第一章 物質的組成 利用高解析電子顯微鏡分析奈米金線之外觀: 為於高解析電子顯微鏡下所看見之金奈米線

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第一章 物質的組成 利用高解析電子顯微鏡分析奈米金線之外觀: 為於高解析電子顯微鏡下所看見之金奈米線 影像。 為於高解析電子顯微鏡下所看見高倍 放大之金奈米線影像。

目次 1-1 物質的分類 趣味實驗-濾紙層析 1-2 原子與分子 科學家小傳-道耳頓 1-3 原子量與分子量 科學家小傳-亞佛加厥 1-4 溶液 學習概念圖

1-1 物質的分類 1.純物質與混合物 1)以外觀分類 2)以組成分類 2.元素與化合物 3.物質的分離

1.以外觀分類(純物質與混合物) 可分為固態、液態和氣態三種。 固態物質中粒子緊密排列,有固定的體積和形狀,通常以(s)表示 液態物質有固定的體積,沒有固定的形狀,通常以(l)表示 氣態物質沒有固定的體積和形狀,通常以(g)表示

以組成分類(純物質與混合物) 1.純物質 非揮發性溶質之水溶液加熱時間越長,蒸發的水越多,濃度越濃,沸點越高。 2.混合物 一定的化學組成和性質 (沸點、熔點、密度…等) 例如:水 加熱時間(分) 溫度(℃) 沸點固定 非揮發性溶質之水溶液加熱時間越長,蒸發的水越多,濃度越濃,沸點越高。 2.混合物 兩種以上的純物質混合 性質會因組成物質比例不同而改變 例如:糖水 加熱時間(分) 溫度(℃) 沸點不固定

2.純物質(元素與化合物) 元素為僅含一種原子的純物質,無法以化學方法分解為其他物質,而化合物可利用電解、加熱等化學方法分解為其他物質。

混合物 均勻混合物 各成分粒子散布均勻 任意部分混合比例相同 水溶液為均勻混合物 不均勻混合物 各成分粒子散布不均勻 各部分混合比例不同

化合 元素 (一種原子構成) 化合物 (二種以上原子構成) 分解 (化學方法) 化合物 元素 化合 電解 燃燒 分解 O2 H2 H2O

例題1-1 常溫常壓下,有一氣體混合物,經分離得到氣體A與剩餘氣體B。氣體A的沸點固定,在空氣中燃燒後,只得到水;氣體B的沸點不固定,在空氣中燃燒後,得到二氧化碳和水。試問氣體A、B分別為混合物或純物質? A的沸點固定,是純物質,在空氣中燃燒後,只得到水,A是氫元素,B的沸點不固定,是混合物。

練習1 蔗糖、牛奶、海水、血液、鐵、氧氣、氯化鈉等物質中,區分哪些是元素、化合物、純物質或混合物? 元素:鐵、氧氣 化合物:蔗糖、氯化鈉 純物質:鐵、氧氣、蔗糖、氯化鈉 混合物:牛奶、海水、血液

3.物質的分離 純化:將雜質分離,使物質的純度變高的過程。 主要是利用各成分物質的性質差異來分離。(沸點、狀態、溶解度等) 純化 過濾 蒸餾 傾析 離心分離 萃取 再結晶 層析 純化:將雜質分離,使物質的純度變高的過程。 主要是利用各成分物質的性質差異來分離。(沸點、狀態、溶解度等)

過濾-用於分離固體和液體 實驗室用濾紙和漏斗進行過濾 磨好的豆漿,可用紗布或濾網把豆漿與豆渣分離 1 實驗室用濾紙和漏斗進行過濾 磨好的豆漿,可用紗布或濾網把豆漿與豆渣分離 2 3 自來水廠淨化水時,也常使用砂子做成的濾床除去固體雜質。

蒸餾-利用沸點不同而分離 混合物受熱時,沸點低的成分先氣化,而後使氣體冷卻,形成液體,因而與其他物質分離。(裝置圖)   混合物受熱時,沸點低的成分先氣化,而後使氣體冷卻,形成液體,因而與其他物質分離。(裝置圖) 例如:要如何把墨水中的色素與水分離,得到透明無色的水?

蒸餾-利用沸點不同而分離 可避免突沸

傾析-用於分離難溶的固體及液體 水(液體) 碳酸鈣 (固體)

離心管必須對稱放置於離心機內,關上蓋子後再啟動離心機,使離心管快速旋轉。 離心分離-可在短時間內分離混合物。 離心管必須對稱放置於離心機內,關上蓋子後再啟動離心機,使離心管快速旋轉。

萃取 利用物質在兩種互不相溶的溶劑中溶解度不同而分離

例題1-2 有一含食鹽、鐵屑及細砂的混合物,可以用什麼方法將這三種物質分離? 食鹽、鐵屑及細砂 食鹽、細砂 鐵屑 食鹽水 細砂 食鹽 磁鐵 加水,再以傾析或過濾 食鹽水 細砂 蒸乾 食鹽

再結晶 利用物質的溶解度對溫度變化的差異,先溶解而後結晶以達到純化物質的方法

層析 濾紙色層分析法 使液體帶動混合物在濾紙上移動,利用混合物中各成分物質的性質差異使其分離 回目次

趣味實驗-濾紙層析 色素賽跑

趣味實驗-濾紙層析 破解密碼 回目次

前言與質量守衡定律 1.定比定律 2.倍比定律與原子說 3.分子 1-2 原子與分子 前言與質量守衡定律 1.定比定律 2.倍比定律與原子說 3.分子

原子的早期概念 希臘哲學家德謨克利特-不可再分割的粒子 註:僅哲學思維,但事實上並無驗證

質量守恆定律 物質發生化學變化時,反應前後的總質量相等。 密閉系統 開放系統 2Hg(s) + O2(g) → 2HgO (s) 反應前 反應後 反應前 反應後 空氣 Hg Hg HgO HgO Hg 2Hg(s) + O2(g) → 2HgO (s)

1.定比定律 定比定律:同一化合物中各組成元素間的質量恆成固定的比例。 銅錢上的銅鏽和孔雀石都含有碳酸銅

2.倍比定律 兩元素生成兩種或兩種以上化合物時,若一種元素的質量固定,另一元素的質量比恆為簡單整數比

電解水 2H2 + O2 2H2O 體積比 2 : 1 質量比 2 x 2 : 1 x 32 = 1 : 8 H2O H重 O重 體積比 2 : 1 質量比 2 x 2 : 1 x 32 = 1 : 8 H2O  H重 O重 = 1 x 2 : 1 x 16 = 1 : 8

例如 1. NO 、NO2 、 N2O5 ,N的重量固定,則三化合物氧的質量比=2:4:5 2. CO 、 CO2 ,C重量固定,  則兩化合物氧的質量比=1:2

水(H2O)與過氧化氫(H2O2) 倍比定律:若氫的質量固定,水與過氧化氫中氧原子的個數比及質量比恆為 1:2

學習Q&A-Q 某化合物X之化學式為 A2B3,且 9.0 克之 A2B3中含有 3 克的 B 元素。另一僅含 AB 兩種元素之化合物兩種元素之化合物 Y中, B 之重量百分率為 25%,則 Y 之最簡單化學式可表示為?

學習Q&A-A 令Y的化學式為 AmBn A B A2B3 9-3=6克 3克 AmBn 75% 25% A B A2B3 2 : 1 3 : B重量相同時, A的重量比為 2:m = 2:3 ⇒ m = 3, Y的化學式為A3B3 ⇒ 化簡為AB AmB3

原子說 一切物質都是由微小粒子組成的,這種粒子不能再被分割成更小的粒子,稱為原子。 2. 同一種元素的原子,其質量和性質都相同;不同元素的原子,其質量和性質都不相同。(定比定律)

原子說 3. 當物質發生化學反應時,原子會重新排列,組成另一種物質。但是原子的質量不會改變,而且原子既不會消失,也不會產生新原子。(質量守恆定律) 4. 化合物是由不同種類的原子以一定的比例組成的。(倍比定律) 解釋質量守恆定律、定比定律及倍比定律

原子說-需要修正之處 原子並非最小粒子,而是由中子、質子、電子等構成。 因有同位素存在,所以同一元素原子,質量未必相同。 相同質量的原子未必為同一元素。 核反應及放射性蛻變現象的產生,可分裂或融合成新的原子。

例題1-3 已知有兩個化合物均為碳元素與氧元素結合而成, 化合物甲中每1克碳會與2.66克氧結合, 化合物乙中每1克碳會與1.33克氧結合,  化合物甲中每1克碳會與2.66克氧結合,  化合物乙中每1克碳會與1.33克氧結合, 試依道耳頓的原子說解釋其中的意義?

例題1-3 符合倍比定律 化合物 質量比 原子數比 甲 乙

練習2 已知 1 克氫氣完全燃燒時,需要 8 克的氧氣助燃,可得到 9 克的水。根據定比定律,若 2 克氫氣完全燃燒,需要多少克氧氣助燃?可得到多少克的水? 1 : 8 : 9 = 2 : x : y x=16, y=18 所以需要氧氣 16 克,得到水 18 公克

練習3 下列何組物質可用來說明道耳頓的倍比定律?(A) O2、O3 (B) 12C、13C (C) N2O、NO (D) CO、NO 回目次

科學家小傳-道耳頓 ( John Dalton,1766-1844) 道耳頓是苦學成名的化學家及 物理學家,出生於英國 最初致力於研究氣象學,發表 科學報告「氣象測驗和評論」 由於對氣象的興趣,使他對氣 體和水的性質有獨到的見解 1801年,提出著名的「道耳頓 分壓定律」:總壓為各個氣體分 壓和。 1808年,提出「原子說」 回目次

1-3 原子量與分子量 1.原子量 2.分子量 3.莫耳

3.分子 由兩個或多個原子組成 水H2O 氧氣O2 氮氣N2 回目次 C60 葡萄糖C6H12O6

1.原子量 各原子的質量相互比較所得的數值,來表示原子的質量 ◆原子量 每種元素的原子質量,與碳-12原子質量的1/12做比較所得的比值

西元1961年國際純粹化學暨應用化學聯合會(IUPAC)規定: 以12C的原子質量的1 /12為原子質量單位(amu)。

想一想 1 amu = 12C的莫耳質量為12.0000,那麼1amu為多少克? 1 12.0000 12 × 6.02×1023 =1.66×10-24g

原子序與元素符號 1 2 4 3 7 5 9 6 11 X:元素符號 A-Z:中子數 元素詳盡標示 質子數 (原子序) 中子數 電子數 質量數 1 2 4 3 7 5 9 6 11

同位素(Isotope) 定義:質子數相同而中子數不同的原子

同位素(Isotope) 元素 同位素 名稱 質子數 中子數 質量數 氫 1H (H) 氕 1 2H (D) 氘 2 3H (T) 氚 3 2H (D) 氘 2 3H (T) 氚 3 碳 12C 碳-12 6 12 13C 碳-13 7 13 14C 碳-14 8 14

平均原子量 平均原子量 =A1×a% + A2×b% + A3×c% +… A1、A2 、A3為各同位素的原子量 a%、b%、c%為各同位素在自然界中含量百分率

例題1-4 已知12C的原子量為12,13C的原子量為13.0034,而且在自然界中12C的含量占98.93%,13C含量占1.07%。碳的平均原子量為若干? 碳的平均原子量 =12C原子量× 12C含量%+ 13C原子量× 13C含量% =12 ×98.93%+13.0034 ×1.07% =11.87+0.139 ≒ 12.01

2.分子量(molecular weight) 分子中所有原子的原子量總和就是該分子的分子量。

例如 二氧化碳(CO2)分子是由兩個氧原子和一個碳原子組成,由週期表查出碳的原子量為12.01,氧的原子量為16.00,因此二氧化碳的分子量是   12.01 + 16.00 × 2 = 44.01。

3.莫耳 莫耳:任何物質的原子數目或分子數目與12克的12C 所含原子數目相等時,即為一莫耳 亞佛加厥數即為 : 6.02×1023 1個 H2O 6.02×1023個 H2O

統一原子質量單位(unified atomic mass unit,u) 莫耳質量 : 1莫耳純物質的質量。 物理學家 以16O原子質量的1/16定為原子質量單位,簡寫為1 amu,也就是以16O原子質量為16 amu 化學家 以氧的平均原子質量為16 amu 均同意以12C原子質量的1/12作為原子質量單位 統一原子質量單位(unified atomic mass unit,u) 或 道耳頓(Dalton,簡寫為Da)

統一原子質量單位(unified atomic mass unit,u) 莫耳質量 : 1莫耳純物質的質量。 統一原子質量單位(unified atomic mass unit,u) 或 道耳頓(Dalton,簡寫為Da) 1 u = 1 Da = 克 = 1.66 X 10-24 克 如此,一個16O原子的質量就可表達為15.9949 u

同為1莫耳的物質,其質量與體積各不相同(圖中燒杯質量已扣除)。 數量與重量 同為1莫耳的物質,其質量與體積各不相同(圖中燒杯質量已扣除)。

數量與重量 粉筆和原子筆的數目相等,但質量卻不相等。

例題1-5 已知葡萄糖的分子式為 C6H12O6,其莫耳質量為180.16 g / mol,試問 90.08 克的葡萄糖中含多少莫耳的葡萄糖分子?含多少個葡萄糖分子?共含多少個原子?

例題1-5 葡萄糖分子莫耳數 = 90.08/180.16= 0.5000 mol 葡萄糖分子個數 =0.5000 mol × 6.02 × 1023個/mol =3.01 × 1023個 原子總數目 =(6+12+6)× 3.01 × 1023 = 7.22 × 1024個 回目次

科學家小傳-亞佛加厥 (Amedeo Avogadro ,1776~1856) 在杜林大學(University of Turin)教授高級物理多年,研究領域包括電、比熱和毛細現象,主要工作為發展分子的概念 1811年,他由給呂薩克的氣體化合體積定律得到啟示,而提出著名的「亞佛加厥假說」 ,現稱為「亞佛加厥定律」

科學家小傳-亞佛加厥 (Amedeo Avogadro ,1776~1856) 亞佛加厥假說-在同溫、同壓下,等體積的氣體含有同數目的分子,他並由此假說進一步推論必有多原子分子氣體的存在。 回目次

1–4 溶液 1.溶液的組成 2.濃度 3.溶解度

1.溶液的組成 溶液是混合物,均勻的混合成一相。 溶液=溶質+溶劑

1.溶液的組成

溶液的狀態 汽水中的二氧化碳為溶質 溶液的狀態 例子 溶劑 溶質 氣態 空氣 氮氣 氧氣,氬氣 液態 糖水 水 糖 固態 黃銅 銅 鋅 黃銅製的樂器 (薩斯風)

溶劑的使用 水是常見的溶劑 非水溶劑:汽油、去漬油、丙酮等 丙酮為非水溶劑,可洗掉指甲油 醫療用的生理食鹽水是以水當做溶劑。

2.濃度 濃度:一定量的溶劑或溶液中所含溶質的量 名稱 公式 重量百分率濃度(%) 體積莫耳濃度(M) 百萬分濃度(ppm)

學習Q&A 濃度 2 %的食鹽水 100 克和濃度 7 %的食鹽水多少克混合,可得濃度 5 %的食鹽水? 設 7%的食鹽水質量為m克 m=150g , 所以需要7%的食鹽水150克

例題1-6 將 5.34 g的 AlCl3 溶於水,配成 100 ml 的水溶液,此溶液的體積莫耳濃度為何?

例題1-6 AlCl3 的莫耳質量為 133.5 g/mol

例題1-7 某工業廢水被檢驗出含鎘離子 0.0050 %(重量百分濃度),此廢水中鎘離子的濃度為多少 ppm?

3.溶解度 例:25℃時,CuSO4的溶解度為 溶解度: 一定溫度下,一定溶劑所能溶解溶質的最大值。 飽和溶液:  一定溫度下,一定溶劑所能溶解溶質的最大值。 飽和溶液:  一定溫度時,濃度達最大值的溶液。

溫度 VS 溶解度 固體的溶解度 (一般) 在高溫,溶解度較大 在低溫,溶解度較小 氣體的溶解度 在高溫,溶解度較小 在低溫,溶解度較大

例題1-8 附表及附圖為硝酸鉀溶液的溶解度相關數據及曲線圖,溫度為 70 ℃的某溶液中含硝酸鉀 21 克和水 100克。 70 ℃時,要使該溶液達飽和,應加入多少克的硝酸鉀? 不改變溶液濃度,應將溫度降低到多少℃才會達到飽和?

例題1-8 溫度 10 20 30 40 50 60 70 溶解度 (g/100g水) 21 32 46 64 86 110 138 138-21=117克 回目次

實驗2 硝酸鉀的溶解與結晶

學習概念圖 區塊一 區塊二 區塊三

The end