基礎化學(一)

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(1)

國立中科實驗高中

National Experimental High School at Central Taiwan Science Park

基礎化學(一)

黃 錦 旋 編 著 2015 年 10 月

第2章 原子構造與元素週期表

2-1 原 子 結 構

2-2 原 子 中 的 電 子

2-3 元 素 週 期 表

姓 名 :

班 級座號 :

(2)
(3)

第 2章 原 子 構 造 與 元 素 週 期 表 2-1 原 子 結 構

道 耳 頓 ( 1803年 ) 的 原 子 無 結 構 的 觀 念 , 原 子 不 可 分 割 的 觀 念 與 19世 紀 後 半 期 的 實 驗 觀 察 相 矛 盾 。

2-1 .1 電 子

十 九 世 紀 末 , 湯 姆 森 由 陰 極 射 線 實 驗 發 現 了 電 子 , 確 認 原 子 可 以 分 割 出 更 小 的 次 原 子 粒 子 ﹐ 而 提 出 葡 萄 乾 布 丁 的 原 子 模 型 。 在 此 模 型 中 , 帶 正 電 的 物 質 有 如 布 丁 , 而 帶 負 電 之 電 子 則 像 葡 萄 乾 , 分 散 在 布 丁 之 中 。 亦 即 , 原 子 由 帶 正 電 的 物 質 與 帶 負 電 的 電 子 所 組 成 ; 因 為 正 、 負 電 荷 等 量 , 故 原 子 呈 電 中 性 。

1. 1811 ~ 18 33 年 法 拉 第 的 電 解 定 律 : 顯 示 物 質 具 有 電 的 本 性 , 且 啟 示 電 可 能 以 不 連 續 的 粒 子 存 在 。

2. 1897年 湯 姆 森 的 由 放 電 管 陰 極 射 線 實 驗 發 現 電 子 , 測 得 電 子 的 電 荷 與 質 量 比 值( 荷 質 比 e/m)= 1:76 £ 10= 1:76 £ 1088( 庫 侖 /克 ),同 時 提 出 所 謂 湯 姆 森 原 子 模 型 - 葡 萄 乾 布 丁 原 子 模 型 ( 西 瓜 原 子 模 型 ), 即 在 一 個 帶 正 電 的 物 質 球 上 散 布 著 電 子 。

3. 1909年 密 立 坎 藉 油 滴 實 驗 而 測 得 電 子 所 帶 電 量 為 e = 1:602 £ 10e = 1:602 £ 10¡19¡19( 庫 侖 )。

(1) 經 由 e=m = 1:76 £ 10e=m = 1:76 £ 1088( 庫 侖 /克 )及 e = 1:602 £ 10e = 1:602 £ 10¡19¡19( 庫 侖 ), 可 求 得 電 子 的 質 量 m = 9:107 £ 10m = 9:107 £ 10¡28¡28( 克 ), 約 為 一 個 氫 原 子 質 量 的 1

1840 1 1840。

原子之葡萄乾布丁模型示意圖 拉塞福的「核型原子模型」示意圖

2-1 .2 原 子 核 與 原 子 大 小

1911 年 , 拉 塞 福 做 了α粒 子 散 射 實 驗 , 發 現 有 少 數 帶 正 電 的 α粒 子 出 現 大 角 度 偏 折 的 現 象 。 如 果 原 子 的 組 成 均 勻 , 帶 正 電 的α粒 子 應 該 像 子 彈 穿 過 棉 花 團 , 不 會 出 現 大 角 度 的 偏 折。因 此,拉 塞 福 認 為 原 子 的 所 有 正 電 荷 與 絕 大 部 分 質 量 , 應 是 集 中 在 體 積 很 小 的 原 子 核 ; 現 代 的 測 量 結 果 , 原 子 的 直 徑 約 為 1010¡10¡10mm, 原 子 核 的 直 徑 約 為 1010¡15¡15mm。拉 塞 福 據 此 提 出 了 核 型 原 子 的 模 型:原 子 核 位 於 原 子 的 中 心 , 體 積 很 小 , 但 卻 具 有 大 部 分 的 質 量 ; 電 子 在 原 子 核 外 繞 核 運 動 , 占 有 大 部 分 的 空 間 。

1. 1911年 拉 塞 福 由α粒 子 散 射 實 驗 建 立 原 子 核 模 型:原 子 的 質 量 絕 大 部 分 集 中 在 一 個 帶 正 電 的 小 核 心 上 , 核 外 則 散 布 著 重 量 極 小 的 電 子 。

(4)

2. 原 子 的 直 徑 約 為 1010¡10¡10公 尺 , 原 子 核 的 直 徑 約 為 1010¡15¡15 » 10» 10¡14¡14公 尺 。 2-1 .3 原 子 序 與 質 量 數

1. 1913年 莫 斯 利 從 測 量 各 元 素 的 X射 線 的 波 長 ,建 立 原 子 序 觀 念 ;同 時 湯 姆 森 也 使 用 質 譜 儀 測 量 各 元 素 的 原 子 的 質 量 而 發 現 元 素 的 同 位 素 。

2. 1919年 拉 塞 福 以α粒 子 轟 擊 氮 原 子 核 而 發 現 質 子 。

4

2He +147N !178O +11p

4

2He +147N !178O +11p ( 質 子 )( 核 反 應 式 遵 守 : 原 子 序 守 恆 與 質 量 數 守 恆 ) 3. 1932年 查 兌 克 使 用 鐳 所 放 出 的α粒 子 撞 擊 鈹 原 子 核 而 得 中 子 。

4

2He +94Be !126C +10n

4

2He +94Be !126C +10n ( 中 子 )

(2) 組 成 原 子 的 三 種 基 本 粒 子 的 特 性 :

名 稱 符 號 質 量 (amu) 單 位 電 荷 電 量 發 現 先 後 發 現 者 電 子 ¡1¡100ee¡¡ 5.4858×10− 4 1− −1.602×10−19 最 早 湯 姆 森 質 子 1111pp+1+1 1.00 728 1+ +1.602×10−19 其 次 拉 塞 福 中 子 1010nn 1.00 867 (最 重 ) 0 0 最 晚 查 兌 克 (3) 同 位 素 的 符 號 : 一 原 子 核 內 的 組 成 可 由 原 子 序 (Z)及 質 量 數 (A)鑑 別 之 。

a. 原 子 序 (Z): 核 電 荷 , 即 原 子 核 中 的 質 子 數 , 也 等 於 電 中 性 原 子 的 核 外 的 電 子 數 。 常 置 於 元 素 符 號 之 左 下 方 , 如1H、6C 。 決 定 電 子 在 原 子 核 外 的 能 量 狀 態 ( 排 列 方 式 ), 決 定 原 子 的 化 學 性 質 。

b. 質 量 數 (A): 為 一 原 子 核 中 之 質 子 及 中 子 之 總 數 , 即 A= 中 子 數 + 質 子 數 = 中 子 數 + Z , 故 中 子 數 = A−Z。 常 將 質 量 數 置 於 元 素 符 號 的 左 上 方 , 如1H、1 2C。

c. 質 量 數 是 整 數 , 與 該 原 子 之 原 子 量 很 接 近 , 這 是 因 為 原 子 的 質 量 幾 乎 完 全 集 中 在 原 子 核 之 故 。 所 以 同 位 素 為 質 子 數 相 同 , 其 中 子 數 不 同 的 元 素 , 如2352359292UU、2382389292UU, 其 化 學 性 質 相 同 , 但 物 理 性 質 不 同 。

d. 原 子 量 : 通 常 不 會 是 整 數 , 主 要 是 由 於 自 然 界 的 元 素 都 有 一 定 存 率 的 天 然 同 位 素 存 在 , 故 刊 於 原 子 量 表 及 週 期 表 上 元 素 的 原 子 量 乃 是 該 元 素 若 干 種 天 然 同 位 素 的 原 子 質 量 (Mi)乘 以 其 天 然 存 率 (xi)( 自 然 豐 度 ) 算 得 的 平 均 原 子 量 (M = P

Mi¢ xi) (M =P

Mi¢ xi)。

例 如 : 自 然 界 中 碳 含 有 同 位 素1212CC( 天 然 存 率 99%)、1313CC( 占 1%) 和1414CC

( 微 量 未 列 入 ),故 碳 的 原 子 量 C = 12 £ 99% + 13 £ 1% = 12:011C = 12 £ 99% + 13 £ 1% = 12:011。( 平 均 值 介 於 最 大 值 與 最 小 值 之 間 )

(4) 原 子AZAZXX: 原 子 核 內 質 子 Z個 、 中 子 A−Z個 , 核 外 電 子 Z個 。

(5)

自 修 講 義 ( 泰 宇 版 ) 範 例 解 析

《 範 例 1》 陰 極 射 線

下 列 關 於 陰 極 射 線 之 敘 述 , 何 者 正 確 ? (A) 陰 極 射 線 為 一 電 子 流

(B) 陰 極 射 線 為 電 磁 波

(C) 管 中 金 屬 電 極 種 類 不 同 , 其 發 射 出 的 陰 極 射 線 性 質 隨 之 不 同 (D) 陰 極 射 線 射 向 陰 極

(E) 陰 極 射 線 不 受 電 場 或 磁 場 之 影 響 答 案 : (A)

解 析 : (B) 陰 極 射 線 應 為 高 速 粒 子 流 , 此 粒 子 為 電 子 。 (C) 陰 極 射 線 為 電 子 , 其 性 質 與 發 射 源 無 關 。 (D) 陰 極 射 線 是 由 陰 極 出 發 射 向 陽 極 。

《 範 例 2》 油 滴 實 驗

從 密 立 坎 油 滴 實 驗 中 , 觀 察 到 五 種 油 滴 的 電 量 分 別 為 : 4:32 £ 104:32 £ 10¡9¡9、 5:76 £ 105:76 £ 10¡9¡9、 2:88 £ 10¡9

2:88 £ 10¡9、1:44 £ 101:44 £ 10¡9¡9、 9:60 £ 109:60 £ 10¡10¡10esuesu, 若 另 一 油 滴 之 電 量 為 4:80 £ 104:80 £ 10¡9¡9esuesu, 則 該 油 滴 最 少 附 有 多 少 個 電 子 ? (【 註 】: esuesu 稱 為 靜 電 單 位 , 是 一 種 電 量 單 位 ) (A) 10 (B) 8 (C) 6 (D) 4 (E) 2

答 案 : (A)

解 析 : 每 個 油 滴 所 帶 的 電 量 不 盡 相 同 , 但 必 為 電 子 基 本 電 量 的 整 數 倍 。 (1 ) 以 最 小 電 量 的 油 滴 所 帶 的 電 荷 量 遍 除 各 項 , 再 化 成 最 簡 整 數 比 , 得 到

4:32£¡9

9:60£ 10¡10 : 5:76£¡9

9:60£ 10¡10 : 2:88£¡9

9:60£ 10¡10 : 1:44£¡9

9:60£ 10¡10 : 9:60£¡10 9:60£ 10¡10 4:32£¡9

9:60£ 10¡10 : 5:76£¡9

9:60£ 10¡10 : 2:88£¡9

9:60£ 10¡10 : 1:44£¡9

9:60£ 10¡10 : 9:60£¡10 9:60£ 10¡10

= 4:5 : 6 : 3 : 1:5 : 1 = 9 : 12 : 6 : 3 : 2

= 4:5 : 6 : 3 : 1:5 : 1 = 9 : 12 : 6 : 3 : 2

由 此 可 推 斷 電 子 的 基 本 電 量 = 9:60£ 10¡10

2 = 4:80£ 10¡10(esu)

= 9:60£ 10¡10

2 = 4:80£ 10¡10(esu) (2 ) 電 量 4:80 £ 104:80£ 10¡9¡9esuesu 的 油 滴 所 吸 附 的 電 子 數 目 = 4:80£ 10¡10

4:80£ 10¡10 = 10

= 4:80£ 10¡10

4:80£ 10¡10 = 10( 個 )

《 範 例 3》 荷 質 比

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 : 質 子 質 量 約 略 為 電 子 質 量 的 1836倍 。 (A) 電 子 荷 質 比 (e=m) = 1:76 £ 10(e=m) = 1:76£ 101111(C=kg)(C=kg)。

(B) 質 子 荷 質 比 (e=m) = 1:76£ 1011

1836 (C=kg) (e=m) = 1:76£ 1011

1836 (C=kg)。

(6)

(C) 中 子 不 帶 電 , 故 荷 質 比 (e=m) = 0(e=m) = 0。

(D) α 粒 子 荷 質 比 (e=m) = 1:76£ 1011£ 2

1836£ 4 (C=kg) (e=m) = 1:76£ 1011£ 2

1836£ 4 (C=kg)( α 粒 子 即4242HeHe2+2+, 其 質 量 約 為 質 子 的 4倍 )。

荷 質 比 大 小 順 序 為 (A) > (B) > (D) > (C)(A) > (B) > (D) > (C)

《 範 例 4》 原 子 模 型

某 金 屬 之 密 度 為 1:5 g=cm1:5 g=cm33, 原 子 半 徑 為 1010¡10¡10公 尺 , 原 子 核 半 徑 為 1010¡15¡15公 尺 , 則 構 成 該 原 子 核 的 物 質 密 度 大 約 為 ?

(A) 1:5 £ 101:5£ 101515 (B) 1:51:5£ 10£ 1055 (C) 1:51:5 (D) 1:51:5£ 10£ 10¡15¡15 克 == 立 方 公 分 答 案 : (A)

解 析 : d = w d = Vw

V, 因 原 子 核 的 質 量 約 與 原 子 質 量 相 等 , d / 1 V / 1

r3 d / 1

V / 1

r3( r為 半 徑 ) dnucleus

datom

= (ratom)3 (rnucleus)3 =

μ10¡10 10¡15

3

= 1015) dnucleus= 1:5 £ 1015(g=cm3) dnucleus

datom

= (ratom)3 (rnucleus)3 =

μ10¡10 10¡15

3

= 1015) dnucleus= 1:5 £ 1015(g=cm3)

《 範 例 5》 同 位 素

原 子 、 離 子 或 分 子 經 常 是 化 學 討 論 的 粒 子 , 比 較63296329CuCu與65296529CuCu2+2+兩 種 粒 子 , 下 列 選 項 中 何 種 數 值 兩 者 相 同 ?

(A) 電 子 數 (B) 中 子 數 (C) 核 電 荷 數 (D) 質 量 數 答 案 : (C)

解 析 : 63296329CuCu與65296529CuCu2+2+兩 者 為 同 位 素 。

粒 子 電 子 數 中 子 數 核 電 荷 數 質 量 數

63 29Cu

63

29Cu 29 34 29 63

65 29Cu2+

65

29Cu2+ 27 36 29 65

《 範 例 6》 核 原 子 模 型

關 於 拉 塞 福 原 子 核 存 在 的 實 驗 , 何 者 正 確 ? (A) 拉 塞 福 以 β 粒 子 撞 擊 金 箔

(B) 拉 塞 福 發 現 大 部 分 用 來 撞 擊 的 粒 子 皆 穿 透 金 箔 , 只 有 少 數 被 反 彈 回 來 (C) 湯 姆 森 的 原 子 模 型 和 拉 塞 福 的 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 : 拉 塞 福 以 α 粒 子 撞 擊 金 箔 , 發 現 大 部 分 α 粒 子 穿 透 金 箔 , 顯 示 大 部 分 空 間 由 電 子 占 據 , 密 度 幾 為 零 ; 少 數 α 粒 子 反 彈 , 顯 示 原 子 大 部 分 質 量 集

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中 在 原 子 核 , 此 與 湯 姆 森 原 子 模 型 不 符 合 。 (A)應 為 α 粒 子 ,(E)實 驗 證 實 原 子 核 的 存 在 。

《 範 例 7》 原 子 的 結 構

關 於 原 子 的 敘 述 , 下 列 何 者 正 確 ? (A) 原 子 由 原 子 核 及 電 子 組 成

(B) 原 子 核 中 必 含 有 質 子 及 中 子

(C) 電 子 、 質 子 帶 電 量 相 同 , 但 質 量 不 同 (D) 原 子 核 之 質 量 比 原 子 全 體 的 質 量 少 很 多 (E) 原 子 核 的 體 積 與 原 子 全 體 的 體 積 相 差 不 多 答 案 : (A)(C)

解 析 : (B) 1111HH( 氫 原 子 ) 不 含 中 子 。

(D) 原 子 核 之 質 量 比 原 子 全 體 質 量 少 了 電 子 質 量, 因 電 子 質 量 約 為 質 子 質 量 的 1

1836 1

1836倍 , 可 忽 略 不 計 , 故 兩 者 質 量 相 近 。 (E) 球 的 體 積 (V) = 4

3 ¼ r3 ) Vatom

Vnucleus

= (ratom)3 (rnucleus)3 =

μ10¡10 10¡15

3

= 1015 (V) = 4

3 ¼ r3 ) Vatom

Vnucleus

= (ratom)3 (rnucleus)3 =

μ10¡10 10¡15

3

= 1015

《 範 例 8》 原 子 的 結 構

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) 6060CoCo 有 27個 電 子 (B) 6060CoCo 有 60個 中 子 (C) 6060CoCo3+3+ 有 30 個 中 子 (D) 6060CoCo3+3+ 有 33 個 質 子 答 案 : (A)

解 析 : 由 中 性 原 子 反 應 生 成 離 子 時 , 電 子 數 會 改 變 , 而 原 子 核 中 的 質 子 數 與 中 子 數 是 不 變 的 。

鈷 六 十 ( 原 子 序 27) 的 原 子 表 示 法 為60276027CoCo。

其 中 性 原 子 , 含 27個 質 子 、 27個 電 子 及 33 (= 60 ¡ 27)33 (= 60 ¡ 27) 個 中 子 。 其 CoCo3+3+ 離 子 , 含 27 個 質 子 、 24 個 電 子 及 33 個 中 子 。

(8)

【 例 題 1】 XX2+2+與 YY¡¡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 ? ( 92學 測 )

(A) X之 質 量 數 為 38 (B) 1717ClCl3535((35173517Cl)Cl) 為 Y之 同 位 素 (C) XX2+2+和 YY¡¡為 同 素 異 形 體 (D) X和 Y具 有 相 同 的 質 子 數 目

【 例 題 2】 下 列 有 關 原 子 構 造 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? ( 84學 測 ) 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 與 質 子 的 數 目 一 定 相 等 。

丁 : 質 子 與 中 子 的 數 目 一 定 相 等 。

(A) 甲 丙 (B) 甲 丁 (C) 乙 丙 (D) 乙 丁

【 例 題 3】 鈷 六 十 ( 原 子 序 27) 可 作 為 放 射 性 治 療 之 用 , 下 列 有 關 鈷 六 十 的 原 子 結 構 , 何 者 正 確 ? ( 84日 大 )

(A) 6 0Co有 27個 電 子 (B) 6 0Co有 60 個 電 子 (C) 6 0Co3+有 30個 電 子 (D) 6 0Co3+有 33個 電 子

練 習 題 :

1. 已 知 硼 原 子 的 質 量 為 10. 81 amu , 硼 原 子 乃 由 原 子 量 為 10 .01 的1 0B 和 原 子 量 為 11.01 的1 1B兩 種 同 位 素 所 組 成 , 則1 0B 所 佔 硼 原 子 的 百 分 率 為 下 列 何 者 ? ( 90 日 大 )

(A) 20% (B) 30% (C) 70% (D) 80%

2. 在 下 列 原 子 中 (1)1 8O 、 (2 )1 2C 、 (3)2 6Mg 、 (4 )3 9K、 (5)4 0Ca, 中 子 數 和 質 子 數 相 等 的 是 ?

(A) (1 )和 (3 ) (B) (2)和 (3) (C) (2)和 (4) (D) (2)和 (5) 3. 下 列 哪 一 個 粒 子 的 質 量 不 是 約 1amu?

(A) 質 子 (B) 電 子 (C) 中 子 (D) 氫 離 子 (H+)

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4. 目 前 已 知 原 子 序 最 大 的 元 素 是 在 西 元 1998 年 , 由 俄 羅 斯 科 學 家 利 用 一 個 鈣 原 子 與 一 個 鐠 原 子 融 合 而 成 的289114Uuq。下 列 有 關 此 最 新 元 素 的 敘 述,何 者 正 確 ?

( 92學 測 )

(A) Uuq 的 原 子 序 為 175 (B) Uuq 的 電 子 數 目 為 28 9 (C) Uuq 原 子 核 中 有 42 3 個 中 子 (D) Uuq 原 子 核 中 有 114個 質 子 5. 下 列 關 於 現 代 的 原 子 概 念 , 何 者 錯 誤 ?

(A) 絕 大 部 分 的 原 子 質 量 , 都 集 中 在 原 子 核

(B) 一 般 而 言 , 原 子 半 徑 約 為 原 子 核 半 徑 的 104~ 105倍 (C) 原 子 的 化 學 性 質 由 中 子 數 決 定

(D) 同 一 種 元 素 , 質 子 數 必 定 相 等 , 質 量 數 不 同 者 稱 為 同 位 素

6. 二 價 錳 離 子 (M n2+) 具 有 23 個 電 子 , 若 錳 原 子 的 質 量 數 為 55 , 則 其 原 子 中 所 含 的 中 子 數 為 何 ?

(A) 34 (B) 32 (C) 30 (D) 28

7. 荷 質 比 為 粒 子 電 荷 量 (n e)與 質 量 (m)的 比 值 之 絕 對 值 , 下 列 何 種 粒 子 具 有 最 大 的 荷 質 比 ( ne

m )? ( 88日 大 )

(A) 電 子 (B) 質 子

(C) 中 子 (D) α-粒 子 ( 註 : α-粒 子 即 42He2+) 8. 下 列 何 者 所 含 的 電 子 數 多 於 其 中 子 數 ?

(A) 1225X2+ (B) 2613X (C) 7533X3 (D) 3316X2 9. 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 ? ( 應 選 二 項 )( 87學 測 )

(A) 甲 : 6p、 6n (B) 乙 : 7p、 7n (C) 丙 : 8p、 8n (D) 丁 : 6p、 7n (E) 戊 : 9p、 10 n

10. 原 子19779Au中 含 ? ( 多 選 )

(A) 79個 質 子 (B) 118 個 中 子 (C) 79個 電 子 (D) 118 個 質 子 (E) 79個 中 子

Ans

1.A 2.D 3.B 4.D 5.C 6.C 7.A 8.D

9.AD 10.ABC

(10)

2-2 原 子 中 的 電 子 2-2.1 電 子 排 列 的 模 型

在 原 子 中,原 子 核 外 的 電 子 逐 層 分 布;各 殼 層 具 有 之 特 定 能 量 ﹐稱 為 能 階 。 一 般 而 言 , 距 離 原 子 核 愈 遠 的 電 子 , 所 受 的 吸 引 力 愈 小 , 其 能 階 愈 高 。

一 般 原 子 趨 向 最 低 能 量 , 當 原 子 受 熱 或 照 光 而 吸 收 特 定 能 量 後 , 其 電 子 會 躍 遷 到 較 高 能 階 ; 此 高 能 階 的 電 子 不 穩 定 , 會 降 至 較 低 能 階 而 放 出 特 定 頻 率 的 光 。 在 上 述 焰 色 實 驗 或 煙 火 中 所 見 到 的 色 光 , 就 是 金 屬 鹽 受 熱 成 激 發 態 原 子 後 其 高 能 階 的 電 子 降 至 低 能 階 所 發 出 的 光。事 實 上,焰 色 與 煙 火 的 形 成,

都 與 原 子 核 外 電 子 在 各 能 階 間 的 躍 遷 有 關 。 日 常 生 活 中 有 廣 告 用 之 霓 虹 燈 及 汽 車 之 氙 氣 燈 等 都 是 利 用 這 原 理 。 另 外 , 極 光 現 象 、 發 光 二 極 體 (LED) 、 螢 光 棒 與 鎢 絲 燈 等 , 其 光 的 來 源 亦 與 電 子 高 低 能 階 之 躍 遷 有 關 。

一 、 原 子 序 1~ 18元 素 之 原 子 的 電 子 排 列

1. 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 為 K、 L、 M、 N、 O… 。

(1) K層 最 靠 近 原 子 核 , 具 有 的 能 量 最 低 ; 離 原 子 核 愈 遠 的 殼 層 , 能 量 愈 高 。 (2) 每 一 殼 層 最 多 可 容 納 2n2個 電 子 。

n 值 1 2 3 4

殼 層 K L M N

最 多 可 容 納 之 電 子 數 2 8 1 8 3 2

2. 電 子 的 排 列 與 週 期 表 : (1) 電 子 排 列 規 則 :

a. 電 子 先 填 入 能 量 較 低 的 殼 層 , 等 填 滿 後 , 再 依 次 填 入 能 量 較 高 的 殼 層 。 b. 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 。

(11)

c. 由 於 電 子 與 原 子 核 之 間 及 電 子 之 間 所 產 生 複 雜 的 交 互 作 用 力 , 使 原 子 序 小 於 20的 元 素 在 第 三 層 最 多 只 能 填 8個 電 子 。

(2) 電 子 排 列 與 週 期 表 :

族 ⅠA ⅡA ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA ⅧA

第 一 週 期

1H 2He

第 二 週 期

3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 1 0Ne

第 三 週 期

1 1Na 1 2Mg 1 3Al 1 4Si 1 5P 1 6S 1 7Cl 1 8Ar

第 四 週 期 1 9

K

2 , 8 , 8 , 1

2 0Ca

2 , 8 , 8 , 2

3. 電 子 點 式 : 在 元 素 符 號 的 周 圍 用 小 黑 點 (•)來 表 示 價 電 子 。

Ö

二 、 價 殼 層 與 價 電 子

1. 價 殼 層 : 距 原 子 核 最 遠 或 最 外 層 填 有 電 子 的 殼 層 。

2. 價 電 子 : 價 殼 層 上 的 電 子 , 稱 為 價 電 子 。 價 電 子 在 化 學 反 應 中 容 易 轉 移 , 因 此 價 電 子 數 與 該 原 子 的 化 性 關 係 密 切 。

(1) 33LiLi( 電 子 排 列 為2; 12; 1)、1111Na (2; 8; 1)Na (2; 8; 1)、1919K (2; 8; 8; 1)K (2; 8; 8; 1) 均 為 活 潑 金 屬 , 因 都 擁 有 1個 價 電 子 , 稱 為 鹼 金 屬 ( ⅠA族 )。

(2) 99F (2; 7)F (2; 7)、1717Cl (2; 8; 7)Cl (2; 8; 7) 均 為 活 潑 的 非 金 屬 , 因 都 擁 有 7個 價 電 子 , 稱 為 鹵 素 族 ( ⅦA族 )。

(3) 氦22He (2)He (2)、 氖1010Ne (2; 8)Ne (2; 8)、 氬1818Ar (2; 8; 8)Ar (2; 8; 8) 的 化 性 安 定 , 稱 為 鈍 氣 或 惰 性 氣 體

( ⅧA族 )。

2-2 .2 元 素 性 質 的 規 律 性

1. 鈍 氣 元 素 的 最 外 層 , 除 了 氦 擁 有 2個 價 電 子 之 外 , 其 餘 皆 擁 有 8個 價 電 子 , 顯 示 鈍 氣 原 子 的 電 子 排 列 方 式 是 最 安 定 的 , 化 學 性 質 不 活 潑 。

2. 原 子 結 合 成 新 物 質 時 , 原 子 間 會 重 新 調 整 價 電 子 數 , 藉 由 得 到 、 失 去 或 共 用 價 電 子 , 以 達 成 每 個 原 子 均 具 有 與 其 鄰 近 鈍 氣 一 樣 的 價 電 子 數 ( 八 隅 體 規 則 ), 此 時 原 子 間 產 生 一 種 吸 引 力 , 使 其 結 合 在 一 起 。

(1) 金 屬 元 素 與 非 金 屬 元 素 原 子 間 結 合 時,發 生 電 子 得 失 而 形 成 負、正 離 子 ,

(12)

藉 由 正 、 負 離 子 間 的 靜 電 吸 引 力 , 結 合 成 離 子 化 合 物 。

11Na (2; 8 ; 1) +17Cl (2 ; 8 ; 7) ¡! 11Na+(2; 8) +17Cl¡(2; 8 ; 8) ! Na+Cl¡

11Na (2; 8 ; 1) +17Cl (2 ; 8 ; 7) ¡! 11Na+(2; 8) +17Cl¡(2; 8 ; 8) ! Na+Cl¡

(2) 非 金 屬 元 素 原 子 間 常 藉 著 分 享 共 用 的 價 電 子 , 而 使 各 原 子 達 成 穩 定 鈍 氣 的 電 子 排 列 , 此 共 用 價 電 子 可 同 時 吸 引 兩 原 子 核 , 而 結 合 成 分 子 物 質 。

自 修 講 義 ( 泰 宇 版 ) 範 例 解 析

《 範 例 1》 電 子 排 列 - 價 電 子

下 列 哪 一 個 元 素 的 電 子 排 列 , 最 外 圍 的 電 子 數 與9494BeBe相 同 ?

(A) 24122412MgMg (B) 27132713AlAl (C) 28142814SiSi (D) 31153115PP 答 案 : (A)

解 析 : 同 族 元 素 的 價 電 子 數 相 同 ,9494Be (2 , 2)Be (2 , 2), 其 最 外 層 電 子 數 , 即 價 電 子 數 有 2 個 ( 第 2族 或 第II AII A族 )。

(A) 24122412Mg (2 , 8 , 2)Mg (2 , 8 , 2)( 第 2族 或 第II AII A族 ) (B) 27132713Al (2 ; 8 ; 3)Al (2 ; 8 ; 3)( 第 13族 或 第III AIII A族 ) (C) 28142814Si (2Si (2; 8 ; 4); 8 ; 4)( 第 14族 或 第IV AIV A族 ) (D) 31153115Al (2 ; 8 ; 5)Al (2 ; 8 ; 5)( 第 152族 或 第V AV A族 )

《 範 例 2》 波 耳 的 電 子 排 列 理 論 陰 極 射 線

有 關 波 耳 原 子 的 電 子 排 列 理 論 之 敘 述 , 何 者 錯 誤 ? (A)電 子 在 軌 道 上 運 動 時 , 具 有 一 定 能 量

(B)電 子 在n = 0n = 0 的 軌 道 時 , 所 具 有 的 能 量 最 小

(C)電 子 吸 收 能 量 , 躍 遷 至 較 高 能 階 的 狀 態 , 稱 為 激 發 態 (D)電 子 從 較 高 能 階 回 到 較 低 能 階 時 , 放 出 能 量

答 案 : (B)

解 析 : 電 子 在n = 1n = 1 的 軌 道 時 , 所 具 有 的 能 量 最 小 , n愈 大 , 能 階 愈 高 。

(13)

《 範 例 3》 價 電 子 與 化 學 鍵 結

已 知 有 三 物 質 : 元 素 甲 、 元 素 乙 , 以 及 由 元 素 甲 和 元 素 乙 所 形 成 的 化 合 物 丙 , 其 中 甲 原 子 的 最 外 層 電 子 層 具 有 2個 價 電 子 , 而 乙 原 子 的 最 外 層 電 子 層 具 有 7 個 價 電 子 。 則 化 合 物 丙 的 化 學 式 可 能 為 下 列 何 者 ?

(A) MgOMgO (B) LiFLiF (C) NgClNgCl22 (D) NaNa22OO (E) AlAl22OO33 答 案 : (C)

解 析 : (1) 甲 原 子 有 2 個 價 電 子 屬 於 IIA 族 的 金 屬 元 素 , 乙 原 子 有 7 個 價 電 子 屬 於 VIIA族 的 非 金 屬 元 素 。

(2 ) 為 滿 足 鈍 氣 電 子 排 列,金 屬 甲 原 子 易 失 去 2個 價 電 子,形 成 甲2 +的 陽 離 子 , 非 金 屬 乙 原 子 需 得 到 1個 電 子 , 形 成 乙的 陰 離 子 , 故 甲2 +與 乙 結 合 成 甲 乙2離 子 化 合 物 丙 。

《 範 例 4》 價 電 子 與 化 學 鍵 結

有 關 水 (H(H22O)O)結 構 的 敘 述 , 何 者 不 正 確 ?

(A) HH22OO是 由 氫 原 子 與 氧 原 子 形 成 的 分 子 化 合 物

(B) HH22OO分 子 中 , 氧 原 子 最 外 層 的 電 子 有 8個 , 與 氖 原 子 有 相 同 的 電 子 排 列 (C) 每 個 氫 原 子 與 氧 原 子 間 有 2個 共 用 電 子

(D) HH22OO總 共 含 有 8個 電 子 答 案 : (D)

解 析 : (1) 水 分 子 的 路 易 斯 結 構 , 共 用 電 子 對 是 結 合 的 兩 個 原 子 所

共 有 的 , 故 HH22OO分 子 中 , 氧 原 子 最 外 層 電 子 有 8個 , 與 氖 原 子 有 相 同 的 電 子 排 列 ; 氫 原 子 最 外 層 電 子 有 2個 , 與 氦 原 子 有 相 同 的 電 子 排 列 。

(2) 氧 原 子 序 為 8, 有 8 個 電 子 ; H原 子 序 為 1, 有 1個 電 子 , 故 HH22OO分 子 中 的 電 子 數 = 8 + 1= 8 + 1£ 2 = 10£ 2 = 10

(14)

【 例 題 4】 有 關 原 子 的 結 構 敘 述 , 何 者 正 確 ? (A) 所 有 的 原 子 都 含 有 質 子 、 中 子 、 電 子

(B) 原 子 中 的 電 子 , 占 有 較 大 的 空 間 和 質 量 (C) 電 子 以 隨 機 的 方 式 分 布 在 原 子 核 外

(D) 進 行 化 學 反 應 時 , 原 子 核 內 的 質 子 和 中 子 總 數 不 會 改 變

【 例 題 5】 已 知AlAl 的 原 子 序 為 1 3, 質 量 數 為 27, 則 下 列 敘 述 何 者 錯 誤 ? (A) AlAl 有 13 個 質 子 , 13 個 中 子

(B) AlAl3+3+ 的 電 子 數 和1 0Ne一 樣

(C) AlAl 原 子 核 外 的 電 子 排 列 依 次 為 2個 、 8個 、 3個 (D) AlAl 的 價 電 子 數 為 3

【 例 題 6】 在 教 學 上 有 時 會 用 下 列 圖 事 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 數 、「 」 代 表 核 外 電 子 , 則 下 列 何 者 代 表 離 子 ? ( 多 選 )

(A) ²² ²²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

(B) ²² ²²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

(C) ²² ²²

²

²

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²

²

²

(D) ²² ²²

²

²

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²

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²

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²

²

(E) ²² ²²

²

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²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

²

² ²²

²

²

²

²

²

²

²

²

【 例 題 7】 下 列 何 種 元 素 的 電 子 排 列 , 最 外 層 的 電 子 數 與141477NN相 同 ?

(A) 24122412MgMg (B) 27132713AlAl (C) 28142814SiSi (D) 31153115PP (E) 39193919KK

(15)

練 習 題 :

1. 下 列 元 素 的 電 子 排 列 方 式 , 由 低 能 階 至 高 能 階 , 何 者 錯 誤 ?

(A) 11H : 1H : 1 (B) 33Li : 2; 1Li : 2; 1 (C) 1010Ne : 2; 8Ne : 2; 8 (D) 1212Mg : 2; 10Mg : 2; 10 (E) 1919K2; 8; 8; 1K2; 8; 8; 1

2. 主 殼 層 O層 最 多 可 容 納 的 電 子 數 為 ?

(A) 8 (B) 18 (C) 32 (D) 50

3. 某 元 素 的 原 子 序 為 1 6, 則 其 價 電 子 數 為 ?

(A) 2 (B) 4 (C) 6 (D) 8

4. 第 三 週 期 的 元 素 為 鈉 、 鎂 、 鋁 、 矽 、 磷 、 硫 、 氯 、 氬 等 八 種 元 素 , 請 問 他 們 的 最 外 層 電 子 位 在 哪 一 層 ?

(A) K層 (B) L層 (C) M層 (D) N層

5. 已 知 PP的 原 子 序 為 15, 質 量 數 為 31, 則 下 列 何 者 錯 誤 ? (A) PP有 15個 質 子 , 16個 中 子

(B) PP的 電 子 數 和1010NeNe 一 樣

(C) PP原 子 核 外 的 電 子 排 列 依 次 為2; 8; 52; 8; 5 (D) PP的 價 電 子 數 為 5

(E) PP的 K層 有 2個 電 子

6. 下 列 何 者 的 價 電 子 數 相 同 ? ( 多 選 )

(A) 11HH (B) 33LiLi (C) 1414SiSi (D) 1111NaNa (E) 1818ArAr

7. 下 列 元 素 的 電 子 排 列 方 式 , 何 者 正 確 ? ( 多 選 )

(A) 22He : 2He : 2 (B)66C : 2; 2; 2C : 2; 2; 2 (C) 99F : 2; 7F : 2; 7 (D) 1414Si : 2; 8; 3Si : 2; 8; 3 (E) 1818Ar : 2; 8; 2; 6Ar : 2; 8; 2; 6

8. 下 列 各 原 子 或 離 子 中 , 哪 些 組 別 具 有 相 同 的 電 子 數 ? ( 多 選 ) (A) 11HH++33LiLi++ (B) 33LiLi++44BeBe2+2+ (C) 33LiLi++99FF¡¡ (D) 1111NaNa++1717ClCl¡¡ (E) 2020CaCa2+2+1717ClCl¡¡

9. 下 列 各 原 子 或 離 子 中 , 哪 些 組 別 具 有 相 同 的 價 電 子 數 ? ( 多 選 ) (A) 11HH、33LiLi (B) 44BeBe、1212MgMg (C) 88OO99FF¡¡ (D) 1111NaNa++1717ClCl¡¡ (E) 2020CaCa2+2+1717ClCl¡¡

Ans

1.D 2.D 3.C 4.C 5.B 6.ABD 7.AC 8.BE 9.ABCDE

(16)

2-3 元 素 週 期 表 2-3.1 週 期 表 的 沿 革

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 。 1. 拉 瓦 節 根 據 已 知 元 素 的 性 質 , 粗 分 為 氣 體 、 非 金 屬 、 金 屬 與 土 體 。

2. 德 國 化 學 家 德 貝 萊 納 提 出 元 素 三 重 組 定 律 , 同 組 元 素 間 具 有 相 似 的 化 學 性 質 , 中 間 元 素 的 原 子 量 約 為 前 後 元 素 原 子 量 之 平 均 。

3. 英 國 化 學 家 紐 蘭 芝 將 已 知 的 元 素 按 照 原 子 量 大 小 排 入 一 個 含 有 七 行 的 表 格 內 , 稱 為 元 素 的 八 音 律 。

4. 門 得 列 夫 週 期 表

西 元 1869 年 , 門 得 列 夫 將 當 時 已 知 的 63種 元 素 按 照 原 子 量 大 小 排 列 , 並 將 化 學 性 質 相 近 的 的 元 素 歸 納 成 同 一 組 而 發 表 元 素 週 期 表 論 文 , 因 此 被 公 認

「 週 期 表 之 父 」。

(1) 提 出 元 素 的 週 期 律 。

(2) 預 測 當 時 尚 未 發 現 的 元 素 及 其 特 性 : 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,後 來 科 學 家 在 1874、

1879、 1885年 分 別 發 現 門 得 列 夫 預 測 的 鎵(Ga)(Ga)、 鈧(Sc)(Sc)、 鍺(Ge)(Ge)等 元 素 。

鍺 的 性 質

1871年 預 測 1885年 發 現

原 子 量

7 2 72.3

密 度

5.5 g/cmg/cm33 5.47 g/cmg/cm33

比 熱

0.31J/J/±±C¢gC¢g 0.32J/J/±±C¢gC¢g

熔 點

高 960±±CC

氧 化 物 化 學 式

RORO22 GeOGeO22

氧 化 物 密 度

4.7g/cmg/cm33 4.70g/cmg/cm33

氯 化 物 化 學 式

RClRCl44 GeClGeCl44

氯 化 物 熔 點

10 0±±CC 86±±CC

門 得 列 夫 預 測 鍺 的 性 質 與 實 際 發 現 的 性 質 比 較

(3) 更 正 錯 誤 的 原 子 量 : 當 時 認 為 鈾 的 原 子 量 為 1 20, 門 得 列 夫 指 出 , 他 的 週 期 表 中 原 子 量 119的 錫 (Sn)(Sn)與 122的 銻 (Sb)(Sb)之 間 沒 有 鈾 (U)(U)的 可 能 , 他 認 為 鈾 的 原 子 量 應 為 240。 而 銦 (In)(In)的 原 子 量 也 非 當 時 公 認 的 76, 而 是 114。

5. 莫 斯 利 利 用 高 能 量 電 子 ( 陰 極 射 線 ) 撞 擊 在 陽 極 的 各 種 不 同 的 金 屬 , 觀 測 由 金 屬 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 , 提 出 以 原 子 序 代 替 原 子 量 來 排 列 週 期 表 。

2-3.2 元 素 週 期 表 的 組 織

西 元 1869 年 俄 國 化 學 家 門 得 列 夫 依 元 素 的 原 子 量 制 定 週 期 表 , 而 現 今 的 週 期 表 則 修 正 依 原 子 序 排 列 。

(17)

1H

3Li 4Be

11Na 12Mg

19K 20Ca 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr

37Rb 38Sr 39Y 40Zr 41Nb 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I 54Xe

55Cs 56Ba *La

57~71 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt 79Au 80Hg 81T 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn

87Fr 88Ra **Ac

89~103 104Rf 105Db 106Sg 107Bh 108Hs 109Mt 110Ds 111Rg 112Cn 113Uut 114Uuq115Uup 116Uuh

57La 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu

89Ac 90Th 91Pa 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cm 97Bk 98Cf 99Es 100Fm101Md102No 103Lr

13A 14Si 15P 16S 17C 18Ar

5B 6C 7N 8O 9F 10Ne

2He

*Lanthanide

**Actinide 1

ⅠA 2

ⅡA 3

ⅢB 4

ⅣB 5

ⅤB 6

ⅥB 7

ⅦB

11

ⅠB 12

ⅡB 13

ⅢA 14

ⅣA 15

ⅤA 16

ⅥA 17

ⅦA 18

ⅧA

8 9

ⅧB 10

117Uus 118Uuo

1. 週 期 表 為 元 素 原 子 序 的 周 期 函 數 。

2. 週 期 (period)或 ( 橫 ) 列 : 共 有 七 週 期 。 同 一 列 元 素 的 性 質 呈 週 期 性 變 化 , 金 屬 性 由 左 而 右 遞 減 、 非 金 屬 性 則 逐 漸 增 加 。

週 期 數 (第nn列 ) 價 殼 層 元 素 數 目 一 K 2個 )) H; HeH; He

二 L 8個 ) Li; Be; B; C; N; O; F; Ne) Li; Be; B; C; N; O; F; Ne 三 M 8個 ) Na; Mg; Al; Si; P; S; Cl; Ar) Na; Mg; Al; Si; P; S; Cl; Ar

四 N 18個 ) K; Ca; Sc; Ti; V; Cr; Mn; Fe; Co; Ni; Cu;

Zn; Ge; As; Se; Br; Kr

) K; Ca; Sc; Ti; V; Cr; Mn; Fe; Co; Ni; Cu;

Zn; Ge; As; Se; Br; Kr

五 O 18個

六 P 32個

七 Q 32個 ( 未 完 成 )

3. 族 (group)或( 縱 )行:同 族 的 元 素 物 理 性 質 不 同,但 具 有 類 似 的 化 學 性 質 。 (1) 早 期 分 法 每 族 的 名 稱 以 羅 馬 字 母 加 上 A或 B表 示:共 分 有 8個 A族 (Ⅰ A~ Ⅷ

A)及 8 個 B族 (Ⅰ B~ Ⅷ B)。

(2) 最 近 IUPAC 已 建 議 捨 棄 舊 有 A、 B用 法 , 而 將 元 素 週 期 表 由 左 而 右 的 18 縱 行 依 序 命 名 為 1~ 18族 。

4. 依 週 期 表 位 置 的 類 型 分 類

一 般 而 言 , 週 期 表 上 的 元 素 按 照 其 價 電 子 佔 據 的 軌 域 可 分 為 三 大 類 : (1) 主 族 元 素( 典 型 元 素 ):週 期 表 上 第 1、2、13、14、15、16、17、18族元素(即

Ⅰ A~Ⅷ A族 ), 包含 金屬與 非金屬 元素, 具有廣 大範圍 的化學 性質與 物理性 質 。

(18)

a. 價 電 子 數 與 其 所 屬 週 期 表 的 族 數 相 同 ( 除 了 He之 外 )。

b. 其 化 性 與 價 電 子 數 關 係 密 切 。

族 數 別 名 價 電 子 數 特 性

第 1族

Ⅰ A族

鹼 金 屬

( H除 外 ) 1 最 活 潑 的 金 屬 元 素 第 2族

Ⅱ A族 鹼 土 金 屬 2 金 屬 元 素 活 性 次 於 第 1族 第 16族

Ⅵ A族 氧 族 6 除 了 釙 之 外 都 是 非 金 屬 其 活 性 僅 次 於 鹵 素

第 17族

Ⅶ A族 鹵 素 7 最 活 潑 的 非 金 屬 元 素

第 18族

Ⅷ A族 惰 性 氣 體 8

( He除 外 )

包 括 氦 、 氖 、 氬 、 氪 、 氙 、 氡 , 在 自 然 界 中 均 以 單 原 子 的 形 式 存 在 , 皆 為 無 色 氣 體 , 化 性 極 不 活 潑 , 目 前 僅 合 成 氬 、 氪 、 氙 的 化 合 物 (2) 過 渡 元 素 : 第 四 週 期 起 , 為 週 期 表 的 第 3 ~ 12 族 。

a. 過 渡 元 素 都 是 金 屬 元 素 。

b. 常 生 成 有 顏 色 的 化 合 物 , 或 具 有 磁 性 , 有 多 種 氧 化 態 , 性 質 多 樣 化 。 (3) 內 過 渡 元 素 : 第 六 週 期 從 57 號 元 素 起 , 形 成 從 鑭 元 素 起 共 15 個 元 素 稱 為

鑭 系 元 素 。 第 七 週 期 從 89號 元 素 起 , 形 成 從 錒 元 素 起 共 15個 元 素 稱 為 錒 系 元 素 。

a. 化 性 大 部 分 與 鑭 及 錒 相 似 , 其 化 合 物 亦 多 呈 顯 著 的 顏 色 。 b. 多 數 為 人 造 元 素 , 自 然 界 中 不 存 在 且 具 有 放 射 性 。

2-3 .3 元 素 的 分 類 1. 依 導 電 性 分 類

分 類 導 電 性 溫 度 對 導 電 度 影 響 週 期 表 位 置

金 屬 元 素 極 易 導 電 隨溫度上升,導電度下降

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

極 差 , 但 是 少 許 物 質 除 外 ( 石 墨 )

不 導 電 位 於 週 期 表 的 右 側 ( H 除 外 )

類 金 屬 元 素 介 於 金 屬 與 非 金 屬 之 間

隨 溫 度 升 高,導 電 度 增 加,可 以 成 為 製 造 半 導 體 的 材 料

位 於 金 屬 與 非 金 屬 元 素 之 間 , 包 括 硼 、 矽 、 鍺 、 砷 、 銻 、 碲

(19)

2-3.4 元 素 性 質 與 週 期 規 律 性

1. 原 子 序 1~ 18之 元 素 與 其 價 電 子 數 的 關 係 圖 :

H H

He He

Li Li

Be Be

B B

C C

O O N N

F F

Ne Ne

Na Na

Mg Mg

Al Al

Si Si

P P

S S

Cl Cl

Ar Ar

由 圖 中 可 知 價 電 子 數 隨 原 子 序 增 加 呈 現 由 低 而 高 的 週 期 性 循 環 的 規 律 現 象 。 2. 元 素 化 學 性 質 與 價 電 子 的 相 關 性 。

(1) 金 屬 性 與 非 金 屬 性

隨 價 電 子 數 增 加,元 素 的 金 屬 性 漸 減;非 金 屬 性 漸 增,不 論 是 從 LiLi到 NeNe或 是 從 NaNa到ArAr, 元 素 呈 現 從 活 潑 金 屬 遞 變 到 非 金 屬 的 趨 勢 。

a. 金 屬 性 : 金 屬 的 物 理 性 質 為 具 有 金 屬 光 澤 、 具 延 展 性 、 導 電 性 與 導 熱 性 佳 。 金 屬 的 化 學 性 質 為 傾 向 失 去 電 子 而 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 。

b. 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 延 展 性 、 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 而 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 。

(2) 得 失 電 子 的 傾 向

a. 隨 價 電 子 數 的 增 加 , 失 去 電 子 的 傾 向 逐 漸 減 弱 , 接 受 電 子 的 傾 向 逐 漸 增 強 ( 惰 性 氣 體 除 外 , 因 其 無 得 失 電 子 的 傾 向 )。

b. 失 去 電 子 的 傾 向 :Na > Mg > AlNa > Mg > Al; 得 到 電 子 的 傾 向 : Cl > S > PCl > S > P。

(3) 原 子 之 穩 定 性

a. 有 惰 性 氣 體 電 子 排 列 的 原 子 較 穩 定 , 原 子 藉 由 得 失 電 子 而 達 到 與 鄰 近 之 惰 性 氣 體 相 同 的 電 子 排 列 , 便 會 變 得 穩 定 。

b. 例 如33Li (2; 1)Li (2; 1)容 易 失 去 1個 電 子 成33LiLi++(2)(2)得 到 與22He (2)He (2)相 同 的 電 子 排 列 。

11Na (2; 8; 1)

11Na (2; 8; 1) 易 失 去 1個 電 子 =)=) 1111NaNa++(2; 8) =(2; 8) = 1010Ne (2; 8)Ne (2; 8)

12Mg (2; 8; 2)

12Mg (2; 8; 2) 易 失 去 2個 電 子 =)=) 1212MgMg2+2+(2; 8) =(2; 8) = 1010Ne (2; 8)Ne (2; 8)

13Al (2; 8; 3)

13Al (2; 8; 3) 易 失 去 3個 電 子 =)=) 1313AlAl3+3+(2; 8) =(2; 8) = 1010Ne (2; 8)Ne (2; 8)

c. 例 如99F (2; 7)F (2; 7)容 易 獲 得 1個 電 子 成99FF¡¡(2; 8)(2; 8)同1010Ne (2; 8)Ne (2; 8)的 電 子 排 列 。

17Cl (2; 8; 7)

17Cl (2; 8; 7)易 獲 得 1個 電 子 成1717ClCl¡¡(2; 8; 8)(2; 8; 8)1818Ar (2; 8; 8)Ar (2; 8; 8)的 電 子 排 列 。 (4) 價 電 子 數 與 元 素 化 學 性 質 關 係

(20)

價 電 子 數 相 同 的 元 素 , 其 化 學 性 質 相 似 。 a. 鋰 和 鈉 的 相 似 性 。

1 價 電 子 數 皆 1個 。

2 形 成 +1 價 陽 離 子 , 都 易 失 去 價 電 子 形 成 帶 一 個 正 電 荷 的 LiLi++和 NaNa++

3 自 然 界 中 均 無 元 素 態 存 在 。

4 元 素 與 水 反 應 , LiLi和 NaNa都 可 與 水 化 合 產 生 氫 氣 及 鹼 性 的 氫 氧 化 物 。 2 Li + 2 H2O! H2+ 2 LiOH

2 Li + 2 H2O! H2+ 2 LiOH 2 Na + 2 H2O! H2+ 2 NaOH 2 Na + 2 H2O! H2+ 2 NaOH

且 NaNa和 水 反 應 比 LiLi和 水 反 應 劇 烈 。

5 氧 化 物 和 氫 氧 化 物 溶 於 水 後 , 溶 液 皆 呈 鹼 性 。 Li2O + H2O! 2 LiOH

Li2O + H2O! 2 LiOH Na2O + H2O! 2 NaOH Na2O + H2O! 2 NaOH b. 氟 和 氯 的 相 似 性 。

1 價 電 子 數 皆 7個 。

2 形 成−1價 陰 離 子,皆 很 容 易 得 到 電 子 形 成 帶 一 個 負 電 荷 的 FF¡¡和 ClCl¡¡

3 與 氫 氣 反 應 , 氟 在 暗 室 中 就 可 與 氫 氣 化 合 產 生 氟 化 氫 , 而 氯 在 照 光 或 加 熱 條 件 下 才 能 與 氫 氣 化 合 產 生 氯 化 氫 。

H2+ F2 ! 2 HF H2+ F2 ! 2 HF H2+ Cl2 ! 2 HCl H2+ Cl2 ! 2 HCl

4 元 素 及 氧 化 物 皆 可 溶 於 水 , 其 水 溶 液 呈 酸 性 。 2 F2+ 2 H2O! 4 HF + O2

2 F2+ 2 H2O! 4 HF + O2 Cl2+ H2O! HCl + HClO Cl2+ H2O! HCl + HClO

1

ⅠA

鈍 氣 2

ⅡA

3

ⅢB 4

ⅣB 5

ⅤB 6

ⅥB 7

ⅦB 8 9

ⅧB 10 11

ⅠB 12

ⅡB 13

ⅢA 14

ⅣA 15

ⅤA 16

ⅥA 17

ⅦA 18

ⅧA

最活潑金屬元素 最活潑非金屬元素

原子 半 徑漸 小 、電 負度 漸 大、 金 屬性 漸 減小 非 金 屬性 漸 增、 氧 化物 酸性 漸 增、 游 離能 呈 鋸齒 遞 增

金屬 活 性增 大 原子 半 徑增 大 金屬 性 漸增 加 電負 度 漸減 小 游離 能 漸減 小 氧化 物 鹼性 大

活 性漸 減 小 原 子半 徑 增大 金 屬性 漸 增加 電 負度 漸 減小 游 離能 漸 減小 含 氧酸 酸 性小

數據

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參考文獻

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