非金屬元素及其化合物：碳與矽全攻略 | 莫斯利自然科學
從締造無數璀璨碳基生命的鑽石與石墨，到支撐全球半導體與資訊革命的純矽晶圓，碳 (C) 與矽 (Si) 這兩個同屬於週期表第 14 族的孿生兄弟，究竟展現了什麼樣截然不同卻又息息相關的化學魔術？
碳的同素異形體比較、一氧化碳與二氧化碳性質差異、矽的半導體應用，以及天然矽酸鹽的結構分類。
一、 碳的同素異形體比較
碳元素可以形成多種結構迥異的同素異形體，其中以金剛石、石墨與富勒烯最受矚目。
比較項目 | 金剛石 (Diamond)  | 石墨 (Graphite)  | 富勒烯 (Fullerene, 如 C₆₀)  |
混成軌域 | sp³ 混成軌域，形成四個正四面體 σ 鍵。 | sp² 混成軌域，形成三個平面三角 σ 鍵及一個 π 鍵。 | C₆₀ 為最圓、最對稱球狀分子，每個 C 原子以 sp² 混成與另外三個 C 相接。 |
結構特徵 | 三維空間網狀結構。 | 層狀結構，層間僅以微弱凡得瓦力結合。 | 包含 12 個五邊形和 20 個六邊形組成的 32 面體，具 90 個 σ 鍵與 30 個 π 鍵。 |
物理性質 | 無色透明、折射率大，硬度為天然物質中最大；絕緣體，但導熱性極佳。 | 具金屬光澤的灰黑色固體；層間電子可移動，具良好的導電性；層間易滑動而柔軟。 | 具籠狀結構的黃黑色或棕黑色結晶固體。 |
主要用途 | 高貴飾品、工業切割工具。 | 電極、潤滑劑、鉛筆芯、碳纖維。 | 光纖、化學品、觸媒、醫藥等領域。 |
二、 碳的氧化物：一氧化碳與二氧化碳之比較
比較項目 | 一氧化碳（CO） | 二氧化碳（CO₂） |
來源 | 1. 化石燃料的不完全燃燒 2. 秋季樹葉凋零，葉綠素分解會產生 CO | 1. 化石燃料的完全燃燒 2. 人體與動物食物代謝的最終產物 |
性質 | 1. 無色無臭氣體，有毒性。 2. 與血紅素結合能力較氧強。 3. 可燃，與氧反應生成 CO₂。 | 1. 無毒性，不可燃，不助燃。 2. 常壓下比氧氣、氮氣易溶於水。 3. 鹼金屬的碳酸鹽可溶於水，其他金屬的碳酸鹽難溶於水。 4. 高溫下可與活潑金屬反應，所以活潑金屬燃燒不可以 CO₂ 滅火。 |
對水溶解度 | 難溶於水。 | 微溶於水，呈酸性。 STP 下每公升水可溶 1.73 公升 CO₂。 |
主要製法 | 1. 碳的不完全燃燒。 2. 水蒸氣和熱的煤焦反應。 3. 甲酸脫水。 | 1. 實驗室製法： 大理石與鹽酸反應。 2. 工業製法： 強熱灰石。 |
用途 | 燃料、冶煉鐵的還原劑、製造甲醇、甲烷、汽油。 | 碳酸飲料、乾粉滅火器。 固態二氧化碳俗稱乾冰，作為冷凍劑。 乾冰昇華製造煙霧。 |
三、 矽 (Si) 的性質、製備與應用
存在與性質：
矽是地殼中含量僅次於氧的元素，通常以二氧化矽 (SiO₂) 或矽酸鹽形式存在。
矽原子以 sp³ 混成軌域形成三維網狀固體（類似金剛石），具有金屬光澤，硬度高、熔沸點高。
在常溫下相當安定，只與氟發生劇烈反應生成四氟化矽。
工業製備與純化：
工業製法： 通常以焦炭在高溫下還原二氧化矽（SiO₂ + 2C ➔ Si + 2CO）。
超純矽製備： 先將矽轉變為氣態氫化矽（矽烷，SiH₄），與雜質分離後再加熱分解使純矽沉積（SiH₄ ➔ Si + 2H₂），獲得高純度多晶矽以供半導體使用。
半導體應用：
透過摻雜微量元素可製成 P 型與 N 型半導體，是現代電子工業的基石。
四、 天然矽酸鹽的結構分類
矽酸鹽以 SiO₄⁴⁻（正矽酸根四面體）為基本單位，藉由共用氧原子（橋樑氧）形成各種維度的組合：
矽酸鹽結構類型 | 幾何特徵與鍵結方式 | 經典礦物代表 |
(1) 單獨陰離子基  | 獨立的 SiO₄⁴⁻ 四面體。 | 橄欖石 ((Fe, Mg)₂SiO₄) |
(2) 一度空間鏈狀  | 單矽氧鏈或雙矽氧鏈。 | 輝石、石棉 |
(3) 二度空間片狀  | 四面體在平面上延伸成片狀。 | 滑石、雲母 |
(4) 三度空間網狀  | 所有氧原子均作為橋樑，形成三維網狀結構（如石英 SiO₂）。 | 石英、長石、玻璃 |
五、 講義精選例題解析
【題型一：鑽石與石墨性質綜合辨識】
【題目】 下列有關鑽石與石墨的敘述，何者錯誤？ (A) 石墨為電的良導體 (B) 兩者碳原子皆為 sp³ 鍵結 (C) 碳與碳間鍵能：石墨 > 鑽石 (D) 碳與碳間鍵長：鑽石 > 石墨 (E) 鑽石沒有 π 鍵，石墨沒有 σ 鍵 (F) 兩者均為三度空間網狀固體
【解析】
(A) 正確：石墨因具備定域化與非定域電子，可在層間移動而導電。
(B) 錯誤：鑽石碳原子為 sp³ 混成，但石墨碳原子為 sp² 混成。
(C) 正確：石墨的碳-碳鍵具有部分雙鍵性質（鍵長較短、鍵能較大），故石墨鍵能大於鑽石。
(D) 正確：鑽石單鍵鍵長約 154 pm，石墨碳碳鍵鍵長約 142 pm，故鑽石鍵長大於石墨。
(E) 錯誤：石墨同時含有 σ 鍵與 π 鍵。
(F) 錯誤：石墨為層狀結構，並非全面三度空間網狀。
本題屬於複選或綜合觀念題，其中 (B)、(E)、(F) 敘述均有錯誤。
【題型二：半導體與砷化氫性質判斷】
【題目】 在半導體製程中，胂化氫是摻雜矽晶的重要原料之一，若不慎外洩，會污染環境及危害人員。下列有關砷及其化合物的敘述，何者正確？ (A) 砷是類金屬元素 (B) 胂化氫是離子化合物 (C) 胂化氫具有分子間氫鍵 (D) 胂化氫的化學式為 AsH₃ (E) 矽晶中摻雜砷，可以製成 n 型半導體
【解析】
(A) 正確：砷 (As) 位於元素週期表第 15 族，屬於類金屬（半金屬）元素。
(B) 錯誤：胂化氫 (AsH₃) 是由非金屬組成的共價分子化合物。
(C) 錯誤：砷的電負度較小，AsH₃ 分子間不具強大的氫鍵。
(D) 正確：胂化氫化學式為 AsH₃。
(E) 正確：矽（第 14 族）晶體中摻雜第 15 族的砷，會多出自由電子，可製成 n 型半導體（若摻雜第 13 族則為 p 型）。
正確選項彙整：(A)、(D)、(E)
六、 莫斯利重點整理
同素異形體比一比： 鑽石 sp³ 三維網狀絕緣；石墨 sp² 層狀導電；富勒烯球狀分子。
碳氧化物特性： CO 有毒、具還原性；CO₂ 不助燃、微溶呈酸性、遇活潑金屬不可滅火。
矽的晶體特性： 類似鑽石的三維網狀結構，熔沸點極高，是現代半導體與晶圓製造的核心原料。
矽酸鹽結構： 以正矽酸根四面體 (SiO₄⁴⁻) 為基本單元，透過共用氧原子衍生出鏈狀、片狀與網狀結構。