第 二 章
第二章 第二章
原子構造與元素週期表 原子構造與元素週期表
第二章 第二章
原子構造與元素週期表
原子構造與元素週期表
目次 目次 目次 目次
1. 原子結構 1. 原子結構
2. 原子中的電子排列 2. 原子中的電子排列 3. 元素週期表 3. 元素週期表
4. 元素性質的規律性 4. 元素性質的規律性
2 2 –1 –1 原子結構 原子結構 2 2 –1 –1 原子結構 原子結構
1. 電子的發現 2. 原子模型
3. 原子核與原子序
電子的發現 電子的發現 電子的發現 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 一萬伏特的高電壓一萬伏特的高電壓,同時以 幫浦將管內的氣體抽到接近 真空時,即可看到從放電管真空 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。
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」 「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
。
湯姆森 湯姆森
((Joseph John Thomson Joseph John Thomson
,,1856 1856
~~1940 1940
,英,英 國)國)湯姆森 湯姆森
((Joseph John Thomson Joseph John Thomson
,,1856 1856
~~1940 1940
,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
((e e
//m m
):):
1.759 ×10 1.759 ×10 11 11
庫侖/公斤(庫侖/公斤(C C
//k k
g g
))++++++
++++++
------
------
密立坎 密立坎
((
Robert Andrews Millikan Robert Andrews Millikan
,,1868 1868
~~1953 1953
美美 國)國)密立坎 密立坎
((
Robert Andrews Millikan Robert Andrews Millikan
,,1868 1868
~~1953 1953
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
例題 例題 2-1 2-1 例題 例題 2-1 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
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 頁圖 2-2 2-2 中陰極射線射向陽極時, 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 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
電量的若干倍數
練習 練習 1 1 計算電子的質量 計算電子的質量 練習 練習 1 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 ×10 1.759 ×10 11 11
庫侖/公斤庫侖/公斤((
C/kg C/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 × 10 1.602 × 10 - - 19 19
庫侖庫侖公斤 公斤 庫倫
庫倫 - 31 11
19
10 9.109
/ 10
759 .
1
10 602
. 1
/
m e
m e
電子的質量 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 ?
原子模型 原子模型 原子模型 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)
拉塞福的碳原子模型示意圖 拉塞福的碳原子模型示意圖 拉塞福的碳原子模型示意圖 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 -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 環繞帶正電的原子核所組成,原子核體積 極小 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。
質子及中子的發現 質子及中子的發現 質子及中子的發現 質子及中子的發現
19191919 年年
拉塞福拉塞福 使用使用 αα 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 19321932
年年
查兌克查兌克
( ( James James Chadwick
Chadwick , , 1891 1891 ~ ~ 1974 1974 ,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
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
原子的大小
原子的大小
原子的大小
拉塞福 拉塞福
((
Ernest Rutherford Ernest Rutherford
,,1871 1871
~~1937 1937
))拉塞福 拉塞福
((
Ernest Rutherford Ernest Rutherford
,,1871 1871
~~1937 1937
))• 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
1908 1908
年諾貝爾化學獎。年諾貝爾化學獎。•
1903 1903
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。
•
1911 1911
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。
•
1919 1919
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。
•
1920 1920
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。原子核與原子序 原子核與原子序 原子核與原子序 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
元素標示法 元素標示法 元素標示法 元素標示法
表示為 所形成的雙原子陰離子 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
17
O
8
17 O
8
-2 2 17
8
O
同位素 同位素 -質子數相同,中子數不同 -質子數相同,中子數不同
同位素 同位素 -質子數相同,中子數不同 -質子數相同,中子數不同
例題 例題 2-2 2-2 例題 例題 2-2 2-2
• 重水( D 重水( D 2 2 O O , heavy , heavy water)
water) 在核分裂反應 在核分裂反應 中常用作中子的減速 中常用作中子的減速 劑。若重水分子的氧 劑。若重水分子的氧 為 為 16 16 8 8 O O ,一個重水分 ,一個重水分 子中含有若干個質子 子中含有若干個質子
、中子和電子?
、中子和電子?
質子 質子 中子 中子 電子 電子 O O 8 8 8 8 8 8
D D 2 2 1x2 1 x2 1x2 1 x2 1x2 1 x2
D D 2 2 O O 10 10 10 10 10 10
回目 次
2 2 –2 –2 原子中的電子排列 原子中的電子排列 2 2 –2 –2 原子中的電子排列 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
電子在原子核外如何分佈?
電子在原子核外如何分佈?
電子在原子核外如何分佈?
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。
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
電子的分布
電子的分布 -由低能階→高能階填入 -由低能階→高能階填入
電子的分布
電子的分布 -由低能階→高能階填入 -由低能階→高能階填入
殼層 殼層 K K L L M M N N …… ……
填入最多的電子數
填入最多的電子數 2 2 8 8 8 8 18 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 - -
元素的電子排列方式 元素的電子排列方式 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 - -
核核e e - - Al Al
電子排列記為(2,8,3) 電子排列記為(2,8,3)原子序=13,K層有2個電子,L層有8個電 原子序=13,K層有2個電子,L層有8個電 子,M層有3個電子
子,M層有3個電子
例題 例題 2-3 2-3 例題 例題 2-3 2-3
試寫出鋰(原子序
試寫出鋰(原子序 =3 =3 ) )
、、氟(原子序 氟(原子序 =9 =9 ) )
、氖、氖(原子序 (原子序 =10 =10 ) )
、、氬(原子序 氬(原子序 =18 =18 )等原子之電 )等原子之電 子等原子分布於
子等原子分布於 (K,L,M) (K,L,M) 層的排列方式 層的排列方式 。 。
鋰 鋰 2,1,0 2,1,0
氟 氟 2,7,0 2,7,0
氖 氖 2,8,0 2,8,0
氬 氬 2,8,8 2,8,8
事實上,電子並非做圓周運動,
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 事實上,電子並非做圓周運動,
事實上,電子並非做圓周運動,
電子是以電子雲 電子是以 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 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-
路易斯電子點式 路易斯電子點式 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 - -
F
F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
門得列夫的週期表 門得列夫的週期表 門得列夫的週期表 門得列夫的週期表
依 原子量大小排列 原子量
1834~1927,
俄國原子序 原子序 1~20 1~20 元素的電子點式 元素的電子點式 原子序 原子序 1~20 1~20 元素的電子點式 元素的電子點式
族數 族數 價電 價電 子數 子數
Ⅰ Ⅰ A A 1 1
Ⅱ Ⅱ A A 2 2
Ⅲ Ⅲ A A 3 3
Ⅳ Ⅳ A A 4 4
Ⅴ Ⅴ A A 5 5
Ⅵ Ⅵ A A 6 6
Ⅶ Ⅶ A A 7 7
Ⅷ Ⅷ A A 8 8
A A 族元素:價電子數=族數 族元素:價電子數=族數
例題 例題 2-4 2-4 例題 例題 2-4 2-4
某原子在K層有
某原子在K層有 2 2 個電子, 個電子, L L 層有 層有 8 8 個電子, 個電子, M M 層 層 ( ( 最外層 最外層 ) ) 有 有 6 6 個電子,該原子的中子數比質子數多 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32 32 16 16 S S
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=
33 33
(D) 質子排列 , 改為電子排列電子排列(E)
33 33 16 16 S S
與32 32 16 16 S S
為同位素同位素 , 化學性質相似回目 次
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
門得列夫預測
門得列夫預測 鎵 鎵 和 和 鍺 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 值現今的週期表 現今的週期表 現今的週期表 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 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 原子序
排列排列族族
週期週期
同族元素 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
惰性氣體化性穩定 惰性氣體化性穩定 惰性氣體化性穩定 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 +1 價 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 -1 價 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 Na
e e - - e e - -
e e - -
e e - -
e e - - e e - -
e e - -
e e - -
核核e e - -
9 9 F F - -
e e - -
10 10 Ne Ne
( ( 八隅體規則 八隅體規則 ) )
+ +
例題 例題 2-5 2-5 例題 例題 2-5 2-5
1. 1. A A 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. C C 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. D D 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 ?
2 2 –4 –4 元素性質的規律性 元素性質的規律性 2 2 –4 –4 元素性質的規律性 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 .
金屬的特性 金屬的特性 金屬的特性 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 銫
、、鎵外。 鎵外。
金屬 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 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
鈉金屬形成鈉離子並與氯離子化合的示意圖
金屬氧化物 金屬氧化物 金屬氧化物 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
2O Mg(OH)
2MgO
K
2
O(s)
+ H2
O(l)
→ 2 KOH(aq)
CaO(s)
+ H2
O(l)
→ Ca(OH)2(aq)
非金屬的特性 非金屬的特性 非金屬的特性 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(但石墨及及半導體半導體可導電)。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
同素異形體 同素異形體 同素異形體 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。 物質。
Ex: Ex: 金剛石、石墨、巴克球 金剛石、石墨、巴克球 (C (C 60 60 ) )
GIMP
非金屬氧化物溶於水呈
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 酸雨 pH<5.0 pH<5.0
(aq) (l)
(g)
(aq) (l)
(g)
4 2
2 3
3 2
2 2
SO H
O H
SO
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
類金屬 類金屬 -半導體 -半導體
類金屬 類金屬 -半導體 -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。
• PP 型型 :: 矽晶體參入矽晶體參入ⅢⅢ AA 元素元素 ((例例 如如 :B):B)
• NN 型型 :: 矽晶體參入矽晶體參入ⅤⅤ 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
元素性質的規律性 元素性質的規律性 元素性質的規律性 元素性質的規律性
• 同一週期 同一 週期 失去電子的傾向: 失去電子的傾向:
隨原子序增大 隨 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: 失去電子的傾向:
隨原子序增大 隨 原子序增大 (由上而下)逐漸增強 (由上而下)逐漸增 強 例如: 例如: Na Na > > Mg Mg > > Al Al > > Si Si > > P P > > S S > > Cl Cl
例如: 例如: Ca Ca > > Mg Mg > > Be Be
週期表規律性的整理
週期表規律性的整理
週期表規律性的整理
週期表規律性的整理
例題 例題 2-7 2-7 例題 例題 2-7 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17 17
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ⅢⅢ AA 族的價電子數為族的價電子數為