非金屬元素及其化合物：氫與氮全攻略 | 莫斯利自然科學
從維持宇宙恆星燃燒的輕元素，到構成生命蛋白質與現代農業化肥的氮鍵，氫與氮這兩種看似簡單的非金屬元素，卻是支撐整個化學工業與地球生態運作的絕對主角。我們究竟該如何掌握它們獨特的物理化學性質、製備方法與重要化合物？
氫氣的性質與製備、氮氣的惰性與固定、氨氣的性質與哈柏法製備，以及硝酸的強氧化力與奧士華法製程。
一、 氫氣 (H₂) 的性質與製備
1. 氫氣的性質總覽
物理性質： 無色、無臭、無味氣體，難溶於水（可用排水集氣法收集）；密度為空氣的 1/14.4，是已知氣體中最輕的。
化學性質：
常溫下 H₂ 分子結構安定；但在高溫或催化劑下活性增加。
可與活性大的金屬（如鹼金屬、鹼土金屬）形成金屬氫化物（如 NaH、CaH₂），遇水會劇烈釋放氫氣，具有極強的還原性。
2Na + H₂ → 2NaH Ca + H₂ → CaH₂
NaH + H₂O → NaOH + H₂↑ CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂↑
高溫下可作還原劑，將活性較小的金屬氧化物還原成金屬。
CuO + H₂ → Cu + H₂O
Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
（氫氣將金屬氧化物還原成金屬，本身則被氧化成水。）
2. 氫氣的製備方式
實驗室製法：
活性大的金屬與水作用。
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑
Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑
活性大的金屬與酸作用。
Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
Mg + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂↑
兩性金屬與強鹼作用。
2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑
Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑
工業製法：
電解水： 純水需加少量電解質（H₂SO₄、NaOH）助導電，耗能量大。
2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑
（純水需加入少量 H₂SO₄ 或 NaOH 作為電解質，以增加導電性。）
水煤氣法： 水蒸氣與灼熱煤焦作用產生一氧化碳與氫氣的混合物（水煤氣），再經轉化與純化。
C + H₂O(g) → CO + H₂
（水蒸氣與灼熱煤焦作用，產生一氧化碳與氫氣。）
後續水煤氣轉化反應：
CO + H₂O(g) → CO₂ + H₂
天然氣法： 甲烷與水蒸氣在高溫及催化劑 (Ni) 作用下製得。
CH₄ + H₂O(g) → CO + 3H₂
（高溫、Ni 催化劑。）
後續水煤氣轉化反應：
CO + H₂O(g) → CO₂ + H₂
二、 氮氣 (N₂) 與其重要化合物
1. 氮氣 (N₂) 的性質與應用
物理性質： 無色、無臭、無味的雙原子分子，難溶於水，大氣中佔體積 78%。
化學性質：
分子中兩個氮原子以參鍵結合（N三結N），鍵能極大故十分安定，不燃、亦不助燃。
常溫常壓下幾乎不與其他元素化合，但在高溫或微生物作用下可進行氮固定（例如高溫與氧、鎂、鋰反應，或與電石反應生成氰氨化鈣作為肥料）。
N₂ + O₂ → 2NO（高溫或放電條件下反應。）
3Mg + N₂ → Mg₃N₂（高溫生成氮化鎂。）
6Li + N₂ → 2Li₃N（生成氮化鋰。）
CaC₂ + N₂ → CaCN₂ + C（生成氰氨化鈣，又稱石灰氮，可作為氮肥。）
N₂ + 3H₂ → 2NH₃
（生物固氮的實際反應由固氮酶催化，並消耗 ATP；此式為總反應的簡化表示。）
重要用途： 食品包裝充氮防腐、輪胎充氣、液態氮作為深度冷凍劑、製造硝酸與氨肥。
三、 氮的重要化合物：氨 (NH₃) 與硝酸 (HNO₃)
化合物名稱 | 重要物理性質 | 實驗室製備 | 工業製法與核心反應 |
氨 (NH₃) | - 具刺激性臭味，極易溶於水（1體積水可溶700倍體積氨）。 - 遇氯化氫會產生白煙（氯化銨微粒）。 | 氯化銨與強鹼（如氫氧化鈣）共熱，用向下排氣法收集。 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O | 哈柏法 (Haber Process)： N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ 以氮氣與氫氣在高溫高壓及鐵系催化劑下反應製得。 |
硝酸 (HNO₃) | - 純硝酸為無色發煙液體。 - 照光會分解出二氧化氮而呈黃褐色，須存放在深色玻璃瓶中。 | 以硝酸鈉與濃硫酸加熱製製得（NaNO₃ + H₂SO₄ ➔ NaHSO₄ + HNO₃）。 | 奧士華法 (Ostwald Process)： 以氨為原料，經鉑-銠合金催化氧化、二氧化氮溶於水製成。 |
奧士華法: 第一步：氨氧化成一氧化氮
4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O
（高溫，使用鉑銠合金作為催化劑。）
第二步：一氧化氮氧化成二氧化氮
2NO + O₂ → 2NO₂
第三步：二氧化氮與水反應生成硝酸
3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO
（產生的 NO 可再循環氧化成 NO₂。）
四、 講義精選例題解析
【題型一：氫氣製備與金屬氫化物反應判斷】
【題目】 下列四種物質為實驗室常見的化學藥品：
(甲) Mg、(乙) CaH₂、(丙) Mg(OH)₂、(丁) NaOH；將上述物質於常溫下置入純水中，何者可能產生氫氣？ (A) (甲) (B) (乙) (C) (丙) (D) (丁)
【解析】
(甲) Mg 為中等活性金屬，常溫下與純水反應極慢或幾乎不反應（需高溫水蒸氣才反應）。
(乙) CaH₂ 為金屬氫化物，其中的氫帶 -1 價，遇水會發生劇烈氧化還原反應，釋放出大量的氫氣（CaH₂ + 2H₂O ➔ Ca(OH)₂ + 2H₂）。
(丙) Mg(OH)₂ 為難溶性鹼，置入水中不反應。
(丁) NaOH 為強鹼，溶於水不產生氫氣。
正確答案：(B)
【題型二：氮及其化合物性質綜合判斷】
【題目】 下列有關氮及其化合物之敘述，何者正確？
(A) 硝酸可作為過錳酸鉀滴定時酸的來源 (B) 工業上製備氨氣的方法稱為當氏法 (C) 奧士華法製硝酸的原料是 NH₃ 及 O₂ (D) 硝酸的性質穩定，常儲存於無色透明的玻璃瓶中 (E) 亞硝酸鈉與氯化銨共熱可製得 N₂ (F) 工業上，製備氮氣是利用分餾液態空氣 (G) 液態氮為實驗室裡常用的低溫冷卻劑 (H) 氨氣在氧中氧化，可以製得硝酸
【解析】
(A) 錯誤：硝酸具有強氧化性，若作為滴定酸源會干擾過錳酸鉀的氧化還原反應（通常使用硫酸）。
(B) 錯誤：工業製備氨氣稱為哈柏法（當氏法是用來製備金屬鈉）。
(C) 正確：奧士華法以氨氣與氧氣為催化氧化原料。
(D) 錯誤：硝酸照光易分解出黃褐色的二氧化氮，必須儲存於深色玻璃瓶中。
(E) 正確：亞硝酸鈉與氯化銨共熱可安全製得純氮氣。
(F) 正確：工業上利用液態空氣沸點不同（氮氣沸點比氧氣低先沸騰氣化）以分餾法製取氮氣。
(G) 正確：液態氮常作為冷凍劑與冷卻保存用。
(H) 正確：氨氣在氧中催化氧化即為奧士華法的核心開端，最終可製得硝酸。
正確選項彙整：(C)、(E)、(F)、(G)、(H)
五、 莫斯利重點整理
氫氣物理化學特性： 最輕的氣體、難溶於水；具強還原性，高溫下可還原金屬氧化物。
氮氣安定關鍵： 氮原子間存在強大的參鍵，導致常溫下極為安定（惰性），需高溫或細菌固氮才能反應。
氨與硝酸工業製法鐵律：
製氨靠哈柏法（高壓、鐵催化）。
製硝酸靠奧士華法（氨催化氧化為一氧化氮 ➔ 二氧化氮 ➔ 溶於水）。
硝酸保存原則： 具強烈氧化性且照光易分解，必須使用深色瓶保存。