第三章 物質的形成及變化 3-1 物質的形成 3-2 物質的質量及計量 3-3 物質的性質 3-4 物質的變化

3-1 物質的形成

3-1A 構成物質的基本單位-原子 矽晶體表面原子。 透過精密的儀器及電腦輔助，矽晶體表面的個別矽原子已經可以被「看」到了。

原子結構的歷程 年份 研究結論 1895年 湯木生 ，研究陰極射線，證明電子荷質比 e/m = 1.76×1011 庫侖/公斤 1909年 1911年 拉塞福，提出行星式原子模型及原子核的概念 1913年 波耳，提出氫原子的行星模型， 強調核外電子有一定的軌道 1919年 拉塞福，以α粒子撞擊氮原子核而發現質子 1932年 查兌克，以α粒子撞擊鈹原子核而發現中子

原子的構造 10-10m 10-15~10-14m

原子中三種基本粒子的比較 粒子名稱 質量（克） 庫侖 單位電量 電子 9.109×10-28 -1.602×10-19 -1 質子 1.673×10-24 +1.602×10-19 +1 中子 1.675×10-24

例題 3-1 假設氦的原子核為半徑3×10-15m的圓球，其原子核的密度為多少 g/cm3? (原子量：He=4.003)

例題 3-2 若以原子核及核外電子所佔的體積來區分原子結構，可以將原子分成高密度及低密度兩個區域，試問: (1)此二區域的大小比例為何？(2)在低密度的區域能找到哪些粒子？ 解: (1)核內：核外體積比 ＝(10-15~10-14)3： (10-10)3 ＝1：1012～1015 (2) 能找到電子

科學家小傳-湯木生 (J. J. Thomson，1856~1940) 1897年，發現「電子」 證明陰極射線是由一群帶負電、具有質量的粒子所組成，而且不論使用何種金屬作陰極，這些射線都是由同樣粒子所組成。 第一位發現元素具有同位素的人，成功地從氖-20分離出氖-22。 他的學生亞斯頓受到鼓勵，致力於同位素研究，在1919年發明了「質譜儀」。

科學家小傳-道耳吞 ( John Dalton，1766-1844) 道耳吞是苦學成名的化學家及物理學家，出生於英國 他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，道耳吞對氣體和水的性質有獨到的見解 1801年，提出著名的道耳吞分壓定律 1808年，提出「原子說」

科學家小傳-拉塞福 (E. Rutherford，1871~1937) 在英國當研究生時曾受教於湯木生， 後因鑑定出α射線就是氦原子核， 獲得1908年諾貝爾化學獎。 1903年，說明α射線會受電磁場的影響而產生偏轉，由偏轉的方向證實α射線是一群帶正電荷的粒子。 1911年，用α粒子撞擊各種金屬箔片，證明原子是由帶負電的電子環繞正電的原子核所組成，據此提出原子模型。 1919年，用α粒子撞擊氮原子，發現質子。

例題 3-3 如果一個碳原子的直徑為1.5×10-10m，而自動鉛筆畫出一段寬度為0.5mm的直線，試問此線的寬度，至少需要多少個碳原子並列而成？ 解： 原子個數＝ ＝3.3×106 個

原子序與原子符號 X： 元素符號 Z： 原子序＝質子數＝中性原子核外電子數 A： 質量數＝（質子數＋中子數） A－Z： 中子數

元素表示法 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

例題 3-4 符號 中子數 6 14 12 質子數 13 10 電子數 淨電荷數 -2 +2 6 9 8 13 12

原子量 相對質量 西元1961年，IUPAC規定， 以12C原子的原子量為12.0000， 做為原子量的比較標準。

同位素(Isotope) 氫 碳 定義：原子序相同而質量數不同的原子 (H) 氕 1 (D) 氘 2 (T) 氚 3 碳-12 6 12 元素 同位素 名稱 質子數 中子數 質量數 氫 (H) 氕 1 (D) 氘 2 (T) 氚 3 碳 碳-12 6 12 碳-13 7 13 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 碳的平均原子量 ＝C-12原子量× C-12含量％+ C-13原子量× C-13含量％ ＝12 ×98.89％+13.0034 ×1.11％ ＝12.0111

原子質量單位 (atomic mass unit，amu) 1 amu=1個12C原子質量的 =

例題 3-5 鈾-235和鈾-238，兩者的原子量依序為235.04及238.12。其中鈾-235是核能電廠的燃料，如果鈾的平均原子量為238.10，試求兩種同位素在自然界的含量？ 解：設鈾-235的含量為x，鈾-238的含量為(1-x) 235.04(x)＋238.12(1-x)＝238.10 鈾-235的含量= x = 0.00649 = 0.649% 鈾-238的含量= 1-x = 99.351%

例題 3-6 下列何者必為整數？ (A)原子量 (B)質量數 (C)分子量 (D)平均原子量 質量數＝（質子數＋中子數），必為整數

量子力學的原子模型 電子是在原子核附近的空間快速運動，運動的軌跡無法被預測。但能預測電子在空間中某一點出現的機率。 軌域：電子出現在原子核外某一位置的機率，以電子雲的概念表示，電子雲越密處表示電子的出現機率越高。

原子核外電子的排列 電子繞著原子核高速運轉，其轉動方式有一定範圍層（電子殼層） n=1（K殼層） n=2（L殼層） n=3（M殼層） n=4（N殼層） n=5（O殼層）

原子核外電子分佈規則（1） 越靠近原子核的電子能量越低，離原子核越遠的電子能量越高 為了使原子達最穩定的狀態，電子的排列由能量較低的 n=1 ( K殼層)填起

原子核外電子的排列規則（2） 每一殼層最多可容納2n2個電子 n=1（K殼層） 2個電子 n=2（L殼層） 8個電子 n=3（M殼層） 18個電子

ex： 第二週期ⅠA族 核 電子組態2, 1

ex： 核 第三週期ⅠA族 電子組態2, 8, 1

ex： 核 第四週期ⅠA族 電子組態 2,8,8,1

原子序1~20的元素的電子排列情形 氫 H 1 鈉 Na 11 2,8,1 氦 He 2 鎂 Mg 12 2,8,2 鋰 Li 3 2,1 符號 電子數 電子 排列 氫 H 1 鈉 Na 11 2,8,1 氦 He 2 鎂 Mg 12 2,8,2 鋰 Li 3 2,1 鋁 Al 13 2,8,3 鈹 Be 4 2,2 矽 Si 14 2,8,4 硼 B 5 2,3 磷 P 15 2,8,5 碳 C 6 2,4 硫 S 16 2,8,6 氮 N 7 2,5 氯 Cl 17 2,8,7 氧 O 8 2,6 氬 Ar 18 2,8,8 氟 F 9 2,7 鉀 K 19 2,8,8,1 氖 Ne 10 2,8 鈣 Ca 20 2,8,8,2

原子序1-20元素之電子排列 族 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 第一週期 第二週期 第三週期 第四週期

第二、三週期元素的價電子數 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 1 2 3 4 5 6 7 8 價電子:最外層的電子 族 第二週期 第三週期 價電子數 1 2 3 4 5 6 7 8 價電子:最外層的電子

A族元素形成之化合物 氯化物 氫化物 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A +1 +2 +3 +4 -4 -3 -2 -1 LiCl 所帶電荷 +1 +2 +3 +4 -4 -3 -2 -1 化 合 物 LiCl BeCl2 BCl3 CCl4 NH3 H2O HF NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 PH3 H2S HCl KCl CaCl2

例題 3-7 下列何者為最穩定的氬原子之各層電子數？ (A)2,6,10 (B)2,8,8 (C)2,8,7,1 (D)1,8,10,1

3-1B 粒子間的作用力-化學鍵 原子 鍵結 金屬＋金屬 電子海 金屬鍵 晶格 金屬晶體 金屬＋非金屬 庫侖引力 離子鍵 晶格 離子晶體 非金屬＋非金屬 電子共用 共價鍵 無限延伸 網狀固體 分子固體 分子間作用力

常見離子顏色、化合物的化學式 符號 顏色 化學式 命名 Na+ 無 O2- Na2O 氧化鈉 Pb2+ CrO42- 黃 PbCrO4 名稱 符號 顏色 化學式 命名 鈉離子 Na+ 無 氧離子 O2- Na2O 氧化鈉 鉛離子 Pb2+ 鉻酸根 CrO42- 黃 PbCrO4 鉻酸鉛 銅離子 Cu2+ 藍 二鉻酸根 Cr2O72- 橙 CuCr2O7 二鉻酸銅 鐵離子 Fe3+ 棕 硫酸根 SO42- Fe2(SO4)3 硫酸鐵 鉻離子 Cr3+ 綠 氫氧離子 OH- Cr(OH)3 氫氧化鉻

例題 3-8 寫出氯化鈣的電子點式及化學式 解：步驟如下： Cl為非金屬，Ca為金屬，構成離子鍵 Ca的電子排列(2,8,8,2)，易失去2e-，成為Ca2+ Cl的電子排列(2,8,7)，易得到1e-，成為Cl- 因此氯化鈣中鈣、氯的個數比應為1:2， 其化學式: CaCl2 電子點式：

例題 3-9 試寫出下列各項中的兩個離子所形成的 離子化合物之化學式： (1) Al3+ 和Cl-，(2) Al3+和O2- ， (3) Mg2+和NO3- 解： (1) AlCl3或Al2Cl6 (2) Al2O3 (3) Mg(NO3)2

例題 3-10 (1)磷與氫，(2)鎂與氟，(3)碳與氯，(4)氧與鈉 PH3 MgF2 CCl4 Na2O 共價鍵 離子鍵 試寫出下列各組元素化合後所生成的化合物的化學式、電子點式，並指出他們以何種鍵結方式結合？ (1)磷與氫，(2)鎂與氟，(3)碳與氯，(4)氧與鈉 化學式 PH3 MgF2 CCl4 Na2O 鍵結方式 共價鍵 離子鍵 電子點式

3-2 物質的質量及計量

3-2A 化學式的種類 (實驗式)n 實驗式 分子式 結構式 電子點式 示性式 化學式 簡化

實驗式(簡式) 鑽石C、石墨C、矽晶Si、 石英SiO2 NaCl 、CsCl 、MgO 、CuSO4 Mg 、Fe 、Cu 、Ag 、Au 物質所含原子的種類和原子數的最簡單整數比。 連續性結構，無分子存在，僅能用實驗式表示。 網狀晶體 鑽石C、石墨C、矽晶Si、 石英SiO2 離子晶體 NaCl 、CsCl 、MgO 、CuSO4 金屬晶體 Mg 、Fe 、Cu 、Ag 、Au

3-2B 莫耳 定義：國際單位系統(SI)定義12克碳-12所 含的原子個數，稱為1莫耳（mole， 簡寫為mol） 1莫耳碳-12的個數為6.02×1023個，此數稱為亞佛加厥數(Avogadro’s number)

莫耳的應用

莫耳的計算 S.T.P. 下：1atm、0℃，1莫耳氣體所佔體積22.4公升 N.T.P. 下：1atm、25℃，1莫耳氣體所佔體積24.5公升

例題 3-11 下列各物質何者的質量最大？ （原子量 C=12，Fe=55.8） (A)0.12克碳粉 (B)1億個碳原子 (C)10-5莫耳碳原子 (D)10-5莫耳鐵原子 (A) 0.12g 質量最大 解： (A)

3-2C 濃度表示法及簡單計算 名稱 公式 重量百分率濃度(%) 體積莫耳濃度 (M) 百萬分濃度 (ppm)

例題 3-12 將0.1 mol 的HNO3溶於水，配成125 mL溶液，試問溶液中的氫離子濃度為多少M? 解：

3-2D 化學計量流程 寫出化學方程式並平衡 求已知物的莫耳數 方程式係數比 ＝反應的莫耳數比 求未知物的莫耳數 換算所要求的質量

化學計量～換算方法 已知質量 已知質量 已知 粒子數 已知質量 已知粒子數 已知氣體體積 未知質量 ×分子量 ÷分子量 已知莫耳數 未知莫耳數 未知粒子數 已知 粒子數 ÷6.02×1023 ×6.02×1023 ÷莫耳體積 ×莫耳體積 利用方程式的 係數比＝莫耳數比 未知氣體體積

限量試劑 限量試劑：反應中完全被用盡的試劑稱為限量試劑，可決定反應物的消耗量及生成物的產量。 判定方法： 找比值最小者，為限量試劑

例題 3-13 依據反應式 ，若0.3mol的N2和0.6mol的H2完全反應，最多可生成NH3若干莫耳？ 最初 反應 最末 -0.2 -0.6 +0.4 0.3 0.6 0.1 0 +0.4 H2比值最小， 為限量試劑 生成NH3 = 0.4 莫耳

3-3 物質的性質

3-3A 離子存在的證據 ～離子移動實驗 銅離子 二鉻酸根離子 藍色 橙色 往陰極移動 往陽極移動 （負極） （正極）

過錳酸鉀的導電 鉀離子 過錳酸根離子 無色 紫黑色 往陰極移動 往陽極移動 （負極） （正極）

例題 3-14 若在附有濕濾紙的載玻片上放置一顆二鉻酸銅晶體(CuCr2O7)，並通入直流電，則往陰極移動的離子應為下列何者？ (A)藍色的銅離子 (B)綠色的鉻離子 (C)無色的氧離子 (D)橙色的二鉻酸根離子 藍色 往陰極移動 （負極） 銅離子 解： (A)

寶石因含有不同離子，顯現絢麗顏色

3-3B 電解質 強酸:HCl、HNO3 、H2SO4 強鹼:NaOH 、KOH 、Ca(OH)2 強電解質 鹽類:NaCl 、KI 、KNO3 弱電解質 弱酸:CH3COOH 、H2S 、HCN 弱鹼:NH3 非電解質 蔗糖(C12H22O11) 、葡萄糖(C6H12O6) 乙醇(C2H5OH) 、丙酮(CH3COCH3)

電解質導電性的比較 固態 液態 (熔融態) 水溶液 酸 (HCl) × 鹼 (NaOH) 鹽 (NaCl) × ：不導電 ：導電

離子化合物溶於水之情形 (1) (2) (3) (4) Na+ Cl- Na+ OH- NaCl(s) Na(aq) + Cl(aq) +  水 NaOH(s) Na(aq) + OH(aq) +  水 (3) K+ NO3- (4) 2 Cu2+ SO4 2- KNO3(s) K(aq) + NO3(aq) +  水 CuSO4(s) Cu(aq) + SO(aq) 2+ 水

分子化合物溶於水之情形 (5) (6) C12H22O11 C2H5OH C12H22O11 C2H5OH 2 C12H22O11 C12H22O11(s) C12H22O11(aq) 水 C2H5OH(1) C2H5OH(aq) 水

分子化合物（電解質）溶於水之情形 (8) (7) (9) H+ Cl- CH3COOH CH3COO- H+ HCl(aq) + H2O(1) H3O(aq) + Cl(aq) +  +  CH3COOH(aq) + H2O(1) H3O(aq) + CH3COO(aq) (9) OH- NH4+ NH3 NH3(aq) + H2O(1) NH4(aq) + OH(aq) + 

3-3C 飽和溶液 飽和：當溶質無法繼續溶解於溶劑中時，其含量或濃度便不再增加，這種現象稱為飽和。 飽和溶液 過飽和溶液 未飽和溶液 過飽和溶液：當加入晶種，或攪拌，可使過量溶質結晶析出，而變為飽和溶液。

溶解度 例如：25℃時，CuSO4的溶解度為

3-3D pH值的含義及簡單計算 pH= -log〔H+〕，〔H+〕=10-pH M pH值越小，酸性越強

廣用試紙、pH儀

例題 3-15 若將1公升10-5M HCl溶液稀釋成1000升，試問稀釋後的HCl溶液，仍為酸性嗎？ 解：溶質莫耳數不變，CM1V1=CM2V2 1×10-5=CM2×1000 [H+]= CM2=10-8 但 H2O→H+ + OH- ， [H+]=10-7 所以， HCl溶液，[H+]=10-7＋10-8 ＝1.1×10-7 ＞ 10-7M 仍為酸性溶液

3-4 物質的變化

3-4A 沈澱反應 分子方程式： 離子反應式： 淨離子反應式：

沈澱-巨觀與微觀 = I- =K+ =NO3- =Pb2+

亞汞離子(Hg22+) 、亞銅離子(Cu+) 、Pb2+ 、Ag+ 、Tl+ 沈澱表 陰離子 陽離子 形成鹽類，溶解情形 鹵素 (Cl-、Br- 、I-) 亞汞離子(Hg22+) 、亞銅離子(Cu+) 、Pb2+ 、Ag+ 、Tl+ 沈澱 (其餘 可溶解) 硫酸根(SO42-) Ba2+ 、Pb2+ 、Sr2+ 、Ca2+(微溶) 鉻酸根(CrO42-) Ba2+ 、Ag+ 、Pb2+ 氫氧根(OH-) ⅠA+ 、NH4+ 、Sr2+ 、Ba2+ 可溶解 為沈澱) 碳酸根(CO32-) 磷酸根(PO43-) ⅠA+ 、NH4+ 所有陰離子 皆可溶

3-4B 酸鹼中和反應 分子方程式： 離子反應式： 淨離子反應式：

氧化還原反應必相伴發生，且得失電子數相等 3-4C 氧化還原反應 反應 狹義定義 廣義定義 實例 氧化反應 與氧化合 或失去氫 失去電子 氧化數增加 氧化還原反應必相伴發生，且得失電子數相等 還原反應 失去氧或 與氫化合 得到電子 氧化數減少 +2 +1

氧化劑、還原劑 種類 定義 實例 氧化劑 本身被還原 (氧化數減少)， 造成他物被氧化 其中Cu被氧化，為還原劑 Ag+被還原，為氧化劑 本身被氧化 (氧化數增加)，造成他物被還原 +1 +2

鋅銅電池

例題 3-16 下列何者為酸鹼反應？何者為沈澱反應？何者為氧化還原反應？ 酸鹼反應 氧化還原反應 沈澱反應

例題 3-17 將下列敘述用淨離子反應式表達出來： (1)氫氧化鋇和硫酸鉀溶液混合，產生白色的硫酸鋇沈澱。 (2)硝酸銀水溶液和鹽酸混合，產生氯化銀沈澱。 解：

例題 3-18 判斷下列哪些是氧化還原反應？ 解： (A) (B) (C) (E)

The end

湯木生-陰極射線實驗 推定電子為原子的基本粒子

拉塞福-α粒子撞擊金箔實驗 放射性元素  射線 螢光幕偵測  粒子 金箔 有些  粒子 散射 大部分  粒子 直線通過

α粒子撞擊金箔實驗結果

金屬鍵-以鈉為例 Na Na Na

金屬鍵 自由電子（電子海）與帶正電荷原子核之間的作用力 Na+

離子鍵-以氯化鈉為例 Na Cl Cl_ Na+ + 2Na(S) Cl2(g) 2NaCl(S)

鈉離子 鈉原子（Na） 11+ 11+ 失去電子 + 鈉離子（Na+ ）

氯離子 17+ 17+ 得到電子 + 氯原子（Cl） 氯離子（Cl ）

離子鍵 11+ 17+ 靜電 吸引力 鈉原子（Na） 氯原子（Cl） 鈉離子（Na+） 氯離子（Cl）

共價鍵-以碳的同素異形體為例 石墨：網狀固體 鑽石：網狀固體 富勒烯：分子固體 (C60，又稱巴克球) 奈米碳管：網狀固體

共價鍵:電子點式 鍵結電子對 ( bonding pair electron，bp ) 孤對電子對 ( lone pair electron，lp )

氯分子 17+ 17+ 氯分子（Cl2）

水分子 8+ 8+ 1+ 1+ + + 1+ 1+ 氫（H） 氧（O） 氫（H） 水（H2O）

甲烷 甲烷經光線投射所形成的結構