基礎化學(一)--第二章st

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2-1 原子結構

2-1.1 現代原子結構發展的重要里程碑

一、電子的發現:1897 年湯姆森 1. 陰極射線的發現:1879 年,英國科學家克魯克斯。 在管壁塗有硫化鋅的氣體放電管中,兩電極間施以約一萬伏特的高電壓,同時將管內氣體壓 力抽至 10-6 atm 以下,即可看到從放電管陰極產生一束射線打在其對面管壁上,進而發出螢 光,此束射線稱為陰極射線。 2. 陰極射線的性質: (1) 置一障礙物於管中,陰極對面管壁形成障礙物陰影。 ⇒ 顯示陰極射線是直線前進。 (2) 置一小轉輪於管中,轉輪可轉動。 ⇒顯示陰極射線是粒子流。 (3) 管外加一磁場或電場,可使陰極射線偏折。 ⇒ 顯示陰極射線為帶負電之粒子。 3. 電子的發現:1897 年,英國科學家湯姆森。 (1) 研究陰極射線並外加電磁場,測出陰極射線的荷質比( e m )為 1.759×10 11庫侖/公斤(C /Kg)。 ▲ 湯姆森測定荷質比的裝置示意圖:陰極射線在同時控制磁場和電場的交 互作用下,仍可能保持原來的軌跡。 (2) 不論陰極的材質或管中的氣體為何,陰極射線均有相同的荷質比。 (3) 推定陰極射線是由帶負電的粒子所組成,將其命名為電子(electron),此為所有原子的基本 粒子。 (4) 湯姆森首先提出原子模型「正電荷分布於原子整體,電子亦均勻地分布於其內,正負電荷 相等而成電中性且質量均勻分布,如同西瓜模型」。

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二、密立坎油滴實驗-測量電子的基本電量: 1.實驗內容:用噴霧器噴出小油滴,小油滴由電極板小孔落下,吸附 X 射線照 射兩極板間的氣體所產生的氣態陽離子或自由電子,使油滴帶正 電荷或帶負電荷。然後通電使上下極板成為正、負極,則可從望 遠鏡中觀察出荷電油滴的運動狀態。 2.結論:調整電場強度,使油滴所受的重力與電力達平衡,讓油滴靜止於空中。 再藉由電場強度可求出所有油滴電荷量之最大公因數,訂為電子基本電量。 (1) 油滴所帶的電量均為電子電量(e)的簡單整數倍。 (2) 測得電子的電量(e)=1.602 × 10-19庫侖。 ▲ 密立坎油滴實驗裝置示意圖。 推論: 由   a. 湯姆森的陰極射線實驗 e m =1.759 × 10 11庫侖/公斤 b. 密立坎的油滴實驗 e =1.602×10-19庫侖 可計算出電子質量(m)= 1.602×10 -19 1.759×1011 =9.109×10 -31 kg。 【科學知識家】 ⊙陰極射線實驗 在玻璃管兩端各放入一個金屬板當電極,玻璃管先抽真空,再填入所需之氣體(氣體的壓力與 種類可以調整),電極外接高電壓(5000~10000 伏特)。 實驗結果: 1. 氣體壓力 1 atm~102 atm:不導電,無任何現象。 2. 氣體壓力 102 atm~106 atm:管中放電 氣體種類不同,放出光的顏色不同。 3. 氣體壓力 106 atm 以下:色光消失,在陽極 ZnS 螢光屏上有螢光產生。 ▲ 湯姆森提出的原子模型:圓形部分表正電荷,小球表電子, 均勻分布在其中。 西瓜子嵌在西瓜中 湯姆森原子模型

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例題1 ―【臺中一中】―

從密立坎的油滴實驗中,觀察油滴電量有下列五種:4.32×10-9

esu、3.84×10-9 esu、2.88×10-9 esu、 1.44×10-9 esu、9.60×10-10 esu(esu 為靜電單位)。若另一油滴之電量為 4.80×10-9 esu,則該油滴會 吸附有多少個電子? (A) 6 (B) 10 (C) 12 (D) 15

答案:B

解析:取 4.32×10-9

esu、3.84×10-9 esu、2.88×10-9 esu、1.44×10-9 esu、9.60×10-10 esu 的最大公因 數,即一個電子電量最可能=4.8×10-10 esu ∴ n×4.8×10-10=4.80×10-9 → n=10 (註:1 個電子電量=1.6×1019 庫侖=4.8×1010 esu)。 三、原子核的發現:1911 年拉塞福 1. α 粒子金箔散射實驗:1911 年,英國科學家拉塞福。 (1) 實驗內容: 拉塞福以放射性物質鐳釋放出的α 粒子來撞擊極薄的金箔後,發現約 99%的 α 粒子穿透金 箔而不偏折,少數α 粒子發生較大角度的偏折,僅極少數 α 粒子反向彈回。 ▲ α 粒子的散射實驗裝置示意圖:實驗結果為 α 粒子由放射性物質釋放出來,大部分的 α 粒子直 接穿透金箔,打在螢光幕上,僅有極少數的粒子產生偏折或反彈。 註:當時已知α 粒子帶正電,且其荷質比與電子相較小很多。 (2) 實驗結果推測: a. 原子中心有一個體積極小且帶正電的原子核,整個原子的質量大部分集中在原子核,原子 核直徑約為 10-15 ~10-14 公尺。 b. 核外絕大部分空間散布著質量極輕的電子,電子有如行星繞日般繞核旋轉,原子直徑約為 10-10公尺。 c. 此實驗結果推翻了湯姆森的西瓜模型,拉塞福提出「行星模型」。 四、質子的發現 1919 年,拉塞福使用鐳所放射出的 α 粒子,撞擊氮的原子核發生質子,此為人類史上第一個人 工核反應。 N + 147 24He → 178O+ H11 (質子) 五、中子的發現 1932 年,查兌克以粒子撞擊鈹箔而發現中子 1932 年,查兌克使用鐳所放射的 α 粒子撞擊鈹原 子核產生中子,其質量與質子相近但不帶電荷。 Be 4 9 + He 2 4 C 6 12 + n 0 1 (中子) α粒子束 圓形螢光幕 α粒子來源 極薄的金箔 大部分α粒子 不偏折 ▲ 以α粒子撞擊極薄的金箔:(A)依湯姆森原子模型, 預測α粒子會直接穿透金箔;(B)依拉塞福原子模 型,預測α粒子僅極少數產生偏折或反彈。 圖(A) 圖(B)

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例題2 ―日大――――――――――――――――――――――――――――――― 有關拉塞褔原子核存在實驗的下列敘述,何者正確? (A)拉塞褔以  粒子撞擊金屬箔 (B)拉塞褔發現大部分用來撞擊的粒子皆透過金屬箔,只有少數被反彈回來 (C)拉塞福的實驗顯示出湯姆森的原子模型和實驗結果不合 (D)拉塞福的實驗證實原子核帶正電,並且是原子大部分質量之集中所在 (E)拉塞福的實驗證實中子的存在。 答案:(B)(C)(D) 解析:(A)拉塞褔以  粒子撞擊金屬箔。 (E)拉塞褔以  粒子做散射實驗,提出核原子模型。 例題3 ―84.推甄――――――――――――――――――――――――――――――― (甲)、(乙)、(丙)、(丁)四種實驗,哪幾種實驗的結果組合後可以決定電子質量?(甲)拉塞福的 α 粒 子散射實驗;(乙)湯姆森的陰極射線實驗;(丙)侖琴的 X 射線實驗;(丁)密立坎的油滴實驗 (A)(甲)(乙)(丙)(丁) (B)(甲)(乙)(丙) (C)(乙)(丁) (D)(丁)(丙)。 答案:(C) 解析:(甲)拉塞福的 α 粒子散射實驗僅發現了原子核。 (乙)湯姆森的陰極射線實驗,藉由電子在磁場中的偏轉半徑,可求得電子的荷質比(𝑒 𝑚)。 (丙)侖琴的 X 射線實驗發現了 X 光。 (丁)密立坎的油滴實驗發現帶電油滴的電量有一最大公因數,進而發現電量的基本單位 e。 故由(乙)、(丁)的實驗數據 𝑒𝑒 𝑚 ,可求得電子的質量 m。 例題4 ―85.推甄――――――――――――――――――――――――――――――― 根據物理史,下列關於電子、中子和原子核三者被發現的先後順序,何者正確? (A)電子、中子、原子核 (B)中子、電子、原子核 (C)電子、原子核、中子 (D)原子核、電子、中子 (E)原子核、中子、電子。 答案:(C) 解析:原子科學的進展是由大而小、由外而內。 (1) 1897 年,湯姆森的陰極射線實驗,發現於原子外部的電子。 (2) 1911 年,拉塞福的 α 粒子散射實驗,發現了原子內部的原子核。 (3)拉塞福以 α 粒子撞擊氮原子核,發現了質子(因質子帶有電荷,可在電場或磁場中偏移, 故比中子容易被發現)。 (4) 1932 年,查兌克以 α 粒子撞擊鈹原子核,發現了中子。

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例題5 ―88.推甄――――――――――――――――――――――――――――――― 湯姆森從真空放電的實驗中發現了電子,下列有關湯姆森實驗裝置的圖形,何者錯誤? (A) (B) (C) 答案:(A) 解析:(A)湯姆森利用真空放電管的實驗發現了陰極射線(電子),該陰極射線在真空放電管中是由 陰極(連接電源負極的電極)放出,沿直線進行,遇障礙物則受阻礙並於障礙物背後形 成陰影,故該圖的+、-電極錯誤。 (B)陰極射線(電子)是具有動能的粒子,故可推動小轉輪使其轉動。 (C)陰極射線(電子)帶負電,行經電場時會受正電的吸引、負電的排斥而偏向正電板。 例題6 ―88.推甄― 拉塞福在 1919 年以  粒子( He4 2 )撞擊氮原子核( N 14 7 ),產生核反應。若該反應產生的兩種粒子 ,有一種為氧原子核( O17 8 ),則另一粒子為何者? (A)電子 (B)中子 (C)質子 (D)  粒子 (E)鈹原子( Be9 4 )。 答案:(C) 解析:(C)核衰變反應式為 𝐻𝑒24 + 𝑁 7 14 𝑂 8 17 + 𝐻 1 1 (質子) 例題7 ―89.推甄― 以  粒子撞擊氮原子核 N14 7 ,其核反應可用下式表示( 是 He 4 2 ,p 是質子): + N14 7 → O+p,則產生的氧原子核是下列哪一種? (A)158O (B) O 16 8 (C) O178 (D) O 18 8 (E) O 19 8 。 答案:(C) 解析:核反應式平衡原則:質量數不變、質子數不變。 𝐻𝑒24 + 𝑁 7 14 → 𝑂 𝑏 𝑎 + 𝑃 1 1 (質子) (1) 4+14=a+1 ∴a=17 (2) 2+7=b+1 ∴b=8

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2-1.2 原子的結構

一、原子內的微小粒子 1. 原子是由電子、質子和中子所組成,質子與中子存在於原子核內。電子在原子核外的分布情 形,稱為電子組態。 【註】單位電荷所帶電量為 1.6021×10-19庫侖 2. 原子的質量集中於原子核。 3. 電子與質子所帶電量相同,且原子呈電中性,故原子內的質子數 = 電子數。 二、原子的基本組成粒子及性質比較 原子核 原子核外的電子 體積大小 萬分之一原子直徑 在原子的範圍內活動 質量分布 占原子大部分質量 質量非常小 分類 質子 p11 中子 n 0 1 電子 e −10 質量(公斤) 1.673×10-27 1.675×10-27 9.11×10-31 電荷 +1 0 電量(庫侖) 1.602×10-19 不帶電 1.602×10-19 數目 等於原子序 質量數-原子序 等於原子序 發現 次發現 最後發現 最先發現 化學變化 不變 不變 失去、得到或共用 例題8 ―84.推甄― 如果以原子為組成物質的單元,則直徑為 0.1 毫米的一粒細砂所含有的原子數目約為多少?(選最 接近的數量級) (A) 106 (B) 109 (C) 1013 (D) 1017 答案:(D) 解析:原子的直徑約為 10-10 公尺,而球體的體積與其直徑的立方成正比,故 (0.1𝑚𝑚 10−10) 3=(0.1×10−3𝑚 10−10𝑚 ) 3=(1063=1018,與 1017 最接近。 例題9 ―88.推甄― 下列各種粒子中,質量最小的是哪一種? (A)氫離子 (B)氫原子 (C)電子 (D)中子 (E) α 粒子。 答案:(C) 解析:質子、中子的質量均約為電子的 1840 倍,故電子的質量最小。氫原子含 1 個質子、1 個電 子;α 粒子即氦原子核,含 2 個質子、2 個中子。

原子

(直徑 10

-10

m)

原子核

(直徑 10

-15

m)

質子:帶正電

中子:不帶電

原子質量集中處

電子:帶負電,分佈在『原子核外』

,做快速運動,質量

約為質子之

倍。

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例題10 ―88.日大― 荷質比為粒子電荷量與質量的比值之絕對值,下列何種粒子具有最大的荷質比? (A)電子 (B)質子 (C)中子 (D) α 粒子。 答案:(A) 解析:電子與質子均帶一單位電量,中子不帶電;α 粒子= 𝐻𝑒24 2+,帶有兩單位電量。 各粒子的質量比為電子:質子:中子:α 粒子.= 1 1840:1:1:4, 故荷質比之大小為電子>質子>α 粒子,中子的荷質比為 0。

2-1.3 原子序、質量數與原子符號

一、元素表示法: 1.原子序(Z):原子序 = 質子數 = 電子數(中性原子) 2.質量數(A):質量數 = 原子核內的質子數 + 中子數原子量 3.如果以A ZX表示一個質量數為 A、原子序為 Z 的原子 X,原子組成可表示如下: 4.同位素 (1)西元 1913 年,湯姆森利用質譜儀測量氖的質量,發現同位素。 (2)定義:原子序相同而質量數不同的物質。 (3)性質: ①原子核內質子數相同,核外電子數相同,故化性相同。 ②中子數不同,故質量數不同,導致物性不同。 ③同位素的相同點:原子序、質子數、核電荷數、電子數(中性原子)、化性。 ④同位素的相異點:中子數、質量數、質量、物性、核反應性。 5. 平均原子量 (1)自然界的元素因為多有同位素存在,因此週期表中所列各元素的原子量為 各元素在自然界中所有同位素的平均原子量。 (2)求法:平均原子量的求法為各同位素之原子質量乘以含量百分比的和。 M=M1X1+M2X2+⋯⋯,M 為該同位素質量、X 為其自然界含量百分比。 碳的平均原子量為12 C×98.89%+13C×1.11% =12×0.9889+13.004×0.0111=12.011≈12.01 二、原子序、質量數與核反應 1.核反應方程式:遵守質量數守恆,遵守原子序(質子數)守恆,但不遵守原子不滅。 例: N + 147 He 2 4 O 8 17 + H 1 1 反應前質量數總和:14 + 4;反應後質量數總和:17 + 1; 反應前原子序總和:7 + 2;反應後原子序總和:8 + 1。 2.核反應遵守質能守恆,不遵守質量守恆,減少的質量依質能互變公式 E = m × C2 轉變成能量。 m:質量(kg),C:光速(3 × 108 m/sec),E:能量(焦耳)。

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例題11 ―推甄― 核能電廠的核反應內由於不斷的進行核反應,結果核燃料減少 1 克的質量。假設減少的質量全部轉 換成電能,則可產生多少度電能?(已知光速 c=3 × 108 公尺∕秒,1 度電能=1 千瓦-小時) (A) 8.3 × 104 (B) 2.5 × 107 (C) 2.5 × 1010 (D) 9 × 1013 (E) 9 × 1016。 答案:(B) 解析:∵1 度電能=1 千瓦-小時=103 × 60 × 60=3.6 × 106 焦耳 ∴E=mc2=1 × 10-3 × (3 × 1082=9 × 1013(焦耳) 9×1013 3.6×106=2.5 × 10 7(度) 例題12 ―夜大― Na+ 離子可能具有下列各組粒子組合之一,其組合以(電子數,質子數,中子數)表示,應為 (A)(10,11,12) (B)(10,12,11) (C)(11,11,12) (D)(11,12,11)。 答案:(A) 解析:(1) Na 原子序=質子數=中性原子核外電子數=11 (2) Na+ 核外電子數=10 (3)中子數=23-11=12 例題13 ―84.推甄― 下列有關原子構造的敘述,何者正確? (甲)原子的質量均勻分布於整個原子之中;(乙)原子的質量絕大部分集中在原子核; (丙)電子和質子的數目一定相等; (丁)質子和中子的數目一定相等 (A)(甲)(丙) (B)(甲)(丁) (C)(乙)(丙) (D)(乙)(丁)。 答案:(C) 解析:(甲)原子的質量幾乎集中於原子核,不是均勻分布於整個原子之中。 (丁)質子和中子的數目不一定相等,例如:11𝐻有 1 個質子、0 個中子; 𝐻12 有 1 個質子、1 個 中子; 𝐻13 有 1 個質子、2 個中子。 例題14 ―84.日大 ― 鈷六十(原子序=27)可作放射性治療用,下列關於鈷六十的原子結構,何者正確? (A) 60Co 有 27 個電子 (B) 60Co 有 60 個中子 (C) 60Co3+ 有 30 個中子 (D) 60Co3+ 有 33 個質子。 答案:(A) 解析: 𝐶𝑜2760 的質子數=電子數=原子序=27,其中子數=60-27=33 𝐶𝑜 27 60 3+的質子數=原子序=27,其中子數=60-27=33, 電子數=27-(+3)=24

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例題15 ―85.推甄― 已知鈉(Na)的原子序是 11、質量數是 23,則一個中性的鈉原子中的中子數和電子數應該是多少 ?(每行各選一項,共應選兩項) 中子數 電子數 (A) 11 (E) 11 (B) 12 (F) 12 (C) 23 (G) 23 (D) 34 (H) 34 答案:(B)(E) 解析:中性鈉原子的電子數=質子數=原子序=11 中子數=質量數-質子數=23-11=12 例題16 ―87.推甄― 從23892U蛻變為 Pb 206 82 是天然放射性蛻變系列之一,此系列共經過幾個  衰變,幾個  - 衰變? (A) 8、6- (B) 8、8- (C) 10、8- (D) 10、10- 。 答案:(A) 解析:23892𝑈 →20682𝑃𝑏+ 𝑥 𝐻𝑒24 + 𝑦 𝑒−10 (: 𝐻𝑒24 : 𝑒 −10 ) 質量數守恆:238=206+x × 4 → x=8 原子序守恆:92=82+x × 2+y × (-1)→ y=6 例題17 ―88.推甄― 拉塞福在 1919 年以  粒子( He4 2 )撞擊氮原子核( N 14 7 ),產生核反應。若該反應產生的兩種粒子 ,有一為氧原子核( O17 8 ),則另一粒子為何? (A)電子 (B)中子 (C)質子 (D)  粒子 (E)鈹原子核( Be9 4 )。 答案:(C) 解析: 𝐻𝑒24 + 𝑁 7 14 𝑂 8 17 + 𝐻 1 1 (質子) 例題18 ―90.學測― 若238U 92 的原子核放射出一個 α 粒子,則剩留下來的原子核內會含有幾個質子? (A) 237 (B) 236 (C) 146 (D) 91 (E) 90。 答案:(E) 解析:α 粒子即為氦原子核( 𝐻𝑒24 2+)→ 92-2=90 例題19 ―92.學測補考― 1998 年,俄羅斯科學家利用 1 個鈣原子與 1 個鈽原子融合而成的 289Uuq 114 ,下列有關此最新元素的 敘述,何者正確? (A)289Uuq 114 的原子序為 175 (B) Uuq 289 114 的電子數目為 289 (C)289Uuq 114 原子核中有 423 個中子 (D) Uuq 289 114 原子核中有 114 個質子。 答案:(D) 解析:Uuq 的原子序=質子數=電子數=114 其質量數=質子數+中子數→ 289=114+中子數 故中子數=175

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例題20 ―92.學測― 𝑋2+ 與 𝑌− 都具有 18 個電子及 20 個中子,下列有關 X、Y 兩元素的敘述,何者正確? (A) X 之質量數為 38 (B) Cl3517 為 Y 之同位素 (C) 𝑋2+和 𝑌− 為同素異形體 (D) X 和 Y 具有相同的質子數目。 答案:(B) 解析:X2+ 是由 X 原子失去 2 個電子所形成,故 X2+ 的電子數=X 的原子序-(+2)=18→ X 的 原子序=20=質子數,X 的質量數=質子數+中子數=20+20=40 Y- 是由 Y 原子獲得 1 個電子所形成,故 Y- 的電子數=Y 的原子序-(-1)=18 →Y 的原子序=17=質子數,Y 的質量數=質子數+中子數=17+20=37 𝐶𝑙 17 35 具有 17 個質子(與 Y 相同),但其質量數與 Y 不同,故 𝐶𝑙 17 35 與 Y 是同位素;同素異形 體是同一種元素以不同的形態存在,彼此為不同的物質,因 X 與Y是不同元素,故 X2+ 和Y- 不是同素異形體。 例題21 ―93.學測― 利用中子來撞擊重原子核,使重核發生分裂,產生兩個較小的核與中子,並放出巨大的能量。這種 產生核能的方式稱為核分裂,例如用中子撞擊鈾原子核,可用下列的核反應式來表示: 235 1 141 92 92U0n 56Ba Kr n y w xz → 能量 下列哪一個選項中的兩個數字,正確表示上式中的 w 與 x? 【註】式中 Kr 是與 He、Ne 同屬於週期表的第 18 族(ⅧA 族)的元素 (A) 34 與 5 (B)35 與 4 (C)35 與 5 (D) 36 與 2 (E) 36 與 3。 答案:(E) 解析: 23592𝑈,其中 235 代表質量數,92 代表原子序反應式中 n 代表中子,原子序 0,且質量數為 1 ∴ z = 0,y = 1 核反應遵守:質量數守恆:235 + 1 = 141 + 92 + x × 1 原子序(質子數)守恆:92 + 0 = 56 + w + x × 0 由式,得w = 36,x = 3。 例題22 ―94.學測― 原子量為 1 的氫原子含有哪些基本粒子? (A)電子、中子 (B)質子、中子 (C)質子、電子 (D)質子、中子、電子。 答案:(C) 解析:質量數=質子數+中子數≒原子量(四捨五入取整數),而 1H 的原子序=1=質子數,故其 中子數=0,且 H 原子為電中性,故其電子數=質子數=1 例題23 ―98.學測― 某氮氧化合物的一分子中含有 38 個電子。試問該氮氧化合物是下列的哪一選項? (A) NO (B) NO3 (C) N2O (D) N2O3 (E) N2O5。 答案:(D) 解析: 𝑁147 、 𝑂 8 16 ;設化合物為 N xOy,則 7 × x+8 × y=38 N2O3 所含電子數為 7 × 2+8 × 3=38 個,符合題意。

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例題24 ―94.學測― 溴的原子序為 35,已知溴存在兩個同位素,其百分率幾近相同,而溴的原子量為 80,則溴的兩個 同位素中的中子數分別為何? (A) 43 和 45 (B) 79 和 81 (C) 42 和 44 (D) 44 和 46 (E) 45 和 47。 答案:(D) 解析:週期表中各元素的原子量,表示該元素存在於自然界的各種同位素的平均原子量,即 𝑀̅=M1X1+M2X2+……

M1、M2、……:各種同位素的原子量(.=.質量數) X1、X2、 ……:各種同位素的自然豐度(存率)

→ 80=M1X1+M2X2,因 X1≒X2,且 X1+X2=1,故 X1≒X2≒0.5 → 80≒M1 × 0.5+M2 × 0.5 → M1+M2≒160 因溴的原子序為 35,其兩種同位素的質子數均為 35,假設其中子數分別為 x、y →(35+x)+(35+y)=160 → x+y=90,故僅(D)選項符合。 例題25 ―99.學測― 老師在上了「物質的形成」的單元後,針對構成物質的微粒(原子、分子、離子),要求甲、乙、 丙、丁四位學生討論有關「微粒」的問題。四位學生的主要論點簡記如下: 甲說:如果兩種微粒均由同一種元素所構成,則這兩種微粒所含的總質子數一定相同。 乙說:如果兩種微粒所含的總質子數相同,則這兩種微粒都屬於同一種元素。 丙說:各種微粒所含的總質子數一定與其總電子數相同。 丁說:因為所討論的微粒是指原子、分子或離子,因此甲、乙、丙三人的論點都不正確。 試判斷四位學生的論點,何者正確? (A)甲 (B)乙 (C)丙 (D)丁 (E)甲乙丙。 答案:(D) 解析:甲不正確,例如 O2 和 O3 的質子數分別為 16 和 24 個。 乙不正確,例如 NH3 和 H2O 均有 10 個質子,但為不同的化合物。 丙不正確,例如 Na+ 有 10 個電子,但有 11 個質子。 【科學知識家】 由質譜圖(圖 2-4)來計算氖的平均原子量用質量數乘以絕對含量(峰高)得該種同位素的總質量 22 Ne 的質量 = 11.4× 22.0 = 250.8(amu) 21 Ne 的質量 = 0.2× 21.0 = 4.2(amu) 20 Ne 的質量 = 114× 20.0 = 2280.0(amu) 總質量 = 2535(amu),總含量 = 125.6 氖的平均質量 =2535/125.6= 20.18(amu)

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例題26 ―101.學測― 下列關於 84Po(質量數 210)原子及 88Ra(質量數 226)原子的敘述,何者正確? (A) 210Po 84 和 22688Ra 兩種原子核中的中子數相差 16 (B) 210Po 84 和 22688Ra 兩種原子核中的質子數相差 16 (C) 210Po 84 和 22688Ra 兩種原子中的電子數相差 4 (D)釙和鐳兩個元素,在自然界都不存在 (E)釙和鐳的放射性都是源自其原子核釋出 X 光。 答案:(C) 解析:(A)中子數相差 12。 (B)質子數相差 4。 (D)均可存於自然界。 (E) X 射線為核外電子躍遷所產生,原子核 所產生的放射線則有 α、β 和 γ 3 種。 質子數 電子數 中子數 𝑃𝑜 84 210 84 84 126 𝑅𝑎 88 226 88 88 138 例題27 ―87.推甄― 下列為元素甲、乙、丙、丁、戊的原子核中所含的質子數(p)與中子數(n),試問哪兩者是同位素? (A)甲:6p,6n (B)乙:7p,7n (C)丙:8p,8n (D)丁:6p,7n (E)戊:9p,10n 答案:(A)(D) 解析:同位素是具有相同質子數,但中子數不同的原子。 甲、丁兩種原子的質子數均為 6,且其中子數不同,故為同位素。 例題28 ―92.學測― X 與 𝑌2−都具有 10 個電子及 10 個中子,下列有關 X、Y 兩元素的敘述何者正確? (A)Y 之質量數為 20 (B)16 8O為 Y 之同位素 (C)X 和 Y 為同位素 (D)X 和 Y 具有相同的質子數目。 答案: (B) 解析:X 與 Y2- 都具有 10 個電子及 10 個中子,則電中性原子的表示法分別為 𝑋1020 、 𝑌188 (A)Y 之質量數為 18 (C)原子序不同,為不同的元素 (D)質子數不同,分別為 10 與 8。 例題29 ―96.學測― 甲、乙、丙、丁為原子或離子,其所含的質子、中子與電子的數目如下表。試單就表中的數據,判 斷下列相關的敘述哪些正確? (A)甲、乙為同位素 (B)乙、丙為同位素 (C)甲、乙、丙為同位素 (D)乙、丁為離子 (E)丙、丁為同位素 (F)丙為離子。 甲 乙 丙 丁 質子數 2 2 3 3 中子數 1 2 3 4 電子數 2 2 2 3 答案:(A)(E)(F) 解析:質子數相同而中子數不同的原子,稱為同位素→ 甲、乙為同位素,丙、丁為同位素。 離子帶有淨電荷,故其電子數≠質子數→ 僅有丙為離子

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例題30 ―97.學測――――――――――――――――――――――――――――――― 天然的氯有 35 及 37 兩種同位素,氯原子的平均原子量為 35.5,則兩同位素在自然界中的含量比為: (A) 35:37 (B) 1:2 (C) 2:1 (D) 3:1。 答案: (D) 解析:設35 Cl 在自然界含量占 X1,37Cl 占 1-X1 平均原子量 35.5 = 35×X1 + 37×(1-X1) →X1= 0.75,1-X1= 0.25→ 0.75:0.25 = 3:1 例題31 ―97.學測― 某元素有兩種同位素。一種為105X,質量為 10.0129 amu,占 19.91%;另一種為 X 11 5 ,質量為 11.0093 amu,占 80.09%。根據以上資料,回答下列各題: (1)元素 X 的原子量是下列哪一個?(取到第二位小數) (A) 5.00 (B) 10.01 (C) 10.50 (D) 10.81 (E) 11.01。 (2) X 原子最外層有幾個電子? (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 (E) 5。 答案:(1)(D);(2)(C) 解析:(1)元素的平均原子量𝑀̅=各個同位素的原子量 × 自然界的存量百分率之和 故𝑀̅=10.0129 × 19.91%+11.0093 × 80.09%=10.8109.=.10.81 (2) X 原子的內層(K 層)填 2 個電子,外層(L 層)填 3 個電子。

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2-2 原子中電子的排列

2-2.1 能階的概念

一、根據拉塞福的核型原子模型,電子是繞行於核外某些圓形軌道上,但以現今我們對原子結構的 了解,實際上電子在核外運行並沒有固定的軌道,而是在原子核附近的空間快速運動,電子的 運動軌跡無法預測,亦即無法知道電子下一瞬間會出現在何處,但能預測電子在空間中某一點 出現的機率。在原子核附近,電子出現的機率較大之區域(或空間)稱為軌域。 二、這些軌域,若以離原子核的平均距離之遠近來區分,可分為不同主層(殼層),分別稱為第一主 層,第二主層,至第 n 主層(n = 1,2,3,…,∞),每一主層的能量狀態不同。n 愈大的主層, 離原子核愈遠,受核的吸引力愈小,能量狀態愈高,該層軌域的範圍愈大,所含的軌域種類與 軌域數目也愈多,可容納的電子數愈多。 三、軌域在原子核外的空間作層狀分布,每一層軌域,都具有特定的能量,軌域的能量由低而高猶 如階梯一般,稱之為「能階」。 1.以氫原子為例: (1) 當 n = 1 時,電子存在的軌域最靠近原子核,能量最低,最穩定,稱為「基態」 (2) n 愈大,軌域離原子核愈遠,能量愈高。 (3) n = ∞ 時,可視為電子已離開原子核的引力範圍,即游離,變為自由電子。

2-2.2 原子序 1 到 18 的元素之電子排列

一、電子殼層:電子在核外並非隨機分布,而是以原子核為中心,由內而外分成 若干殼層(或電子層)。 圖(A) 圖(B) ▲ 原子中電子分布於不同殼層的示意圖:(A)以原子核為中心由內而外的分布;(B)能階示意圖以 原子核為基準,殼層離核愈遠其能量愈高。 (1) 離核愈近的殼層,受核引力愈強,能量愈低。 (2) 每一殼層最多可容納的電子數為 2n2個。 殼層 K 層(n=1) L 層(n=2) M 層(n=3) N 層(n=4) 容納電子數上限值 2 8 18 32 二、電子的排列與週期表: 1.電子填入殼層的規則:電子從最接近原子核的殼層開始填起,填滿後再依 序往外填入電子。例如:鈉(11Na)有 11 個電子, 在 K 層填滿 2 個電子後,再往 L 層填電子,當 L 填滿 8 個電子後,在 M 層填入最後 1 個電子。 原 子 核 (第四層)N 層 (第三層)M 層 (第二層)L 層 (第一層)K 層

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2.原子序 1~18 元素的電子排列方式: (1)同週期元素:第一週期元素具有一層電子層,第二週期元素具有二層電 子層,第三週期元素具有三層電子層。 (2)同族元素:同族元素最外層電子數相同(氦除外),且具有相似的化學 性質,因此稱此層的電子為價電子。主族元素的族數(即 A 族)恰等於元素的價電子數(氦除外)。 (3)注意:原子序≦20 之元素,其第三層(M 層)最多只能容納 8 個電子。 三、電子點式 一般而言,原子的化學性質取決於價電子數,因此路易斯首創在元素符號四周以打點的方式來點 出元素的價電子數,現今稱此種表示法為路易斯電子點式或電子點式。 族 數 ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA ⅧA 電子 點式 註:He 之電子點式不符合上表之ⅧA 表示法。 ▲ 原子序 1~20 元素的電子點式

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【科學知識家】 元素的連續游離能數值可作為電子在不同能階層中排列的證據。 圖 2-5 所視為從鉀原子上逐次移走一個電子所需游離能(kJ/mol)的對數圖。用對數圖的目的 可使圖形中的數據點較為集中。圖中可見電子分為四組。游離能愈高,表電子愈難除去,即該電子 愈接近原子核。

2-2.3 價殼層、價電子與元素性質的規律性

一、價電子:原子中,最外層電子可決定原子與別的原子的結合形式與容量, 故特稱為價電子。 二、價殼層:原子中,電子所占據的最外層軌道(高能量的殼層)稱為價殼層 (valence shell)。 三、價電子與週期和族的關係 1. A 族元素的價電子數等於族數(He 例外)。 2. 鈍氣(VIIIA 族、第 18 族),價電子數均為 8,但 He 的價電子數為 2 是例外。 3. 價電子相同的元素,化學性質相似,稱為同族元素。 四、鈍氣原子化性非常穩定,在自然界中以單原子形式存在,價殼層為全填滿; 而其它原子的價殼層則屬於未填滿。 五、一般而言,原子中的價電子總數愈接近全填滿,該原子的化學活性愈高。 如:鈉(11Na)和氯(17Cl)兩種元素,其價電子數分別為 1 及 7;前者傾向 失去一個電子形成+1 價陽離子,後者傾向獲得一個電子形成-1 價陰離 子。 例題32 ―日大― 下面各組離子或原子的電子組態,何者完全相同? (A) Ca2+ (B) Ar (C) Na+ (D) Si (E) Cl- 。 答案:(A)(B)(E) 解析:(A)(B)(E)有 18 個電子,電子組態和 Ar 相同。 (C) Na+:有 10 個電子。 (D) Si:有 14 個電子。

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例題33 ―96.學測― 教學上有時會用電子點式來表示原子結構。下列選項中的阿拉伯數字代表質子數、「 」代表原子 核所帶的正電荷、「 」代表核外電子,則哪一圖代表離子 (A) (B) (C) (D) 答案:(D) 解析:離子的「電子數≠質子數=原子核所帶的正電荷」。 (A)電子數 9=質子數 9 (B)電子數 10=質子數 10 (C)電子數 11=質子數 11 (D)電子數 10≠質子數 12 例題34 ―99.學測― 價電子為原子中位在最外層的電子,美國化學家路易斯提出八隅體法則,他認為第 2 週期元素所形 成的分子,其中每個組成原子周圍環繞的電子數會傾向和氖原子的價電子數一樣,共 8 個電子。這 些環繞的電子,有的會形成化學鍵,稱為鍵結電子對;有的僅依附在該原子周遭,稱為未鍵結電子 對或孤電子對,每一鍵結電子對與未鍵結電子對皆由兩個電子組成,故第 2 週期元素所形成的分子 ,其組成原子的周圍皆會有 4 對電子對。兩個原子間可能具有 1 對、2 對或 3 對鍵結電子對,分別 稱為單鍵、雙鍵或參鍵。

(1)臭氧分子(O3)內共有幾個價電子? (A) 16 (B) 18 (C) 20 (D) 22 (E) 24

(2)臭氧分子(O3)內共有幾對鍵結電子對? (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 (E) 5。

答案:(1)(B);(2)(C)

解析:(1) 1 個氧原子有 6 個價電子,故 O3 有 18 個價電子。

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2-3.1 元素週期表的重要里程碑

一、拉瓦節根據元素的化學性質將其粗分為氣體、非金屬、金屬和土體(earth) 四大類。 二、德國化學家德貝萊納提出元素三重組定律,如:鋰、鈉、鉀。 三、元素的八音律(law of octaves):英國化學家紐蘭芝將已知的元素按照原子量 增加順序,排入一個含有七行的表內,如同音樂中 7 個音調的週期性(圖 2-8)。 【科學知識家】 從現代週期表的觀點看,紐蘭芝的八音律適合第一和第二週期,對第三週期就不行了。三重組 和八音律從思想方法上,都把元素的週期性假定為單一的,而忽視了它們的多樣性。但這兩個發現, 對人類認識週期律方面,具有重要的理論意義。 四、門得列夫元素週期表 1. 1869 年,俄國科學家門得列夫歸納所得。將當時已發現的元素(約 63 種)依原子量大小排 列,並將化學性質相似的元素歸納成同一組,發現元素間的性質有週期性的變化。 2. 門得列夫週期表的貢獻: (1) 利用週期表預測了新元素的存在,如鎵(Ga)、鍺(Ge)也在後來陸續被發現,其性質與 特性和預測值非常接近。 (2) 修正了 9 種當時已發表的元素原子量。 3. 門得列夫週期表的缺失: (1) 有些元素出現原子量大小順序與族數不符的現象。 (2) 未提及鈍氣這一族。 五、莫斯利於 1913 年,奠立了原子序與原子核電荷之間的關係,從此確定元素性質隨原子序增加 有週期性變化,後續化學家們改以元素的原子序由小到大依次做週期排列,奠定現今元素週期 表的基礎。 例題35 ―92.指考― 原子理論的發展故事是一連串早期的實驗,用來幫助「看無法看到的物,了解不易了解的事」,有 關這些故事中的科學家與其重大科學發現或理論,下列哪個選項的組合是錯誤的? 選項 科學家 發表的內容 (A) 道耳頓 提倡原子說 (B) 湯姆森 發現電子 (C) 拉塞福 提出原子結構的模型 (D) 波耳 建立量子化的氫原子模型 (E) 門得列夫 提出原子序的意義 答案:(E) 解析:(E)門得列夫依據原子量排列不同的元素,而得到最早期的週期表,原子序的概念是依據莫 斯利的實驗所提出的。 族數 ⅥA ⅦA 依原子量排列 I Te 依原子序排列 Te I

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2-3.2 元素週期表的組織與元素的性質

一、今日的週期表是依元素原子序來排列,共有 7 橫列、18 縱行;每一縱行稱為一族,每一橫列 稱為一週期。週期表共有七個週期、十八族。 1. 週期:週期表中水平的列稱為週期,共有七週期,元素性質成週期性變化。 週期 一 二 三 四 五 六 七 元素個數 2 8 8 18 18 32 32 2. 族:週期表中垂直的同一行,稱為同族。 (1) 傳統上習慣將週期表的族分為 A、B 兩大類,各分為 8 族。 A 族:ⅠA~ⅧA,位於週期表的兩邊,此八行又稱為主族元素。 主 族 元 素 ⅠA(第 1 族) 鹼金屬 鋰、鈉、鉀、銣、銫、鍅 ⅡA(第 2 族) 鹼土金屬 鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鐳 ⅦA(第 7 族) 鹵素 氟、氯、溴、碘、砈 ⅧA(第 8 族) 惰性氣體 氦、氖、氬、氪、氙、氡 B 族:ⅠB~ⅧB,位於週期表中央部分,此十行又稱為過渡元素。 (Fe、Co、Ni 三族很多方面均很相似(如磁性),統稱為ⅧB 族) 所有 B 族元素統稱為過渡元素,均為金屬。原子序 57~71 稱為鑭系元素,原子序 89~103 稱為錒系元素。而鑭系元素與錒系元素又稱為內過渡元素。 (2) 現今 IUPAC 規定,週期表由左而右的各行依序命名為第 1~18 族。 3.金屬、非金屬元素:週期表左邊以主族金屬元素為主,右上邊則以非金屬元素為主,中間全 為過渡金屬元素。 4.目前發現的元素中,原子序>83 者具放射性;原子序>92 者為超鈾元素,且均為人造元素。 例題36 ―97.學測― 下列哪一組元素符號依序為〔硼、鈦、鉻、砷、氪〕? (A)〔Ba、Ti、Ca、Ar、Cr〕 (B)〔Be、Ni、Cs、Sn、Cr〕 (C)〔Br、Li、Cf、Am、K〕 (D)〔B、Ti、Cr、As、Kr〕 (E)〔B、Ni、Cr、As、K〕。 答案:(D)

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例題37 ―98.學測―

殘存於砂土、磚瓦等建材的微量鈾等元素,於衰變後會釋放出一種汙染氣體。此氣體的量雖甚少, 但會出現於不通風的室內空氣中,且其穩定之同位素亦具放射性。它也是僅次於吸菸而導致肺癌的

第二大元兇。試問此汙染氣體,為下列哪一種惰性氣體(鈍氣、稀有氣體)? (A)氦 (B)氖 (C)氬 (D)氪 (E)氡。 答案:(E)

解析:氡的原子序為 86,是密度最大的惰性氣體,氡的來源是由於地殼中鈾衰變所得,氡的已知 同位素有 17 種,從氡-210 到氡-226,都具放射性。其中最穩定的同位素是氡-222,它是鐳 -226 的衰變產物,會放出  射線,反應式如右: 22688𝑅𝑎→ 22286𝑅𝑛+ 𝐻𝑒 2 4 因為氡為氣體,所以它能從岩石或土壤中釋放到地表上。

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2-3.3 元素的分類

一、元素可以單原子、雙原子或多原子分子型態存在於大自然中,元素根據其在 常溫下的自然狀態,可分為氣態、液態(只有溴與汞)和固態。 二、元素依其導電性可分為金屬、非金屬和類金屬。 1. 金屬: (1) 具有光澤及延展性的物質,為電、熱的良導體。 例如:金呈黃色為延展性最佳的金屬,銀呈銀白色為導電性最佳的金屬,銅為紅色,鎢為 黑色。 (2) 導電性隨溫度之增高而降低,若含有雜質也會使其導電性降低。 (3) 一般而言熔點均較非金屬高,室溫下除汞(熔點-39℃)為液體外,其餘均為固體。銫(28.4 ℃)、鎵(29.8℃)的熔點比室溫略高,而鉻(1905℃)、鎢(3370℃)的熔點很高。 (4) 金屬發生化學反應時,傾向於失去電子,形成陽離子。鹼金屬的價數為+1,鹼土金屬的價 數為+2。 ▲ 鈉金屬形成鈉離子並與氯離子化合的示意圖 (5) 金屬與非金屬反應時傾向於形成高熔點的離子化合物,如金屬氧化物、鹵化物、氫氧化物 等。大部分的金屬氧化物與水作用形成氫氧化物,而使水溶液呈鹼性,與酸作用形成鹽類 和水。 例:K2O(s)+H2O(l) → 2 KOH(aq) ; CaO(s)+H2O(l) → Ca(OH)2(aq)

(6) 可溶於強酸及強鹼的金屬稱為兩性元素,如鋁、鋅…等。 2. 非金屬: (1) 導電、導熱性不佳,石墨除外。 (2) 除了石墨、鑽石外,大部分非金屬的熔點比金屬低。 (3) 在常溫常壓下鈍氣以單原子分子存在,另有七種非金屬以雙原子分子存在,其中 H2、N2、 O2、F2、Cl2為氣體,Br2為液體,I2為揮發性高的固體,其它非金屬元素均為固體,如碳、 硫、磷等。 (4) 大部分非金屬與非金屬所形成的分子化合物為氣體或低熔點的固體,例如 SO2(g)、CO2(g)、 HF(g)、HCl(g)、P4O10(s)等。 (5) 大部分的非金屬氧化物溶於水後呈酸性,與鹼作用形成鹽類和水。 CO2(g)+H2O(l) → H2CO3(aq) ; P4O10(s)+6 H2O(l) → 4 H3PO4(aq)

CO2(g)+2 KOH(aq) → K2CO3(aq)+H2O(l) ;SO3+2 NaOH(aq) → Na2SO4(aq)+H2O(l)

3. 類金屬(半導體元素):Po、At、B、Ge、Te、Sb、As、Si 八個元素。 (1) 導電性介於金屬與非金屬之間的元素。

(2) 導電性隨溫度之增高而增加,導電性常因含有微量雜質而劇增。例如室溫下高純度的矽及 鍺導電性差,但加入微量的鎵或磷後,其導電度明顯增加。

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例題38 ―87.推甄― 下圖是按元素特性而區分的週期表,許多的類金屬元素因性質介於金屬與非金屬之間,故可作為半 導體電子材料,這些元素在週期表中都分布在何處? (A)乙丙區域之間 (B)丙丁區域之間 (C)丁戊區域之間 (D)戊己區域之間 (E)乙丁區域之間。 答案:(C)

解析:類金屬的性質介於金屬與非金屬之間,常見的類金屬元素有ⅢA 的 B,ⅣA 的 Si、Ge,ⅤA 的 As、Sb,ⅥA 的 Se、Te 等元素。 例題39 ―推甄― 下列有關元素週期性質及週期表的敘述,何者正確? (A)現有的週期表是依各元素原子量從小到大的順序排列 (B)就導電性而言,元素大體上可分為金屬、類金屬及非金屬三大類 (C)週期表左下方的元素是在水中呈酸性的非金屬 (D)類金屬的化學性質介於金屬及非金屬之間,所以列在週期表中央,統稱 B 族元素。 答案:(B) 解析:(A)現有的週期表是依各元素原子序,從小到大的順序排列。 (C)週期表左下方的元素是在水中呈鹼性的金屬。 (D)類金屬的化學性質介於金屬及非金屬之間,包括 B、Si、Ge、As、Sb、Te、Po、At;而 列在週期表中央,統稱 B 族元素者為過渡金屬。 例題40 ―93.指考補考― 下列有關元素與週期表的敘述,何者正確? (A)溴離子與惰性氣體氬的電子組態相同 (B)同位素的中子數相同,所以化學反應性相同 (C)週期表中,原子序 24 和 42 的元素屬於同一族 (D)現今通用週期表中的元素,是依據原子量由小至大排列。 答案:(C) 解析:(A) 35Br - 溴離子的電子組態應與 36Kr(氪)相同,而非 18Ar(氬)。 (B)同位素的原子序(質子數)相同,所以化學反應性相同,非中子數相同 (C)原子序 24 的鉻(Cr)與 42 的鉬(Mo)同為週期表的第 6 族(ⅥB 族) (D)現今通用的週期表,是依據原子序由小而大排列而成。

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2-3.4 元素性質的週期規律性

一、原子半徑 1 .同族元素的原子半徑隨原子序增加而增加。 成因:原子序愈大,價電子占有殼層愈大,原子半徑愈大。 2 .同週期典型元素的原子半徑隨原子序增加而漸減。 成因:價殼層相同,原子序增加而核電荷漸增,對核外電子吸引力漸增,故原子半徑漸減。 二、同族反應活性的規律性 化學活性:金屬由上而下活性增大;非金屬由上而下活性減少。 註:金屬元素的活性看失去電子的傾向大小,而非金屬元素的活性看得電子的傾向大小。 三、金屬性 1 .金屬性是以失去電子的傾向呈現。 2 .同族元素的金屬性隨原子序增加而增加。 成因:原子序增加,價電子離核漸遠,受核電荷引力漸減,故失去電子傾向漸增。 3 .同週期元素的金屬性隨原子序增加而減小。 成因:原子序增加而核電荷漸增,對價電子吸引力漸增,故失去電子傾向漸減。 四、非金屬性 1 .非金屬性是以獲得電子的傾向呈現。 2 .同族元素的非金屬性隨原子序增加而減小。 成因:原子序增加,半徑漸增,核電荷對電子引力漸減,故獲得電子傾向漸減。 3 .同週期元素的非金屬性隨原子序增加而增加。 成因:原子序增加而核電荷漸增,對價電子吸引力漸增,故獲得電子傾向漸增。 五、物質熔點與沸點的週期規律性 1 .第 18 族惰性氣體在同週期元素中呈現最低的熔點和沸點;而第二至第四週期主族元素中,通 常第 14 族的元素(即碳、矽、鍺)在同週期元素中呈現最高的熔點和沸點。 2 .鹼金屬元素的熔點由上而下遞減,同族非金屬元素的熔點則由上而下遞增。 六、氧化物之酸鹼性 1 .左邊的金屬元素氧化物溶於水呈鹼性,由上而下漸強。右邊的非金屬元素氧化物於水呈酸性, 由上而下減弱。 2 .同週期元素的氧化物溶於水若呈鹼性,其鹼性由左至右漸減,若呈酸性則漸增。

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【科學知識家】 週期表中各元素性質之週期律 原子半徑的比較 分類 半徑變化 原因 同一週期 1A~7A 隨著原子序增大 而減小,7A 原子半徑最小 隨著原子序增大,質子數增加,對 電子吸引力變大  原子半徑變 小 同一族 隨著原子序增大而增大 隨著原子序增大,電子數增加  原子半徑變大 同電子數 質子數多者,半徑較小 故 Na+ < Ne < F 質子數愈多,對電子吸引力變大  原子半徑變小 同 一 元 素 , 帶 正 電 荷 數 量 正電荷數愈大者,半徑較 小 如:Cr3+ < Cr2+ < Cr+ < Cr 正電荷數愈大者,質子數愈多於電 子數,吸引力變大  原子半徑變 小 同 一 元 素 , 帶 負 電 荷 數 量 負電荷數愈大者,半徑較 大 如:S < S 負電荷數愈大者,電子數愈多於質 子數,吸引力變小  原子半徑變 大 例題41 ―推甄― 下列有關鹼金屬及其化合物通性的敘述,何者正確? (A)鹼金屬可溶於水,並釋出氧氣 (B)鹼金屬在水中使溶液呈鹼性,並釋出氫氣 (C)鹼金屬氧化物在水中使溶液呈酸性,並釋出氧氣 (D)鹼金屬氫氧化物在水中使溶液呈鹼性,並釋出氫氣。 答案:(B)

解析:(A)(B) Na+H2O → NaOH+ 1 2H2

(C) Na2O+H2O → 2NaOH

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例題42 ―96.指考― 下表為元素週期表的一部分,甲至戊表元素符號,其中甲的原子序為 13。試問下表中,哪一個元 素的原子半徑最小? (A)甲 (B)乙 (C)丙 (D)丁 (E)戊。 答案:(B) 解析:同族元素的原子半徑隨原子序之減小而減小,同週期元素原子半徑隨原子序之增加而減小。 例題43 ―98.指考― 下列哪一個金屬原子或離子的半徑最大? (A) Be (B) Mg2+ (C) Zn2+ (D) Mn (E) Ca。

答案:(E) 解析:週期表上,同族元素的半徑隨原子序增加而變大,同週期元素則隨原子序之增加而變小。 例題44 ―90.學測― 下圖為列出第 2 與第 3 週期元素的簡略週期表,試問下列三個敘述分別符合下表所列選項中的哪一 個元素? Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar (1)甲元素的含氧酸為工業上最重要的酸之一。此酸根與鋇離子所形成的鹽類在水中的溶解 度低,且 X 射線的穿透性也低,廣泛用作胃部檢查的造影劑。 (2)廣泛被用於先進材料中的乙元素,其晶體中摻雜微量不純物可做半導體材料,乙元素的 氧化物可做光纖通信用的玻璃纖維。 (3)汽車排氣中多含有丙元素的氧化物,是都市空氣汙染的原因之一。丙元素與氫氣所形成 化合物的水溶液呈鹼性。 選 項 (A) (B) (C) (D) (E) (F) 甲元素 N N P P S S 乙元素 Si B C B Si C 丙元素 S Si N C N Si 答案:(E) 解析:(1)甲為 S:因為 BaSO4 廣泛用作胃部檢查的造影劑,且 BaSO4(s) 為難溶鹽,而 H2SO4 是重 要的工業用酸。 (2)乙為 Si:Si 是目前重要的半導體材料,其氧化物可作為光纖通信用的玻璃纖維。 (3)丙為 N:因為 N2 和 H2 反應生成 NH3;NH3 溶於水,水溶液呈鹼性,且 N2 在汽車引擎中 可和 O2 反應生成 NO、NO2 等空氣汙染物。

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例題45 ―91.學測補考― 下圖為部分的週期表,該表中標示有甲~己六個元素,根據週期表元素性質變化的規律與趨勢,回 答下列問題: (1)甲~己的六個元素中,何者最容易形成正一價的陽離子?何者最容易形成-1 價的陰離子? (A)甲 (B)乙 (C)丙 (D)丁 (E)戊 (F)己。 (2)下列何種組合,因結合後各元素皆能擁有氬原子的電子數,所以能形成穩定的純物質? (A)甲、戊 (B)乙、丙 (C)乙、戊 (D)丁、丁 (E)己、己 (F)戊、戊。 答案:(1)(A)(E);(2)(C)(F) 解析:(1) 1(IA)族金屬元素僅比鄰近的惰性氣體元素多 1 個電子,故與非金屬反應時易失去 1 個 電子,形成具有惰性氣體電子組態的+1 價的陽離子→甲 17(ⅦA)族非金屬元素僅比鄰近的惰性氣體元素少 1 個電子,故與金屬反應時易獲得 1 個電子,形成具有惰性氣體電子組態的-1 價的陰離子→戊 (2)(A)「甲戊」化合物中,甲+ 具有 10 個電子,與氖相同;戊- 具有 18 個電子,與氬相同。 (B)乙為ⅡA 族金屬元素,與非金屬反應時易失去 2 個電子,形成具有與氬相同電子組態 的+2 價的陽離子;但丙為 ⅣA 族非金屬元素,不易獲得 4 個電子形成-4 價的陰 離子。 (C)「乙戊2」化合物中,乙2 + 與戊- 均具有 18 個電子,與氬相同。 (D)丁為第二列 VA 族非金屬元素,藉由共價鍵結形成具有與氖相同電子組態的丁2。 (E)己為第三列 ⅧA 族的氬,本身已是最穩定的電子組態,彼此間不再鍵結。 (F)戊為第三列 ⅦA 族金屬元素,藉由共價鍵結形成具有與氬相同電子組態的戊2。 例題46 ―92.學測補考― 下表所列的是鹼金屬元素的原子序、沸點與熔點。根據此表,回答下列問題。 金 屬 鋰 鈉 鉀 銣 銫 原子序 3 11 19 37 55 沸點(℃) 1342 882.9 759 688 671 熔點(℃) 180.54 97.72 63.38 39.31 28.44 (1)下列有關表中五種鹼金屬的敘述,何者正確? (A)原子序愈大的鹼金屬元素,熔點愈高 (B)加熱到 700 ℃,銣與銫元素都會變為氣體 (C)加熱到 200 ℃,這五種元素都會完全氣化 (D)加熱到 1000 ℃,只有鋰元素仍然是固體狀態。 (2)科學家尚未測量到鹼金屬中鍅(原子序:Fr=87)元素的沸點與熔點,但根據週期的規律性 ,下列有關元素的沸點與熔點的推論,何者最不可能? (A)元素的沸點稍高於 600 ℃ (B)元素的熔點可能低於 25 ℃ (C)室溫時的元素可能是液體 (D)室溫時的鍅元素可能是氣體。 答案:(1)(B);(2)(D) 解析:溫度高於沸點,則為氣態;溫度低於熔點,則為固態;介於兩者之間,則為液態。

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例題47 ―100.學測―

下圖為甲、乙、丙三種不同元素原子的電子排列示意圖。圖中「 」代表原子核,「 」代表核外電 子。

(1)下列何者最有可能是由甲、乙與丙三種元素所組成的穩定化合物? (A) Mg(OH)2 (B) MgOH (C) AlOH (D) Al(OH)2 (E) Al(OH)3。

答案:(E)

解析:甲為 H,乙為 O,丙為 Al,故甲、乙與丙三種元素所組成的穩定化合物為 Al(OH)3。

(2)甲與乙所組成的最穩定化合物,在常溫常壓時,具有下列何種性質? (A)良導電性 (B)酸性 (C)鹼性 (D)可溶於汽油 (E)可溶於酒精。 答案:(E) 解析:甲與乙兩種元素所組成的穩定化合物為 H2O,呈中性,可與酒精任意比例互溶。 (3)僅由丙元素組成的純物質與鹽酸或氫氧化鈉溶液(濃度約 3 M)反應後,可以分離出的產物 為下列何者? (A)氫氣 (B)氧氣 (C)氫氧根離子 (D)一價的丙離子 (E)二價的丙離子。 答案:(A) 解析: Al 為兩性元素,遇強酸、強鹼反應皆生成氫氣: 2Al+6HCl → 2AlCl3+3H2 2Al+2NaOH+6H2O → 3H2+2NaAl(OH)4 例題48 ―推甄― 假定以小寫的英文字母不依字母順序,分別代表部分週期表中的二十六個元素,例如:s、o、f、t 分別代表氫、鋰、鈉、鉀;l、a、z、y 分別代表氦、氖、氬、氪,如下表。試根據下面的提示,回 答下列問題: 提示 1 :元素 c、e、f、g、k、m、x、z 屬於同一週期。 提示 2 :元素 d、i、n、p、r、t、w、y 屬於同一週期。 提示 3 :元素 a、j、l、m、q、s、u、y、z 的中文名字均含「气」。 提示 4 :元素 b、d、e、h、n、k、x 的中文名字均含「石」。 提示 5 :含元素 b 的一族,在上表中有兩個金屬元素,其右邊的一族含元素 e、h、i。 提示 6 :地殼中存量最豐的幾種元素含量多寡的順序是:u>e>g 提示 7 :元素 c、v、w 屬於全是金屬的一族。 提示 8 :u、x 與 s 形成的化合物分別是 s2u 及 xs3。 提示 9 :可以有最大氧化數的一族元素含 m、p、q。

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提示 10:常溫下液體的元素是 p。 提示 11:元素 c、f、o、t、w 的氧化物,其水溶液均呈強鹼性。 提示 12:元素 b、e、i、n 是類金屬。 (1)矽【 】。 (2)氮【 】。 (3)鎵【 】。 (4)溴【 】。 (5)硫【 】。 (6)鈉【 】。 答案:(1) e;(2) j;(3) r;(4) p;(5) k;(6) f 解析:本題為週期表綜合性題目,必須了解週期性、同族關係、元素特性、化合物性質,因題目長 ,需要分析推理,最好留到最後有時間再答。 提示 1 → 有 f、z 為第 3 週期,所以 c、e、f、g、k、m、x、z 屬於第 3 週期。f(鈉)、z( 氬),其餘為鎂、鋁、矽、磷、硫、氯。

提示 2 → 有 t、y 為第 4 週期,所以 d、i、n、p、r、t、w、y 屬於第 4 週期。t(鉀)、y( 氪),其餘為鈣、鎵、鍺、砷、硒、溴。 提示 3 → 元素 a、j、1、m、q、s、u、y、z 的中文名字均含「气」,表必屬於氫(s)、氮、 氧、氟、氯、氦(l)、氖(a)、氬(z)、氪(y)其中之一,又畫掉 s、1、a、z 、y,剩下 j、m、q、u,因 m 為第 3 週期,故為氯。 提示 4 → 元素 b、d、e、h、n、k、x 的中文名字均含「石」,表必屬於硼、碳、矽、磷、硫 、砷、硒其中之一,e、k、x 可能為矽、磷、硫,d、n 可能為砷、硒,故剩下 b 、h 可能為硼、碳。 提示 5 → 確定 b 為硼,h 為碳,e 為矽,i 為鍺。 提示 6 → 地殼含量:O>Si>Al,故 u 為氧,g 為鋁。 提示 7 → 確定 c 為鎂,v 為鈹,w 為鈣。 提示 8 → 已知 u 為氧,s 為氫,x 為磷或硫,因化合物 xs3,確定 x 為磷,k 為硫。 提示 9 → 最大氧化數+7 為鹵素,已知 m 為氯,p 為第 4 週期,確定 q 為氟,p 為溴。 提示 10 → 再確定 p 為溴(多餘的提示)。 提示 11 → 水溶液呈強鹼性,故 Li、Na、K、Mg、Ca 均已確定。 提示 12 → 類金屬為硼、矽、鍺、砷,確定 n 為砷,剩下 d 為硒,j 為氮(因為是氣體),r 為 鎵(因為在第 4 週期)。

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例題49 ―日大― 下列四種元素中,何者之化學性質與其它三種有顯著之差異? (A) Cu (B) Co (C) As (D) Ni。 答案:(C) 解析:(A)(B)(D) Cu、Co、Ni 均為過渡金屬,(C)只有 As 是典型的非金屬元素,所以化學性質與其 它三種有顯著之差異。 例題50 ―日大― 氯有兩種同位素,其質量數為 35 和 37,而氯的原子量為 35.5,試問下列何者不為氯分子的質譜線 ?(A) 70 (B) 71 (C) 72 (D) 74。 答案:(B) 解析:氯分子(Cl2)的可能組合:35Cl-35Cl、35Cl-37C1、37Cl-35Cl、37Cl-37Cl,質譜線可能有 35 +35=70、35+37=72、37+37=74 三種。 例題51 ―推甄― 下列有關陰極射線與 X 射線的敘述,何者正確? (A)兩者的行進均可產生電流 (B)兩者均可受靜電場的影響而偏向 (C)兩者均為電磁波 (D)陰極射線為帶電粒子,X 射線為電磁波 (E)陰極射線為電中性的粒子,X 射線為帶電的粒子。 答案:(D) 解析:(A)(C)(E)陰極射線為電子流,帶負電,行進時可產生電流;X 射線為電磁波,不帶電,行進 時不產生電流。 (B)陰極射線帶負電會偏向正極。 例題52 ―93.指考― 下列氧化物中,何者溶於水即成為酸性溶液? (A) CaO (B) MgO (C) N2O5 (D) P4O10 (E) ZnO。

答案:(C)(D) 解析:(C)(D)為非金屬氧化物,溶於水通常呈酸性。 例題53 ―90.日大― 下列與原子核有關的敘述,何者正確? (A)核反應遵守質量守恆定律 (B)若一個質量數為 A,原子序為 Z 的原子,其中子的數目為 Z-A (C)臺灣核三廠之核能發電與投到廣島之原子彈皆為核分裂的實例 (D)不同質量數,但在中性時具有相同電子數的原子,稱為同位素 (E)原子核的放射性不受溫度及壓力的影響而改變。 答案:(C)(D)(E) 解析:(A)遵守質能守恆定律 E=mc2 (B)中子數為 A-Z

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例題54 ―日大― 下列各離子半徑比較,何者不正確? (A) Sn2+>Sn4+ (B) Na+>Mg2+ (C) O2->F- (D) Ca2+>S2- (E) Na+>F-。 答案:(D)(E) 解析:原子或離子半徑大小與電子組態有關,主量子數 n 愈大,半徑愈大,同週期則隨質子數的增 加而變小。 例題55 ―夜大――――――――――――――――――――――――――――――― 下列各組物質中,何組的各物質電子組態完全相同?

(A) O2-、F-、Ne、Mg2+ (B) F-、Na、Mg2+、A13+

(C) Cl-、O2-、Na+、Mg2+ (D) Cl-、Ar、K+、Ca2+ (E) P3+、S2-、Cl-、Ar。 答案:(A)(D) 解析:(A) O2- 、F- 、Ne、Mg2+ 均有 10 個電子,電子組態和 Ne 相同。 (B) F-、Mg2+、A13+ 均有 10 個電子,電子組態和 Ne 相同;Na 有 11 個電子。 (C) O2-、Na+、Mg2+ 均有 10 個電子,電子組態和 Ne 相同;Cl- 有 18 個電子。 (D) Cl-、Ar、K+、Ca2+ 均有 18 個電子,電子組態和 Ar 相同。 (E) S2-、Cl-、Ar 均有 18 個電子,電子組態和 Ar 相同;P3+ 有 12 個電子 例題56 ―夜大― 下列有關原子及原子核之實驗或理論,何者錯誤? (A)拉塞褔以中子做散射實驗確定核原子模型 (B)湯川秀樹提出介子理論解釋核作用力 (C)查兌克用  射線撞擊鈹原子,獲得中子 (D)莫斯利測量各元素原子激發後所放射之 X 射線光譜,確立原子序觀念。 答案:(A) 解析:(A)拉塞褔以  粒子散射實驗確定核原子的模型。 例題57 ―日大――――――――――――――――――――――――――――――― 下列有關電子的敘述,何者正確? (A)在湯姆森實驗中,可證明電子具波動性 (B)傳統電視影像是由電子槍射出電子束,掃描到螢光幕而形成 (C) 22688Ra衰變為22286Rn所放出的射線為電子 (D)電子的 m e 值為 1.6 × 10-19 庫侖∕克。 答案:(B) 解析:(A)湯姆森的陰極射線實驗僅推論電子為基本粒子,具有粒子性,並測出其 𝑒 𝑚 值=1.76 × 10 8 庫侖∕克 (C) 22688𝑅𝑎 𝑅𝑛 86 222 + 𝐻𝑒 2 4 ,故放出 粒子(氦原子核) (D)電子的 𝑒 𝑚值為 1.76 × 10 8 庫侖∕克,帶電量為-1.6 × 10-19 庫侖。

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例題58 ―95.指考― 有 10 種未知物質,分別用代號甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸來表示。已知下列事項: (一)甲、乙、丙、丁、戊均為元素物質(只由一種元素所組成的物質),而且其元素均為週期表 上第 1 至第 3 週期的非金屬元素,而癸、己、庚、辛、壬均係由上述 5 種元素所構成的兩元 素化合物。 (二)在常溫、常壓下,甲與乙為固體;癸為液體,其餘均為氣體。 (三)癸是日常生活中不可或缺,而且用量最大的化合物。 (四)甲的原子序小於乙的原子序,而其比為 3:8。 (五)構成庚的兩種原子的質子數比為 3:4,而庚為無色、無味的有毒氣體,常見於關閉門窗使用 瓦斯爐所發生的中毒事件。 (六)構成辛的兩種元素的質量比約為 7:16,而辛為有色、具刺激性的有毒氣體。 (七)氣體庚與壬具有共同的元素戊。 (八)乙在空氣中燃燒可得壬。 (九)丙是癸的成分元素之一,在適當的催化劑與溫壓下,丙與丁反應可得到己。在工業上,己可 用於製造化學肥料。 *(十)丁+戊 → X +戊  辛 【註:(十)為反應式,表示丁在適當的條件,會與戊反應產生 X,再與戊反應即得化合物辛。】 根據上述事項,推估各未知物甲~癸後,回答下列問題。 (1)用元素符號寫出下列代號所代表物質的化學式:(包括常溫、常壓時的狀態) (A)甲;(B)庚;(C)癸。 (2)用元素符號寫出下列反應的化學反應式(各物質的狀態不需表示,但係數必須平衡) (A)乙+戊→壬 (B)丙+丁→己 (C) X+戊→辛

答案:(1)(A)甲為 C(s);(B)庚為 CO(g);(C)癸為 H2O();(2)(A)乙+戊 → 壬:S+O2→ SO2;(B)丙

+丁 → 己:3H2+N2→ 2NH3;(C) X+戊 → 辛:2NO+O2→ 2NO2 解析:(一)甲、乙、丙、丁、戊均為週期表上第 1 ~第 3 週期的非金屬元素,但氦、氖和氬不形成 化合物,所以可能為氫、硼、碳、氮、氧、氟、矽、磷、硫、氯。 (二)甲、乙為固體,所以可能為硼、碳、矽、磷、硫;丙、丁、戊為氣體,所以可能為氫、 氮、氧、氟、氯;癸為液體,己、庚、辛、壬為氣體。 (三)由題目(三)知,癸可能為水。 (四)甲、乙可能為硼、碳、矽、磷、硫,原子序分別為 5、6、14、15、16,又原子序 3:8 ,可能為碳與硫。 (五)庚:關閉門窗使用瓦斯爐所發生的中毒事件,可能為 CO,又剛好質子數比(即原子序 )=6:8=3:4。 (六)辛:有色,具刺激性的有毒氣體,可能為紅棕色 NO2,又剛好質量 N:O=14:32=7: 16 (七)(八)壬:乙(S)在空氣中燃燒可得 SO2(壬),CO(庚)跟 SO2(壬)共同元素戊為氧 。 (九)丙:癸為水,所以丙可能為氫;丁:可能為氮,3H2+N2→ 2NH3。

數據

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參考文獻

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