水的，否則由其組成的沙粒都可以溶於水中，世界上大概再沒有沙灘這種地方。溶水而令溶液的pH下降(或放出H⁺)一定是酸性的但不溶水的物質亦可以帶酸性，二氧化矽就是一個好例子。所以D亦不正確。

DSE/12/1A/1

Which of the following substances CANNOT conduct electricity?

A.          Pt (s)

B.          PbBr₂ (l)

C.          C (graphite)

D.         CH₃CH₂OH (l)

只要知道物質需要有離域電子(Delocalized electrons)或自由離子(Mobile ion)才可導電。

鉑(Pt)由巨型金屬結構組成，自然有離域電子，所以絕對可以導電。當然加熱而成熔融態(Molten state，其實即是液態(l)。熔融態只是說明該物質在加熱的情況才變成液態，在常溫下是固態)的金屬，其陽離子能在結構內自由走動外，但離域電子依然存在，所以一樣可以導電。不過如果某固體金屬被磨成粉末導電性能就會很差，因為金屬粉末之間會被不傳電的空氣分子分隔開、不能構成連貫的金屬結構。

巨型離子結構內要有自由離子，該化合物就只可是水溶液(aq)或熔融態(l) (在固體時離子都互相鎖緊，自然沒有自由離子。) 。故此PbBr₂ (l)亦可以導電。大家由細學到大都聽講水可以傳電，但實際上純水是很差的傳電體﹗只是我們日常接觸的水並不是純水而已。當中包含微量的離子化合物如加入的礦物質、氟化物甚至是從輸水管中釋出(鉛就是以類似方式滲入食水中)，形成這些能傳電、濃度極低的水溶液。

石墨雖然是巨型共價結構，但擁有離域電子、它們可以在結構的一邊將電傳到另一邊，所以同樣可導電。不過稍為詫異的地方在於不是所有擁有離域電子的物屬都可以傳電。例如C₆₀的結構一樣擁有離域電子，但它們不能由一粒分子走到另一粒分子，所以不能導電。

至於CH₃CH₂OH，即使大家一時間想不到它是酒精乙醇，但既然當中沒有金屬之餘亦沒有氫離子[hydrogen ion H⁺ (aq)] 或銨離子[ammonium ion NH₄⁺(aq)]，自然是簡單分子，所以不能導電。

DSE/14/1A/2

Which of the following compounds has a giant ionic structure?

A.          N₂O₄

B.          HNO₃

C.          NCl₃

D.         NH₄NO₃

驟眼睇4個答案都沒有金屬(離子)，何來離子化合物。但實際上陽離子不一定要金屬，也可以是氫離子H⁺ (aq)或銨離子 NH₄⁺。氫離子來自離子化(ionization)後的酸性物質如氫氯酸(HCl)、硫酸(H­₂SO₄)或硝酸(HNO₃)。這些酸性物質未溶水時都是以簡單分子存在，但溶在水後就會經離子化而放出氫離子H⁺ 及另一款陰離子(A^-)︰

[不是所有分子溶在水後都會離子化，這視乎其酸性強度(acid strength)，之後講到酸會再詳細介紹]

這種離子化合物和之前所學有些分別，雖然它們具自由離子而可以導電，但一旦加熱後它們就會還原成簡單分子，所以不可能出現固態，自然亦不可以展示相關的物理性質。

至於銨就是氨和氫離子的結合物︰

(氫離子沒有電子，共價鍵內的電子都是來自氮原子。這鍵又稱為配位共價鍵，之後介紹non-octet structure會再詳述)

雖然HNO₃、N₂O₄和NCl₃溶在水後都成生成離子(後面兩隻溶水後亦能產生自由離子，但情況和前段所講有點不同、而且無須考核，故不在此詳述)，但在沒有水的情況下始然是簡單分子，但NH₄NO₃包含銨離子NH₄⁺及硝酸離子NO₃^-，故此不論在固態或水溶液中都是離子化合物，所以D是最好的答案。