高中基礎化學(一)全第二章(重點摘要)

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絢爛奪目的

高空煙火秀

每逢節日慶典常會施放煙火，五 彩繽紛的色光令人目不暇給，帶給人 們無數歡樂與夢想 。事實上，煙火可 是 一 系 列 高 溫 與 複 雜 化 學 反 應 的 現 其中的藥球爆炸、燃燒而放出不同色 光，造成各種煙火效果（圖2-24 ）。 每個藥球內主要裝有燃燒劑、氧 化劑、發光劑及發色劑。燃燒劑的成 分是燃料，主要作用是在點燃煙火時 放出大量的熱，將發光劑與發色劑引 燃使其發光。煙火在急遽燃燒時，因 短時間內需要大量的氧氣，空氣中的

象。 高空煙火包含兩組黑火藥，第一 組黑火藥負責將煙火推上夜空，第二 組黑火藥等煙火到達高空後才引燃， 使藏於 氧氣不敷所需，故須有氧化劑提供大 量的氧氣助燃，最常用的氧化劑是過 氯酸鉀 (KClO4) 及氯酸鉀 (KClO3) 。 發 光 劑 是 鋁 粉 或 鎂 粉，這些金屬粉末劇烈燃燒時產生令 人眩目的白色閃光 。發色劑則為金屬 鹽類，煙火的五光十色就來自於金屬 化合物在高溫下所產生的色光 。如鋇 鹽產生綠色光 、鈉鹽產生黃色光 、銅 就從較高能階回到較低能階，原子則 回復到穩定的基態，若輻射波長在可 見光的範圍，就形成煙火五顏六色的 絢麗色彩。 至於煙火炸開時形成的各種圖案 圖 2-25　各種金屬鹽之焰色 圖 2-26　煙火彈殼中藥球的排列方式，決定煙火在 夜空綻放的圖案

鹽產生藍色光 、鍶鹽產生紅色光 、鈣 鹽產生橘色光 、鐵鹽產生金黃色光等 （圖2-25 ）。燃料與氧化劑反應所產 生的能量，激發金屬原子核外的電子 從低能階躍遷到高能階，此時原子並 不安定，因此將多出的能量以輻射的 形式釋放出來，電子 是如何辦到的呢？只要調整藥球在煙 火彈殼中的排列方式，就可讓每顆藥 球皆朝著指定方向射出，在漆黑的夜 空 中 顯 現 預 先 設 定 的 花 樣 （ 圖 2-26）。如此，煙火引爆後就能在夜空 中 綻 放 出 令 人 歎 為 觀 止 的 高 空 煙 火 秀。

重點摘要 2-1 原子結構 1. 湯姆森 利用不同氣體及不同陰極材料在真空放電管中產生陰極射線的實驗發 現電子，並求出其荷質比(q m ) 為 1.759×10 11_{庫侖／公斤。} 2. 密立坎進行油滴實驗，測得並歸納出電子的電量為 1.602×10－ 19_{庫侖。由此} 數據配合湯姆森所求得電子的荷質比，推算出電子的質量為9.107×10－ 31_公 斤。 3. 拉塞福 根據 α 粒子撞擊金箔的實驗結果提出核原子模型：原子為一球體，其 中心有一帶正電的原子核，帶負電的電子則圍繞著原子核運動。 4. 拉塞福利用 α 粒子撞擊氮原子核的實驗發現質子。 5. 查兌克利用 α 粒子撞擊鈹原子核的實驗發現中子。 6. 原子核內所含的質子數稱為原子序，而質量數為原子核內的質子數與中子數 之和。 7. 原子序相同但質量數不同的原子互稱為同位素。同位素有相同的質子數、電 子數及相似的化學性質，但具有不同的質量數、中子數和物理性質。 2-2 原子中電子的排列 1. 電子在原子核外依能量不同而分布在不同的殼層，這些距離原子核不同遠近 的殼層代表不同的能階。 2. 原子核外的電子分布是以原子核為中心，依能階高低由內而外依序填入各殼 層，使原子達最穩定狀態。 3. 原子序在18以內之原子，其電子的排列情形大致遵循下列兩項原則： (1) K 、 L 及 M殼層最多可容納電子數分別為 2 、 8 及18個，但原子序小於 20的元素，在第三殼層最多只能填 8 個電子。

(2) 電子從最接近原子核且能量最低的殼層（ K 層， n ＝ 1 ）開始填起，再 依序填入離原子核較遠且能量較高的殼層。 4. 距原子核最遠或最外層填有電子的殼層稱為價殼層，而在價殼層上的電子稱 為價電子。 2-3 元素性質的規律性及元素週期表 1. 價電子數隨著原子序的增加呈現週期性循環的規律現象。 2. 同一週期主族元素隨著價電子數的增加由活潑金屬遞變為非金屬。 3. 同一週期之元素失去電子的傾向隨價電子數的增加而逐漸減弱，接受電子的 傾向則隨價電子數的增加而逐漸增強。 4. 門得列夫 認為元素的性質隨著原子量的增加呈現週期性變化，現代科學家則 修正為元素的性質隨著原子序的增加呈現週期性變化，故現今的週期表是依 原子序大小依序排列。 5. 週期表中橫列稱為週期或列，共有七個週期，縱行稱為族或行，共有 18 族。 6. 同一週期之元素的性質呈週期性變化，金屬性由左至右遞減，非金屬性則逐 漸增加。 7. 同族元素的價電子數相同（氦例外），具有類似的化學性質。 8. 金屬元素主要位於週期表的左側及中央部分，約占元素總數的四分之三，非 金屬元素位於週期表的右側，兩者的交界則為類金屬。 9. 週期表中的元素可分為三種類型：主族元素、過渡元素及鑭系元素與 錒系元素。

習題 基本題 2-1 原子結構 題號前“＊”代表複選題 1. 下列哪些實驗的結果整合後可決定電子的質量？ 甲：拉塞福的 α 粒子散射實驗　乙：湯姆森的陰極射線實驗 丙：查兌克以 α 粒子撞擊鈹原子核的實驗　丁：密立坎的油滴實驗 (A) 甲、乙、丙、丁　 (B) 甲、乙、丙　 (C) 乙、丁　 (D) 丙、丁　 (E) 乙、 丙、丁。 ＊2. 各科學家所完成之關於原子結構發展的實驗，下列敘述何者正確？　 (A) 湯 姆森 完成陰極射線實驗──發現電子　 (B) 拉塞福 完成 α 粒子散射實驗 ─ 發現原子核　 (C) 門得列夫完成 α 粒子撞擊鈹原子核的實驗─發現中子 (D) 查兌克 完成 α 粒子撞擊氮原子核的實驗 ─發現質子　 (E) 密立坎 完成 油滴實驗─測得電子的基本電荷量。 ＊3. 下列關於原子結構的敘述，何者正確？　 (A) 原子的質量均勻分布於整個原 子中　 (B) 原子的質量大部分集中在原子核　 (C) 電子和質子的數目一定相 等　 (D) 質子和中子的數目一定相等　 (E) 原子不一定具有中子，但一定含 有質子及電子。 4. 60_{Co （原子序為 27）可作為放射性治療用，下列關於} 60_{Co 之原子結構，何者} 正確？　 (A)60_{Co 有27個電子　 (B)}60_{Co有60個中子　 (C)}60_Co3 ＋_{有 30個中子} (D)60_Co3 ＋_{有 33個電子　 (E)}60_Co3 ＋_{有 24個質子。} 5. 西元 1999年，俄羅斯 科學家利用高能量的鈣原子撞擊鈽原子得到 289 114 Uuq ， 下列有關此元素的敘述，何者正確？ 　(A)Uuq的原子序為 175 　(B)Uuq的電 子數目為 175 　(C)Uuq的原子核中有 423 個中子　 (D)Uuq的原子核中有 114 個質子　(E)Uuq的質量數為 423 。

＊6. 碳元素有12 6 C 、136 C 、146 C 三種同位素，下列各選項中何者於這三種原子都 相 同 ？ 　 (A) 在 自 然 界 中 所 占 的 含 量 百 分 比 　 (B) 質 子 數 　 (C) 中 子 數 (D) 電子數　 (E) 質量數。 2-2 原子中電子的排列 ＊7. 在教學上有時會用下列圖示來表示原子結構，各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 下列何者代表離子？ (A) 　　　　　 (B) 　　　　　 (C) 　　　　　 (D) 　　　　　 (E) 2-3 元素性質的規律性及元素週期表 ＊8. 下 列 何 組 元 素 具 有 相 似 的 化 學 性 質 ？ 　 (A)1X ，3Y 　 (B)9X ， 17Y (C)4X ， 12Y 　 (D)5X ， 15Y 　 (E)2X ， 18Y 。 [9～10為題組 ] 下表為鹼金屬元素之原子序、沸點與熔點： 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 9. 關於表中五種鹼金屬的敘述，下列何者正確？　 (A) 原子序愈大的鹼金屬元 素熔點愈高　 (B) 加熱到 700℃ ，銣元素與銫元素都會變為氣體　 (C) 加熱 到 200℃ ，這五種元素都會完全汽化　 (D) 加熱到 1000℃，只有鋰元素仍然 是固體狀態　 (E) 原子序愈大的鹼金屬元素沸點愈高。

10. 科學家尚未測量到鹼金族中 鍅（Fr，原子序為 87）元素的沸點與熔點 ， 但根據週期表的元素性質規律，下列關於 鍅元素之沸點與熔點的推論，何者 最 不 可 能 ？ 　 (A) 鍅 元 素 的 沸 點 稍 高 於 600℃ 　 (B) 鍅 元 素 的 熔 點 低於 25℃ 　 (C) 室溫時 鍅元素為液體　 (D) 室溫時 鍅元素為氣體　 (E) 室溫時 鍅元素為固體。 [11 ～13　為題組 ] 下圖為現行之週期表的一部分，表中標示甲～庚七個元素 ， 根據週期表的元素性質規律與變化趨勢，回答下列問題： 11. 下列關於甲～庚七個元素的敘述，何者錯誤？　 (A) 其中有兩個金屬 元素，四個非金屬元素　 (B) 庚是惰性氣體　 (C) 丙元素為 4A 族　 (D) 依 據IUPAC的分類，庚為第 8 族　 (E) 丙為類金屬。 12. 請依序指出甲～庚七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 負 一 價 的 陰 離 子 ？ 　 (A) 甲 、 戊 　 (B) 乙 、 戊 　 (C) 甲 、 己 (D) 甲、庚　 (E) 己、戊。 13. 丙、丁、戊、己四個元素之原子序的和為多少？　 (A)48 　 (B)34 (C)43 　 (D)38 　 (E)53 。 進階題

1. 某金屬的密度為 1.5 克／立方公分，原子半徑為 10－ 10_{公尺，原子核半徑為} 10－ 15 _{公 尺 ， 則 該 金 屬 的 原 子 核 密 度 大 約 為 何 ？ 　 (A)1.5 　 (B)1.5×10}1 (C)1.5×105_(D)1.5×1010_(E)1.5×1015_{克／立方公分。} ＊2. 甲、乙、丙、丁為原子或離子，其所含之質子、中子與電子的數目如下，由 表中的數據判斷下列敘述何者正確？ (A) 甲、乙為同位素　 (B) 乙、丙為 同位素　 (C) 甲、乙、丙為同位素　 (D) 丙為離子　 (E) 丙、丁為同位素。 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 ＊3. 若X2＋_{和 Y}－_{都含有 18個電子及 20個中子，則下列關於 X 、 Y 兩元素的敘述} 何者正確？　 (A)X 之質量數為 38　(B)35 17 Cl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　 (E)X、 Y 具有的電子數分} 別為20及17。 4. 下列各離子所帶之電荷數值與該離子填有電子的殼層數相等的為　 (A)Al3 ＋ (B)Mg2＋_(C)Be2 ＋_(D)Cl －_(E)Na ＋_。 ＊5. M2 ＋_{離子的電子排列為 2,8 ，則下列關於元素 M的敘述何者正確？　 (A)} 原子序為12　 (B)M 原子之價電子數為 2 　 (C) 具有導電性　 (D) 和氯（原 子序為17）屬於同一週期　 (E) 和碳（原子序為 6 ）屬於同一族。 6. 下表為某些元素的電子排列，試回答下列問題： 元素代號 A B C D E 電子排列 2,5 2,8,1 2,2 2,8,5 2,6

(1) 根據上表，哪些元素為同族元素？ (2) 根據上表，哪些元素為同週期元素，各屬於哪一週期？ (3) 各原子的價電子數為何？ ＊7. 根據現行之週期表預測尚未發現的超鈾元素，則下列關於週期表中第七列最 右 側 之 元 （ 原 子 序 118 ） 素的 敘述 ，何 者正 確？ 　 (A) 其性 質與 鈾相 似 (B) 其價電子數為 8 個　 (C) 應屬不具放射性的惰性氣體　 (D) 其中性原子 的電子數為 116 　 (E) 其帶有兩個正電荷的離子之質子數為 118 。 閱讀題 2008 年諾貝爾化學獎是由發現及改良綠色螢光蛋白 (GFP) 的三位科學家 獲得，他們分別是日本的下村脩、美國的馬丁．查菲與華裔的錢永健。綠色 螢光蛋白被喻為「生命科學研究的標準配備」，科學家在研究生物機轉、疾 病感染或癌症轉移時，只要植入螢光蛋白作為標記工具後，就可直接觀測到 轉變過程及相關機制。 1962 年，下村脩在維多利亞水母體內發現綠色螢光 蛋白，而查菲是在 1990 年代找到將綠色螢光蛋白植入大腸桿菌等載體的方 法，他的研究使後續的研究者皆可透過植入綠色螢光蛋白追蹤後續機轉。至 於錢永健則是透過基因工程改變綠色螢光蛋白的性質，使散發出黃、藍或其 他顏色。綠色螢光蛋白之所以會發出螢光，是因其具有會發螢光的胺基酸， 當紫外線或藍色光照到此一蛋白質時，它會吸收光線的能量而被激發，然後 再以放光的方式釋出能量，而輻射出綠色光。就如同煙火能展現五顏六色的 絢麗色彩，是因金屬鹽受熱成激發態的原子後，其高能階的電子躍遷至低能 階，以輻射的形式放出能階之能量差，若輻射的波長在可見光範圍，人們便 可看到不同顏色的色光。試回答下列各題： 1. 下列關於電子殼層的敘述，哪些是正確的？　 (A)n 值愈大的殼層，可容 納的電子數也愈多　 (B) 原子內電子所存在的不同殼層，其能階能量都相 同 (C)K殼層距離原子核最近，能量最低　 (D) 電子從能階最高的殼層開 始填起，再依序填入能階較低的殼層　 (E) 距原子核最近或最內層填有電

子的殼層稱為價殼層，在價殼層上的電子稱為價電子。

2. 氫原子中的電子會發生轉移而改變能量狀態。下列何種轉移會放出能量？ （n 為能階）　 (A) 由 n ＝ 1 至 n ＝ 2　(B) n＝ 2 至 n ＝ 4　 (C) 由