基礎化學(一) 課本教學ppt 第2章

(1)

(2)

第二章

原子構造與元素週期表

第二章

原子構造與元素週期表

(3)

1. 1. 原子結構

原子結構

2. 2. 原子中的電子排列

原子中的電子排列

3. 3. 元素週期表

元素週期表

4. 4. 元素性質的規律性

元素性質的規律性

(4)

2

2 _–1

_–1

原子結構

2

2 _–1

_–1

原子結構

1. 電子的發現

2. 原子模型

3. 原子核與原子序

(5)

電子的發現

1. 1879 年，克魯克斯（ William Crooks _{， 1832 ～ 1919 ，英國）} 發現塗有螢光劑的氣體放電管（ gas discharge tube ）中有著特殊的現象，在此氣體放電管兩端的電極施以約一萬伏特一萬伏特的高電壓的高電壓，同時以幫浦將管內的氣體抽到接近真空真空時，即可看到從放電管的陰極產生一束射線打在其對面管壁，進而發出螢光，此束射線稱為陰極射線（ cathode ray ）。 2. 陰極射線的軌跡為直線，也具有動能。

(6)

陰極射線在電場中及陰極射線在電場中及磁場中皆可產生偏轉磁場中皆可產生偏轉陰極射線為帶負電的粒子陰極射線為帶負電的粒子

「電子」

陰極射線經過電場時其軌跡偏向正極，表示陰極射線帶負電。白色端為磁鐵的S 極紅色端為磁鐵的N 極加入磁場後，陰極射線產生偏轉（安培右手定則），表示陰極射線為帶電粒子。

(7)

湯姆森

（（ Joseph John Thomson_{Joseph John Thomson}，， 1856₁₈₅₆ ～～ 1940₁₉₄₀ ，英，英國）

國）

湯姆森

（（ Joseph John Thomson_{Joseph John Thomson} ，， 1856₁₈₅₆～～ 1940₁₉₄₀ ，英，英國）

國）

改變陰極材質，發現陰極射線（電子）的荷質比均為相同數值

荷質比

荷質比 charge-mass ratio_{charge-mass ratio} _（_（ ee _／_／ mm ）：）：　　　　　　

　　　　　　 1.759 ×10_{1.759 ×10}1111 _{庫侖／公斤（}_{庫侖／公斤（} C_C ／／ k_k

g

(8)

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－－－

密立坎

（

（ Robert Andrews MillikanRobert Andrews Millikan _，_， 18681868 _～_～ 19531953美美國）

國）

密立坎

（

（ Robert Andrews MillikanRobert Andrews Millikan ，_， 18681868～_～ 19531953 美美國）國）油滴實驗：每一個電子所帶的電量為 1.602 × 10 － 19 _庫侖 e -重力重力庫倫作用力庫倫作用力密立坎油滴實驗裝置示意圖

(9)

例題

_2-1

例題

_2-1

• 下列有關電子的敍述，何者正確

下列有關電子的敍述，何者正確

A.

A. 從密立坎油滴實驗中，可證明電子與光線相

從密立坎油滴實驗中，可證明電子與光線相

似並具有波動性

B.

B. 陰極射線帶正電

陰極射線帶正電

C.

C. 在課本

在課本

45 ₄₅

頁圖

2-2

_2-2

中陰極射線射向陽極時，

其運動軌跡僅受重力影響而往下方偏移

D.

D. 在密立坎的油滴實驗中，油滴的電量是電子

在密立坎的油滴實驗中，油滴的電量是電子

電量的若干倍數

(10)

練習

₁

　計算電子的質量

_{計算電子的質量}

練習

₁

　計算電子的質量

_{計算電子的質量}

湯姆森，陰極射線湯姆森，陰極射線荷質比

荷質比 charge-mass ratio_{charge-mass ratio} _（_（ e/e/ m m _）_） 1.759 ×101.759 ×101111 庫侖／公斤_{庫侖／公斤} （（ C/kgC/kg ））密立坎，油滴實驗密立坎，油滴實驗每一個電子所帶的電量每一個電子所帶的電量為為 1.602 × 101.602 × 10 －－ 1919 庫侖_庫侖

公斤

庫倫

-31 11 19

10

9.109 /

10

759 .

1

10

602 .

1 /











m

e

m

電子的質量

依據湯姆森所測得電子荷質比及密立坎所測得的電子

電量估算

_{, 一個電子的質量為多少克 ?}

(11)

原子模型

原子是由帶負電的電子環繞帶正電的原子核所組成，原子核體積極小原子是由帶負電的電子環繞帶正電的原子核所組成，原子核體積極小。。湯姆森（西瓜模型）拉塞福（ α粒子散射實驗）

(12)

拉塞福的碳原子模型示意圖

• 核型的原子模型

核型的原子模型

－原子是由帶負電的電子

環繞帶正電的原子核所組成，原子核體積

極小

電子在碳原子核外運轉，占有碳原子的部分的空間電子在碳原子核外運轉，占有碳原子的部分的空間碳原子核帶正電，幾乎占有碳原子的所有質量。碳原子核帶正電，幾乎占有碳原子的所有質量。

(13)

質子及中子的發現

1919 1919 年年拉塞福拉塞福使用使用 α_α 粒子撞擊氮原子，結果發粒子撞擊氮原子，結果發現原子核中含有帶正電的現原子核中含有帶正電的質子質子 1932 1932 年年查兌克查兌克（（James James Chadwick Chadwick，_，18911891～_～19741974，英國），英國）發現原子核中含有與質子質量相發現原子核中含有與質子質量相近但不帶電荷的近但不帶電荷的中子中子

(14)

原子原子核赤道長度約 2 X 10 2 _{公尺的運動場} 直徑約 1.276 X 10 7 _{公尺的地球}

原子的大小

(15)

拉塞福

（

（ Ernest RutherfordErnest Rutherford ，_， 18711871 ～_～ 19371937 ））

拉塞福

（

（ Ernest RutherfordErnest Rutherford ，_， 18711871 ～_～ 19371937 ））

• 曾受教於湯姆森曾受教於湯姆森。鑑定出。鑑定出 α_α 粒子就是氦原子核粒子就是氦原子核，獲得，獲得 1908₁₉₀₈ 年諾貝爾化學獎。年諾貝爾化學獎。 • 1903₁₉₀₃ 年說明年說明 α_α 射線會受磁場的影響而產生偏轉射線會受磁場的影響而產生偏轉，由偏轉的方向證實，由偏轉的方向證實 α_α 粒子是一群帶正電荷的粒子是一群帶正電荷的粒子，也測定出它的速率和其荷質比。粒子，也測定出它的速率和其荷質比。 • 1911₁₉₁₁ 年，他用年，他用 α_α 粒子撞擊各種金屬箔片，證明粒子撞擊各種金屬箔片，證明原子是由帶負電的電子環繞著帶正電的原子核原子是由帶負電的電子環繞著帶正電的原子核所組成，並據此提出原子的模型，這是拉塞福所組成，並據此提出原子的模型，這是拉塞福一中最偉大的成就。一中最偉大的成就。 • 1919₁₉₁₉ 年，他用年，他用 α_α 粒子撞擊氮原子，使氮原子變成氧原子並放出質子，粒子撞擊氮原子，使氮原子變成氧原子並放出質子，從而發現質子。從而發現質子。 • 1920₁₉₂₀ 年，他發現氮、氦等元素也具有同位素。年，他發現氮、氦等元素也具有同位素。

(16)

原子核與原子序

Z 為質子數＝原子序 A 為質量數＝中子數＋質子數

(17)

元素標示法

表示為所形成的雙原子陰離子

質子數質子數 =2x8=16_=2x8=16 中子數中子數 =2x(17-8)=18_=2x(17-8)=18 電子數電子數 =2x8+2=18_=2x8+2=18 質子數質子數 =₌ 原子序原子序 =8₌₈ 中子數中子數 =₌ 質量數質量數 -_- 質子數質子數 =17-8=9_=17-8=9 電子數電子數 =₌ 原子序原子序 =₌ 質子數質子數 =8₌₈

O

17 8

O

17 8 -2 2 17 8

O

(18)

同位素

－質子數相同，中子數不同

同位素

(19)

例題

_2-2

例題

_2-2

• 重水（ D

重水（

D

2₂

O

, heavy

water)

在核分裂反應

中常用作中子的減速

劑。若重水分子的氧

為

1616₈₈

O

，一個重水分

子中含有若干個質子

、中子和電子？

質子

中子

電子

O

8

8 D

D

₂₂

1x2

1 x2

1x2

1 x2

1x2

1 x2

D

₂₂

O

10

回目次

(20)

2

2 _–2

_–2

原子中的電子排列

2

2 _–2

_–2

原子中的電子排列

1. 電子在原子核外如何分佈？

2. 元素的電子排列方式

3. 路易斯電子點式

(21)

電子在原子核外如何分佈？

• 電子在核外並非隨機分布，是以原子核為中心，

電子在核外並非隨機分布，是以原子核為中心，

由內向外分成若干殼層。

愈靠近原子核，電子受原子核作用力愈強愈靠近原子核，電子受原子核作用力愈強

(22)

電子的分布

－由低能階→高能階填入

電子的分布

－由低能階→高能階填入

殼層

_K

_L

_M

_N

_……

填入最多的電子數

₂

₈

₁₈

_……

e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e-- _e_e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e-- _e_e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e-- _核_核 _e_e-

(23)

-元素的電子排列方式

元素的電子排列方式

e e- -核核Ｈ　電子排列記為（１）Ｈ　電子排列記為（１）原子序＝１，Ｋ層只有一個電子原子序＝１，Ｋ層只有一個電子 e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e-- _核_核 _e_e- -Ｏ　電子排列記為（２，６）Ｏ　電子排列記為（２，６）原子序＝８，Ｋ層有２個電子，Ｌ層有６個電子原子序＝８，Ｋ層有２個電子，Ｌ層有６個電子 e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e-- _e_e- -核核 Al_{原子序＝１３，Ｋ層有２個電子，Ｌ層有８個電}Al_{原子序＝１３，Ｋ層有２個電子，Ｌ層有８個電}　電子排列記為（２，８，３）　電子排列記為（２，８，３）子，Ｍ層有３個電子子，Ｍ層有３個電子

(24)

例題

_2-3

例題

_2-3

試寫出鋰（原子序

₌₃

）

、

氟（原子序

=9

）

、氖

（原子序

₌₁₀

）

、

氬（原子序

=18

）等原子之電

子等原子分布於

(K,L,M)

_(K,L,M)

層的排列方式

。

鋰

2,1,0

_2,1,0

氟

2,7,0

_2,7,0

氖

2,8,0

_2,8,0

氬

2,8,8

_2,8,8

(25)

事實上，電子並非做圓周運動，

電子是以

電子雲

分布在原子核四周

事實上，電子並非做圓周運動，

電子是以

電子是以電子雲

電子雲

分布在原子核四周

_{分布在原子核四周}

電子雲表示電子出現在原子核周圍的電子雲表示電子出現在原子核周圍的

機率

以電子出現機率＝以電子出現機率＝ 90%_90% 以內畫出的形狀，即為以內畫出的形狀，即為軌域（電子雲）的形狀軌域（電子雲）的形狀核核 e

(26)

-路易斯電子點式

路易斯電子點式

• 價殼層價殼層 _{(valence shell)}_{(valence shell)} – 電子所在的最外層電子所在的最外層

• 價電子價電子 (valence electron)_{(valence electron)}

– 價殼層上的電子價殼層上的電子 e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e-- _核_核 _e_e- -ＦＦ碳原子的核外電子排列之簡單表示法： (A) 碳原子核外電子排列； (B) 電子排列簡圖； (C) 碳原子的電子點式內層外層

(27)

門得列夫的週期表

依

原子量

大小排列

1834~1927, 俄國

(28)

原子序

_1~20

元素的電子點式

_{元素的電子點式}

原子序

_1~20

元素的電子點式

_{元素的電子點式}

族數

價電

子數

Ⅰ

Ａ

１

１ Ⅱ

Ⅱ

Ａ

２

２ Ⅲ

Ⅲ

Ａ

３

３ Ⅳ

Ⅳ

Ａ

４

４ Ⅴ

Ⅴ

Ａ

５

５ Ⅵ

Ⅵ

Ａ

６

６ Ⅶ

Ⅶ

Ａ

７

７ Ⅷ

Ⅷ

Ａ

８

８ A

A

族元素：價電子數＝族數

(29)

例題

_2-4

例題

_2-4

某原子在Ｋ層有

2 ₂

個電子，

L

_L

層有

8 ₈

個電子，

M

_M

_層

(

最外層

₎

_有

₆

個電子，該原子的中子數比質子數多

1

1 個。有關此原子的敘述，下列何者正確？

個。有關此原子的敘述，下列何者正確？

(A) (A) 此原子的原子序為此原子的原子序為 16 (B)_{16 (B)} 此原子的質量數為此原子的質量數為 17 (C)_{17 (C)} 此此原子的電子點式為原子的電子點式為 (D)_(D) 此原子的質子排列為此原子的質子排列為 (K,L,M)=2,8,6 (E) (K,L,M)=2,8,6 (E) 此原子與此原子與 3232₁₆₁₆SS 為同位素為同位素 (A) 原子序 = 質子數 = 電子數 =2+8+6=16→ 此原子為 S( S( _硫_硫 )) (B) 質量數 = 質子數 + 中子數 =16+17=3333 (D) 質子排列 , 改為電子排列電子排列 (E) 3333 16 16SS 與 32321616SS 為同位素同位素 , 化學性質相似 回目次

(30)

2

2 -

-

3

3 元素週期表

元素週期表

2

2 -

-

3

3 元素週期表

元素週期表

1. 門得列夫的週期表

2. 週期表的結構

(31)

門得列夫預測

鎵

和

鍺

門得列夫預測

門得列夫預測鎵

鎵

_和鍺

_和

鍺

上圖為門得列夫週期表的一部分。元素符號下方為現金的原子量，圖 中 Z 和 X 為當時未知元 素。 Ga _{和 Ge 兩種元素性質的預測值及測量} 值

(32)

現今的週期表

門得列夫的週期表門得列夫的週期表以以

原子量

排列排列莫斯利定原子序現今的週期表現今的週期表以以

原子序

排列排列族族週期週期

(33)

同族元素

其價電子數相同，所以化學性質相同

其價電子數相同，所以

化學性質相同

鹼金屬鹼金屬鹼土金屬鹼土金屬卥素元素卥素元素惰性氣體惰性氣體鈍氣，鈍氣，化學性質穩定化學性質穩定

(34)

惰性氣體化性穩定

e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e-- _核_核 _e_e- -鹼金屬易失去一個電子，鹼金屬易失去一個電子，形成形成

+1

價

的陽離子的陽離子卥素元素易得到一個電子，卥素元素易得到一個電子，形成形成

-1

價

的陰離子的陰離子 e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e-- _核_核 e_e- -11 11

Na

e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e- -e e-- _核_核 e_e- -9 9

F

-

-e e- -10 10

Ne

(

八隅體規則

₎

+

(35)

例題

_2-5

例題

_2-5

1. 1. AA 區為主族金屬元素區為主族金屬元素 ,B_,B 區為過渡金屬元素。區為過渡金屬元素。 2. 2. CC 區為主族非金屬元素區為主族非金屬元素 ,_, 化合時易得電子而形成陰離子。化合時易得電子而形成陰離子。 3. 3. DD 為惰性氣體，價電子數為為惰性氣體，價電子數為 8(He_8(He 除外除外 )₎ 。。回目次下圖為簡易的週期表，其中 A _{、 B 、 C 、 D 為某些元素所占有的區域之代號。試指} 出下列各元素所占有的區域。 ( _{以 A 、 B 、 C 、 D 代號表示 )} (1)哪些區域的元素全為金屬 ? (2)哪些區域的元素最可能形成陰離子 ? (3)哪些區域的元素其價電子數是 8 個，化學性質特別安定 ?

(36)

2

2 _–4

_–4

元素性質的規律性

2

2 _–4

_–4

元素性質的規律性

週期表週期表金屬金屬類金屬類金屬（半導體）（半導體）非金屬非金屬

1. 金屬的特性

2. 非金屬的特性

3. 類金屬

4 元素性質的規律性 .

(37)

金屬的特性

黃色黃色銀色銀色紅色紅色黑色黑色

1.

1. 具金屬光澤

具金屬光澤

2.

2. 延展性佳

延展性佳

3.

3. 電和熱的良導體

電和熱的良導體

4.

4. 通常具高熔點，除了汞

通常具高熔點，除了汞

、、

銫

、、

鎵外。

(38)

金屬

易和

_易和

非金屬

_非金屬

形成

_形成

離子化合物

_{離子化合物}

金屬

易和非金屬

易和

非金屬

形成離子化合物

形成

離子化合物

(39)

金屬氧化物

金屬氧化物與水作用形金屬氧化物與水作用形成氫氧化物，呈鹼性。成氫氧化物，呈鹼性。

• 例題２－６

例題２－６

氧化鎂是胃藥中用的制酸劑，能中和過多的胃酸。試寫氧化鎂是胃藥中用的制酸劑，能中和過多的胃酸。試寫出氧化鎂遇水生成鹼性化合物的方程式。出氧化鎂遇水生成鹼性化合物的方程式。例如例如 (aq) (l) (s)

H

₂

O

Mg(OH)

₂

MgO







K₂O_(s) + H₂O_(l) → 2 KOH_(aq) CaO_(s) + H₂O_(l) → Ca(OH)_2(aq)

(40)

非金屬的特性

1. 1. 外觀不具光澤。外觀不具光澤。 2. 2. 導熱性及導電性不佳（但石墨導熱性及導電性不佳（但石墨及半導體及半導體可導電）。可導電）。 3. 3. 熔點比金屬低（除金剛石熔點比金屬低（除金剛石及石墨及石墨外）。外）。非金屬元素的外觀彼此差異很大

(41)

同素異形體

• 由同一種元素組成而其結構、性質不同的

由同一種元素組成而其結構、性質不同的

物質。

Ex:

　金剛石、石墨、巴克球

(C

_(C

60₆₀

)

GIMP

(42)

非金屬氧化物溶於水呈

酸性

_酸性

非金屬氧化物溶於水呈

非金屬氧化物溶於水呈酸性

酸性

酸雨

pH<5.0

(aq) (l) (g) (aq) (l) (g) 4 2 2 3 3 2 2 2

SO

H

O

H

SO

H

O

H

SO













(aq) (l) (s) (aq) (l) (g) 4 3 2 10 4 3 2 2 2

PO

4H

O

H

6 O

P

CO

H

O

H

CO













酸雨對林木造成危害的情形

(43)

類金屬

－半導體

類金屬

－半導體

1. 1. 性質介於金屬與非金屬間。性質介於金屬與非金屬間。 2. 2. 導電性：金屬＞類金屬＞非金屬導電性：金屬＞類金屬＞非金屬 3. 3. 類金屬加入微量雜質，導電性劇增類金屬加入微量雜質，導電性劇增，為製造電子元件重要材料。，為製造電子元件重要材料。 • P_P _型_型 :: 矽晶體參入矽晶體參入_Ⅲ_Ⅲ AA 元素元素 ((例例如如 :B):B) • N_N _型_型 :: 矽晶體參入矽晶體參入_Ⅴ_Ⅴ _A(_A( 例如例如 _:As)_:As) 4. 4. 升高溫度可提高導電度升高溫度可提高導電度銻：外觀有光澤但不具延展性類金屬元素在週期表中呈階梯狀排列

(44)

元素性質的規律性

• 同一週期

同一

週期

失去電子的傾向：

隨

隨原子序增大

原子序增大

而逐漸減弱

而逐漸減

弱

• 同一族

同一

族

失去電子的傾向：

隨

隨原子序增大

原子序增大

（由上而下）逐漸增強

（由上而下）逐漸增

強

例如：

_Na

_＞

_Mg

_＞

_Al

_＞

_Si

_＞

_P

_＞

_S

_＞

Cl

例如：

_Ca

_＞

_Mg

_＞

Be

_Be

(45)

週期表規律性的整理

(46)

例題

_2-7

例題

_2-7

• 下列有關週期表的述，何者正確？

下列有關週期表的述，何者正確？

(A) (A) 一般而言，元素在週期表的位置愈左或愈下方，其金一般而言，元素在週期表的位置愈左或愈下方，其金屬性質漸強屬性質漸強 (B) (B) 類金屬的性質跟金屬固體一樣，且俗稱為過渡金屬類金屬的性質跟金屬固體一樣，且俗稱為過渡金屬 (C) (C) 石墨與金剛石分別為同一族的兩種不同元素所形成石墨與金剛石分別為同一族的兩種不同元素所形成 (D) (D) _第_第 1717 族元素不易失去電子，因此非金屬性很弱族元素不易失去電子，因此非金屬性很弱 (E) (E) 週期表週期表 A_A 族元素，其價電子數與所屬的族數相同，如族元素，其價電子數與所屬的族數相同，如 Ⅲ Ⅲ AA 族的價電子數為族的價電子數為 ₃₃