第二章 物質的構造與特性

2-1

第二章 物質的構造與特性

水 H₂O 是很多人熟知的一個分子，但為何 O 原子可以和 2 個 H 原子結在一起，並穩定的存在？其 間勢必有股力量，而這種原子間的力量，是本章想告訴大家的。

※要複習本章時，最好能看一下高一的電子排列，並背好₁H~₂₀Ca 的元素名稱及位置會有些幫助。

2-1 八隅體法則與路易斯結構式

一、化學鍵

1. 何謂化學鍵？____________________________________

EX.

NaCl 金塊、銅線、鋁門窗

等金屬 水分子

什麼力量將 H 和 O 原子結合？

氫氣 什麼力量將 H 原子結合？

氯化鈉 什麼力量將 Na⁺和 Cl^─結合？

金屬元素 什麼力量將 金屬原子結合？

2. 但有些物質習慣以單原子存在：________，故不存在化學鍵。

(8A 族鈍氣中，除___以外，其餘皆為___個價電子。)

特例：XeF₄、KrF₂等 (知道還是有鈍氣可以形成化合物就好，不用記) 3. 化學鍵的類型：

化學鍵類型 構成原子 構成的物質類型

2-2 二、八隅體法則

1. 由美國化學家路易斯，於 1916 年提出。

2. 內容：

3. 根據八隅體發則，可知一些物質形成離子的價數：

元素 1A 2A Al N、P O、S 7A

得失電子 離子價數

同族元素有相似化性

三、路易斯電子點式

只表示出元素符號及其價電子數的表示法 中性原子

1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A

Li Be B C N O F Ne

離子 Li 離子 F 離子 分子 H₂ F₂ HF

講義範例 1 P.42

自然界中，大部份物質的變化是：

越安定的物質可以存在的越久，

因此較易被發現。

觀察化學反應中的電 子排列變化，例如：

歸納結論：主族元素可藉由__________或__________，形成和___________相同的電 子排列(或 8 個價電子)，此即八隅體法則。

補充範例

下列何者可能是 NH₃ 分子的路易斯結構式？

(A) (B) (C) (D) (E)

2-3 2-2 離子鍵與離子晶體

一、離子鍵的形成

1. 形成離子鍵的過程：以鈉金屬和氯氣反應形成氯化鈉為例

2. 離子鍵的性質

(1) 斷開離子鍵(把陰陽離子分開)，需要外界做功，為____熱反應(ΔH___0) 反之，形成離子鍵(陰、陽離子自動會吸引結合)，為____熱反應(ΔH___0)。

(2) 離子鍵_____方向性 → 陰陽離子彼此在任何方向上都能互相吸引，任一方向皆能形成離子鍵 3. 離子化合物：陰陽離子藉由離子鍵形成的化合物。

☆☆☆構成離子化合物的要件：_________或_______ + ___________

補充範例

試由八隅體法則，說明氯化鎂的化學式為何？

2-4 二、離子晶體

1. 離子晶體：陰、陽離子藉由離子鍵互相吸引，並規則堆積而成的固體。

2. 結構：以食鹽晶體為例，每個鈉離子被____個氯離子包圍，

每個氯離子被____個鈉離子包圍。

3. 性質：

(1) 陰陽離子可連續無限堆積 → 陰陽離子個數不固定

→ 但根據所帶電荷可知陰陽離子的_________

→ 只能以__________式表達，而非分子式。

(2) 形成離子晶體時(形成離子鍵)，為____熱反應。(降溫有利於形成結晶) Na^＋_(g) + Cl－_(g) → NaCl_(s) + 熱

(反向思考：離子晶體溶解時，需打斷離子鍵，為吸熱反應) (2) 高熔、沸點、高硬度：☆☆☆

陰陽離子正負相吸的引力大，且陰陽離子又彼此緊密環繞，結構堅固，難以拆散而熔化或沸騰 例如食鹽的熔點 801℃，但糖的熔點 186℃，用家裡的瓦斯爐即可熔化蔗糖。

(3) 無延展性、易脆

(4) 易溶於水

陰、陽離子本身有較強的靜電，可和電荷分布不均的水分子互相吸引，發生水合作用，形成水 合離子，進而避免陰陽離子再度吸引在一起，

(5) 固態不導電，_________(或_________)( )和________( )可導電，

故離子化合物屬於電解質。

固態不導電原因：

液態導電原因：

水溶液態導電原因：

2-5 補充

一、離子鍵的鍵能

1. 離子鍵的鍵能定義：_____________________ 或 將陰、陽離子分離至無窮遠所需的能量。

2. 形成離子鍵的過程：以氯化鈉為例 圖示：

3. 影響離子鍵強度(鍵能大小)的因素

離子鍵屬於庫侖靜電力，電位能正比於__________

比較順序

先比_______________：電荷乘積越大，鍵能越大，離子鍵越強 鍵能：CaO____NaCl

若離子電荷乘積相同，則比_______________：離子間距離越短，鍵能越強，離子鍵越強。

鍵能：LiF___NaCl____KBr____RbI

(原子半徑大小 )

4. 鍵能的影響

(1) 鍵能越大，______越高 鍵能 MgO > CaO > LiF > NaCl 2800℃ 2587℃ 870℃ 801℃

(2) 鍵能越大，形成晶體時所放的熱越_____(晶格能越大)

補充範例

下列哪一物質的鍵能最大？ (A) KBr (B) CsI (C) MgO (D) CaS (E) RbBr。

2-6 二、晶格能

1. 晶格能定義：25℃、1atm 下由氣態離子形成 1mole 結晶所放出之能量

Na^＋_(g) + Cl－_(g) → NaCl_(s) △H=-786 kJ/mol 氯化鈉晶格能(放熱) 2. 離子晶體溶於水 NaCl_(s) → M^＋_(aq) + X－_(aq) 的步驟：

第一步：__________________ △H₁=______________(吸熱) 第二步：__________________ △H₂=______________(放熱)

若(1)｜晶格能｜>｜水合能｜△H_溶解=△H₁+△H₂ > 0 大部分鹽類屬於此情況

(2)｜晶格能｜<｜水合能｜△H_溶解=△H₁+△H₂ < 0 少部分鹽類(硫酸鹽類)屬於此情況 晶格能吸熱愈小(斷離子鍵越容易)，水合能放熱愈多(越喜歡與水作用)，

則離子晶體於水中溶解度愈大

2-7 2-3 共價鍵與分子物質

一、共價鍵(路易斯於 1916 年提出) 1. 共價鍵的形成

_______原子間藉由_________，形成穩定的八隅體結構。

此時原子間引力乃_________和__________相吸的引力，此引力即共價鍵。

以氯氣 Cl₂形成為例：

範例 4 P.51

2. 共用電子對的數量並非只可一對，也可兩對或三對，所形成的共價鍵的鍵數(或稱鍵級)有所不同 共用電子對的數目 鍵數(或鍵級) 舉例

一對 單鍵 HCl

二對 雙鍵

O₂

CO₂

三對 三鍵

N₂

C₂H₂

3. 不透過畫路易斯結構式而能計算鍵結電子對和孤電子對的方法 鍵結電子對的個數(即鍵數或鍵級)=

孤電子對的個數=

但此兩公式不適用於：含____的分子或____________的分子

範例 5 P.51

2-8 4. 畫路易斯結構的流程(自然組☆☆☆)

步 驟

範 例

NH₃ HCN(氰化氫) CO₃^2－

(1) 算出價電子總數 (2) 畫出中心原子（通

常是中間或第一個 原子）、外圍原子，

並在中心原子與外 圍原子間置一單鍵 (3) 先將電子給予外圍

原子，使其滿足八 隅體（H 僅 2 個）

(4) 再將剩餘電子給中 心原子。若中心原 子不能滿足八隅 體，則把外圍原子 的 1 或 2 對電子 給中心原子，形成 雙鍵、參鍵等多鍵

*記得同族元素有相同價電子數(He 除外)，所以同族化合物的路易斯電子點式也會相同。

例如：O 和 S 同族，H₂O 和 H₂S 結構相似。N 和 P 同族，NH₃和 PH₃結構相似。

範例 6 P.54

結構式 球-棍模型 球型填充模型(最接近真實) 畫路易斯結構練習

SiF₄ NF₃ O₃ NO NO₂ NO₂^－ NO₃^－

2-9

***同一分子，可能有多種路易斯結構，因此需要配合實驗結果，才知正確結構 CO₂為例：正確 ，錯誤 或

5. 不符合八隅體法則的例子(學測少考這些特例)

(1) 舉例： → ____________________，不符合八隅體。

說明：因符合八隅體的分子中每個園子周圍皆八個價電子(偶數)，所以價電子總和必為偶數。

若價電子總數為奇數，勢必有一個原子的周圍為奇數個價電子，則將不可能為八隅體。

(2) 中心原子連接超過 4 個原子，例如：SF₆ PCl₅

(3) 其他特例：BeCl₂ 、BCl₃

二、共價鍵長與鍵能(自然組☆☆☆) 1. 定義

鍵長：形成化學鍵後，原子核間的距離。

鍵能：打斷化學鍵所需要的能量，

例如 H_2(g) → 2H_(g)，H＝436 kJ  H－H 鍵能＝436 kJ/mol，也就是說要把 1 莫耳個氫氣分子 H₂ 的兩個 H 原子拉開來(斷鍵)，要耗費 436 kJ 的能量。

2. 同種原子間的共價鍵，鍵數越多，鍵能越___：單鍵鍵能____雙鍵鍵能____三鍵鍵能 鍵數越多，越難斷開化學鍵，例如：鍵能大小 C－C＜C＝C＜C≡C

3. 鍵數越多，其鍵長越____。

說明：鍵數越多，原子核間的鍵結電子對越____

→ 原子核(正電)與鍵結電子對(負電)的引力越___ → 原子核越靠近彼此 → 鍵長越短 4. 原子半徑越大的原子所形成的共價鍵長越____，鍵能也越_____

複習：(1) 週期表同族(垂直方向上)，越下方的元素，電子殼層越___，半徑越____。

原子半徑 Cl ___ Br ___ I → 鍵長 Cl－Cl ___ Br－Br ___ I－I

補充範例 3

下列鍵長或鍵能之比較，何者正確？ (A)鍵能：N₂＞O₂ (B)鍵能：Cl₂＞I₂ (C)鍵長：HF＞HI (D) C、C 鍵長：C₂H₄＞C₂H₆ (E)鍵長：H₂O＞H₂S

2-10 三、共振

1. 內容：一個分子或離子具有兩種或兩種以上的路易斯結構式者，稱為共振結構，以「 」表示 共振。

2. 結構：該粒子的實際結構為此數種共振結構之平均混合體，稱為「共振體」。

例如： O₃ 共振體：

SO₂ 共振體：

CO₃^2- 共振體：

3. 證據：實驗發現，共振體的鍵能及鍵長均相同，故單一結構式並不能代表實際的結構、鍵長、

鍵級。

4. 鍵級：鍵級＝共振處的總鍵數

共振處的數目 ；以表中 SO₂ 為例，其鍵級＝3 2＝11

2 補充範例 4

下列分子或離子，何者有共振結構？

(A) C₂H₄ (B) SO₃ (C) CO₂ (D) O₂ (E) NO₃^－。

2-11 補充

一、共價鍵形成時的位能變化：以氫分子為例

分階段說明

A：H 原子間距離(r)→∞，彼此無交互作用力，定此時的位能為 0。

A→B：H 原子逐漸接近，電子殼層開始發生重疊，共價賤也逐漸形成，彼此產生交互作用力(引力___

斥力)，安定性漸增，因此位能遞減，並伴隨著能量的放出。

B：______________=_______________________，因此達靜力平衡。位能上，達最低位能，

為最安定狀態，氫分子形成。此最安定狀態下，兩 H 原子核間距離(r₀=0.74

Å)定為氫分子的

補充：H₂共價鍵長的一半(0.37

Å)，稱為氫原子的___________。

B→C：H 原子核間距<r₀，共價電子雲過於密集，原子核過於靠近，導致電子與電子斥力和核與核斥 力遽增，使得斥力大於引力，形成不穩定狀態，位能也隨之遽增

二、極性共價鍵、非極性共價鍵

1. 極性的定義：________________________________

(1) 極性共價鍵

定義：_________________________________

產生原因：_______________

說明：A－B 共價分子中，若對電子的吸引力：A>B，則 A－B 的鍵結電子對會偏向 A，

此種共價鍵稱為__________。因此 A 端電荷帶__________，B 端電荷帶__________。

A－B 此電荷分布不均的組合稱為________，鍵偶極的表示方法：

例子：H₂O、HF、NH₃中，皆有明顯的極性共價鍵存在。

(回顧：週期表上獲得電子傾向的趨勢：越往____和往____，得電子傾向越強。) (2) 非極性共價鍵

A－A 共價分子中，因鍵結電子對兩端的原子核對電子的引力皆相同，使得鍵結電子對並不 偏向任一方原子，而沒有鍵結電子分布不均情況，此種共價鍵稱為非極性共價鍵。

例如 H₂、O₂、N₂、I₂等皆具有非極性共價鍵。

2-12 四、共價分子

1. 非金屬原子利用共價鍵彼此連結，可區分為兩種連結形式

(1) 不可無限連結：此類共價物質稱為__________，例如 H₂O、O₂、C₆H₁₂O₆ (2) 可無限連結：此類共價物質稱為__________，

例如：

中 文 名 化 學 式

(高中所學主要為這六個)(最好可以記起來~)

如何判斷 CO₂是分子？ → 先判斷是否為非金屬構成的共價物質 (CO₂是非金+非金) → 非上述六個網狀固體，即為分子 (CO₂非網狀，即為分子) 2. 共價分子的性質

(1) 以______式表達，例如 P₄、S₈、O₃、H₂O、H₂O₂等，各原子個數固定。

(2) 共價分子(CO₂、HCl、C₆H₁₂O₆…) 離子化合物(NaCl、KNO₃、NH₄Cl…) 延展性

熔化或沸騰時 熔點、沸點

導電性 ____態和____態不導電(共價鍵未斷) ______和______物質在_______中可 導電(共價鍵已斷而解離出陰、陽離子)

在_____態不導電(離子鍵未斷) 在_______態和_______態下可導電 (離子鍵已斷，解離出陰、陽離子)，

水溶性 不一定，例如氨氣易溶，甲烷難溶。 大部分易溶於水

小心：但若該分子式的原子個數比恰好也是最簡整數比，則此化學式也是______式 例如 H₂SO₄、H₂O、CO₂是分子式，也是簡式。

2-13 由於分子物質中，分子與分子之間並無共價鍵連 接，僅有較弱的分子間引力吸引彼此，因此分子 較容易脫離，變成氣態，造成沸點較低。

需克服分子間作用力的情況：

蔗糖溶

冰的熔化、巧克力融化

水的汽化、汽油揮發、乾冰昇華

2-14 2-4 廣狀固體

一、網狀固體

1. 網狀固體定義：非金屬原子以共價鍵連結並可連續延伸的巨大網狀結構。

2. 實例：以碳、矽、硼為主

鑽石（C） 石磨（C） 矽（Si） 石英、水晶、

瑪瑙（SiO₂）

碳化矽

（SiC） 硼（B）

提示 單層石墨稱 為石墨烯

結構類似鑽石 結構類似鑽石

3. 鑽石與石墨的比較

結 構 三維立體網狀 二維平面網狀

形 狀

正四面體 平面六角形

特 性

○¹ 透明

○² 硬度最大的物質

○³ 熔、沸點極高

○⁴ 能導熱

○¹ 黑色

○² 平面間的引力極弱，故質軟、可滑動

○³ 熔、沸點極高

○⁴ 能導電

.4. 比較

共價分子 網狀固體 離子化合物

化學式

延展性 無 無

熔化或 沸騰時

不需要斷共價鍵 僅需克服較弱的分子間 引力

需斷較強的離子鍵

熔點、沸點

導電性 固態和液態皆不導電 _____和_____可導電

在固態不導電

在___態和___態可導電

2-15 範例 1 102 學測

下列有關 H₂O、CO₂、SiO₂、MgO、Ca、Si、Br₂ 等 7 種物質，其在常溫常壓下的性質與構 造的敘述，何者正確？

(A)有 1 個物質為液體 (B)有 2 個物質為氣體 (C)有 3 個物質為固體 (D)有 2 個物質為網 狀固體

範例 2 106 學測

鑽石與石墨是碳的共價網狀固體。其中，鑽石質地堅硬，而石墨是易脆的物質。下列有關兩 者的敘述，哪些正確？（應選 3 項）

(A)石墨具有導電性，鑽石則否 (B)鑽石與石墨都是高熔點的固體 (C)鑽石是三維網狀排 列，而石墨是二維層狀排列 (D)鑽石的每個碳原子連接三個碳原子，而石墨的每個碳原子連 接四個碳原子 (E)鑽石中碳原子間連接形成的幾何結構為三角形，而石墨中碳原子間連接形 成的幾何結構為四面體形

2-16 2-5 金屬固體

一、金屬鍵

1. 金屬鍵的形成：金屬原子核對最外層價電子的引力較_____，易脫離價殼層，形成金屬陽離子。

→ 價電子的活動並不固定在同一原子上，而是穿梭於各園子的價殼層上，

稱為__________。

→ 眾多自由電子快速地穿梭在各原子間，形成_______，包圍住陽離子。

→ ________與____________間的引力(庫侖靜電力)，稱為金屬鍵。

圖示：

2. 金屬鍵存在於同種或異種(合金)金屬原子間 二、金屬特性

1. 有光澤：多為銀白色，銅為____色，金為黃色。

2. 具延展性：最佳延展性的金屬是____

3. 具導電、導熱性：

(1) 因自由電子可穿梭於整塊金屬中，傳遞電能和熱能。

(2) 最佳導電性的金屬是____

(3) 溫度升高，金屬導電性_____：因為溫度升高，金屬原子的震動加劇，影響自由電子的穿 梭，而不易電子流流動。

4. 熔點範圍大：常溫下汞(Hg)為液態(－39 ℃)，而鎢(W)熔點最高(3410℃)(熔點不用背)

金屬原子容易失去價電子，形成陽離子，由此可知金屬原子核對價電子的引力較弱。

2-17 三、化學鍵的比較

離子鍵 共價鍵 金屬鍵

組成 元素種類 引力來源

引力種類 鍵的 方向性 鍵能大小 (鍵的強弱)

構成物質 可否 連續延伸

化學式 熔、沸點 常溫下狀態

可導電

104 學測

物質可依鍵結與物理性質（如：狀態、熔點、沸點、導電性與延展性等）分類。下表為甲、乙、

丙、丁四種物質的物理性質：

物質 狀態（25 ℃） 沸點（℃） 熔點（℃） 導電性 甲 氣態 －252 －259 不導電

乙 固態 3000 153 固態時不導電，水溶液可導電 丙 固態 1420 845 固態時可導電

丁 液態 100 0 不導電

已知甲為雙原子分子，且為水分子中的一元素，則下列有關表中甲、乙、丙、丁的敘述，哪些正 確？（應選 3 項） ACD

(A)甲為共價分子 (B)乙為共價分子化合物 (C)丙為金屬 (D)丁為共價分子化合物 (E)乙與丙皆具延展性