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高中基礎化學(一)全第一章(重點摘要)

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Academic year: 2021

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掃描穿隧式

電子顯微鏡

原子是具有化學特性的 最小物質單 位,其大小不到 1 奈米,由於光學顯微 鏡的觀看極限只能到數百奈米以上,所 以想要以光學顯微鏡觀看原子是不可能 的 。 1981 年 , 科 學 家 賓 尼 ( Gred Binnig , 1974 ~ , 德 國 人 ) 與 羅 勒 ( Heinrich Rohrer , 1933 ~ , 瑞 士 人 ) 發 明 了 掃 描 穿 隧 式 電 子 顯 微 鏡 (scanning tunneling microscope , STM) ,藉此觀測到矽表 面的原子影像(圖 1-33 ),奠定 STM在 研究表面原子結構的重要地位,也因此 圖 1-34 STM 原理示意圖

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獲得1986年的諾貝爾物理獎。 STM的原理主要是利用電子穿隧效 應,以一極細的金屬探針在樣品表面移 動,並在兩者間施以電壓,當針尖與樣 品 表面的距離約為 1 奈米時,電子便可穿 過兩者之間的位能障礙,抵達另一極, 形成穿隧電流。控制穿隧電流的大小, 使針尖與樣品表面維持固定距離,當針 尖隨著樣品表面原子的高低起伏而移動 時,便可透過電腦處理,將樣品表面原 子的影像呈現出來(圖1-34 )。 利用STM可以研究物質的表面原子 排列,也可以觀察原子和分子的擴散與 吸附等;在物理方面可應用於半導體的 研究,在化學方面則可應用於表面化學 的研究等 。但因STM是利用穿隧電流作 為量測訊號,故探針和樣品之間必須具 有導電的特性,使得 STM的應用範圍受 到限制 。利用STM的技術基礎發展出的 原 子 力 顯 微 鏡 (atomic force microscope , AFM) ,其應用範圍更廣 , 可觀測絕緣體與生物分子。 圖 1-33 矽表面的原子影像 圖 1-35 由 35 顆原子排成的「IBM」字樣 圖 1-36 利用 STM 移去矽表面的部分原子, 造 成 原 子 空 位 ( 圖 中 的 黑 點 ) , 排 成 70×100 奈米大小的臺灣圖樣。

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STM與 AFM 也可以用來操縱原子, 製造原子尺度的結構。1990年, IBM 的 研究人員利用STM逐步移動吸附於鎳表 面的氙原子,把它們排列成「IBM 」的 字樣(圖1-35 ),在當時造成轟動。中 央研究院物理研究所 的奈米研究團隊也 曾利用STM在矽及金表面畫出 臺灣地圖 的影像(圖 1-36 ),在室溫與空氣中可 穩定存在,顯現 臺灣在奈米科技的研究 上具有先進的技術。 重點摘要 1-1 物質的分類 1. 由兩種以上之成分混合而得的物質稱為混合物,可分為均勻混合物及不勻混 合物。混合物的組成與性質皆不固定,但仍保留原組成成分的性質。將混合 物的組成成分以物理方法一一分離出可得純物質;純物質則組成固定;具有 一定的物性與化性。 2. 純物質分為元素與化合物兩類。其中不能以一般化學方法再分離出更簡單的 物質者稱為元素;由兩種以上之成分元素組成的純物質稱為化合物。 3. 將純物質從混合物中分離的過程稱為純化。傾析、過濾、蒸餾以及層析法等 為純化時常用的分離技術。 1-2 原子與分子 1. 普魯斯特 提出定比定律:組成化合物的各元素有固定的質量比,即化合物有 固定的組成,故又稱為定組成定律。 2. 道耳頓 提出倍比定律:當甲、乙兩種元素可形成數種化合物時,在這些化合 物中與一定質量甲元素化合的乙元素,其質量比為一簡單整數比。 3. 道耳頓提出原子說。 (1) 物質是由不可再分割的原子所組成。 (2) 相同元素的原子具有相同的質量與性質,不同元素的原子種類、質量與 性質皆不相同。 (3) 原子可以簡單個數比結合而形成化合物。 (4) 化學反應的過程中,只牽涉到原子間重新排列組合,原子本身不滅,也

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不會創造出新的原子。

4. 給呂薩克 提出氣體化合體積定律:同溫同壓下,當氣體發生反應時,氣體反 應物與生成物的體積比為一簡單整數比。

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1-3 原子量與分子量 1. IUPAC訂 12C = 12 amu為原子量標準,其他原子的原子量可由該原子與 12C 的相對質量比求得。 2. 元素的原子量為各同位素之原子量依其在自然界含量比以加權計算後之平均 值,稱為平均原子量。 3. 分子量為分子中各組成原子的原子量總和。 4. 12克的 12C 所含之原子個數稱為 1 莫耳,其數值為 6.02×1023,稱為亞佛加厥 數。 5. 一莫耳物質的質量稱為莫耳質量,單位為克  /  莫耳,其數值等於該物質 化學式中所有原子的原子量總和。 1-4 溶液 1. 兩種以上的純物質所組成之均勻混合物稱為溶液,溶液的組成分為溶質與溶 劑兩部分。 2. 常用的濃度表示法有 (1) 重量百分濃度:表示每 100 克溶液中所含的溶質克 數; (2) 體積莫耳濃度:表示每升溶液中所含的溶質莫耳數; (3) 百萬分點 濃度:表示每公斤溶液中所含的溶質毫克數。 3. 定溫下,定量溶劑所能溶解溶質的最大量,稱為該溶質在此溶劑中的溶解度 , 溶解度受到溶質與溶劑本性、溫度、壓力及酸鹼性的影響。 4. 大部分固體在水中的溶解度隨溫度升高而增加,氣體在水中的溶解度則隨溫 度升高而減少。

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習題 基本題 1-1 物質的分類 題號前“*”代表複選題 1. 下列哪一物質有固定的沸點?  (A) 汽油  (B) 高粱酒  (C) 血液  (D) 純 柳橙汁  (E) 酒精。 2. 下圖中,不同顏色的球代表不同種類的原子,試依據圖形回答下列問題: (1) 圖 (a) ~ (d) 中共有幾種分子? (2) 圖 (a) ~ (d) 中共有幾種化合物?幾種元素? (3) 圖中所表示的物質何者沒有固定的熔點、沸點? (a) (b) (c) (d) 3. 試寫出下列分離物質的過程,主要應用何種分離技術。 (1) 將海水引入鹽田以製備海鹽。 (2) 製作乳酪的過程中,將牛奶酸化,使酪蛋白凝聚,然後將其中的水分瀝 除的過程。 (3) 將玫瑰花瓣隔水加熱,其蒸氣冷凝後得到玫瑰晶露與玫瑰精油。 (4) 為分析空氣中灰塵微粒的汙染情形,須先將灰塵微粒從氣體中分離,可 採用的分離法為何? (5) 將二氯甲烷和茶葉湯汁充分混合,使茶湯中的咖啡因溶解出。 (6) 某混合物含有氯化銨與另一不溶於水的成分,可採用哪些方法分離之?

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1-2 原子與分子 4. 同溫同壓下,已知氫氣與氯氣反應後生成某氣體產物,其反應體積比為 1 : 1 : 2 ,試參考下圖求出此氣體產物的組成為何? H2 Cl2 1-3 原子量與分子量 5. 由於 1 克的氫可和 8 克的氧形成 9 克的水,所以 道耳頓 認為水分子的分子式 為 HO ,而氧的原子量為 8 。假若 11克鈾的氧化物中含有 10克的鈾,則根據 道耳頓 的理論,下列哪一項敘述是正確的?  (A) 鈾的氧化物應該是 UO , 鈾的原子量為80  (B) 鈾的氧化物應該是 UO2,鈾的原子量為 240   (C) 鈾 的氧化物應該是 U2O3,鈾的原子量為 240   (D) 鈾的氧化物應該是 U3O8,鈾 的原子量為80  (E) 鈾的氧化物應該是 U2O ,鈾的原子量為 160 。 6. 某一硫氧化物中,硫與氧的重量比為 1 : 1 ,已知硫的原子量為 32 amu,氧 的原子量為16 amu ,則此化合物中硫原子與氧原子的個數比為  (A)1 : 2 (B)2 : 1   (C)1 : 1   (D)1: 3   (E)3 : 1 。 7. 自然界中鎂含有 24Mg、25Mg、26Mg三種同位素,若 25Mg、26Mg在自然界的存 量相等,且知鎂的平均原子量為 24.3 ,則24Mg的含量為多少百分比?(已知 原子量24Mg= 24.0 ,25Mg= 25.0 ,26Mg= 26.0 ) 1-4 溶液 8. 有甲、乙、丙三種水溶液,於各溶液中再加入 10克的原溶質,若分別為下列 三種結果,則原甲、乙、丙三種溶液的狀態分別為飽和、不飽和或過飽和? ( 甲 ) 所加入的溶質完全溶解。 ( 乙 ) 溶液底部有10克沉澱。 ( 丙 ) 溶液底部有12克沉澱析出。

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9. 60℃ 時,氯化銨在水中的溶解度為 55克 /100 克水,換算為重量百分濃度約 為何?  (A)55%   (B)45%   (C)35%   (D)25%  (E)15%。 *10. 大理石的主要成分是碳酸鈣,下列哪些因素可以影響大理石在水中的 溶解度?   (A)pH 值  (B) 攪拌  (C) 水溫  (D) 水的體積  (E) 大理石的 顆粒大小。 進階題 1. 根據原子說可知物質發生反應時為原子間重新排列組合,又由定比定律可知 化合物的組成固定,例如水中氫與氧的重量比為 1 : 8 ,所以將氫氣與氧氣 依任意比例混合不一定會完全反應。試以上述觀念回答下列問題: (1) 下圖中,將氫氣與氧氣混合使其反應成水,試將原子重新排列組合,畫 出圖中空白立方體內的物質與其個數。 (2) 若氧氣為16克,氫氣為 1 克,則生成水多少克?剩餘氣體多少克? 16克 O2 1 克H2 ?克 H2O ?克 2. 有兩種不同的元素 X 及 Y ,化合為兩種含此二元素的化合物。第一種化合物 是由9.34 克的 X 和 2.00 克的 Y 化合而成;第二種化合物是由 4.67 克的 X 和 3.00 克的 Y 化合而成。如果第一種化合物的分子式是 XY ,那麼第二種化合 物的分子式為下列何者? (A)X2Y (B)XY2 (C)X3Y (D)XY3  (E)X2Y2 。

3. 義大利 科學家 坎尼乍若 (Stanislao Cannizzaro ,1826- 1910) 解釋了 亞佛加厥 的假說,也認為根據此假說可以簡單的計算出原子量或分子量。已知某一氣

體為氧的同素異形體,且其質量為同溫同壓同體積之氫氣的 24倍,則此未知 氣體為何?(原子量H = 1 , O =16)

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4. 科學家計畫製造一座「太空電梯」以探測外太空與火星,支撐這座「太空電 梯」的是一束由十億條長達十萬公里之奈米碳管所製成的纜繩,每條奈米碳 管含有 7.2×1017個碳原子,試估算這束纜繩至少需要多少公斤的碳來製備? (A)0.12  (B)2.40 (C)7.20  (D)14.4  (E)28.8。 *5. 已知亞佛加厥數為 6.02×1023,則下列哪些選項中的粒子具有相等的莫耳數? (A)3.01×1023 個氫氣分子  (B)0.5 莫耳氫原子  (C)8.5 克氨 (NH 3) 所含的氫 原子 (D)0℃、 1 大氣壓時, 112 毫升的氫氣  (E)1 毫升水。 6. 將 21.2 克的碳酸鈉 (Na2CO3) 溶於水後,配製成 250 毫升的水溶液,試問溶液 中 碳 酸 鈉 的 體 積 莫 耳 濃 度 為 何 ? ( 原 子 量 Na = 23, C = 12, O = 16) (A)0.26 M  (B)0.47 M (C)0.80 M  (D)1.02 M  (E)1.91 M。 7. 取 1 M 的 HF 水溶液 20 mL ,加水稀釋到 100 mL ,則所得溶液的體積莫耳 濃度為若干? (A)0.1 M   (B)0.2 M   (C)0.4 M   (D)0.6 M   (E)0.8 M 。 8. 將重量百分濃度為 10% 的蔗糖溶液 200 克與 20% 的蔗糖溶液 100 克混合,所 得混合溶液的濃度約為多少%? 9. 甲、乙兩同學在室溫下各取 50 克某溶液,分別做結晶實驗,甲將溶液蒸 發掉 10 克水後,冷卻至室溫,得晶體 1.2 克(不含結晶水),乙將溶 液蒸發掉 15克水後,冷卻至室溫,得相同晶體 2.4 克,則該晶體在室溫 的溶解度為何?  (A)12   (B)24   (C)18   (D)36   (E)48  克/ 100 克 水。 10. 右圖為硝酸鉀、氯化銨在不同溫度時的溶解度曲線,試回答下列問題: (1) 50℃ 時,將適量的硝酸鉀和氯化銨分別加入 100 克的水中,使之恰成 為飽和溶液,再將兩溶液降至 20℃ ,則何者析出較大量的結晶?

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(2) 95℃ 時 , 將 110 克 的 氯 化 銨 溶 解 於 200 克的水中,要將此溶液冷卻至多少 ℃以下才能形成飽和溶液? 閱讀題 從民國 50 年代開始,位於臺南、高雄交 界處的二仁溪沿岸有數萬人投入廢五金業,進口國外各式各樣的機械、電子、 通訊、汽車等廢棄物(一般稱為廢五金),利用鹽酸、硝酸等將其中的金屬溶 解,從而分離出有價值的金屬如金、銀、銅、鐵、鋅、鉛等。在那個環保意識 低落的年代,並沒有廢水處理的觀念,所有的廢液都排入二仁溪。這些廢液不 止 pH 值低,還含有高濃度的鉛、銅、鋅等重金屬,隨著溪水流到海裡,於 是在出海口附近養殖的牡蠣就大量吸收「銅離子」,體內蓄積高量的銅,顏色 轉變成綠色,被稱之為「綠牡蠣」。民國 75 年在二仁溪口,發現銅含量高 達 2190 ppm 的綠色牡蠣,這是臺灣第一起綠牡蠣事件。隔年,環保署測得 水質中的銅含量高達 0.65 ppm ,超過標準值 0.03 ppm 有 20 倍之多。雖然, 廢五金和熔煉業分別在民國 82 年和 90 年結束,但二仁溪的夢魘卻沒有 終止,當年那些事業廢棄物被棄置在河畔,覆蓋於土壤植物之下,現在尚未完 全清除,持續汙染環境。直至民國 100 年,這堆電子廢棄物對土壤造成的重 金屬汙染依然嚴重,曾測出銅含量高達 6000 ppm(土壤汙染管制是 400 ppm )、鉛含量高達 8000 ppm(土壤汙染管制是 2000 ppm),整個二仁溪 汙染需要花費長久的時間以及大筆經費處理,方能漸漸恢復。試回答下列各題: 1. 含銅 0.65 ppm 的溪水,其銅離子的體積莫耳濃度為何? (Cu = 64 ) (A)1.0×10 - 3  (B)1.0×10- 4  (C)1.0×10- 5   (D)1.0×10 - 6   (E)1.0×10- 7  M。 2. 下列關於受鉛汙染的土地中鉛含量的敘述,何者正確?  (A) 每升土壤中含 有 8 公斤鉛  (B) 每升土壤中含有 8 克鉛  (C) 每公斤土壤中含有 8 公斤鉛  (D) 每公斤土壤中含有 8 克鉛  (E) 每噸土壤中含有 8 克鉛。 3. 成人每日銅的上限攝取量是 10 毫克,則攝食上文所提的綠牡蠣約多少克,

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