高中基礎化學(一)全第二章

26  20  Download (0)

全文

(1)

4 4

(2)
(3)
(4)
(5)

構成物質的基本單位為原子或分子,而分子又是 由原子所組成,那麼原子是否可再分割成更小的粒子 ? 原子的結構為何?不同種類的原子間有何差異性或是 規律性?本章將介紹原子的組成,並由原子內的電子 排列情形及價電子的觀念了解元素的化學 特性,進而 建立週期表的概念。 2-1 原子結構 在19世紀末至20世紀初葉,湯姆森、拉塞福及查 兌克先後發現電子、質子與中子,證實原子是由更小 的粒子所組成,將道耳頓提出「原子不能再分割」的 概念完全推翻,藉由這一連串的實驗勾勒出目前被普 遍接受的原子模型。 2-1.1電子的發現 19世紀中末期,物理學家進行了許多低壓氣體在 高電壓下導電的實驗,實驗裝置如圖 2-1 所示。在玻 璃管兩端置入金屬電極,連接一高壓直流電源,玻璃 管內含約10- 4 ~10- 2 毫米汞柱的氣體。當直流電 源調高至數千伏特時,可見到管內的氣體發出色光, 此時若把管內的殘餘氣體抽出,幾近真空,則氣體發 光的現象消失,但在陰極對面的管壁塗上螢光物質, 可觀察到管壁發出螢光,推測有一束看不見的射線從 陰極發出。進一步實驗發現: 湯姆森

Joseph John Thomson (1856 - 1940) 英國人 拉塞福 Ernest Rutherford (1871 - 1937) 紐西蘭人 查兌克 James Chadwick (1891-1974) 英國人 克魯克斯 William Crookes (1832-1919) 英國人 圖 2-1  陰極射線管的實驗裝置 在玻璃管兩端置入金屬電極, 連接一高壓直流電源,管內 含有極少量的氣體。 百寶箱 陰極射線管 陰 極 射 線 管 (cathode ray tube,CRT)是科學家克魯克斯 為研究氣體放電現象所設計的 真空放電管,又稱為克魯克斯 管,在玻璃管兩端有可產生高 電壓的電極,管內含有極少量 的氣體,近似真空。霓虹燈管、 日光燈管和電視機的映像管均 依類似原理製造。

(6)

(1) 置一障礙物於玻璃管中,在陰極對面的管壁會形 成 障礙 物影 像, 如同 光線 照射 產生 陰影 般 (圖 2-2 )。

(7)

2-3 )。 (3) 此射線在外加電場或磁場時會偏折,且由偏折方 向 顯示此射線帶有負電(圖 2-4 )。 這些實驗證明此射線為帶有負電荷的粒子流,因為射 線由陰極產生,故科學家將此未知射線稱為陰極 射線 (cathode ray) 。 1897年,湯姆森利用陰極射線在特定電場、磁場 作用下的偏折曲率半徑求得其電荷 (q) 與質量 (m) 的 比 值(以 q m 表示,簡稱荷質比),並發現無論放電管 中 氣體種類及陰極 材料為何,陰極射線的 荷質比皆為 圖 2-2 陰極射線遇障礙物,在 陰極對面的管壁形成障礙物陰 影。 圖 2-3 陰極射線的粒子流使小轉輪 轉動 圖 2-4  陰極射線在外加電場時的偏折情形

(8)

1.759×1011 庫侖 / 公斤。由此推知,陰極射線是由一 束具有質量且帶負電荷的粒子所組成,為所有原子的 基本組成粒子之一, 湯姆森 將其稱為「微粒」,即現 今所稱的電子 (electron) 。這個發現解決了陰極射線是 何種物質的爭論,同時打破 道耳頓 「原子不能分割」 的傳統概念,故湯姆森被稱為「能分離原子的人」。 湯姆森 從原子分離出帶負電的電子,且測得電子 的荷質比,但電子所帶的電量到底為何? 1909年,密 立坎 進行「油滴實驗」(圖 2-5 ),測得並歸納出油 滴上所帶電量均為 1.602×10- 19庫侖的正整數倍,推 論電子的電量應為油滴所帶電量的最大公因數,即 1.602×10- 19庫侖,亦即一個基本電荷。由此數據配 合湯姆森 求得之電子荷質比,可推算出電子的質量為 9.107×10- 31公斤。 m = q q m = 19 11 1.602 10 1.759 10   - 庫侖 庫侖/ 公斤 =9.107×10- 31公 斤 密立坎

Robert Andrew Millikan (1868- 1953) 美國人 想一想 假如在密立坎的油滴實驗中各 油 滴 的 帶 電 量 分 別 為 3.2× 10-19、6.4×10-19、9.6×10-19 1.12×10-18庫侖,分析以上數據, 一個電子的可能帶電量為多少? 百寶箱 密立坎之「油滴實驗」 油滴 實驗 裝置 (圖 2-5) 之實驗方法如下: 用噴霧器噴出細小油滴, 這些小油滴通過電極板的小孔 落下時,吸附由 X 射線照射氣 體而游離出的電子,使小油滴

(9)

圖 2-5  密立坎的油滴實驗裝置圖 2-1.2拉塞福原子模型 湯姆森從陰極射線的實驗推論電子為原子內所含 之基本粒子,並提出「葡萄乾布丁」原子模型,認為 原子是一個密度均勻且帶正電的球體,而帶負電的電 子則隨意嵌入該球體中(圖 2-6 )。但湯姆森的原子 模型經得起考驗嗎? 1911年,湯姆森的學生拉塞福利用由鐳放射出的 α 粒子進行撞擊金箔的實驗(圖 2-7 ),拉塞福推測 若湯姆森的原子模型是正確的, α 粒子應會沿著原入 射方向穿過金箔,只會稍微的偏離路徑,不會出現大 角度的偏折。但結果卻與拉塞福期待的不同,雖然大 多數的 α 粒子直接穿過金箔,但少數的 α 粒子卻發生 偏折,且其中極少數的 α 粒子以很大的角度偏折,甚 至以接近180°的角度反彈折回。 圖 2-6  湯姆森的原子模型示意圖 百寶箱 α 粒子 α 粒 子 (alpha particle) 就 是 帶正電的氦原子核,即氦原子 去掉兩個電子,其質量約為電 子 質 量 的 7500 倍 , 表 示 為4 2 He2+ 圖 2-8  拉塞福的「核原子模型」示意 圖 圖 2-7 拉塞福的 α 粒子散射實驗 (a)拉塞福的 α 粒子散射實驗裝置。(b)根據湯姆森之原子模型推 測的 α 粒子散射實驗結果:α 粒子只有稍微偏離路徑。(c)拉塞福 依據 α 粒子散射實驗結果提出的原子模型:由於極少數 α 粒子 發生大角度偏折,推論原子絕大部分質量集中於帶正電荷的中 心。

(10)

拉塞福根據實驗的結果提出「核原子模型」: (1) 原子為一球體,其中心有一帶正電荷且體積很小 的 原子核,幾乎整個原子的質量集中於此, 核外的廣 大空間有質量很小且帶負電的電子圍 繞著原子核 運動(圖 2-8 )。 (2) 原子的直徑約為 10- 10公尺,而原子核的直徑僅 約10- 1510- 14公尺,兩者的直徑大小比例相 差約數萬倍(圖 2-9 )。 圖 2-8  拉塞福的「核原子模型」示意 圖 想一想 所謂「砂中見世界」,直徑為 0.1 毫米的細砂中約含有多少個 原子呢?

(11)

百寶箱 質子的發現 拉塞福利用 α 粒子撞擊氮 原子核而發現質子,其反應如 下: 4 2He+147N → 178O+11p (質子) 中子的發現 查兌克利用 α 粒子撞擊鈹 原子核而發現中子,其反應如 下: 4 2He+94Be → 126C+10n(中子) 圖 2-9  原子和原子核的直徑比例示意圖 若整座高雄世運主場館相當於原子的大小,則原子核大約 只是場館中心的一顆小鋼珠而已。 2-1.3原子核的組成與原子序 拉塞福發現原子核 後,科學家接著要探究 的 就 是 原 子 核 的 組 成 。 1919 年,拉塞福由 α 粒子撞擊氮原子核的實 驗中發現原子核可分解 成更小的粒子,即帶正 電荷的質子 (proton) , 其帶電量與電子的帶電 量相等,質量則約為電 子的1837倍。

(12)

科學家發現除了 1 1 H 之外,其他原子的質量都較 所含之質子與電子的總質量大,故科學家推論原子核 中必有另一中性粒子存在。 1932年,查兌克 利用 α 粒 子撞擊鈹原子核的實驗發現一種不帶電且質量略大於 質子的粒子─中子 (neutron) 。隨著質子與中子的發現 , 原子的基本結構可歸納如圖2-10 : 圖 2-10   原 子 中 三 種 基 本 粒 子 的 性 質 ( 以 碳原子為例) 原子由內含質子及 中子的原子核與電子所 組成,不同元素的原子 其原子核內的質子數不 同 , 以 原 子 序(atomic number) 代表質子數, 每一種元素都有一個特 定 的 原 子 序 。 質 量 數 (mass number) 為質子數 與中子數的總和,其值 接近原子量,是最接近原子量的整數。例如:一個元 素符號為 X 的原子,若其原子序為 Z ,質量數為 A , 則此原子可標示為A Z X ,且可知

(13)

想一想 幾乎所有的原子都是由質子、中 子及電子所組成,只有一種原 子例外,唯一沒有中子的原子 是哪一種元素? Z =原子序=質子數=中性原子核外的電子數 A =質量數=質子數+中子數 A - Z =中子數 若X 原子得到或失去一個電子時,則分別成為帶有電 荷的X-離子或 X離子。

(14)

原子序相同而質量數不同的原子互稱為同位素。 一般而言,質子數決定元素的種類及化學性質,中子 數則決定同位素的種類並影響其物理性質,故同位素 有相同的質子數、電子數及相似的化學性質,但具有 不同的質量數和中子數,且物理性質也有些差別。以 氫為例,氫有三種同位素:1 1 H 、12 H 及13 H (圖 2-11)。大部分元素都由一種以上的同位素組成,且絕 大部分元素中,某種同位素在自然界的含量遠遠高於 其他同位素。每種元素的同位素在自然界中的含量差 異也不盡相同,例如 79Br 及 81Br 的含量比約為 1 : 1 ,而2H的含量卻僅為1H的六千七百分之一而已。表 2-1 列出一些元素的同位素及其在自然界中的含量。

(15)

圖 2-11  氫的同位素示意圖

同位素具相同元素符號,在週期表中位於同一位置。

(16)
(17)

元素 氫 碳 氧 同位素 1 1H 12H 13H 126C 136C 146C 168O 178O 188O 名稱 氫-1 氫-2 氫-3 碳-12 碳-13 碳-14 氧-16 氧-17 氧-18 質子數 1 1 1 6 6 6 8 8 8 電子數 1 1 1 6 6 6 8 8 8 中子數 0 1 2 6 7 8 8 9 10 Com b i n(%) 99.985 0.015 極微量 98.930 1.070 極微量 99.762 0.038 0.200 T 分別代表11H 、12H 、13H ,而中文名稱則依序為氕、氘

(18)

及氚。 例題 2-1 在地殼變動的過程中常引發儲氣層氣體逸竄至地表的 現象,而使該區域大氣中特定元素的同位素含量比值 在地震發生前後有明顯的差異,所以同位素含量比值 的分析也被應用於監測地震活動的工作上。由於氦同 位素(3 2 He 、42 He) 的含量比值變動性大,所以較其 他元素更廣泛被使用,下列敘述何者正確? (A)4 2 He 原子核內含有 4 個質子  (B)3 2 He 原子核內含有 3 個中子  (C)3 2 He 和42 He 原子核外均有 2 個電子 (D)3 2 He2 +所 含 的 質 子 數 比42 He2 +少 一 個   (E)32 He2 +4 2 He2 +所含的電子數相同。 解 (C)(E) 3 2 He 與42 He 的質量數分別為 3 與 4 ,原子序均為 2 。

(19)

質子數 電子數 中子數 3 2 He 2 2 1 4 2 He 2 2 2 3 2 He2 + 2 0 1 4 2 He2 + 2 0 2 練習 2-1 天然的鈾元素有238 92 U 、23592 U 及23492 U 三種同位素, 其含量依次為 99.275% 、0.720%及0.005%,則個別所 含之質子數、電子數及中子數為何? 例題 2-2 甲、乙、丙、丁四種原子所含的質子數、電子數與中 子數分別如下,試問哪兩者為同位素?  (A) 甲、乙 (B) 甲、丙  (C) 乙、丙  (D) 丙、丁  (E) 乙、丁。 元素 甲 乙 丙 丁

(20)

1 7

(21)

質子數 17 電子數 17 17 18 19 中子數 18 20 18 20 解 原子序(或質子數)相同但質量數(或中子數) 不 同的原子稱為同位素, (A) 甲、乙的質子數均為 17,兩者互為同位素。 練習 2-2 比 較1 1 H 與12 H 兩種同位素,下列 敘述何者正確 ? (A) 兩者的電子數相同  (B) 兩者有相同的物理性質 (C) 兩 者 的 質 子 數 相 同   (D) 兩 者 的 質 量 數 相 同 (E) 兩者的中子數相同。 2-2 原子中電子的排列 電子如何分布於原子核外的殼層中?是否具有規律性 呢?科學家發現核外的電子並非任意分布,而是以原 子核為中心依能階高低依序填入各殼層;當低能階的 殼層填滿後,其餘電子再填入次低能階的殼層中,以 此類推,使原子達最穩定狀態。 2-2.1能階的概念 科學家由一連串的原子光譜實驗證實電子在原子核外 依能量大小不同分布在不同的殼層 (shell) ,所分布的 殼層由內而外依次稱為 K 、 L 、 M、 N…… 等,亦 可用正整數 n 值表示為 1 、 2 、 3 、 4…… (圖 2-12)。電子處於愈靠近原子核的殼層能量愈低、愈安 圖 2-13  能階及電子躍遷的示意圖 電子躍遷的能階變化類似棒 球沿著階梯升降,可停在任 意階梯上,但不能停在階梯 之間。 圖 2-14 發出紅色光的氖燈可用於霓 虹燈 百寶箱 殼層名稱的由來 原子的電子分層現象,是 由莫斯利(Henry G. J. Moseley (1887-1915),英國 人)和巴 克 拉 ( Charles Glover Barkla(1877-1944) , 英 國 人 ) 於 X 射線 吸收的實驗中發現的。 巴克拉最初將殼層由內而外命 名為 A、B、C、D……,但後來 巴克拉想預留空位給未發現的 殼層,所以就改為由 K 開始命 名。 圖 2-12 電子殼層示意圖

(22)

定;相反的,電子處於離原子核愈遠的殼層能量愈高 、 愈不安定。每一殼層皆有其特定的能量,稱為能階 (energy level) 。電子從低能階躍遷至高能階時須吸收 能量;而電子從較高能階躍遷至較低能階時則以輻射 的形式放出能量(圖2-13 )。若輻射的波長在大約 400 ~ 700 奈米的範圍則為可見光,如氖燈就是氖原 子中的電子先吸收能量躍遷至高能階,然後電子從高 能 階 躍 遷 至 低 能 階 時 輻 射 出 紅 色 光 的 例 子 ( 圖 2-14)。 2-2.2原子序 1 ~18元素之原子的電子排列 原子序在18以內的元素,其電子可以簡單依據殼層能 階的規則來排列,但由於電子與原子核之間及電子與

(23)

以上之元素,其電子的排列略有一些變化。無論如何, 原子核外的電子排列情形大致遵循下列兩項原則: (1) 每一殼層可容納的電子個數不一,愈外層的殼層 可 容納的電子數愈多, 例如K 層、 L 層及 M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能階最低的殼層( K 層, n =1 ) 開始填起,待填滿後,再依序填入離原 子核較遠且 能階較高的 殼層。 依上述規則,原子序 1 ~18之元素的電子排列如圖 2-15所示。 百寶箱 殼層最多可容納的電子數 每一殼層最多可容納的電 子數與殼層大小,即 n 值有關, 其值為 2n2,如表 2-2。 表 2-2 殼層最多可容納電 子數 殼層 n 值 可容納電子數(2n2) K 1 2 L 2 8 M 3 18 N 4 32

(24)
(25)

圖2-15  原子序 1 ~18之元素的電子排列 2-2.3價殼層與價電子 距原子核最遠或最外層填有電子的殼層稱為價殼層 (valence shell) , 而 在 價 殼 層 上 的 電 子 稱 為 價 電 子 (valence electron)。由於價殼層的電子在化學反應中較 容易轉移,因此原子間的交互作用往往決定於價電子 的能量和數量,這是化學反應的基本原理之一。例如 磷 (P) 的電子排列為 2, 8, 5 ,表示價殼層上有 5 個電子,價電子數為 5 個。 例題 2-3 寫出元素11Na 及 16S 的電子排列及價電子個數。 解 11Na 的電子排列為2,8,1,表示價殼層上有 1 個電 子,所以其價電子數為1 個。 16S 的電子排列為2,8,6,表示價殼層上有 6 個電 子,所以其價電子數為6 個。 練習 2-3 下列元素的電子排列方式何者正確?  (A)13Al : 2,8,3 (B)18Ar : 2,8,2,6   (C)9F : 2,7   (D)14Si : 2,8,3 (E)2He : 2 。 2-3 元素性質的規律性及元素週期表 任意將一些元素混合在一起,也許會產生爆炸性的劇 烈反應,也許只是緩慢地進行變化,也許什麼事都沒 發生。是否可以預測哪些元素會發生反應,而哪些元 素不會發生反應呢?元素的化學性質與原子核外的電 子排列息息相關,尤其價殼層的能階及價電子的數目 是得知原子間能否反應或如何反應的重要線索。週期 百寶箱 電子排列的表示法 原子核外的電子排列有兩 種表示方式,一為數字表示法, 一為圖示法,以鈉原子(11Na)為 例說明: (1) 數字表示法 2 , 8 , 1 n=1  n=2  n=3 (2) 圖示法 或

(26)
(27)

了整個化學的基本架構,清楚地顯示元素的化學性質 呈規律性變化。只要知道元素在週期表中的位置,就 能透過週期表推測該元素的物理及化學性質,所以週 期表是學習及研究化學時最有利的工具之一。 2-3.1化學性質與價電子 圖2-16 為原子序 1 ~18之元素與其價電子數的關 係圖,從圖中很容易看出價電子數隨著原子序增加呈 現由低而高週期性循環的規律現象。這與元素的化學 性質有何關聯呢? (1) 隨價電子數由低而高,不論是從鋰到氟或是從鈉 到氯,都可以發現元素呈現從活潑金屬遞變到非 金屬的趨勢(表 2-3 )。 (2) 氦、氖及氬屬於鈍氣,均為化性極不活潑的單原 子氣體,其特殊穩定性與原子中的電子排列有密 切關係。氦原子的價殼層中有2 個電子,而氖原 子及氬原子的價殼層中均有8 個電子,這說明了 當價殼層填滿電子時,粒子的穩定性會增加,故 鈍氣以外的原子藉由得失電子而達到與鄰近之鈍 氣相同的電子排列時,便會變得穩定。 圖2-16  原子序 1 ~ 18之元素與其價電子數的關 百寶箱 金屬性 金屬的一般物理性質為表 面多顯現光澤、具延性與展性故 可拉成細線或敲打成薄片(圖 2-17 )、為電與熱之良導體。金 屬的化學性質為傾向失去電子 形成帶正電的陽離子,故失去 電子傾向愈強的元素其金屬性 愈強,相對的,非金屬性愈弱。 圖 2-17  金屬表面具光澤,並 具延性與展性,如圖中的鋁 箔及銅線。 非金屬性 非金屬元素的物理性質較 無規律性,多無金屬光澤、質地 較脆且不具性與延展性(圖 2-18 )、為電與熱的不良導體(但 石墨有導電性,鑽石為優良的 導熱體)。非金屬的化學性質為 傾向獲得電子形成帶負電的陰 離子,故獲得電子傾向愈強的 元素其非金屬性愈強。 圖 2-18  非金屬無金屬光澤, 如圖中的石墨及金剛石。

(28)

係圖 (3) 從鋰到氟或從鈉到氯,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。例如 鈉、鎂、鋁都很容 易失去電子,但 鈉元素只要失去唯一的價電子, 就可形成與氖相同的電子組態,所以鈉失去電子 的傾向較含有 2 個價電子的鎂大,而鎂失去電子 的傾向又較含有 3 個價電子的鋁大。反之,磷、 硫、氯則傾向得到電子,尤以氯的化性最為活潑。 (4) 價電子數相同的元素化學性質相似。例如鋰和鈉 皆 有1 個價電子,都很容易失去價電子形成 帶一個正 電荷的陽離子,兩者在自然界中均無 元素態存在, 而是以Li+ Na之離子存 於化合物中。鋰和鈉都 可與水化合產生氫氣及 氫氧化物,且鈉和水的反應 比鋰和水的反應 劇烈(圖2-19 );兩者的氧化物及 氫氧化物 溶於水後溶液皆呈鹼性。氟和氯的化性 非 常活潑,兩者皆有 7 個價電子,可接受 1 個電子 形成帶負電荷的陰離子 ,且氟的活性大於氯,氟 在暗 室中就可與氫氣化合產生氟化氫,氯 則在 照光或加 熱的條件下才能與氫氣化合產生氯化 圖 2-19 鋰和鈉分別與水反 應,生成氫氣和鹼性的氫氧 化物。 (a)鋰與水反應產生氫氣 2Li(s)+2 H2O(l) →H2(g)+2 LiOH(aq) (b)鈉比鋰反應更劇烈,鈉與 水反應時,常使氫氣在 空氣中燃燒。 2Na(s)+2 H2O(l) →H2(g)+2 NaOH(aq) 表 2-3 元素由金屬遞變到非金屬的趨勢與價電子數的關係。

(29)

係。 氫擁有一個價電子,與鋰及鈉同樣位於週期表中 1A 族 的位置,但其化性卻與鋰、鈉大相逕庭,氫表現出的是 非金屬的化學性質,氫與非金屬反應形成分子物質, 而與金屬反應則形成鹽類,例如氫與氯反應形成氯化 氫(HCl),與鈉反應形成氫化鈉(NaH)。有關氫的非金屬 特性,其基本的理由是氫的半徑太小了,電子被原子 核緊緊束縛的緣故。 從上述幾個例子可以說明元素的化學性質雖各具 特性,卻又呈現規律性的變化趨勢,此與價電子的數 目有密切的關係。我們周遭的物質世界是由近百種元 素所構成,這些元素間也存在某種程度的規律性,科 學家嘗試將元素做有系統的分類及規律性排列,因而 發明了元素週期表。 2-3.2週期表的發展 18世紀前,人們僅知道碳、硫、金、銀、銅、鐵 、 錫、鉛、汞、砷、銻、鋅、鉍和磷等少數元素,但到 了 19 世紀初,更多新的元素陸續被發現。元素的物 理、化學性質逐漸被了解,科學家意識到元素性質間 存在著某些規律性。由於當時已發展出較精確測定原 子量的方法,因此科學家嘗試以原子量的大小順序將 想一想 根據元素之化學性質的相似性 將下列元素配對。 氬(Ar) 硫(S) 磷(P) 氖(Ne) 氮(N) 矽(Si) 氧(O) 碳(C) 門得列夫

Dmitri Ivanovich Mendeleyev (1834-1907) 俄國人

(30)

元 素 作 有 系 統 的 分 類 , 並 逐 步 建 立 週 期 表 (periodic table) ,其中成就最大的首推俄國化學家門得列夫。

(31)

1869年,門得列夫將當時已知的63種元素依原子 量遞增的順序排列成表,他堅持將化學性質相似的元 素排列於同一縱行,而沒有被當時錯誤的幾個原子量 所誤導,並於適當的位置留下空位等待新元素的發現。 他觀察到元素的性質隨著原子量呈現週期性的變化而 提出週期表(圖2-20 )。門得列夫根據所提出之週期 表的規律性及週期表的空位,預測尚未被發現的元素 及其性質。而他所預測的元素如鈧(Sc) 、鎵 (Ga) 、鍺 (Ge) 在十幾年內被一一發現,且這些元素的性質亦與 門得列夫的預測相當吻合。他也校正了幾個元素的原 子量,例如當時認為鈾的原子量為 120 ,門得列夫則 認為鈾的原子量應為 240 ;且銦的原子量並非當時的 公認值76,而是 113 。雖然門得列夫的週期表與現今 通行的週期表有點不同,但他闡明了元素性質具有週 期性的概念,因此門得列夫被公認為「週期表之父」。 913 年,科學家莫斯利利用高能量電子撞擊各種 不同的金屬,觀測由元素所放射出X 射線的特有頻率, 認為元素性質與原子序有更大的關聯性,故提出以原 子序代替原子量來排列週期表。 想一想 門得列夫並非當時唯一嘗試利 用原子量之大小順序編排週期 表的科學家,他的週期表也並 非完善無缺,為什麼後代的科 學家會公認門得列夫為「週期表 之父」? 想一想 圖 2-20 中,原子量 44、68 及 72 所留下的空位是後來陸續被發 現的哪些元素? 莫斯利 Henry G. J. Moseley (1887 - 1915)英國人

(32)

2-3.3現代週期表導覽 現代的週期表是依原子序大小來排列,如氫的原 子序為 1 ,因此排在第一位,而氦的原子序為 2 ,排 在第二位,依此類推。 週期表中每一橫列稱為週期 (period) 或列,現行 共有七個週期。第一週期只有氫和氦兩個元素,第二 和第三週期各有 8 個元素,第四和第五週期各有 18個 元素,第六週期則有 32個元素,第七週期中的元素尚 未全部被發現,所以稱為未完成週期。同列元素的性 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,如第三週期中鈉、鎂及鋁為金屬,矽為類 金屬,而磷、硫、氯及氬則為非金屬(圖2-21 )。 週期表中的縱行稱為族 (group 、 family) ,同族的 元素雖然物理性質不同,但具有類似的化學性質。每 族 的 名 稱 是 以 阿 拉 伯 數 字 加 上 A 或 B 表 示 , 1A 、 2A 及 3A ~ 8A 分別位於週期表兩側,稱為 主 族 元 素 (main group elements) , 又 稱 典 型 元 素

(representative elements) ; 1B 至 8B 為 過 渡 元 素 (transition elements),位於週期表中央部分;第六、七 週期中有部分元素移至週期表底部, 百寶箱 週期表中族的名稱 早期以羅馬數字加上 A 或 B 表示各族的名稱,例如Ⅰ A、 Ⅱ A、Ⅲ A……等,現在則逐漸 以 阿 拉 伯 數 字 取 代 , 例 如 1A、2A、3A……等。 元素的電子排列與其週期數及 族數的關係 週期數=被電子占用的殼 層數;A 族元素的族數=最外 層的電子數。如氯原子的電子排 列為 2,8,7,則其位於週期表的 第三週期,屬於 7A 族。

(33)
(34)

分 別 稱 為 鑭 系 元 素 (lanthanide series) 與 錒 系 元 素 (actinide series) 。 唯 目 前 IUPAC 建 議 捨 棄 舊 有 的 A 、 B 用法,重新定義,將週期表由左至右的 18縱行 依序命名為第1 族至第18族(圖 2-22 )。

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 (metalloids) ,又稱半金屬 (semimetals), 包 括 硼 (5B) 、 矽 (14Si)、 鍺 (32Ge) 、 砷

(33As) 、銻 (51Sb) 、碲 (52Te) 等元素,在週期表中呈 階梯狀的排列。金屬具光澤及延 性與展性,是電、熱 的良好導體,其導電性隨溫度升高而降低。非金屬則 不具光澤及延展性,除石墨外,絕大部分非金屬的導 電性極低。類金屬的導電性則介於金屬與非金屬之間 , 其導電性隨溫度升高而增加,是製造半導體的材料。 百寶箱 鑭系元素與錒系元素 第 六 週 期 從 鈰 (58Ce) ~ 鎦 (71Lu)的 14 個元素稱為類鑭元 素(lanthanoids),與鑭(57La)統稱 為 鑭 系 元 素 ; 第 七 週 期 從 釷 (90Th)~鐒(103Lr)的 14 個元素稱 為 類 錒 元 素 (actinoids) , 與 錒 (89Ac)統稱為錒系元素。 想一想 寫出原子序為 15 之元素的電子 排列,並由其電子排列判斷該 元素位於週期表中的第幾週期? 第幾族?該元素屬於金屬、類金 屬或非金屬?

(35)

2-3.4元素的分類 週期表中的元素一般可分為下列三種類型: (1) 主 族 元 素 : 週 期 表 中 的 1A ~ 8A 族 ( 第 1 、 2 、13、 14、15、16、17及18族)元素, 分布於週期表的 兩側,包括金屬、類金屬 及非金屬元素,具有廣大 範圍的化學性質與 物理性質。主族元素的價電子數 與所 屬族 數 相同(氦除外),其化性與價電子數有 密切關係。如最左邊的 1A 族(氫除外)是最活 潑 的金屬元素,稱為鹼金屬;而 2A 族的 金屬元素活 性 次 於 第 1 族 , 稱 為 鹼 土 金 屬 。 7A 族則是最活潑 的非金屬,為最具 代表性的非金屬,稱為鹵素。 8A 族 為 鈍 氣 (noble gas) ,又稱為惰性氣體,包括氦

(He) 、氖 (Ne) 、 氬 (Ar) 、氪 (Kr) 、 氙 (Xe) 、 氡 (Rn)

(36)

圖2-23  汽車上的過渡金屬、化合物與鑭系元素 六種元素。除了氦的價電子數為 2 ,其餘鈍 氣的價電子數均為 8 、在自然界中均以單原子的 形 式存在、皆為無色氣體、化學性質極不活 潑。氦、 氖的化合物迄今尚未製成。 (2) 過渡元素:週期表中的 1B ~ 8B 族(第 3 ~12 族) 元素,均為金屬元素,在常溫下除汞為液 體外,其 餘元素皆為固體,可和其他金屬元素 形成合金。化 合物常有顏色、化學性質多樣 化。圖2-23 為汽車上的過渡金屬、化合物與鑭系 元素。 (3) 鑭系元素與錒系元素:位於週期表底部,以兩系 列存在。此兩系列元素的化性分別與鑭及錒相似 ; 多數錒系元素為人工製備,具有放射性。 百寶箱 氟氬化氫 第 一 個 含 有 氬 的 化 合 物 ─氟氬化氫(HArF)是在 2000 年 8 月由芬蘭 赫爾辛基大學之 Markku Räsänen 領導的小組所 合成,此化合物非常不穩定, 在 40 K(-233℃)以上就會分解。

(37)

藉由週期表可了解或推論各元素性質的變化趨勢 , 以此預測尚未發現的「超鈾元素」,如第七列最右之 元素,推測其為放射性元素,性質與惰性氣體的氡相 似。週期表包含許多豐富的資訊,是學習及研究化學 時最重要、最有價值的工具之一。 例題 2-4 下圖為現行之週期表的一部分,表中已標示甲~癸十 個元素的代號,試以表中的代號及其所代表的正確元 素符號回答下列問題: (1) 常溫下易與水起劇烈反應產生無色氣體的金屬 元 素為何? (2) 門得列夫根據所提出之週期表的規律性及週期表 的空位,預測尚未發現之元素的存在及性質, 他所 預測的「類鋁」元素為何? (3) 第四週期的惰性氣體為何? (4) 何者屬於類金屬,為半導體的材料? 解 (1) 常溫下易與水起劇烈反應產生氫氣的元 百寶箱 已發現的元素 目前被發現的元素至少有 115 種,自然界存在的天然元 素 有 90 種 , 包 含 氫 (1H) ~ 鈾 (92U)(其中鎝(43Tc)及鉕(61Pm) 為人造元素)。原子序>92 者 為超鈾元素,皆為人造元素, 必須在實驗室由人工製備而成; 而原子序>83 的元素都具放射 性。

(38)

素為鹼 金屬及鹼土金屬中的鈣、鍶及鋇等, 故為甲(Na) 及丙 (K) 。

(39)

(2) 「 類 鋁」表示性質與鋁相似,又同族元素化性 相似,與鋁同族為戊,戊為 Ga 。 (3) 第四週期的惰性氣體為癸(Kr) 。 (4) 己 (Si) 。 練習 2-4 參考週期表,以元素符號回答下列問題: (1) 第四週期的鹵素為何? (2) 第五週期中最活潑的金屬為何? (3) 原子序為16的元素為何? 例題 2-5 下列關於週期表之敘述何者正確?  (A) 惰性氣體的 最外層電子數均為 8 個  (B) 第三週期共有 18個元素 (C) 週期表中每一橫列稱為週期,現行共有 7 個週期 (D) 同一週期的元素化性相似  (E) 最外層之電子數 為 1 的主族元素,除了 H 外均為活潑的金屬,稱為鹼 金屬。 解 (C)(E) (A) 氦的價電子數只有 2 個,其餘惰性氣體 的價電 子數均為 8 個。 (B) 第三週期共有8 個元素。 (D) 同族元素化性相似。 練習 2-5 下 列 有 關 週 期 表 及 元 素 性 質 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? (A) 現行之週期表是依元素的原子量大小順序從小到 大排列  (B) 元素可依導電性大致分為金屬、類金屬 及非金屬三大類  (C) 週期表左下方的元素是在水中 百寶箱 稀土元素

稀土元素(Rare Earth Element)又 稱稀土金屬,簡稱稀土(RE)。 「稀土」這個名詞是從 18 世紀沿 用下來的名稱,因為當時用來 提取這類元素的礦物比較稀少, 而且只能獲得外觀類似「泥土」 的稀土氧化物,故取名為「稀 土」。稀土包含元素週期表中第 3 族(3B 族)的鈧、釔和鑭系 的 15 個元素共 17 種元素。這些 元素雖然被稱作稀土,但實際 上它們在地殼中的含量相當高, 含量最高的鈰是地殼中含量第 25 豐富的元素,就連含量最低 的鎦也比金還要高出 200 倍。稀 土元素及化合物應用層面相當 廣泛,包括磁性材料、螢光、發 光材料、儲氫合金、稀土觸媒材 料、稀土功能陶瓷材料及冶金工 業等,因此稀土元素亦被稱為 「21 世紀黃金」。

(40)

呈酸性的非金屬  (D) 類金屬的化學性質介於金屬與 非金屬之間,所以列在週期表的中央,統稱為 B 族元 素  (E) 一般而言,元素在週期表中的位置愈左或愈 上方,其金屬性愈明顯。

數據

圖 2-5  密立坎的油滴實驗裝置圖 2-1.2拉塞福原子模型 湯姆森從陰極射線的實驗推論電子為原子內所含 之基本粒子,並提出「葡萄乾布丁」原子模型,認為 原子是一個密度均勻且帶正電的球體,而帶負電的電 子則隨意嵌入該球體中(圖 2-6 )。但湯姆森的原子 模型經得起考驗嗎? 1911年,湯姆森的學生拉塞福利用由鐳放射出的 α 粒子進行撞擊金箔的實驗(圖 2-7 ),拉塞福推測 若湯姆森的原子模型是正確的, α 粒子應會沿著原入 射方向穿過金箔,只會稍微的偏離路徑,不會出現大 角度的偏折。但結果卻與拉塞福期

圖 2-5

密立坎的油滴實驗裝置圖 2-1.2拉塞福原子模型 湯姆森從陰極射線的實驗推論電子為原子內所含 之基本粒子,並提出「葡萄乾布丁」原子模型,認為 原子是一個密度均勻且帶正電的球體,而帶負電的電 子則隨意嵌入該球體中(圖 2-6 )。但湯姆森的原子 模型經得起考驗嗎? 1911年,湯姆森的學生拉塞福利用由鐳放射出的 α 粒子進行撞擊金箔的實驗(圖 2-7 ),拉塞福推測 若湯姆森的原子模型是正確的, α 粒子應會沿著原入 射方向穿過金箔,只會稍微的偏離路徑,不會出現大 角度的偏折。但結果卻與拉塞福期 p.9
圖 2-15  原子序 1 ~18之元素的電子排列 2-2.3價殼層與價電子 距原子核最遠或最外層填有電子的殼層稱為價殼層 (valence shell) , 而 在 價 殼 層 上 的 電 子 稱 為 價 電 子 (valence electron)。由於價殼層的電子在化學反應中較 容易轉移,因此原子間的交互作用往往決定於價電子 的能量和數量,這是化學反應的基本原理之一。例如 磷 (P) 的電子排列為  2, 8, 5 ,表示價殼層上有  5 個電子,價電子數為  5  個。 例題 2-3 寫出元素 11

圖 2-15

原子序 1 ~18之元素的電子排列 2-2.3價殼層與價電子 距原子核最遠或最外層填有電子的殼層稱為價殼層 (valence shell) , 而 在 價 殼 層 上 的 電 子 稱 為 價 電 子 (valence electron)。由於價殼層的電子在化學反應中較 容易轉移,因此原子間的交互作用往往決定於價電子 的能量和數量,這是化學反應的基本原理之一。例如 磷 (P) 的電子排列為 2, 8, 5 ,表示價殼層上有 5 個電子,價電子數為 5 個。 例題 2-3 寫出元素 11 p.25
圖 2-21  第三週期的元素,充填於燈泡的氣體為氬。

圖 2-21

第三週期的元素,充填於燈泡的氣體為氬。 p.33
圖 2-23  汽車上的過渡金屬、化合物與鑭系元素 六種元素。除了氦的價電子數為 2 ,其餘鈍 氣的價電子數均為 8 、在自然界中均以單原子的 形 式存在、皆為無色氣體、化學性質極不活 潑。氦、 氖的化合物迄今尚未製成。 (2) 過渡元素:週期表中的 1B ~ 8B 族(第 3 ~12 族) 元素,均為金屬元素,在常溫下除汞為液 體外,其 餘元素皆為固體,可和其他金屬元素 形成合金。化 合物常有顏色、化學性質多樣 化。圖 2-23 為汽車上的過渡金屬、化合物與鑭系 元素。 (3) 鑭系元素與錒系元素:位於週

圖 2-23

汽車上的過渡金屬、化合物與鑭系元素 六種元素。除了氦的價電子數為 2 ,其餘鈍 氣的價電子數均為 8 、在自然界中均以單原子的 形 式存在、皆為無色氣體、化學性質極不活 潑。氦、 氖的化合物迄今尚未製成。 (2) 過渡元素:週期表中的 1B ~ 8B 族(第 3 ~12 族) 元素,均為金屬元素,在常溫下除汞為液 體外,其 餘元素皆為固體,可和其他金屬元素 形成合金。化 合物常有顏色、化學性質多樣 化。圖 2-23 為汽車上的過渡金屬、化合物與鑭系 元素。 (3) 鑭系元素與錒系元素:位於週 p.36