第 3 章原子和元素 Atoms and Elements

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《普通化學》 ^第十版

Chemistry ^－ An Introduction to General, Organic, & Biological Chemistry

Karen C. Timberlake

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第 3 章原子和元素 Atoms and Elements

3.1 物質的分類 3.2 元素和符號 3.3 週期表

3.4 原子

3.5 原子序與質量數 3.6 同位素與原子量 3.7 電子能階

3.8 週期趨向

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3.1 物質的分類 Classification of Matter

第 3 章原子和元素 P.72

 物質（matter）為具有質量且占有空間的物體。物質有很多的種類，我們藉由它所組成的型態將物質分類。

 純物質（pure substances）是一種具有固定或者明確成份的物質。元素（elements）是最簡單的類型，因為它們只由一種原子所組成。化合物（compounds）也是純物質，但是它們由兩種或更多種的元素以相同的比率結合所組成。

 在元素和化合物之間的一個重要的差別是，化學過程能把化合物分解成像元素那樣簡單的物質。

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圖 3.2

圖 3.1 食鹽（NaCl）分解後產生元素鈉和氯。

問：元素和化合物不同處為何？

P.73

第 3 章原子和元素

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圖 3.1

圖 3.2 組成物質的成分：元素、化合物和混合物。（a）元素銅 含有銅原子。（b）化合物水含有H₂O 分子。（c）黃銅是由銅原 子和鋅原子混和的均相混合物。（d）水中置入銅塊金屬時，這 是銅原子和水分子的非均相混合物。

問：為什麼銅和水屬於純物質，但黃銅卻是混合物？

P.74

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 在我們的日常生活中大部分的物質由混合物（mixtures）組成

（圖3.2）。在混合物裡，兩種或更多種的物質以物理方式混合

，但不是化合。在任何混合物裡，組成能夠改變。例如，兩種糖水混合物外表看起來似乎相同，但是嚐起來其中一杯較甜，

因為對水而言它含有較高比例的糖。

 因為混合物的成分間並沒有化學作用，所以混合物可利用物理過程加以分離。例如，五分的硬幣，一角的硬幣和 25 分的硬幣可藉由大小不同而分離；鐵粉與沙的混合物可用一塊磁鐵將鐵粉吸起；水煮的義大利麵可使用一只篩子將麵與水分離（圖 3.3）。

混合物（mixtures）

P.73

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圖 3.3

圖 3.3 利用一只篩子將義大利麵和水的混合物分離，此種分離 法是一種物理方法。

問：為什麼物理方法能分離混合物，但卻無法分離化合物？

P.74

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 混合物可以被歸類為均相或非均相。均相混合物（homogeneous mixture）又稱為溶液，其成分在整個樣品中是均勻分布的。空氣是最常見的均相混合物的例子，它包含氧氣和氮氣。

 非均相混合物（heterogeneous mixture）的成分在整個樣品中並非均勻分布。例如，油和水的混合物是非均相的，因為油會漂浮在水面上。非均勻混合物的其他例子包括含葡萄乾的餅乾以及聖代冰淇淋加熱巧克力醬。表 3.1 為物質分類的摘要。

混合物的型態（Types of Mixtures）

P.74

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表 3.1 物質的分類

P.75

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歐亞書局 P.75

範例 3.1 純物質與混合物

將下列物質分類成純物質（元素或化合物）或混合物（均相或非均相），說明理由。

a. 二氧化碳（CO₂） b. 加了糖的咖啡

c. 鋁 d. 漂浮冰淇淋

解

a. 純物質；化合物具有固定的元素比例。

b. 混合物；由咖啡和糖均勻組成的均相混合物。

c. 純物質；此物質是元素列表上存在的一種元素。

d. 混合物；成分不均勻分布的非均相混合物。

學習評量

將油、醋和大量的乳酪用來製作一份沙拉醬，此沙拉醬為均相或非均相？

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歐亞書局 P.76

問題物質的分類

1. 將下列純物質分類成元素或化合物，並說明理由。

a. 小蘇打 b. 氧 c.冰塊 d. 鋁箔紙

2. 將下列混合物分類成均相或非均相，並說明理由。

a. 巧克力牛奶 b. 黑莓優格 c. 藍梅鬆餅 d.洗衣精

3. 將下列物質分類成純物質（元素或化合物）或混合物（均相 或非均相），說明理由。

a. 雞湯麵 b.碳所製成的網球拍 c.鹽 d.加了檸檬片的水

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3.2 元素和符號 Elements and Symbols

 元素是構成所有物體的基本物質，元素無法再分解成更簡單之物質。表 3.2 列出一些元素名稱的來源。

 化學符號（chemical symbols）都是取其元素名稱的第一個或前兩個字母當作符號，元素符號第一個字母要大寫，若有第二個字母則小寫。如果兩個字母均大寫，則分別代表兩種不同元素的符號，例如 Co 是鈷元素的符號，而二個大寫字母的 CO 則表示兩種元素，分別為碳（C）和氧（O）。

單字母符號雙字母符號 C 碳 Co 鈷

S 硫 Si 矽 N 氮 Ne 氖

I 碘 Ni 鎳

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表 3.2 一些元素及其名稱

P.76

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表 3.3 常見元素的名稱及符號

P.77

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表 3.3 常見元素的名稱及符號(續)

P.77

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 假設你的朋友問你：「當你站在鏡子面前時，看到了什麼?」

你可能告訴她，你看到自己的頭髮、眼睛和皮膚的顏色，或是頭髮的長度和髮型，甚至雀斑或酒窩，這些描述是你物理性質的一部分。每個元素在不影響其本質之下，經過觀察或測量也可以得到一些物理特性（physical properties），包括外貌、顏色、氣味

、風味、密度、硬度、熔點和沸點。表 3.4 列出銅的物理性質。

元素的物理特性（Physical Properties of Elements）

P.78

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歐亞書局 P.78

範例 3.2 寫出化學符號

寫出下列元素的化學符號？

a. 碳 b. 氮 c. 氯 d. 銅

解

a. C b. N c. Cl d. Cu

學習評量

寫出矽、硫及銀元素的化學符號？

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表 3.4 銅元素的物理特性

P.78

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歐亞書局 P.78

範例 3.3 化學符號的元素名稱

寫出下列化學符號的元素名稱？

a. Zn b. K c. H d. Fe

解

a. 鋅 b. 鉀 c. 氫 d. 鐵

學習評量

化學符號 Mg、Al 和 F 的元素名稱為何？

(20)

歐亞書局 P.79

問題元素和符號

4. 寫出下列元素的符號：

a. 銅 b. 矽 c. 鉀 d. 氮 e. 鐵 f. 鋇 g. 鉛 h. 鍶 5. 寫出每一個符號的元素名稱：

a. C b. Cl c. I d. Hg e. F f. Ar g. Zn h. Ni 6. 下列物質含有那些元素？

a. 食鹽， NaCl b. 石膏粉， CaSO₄ c. 配西汀（ Demerol ），C₁₅H₂₂ClNO₂

d. 制酸劑，CaCO₃

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3.3 週期表 The Periodic Table

 1872 年，蘇俄化學家門得列夫（Dmitri Mendeleev）將當時已知的 60 種元素根據其相似的特性以及原子質量遞增的順序排列歸類成族。今日，我們將這些已知的元素排列為週期表（

periodic table）（圖 3.4）。

週期和族（Periods and Groups）

 表中每一橫列的元素稱為週期（period）（圖 3.5），週期表越往下，週期中元素的種類越多。週期表中每一橫列的編號，由上往下分別為第一週期到第七週期。

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圖 3.4

圖 3.4 週期表中的族和週期。

問：第三週期中鹼金屬元素的符號為何？

P.80

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圖 3.5

圖 3.5 在週期表中，每一直行的元素稱為族，每一橫列 的元素稱為週期。

問：元素 Si、P 和 S 為同一族或同一週期？

P.81

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表 3.5 維持健康的必要元素

P.81

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 週期表中的數個族具有特別名稱（圖 3.6），如 1A 族元素。此族元素（氫除外）稱為鹼金屬（alkali metals）（圖 3.7）。此族元素具有柔軟度、金屬光澤，是熱和電的良導體，且具有相對的低熔點等特性，鹼金屬和水會發生激烈反應，且當它們和氧結合後會形成白色的產物。

 2A 族元素稱為鹼土金屬（alkaline earth metals），也具有 1A 族般金屬光澤的特性，但其活性次於 1A 族。

 週期表右邊的 7A 族元素稱為鹵素（halogens），見圖 3.8。對於鹵素，尤其是氟和氯有很強的反應性，易與其他元素生成化合物。

 8A 族元素稱為惰性氣體（noble gases），它們的活性很低，且不易與其他元素形成化合物。

族的分類（Classification of Groups）

P.81

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圖 3.6

圖 3.6 週期表中某些族有特定名稱。

問：包含氦與氬元素的哪一族有何特殊名稱？

P.82

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圖 3.7

圖 3.7 鋰 (Li)、鈉 (Na)、鉀 (K) 是屬於 1A 族的鹼金屬。

問：鹼金屬元素在物理特性上有哪些共同性？

P.82

鋰 (Li) 鈉 (Na) 鉀 (K)

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 在週期表中有一鋸條齒形狀的線，將元素分為金屬（metals）

和非金屬（nonmetals），金屬元素除了氫之外，皆位於此界線的左邊，而非金屬則在右邊。

 金屬大多是具有光澤的固體，它們可做成金屬線（延性）或錘擊成扁平的薄板（展性），金屬是熱和電的良導體，熔點比非金屬高，除了汞（Hg）是液體之外，所有的金屬在室溫下均為固體

。

非金屬和金屬元素相反，它們不具有光澤、延展性，是電和熱的不良導體，而且通常是低熔點和低密度。

 沿著粗線兩旁的元素稱為類金屬，具有典型的金屬特性和非金屬的特性，例如，它們的電和熱的傳導性比非金屬更好，但不及於金屬，因為類金屬可做為導體或是絕緣體，所以類金屬又稱為半導體（semiconductors）。

金屬、非金屬和類金屬（Metals, Nonmetals, and Metalloids）

P.83

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圖 3.8

圖 3.8 7A 族的氯（Cl₂）、溴（Br₂）和碘（I₂）是鹵素。

問：哪些元素是屬於鹵素族？

P.83

(30)

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圖 3.9

圖 3.9 週期表上沿著鋸齒狀粗線的元素為類金屬，它們將金屬 與非金屬分成兩邊，它們具有金屬與非金屬的特性。

問：鋸齒狀粗線的哪一側為非金屬區？

P.83

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表 3.6 金屬、類金屬和非金屬的一些特性

P.84

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歐亞書局 P.84

範例 3.4 元素的分類

使用週期表分類下列元素，何者為金屬、非金屬或類金屬？

a. Na b. Si c. I d. Sn

解 a. Na（鈉），1A (1) 族，第三週期，鹼金屬。

b. Si（矽），4A (14) 族，第三週期，類金屬。

c. I（碘），7A (17) 族，第五週期，鹵素，非金屬。

d. Sn（錫），4A (14) 族，第五週期，金屬。

學習評量

下列週期數和族數分別代表哪個元素的名稱和符號：

a. 5A (15) 族，第三週期 b. 第二週期的惰性氣體 c. 第三週期的類金屬

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表 3.7 身體中重要的微量元素

P.85

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歐亞書局 P.85

問題週期表

7. 依據下列的敘述來確認族數或週期數：

a. 包含元素碳、氮和氧 b. 以氦為第一個元素

c. 鹼金屬 d. 以氖為最後一個元素

8. 分類下列元素是屬於鹼金屬、鹼土金屬、過渡元素、鹵素或 惰性氣體：

a. 鈣 b. 鐵 c. 氙 d. 鈉 e. 氯 9. 寫出下列敘述的元素符號：

a. 4A 族，第二週期 b. 第一週期的惰性氣體

c. 第三週期的鹼金屬 d. 2族，第四週期 e. 13族，第三週期 10. 下列敘述的元素是屬於金屬、非金屬或類金屬？

a. 鈣 b. 硫 c. 具有光澤的元素 d. 熱的不良導體 e. 位於 7A 族 f. 磷 g. 硼 h. 銀

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3.4 原子 ^{The Atom}

 週期表中所列的全部元素都是由原子組成的，原子（atom）是元素的最小粒子，並保有元素的特性。

 道耳吞原子學說（Dalton’s Atomic Theory）

1. 所有物質是由許多不能分割的微小粒子（稱為原子）組成。

2. 相同元素的組成原子都一樣，不同元素的組成原子則相異。

3. 化合物是由不同元素的原子相結合而成，同種化合物是由種 類相同的各種原子所組成，且同種化合物中的同種元素具有相同的原子數。

4. 化學反應只是原子的重新排列組合，原子從未在化學反應中 被創造或破壞。

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圖 3.10

圖 3.10 石墨是碳的一種形式，這是以掃描穿隧式顯微鏡放大百萬倍的影像。此種儀器可以產生原子結構的影像。圓形的黃色物體即為原子。

問：要看到這些原子為何需使用放大倍數極高的顯微鏡？

P.87

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原子的電荷（Electrical Charges in an Atom）

 在 1800 年代末期，越來越多的證據指出，原子並非是堅實球體，而是由更小的質點稱為次原子粒子（subatomic particles）所組成。次原子粒子被發現是因為有些物質帶有電荷，有的帶正電荷，有的帶負電荷。

 當兩個同性電荷互相接近時，它們會產生排斥而互相遠離，

。相反地，當兩個異性電荷靠近時，則會互相吸引，如圖 3.11 所示。

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圖 3.11

圖 3.11 同性電荷相斥且異性電荷相吸。

問：在原子核內的質子為何會吸引電子？

P.87

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原子結構（Structure of the Atom）

 1897 年，英國物理學家湯姆森（J. J. Thomson）認為陰極射線實際上是被正電極所吸引的細小粒子流，利用異性電荷相吸原理，湯姆森知道這些粒子一定帶負電，在更進一步的實驗後，這些粒子被稱為電子（electrons），它的尺寸比原子小，質量也非常的小。因為原子是中性的，科學家不久又發現原子內含有另一種帶正電的粒子叫做質子（protons），

它的質量比電子還要重。

 1911 年，拉塞福進行金箔實驗，他以帶正電的粒子撞擊一片很薄的金箔（圖3.12），推論質子位於原子內部帶正電的區域，此區域為原子的核心稱為原子核（nucleus）。

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原子結構（Structure of the Atom）

 科學家發現原子核的重量比質子還要重，核內應該還有另一種次原子粒子，最後他們發現核內的另一種不帶電的中性粒子叫做中子（neutron），因此原子核的質量取決於其質子和中子質量的總和（圖3.13）。

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圖 3.12

圖 3.12 (a) 帶正電粒子朝金箔撞擊。(b) 接近原子核而來的粒 子會偏離原來直行的路徑。

問：當大部分的粒子都未偏斜兒穿透金箔時，為何有部分的粒子卻轉向反彈回來？

P.88

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原子的質量（Mass of the Atom）

 次原子粒子的質量非常微小，質子和中子質量約略相同，約為 1.7 × 10^–24公克，而電子質量則更小。因為次原子粒子的質量極微小，所以化學家使用微小的質量單位稱為原子質量單位（atomic mass unit；amu）。

 1個 amu 定義為碳原子（包含 6 個質子和 6 個中子）質量的十二分之一，其他原子的質量則與此一標準比較。在生物學中，原子質量單位稱為道耳吞（dalton），藉以紀念道耳吞。

 在 amu 的度量等級裡，每個質子或中子的質量約為 1 amu，因為電子的質量過於微小，所以在原子質量的計算中，通常可以忽略不計。表 3.8 歸納出原子中次原子粒子的資料。

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圖 3.13

圖 3.13 在原子內，質子和中子位於極小體積的原子核中

，它們相當於核的質量。電子則位於原子核的外圍，並佔據了原子大部分的體積。

問：為什麼原子所在的空間大部分是空的？

P.89

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表 3.8 原子中的各種粒子

P.89

(45)

歐亞書局 P.89

範例 3.5 確認次原子粒子

下列陳述是否正確或錯誤？

a.質子比電子重。

b.質子會被中子吸引。

c.電子太小了所以沒有帶電荷。

d.原子核內包含原子所有的質子和中子。

解

a. 正確

b. 錯誤，質子會被電子吸引。

c.錯誤，電子帶1－的電荷。

d. 正確

學習評量

原子核佔有原子大部分的體積，這句話正確嗎？

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歐亞書局 P.90

問題原子

11. 藉由下列的敘述，何者為質子、中子或電子？

a. 有最小的質量 b. 帶1＋的正電荷 c. 在原子核外被發現 d. 呈電中性

12. 拉塞福的金箔實驗告訴我們，原子內之次原子粒子的架構為 何？

13. 下列陳述是否正確或錯誤？

a. 一個質子和一個電子帶有相反的電荷。

b. 原子核具有原子大部分的質量。

c. 電子間彼此互相排斥。 d. 質子會被中子吸引。

14. 在乾燥日子裡，當你梳理頭髮時會飄揚起來，此現象如何解 釋？

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3.5 原子序與質量數 Atomic Number and Mass Number

 原子序（atomic number）等於原子的原子核中所含之質子數。

原子序＝原子的質子數

週期表是依據原子序的順序由小到大排列，而在週期表中原子序是寫在元素符號上方的整數。

 現在我們知道質子和中子決定了原子核的質量，對任何原子而言，質量數（mass number）等於原子核內的質子數與中子數的總和。

質量數＝質子數＋中子數

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歐亞書局 ^{第 3 章} ^{原子和元素} P.90

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歐亞書局 P.91

範例 3.6 使用原子序找出質子數和電子數

利用圖 3.4 的週期表，寫出下列各元素之原子的原子序、質子 數及電子數：

a. 氮 b. 鎂 c. 溴 解

a. 原子序 7；質子數 7；電子數 7

b. 原子序 12；質子數 12；電子數 12 c. 原子序 35；質子數 35；電子數 35 學習評量

考慮某個具有 26 個電子的原子。

a.原子核內有多少個質子？

b. 原子序是多少？

c. 元素名稱及元素符號？

(50)

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表 3.9 不同元素的原子組成

P.92

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歐亞書局 P.92

範例 3.7 計算質子數、中子數和電子數

鐵原子的質量數是 56，試求出鐵原子的下列數值：

a. 質子數 b. 中子數 c. 電子數 解

a. 根據週期表，鐵的原子序是 26，質子數＝原子序＝ 26。

b. 因為質量數＝中子數＋原子序，所以原子的中子數等於質 量數減去原子序，故中子數是 30。

質量數－原子序＝中子數 56 － 26 ＝ 30

c. 因為原子呈電中性，也就是電子數等於質子數，故鐵原子有 26 個電子。

學習評量

溴原子的質量數是 80，請問其原子核內有幾個中子？

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歐亞書局 P.92

問題原子序和質量數

15. 請使用原子序、質量數或二者來表示下列敘述？

a. 原子內的質子數 b. 原子內的中子數 c. 原子核內的粒子數

d. 電中性原子內的電子數

16. 依照下列的原子序，寫出元素的名稱和符號：

a. 3 b. 9 c. 20 d. 30 e. 10 f. 14 g. 53 h. 8

(53)

歐亞書局 P.93

問題原子序和質量數

17. 下列電中性原子內，各有多少的質子數？

a. 鎂 b. 鋅 c. 碘 d. 鉀

18. 以電中性原子而言，完成下列表格。

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3.6 同位素與原子量 Isotopes and Atomic Mass

 同位素（isotopes）是指具有不同中子數的同種元素。例如，

鎂原子的質子數是 12，然而有些鎂原子的中子數是 12、13、14

，這些不同的中子數造成其質量數的不同，但是它們的化學行為則相同，雖然這三種鎂的同位素有相同原子序，而質量數卻不同

。

在週期表中，原子序寫在元素符號的上方，但是為了區分同一元素的各種同位素，我們另外以原子符號（atomic symbol）來表示，符號的左上角標示出原子的質量數，左下角為原子序。還有一種表示法，為先寫元素名稱或符號，其後再寫出質量數，如表 3.10 所示。

(55)

歐亞書局 ^{第 3 章} ^{原子和元素} P.93

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歐亞書局第 3 章原子和元素 P.94

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表 3.10 鎂的同位素

P.94

(58)

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範例 3.8 確認同位素中的質子數和中子數

寫出下列各種氖（Ne）同位素中的質子數和中子數：

解

氖的原子序是 10，因此每種同位素有 10 個質子。各種同位素 的中子數等於其質量數減去原子序，即質量數＝中子數＋原子序，中子數＝質量數－原子序。

a. 10 個質子；10 個中子（20 － 10）

b. 10 個質子；11 個中子（21 － 10）

c. 10 個質子；12 個中子（22 － 10）

學習評量

寫出下列同位素的原子符號：

a. 具有8個中子的氮原子 b. 含有20個質子和22個中子的原子 c. 質量數 27 且有 14 個中子的原子。

(59)

(60)

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原子量（Atomic Mass）

 在實驗室裡，科學家所使用樣本中的各種元素都含有很多的原子，而這些原子則含有質量不同的各種同位素，為了讓實驗時能夠有一定的質量可使用，化學家使用每種元素之「平均原子」的質量，此平均原子所具有的原子量（atomic mass），是指此元素在自然界中所有同位素的平均質量，這也是在週期表中每個元素符號下方的數值。

 為了決定元素的原子量，元素所有同位素所佔的比例與質量數必須先由實驗來測定。表 3.11 列出一些元素的同位素和其原子量

。

P.95

(61)

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表 3.11 一些元素的原子量

P.96

(62)

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範例 3.9 平均原子量

鎂在自然界中含有三種同位素，²⁴Mg 、²⁵Mg 和 ²⁶Mg，利用週 期表上的原子量可得知，在鎂的樣本中，何種鎂的同位素最為普遍？

解

在週期表中鎂的原子量是 24.3，表示 ²⁴Mg 是最普遍的。

學習評量

假若銅含有二種同位素，⁶³Cu 和 ⁶⁵Cu，請問在銅樣本中，⁶³Cu 和 ⁶⁵Cu 何者居多？

12 12 12

12

29 29 29

29

(63)

歐亞書局 P.96

問題同位素與原子量

19. 下列同位素的質子數、中子數和電子數各為多少？

20. 寫出下列同位素的原子符號：

a. 15 個質子和 16 個中子 b. 35 個質子和 45 個中子 c. 13 個電子和 14 個中子 d. 具有 18 個中子的氯原子 e. 具有122個中子的汞原子

21. 硫元素有 4 種同位素，其質量數分別為 32、33、34 和 36。

a. 寫出每種同位素的原子符號。

b. 這些同位素有什麼相同處？

c. 這些同位素有什麼不同處？

d. 為什麼列在週期表上之硫原子量不是整數呢？

e. 何種硫的同位素為含量最大者？

(64)

歐亞書局

3.7 電子能階 Electron Energy Levels

 電子在原子所在的廣大空間內不停的移動，即電子具有能量。

然而所有電子的能量不盡相同，類似能量的電子會聚集在相同的能階（energy levels）上。在原子中，電子只存在於有效的能階內

，通常最靠近原子核而含有電子的能階，其能量最低，然而距原子核較遠而含有電子的能階，其能量則較高。

每個能階能容納的最大電子數可使用公式 2n²加以計算，其中 n 表示主要能階的編號。

 原子核外圍的空間中，電子最有可能被發現的區域稱為軌域（

orbital），每個軌域最多能容納 2 個電子。有數種不同的軌域類型

，s 軌域是球形的，以原子核為中心，每個電子能階僅有一個 s 軌 域。

(65)

(66)

(67)

歐亞書局

表 3.12 各能階之電子容量

P.97

(68)

歐亞書局

表 3.13 前 18 個元素內各能階的電子排列

(69)

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範例 3.10 寫出各能階的電子排列

寫出下列各元素在各能階的電子排列：

a. 氧 b. 氯 解

a. 氧的原子序為8，因此氧有8個電子，其電子排列為：2個電子 填滿第1能階，剩餘的6個電

子則填入第2能階。

2 ,6

b. 氯原子有17個質子和17個電子，其17個電子的排列為：2個電 子填滿第1能階，8個電子填滿第2能階，剩餘的7個電子則填入第3能階。

2 ,8 ,7

學習評量

何種元素具有下列的電子排列？ 2 ,8 ,2

(70)

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能階的變化（Energy-Level Change）

原子內的某些電子吸收了相當於能階差的一定量能量後，它們會跳躍至更高的能階上，之後這些電子落回更低、更穩定的能階時，能量又會被釋放出（圖 3.14），如果這個能量釋放在可見光的區域，我們可以在可見光譜上看見顏色。例如，鈉燈和氖燈就是原子中的電子先吸收能量，然後再釋放出能量顯現出黃色及紅色光的例子。

(71)

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圖 3.14

圖 3.14 火焰的熱提供了能量給鍶和 鋇原子裡的電子，使電子跳躍到更高的能階中。當電子落回更低的能階時，能量被釋放在可見光的範圍內，發出紅色與綠色的光。

問：為何鋇和鍶的電子可以跳躍至更高的能階？

P.100

(72)

歐亞書局 P.100

問題電子能階

22. 請解釋電子存在於特定能階的理由。

23. 下列元素在第 2 能階內各有多少電子？

a. 鈉 b. 氮 c. 硫 d. 氦 e. 氯

24. 寫出下列元素的電子排列：

例如：鈉 2, 8, 1

a. 碳 b. 氬 c. 硫 d. 矽

e. 具有 13 個質子和 14 個中子的原子 f. 氮

(73)

歐亞書局 P.101

問題電子能階

25. 使用下列的電子排列來確認元素：

能階： 1 2 3 a. 2 1

b. 2 8 2 c. 1

d. 2 8 7 e. 2 6

26. 選出正確的用詞。當電子（吸收／釋放）光時，電子可以跳 躍至更高的能階中。

(74)

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3.8 週期趨向 Electron Energy Levels

族數與價電子（Group Number and Valence Electrons）

 化學家發現元素所表現的化學性特主要來自於價電子，也就是位於最外層能階上的電子。在每一直行裡，1A~8A的族數代表每一個元素的價層（最外層）電子數。

 電子點符號（electron-dot symbol）是一種表示價電子的便利方法，價電子以點的方式，可以寫在元素符號的兩邊、上面或下面

，對於這四個邊你要點在哪一邊那並不重要，而是 1 到 4 個價電子通常是以單一點的方式排列，當超過 4 個價電子時，電子才開始成對，以下是具有 2 個價電子的鎂原子，每一個電子點符號都是正確的：

(75)

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表 3.14 一些典型元素之電子能階中的電子排列

P.102

(76)

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範例 3.11 族數的應用

使用週期表寫出以下各元素的族數及最外層能階的電子數：

a. 鈉 b.硫 c.鋁 解

a. 鈉元素在 1A（1）族；鈉最外層有 1 個電子 b. 硫元素在 6A（16）族；硫最外層有 6 個電子 c. 鋁元素在 3A（13）族；鋁最外層有 3 個電子

學習評量

寫出第三能階中含有 5 個電子的原子名稱、元素符號及族數？

(77)

(78)

歐亞書局

表 3.15 週期 1-4 中數種元素的電子點符號

P.103

(79)

歐亞書局

範例 3.12 寫出電子點符號

寫出下列元素的電子點符號：

a. 溴 b. 鋁 解

a. 因為溴的族數是 7A（17），所以溴有 7 個價電子。

b. 鋁是 3A（13）族，有 3 個價電子。

學習評量

試繪出磷的電子點符號？

(80)

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圖 3.15

圖 3.15 同一族，越往下原子半徑增加。同一週期，由左至右原子半徑減少。

問：為何同一族，越往下原子半徑會增加？

P.104

(81)

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游離能（Ionization Energy）

 由於原子核對電子的吸引力，使得電子束缚在原子內，因此，

從一個原子中移除一個電子是需要能量的。游離能是從氣態（g）

原子中除去一個最小束缚的電子所需之能量。當一個電子從中性原子中被移走，生成的粒子叫做陽離子，帶著 1＋的電荷。

Na（g）＋游離能 → Na^＋（g）＋ e^－

 在同一族中，越往下游離能越小（圖3.16）。電子離原子核越遠，對原子核的吸引力越小，因此移除電子所需的能量越少。在同一週期內，由左至右游離能逐漸增加。在同一週期內，原子核內的正電荷增加，因此移除電子需要更多的能量。一般而言，金屬的游離能較低，而非金屬的游離能較高。

(82)

(83)

歐亞書局

圖 3.16

圖 3.16 在同一族中，越往下游離能越小。在同一週期內，

由左至右游離能逐漸增加。

問：為何 F 的游離能比 Cl 的游離能大？

P.105

(84)

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範例 3.13 游離能

指出下列元素何者有較高的游離能，並說明理由。

a. K 或 Na b. Mg 或 Cl c. F、N或C 解

a. Na，因為鈉的價電子與原子核較接近。

b.

Cl，在同一週期內，由左至右原子核對價電子的吸引力遞增

。

c.

F，氟比氮有更多的質子，因此移除氟的價電子需要更多的 能量。

學習評量

將 Sn、Sr 及 I 的游離能由小到大排序。

(85)

歐亞書局 P.106

問題週期趨向

27. 硼元素和鋁元素在週期表上屬於同一族。

a. 寫出硼元素和鋁元素的電子組態。

b. 每個原子的最外層電子能階內有多少個價電子？

c. 此兩種元素屬於哪一族？

28. 下列每一個元素之最外層電子能階內的電子數及族數各為何？

例如：氟 7e^–； 7A（17 ）族

a. 鎂 b. 氯 c. 氧 d. 氮 e. 鋇 f. 溴 29. 為什麼鎂、鈣和鍶有類似的性質？

30. 寫出下列元素的族數及電子點符號：

a. 硫 b. 氮 c. 鈣 d. 鈉 e. 鉀

(86)

歐亞書局 P.106

問題週期趨向

31. 假設符號 M 為金屬原子，繪出下列兩族金屬原子的電子點 符號： a. 1A（1）族 b. 2A（2）族

32. 鹼金屬在週期表中為相同的一群，它們的族數為何？各有多少 個價電子？

33. 將下列每一組元素的原子半徑由大到小排序。

a. Al、Si、 Mg b. Cl、Br、I c. I、Sb、Sr 34. 選出下列每一組元素中較大的原子。

a. Na 或 Cl b. Na 或 Rb c. Na 或 Mg 35. 將下列每一組元素的游離能由小到大排序。

a. F、Cl、Br b. Na、Cl、Al c. Na、K、Cs 36. 選出下列每一組元素具有較高游離能的原子。

a. Br 或 I b. Mg 或Sr c. Si 或 P

第 3 章 原子和元素 Atoms and Elements

《 普 通 化 學 》 第十版

Chemistry － An Introduction to General, Organic, & Biological Chemistry

Karen C. Timberlake

第 3 章 原子和元素 Atoms and Elements

3.1 物質的分類 3.2 元素和符號 3.3 週期表

3.4 原子

3.5 原子序與質量數 3.6 同位素與原子量 3.7 電子能階

3.8 週期趨向

3.1 物質的分類 Classification of Matter

範例 3.1 純物質與混合物

問題 物質的分類

3.2 元素和符號 Elements and Symbols

範例 3.2 寫出化學符號

範例 3.3 化學符號的元素名稱

問題 元素和符號

3.3 週期表 The Periodic Table

範例 3.4 元素的分類

問題 週期表

3.4 原子 The Atom

範例 3.5 確認次原子粒子

問題 原子

3.5 原子序與質量數 Atomic Number and Mass Number

範例 3.6 使用原子序找出質子數和電子數

範例 3.7 計算質子數、中子數和電子數

問題 原子序和質量數

問題 原子序和質量數

3.6 同位素與原子量 Isotopes and Atomic Mass

範例 3.8 確認同位素中的質子數和中子數

範例 3.9 平均原子量

問題 同位素與原子量

3.7 電子能階 Electron Energy Levels

範例 3.10 寫出各能階的電子排列

問題 電子能階

問題 電子能階

3.8 週期趨向 Electron Energy Levels

範例 3.11 族數的應用

範例 3.12 寫出電子點符號

範例 3.13 游離能

b.

c.

問題 週期趨向

問題 週期趨向

第 3 章原子和元素 Atoms and Elements

《普通化學》 ^第十版

Chemistry ^－ An Introduction to General, Organic, & Biological Chemistry

第 3 章原子和元素 Atoms and Elements

問題物質的分類

問題元素和符號

問題週期表

3.4 原子 ^{The Atom}

問題原子

問題原子序和質量數

問題原子序和質量數

問題同位素與原子量

問題電子能階

問題電子能階

問題週期趨向

問題週期趨向