非金屬元素及其化合物：氧與氯全攻略 | 莫斯利自然科學
從維持萬物呼吸的生命之源，到泳池消毒與工業漂白不可或缺的強力氧化劑，氧與氯這兩種活潑的非金屬元素，徹底主導了我們日常生活的化學面貌。我們究竟該如何系統性地掌握它們的同素異形體、製備途徑、反應特性以及複雜的含氧酸性質？
氧氣與臭氧的性質與製備、氯氣的實驗室與工業製法、氯的含氧酸系列強度比較，以及大考綜合題型解析。
一、 氧氣 (O₂) 與臭氧 (O₃) 的性質與製備
1. 氧的同素異形體比較表
物質 | 分子式 | 物理性質 | 化學性質與主要用途 |
氧氣 | O₂ | 無色、無臭、無味氣體，為非極性分子。 | 助燃、工業煉鋼（將硫與碳轉化為二氧化硫與二氧化碳）。 |
臭氧 | O₃ | 淡藍色有臭味的氣體，屬極性分子。 | 強氧化劑；可將碘化鉀澱粉試紙變為藍黑色；用作漂白劑及自來水消毒。 |
2. 氧氣的製備方式
實驗室製法：
以二氧化錳 (MnO₂) 當催化劑，加熱氯酸鉀 (KClO₃) 製氧。
2KClO₃ ──(MnO₂、加熱)──→ 2KCl + 3O₂↑
或以 MnO₂ 加雙氧水 (H₂O₂) 催化分解亦可製得氧氣。
2H₂O₂ ──(MnO₂)──→ 2H₂O + O₂↑
工業製法：
液態空氣分餾： 由於氮(約 −196°C)的沸點低於氧(約 −183°C)，氮先蒸發出來，殘餘者多為氧。
電解水：2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑
二、 氯氣 (Cl₂) 的性質、製備與應用
1. 氯氣的性質與化學反應
物理性質： 常溫時為黃綠色氣體，具強烈刺激性。
化學反應：
Cl₂ 與水發生自身氧化還原反應。Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO
可溶於鹼性溶液中。Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O
可溶於四氯化碳 (CCl₄) 中，呈現淡黃色。
Cl₂ 在強光照射或加熱時與 H₂ 劇烈反應並爆炸。H₂ + Cl₂ ──(強光或加熱)──→ 2HCl
2. 氯氣的製備方式
實驗室製法： 常用強氧化劑氧化鹽酸來製備。
經典反應：濃鹽酸與二氧化錳共熱 MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O
此反應中 MnO₂ 作為氧化劑，HCl 中的 Cl⁻ 被氧化成 Cl₂。
實驗裝置淨化流程：需通過水瓶吸收揮發的 HCl 氣體，再通過濃硫酸瓶吸收水分，最後以向上排氣法收集氯氣，並以鹼液吸收多餘的氯氣避免外洩。
工業製法： 電解濃食鹽水製氯氣。
三、 氯的含氧酸系列性質比較
氯能形成多種含氧酸，其酸性強弱與氧化力強弱具有規律的遞變趨勢：
氧化數 | 含氧酸名稱與化學式 | 受熱時的穩定度 | 酸的強弱 | 氧化力的強弱 |
+7 | 過氯酸 (HClO₄) | 最穩定 | 最強酸 | 最弱 |
+5 | 氯酸 (HClO₃) | 中等 | 強酸 | 中等 |
+3 | 亞氯酸 (HClO₂) | 不穩定 | 中強酸 | 強 |
+1 | 次氯酸 (HClO) | 不穩定（易分解） | 極弱酸 | 最強 |
規律總結： 氯的含氧酸中，氧原子數越多，酸性越強，但氧化力越弱。
四、 講義精選例題解析
【題型一：產生氧氣的方法判定】
【題目】 下列哪些方法可以得到氧？ (A) 氯酸鉀與二氧化錳共熱 (B) 鹽酸與大理石反應 (C) 液態空氣的分餾 (D) 鹼金屬與水反應 (E) 加熱紅色氧化汞 (F) 硝酸長時間照光 (G) 加熱亞硝酸鈉 (H) 氯水經日照變質 (I) 雙氧水加二氧化錳
【解析】
(A) 正確：加熱氯酸鉀與二氧化錳共熱可製得 O₂。
(B) 錯誤：鹽酸與大理石反應生成的是二氧化碳 (CO₂) 氣體。
(C) 正確：液態空氣分餾可大量獲得氧氣。
(D) 錯誤：鹼金屬與水反應生成的是氫氣 (H₂)。
(E) 正確：加熱紅色氧化汞會分解產生汞與氧氣。
(F) 正確：硝酸照光分解會產生二氧化氮與氧氣。
(G) 錯誤：加熱亞硝酸鈉不產生氧氣。
(H) 正確：氯水經日照變質（2Cl₂ + 2H₂O ➔ 4HCl + O₂）會放出氧氣。
(I) 正確：雙氧水加二氧化錳催化分解可迅速產生氧氣。
正確選項彙整：(A)、(C)、(E)、(F)、(H)、(I)
【題型二：含氣體生成反應的綜合辨識】
【題目】 下列 (A) 至 (J) 十個反應均會生成氣體，請以代號回答下列問題： (A) 熟石灰和氯化銨混合加熱 (B) 亞硝酸鈉和氯化銨混合加熱 (C) 濃鹽酸與二氧化錳共熱 (D) 氯酸鉀與二氧化錳共熱 (E) 食鹽和濃硫酸混合加熱 (F) 將濃鹽酸滴在漂白粉中 (G) 水滴入氮化鎂中 (H) 過氧化鈉投入水中 (I) 二鉻酸銨加熱 (J) 銅與稀硝酸反應
(1) 上述反應，哪些不是氧化還原？
(2) 上述反應，哪些會生成 N₂？
(3) 上述反應，哪些會生成 Cl₂？
(4) 上述反應，哪些會生成 O₂？
(5) 上述反應，哪些產生的氣體會使濕潤的紅色石蕊試紙變藍色？
(6) 上述反應，哪些產生的氣體用排水集氣法收集？
【解析】
氣體產物清單：
(A) 生成 NH₃（氨氣，具強烈鹼性，使紅石蕊變藍）
(B) 生成 N₂（氮氣，非氧化還原或自身氧化還原，排水集氣）
(C) 生成 Cl₂（氯氣）
(D) 生成 O₂（氧氣，排水集氣）
(E) 生成 HCl（氯化氫氣體）
(F) 生成 Cl₂（氯氣）
(G) 生成 NH₃（氨氣）
(H) 生成 O₂（氧氣，排水集氣）
(I) 生成 N₂（氮氣，火山爆發示範反應，排水集氣）
(J) 生成 NO（一氧化氮氣體）
解答對應：
(1) 不是氧化還原的反應：(A)、(E)、(G)（複分解酸鹼或水解反應，氧化數無改變）。
(2) 會生成 N₂ 的反應：(B)、(I)。
(3) 會生成 Cl₂ 的反應：(C)、(F)。
(4) 會生成 O₂ 的反應：(D)、(H)。
(5) 使濕潤紅色石蕊試紙變藍色的氣體：(A)、(G)（因生成鹼性氨氣 NH₃）。
(6) 用排水集氣法收集的氣體（難溶於水）：(B)、(D)、(H)、(I)（氮氣與氧氣均難溶於水，可採排水集氣法）。
五、 莫斯利重點整理
同素異形體特性： 氧氣 (O₂) 助燃無色；臭氧 (O₃) 強氧化且能使碘化鉀澱粉試紙變藍黑。
氯氣製備核心： 實驗室以二氧化錳氧化濃鹽酸，流程必須注意除酸、除水與尾氣吸收。
含氧酸規律： 氧越多、酸性越強、氧化力越弱（過氯酸最強酸、次氯酸最強氧化力）。
氣體收集原則： 難溶於水或微溶且不與水反應的氣體（如 O₂、N₂）可用排水集氣法。