矾

礬（alum）是一類化合物，通常指含鋁的硫酸複鹽水合物，其一般化學式為${\displaystyle {\ce {XAl(SO4)2}}}$·${\displaystyle {\ce {12(H2O)}}}$，其中X為單價陽離子，像是鉀離子或是銨離子。^[1]其中明礬指的是鉀明礬，其化學式為${\displaystyle {\ce {KAl(SO4)2}}}$·${\displaystyle {\ce {12(H2O)}}}$。其它礬類則需指明單價陽離子為何，像是鈉明礬或是銨明礬。

一塊鉀明礬 (${\displaystyle {\ce {KAl(SO4)2}}}$·${\displaystyle {\ce {12(H2O)}}}$)

礬類此名稱也更廣泛地用於稱呼其他類似複鹽，這些類似物具有相同的化學式和結構，只是鋁被其它三價金屬金屬離子（像是鉻）所取代，或是硫被其它氧族元素（像是硒）取代^[1]。這些類似複鹽以鉻明礬 ${\displaystyle {\ce {KCr(SO4)2}}}$·${\displaystyle {\ce {12(H2O)}}}$ 最為常見。

生產

一些礬類以天然礦物的型式存在，其中最重要的是明礬石。

最重要的幾個礬類，像是鉀明礬、鈉明礬及銨明礬，皆有工業生產。步驟通常牽涉到硫酸鋁與另一單價陽離子的硫酸鹽的結合。^[2]硫酸鋁則通常由硫酸處理片岩、鋁土礦及冰晶石後得到。^[3]

種類

 

鉀明礬晶體

若礬中的三價陽離子為鋁，則以單價陽離子以之命名。不像其它的鹼金族離子，鋰離子不會形成礬類，因其離子半徑過小。最重要的礬類包括

• 鉀明礬，${\displaystyle {\ce {KAl(SO4)2}}}$ ·${\displaystyle {\ce {12(H2O)}}}$ ，由于是此大类最重要成员，又直接简称为明礬。
• 鈉明礬，${\displaystyle {\ce {NaAl(SO4)2}}}$ ·${\displaystyle {\ce {12(H2O)}}}$ 。
• 銨明礬，${\displaystyle {\ce {NH4Al(SO4)2}}}$ ·${\displaystyle {\ce {12(H2O)}}}$ 。

化學性質

帶鋁的礬類有著共通的化學性質，它們溶於水，有甜味，石蕊測試為酸性，晶體形狀為正八面體。在礬類中兩個金屬離子分別被六個結晶水包圍，加熱後會先熔化，結晶水脫離，然後鹽會開始發泡及膨脹，最後留下無晶形的粉末。^[4]它們是收斂劑。

晶體結構

礬類晶體有三種，分別是α、β及γ。1927年，James M. Cork及威廉·布拉格(William Lawrence Bragg)報告了第一份礬類的X射線晶體結構，並用其來研究類質同形取代的恢復相位技巧。.^[5]

溶解度

不同礬類的溶解度相差甚大，鉀明礬易溶於水，但銫明礬及銣明礬只略溶於水。以下表格列出了各礬類的溶解度。^[3] 在溫度T，一百份水可溶解：

T	銨明礬	鉀明礬	銣明礬	銫明礬
0 °C	2.62	3.90	0.71	0.19
10 °C	4.50	9.52	1.09	0.29
50 °C	15.9	44.11	4.98	1.235
80 °C	35.20	134.47	21.60	5.29
100 °C	70.83	357.48

用途

中藥外用：解毒殺蟲、燥濕止癢 內服：止血止瀉、清熱消痰 用膽汁製備為膽礬可以湧吐、解毒收濕、蝕瘡祛腐

相關化合物

 

鉻明礬晶體

許多三價金屬都可形成礬類，最一般的形式為${\displaystyle {\ce {XM(SO4)2}}}$ ·${\displaystyle {\ce {n(H2O)}}}$ 。其中X為鹼金屬或是銨根，M為三價金屬，n通常為12。最重要的例子為鉻明礬 (${\displaystyle {\ce {KCr(SO4)2}}}$ ·${\displaystyle {\ce {12(H2O)}}}$ )，一個由鉻形成的暗紫色硫酸複鹽，可用於鞣製。

一般而言，鹼金屬的原子半徑越大，礬類就越容易形成。此規則第一次由Locke在1902年闡述^[6]，他發現若某三價金屬不會形成銫明礬，則該金屬也不會和其它鹼金屬或是銨根形成明礬。

含硒明礬

用硒取代硫酸根中的硫變成硒酸根 (${\displaystyle {\ce {SeO_4^2-}}}$ ) 後，即形成硒明礬或是硒酸明礬。它們是強氧化劑。

混礬

某些狀況下有可能會產生帶不同單價或三價陽離子的固溶體。

 

混入少許鉻明礬後的紫色礬晶體

其它水合物

一般礬類帶有12個結晶水，但若結晶水數目不同也可概稱為礬類，像是纖鈉明礬及纖鉀明礬中的11個結晶水，胍明礬(${\displaystyle {\ce {CH6N3+}}}$ )及二甲胺明礬(${\displaystyle {\ce {(CH3)2NH2+}}}$ )中的6個結晶水，綠鉀鐵礬中的4個結晶水，硫酸鉈鈽中的1個結晶水，以及無水明礬（斜鉀鐵礬）。

其它硫酸複鹽

有一種化合物，其化學式為${\displaystyle {\ce {ASO4}}}$ ·${\displaystyle {\ce {B2(SO4)3}}}$ ·${\displaystyle {\ce {22(H2O)}}}$ ，名為假礬。其中A為二價金屬離子，像是鈷（鈷假礬）、錳（錳假礬）或是鐵（鐵假礬）；B為三價金屬離子。^[7]

也存在形如${\displaystyle {\ce {A2SO4}}}$ ·${\displaystyle {\ce {B2(SO4)3}}}$ ·${\displaystyle {\ce {24(H2O)}}}$ 的硫酸複鹽，其中A為單價陽離子，像是鈉、鉀、銣、銫、鉈，或是複合的單價陽離子像是銨根(${\displaystyle {\ce {NH4+}}}$ )、甲胺基(${\displaystyle {\ce {CH3NH3+}}}$ )、羥胺基(${\displaystyle {\ce {HONH3+}}}$ )、聯氨基(${\displaystyle {\ce {N2H5+}}}$ )；B則為三價金屬離子，像是鋁、鉻、鈦、錳、釩、鐵、鈷、鎵、鉬、銦、釕、銠、銥。^[8]也存在類似的硒酸鹽。可能的組合取決於單價陽離子、三價陽離子及陰離子的離子半徑大小。

Tutton鹽是形如${\displaystyle {\ce {A2SO4}}}$ ·${\displaystyle {\ce {BSO4}}}$ ·${\displaystyle {\ce {6(H2O)}}}$ 的硫酸複鹽，其中A為單價陽離子，B為二價金屬離子。

参考资料

1. Austin, George T. Shreve's Chemical process industries. 5th. New York: McGraw-Hill. 1984: 357 [2020-08-20]. ISBN 9780070571471. （原始内容于2020-06-11）. 
2. Otto Helmboldt, L. Keith Hudson, Chanakya Misra, Karl Wefers, Wolfgang Heck, Hans Stark, Max Danner, Norbert Rösch "Aluminum Compounds, Inorganic" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2007, Wiley-VCH, Weinheim.doi:10.1002/14356007.a01_527.pub2
3. Chisholm 1911，第767頁. sfn error: no target: CITEREFChisholm1911 (help)
4. Chisholm 1911，第766頁. sfn error: no target: CITEREFChisholm1911 (help)
5. Ph.D, J. M. Cork. LX. The crystal structure of some of the alums. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1927-10-01, 4 (23): 688–698. ISSN 1941-5982. doi:10.1080/14786441008564371. 
6. J. Locke. On some double suphates of thallic thallium and caesium. American Chemical Journal. 1902, 27: 281. 
7. Halotrichite on Mindat.org. [2020-08-20]. （原始内容于2020-08-03）. 
8. Greenwood, N. N.; & Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd Edn.), Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4.

延伸阅读

[编]

  《欽定古今圖書集成·方輿彙編·坤輿典·礬部》，出自陈梦雷《古今圖書集成》