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第五章 化學鍵

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Academic year: 2021

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第五章 化學鍵

原子與原子間可靠著某種作用力而形成分子,然而分子與分子間亦可靠著另一種作 用力來形成物質,因此物質間的作用力可分成分子間與原子間(分子內)的作用力。 一.分子內作用力(原子與原子間的作用力):一般而言,此種作用力的大小大約是

mol

kJ

400

~

150

,稱之為化學鍵,其種類如下: 1.離子鍵。 2.共價鍵。 3.金屬鍵。 二.分子間作用力(分子與分子間之作用力):一般而言,此種作用力的比較小,大約是 小於

40

kJ

mol

,其種類如下: 1.氫鍵。 2.凡得瓦引力。 (1)偶極–偶極力:極性分子與極性分子間。 (2)偶極–誘導偶極力:極性分子與非極性分子間。 (3)誘導偶極–誘導偶極力(分散力):非極性分子與非極性分子間。 5-1 化學鍵

(2)

一.定義:自然界的各種物質,均有其特定組成原子的種類、數目與排列方式結合一起 , 而這種原子間的結合能力,即是化學鍵;簡言之,兩個原子間之相互作用力,使它 們能穩定地聚在一起,此種原子與原子間之作用力,即稱之為化學鍵。 二.形成:化學鍵形成時必有能量釋出,此能量稱為鍵能( H 0);反之,破壞化學鍵 則需要吸收能量,此能量稱之為解離能( H 0)。鍵能與解離能為同值異號。若能量 變化超過

40

kJ

mol

時,則原子與原子間必有化學鍵存在。 三.種類:化學鍵依價電子分佈情形,可分成離子鍵、共價鍵、金屬鍵三種,其中離子鍵 與共價鍵的鍵能較大,金屬鍵的鍵能則比較小,大約是前兩者的三分之一。 四.離子鍵、共價件與金屬鍵的比較:如表5 1 。 表5 1 化學鍵的比較 1.大部分安定分子中的原子,其電子組態與下列那一族元素相同 (A)鈍氣 (B)鹼金屬 (C) 鹵素 (D)鹼土族。

(3)

2.八隅體學說,指的是 (A)分子中共有 8 個電子 (B)分子中每一個原子的最外層均有 8 個 電子 (C)一個分子中有 8 個原子 (D)一個分子有 8 個角。 3.下列各項敘述中,是原子形成化合物的最佳理由是 (A)失去電子 (B)得到電子 (C)獲得 安定的狀態 (D)與氧結合。 4.形成化學鍵的條件為 (A)能量降低 (B)有價電子 (C)有半滿軌域 (D)價軌域全部填滿電 子 (E)有空的價軌域。 5.下列有關化學鍵的敘述中,錯誤的是 (A)分子中使原子與原子結合在一起的作用力稱 為化學鍵 (B)化學鍵形成時會釋放出能量,其大小順序是離子鍵或共價鍵大於金屬 鍵 (C)離子鍵與共價鍵均具有方向性而金屬鍵則沒有 (D)在形成強化學鍵時,通常可 放出大於 40 kJ mol 的能量。 6.下列原子(括弧中數字為原子序)中,易失去電子而形成陽離子的有 (A)N(7) (B) ) 16 ( S (C)Na(11) (D)Si(14) (E)Ca(20) 7.下列原子(括弧中數字為原子序)中,易獲得電子而形成陰離子的有 (A)C(6) (B)

(4)

) 16 ( S (C)Na(11) (D)Cl(17) (E)Ca(20) 8.原子序為 20的原子可與下列哪一個原子形成離子晶體? (A)11 (B)17 (C)13 (D)8 (E)10。 5-2 離子鍵 一.定義:兩個欲結合的原子,藉由電子的轉移而產生兩個帶相反電荷的陰、陽離子, 然後藉著庫侖引力所產生的吸引力而結合。由離子鍵所形成的化合物,稱之為離子化 合物。 二.離子鍵的形成:組成原子間發生電子的轉移,此時具低游離能(低電負度)的金屬(如, IA 、 IIA )變成陽(正)離子;而具較高電負度(高游離能)的非金屬元素(如,VIAVIIA),則形成陰(負)離子,此兩陰、陽離子再藉著庫侖引力結合所產生的化合物, 即稱之為離子化合物。其條件是兩者之電負度差要夠大,即是XA  XB,亦可寫成 0 . 2   B A X

(5)

三.形成離子鍵的能量變化:根據庫侖引力定律,陰、陽離子間的作用力與電荷乘積成 正比,與離子間距離平方成反比,其能量變化關係圖,如圖5 2 所示。當淨位能最 低時,即總吸引力位能與總排斥力位能的總和最低;此時的離子化合物為最穩定狀 態而兩離子間的距離即為離子鍵的鍵長。 圖5 2 形成離子鍵的能量變化圖 1.( )a 點:陽離子(M)與陰離子(X)距離

時,位能等於零。 2.( )a ( )b :表示M 與X 接近中,位能降低。此時位能r e E 2   ;兩離子間的引力 大於斥力,所以尚未形成穩定的化學鍵。 3.( )c 點:此時引力位能與斥力位能之總和達最低,因此MX最穩定。形成時所釋放 出的能量等於鍵能,距離ro 就是鍵長,兩離子間的引力等於斥力,呈平衡狀態, 並形成穩定的化學鍵。 4.( )c ( )d :兩離子過於接近,電子雲雨電子雲間、原子核與原子核間斥力劇增,所 以位能快速增加,變的很不穩定,兩離子間的斥力大等於引力,無法形成穩定的化 學鍵。 四.離子鍵的組成:一般而言,是由易失去電子的金屬原子與易得到電子的非金屬原子 所組成。但亦有其他種類之離子化合物,如圖5 3 。

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圖5 3 常見離子化合物的組成 五.典型離子鍵的範例:將一塊鈉(強還原劑)丟進一瓶氯氣(強氧化劑)中,稍微搖晃就會 看到鈉劇烈的燃燒,最後生成性質穩定的白色固體(氯化鈉)。整個過程中,鈉原子失 去一個電子,而氯原子則得到一個電子,同時形成了鈉離子與氯離子(均有惰性氣體 的電子組態),兩者再以庫侖靜電力互相吸引,形成氯化鈉晶體,而此作用力就是離 子鍵。如圖5 4 所示。 圖5 4 六.離子鍵的強度: 1.離子鍵的強度與兩離子所帶的電荷乘積(Q Q1 2)成正比;而與兩離子間的距離(r2, 離子鍵長)呈反比。即陰陽離子的電荷愈大、半徑愈小,其離子鍵的強度就愈強。一般 而言,電荷之影響力>>離子間的距離。強度 1 2 2 Q Q r   。 2.陰、陽離子半徑相近者,離子所帶電荷愈大,離子鍵愈強,熔點愈高。如, MgO(2800oC) NaCl(801oC) 3.電荷數相等者,陰、陽離子之距離愈小者,則離子鍵愈強,熔點愈高。如, LiF(870oC) NaCl(801oC) 4.離子鍵中,若所含離子性愈明顯者,則離子鍵愈強,熔點愈高。如,

BaCl2(962oC)SrCl2(873oC)CaCl2(772oC)MgCl2(708oC) BeCl2(440oC) 七.性質: 1.熔點、沸點、熔化熱及汽化熱大。 2.固態不導電,但熔融態或水溶液態能導電,屬於電解質。 3.硬度大,但容易脆裂;破裂時,仍具一定的晶面與晶形。 4.沒有延展性,兩層間移動時,會產生同性電荷之離子間相互排斥而斷裂。如圖5 5 圖5 5 離子鍵不具延展性的圖例說明

(7)

5.鍵能大約是

150

~

400

kJ

mol

6.無方向性。

7.有實驗式無分子式。

8.鹽類與大部分的鹼都屬於離子化合物。如, (1)鹽類:

a.金屬(IA、 IIA 與Al)與非金屬(VIAVIIA)所形成之化合物。 b.金屬或  4 NH 與酸根 2 4 (SONO3、  3 ClO 等等)。如,KClO3、(NH4)2SO4。 c.  4 NH 與非金屬(VIAVIIA)所形成之化合物。 (2)鹼:金屬離子與氫氧根的結合。 1.下列有關離子鍵的敘述中,錯誤的有 (A)離子鍵是屬於靜電引力 (B)是發生在陰離子 與陽離子間的作用力 (C)金屬離子與非金屬離子間常以離子鍵結合 (D)離子鍵形成時, 離子間的吸引力與排斥力達平衡 (E)離子鍵間僅有吸引力。 2.已知原子序為19的 A 原子與原子序為 9 的 B 原子,所形成的化合物間的鍵是 (A)離 子鍵 (B)共價鍵 (C)金屬鍵 (D)不會形成化合物。 3.下列有關離子鍵能大小的敘述中,正確的是 (A)靜電引力愈大,其鍵能愈大 (B)離子 電荷愈大,其鍵能愈大 (C)離子半徑愈大,其鍵能愈大 (D)形成離子鍵時,放出能量 愈多,其鍵能愈大 (E)鍵能愈大的化合物,其熔點愈高。

4.若 X 、Y 形成XY2型的離子化合物,而 Y 是VIIA族,則 X 是 (A) IA 族 (B) IIA 族

(C) IIIA 族 (D)VIIA族。

5.若 X 、 Y 形成 XY 型的離子化合物,則 X 與 Y 可能分別是 (A) IA 與VIA (B) IAVIIA族 (C)IVAVIA (D) IIIA 與VIIA (E) IIA 與VIA族。

(8)

6.下列各組原子序所代表的原子中,可形成離子鍵的是 (A)12、14 (B)5、17 (C)19、9 (D)37、11。 7.若已知,若干原子的電子組態如下所示,(甲):[Ne]3s1(乙):[Ne]3s23p4(丙): 2 24 4 ] [Ar s p 、(丁):[Ar]4s24p5(戊):[Ar]4s24p6,則下列各組合原子中,可 形成離子鍵的有 (A)甲丙 (B)乙丙 (C)甲丁 (D)乙戊 (E)甲乙。 8.下列離子生成離子對的化學反應中,釋放出最多能量的是 (A)Li( )g Cl( )g Li Cl( )g   (B)Li( )g F( )g Li F( )g   (C)Na( )g Cl( )g Na Cl( )g   (D)Cs( )g I( )g Cs I( )g   。(86 日大) 9.下列有關化學鍵形成的敘述中,正確的是 (A)使原子間趨於安定 (B)系統的總能量升 高 (C)形成化學鍵的過程是放熱反應 (D)形成穩定化學鍵時,原子與原子之間的引力 等於斥力 (E)當系統總能量最低時,原子與原子間的距離,稱之為鍵長。 10.下列氯與鈉所形成的各種化合物中,能量最低的是 (A)晶體氯化鈉 (B)離子對氯化鈉 ( ) (Na Clg )   (C)Na( )g Cl( )g  (D)Na( )gCl( )g

(9)

八.離子晶體的晶格能: 1.定義:分離的氣態陽離子與氣態陰離子結合成離子晶體時所放出的能量。如, ( )g ( )g ( )s NaClNa Cl    H 860kJ;當晶格能愈大時表示離子間的作用力愈強, 即放出的能量愈多,代表著晶體愈穩定,可反應出晶體的熔點、沸點愈高。 2.因素:主要原因是離子的電荷數,次要原因則是離子半徑;即與兩離子所帶電荷乘 積成正比,與離子鍵長呈反比。 3.求法:以氯化鈉為例如下。利用固態金屬鈉與氯氣產生氯化鈉晶體過程中的能量變 化,即可求得。其過程如下: ( ) ( ) (1)NasNagH1 (鈉的昇華熱,吸熱反應) 2( ) ( ) 1 (2) 2Cl gClgH2 (氯的解離熱,吸熱反應) ( ) ( ) (3)Nag Nag e H3 (鈉原子的游離能,吸熱反應) ( ) ( ) (4)Clg eClgH4 (氯原子的電子親和力,放熱反應) ( ) ( ) ( ) (5)Nag Clg NaClsH5 (氯化鈉的晶格能,放熱反應) 將(1) (2) (3) (4) (5)    即可得 ( ) 2( ) ( ) 1 2 s g s NaClNaClHf (氯化鈉的生成熱,放熱反應),其關係式如下: f H H H H H H       1 2 3 4 5 九.氯化鈉的堆積:其堆積方式是面心立方 堆積,如圖5 6 。 1.其堆積方式為雙面心結構;每個Na 有最鄰近的6 個Cl,反之亦是如此; 故其配位數為6。 圖5 6 氯化鈉的晶體結構 2.每個Na旁有最鄰近的12 個Na,反之亦是如此。 3.每單位晶格中有 4 個氯化鈉。

11.下列各化合物中的陰離子與陽離子,電子組態相等的有 (A)LiF (B)NaCl (C)KCl (D)MgO (E)CaCl2

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12.下列有關晶格能的敘述中,正確的有 (A)離子化合物有特定的結晶格子 (B)形成離子 晶體時,必放出能量 (C)晶格能是指由氣態離子形成 1莫耳離子化合物的晶體時, 所 放 出 的 能 量 (D) 晶 格 能 愈 大 , 該 化 合 物 愈 不 安 定 (E) ( ) 2 2( ) ( ) 1 s g s Cl NaCl Na  

mol

kJ

H

411

,則NaCl( s)的晶格能是411kJ 。 13.已知Na(s) Na(g)

H

a

kJ

mol

、 ) ( ) ( 2 2 1 g g Cl Cl

H

b

kJ

mol

Na(g)Na(g)e

mol

kJ

c

H

、   ( ) ) (g e Clg Cl

mol

kJ

d

H

Na(g) Cl(g) NaCl(s)

H

e

kJ

mol

、 求 ( ) 2( ) ( ) 2 1 s g s Cl NaCl Na   的H ?

kJ

mol

14.試比較下列各組離子化合物的熔點高低。

(1)LiFNaCl 、 KI 。(LiFNaClKI)

(2)MgOCaONa2O(MgOCaONa2O) (3)MgOLiF CaO(MgOCaOLiF)

15.下列有關氯化鈉晶體的敘述中,正確的有 (A)屬於一個雙面心立方晶體 (B)每個鈉離 子緊鄰6 個氯離子 (C)每單位晶格中有 4 個氯化鈉 (D)每個氯離子周圍最靠近的氯離

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子有12 個 (E)NaCl 是氯化鈉的分子式。 16.某離子化合物 AB2,陰陽離子的電子組態相同,且總電子數為30,原子序A ,B 則 A 原 子 的 電 子 組 態 是 (A)1s22s22p6 (B)1s22s22p5 (C)1s22s22p4 (D) 2 6 2 22 2 3 1s s p s 。 17.下列各物質中,屬於離子化合物的是 (A)Mg(OH)2 (B)Na2CO3 (C)NH4Cl (D) 4 2SO Na (E)NaNO3。 18.下列各鹵化鈉化合物,其熔點高低順序正確的是 (A)NaFNaINaBrNaCl

(B)NaINaBrNaClNaF (C)NaFNaClNaBrNaI (D) NaFNaINaBrNaCl

<Homework 5-1>

1.若 X 、 Y 兩元素的單質可化合形成 XY2型的離子化合物,且 Y 屬於週期表的VIIA

族,則 X 屬於 (A) IA (B) IIA (C) IIIA (D)VIA。(A)

2.原子序 20 的 A 原子與原子序為 9 的 B 原子,所形成化合物的化學式為何?(AB2) 3.已知,有鹵化鈉晶體NaFNaClNaBrNaI ,其熔點高低順序是?(NaF >

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4.下列離子化合物,(甲)LiF (乙)NaCl (丙)CsI ,其鍵能之大小順序是?(甲>乙>丙) 5.原子序為 17 的元素,可與下列那一個原子序所代表的元素,結合成離子化合物? (A)35 (B)19 (C)17 (D)9。(B) 6.金屬性顯著的元素與非金屬性顯著的元素所造成的鹽類化合物之特徵是 (A)熔點低 (B)沒有一定的晶體構造 (C)常溫時為半導體 (D)熔融時可導電。(D) 7.氯化鈉晶體中,每一個鈉離子被幾個氯離子所包圍?(A)4 (B)6 (C)8 (D)12 個。(B) 8.下列各項關於離子晶體的敘述中,錯誤的是 (A)它們是硬而脆的固體 (B)它們有高熔 點 (C)它們是良好的導電體 (D)它們通常可溶於水。(C) 9.原子序為 11 的元素最易與下列那一個原子序的元素結合? (A)9 (B)10 (C)11 (D)12。 (A) 10.下列各原子組合中,具有離子鍵的是 (A)原子序 18 與 36 (B)原子序 8 與 9 (C)原子序 9 與 17 (D)原子序 19 與 35。(D)

11.已知,有下列之離子晶體,NaFMgO、KF 、KI 及BaO,其晶形均屬NaCl

子,則其熔點高低順序是 (A)NaFMgOKFKIBaO

(B)MgOBaONaFKFKI

(C)MgONaFBaOKFKI

(D)MgONaFKFBaOKI。(B)

12.下列關於離子固體的敘述中,正確的是 (A)質地硬且脆 (B)固態不導電,水溶液導電 (C)硬度、熔點一般很高 (D)常溫下為半導體 (E)熔融時可導電。(ABCE) 13.已知,元素 A 的原子最外層 p 軌域上有 4 個電子,且 B 和 A 可形成B2A的離子化 合物,則下列各電子組態中,符合 B 原子的有 (A)1s1 (B)1s22s22p63s23p1 (C) 2 6 2 22 2 3 1s s p s (D)1s22s1 (E)1s22s22p63s1。(DE) 14.已知,游離能低的原子 A 與電子親和力大的原子 B 可結合成 AB 化合物,則 (A) AB 為共價化合物 (B) AB 固體缺乏延展性 (C) AB 易被氧化 (D) AB 在常溫常壓下不 穩定 (E) AB 晶體不導電。(BE) 15.已知, A 原子的電子組態為[Ne]3s23p1, B 原子的電子組態為[He]2s22p4,則 A 與 B 所形成化合物的化學式是 (A)A3B (B) AB2 (C) A2B3 (D) AB 。(C)

16.下列化合物中,熔點最高的是 (A)LiF (B)NaF (C)KCl (D) KI 。(A) 17.下列化合物中,離子性最強的是 (A)LiF (B)BeF2 (C)BF3 (D)CF4。(A)

18.下列各種類的化合物中,屬於離子化合物的是 (A)酸 (B)大部分的鹼 (C)鹽 (D)有機化 合物 (E)氣體。(BC)

19. 試 將MgOKICaOLiFNaCl五 種 化 合 物 中 , 依 熔 點 高 低 順 序 排 列 。 (MgO CaO LiF  NaCl KI )

20.下列物質中,具有顯著導電性的有 (A)HCl(aq) (B)Ag( )s (C)HCl( )l (D)KNO3( )l (E)

( )s

NaCl 。(ABD)

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(D)NaFMgO (E)MgO NaCl 。(CE) 5-3 共價鍵 一.定義:兩個原子藉由電子的共用,使得兩原子均形成穩定的惰性氣體電子組態,此 時所形成的鍵結,即是。 二.形成:當原子彼此接近時,會使得該物系的總能量會降低,則可預測會有化學鍵的 形成。 三.條件: 1.具有價電子。 2.形成共價鍵時能量降低。 3.具有半滿軌域。 四.能量變化:以氫分子(H2)為例,當兩原子彼此接近時,該物系之總量降低,即顯 示有化學鍵的形成;又已知常溫常壓下,氫氣為一雙原子分子,故原子間必有化學

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鍵的存在,而原子與分子間的變化反應方程式如下,而能量變化圖如下圖57所 示。 圖 57 氫分子的位能圖 五.化學鍵穩定的原因:當兩氫原子互相接近時。氫原子的電子,除了受本身原子核的 引力外,亦同時受到另一氫原子核的引力;反之亦是如此。因此兩原子之電子大多 時間都處於兩原子核之間,同時受到兩原子核的吸引,而此兩原子就是藉著這種引 力結合在一起,形成穩定的化學鍵;但兩原子也不可過分接近,若是過分接近會導 致總斥力大於總引力,則降低了氫分子的穩定性。 六.共價鍵的存在情形: 1.非金屬元素間通常以共價鍵結合,而形成的分子稱之為共價分子或共價化合物。如 , 2( )g HHCl( )lH O2 ( )lCO2( )g 、、、等等,以分子式表示。 2.非金屬間的共價鍵結,若是連續性的,則稱之為網狀共價固體。如,石英(SiO2)、金 剛石( )C 、矽( )Si 等沒有單獨分子存在,故以簡式表示。 七.表示法:利用兩原子之共用電子對來表示,一般有點對 (:)或橫線()。利用電子點 來表示化學鍵時,只需標出價電子即可;若用橫線表示時,則須置於兩原子間。如 表5 2 所示。

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表5 2 常見分子的電子式與結構 1.共價鍵的特性是 (A)電子的轉移 (B)電子對的共用 (C)質子的作用 (D)靜電引力。 2.下列各化合物中,不遵守八隅體學說的是 (A)NO (B)BF3 (C)CO (D)PF5 (E) 4 XeF 。 3.下列關於共價鍵的敘述中,正確的是 (A)共價鍵是兩結合原子共用電子對而形成 (B) 共價鍵是利用共用的電子對而達成鈍氣的電子組態 (C)共用的電子對同時受到兩個 原子核的吸引 (D)兩個原子軌域部分重疊形成分子軌域 (E)共用的電子對必等量均勻 分佈於兩原子核間。 4.欲形成共價鍵的條件是 (A)形成鍵結時,能量降低 (B)兩原子均有半滿軌域 (C)兩原子 均有 p 軌域 (D)兩原子均有全滿軌域 (E)兩原子的種類相同。 5.下列關於HCl 分子的敘述中,錯誤的是 (A)是以共價鍵結合 (B) H 與Cl 均具鈍氣的 電子組態 (C)分子中有一鍵結電子對 (D)氯原子有三對孤對電子 (E)共用電子對均勻 分布在 H 與Cl 間。 6.利用電子對的共用而形成的作用力,稱之為 (A)共價鍵 (B)離子鍵 (C)金屬鍵 (D)氫鍵。

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7.下列雙原子分子中,化學鍵的鍵能最大的是 (A)CO (B)O2 (C)N2 (D)F2。 八.共價鍵的種類:根據兩原子間的共用的電子對數,可分成 1.單鍵( 鍵):兩個結合原子各提供一個電子,故兩原子間只共用一對電子對而形成 的化學鍵,以“¾”表示。如:H2表示為 HH或 H : H 。 (1)當原子價軌域以head to head(頭對頭)的方式重疊,此時電子雲在兩原子核的 連線(核間軸,或鍵結軸)成圓筒型對稱,其型式有: a.s軌域+s軌域,如圖5 8 。 b.s軌域+p軌域,如圖5 9 。 c.p軌域+p軌域,如圖5 10 。 (2)特性: a.電子雲均勻對稱地分佈於核間軸周圍。 b.繞軸旋轉不改變其重疊程度,故單鍵可旋轉。 圖 5 8 圖 5 9 圖 5 10 2.雙鍵( ):兩個結合原子各提供二個電子,故兩原子間只共用二對電子對而形 成的化學鍵,以“=”表示。如:O2表示為 OO。 3.參鍵( 2):兩個結合原子各提供三個電子,故兩原子間只共用三對電子對而形 成的化學鍵,以“≡”表示。如:N2表示為 NN。 4.鍵:兩個平行p軌域以面對面的方式重疊而形成,其型式有: 1.pxpx。 2.pypy。 3.pzpz。如圖5 11 。 4.特性: (1)電子雲分別在核間軸上下方重疊。

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(2)在核間軸上的電子密度為0,故  鍵無法繞軸旋轉(一經旋轉後,兩個p軌域 無法平行,會破壞 鍵)。 圖 5 11 5. 鍵與鍵的比 較: (1) 軌 域 重 疊 面 積  ,故鍵結 強度  。 (2) 兩 個 原 子 間 最 多 只能形成一個  鍵,而  鍵則是隨著 鍵的生成後而形成。 (3)多鍵(或稱"多重鍵")。如,雙鍵是1 1、參鍵則是1 2;而單鍵則必為 鍵。 九.混成軌域: 1.定義:中心原子的價電子經由提陞,並將所佔有的價軌域經由混成作用,而得之軌 域,然後再與欲鍵結的原子軌域結合。而混成作用,則是混合同原子的不同軌域以 形成的相同軌域(形狀與能量均相同,但方向不同)的過程,所形成的軌域即稱為混 成軌域。 2.種類與形狀: (1)sp 1s 1p 有2個軌域。屬於直線。 (2)sp2 1s 2p 有3個軌域。屬於平面三角。 (3)sp3 1s 3p 有4個軌域。屬於正四面體。 (4)sp d3  1s 3p1d 有5個軌域。屬於雙三角錐。 (5)d sp2 3 1s 3p2d 有6個軌域。屬於八面體。 十.價殼電子對排斥理論(VSEPR理論):利用價電子的總數推算,判斷出化合物之混成 軌域與分子形狀。 1.步驟:化合物的混成軌域與結構判斷步驟如下: 1 step :以AX Em n表示一化合物之分子式。(A:中心原子、X :外圍原子或原子團 E:中心原子之未鍵結電子對) 2 step :求出所有原子之總價電子數。(氫原子之價電子數等於7) 3 step :求出mn。將總價電子數除以8所得之商,即為m;再將餘數除以2所得 之數,即為n。 4 step :根據所得之mn。判斷化合物之結構與混成軌域。 2.結構與混成軌域: (1)m n 2:混成軌域是sp(180o),為一直線形分子,如 2 BeClHCNN O2 等等。 (2)m n 3:混成軌域是sp2,可分成 a.m3、n0,為一平面三角形分子,如BF3、SO3、NO3等等。 b.m2、n1,為一角形或彎曲形分子,如O3、SO2、NO2 等等。

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(3)m n 4:混成軌域是sp3,可分成 a.m4、n0,為一正四面體分子,如CH4、BF4  2 4 SO等等。 b.m3、n1,為一三角錐形分子,如NH3、 2 3 SO 3 PH 等等。 c.m2、n2,為一角形分子,如H O2 、OF2等等。 (4)m n 5:混成軌域是dsp3,可分成 a.m5、n0,為一雙三角錐分子,如PF5、AsF5等等。 b.m4、n1,為一蹺蹺板形分子,如SF4、SeF4等等。 c.m3、n2,為一T字形分子,如ClF3、BrF3等等。 (5)m n 6:混成軌域是d sp2 3,可分成 a.m6、n0,為一八面體分子,如SF6、PF6、 3 6 AlF等等。 b.m5、n1,為一四角錐形分子,如ClF5、BrF5等等。 c.m4、n2,為一平行四邊形分子,如XeF4、ClF4 等等。 十一.分子化合物: 1.以分子為最小單位的化合物,分子內的原子間以共價鍵結合,有固定的組成、結構、 形狀。 2.分子化合物的化學式: (1)通常以分子式表示,而有機化合物則以示性式表示。 (2)如果 A 原子有

n

個半滿軌域, B 原子有

m

個半滿軌域,則其分子式為AmBn。 3.組成粒子是分子;常溫、常壓下,可以固態、液態、氣態存在。 4.分子化合物的特性: (1)共價分子藉著微弱的分子間引力而形成物質,所以熔點、沸點低。 (2)硬度小。 (3)大部分為非電解質,除酸外。 (4)因為共價鍵具有方向性,使得分子化合物具有特殊的結構與形狀。 (5)網狀共價固體,熔化時需破壞原子間很強的共價鍵,因此具有極高的熔點、沸點。 如,金剛石( )C 、石英(SiO2)、碳化矽(SiC)、氮化硼(BN)等等。 8.共用電子對與下列各項敘述中,最貼切的是 (A)原子軌域部分重疊 (B)原子軌域完全 重疊 (C)二個電子合而為一 (D)電子互相吸引。 9.形成共價鍵的條件是兩原子具有 (A)空軌域 (B)有半滿的軌域 (C)全滿的價軌域 (D)惰 性氣體的電子組態。

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10.具有價電子組態3s2的原子,最容易與下列各種價電子組態原子形成化合物的是 (A)2s2 (B)3s23p6 (C)2s22p4 (D)3d104s2 11.下列各組原子團中,可形成共價鍵的是 (A)OHOH (B)NH3、OH (C)、NH3 (D)  4 NHCl (E) 2 NHNH2。 12.下列關於 σ 鍵與 π 鍵的敘述中,正確的是 (A)分子軌域中,電子分布在兩核間的鍵軸 上者稱為σ 鍵 (B)分子軌域中,電子分布在兩核的軸線之上下者稱為 π 鍵 (C)兩原子 形成的第一個鍵為π 鍵 (D)雙鍵的分子中,σ 鍵與 π 鍵各有一個 (E)二個平行的 p 軌 域可重疊形成π 鍵。 13.下列各化合物中,具有最多孤對電子的是 (A) HF (B)NH3 (C)H2O (D)CH4。 14.下列關於多鍵的敘述中,錯誤的是 (A)僅有一個半滿軌域的兩個原子間,只能形成 單鍵 (B)均有二個半滿軌域的兩個原子間,可以形成雙鍵 (C)有三個半滿軌域的原子 與僅有一個半滿軌域的原子間必定形成參鍵 (D)三鍵的分子中,有一個 σ 鍵及二個 π 鍵。 15.下列各種化合物中,具有多鍵的是 (A)H2O (B)O2 (C)H2 (D)CO2 (E)N2。

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16.下列化合物中,僅含有 σ 鍵的是 (A)HCl (B)NO3 (C)O2 (D)CO2。 17.在NH4Cl化合物中,所含化學鍵的種類有 (A)離子鍵 (B)金屬鍵 (C)共價鍵 (D)配位 鍵 (E)氫鍵。 18.下列化合物中,不含有

鍵的是 (A)CO2 (B)HCN (C)O2 (D)HCl。 19.下列化合物中,同時具有單鍵、雙鍵、參鍵的是 (A)CH2CHCHCH2 (B)CH3CCCH3 (C)CH3CHCHCCCH2CH3 (D)CH3CHCHCH3。 20.下列化合物中,屬於分子化合物的是 (A)二氧化碳 (B)酒精 (C)氯化鈉 (D)蔗糖 (E)金 剛石。 21.價電子組態為3s23p2的 A 原子與價電子組態為2s22p5的 B 原子,所形成的化合 物之分子式為 (A)AB (B) A2B3 (C) AB2 (D)AB4。

(21)

22.下列化合物中,具有最多孤對電子對的是 (A)HCl (B)H S2 (C)CO (D)C H2 2 (E)CO2 。(93指考) <Homework 5-2> 1.已知BF3的分子形狀,是一個平面三角形,則其鍵結是屬於 (A)sp3 (B)sp2 (C) sp (D)dsp2 混成軌域。(B) 2.CH4分子的幾何結構是 (A)角形 (B)平面正方形 (C)斜面三角形 (D)正四面體。(D) 3.若一個甲原子與兩個乙原子鍵結後,甲原子已無鍵結的價電子,則如此形成的分子可 能具有下列何種形狀? (A)直線 (B)角形 (C)正四面體 (D)平面三角形。(A) 4.下列各種晶體中,以共價鍵結合而成的是 (A)鑽石 (B)食鹽 (C)黃金 (D)氯化鉀。(A) 5.下列各組分子中,分子形狀不同的是 (A)HClCO (B)H2OCO2 (C)CCl4和 4 SiCl (D)N2和O2。(B) 6.已知, A 元素之最外層電子組態是ns2np5,而 B 元素是ns2np2,則由 A 與 B 原子 所組成的安定化合物,其分子式是 (A)A4B7 (B)BA4 (C)AB4 (D)A7B4。(B) 7.組成分子化合物的微粒是 (A)原子 (B)離子 (C)分子 (D)電子。(C) 8.關於原子序為 15 的 A 原子及原子序為 17 的 B 原子所形成化合物的敘述中,正確的 是 (A)為共價的分子化合物 (B)為離子化合物 (C)分子式為AB3 (D)分子式為A3B (E) 鍵結電子對有三對。(ACE) 9.有甲、乙、丙、丁四原子,其原子序依次為 1、8、17、19。若其中兩原子經反應可形成化 合物,則該化合物的鍵結,屬於共價鍵的是 (A)甲、丙 (B)乙、丙 (C)乙、丁 (D)甲、乙 (E)丙、丁。(ABD) 10.下列各項敘述中,錯誤的是 (A)分子化合物必為非電解質 (B)分子化合物通常有較低 的沸點 (C)分子化合物通常以分子式表示 (D)常溫下存在的氣體為分子化合物。(A) 11.設元素W 、X 、Y 、Z 之原子序分別為 6、7、8、9,則下列各種分子中,較不安定的 ( A)YZ (B)WZ4 (C)Z2 (D)WY2。(A)

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12.下列有關離子及分子的敘述中,正確的有 (A)水合的質子H O 3 ,最安定的形狀為 平面三角形 (B)因為CO2為直線形,所以  2 3 CO 為不對稱的 T 形 (C)  4 NHBF4皆 為四面體形狀 (D)臭氧的形狀為直線形。(C) 13.下列各組元素的原子序中,彼此間能形成共價鍵的是 (A)6 和 17 (B)8 和 13 (C)16 和 17 (D)12 和 35 (E)10 和 2。(ACD) 14.原子序為 14、17、18、19 的元素W 、X 、Y 、Z ,則下列各項敘述中,正確的是 (A) Y 和 Z 形成離子鍵 (B) X 和 Z 形成離子鍵 (C) X 和 X 可形成共價鍵分子 (D)W 原 子間鍵結為共價鍵 (E)W 和 X 形成離子鍵。(BCD) 15.下列分子中的中心原子,其混成軌域分別是 (1)NF3 (2)BCl3 (3)CH4 (4)F2CCF2 (5)HCCH 16.下列化合物中,不遵守八隅體規則的有 (A)Cl2 (B)BF3 (C)PCl5 (D)CCl4 (E)CO2。 (BC) 17.右圖表示氧原子的位能隨其原子間距離變化的 關係圖,則下列關於氧分子的敘述中,正確的是 (A)氧分子的鍵長約等於AB (B)氧分子的解離能 約等於CD (C)O O 間的距離為AC時,氧分子 間的引力小於斥力 (D)O O 間的距離為AB 時,氧分子間的引力恰等於斥力 (E)O O 間的距離為小於AC時,氧分子間的斥力 隨距離減小而增加。(BE) 18.右圖為氫原子結合形成氫分子的位能變化圖。當兩個氫原 子逐漸接近時,電子與原子核互相吸引,導致其位能逐 漸降低,直到最低位能時 ( 432 kJmol),形成穩定的氫分 子(氫分子的鍵能就是 432 kJ mol ),而此時氫原子的距離 (0.74 )A ,即是氫分子的鍵長。當兩原子更接近時,因為o 原子核間的斥力大增,其位能也急速增高。則下列關於Cl2、Br2、I2等分子形成過程 中,位能變化的相對關係圖,正確的是 (96 指考)(E)

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5-4 金屬鍵 一.金屬鍵的定義:藉金屬(較低游離能、較低電負度)陽離子與價電子(游離後的電子)形 成的“電子海”間之庫侖靜電引力,所形成的化學鍵。 二.形成金屬鍵的條件: 1.低游離能及低電負度:該原子之價電子或最外層電子容易游離,故金屬原子本身於 晶體中可成為陽離子。 2.空價軌域:空價軌域多,價電子數少,價電子可任意進出任一原子,故價電子可自 由移動於全晶體之價軌域中移動;即各金屬原子共用他們所有之價電子稱(為自由 電子)。 三.金屬鍵的形成:價電子可自由移動,因而形成 一片“電子海”,各金屬陽離子浸於電子海中, 各陽離子對負電的電子海之吸引力促使各陽 離子接近而形成金屬鍵。如圖5 12 。 圖5 12 金屬鍵模型 四.性質: 1.金屬鍵無方向性,但它不同於離子鍵(因無陰離子存在),也不同於共價鍵(因金屬鍵 所共用的電子非常自由 電子海);而唯一具方向性之化學鍵為共價鍵。 2.延展性大,此因金屬之層面可滑動,在延展時不會破壞其晶體結構。離子晶體與金 屬晶體結構的比較,如圖5 13 。

(24)

圖 5 13 3.有金屬光澤。 4.電與熱的良導體,但溫度升高時,導電度會降低。 5.金屬晶體中,如果加入其他元素做成合金時,該金屬硬度會增加,但延展性變小, 導電度變差。 五.金屬鍵的強度: 1.決定金屬鍵強弱的因素: (1)當金屬陽離子的電荷密度愈大,則金屬鍵愈強。如, 離子半徑大小順序是NaMg2 Al3;電荷密度大小順序是NaMg2 Al3 所以金屬鍵的強弱是AlMgNa(同列元素);熔點高低AlMgNa (2) 離 子 半 徑 大 小 順 序 是 LiNaKRbCs; 電 荷 密 度 大 小 順 序 是      Na K Rb Cs Li ,所以金屬鍵的強弱是LiNaKRbCs (同族元素); 熔點高低LiNaKRbCs。 (3)原子堆積形式。 2.金屬鍵愈強,熔點、沸點及莫耳汽化熱會愈高。 3.金屬鍵在週期表中之規律性: (1)同週期金屬鍵強度,由左至右漸增(因原子序、價電子數及核電荷數增加之故), 如NaMgAlK CaGa (2)鹼金屬(LiNa、K 、RbCs)因晶形皆為體心立方堆積,其金屬鍵強度隨原 子序增加而降低;因離子半徑漸大之故。 (3) IIA 族元素(鹼土族),因無一定之晶體之堆積形式,故金屬鍵強度不規則。(BeMg 六方最密堆積;CaSr面心立方堆積;Ba體心立方堆積) 六.金屬的能量帶理論: 1.內容: (1)當金屬原子結合成一晶體時,其低能量原子軌域並不受到很大的干擾,但其高 能量之原子軌域(如,Li的2s軌域),則因受到鄰近原子的干擾而構成一能帶。 (2)兩個價原子軌域因互相作用,會使軌域組合形成兩個價分子軌域,一個比原來 安定,一個較不安定;三個價原子軌域互相作用可生成三個價分子軌域,N 個 價原子軌域互相作用可生成N 個價分子軌域。 2.價帶:價電子所佔有的能量帶。

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3.傳導帶:未被價電子所佔有的能量帶,其能階較價帶高只有在傳導帶的電子才可隨 外加電場而移動,因金屬的價帶與傳導帶緊鄰靠在一起,故只需很少能量就能使 價帶中的價電子躍遷到傳導帶,並能在電場的作用下在整個晶體中活動。 4.導體、半導體與絕緣體: (1)金屬導體、半導體與絕緣體間能帶的差異,如圖5 14 。 圖 5 14 (2)金屬導體、半導體與絕緣體的比較: 金屬導體 半導體 絕緣體 g E :傳導帶與 價 帶 間 之 能 量 間隔 g E ≒0,因價帶與傳 導帶緊緊鄰靠在一起 g E 小,較絕緣體為 小 g E 大,因電子甚難獲 得足夠的能量從價帶 躍遷到傳導帶而導電 價 電 子 躍 遷 至 傳導帶 極易,故易導電 只要供給相當少量的 能量去激發電子使其 由填滿的價帶至空的 傳導帶,即可導電 難,故極難導電 溫度升高時 導電度下降 導電度隨溫度升高而 升高 不受溫度影響 原因 上升溫度增加金屬陽 離子在晶體中之活動 而妨礙電子之前進 可供給更多的能量予 價電子,以便由價帶 至傳導帶 g E 甚大,價電子不易 的獲得足夠之能量而 躍遷制傳導帶 實例 AlCu 滲有 B 之矽(半導體) B 、 P 1.下列各種特性中,與金屬鍵有關的是 (A)導電性 (B)傳熱性 (C)延展性 (D)有一定的結 晶格子 (E)有金屬光澤。 2.下列有關金屬鍵的敘述中,正確的有 (A)是存在於金屬原子間的特殊作用力(B)金屬鍵 可想像成陽離子浸在電子海中,受到電子的吸引 (C)金屬鍵沒有方向性 (D)金屬鍵的 特性可說明金屬的良好導電性及傳熱性 (E)金屬的延展性是金屬鍵的最佳說明。

(26)

3.就週期表而言,下列各族元素中,較易形成金屬鍵的是 (A) IA (B) IIA (C) IIIA (D) IVA (E)VIIB

4.下列為各元素原子的價電子組態,可形成金屬鍵的有 (A)3s1 (B)1s1 (C)3d34s2 (D) 2 104 3d s (E)2s22p4 5.金屬鍵的特性與下列何者的關係最密切 (A)電子海 (B)離子電荷 (C)電子組態 (D)結晶 格子。 6.形成金屬鍵的條件是 (A)價電子容易游離 (B)價軌域已填滿 (C)有空的價軌域 (D)具有 鈍氣的電子組態。 7.下列關於金屬晶體的敘述中,錯誤的是 (A)有固定的結晶面而有金屬光澤 (B)有自由 電子而具導電,傳熱性 (C)金屬鍵無方向性而具延展性 (D)金屬晶體均具高的熔點。 8.下列關於物質導電性的敘述中,錯誤的是 (A)金屬的導電性隨溫度上升而減小 (B)半 導體的導電性隨溫度上升而增大 (C)金屬與半導體若攙有雜質時,導電性均減小 (D) 離子固體在液態或水溶液中可導電 (E)分子化合物在任何狀態下,均不能導電。

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9.下列關於超導現象的敘述中,錯誤的是 (A)金屬在極低溫下才有超導現象 (B)在極低 溫下,有磁浮現象 (C)鑭鋇銅鹽是一種超導材料 (D)超導現象可發生在高溫的金屬晶 體。 10.下列關於金屬晶體的敘述中,錯誤的是 (A)晶體是各原子以金屬鍵結合 (B)參與鍵結 的價電子不屬於某一原子而屬於整個晶體 (C)通常具有易游離的價電子與空的價軌 域 (D)溫度愈高,自由電子的運動速率愈大,故導電性愈高。 11.下列各種價電子組態中,較易形成金屬鍵的是 (A) 2 2 3 3s p (B) 2 4 3 3s p (C)3s1 (D) 2 5 3 3s p 。 12.下列關於金屬晶體與離子晶體的敘述中,正確的是 (A)兩者在固態時均可導電 (B)離 子晶體不具有延展性 (C)離子晶體的熔點一定高於金屬晶體 (D)離子晶體的導熱性不 好 (E)兩者均有一定的結晶格子。 13.有一超導金屬氧化物的組成是YBa2Cu3O7x。如果x 0.1,則此超導氧化物中 (A) 正離子的總氧化數是+14 (B)釔的氧化數是+3 (C)鋇的氧化數是+4 (D)銅的平均氧 化數是+2.27 (E)銅的氧化數可能有兩種以上。 14. 下 列 各 種 金 屬 熔 點 的 比 較 中 , 正 確 的 是 (A)KNa Li (B)MgNaAl (C) Li Na K  (D)Al Mg Na (E)Fe Hg 。

(28)

15.下列何者不是由金屬鍵所形成之物質的特性? (A)有金屬光澤 (B)有延展性 (C)電的 良導體 (D)熱的絕緣體。(90 日大) <Homework 5-3> 1.矽(Si)、鋁( Al)、硼(B)是在製造矽積體元件中常用到的元素,鋁是做為金屬導線, 摻有硼的矽Si(B),則是做為基材,試問下列材料中價帶和傳導帶差由低(左)至高 ( 右 ) 的 順 序 , 正 確 的 是 (A)AlSiSi(B) (B)AlSi(B) Si (C)Si(B) AlSi (D) Al Si B Si( )  。(B) 2.在高純度矽中,摻加少量下列何種元素,可以形成 P 型半導體 (A)硼 (原子序 5) (B) 硫 (原子序 16) (C)銅 (原子序 29) (D)鍺 (原子序 32)。(A) 3.下列有關物質導電性的敘述中,錯誤的是 (A)半導體的導電性隨溫度的升高而增大 (B)金屬的價帶和傳導帶緊鄰在一起而能導電 (C)離子固體熔解後,因價帶和傳導帶 能量差異甚小,而能導電 (D)絕緣體的傳導帶和價帶之能量相差甚大,所以不導電。 (C) 4.下列物質的導電度大小順序是 (A)鋁石墨鍺硫 (B)鍺鋁石墨硫 (C)石墨硫鋁 鍺 (D)硫石墨鋁鍺。(A) 5.銅中摻銀,電阻變大,導電度變小,是因為 (A)銅導電不如銀容易 (B)銅的電子不如 銀多 (C)銅的重量不如銀重 (D)銅晶體的自由電子變少了。(D) 6.有關金屬晶體與性質的敘述中,錯誤的是 (A)金屬晶體中具有可自由移動的價電子, 故容易導電 (B)溫度升高時,導電度增大 (C)金屬結晶中之金屬原子層面可以滑動, 故具有延展性 (D)金屬晶體中,如果摻混其他元素或合金會使硬度加大。(B) 7.下列有關金屬的敘述中,錯誤的是 (A)金屬元素的價電子在整個金屬結晶格子中自由 移動,故易導電 (B)金屬原子的層面可以滑動,因此具有延展性 (C)青銅用於製銅像 是銅和錫的合金 (D)合金是由兩種或兩種以上金屬元素組成,金屬和非金屬元素無法

(29)

組成合金。(D) 8.下列有關金屬的敘述中,錯誤的是 (A)在化學反應中經常為電子的供給者 (B)具延展 性 (C)鍵結具方向性 (D)為電和熱的良導體。(C) 9.下列有關離子晶體和金屬的敘述中,正確的是 (A)離子晶體和金屬晶體在固態時皆具 有導電性 (B)離子晶體不具延展性 (C)離子晶體的熔點一定較金屬晶體為高 (D)離子 晶體的導熱性良好。(B) 10.金屬容易變形,換句話說具有延性和展性的理由是,因為金屬鍵 (A)缺乏方向性 (B) 鍵角太固定 (C)受壓力易激動 (D)結合力只由自由電子負擔。(D) 11.下列元素中具有半導體性質的是 (A)鍺 (B)錳 (C)銅 (D)磷 (E)矽。(AE) 12.下列四種元素中,其化學鍵特性與其他三元素有明顯的差異的是 (A)Cu (B)As (C) Ni (D)Co。(B) 13.今有甲、乙、丙三種純物質,其物質特性如下: 甲:黃色光澤固體,具導電性。 乙:非導體,在650 C0 溶化成了導電液體。 丙:為一紅色固體,有刺激臭味,熔點是171 C0 ,溶化後亦為非導體。則 (1)屬於共價分子固體的是 。(丙) (2)屬於離子固體的是 。(乙) (3)屬於金屬固體的是 。(甲) 14.下列關於金屬晶體的敘述中,錯誤的是 (A)各原子間以金屬鍵結合 (B)通常具有易游 離的價電子與空的價軌域 (C)溫度愈高,自由電子的運動速率愈大,故導電性愈高 (D)參與鍵結的價電子不屬於某一原子,而是屬於整個晶體。(C) 15.關於金屬特性的敘述,正確的是 (A)有金屬光澤但不透明 (B)具有延展性 (C)為良導 熱導電物質 (D)元素間以金屬鍵結合在一起 (E)可以製成合金。(ABCDE) 16.下列有關金屬晶體與離子晶體的敘述中,正確的是 (A)兩者在固態時均能導電 (B)離 子晶體不具延展性 (C)離子晶體的熔點一定高於金屬晶體 (D)離子晶體的導熱性不良 (E)金屬晶體與離子晶體均有一定的結晶格子。(BE) 17.下列物質中,其導電性會隨溫度上升而減小的有 (A)Si (B)Ge (C) As (D)Cu。(D)

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參考文獻

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