第三章 物質的組成及其變化

物質的形成 原子結合方式 起源 道耳吞原子說 原子不可分割嗎？ 原子的構造

道耳吞原子說 一切物質都由原子所組成－原子是組成物質之最基本粒子，不可再分割。 同種的原子，具有相同的質量和性質，不同種類的元素的原子，質量和性質不同。 不同種類元素的原子，能以簡單整數比，互相結合成化合物。 化合物分解所得的原子，與構成化合物的同種原子，性質相同。

原子的構造 原子核外的電子 （由湯木生發現） 原子核 （由拉塞福發現） 軌域 中子 質子 電子在原子核外分布情形 質量數

陰極射線 在近真空玻璃管內，通高壓電(104 V)從陰極射出不可見的射線稱之 1atm 不導電，電子被眾多氣體分子阻擋，未加速的電子無法激發氣體分子中電子 10-2 ~ 10-4 atm 氣體外層電子受撞擊產生離子而導電，內層電子被激發至高能階後掉回低能階而產生氣體發光，不同氣體呈不同色光大電流(射出的電子加上激出的電子) 10-6 atm 以下 氣體發光消失，陰極射線撞擊螢光劑 ZnS 管壁產生螢光(與TV同) 因氣體分子稀薄，電子由陰極直射陽極而導電，與氣體種類無關小電流(僅射出電子)

湯木生Electrons

α粒子散射實驗Nucleus

名稱 成 分 粒 子 實 驗 成 就 科 學 家 原子 核外《電子》 陰極射線 發現 ─《電子》 1879克魯克斯 英 Crookes 電子荷質比〈一種〉 e/m = 1.76×108Coul/g 1897湯木生 英 Thomson 核內《質子》 《中子》 a → 氮實驗 發現 ─《質子》 1919拉塞福 紐 Rutherford a → 鈹實驗 發現 ─《中子》 1932查兌克 英 Chadwick 原子模型 西瓜原子模型《無核》 1898湯木生 a 散射實驗 核原子模型 《有核》 1911拉塞福 電子→金屬靶 生不同 X-ray 建立原子序週期表 1913莫士勒 紐 Moseley

原子結構 名 稱 原子結構 組成粒子 電 性 質量(公斤) 表 示 原 子 [2r=10-10m] 電子雲 電子[e-] 負 電 名 稱 原子結構 組成粒子 電 性 質量(公斤) 表 示 原 子 [2r=10-10m] 電子雲 電子[e-] 負 電 9.11 × 10-31 化學性質 原子核 [2r = 10-15-10-14m] 質子[p] 正 電 1.673 × 10-27 元素種類 中子[n] 不帶電 1.675 × 10-27 同位素

X 元素 標示為 質量數 ( A ) = 質子數 + 中子數 = 原子量 ( 取整數 ) 質子數 ( Z ) = 原子序 = 原子核電荷數 = 電子數 ( 原子 ) 中子數 (A-Z) = 質量數 - 原子序 價 數 ( m ) = 失去或獲得電子數 個 數 ( n ) = 組成的個數

同位素：(isotope) 定義：質子數(原子序)相同而中子數不同的原子。

元素 同位素 名稱 自然界存量(%) 氫 99.999 0.001 極微量 碳 碳-12 98.892 碳-14 1.108 氧 氧-16 99.759 氧-17 0.037 氧-18 0.204 鈾 鈾-234 鈾-235 0.725 鈾-238 99.275

由同位素 39K 40K 41K 求鉀原子量： 39K 38.9637 amu × 93.2518 ％ 40K 39.9640 amu × 0.0117 ％ +) 41K 40.8618 amu × 6.7302 ％ ─────────────────── = 39.0983 amu

相 同 相 異 同位素 電子數 質子數 (原子序) 化學性質 (非核反應) 中子數 質量數 (原子量) 物理性質 39K 19 20 39 40K 21 40 41K 22 41

核外電子的排列方式 軌道說：早期科學家(拉賽福、波耳)認為電子繞核公轉，有一定的軌道。 軌域說(orbital)：現代科學家們根據理論與實驗，隨無法知道電子在核外確切位置與運動的軌跡(因為電子質量極小，運動速度又極為快速)但可以用數學方式算出電子核外出現的機率之大小，把出現機率較大的區域勾畫出來該區域即稱為軌域。

殼層(shell)：電子於核外並非隨機分佈而是有幾個固定的能量層，，依次為K，L，M，N…即最內層為K層，其餘按英文字母順序。且由內而外，每一層能量逐漸升高。 價電子(valence shell electron)：一原子內排列在最外層的電子稱之為價電子，元素的性質是由價電子決定之，而非決定於元素之總電子數。

週期 原子 K[2] L[8] M[18] N[32] 一 [2] 1H 2He 1 2 二 [8] 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne 3 4 5 6 7 8

三 [8] 11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar 2 8 1 3 4 5 6 7 四 [18] 19K 20Ca 21Sc 9 22Ti 10 23V 11 24Cr 13 25Mn 26Fe 14 27Co 15 28Ni 16 29Cu 18 30Zn

或以 表示

或以 表示

電子點式表示原子結構 由於原子的化學性質和最外層的電子關係最為密切，因此常用的表示法僅畫出最外層的電子如：

原子結合的方式 NaCl的形成 H2O的形成 例題 例題 常見各種物質的化學式

試寫出氯化鈣的電子點式表示法及化學式。 解：一般化學式可按照下列步驟書寫 Cl為非金屬，Ca為金屬，他們形成的鍵結應為離子鍵。 Ca的電子排列為2，8，8，2容易失去二個電子成為Ca2+；Cl的電子排列為2，8，7，希望得到一個電子成為Cl-。 寫出不帶電的化學式，應由一個鈣和二個氯構成，其化學式為CaCl2。 寫出化合物的電子點式

試寫出氟化氮的化學式及電子點式的表示法。 解：氮與氟的化學式可按照下列步驟完成 F為非金屬，N亦為非金屬，它們形成的鍵結應為共價鍵。 F的電子排列為2，7，若得到一個電子可成為鈍氣組態。N的電子排列為2，5需要3個電子方可成為鈍氣組態。 每個氮原子必須和三個氟原子共用電子，其化學式為NF3。 其電子點式可寫成：

化學鍵(chemical bond) 定義：原子與原子相互靠近所產生的作用力稱為化學鍵。 不同的原子具有不同的價電子數，因此靠近時可以形成不同的化學鍵。 種類：_______、_________、________。

八隅體理論(Octet rule) 不論共價鍵或離子鍵在形成穩定粒子時，各組成原子的最外層電子數都等於鄰近的惰性氣體原子的價電子數(除He以外，每個惰性氣體元素之價電子數均為8個)，亦即最為層以8個價電子為全滿，故呈安定的狀態。

共價鍵(covalent bond) 在_________與___________之間所形成的化學鍵。 非極性共價鍵：兩個_______的非金屬原子之間所形成的化學鍵。 極性共價鍵：由兩個_______的非金屬原子之間所形成的化學鍵。

Na原子與Cl原子經電子轉移後，形成帶正、負電荷的離子而相互吸引的鍵結方式稱為離子鍵。

NaCl的形成 由Na＋與Cl－形成離子鍵 NaCl(s) 離子固體

離子鍵(ionic bond) 定義：由於金屬容易失去電子形成_______；非金屬原子容易接受金屬原子所放出之電子而形成_______兩個不同的離子靠正負電荷的靜電吸引力結合在一起，該引力即為離子鍵。 含離子鍵的化合物稱之為「______________」，常溫下以固體存在稱為____________。

NaCl在固體中，每一個Cl-被6個Na+包圍 其化學式以Na+:Cl-=1:1表示為NaCl(S)此式稱為實驗式或簡式。

離子固體中離子鍵多而強，故______及______均甚高。 離子化合物是以______來表示，因為離子化合物為三度空間之連續網狀結構，沒有單獨分子存在，因此不能用分子式表示，只能以簡式(實驗式)表示，例如：NaCl即為簡式。

金屬鍵(metal bond) 金屬原子的價電子常很少，容易失去，故可以在原子間自由的移動，因量多而形成_________，這些原子失去價電子而形成帶正電荷的陽離子，但靠電子海的引力而不會互相排斥故可以形成穩定的金屬物質，該引力就是金屬鍵。

原子量的定義與發展 西元1905年國際原子能委員會決定，以自然界存在的氧訂為16.00做為原子量的比較標準；但後來發現氧的三種同位素16O、17O、18O，而這些同位素的組成也非完全固定。 西元1961年國際純粹及應用化學聯合會( IUPAC )，決定以12C同位素 = 12.0000 a.m.u.做為原子量的比較標準。

分子量為分子中所有原子的原子量總和。

克原子量、克分子量、亞佛加厥數與莫耳 克原子量為1莫耳原子的質量。 克分子量為1莫耳分子的質量。 亞佛加厥數：為一克原子量或一克分子量的任何物質，均含有6.02 × 1023 個原子或分子，此值為了紀念科學家亞佛加厥，故稱為亞佛加厥數常以N表示。

莫耳(mol) 莫耳是化學計量的「單位」，所謂的1 莫耳是含有 6.02 × 1023 個粒子

計算 ×6.02×1023個/mol 原子莫耳數mole 原子個數 重 量 × 原子量 g/mol g [分子] [分子] = 克原子數 重 量 g 原子莫耳數mole [分子] = 克原子數 原子個數 [分子] × 原子量 g/mol ÷ 原子量 g/mol ÷6.02×1023個/mol

物質的性質 物理性質：物質不生化學變化時，可由肉眼辨認、儀器測量的性質，例如：顏色、b.p.、m.p.、質量、密度、溶解度、導電、導熱性… 化學性質：物質發生化學反應時，所表現的特性，例如：可燃性、助燃性、氧化力、還原力、酸鹼性、腐蝕性…

電解質與非電解質 NaCl(aq) C12H22O11(aq) 電解質：在水溶液中可以導電的物質。 非電解質：在水溶液中不能導電的物質。

阿瑞尼士(Arrhenius) 解離說 定義：物質在水中（或熔融狀態）會釋放出帶正電的陽離子、及帶負電的陰離子時，稱為解離。 此時溶液呈電中性，代表陽離子所帶的總電量會等於陰離子所帶的總電和量。但是，溶液中陽離子數目不一定等於陰離子數目。 當溶液通電時，陽離子會往負極移動，陰離子會往正極移動。

解離 Cu2+　+　Cr2O72- 藍　　　　橙 CuCr2O7

沈澱反應 Precipition Reactions 鹽類的溶解度： 可溶：溶解度大於0.1M。 微溶：溶解度接於0.0001M與0.1M之間。 難溶：溶解度小於0.0001M。 不溶：溶解度極小。

不同的兩種電解質互相混合時，陽離子與陰離子互相吸引形成化合物，若在水中的解離度小，則析出沈澱，此現象稱為離子沈澱反應。

氯化鋇與硫酸鈉皆易溶於水，兩水溶液互相混合後，溶液中的Ba2+與SO42-互相碰撞後，會產生白色固體沈澱硫酸鋇。此種固體物質由溶液生成的過程稱為沈澱。 BaCl2(aq) + Na2SO4(aq) → BaSO4(s) + 2NaCl(aq)

離子反應式： 2Na+(aq) + SO42- + Ba2+(aq) + 2Cl-(aq) → BaSO4(s)_+ 2Na+(aq) + 2Cl-(aq) Ba2+(aq) + SO42- → BaSO4(s)_

其反應方程式為： Pb(NO3)2(aq)+ 2KI(aq) PbI2(s)+2KNO3(aq) 淨離子方程式為： Pb2+(aq) + 2I-(aq) PbI2(s)

重要的沈澱反應 AgNO3(aq) + NaCl(aq) → AgCl(s) + NaNO3(aq) Ca(OH)2(aq) + CO2(g) → CaCO3(s) Pb(NO3)2(aq) + 2KI(aq) → PbI2(s) + 2KNO3(aq)

酸鹼中和反應Acid-Base Neutralization Reactions 阿瑞尼士學說( 1887 Arrhenius ) 酸(acid)：水溶液中，游離或與水作用產生 H+的物質。 鹼(base)：水溶液中，游離或與水作用產生 OH-的物質。 鹽(salt)：由酸與鹼_中和所產生的化合物稱為鹽。如NaCl、CaCl2。

酸鹼中和反應(Acid-Base Neutralization Reactions) 水溶液中 H+ 與 OH- 反應生成 H2O 的反應。 當達到中和時，H+的莫耳數=OH-的莫耳數

其反應方程式 HCl(aq)+KOH(aq) KCl(aq)+ H2O(l)

常見指示劑 指示劑 變 色 範 圍 適用類型 橙色 IV 紅 1.3 ～ 3.2 黃 強酸－弱鹼 甲基橙 3.1 ～ 4.4 黃橙 甲基紅 4.2 ～ 6.3 石蕊 5.0 ～ 8.0 藍 強酸－強鹼 溴瑞香草藍 6.0 ～ 7.6 酚 無 8.3 ～ 10.0 強鹼－弱酸 茜素黃(R) 10.1 ～ 12.0 靛藍 靛 11.0 ～ 13.0

氧化還原反應Oxidation-Reduction Reactions 氧化數(價數) 元素單質 = 0 離子 = 帶電數 化合物總氧化數 = 0 非金屬常為：鈍氣族 ＝ 0，鹵素 ＝ - 1，氧族 ＝ - 2，氮族 ＝ - 3，碳族 ＝ - 4

I A 必為 +1 Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+ Fr + II A 必為 +2 Be+2 Mg+2 Ca+2 Sr+2 Ba+2 Ra+2 III A 必為 +3 B+3 Al+3 Ga+3 In+3 Tl+3(+1) F 必為 - 1 H 常為 +1 O 常為 - 2

氧 化 反 應 還 原 反 應 早期 與O化合 失去O [or與H化合] 電子轉移 失去電子 得到電子 氧化數變化 氧化數↑ 氧化數↓ 氧還劑 還原劑 氧化劑 氧還力 還原力 氧化力

+  + + 2NaOH(aq) Cl NaClO(aq) NaCl(aq) H O(l) 2(g) 2 由方程式可知： .aq表水溶液，s. l. g. 分別表固液氣三態 .方程式各物質的係數比，即為粒子的莫耳數比 .反應前後，原子種類數目不變，只是原子重新　排列組合，遵守質量守恆定律 由方程式不可知： .反應物是否完全反應 .無法得知反應起始莫耳數 .反應速率有多快？

解題步驟 1.列出方程式，並平衡係數 2. 反應物重量 產物重量 反應物莫耳數 產物莫耳數 依方程式係數作用

根據方程式3-5，假設有7.09公克的氯氣和過量的氫氧化鈉溶液完全反應，則會消耗多少公克的氫氧化鈉？生成多少公克的次氯酸鈉？ 解：先將氯氣的質量換成莫耳數（Cl2=70.90）， ，方程式中的係數比即為莫耳數比， 　　　　　　 （消耗的NaOH）．將NaOH 　 的莫耳數換成重量（NaOH=40.00）， ×0.200mol＝8.00g，生成的NaClO的克數為：