物質科學_化學篇(上) 第一章 原子的結構與元素週期表

物質科學_化學篇(上)

第一章 原子的結構與元素週期表

1-1 原子說

1. AD 1803，英國人道耳吞( Dalton )提出了原子說，內容如下：

(1) 所有的物質都是由極小的微粒所組成，此一微粒稱為原子。

(2) 原子為最小的粒子，不可再分割。

(3) 同一元素所含的原子，其性質與質量均相同；反之，不同的元素的 原子，其性質和質量則不相同。

(4) 不同元素原子形成化合物時，原子間的比例為一固定的簡單整數比。

(5) 化學反應只是物質中原子的重新排列，原子並未被破壞或碎裂成小 的粒子。

2. 從現在物質科學的觀點，道耳吞的原子說必須作下列部份的修正：

(1) 原子並非不可再分割，由湯木生發現原子中的電子、拉塞福發現原 子核、質子以及查兌克發現中子，就證明原子是由電子、質子以及 中子組成的，不是不可再分割的粒子。

(2) 由質譜儀測得同一元素原子具有不同的 e / m 值 ，發現了同位素的 存在，說明了同一元素原子的質量不一定相同。

(3) 一般的化學反應時，原子僅發生重新排列、組合；但發生核反應時，

原子會產生破裂或是重合，而由一種原子轉變成另一種原子。

3. 原子說可解釋了當時三個定律：質量不滅定律、定比定律以及倍比定律。

(1) 質量不滅定律是法人拉瓦節提出的，即化學反應前後總質量不會增 加也不會減少。以原子說「化學反應只是物質中原子的重新排列」

來解釋，反應前的原子總數 = 反應後原子的總數，因為各種原子的 個數不變，質量自然不變。

(2) 定比定律：組成一個化合物的各種原子個數成一固定的比值，例如 水(H2O)，不論來源如何，其 H：O = 2：1，所以定比定律又稱定組 成定律。

(3) 倍比定律：由幾種不同元素原子所組成的一系列化合物中，若是固 定一系列化合物中某一種原子的個數，則其他原子在不同化合物中 將成一簡單整數比。例如：由 N 及 O 所組成的一系列可能的化合物

NO2、NO、N2O，若是固定 O 的個數為 1 時，(即 N1/2O、NO、N2O) 則三個化合物中的 N 比值將為 1：2：4 。( 1/2：1：2)

1-2 原子的結構

電子：電量為-1.602 ×10^-19庫侖。質量 9.11 ×10^-31 公斤，為質子的 1/1836 倍。

原子 質子：電量為+1.602×10^-19庫侖 質量為 1.673×10^-27公斤 原子核

中子：不帶電

質量為 1.675×10^-27公斤

1. 電子的發現：

(1) 19 世紀的科學家已經提出了電流是一種帶電粒子的流動，並命名為

電子。

(2) AD 1879，英國人克魯克(W. Crookes)以低壓(幾乎真空)的玻璃管內接 高壓電，發現了陰極射線。

(3) AD 1897，湯木生(J.J. Thomson) 認為陰極射線就是電子，而且 是原子的一部份。湯木生也提 出了電子的電荷與質量比值( e

/ me ) = -1.76 ×10¹¹庫侖/公斤。

(4) AD 1909美國人密立坎( R.A.Millikan)設計了油滴實驗，測出電子的 基本單位( e ) = -1.602×10^-19庫侖。

(5) 由 e / me值和 e 值可算出電子的質量 me = 9.11×10^-31公斤。

2. 原子核的發現：

(1) AD 1911英國人拉塞福 (E. Rutherford)以α粒子( He²⁺)撞擊金箔, 發 現大部份的α粒子都直線通過，有少數α粒子產生不同角度的偏 折，極少數α粒子反彈回去。拉塞福由此推論出原子的中心含有體 積極小但質量極大(相對於α粒子)且與α粒子同樣帶正電的原子核 存在。

(2) 湯木生提出的原子模型為一帶正

電的物質球中散佈著帶負電的電子，如同葡萄乾鑲嵌在麵包上。但 以湯木生的原子模型根本無法解釋α粒子撞擊金箔的現象。

拉塞福的原子模型認為原子

(3) 的結構應是原子中心有一個帶正電的原

(4) AD 1919拉塞福再從α粒子撞擊氮原子而發現了質子。以α粒子撞 擊其他如硼、氟、磷、鋁等原子都可得性質相同的質子，確定質子 為原子核的組成粒子。 ，其中 為α粒子，^11H 質子。

(5) AD 1932英國人查兌克由α粒子撞擊鈹的實驗，發現原子核中有一 種質量幾乎與質子相同但不帶電的基本粒子，稱為中子。如此一來 恰可以推翻當時認為原子核僅由帶正電的質子所組成卻無法解釋原

3. 原子序和質量數

(1) 原子核中所含的質子數稱為原子序，又因原子為電中性，所以原子 子核，核外則散佈著帶負電的電子繞核迴轉。← 行星原子模型

H O He

N ₂^{4 17}_{8 1}¹

14

7 + → + ₂⁴He 為

子的電中性現象。^{49Be+24He→126C+01n}，其中⁰¹ⁿ為中子。

序等於質子數也等於電子數。

原子核內所含的質子數 稱為質量 ，質量數 相當

接近原子

(2) 與中子數的總和 數 是

量的正整數，但不等於原子量。

：

(4)

1-3 原子 1. 波耳的

使電子繞

(2)

(3) 波耳認為：

(3) 元素符號的表示方法如：_Z^A

X

常見的同位數

的軌域：

氫原子模型

(1) 若依拉塞福的行星原子模型，電子繞核運轉將消耗的能量

轉半徑愈來愈小，最後撞入原子核而消滅，而所放出的光譜也應是 連續光譜，因此拉塞福的行星原子模型並無法解釋實際的情形。

波耳提出了氫原子的原子模型，保留部份拉塞福的行星原子模型加 入能量量子化以及物質波的概念。

(a) 電子只待在特定的軌道上運動，並將軌道由小到大用n = 1、2、

3 、…編號。

(b) 電子在不同軌道上具有不同的能量，用 ^2.179 ₂^{10 18} En n

× −

−

= 焦耳來代

表第n 個軌道上的能量。(僅適用於單電子原子，如 H、He⁺)

(c) 電子可由外界吸收能量而由低階躍升至高階，所吸收之能量相當 於兩能階之能量差，即 △E = EH 電子由高階降至低 階，則會釋放出能量。此能量常

以光的形式被吸收或放出。

2. 氫 (1)

n = 2

(3) 電子 階降至n = 3 外光。

– EL ；反之，

原 光譜：

電子由n ＞1 的各能階降至n = 1 時，因放出能量而產生不同頻率的 子

電磁波，這組光譜稱為來曼光譜。

屬於紫外光。

，這組光譜稱為巴耳麥光譜。屬於

，這組光譜稱為帕申光譜。屬於紅 (2) 電子由n ＞2 的各能階降至

可見光。

由n ＞3 的各能

3. 原子

(1) 波 依

跡

(2) AD 1926 量子力學被提出，修正了波耳的原子模型理論。量子力學 模型如下：

(a) 電子除具有粒子性外，亦具有波動性。

(b) 電子並非單純地在特定軌道上運轉，而是繞原子核附近的區域內

~95%機率的空間代表原子軌域。

小，當 值愈大，軌域的範圍就 大。n =1、2、3、…依序代表第 二主層、…分別用 K、L、M、…表示。

狀。 = 0,1,2 …,( -1)。 =0，軌

形； = 1 p，軌

形狀是 鈴形； =2 軌域的名稱是 d，軌域的形狀是花瓣形。

軌域理論：

耳的原子軌道理論並無法完整地解釋多電子原子的實際情形，

行星原子模型所說，電子是依特定軌道繞核運轉，但事實上電子軌 是無法預測，因此軌道觀念被修正為軌域(orbital)較符合實際。

作高速運動。電子分佈在空間各處的機率稱為軌域，通常以電子 雲 90%

(3) 量子數：

(a) 主量子數 ( n )：決定軌域的大 愈大，電子在軌域中的能量也愈 一主層、第

n

(b) 角量子數 (

A

A A

n

，軌域的名稱是

A

啞

A

旋量子數(

s

s

將原子中的電子所佔有的軌域，依能量由低至高的次序寫下其符號 各軌域中所含的電子數目寫在其符號的右上角，這種表示法叫做電子組

(c) 磁量子數 (

m

m

A

A

A

(d) 1-4 電子組態：

1. ，再將

的軌域。如氫原子中的電子組態由 1s¹變成 2s¹(或 3s¹、…)。

態。例如氖10Ne：1s²2s²2p⁶。

(1) 基態( ground state)

電子，所以氫原子的基態為

(2) 激態(excited state)

：電子處於能量最低的軌域，如氫原子只有一個

1s¹；氦有兩個電子，所以基態為 1s²。

：電子受外界能量激發而由基態躍升至較高能階

2. 多電子 遵

(1) 構築原理(aufbou or building up principle)

(a) 電子進入軌域的順序必須由較低能階開始填入，漸至高能階。

(b) 對單電子能階而言，能階的高低完全依照主量子數( n )來決定。

(2)

的電子組態，應 循三項原則：

：

n=4

(c) 對多電子原子而言，能階的高低必須同時考慮主量子數( n )及 角量子數(

A

A

庖立不相容原理 (Pouli exclusion principle)：

4s○ 4p○○○ 4d○○○○○ 4f○○○○○○○

單電子原子的能階高低決定於主量子 3s○

2s○

1s○

3p○○○

2p○○○

3d○○○○○

n=1 n=2 n=3

(a) 一個軌域最多只能填入兩個電子，多餘的電子則依序填入更高能

個軌域中的兩個電子，其自旋方向必相反。(自旋方向相反 子，兩者間因磁場相反而能量降低，使系統更穩定。)

(3) 罕德定則(Hund’s rule)：

(a) 電子要填入同能階的同型軌域(如 2px,2py,2pz)時，必須先以 的自旋方式填入不同方向的軌域成半滿狀態，待所有同型軌 達半滿後，再填入第二個電子達到全滿。

(b) ：6C：1s²2s²2px 12py

1而非 1s²2s²2px 2 。

(c) 原子的電子組態必須遵守罕德定則，否則即為激發態。

1-5 元素與週期：

1. 價電子： 應所涉及的電子大都

是外層

2. 鈍氣族的最外層電子組態為ns p (氦是ns 例外 最穩定，稱為 8 電子層 穩定結構，若其他原子的電子組態也能形成類似鈍氣族外層，也必定可以 達到較穩定的狀態。

3. 如鋰 1s²2s¹) Na(1s²2s²2p⁶3s¹)、鉀 K(1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹)的最外層為 1個電子，若移去此電子使原子成為帶一個正電的離子(Li⁺,Na⁺,K⁺)，則最 外層的電子組態就類似鈍氣族，可達到較穩定的狀態。同樣地，氟 F

(1 ²3p⁶4s²4p⁵)最外層比

階的軌域。如2He：1s², 3Li：1s²2s¹。

(b) 同一 的電

數個 相同 域都 例如 基態

原子最外層的電子稱為價電子，一般化學反 的價電子，所以價電子決定原子的化性。

2n ^{6 2} )

、鈉 Li(

s²2s²2p⁵)、氯 Cl(1s²2s²2p⁶3s²3p⁵)、溴 Br(1s²2s²2p⁶3s

鈍氣族

(F^¯,Cl^¯,Br ，可達到較穩定的狀態。

4. 週期表

(1) 俄國 且

AD 1869提出元素週期律。

(2)

用的

(a) 週期，十八族。

族元素，分別代表 含 及非金屬。

為ns np (氦是ns²例

。過渡元素離子常具有顏色。

少一個電子，因此若可得到 1 個電子而變成帶一個負電的離子

¯ )，則最外層的電子組態就類似鈍氣族

：

人門得列夫首先以原子量的大小，將元素作一系列排列，並 得到其相關的週期性，在

英國莫士勒在 AD 1913 提出以原子序排列的週期表，即為現今所使 週期表。其內容如下：

週期表中橫列為週期，縱列為族，週期表共有七個

(b) 主族元素：週期表上第 1,2,13,14,15,16,17,18

Ⅰ A , Ⅱ A,ⅢA,ⅣA,Ⅴ A,ⅥA,ⅦA,ⅧA，即所謂的 A 族元素，包 金屬

(c) 惰性元素：週期表最後一族(第 18 族)，全部是單原子氣體，化 性不活潑，故稱為鈍氣。最外層電子組態 ^{2 6}

外)。

(d) 過渡元素：週期表中第 3~12 族，為 B 族元素，最外層電子組態 為ns 及 n )( − d1

(e) 內過渡元素：鑭系及錒系元素，其電子已涉及 f 軌域。

(3) 元素的週期性：元素的化性與週期性經常是相關聯的。

(a) 原子序增加時，其原子量呈遞增現象。

(b) 同族原子直徑隨原子序增大而增大，因為n 值愈大，軌域愈大。

例如原子直徑：Li＜Na＜K＜Rb＜Cs。

(c) 同週期的主族元素之直徑，隨原子序增大而減少，因為同週期中 由左至右核內質子數逐漸增加，對外層電子吸引力大，故原子直

大而減小，

(f)

(g) 金屬性由上而下漸增；酸性及非金屬性漸減。

(4)

課後練習：

一. 單一選擇

1、( ) 密 )測

徑減小。例如：Na＞Mg＞Al＞Si＞P＞S＞Cl＞Ar。

(d) 電子數相等的各種離子或原子的半徑，隨原子序的增

因為原子序愈大，核正電荷數愈多，吸引力愈大，故半徑愈小。

例如：Na ⁺＞Mg⁺²＞Al⁺³。

(e) 同一元素，電子愈多者，半徑愈大，因為電子數愈多，電子互斥 所佔的空間變大。例如：Na＞Na ⁺，Cl^¯＞Cl。

同一週期，酸性及非金屬性由左而右漸增；鹼性及金屬性漸減。

同族元素，鹼性及

項

立坎油滴實驗的目的為(A)測定原子半徑 (B 定電子的大小 (C)

測定原 的電荷量 【65 三專】

2、( ) 有

子量 (D)測定原子核之大小 (E)測定電子

關原子電子組態的下列敘述何者正確？(A)電子在原子核周圍，按 規則運動，有時候接近原子核，有時候遠離原子核 (B)愈內層 原子核引力愈大，其位能愈高 (C)電子像地球繞太陽

照一定

電子受 般在原子

核

3、( ) 主量

(D)3d 【86 日大(自)】

4、( ) 波 】

5、( ) 下列那一種現象，顯示出原子內電子能階的不連續性？(A)原子質譜 譜

子

6、( 波耳電子結構理論的下列敘述何者錯誤

周圍一定的軌域上運行 (D)電子可處於任何能態 【78 夜大(自)】

子數 n 為 3，角量子數^A為 2 之原子軌域為何？(A)3p (B)3s (C)2p

耳氫原子模型中，最低能量之軌道其 n 為(A)2 (B)0 (C)1 (D)1/2【82

線 (B)拉塞福實驗中，α粒子撞擊金箔原子後的大角度散射 (C)原 放射光譜譜線 (D)元素的週期性 【82 日大(自)】

) 有關 ？(A)電子在軌道上運動

時具有一定的能量 (B)電子吸收能量躍遷至較高能階的狀態叫做激發 態 (C)電子在 n=0 的軌道時，所具有的能量最小 (D)電子從較高能階

回到較低能階時，放出能量 【80 夜大(自)】

7、( ) 氫原子中的電子會發生轉移而改變能量狀態。下列何種轉移放出波 長最長的光？(n 為主量子數)(A)由 n=3 至 n=2 (B)由 n=3 至 n=1 (C)由

至 n=1 (D)由 n=2 至 n=3 【71 日大(自)】

性原子之電子組態，那一個最不活潑？(A)1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

2 2 6 2 6 1 2

s^{2 6 2 6 2} s^{2 6 2 6 2}

(E)1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s² 【61 日大(自)】

n=2

8、( ) 下列為中

(B)1s 2s 2p 3s 3p 4s (C)1s 2 2p 3s 3p (D)1s 2 2p 3s 3p 4s

9、( ) 下列原子的電子組態何者不正確？(A)Na 1s²2s²2px 22py

22pz

23s¹ (B)Be 1s²2s² (C)N 1s²2s²2px

12py 12pz

1 (D)O 1s²2s²2px 22 10、( )

11、(

py

2 【77 夜大(自)】

某原子基態的電子組態最高能量的軌域及所含電子數為 3d⁶，則該原 子的原子序為(A)24 (B)26 (C)22 (D)20 【81 日大(自)】

) 下列敘述何者錯誤？(A)p 軌域的電子，分別在 x,y,z 三個互相垂直的

軌域內約兩電子自轉方向必相反 (C)當主量子數

】 軸，呈啞鈴狀的分布，各稱為 px,py,pz軌域 (B)庖立(Pauli)不相容原理

是同一 n=4，該主層

最多電子數為 32 (D)根據罕德(Hund)定則，碳的電子組態為 1s²2s²2px 2【77 12、( ) 依據庖立不相容原理，下列電子組態何者不存在？(A)1s²1s²2p⁶3s³

(B)1s²2s²2p⁶3s²3p³ (C)1s²2s²2p⁴ (D)1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ 【79 夜大(自 ) 下列電子組態中何者不是

)】

13、( 基態的電子組態？(A)1s²2s¹2p³ (B)1s²2s²2p²

14、(

15、( 敘述何者錯誤

(C)1s²2s¹ (D)1s²2s²2p⁵ 【80 夜大(自)】

) 下列何者違反罕德定則(Hund’s rule)？(A)px 1py

1pz

1 (B)px 2py

0pz 0

(C)px 2py

1pz

1 (D)px 1py

0pz

1 【83 夜大(自)】

) 下列有關多電子原子軌域的 ？(A)電子在

子核外 核外循著一定 軌道做圓周運動 (B)電子填入 d 軌域的 B 族元素叫過渡元素 (C)有些 原子 4s 軌域的能量較 3d 軌域的能量為低 (D)同一主殼的不同副層的

能量不一樣 【83 夜大(自)】

16、( ) 某原子 M 的價電子組態為 6s²6p²，則該原子(A)在主量子數 n=5 的殼 層有 22 個電子 (B)元素符號為 Pb (C)原子序為 68 (D)M²⁺的原

電子數為 84 【80 三專】

某一原子的最外層及次外層的電子組態為

17、( ) 5s²，則

18、( )

4s²4p⁶ 該原子為(A)Ba (B)Se (C)Cs (D)Sr 【78 三專】

下列電子組態中，那一種為活性金屬原子之電子組態？(A)1s²2s²2p⁶3s¹

(B)1s²2s²2p¹ (C)1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ (D)1s²2s²2 19、(

p⁶3s²3p⁶ 【62 日大(自)】

) 有關碳的下列敘述何者不正確？(A)碳和矽是同族元素 (B)碳原子在 原子核內有 6 個質子 (C)碳在週期表上的位置屬於第ⅣA 族、第二週 期 (D)碳原子易在最外殼層獲得 4 個電子變成四價陰離子【78 夜大(自)】

20、( ) 某元素之原子序比氬之原子序多 6，則其基態之電子組態為 (A)1 2 2 3 3 3 (B)1s² s² p⁶ s² p⁵ d^{7 2} s² p⁶ s² p⁶ s² p⁴ s²2s^{2 6} s^{2 6 6} (D)1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹ 【66 日大(自)】

21、( ) 下列有關電子組態的敘述，何者不正確

s 2 2 3 3 4 4 (C)1 2p 3 3p 3d

？(A)30Zn^2＋的電子組態為

[Ar]3d¹⁰ (B)27Co的電子組態為[Ar]3d⁷4s² (C)具[Ar]4s¹電子組態的元素 為鹼金屬 (D)[Ne]3s²3p¹電子組態的元素為非金屬 【86 日大(自)】

22、( ) 下列各組中，原子或離子半徑大小之比較，何組正確？

二. 多重選擇題

23、( ) ¹⁶O與¹⁸O有相同的(A)質量 (B)價電子組態 (C)化學性質 (D)

中子數 (E)質子數 【87 推廣教育】

24、( ) 下列那些原子軌域不能

(A)Ar>S^2->Ca²⁺>Cl^->K⁺ (B)Ca²⁺>K⁺>Ar>Cl^->S^2-

(C)Cl^->Ar>S^2->K⁺>Ca²⁺ (D)S^2->Cl^->Ar>K⁺>Ca²⁺ 【66 夜大(自)】

存在？(A)8s (B)2p (C)3d (D)3f (E)2d【80】

25、( 下列有 ) 關原子結構的敘述，何者正確？

時，軌域的形狀是球形 (C)對同一 n 值

(A)同一族中，價電子之主量子數愈大，原子之半徑也愈大 (B)

角量子數為 1 的各軌域其

能量大小的順序是：s＜p＜d＜f (D)根據庖立不相容原理，6s³的 電子組態不存在 (E)鋁原子中，三個 3p 軌域的能階相同 【83】

26、( ) 以量子力學模型描述原子結構時，下列敘述何者正確？(A)主 量子數 n=3 的主層中，共含有 6 個軌域 (B)副層能量大小順序 為：4s>4p>4d>4f (C)主量子數 n 值愈大，軌域的範圍也愈大 (D) 主量子數 n=3 的主層中，最多可容納 18 個電子 【7

)

下列敘述何者是波耳原子理論的假設？(A)氫原子只有一個電 9三專】

27、(

子，氫原子光譜只有一條 (B)電子可以在一組特定能階(穩定狀 態)之一存在而不輻射 (C)電子繞核作圓周運動時，因有加速度 而放出輻射 (D)電子由低能階躍遷至高能階時，吸收一定頻率的 輻射能 (E)必須不斷供給能量以維持電子在高能階運動 【72】

28、( ) 某中性原子之電子組態為 1s 2s 2p 3s ，則^{2 2 5 1} 下列敘述何者正確？ )此原

10 (C)此原子應獲得能量變為 1s²2s²2p⁶組態 (D)此種組態並非最 安定者 (E)此原子的價電子數為 1 個 【64】

29、( ) 下列各組中，原子或離子半徑大小之比較，何組正確

(A)此電子的 1s 和 2s 軌域均已填滿電子 (B 子之原子序為

？

+>Na⁺ (C)Li⁺>Na⁺ (D)F^->Na⁺ (

(A)Mg²⁺>Na⁺ (B)Cs E)Cr²⁺>Cr³⁺

30、( ) 根據目前所普遍被接受的週期表來預測尚未發現的超鈾元素，

則有關週期表第七列最右一個元素的敘述，何者正確？(A)其性

31、(

育】

32、(

素 (

答案

一. 單一選擇項

1、( E ) 2、( A ) 3、( D ) 4、( C ) 5、( C ) 6、( C ) 7、( A ) 8、( C )

9、( D ) 10、( B ) 11、( D ) 12、( A ) 13、( A ) 14、( B ) 15、( A ) 16、( B ) 17、( D ) 18、( A ) 19、( D ) 20、( D ) 21、( D ) 22、( D )

二. 多重選擇題

質與鈾相似 (B)其價電子的電子組態應為 7s²7p⁶ (C)應屬不具放 射性的惰性氣體 (D)中性原子的電子數為 116 (E)其正二價離子

的質子數為 118 【87 日大(自)】

) 考古學家以測量碳-14 (14C)來鑑定古生物年代，此方法是依 據碳-14 具有下列何種性質？(A)高反應性 (B)無放射性 (C)半 生期(5730 年) (D)有放射性 (E)取自生物天然食物鏈【86 推廣教

) 下列有關電子和原子的敘述，何者正確？(A)湯木生利用質譜 儀測量各元素原子的質量數，並發現元素的同位 B)同一族 中，價電子的主量子數愈大，原子的半徑也愈大 (C)由原子放射 光譜譜線顯示出原子內電子能階不具連續性 (D)由陰極射線的 實驗結果推定電子為原子所含的基本粒子 (E)根據波耳原子理 論，電子由一能階轉移到另一距原子核較遠的能階時會釋放能量

23、( BCE ) 2 29、( BDE )

4、( DE ) 25、( ACDE ) 26、( CD ) 27、( BD ) 28、( ABD ) 30、( BE ) 31、( CDE ) 32、( ABCD )