Transcript 基化一第1章
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 ℃ – 一定的化學組成和性質 （沸點、熔點、密度…等） – 例如：水 溫 度 （ ） 沸點固定 加熱時間（分） • 2.混合物 ℃ 非揮發性溶質之 溫 – 兩種以上的純物質混合 水溶液加熱時間 度 （ – 性質會因組成物質比例 越長，蒸發的水 ） 沸點不固定 不同而改變 越多，濃度越濃， 加熱時間（分） – 例如：糖水 沸點越高。 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） 分解 化合物 （二種以上原子構成） （化學方法） 化合物 元素 化合 燃燒 O2 電解 分解 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） 過濾 蒸餾 層析 再結晶 純化 萃取 傾析 離心 分離 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 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) 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 碳酸鈣 （固體） 水（液體） 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 磁鐵 食鹽、細砂 鐵屑 加水，再以傾析或過濾 食鹽水 蒸乾 食鹽 細砂 • 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 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 反應前 Hg 反應後 HgO Hg 反應前 反應後 空氣 空氣 Hg Hg HgO 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 體積比 2 質量比 H重 O重 =1x2 : 1 x 16 : 1 2 x 2 : 1 x 32 = 1 : 8 H2O = 1 : 2H2O 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 A B A2B3 9-3=6克 3克 A2B3 2: 1 AmBn AmBn 3 : 1 75% 25% B重量相同時， A的重量比為 AmB3 2:m = 2:3 ⇒ m = 3， Y的化學式為A3B3 ⇒ 化簡為AB 原子說 1. 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， 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 O 2.66 C O 2 C 1 乙 O 1.33 C O 1 C 1 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 1.同素異形體 O2、O3 2.同位素 12C、13C 3.倍比定律 N2O、NO 4. CO、NO 同為氧化物 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 回 •1801年，提出著名的「道耳頓 目次 分壓定律」:總壓為各個氣體分 壓和。 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 某元素的原子質量 原子量 12 C/12 某元素的原子質量 12 12 C ◆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 12C的莫耳質量為12.0000，那麼1amu為 多少克？ 1 amu = 12.0000 6.02×1023 ＝1.66×10－24g × 1 12 原子序與 元素符號 元素詳盡標示 1 1 4 2 7 3 9 4 H He Li Be 11 5 B X：元素符號 A－Z：中子數 質子數 (原子序) 中子數 電子數 質量數 1 2 3 4 5 0 2 4 5 6 1 2 3 4 5 1 4 7 9 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 (H) 氕 2H (D) 氘 3H (T) 氚 12C 碳-12 13C 碳-13 14C 碳-14 1H 氫 碳 1 1 1 6 6 6 0 1 2 6 7 8 1 2 3 12 13 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 １個 H2O 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 6.02×1023個 H2O 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） 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 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 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 汽水中的二氧 化碳為溶質 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 重量百分率濃度 (%) 體積莫耳濃度(M) 公式 溶質重 % 100% 溶液重 溶質mole CM V液 (升) 溶質重(mg) mg 百萬分濃度(ppm) ppm 溶液重(kg) L 學習Q&A 溶質質量(g) 重量百分濃度 100% 溶液質量(g) 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 100 2% m 7% 5% 100 m m=150g , 所以需要7%的食鹽水150克 例題１－６ 溶質莫耳數(mol) 體積莫耳濃度(M) 溶液體積(L) 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 溶質莫耳數( m ol) 體積莫耳濃度 溶液體積(L) 5.34 g 133.5 g / m ol 0.400 M 100 m l 1000m l / L 例題１－７ 溶質質量(mg) 溶質質量(g) 百萬分點濃度(ppm) 106 溶液質量(kg) 溶液質量(g) 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? 溶質重( g ) 0.0050 6 6 百萬分點濃度 10 10 50 ppm 溶液重( g ) 100 3.溶解度 溶質質量(克) 溶解度 溶劑質量(百克) 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。 14g CuSO 4 100g 水 • 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) 氣體的溶解度 在高溫，溶解度較大 在高溫，溶解度較小 在低溫，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。 1. 70 ℃時，要使該溶液達飽和，應加入 多少克的硝酸鉀？ 2. 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 21 32 46 64 86 110 138 (g/100g水) 138-21=117克 回 目 次 實驗2 硝酸鉀的溶解與結晶 1.實驗目的：了解 KNO3 溶解度與溫度的關係，並利用此一關係將 KNO3 作再結晶，使其與 NaCl 分離而純化。 2.實驗原理： 溶解度除了因固體溶質及溶劑種類而有所不同外，也與溫度有關。 一般溶解過程若為放熱反應，則溫度升高時，溶解度會增加，例如 硝酸鉀、硝酸鉛等在水中的溶解；但也有些鹽類在水中的溶解度卻 沒有隨溫度而有太大，例如氯化鈉、氯化鉀。 利用物質溶解度對溫度變化的差異，先使物質溶解再改變溫度讓其 結晶的方法，稱為再結晶。再結晶可用在分離兩種溶解度隨溫度改 變差異大之混合物的分離，如 KNO3 與 NaCl 的分離。 ▲ 硝酸鉀和氯化鈉溶解度與溫度關係圖 3. 實驗流程與結果： 《步驟一》 ① 加熱約 300 mL 的水。 ② 取 4 支裝有 5 mL 水的試 管，分別加入 2.0 克、4.0 克、6.0 克及 8.0 克的 KNO3。 ⑤ 隨後取出各試 管依步驟④， 記錄溫度。 3 將 4 支試管放入熱水 ○ 中，加熱至內盛的 KNO3 完全溶解。 ④ 取出澄清試管（1 號） 溶液，冷卻攪拌至出現 白色固體碎層，記錄此 時溫度。 《結果一》 5.0 mL 水溶有 KNO3 的克數 100 克水中溶有 KNO3 的克數 飽和溶液的溫度 （℃） 2.0 40 25 4.0 80 46 6.0 120 67 8.0 160 80 《步驟二》 (1) 取約 10 克的 KNO3 與 NaCl 混合物，記錄其質量，置於 100 mL 燒杯中（KNO3 與 NaCl 重量比約 3：1） 。 (2) 由步驟一所得結果推算在 75 ℃時，能使 KNO3 完全溶解 所需的最少水量。 (3) 將水加入混合物中，並以熱水浴法加熱至 80 ℃左右。 (4) 用無頸漏斗趁熱過濾（如右圖） 。 (5) 冷卻濾液（至常溫）作再結晶， 再過濾，並以冰水洗滌濾紙上的晶體。 (6) 再以丙酮沖洗晶體，烘乾並稱重。 ▲ 趁熱過濾 《結果二》 混合物質量＝10 克，使用水量＝5.5 克，結晶固體重＝3.8 克， KNO3 的收回率＝ 3.8 ＝50.67％。 7.5 4. 實驗問題討論： (1) 假設混合物中的氯化鈉在冷水及熱水中均可完全溶解，則再結晶前 後，硝酸鉀的重量百分率有何變化？ 答：由 75％提高到 100％，達到精製的目的。 █ (2) 再結晶後，硝酸鉀的回收率為多少？未能達 100％的原因為何？ 答： █ 3.8g ×100％＝50.67％ 7.5g 未能達 100％的原因有：(1)過濾時留在濾紙上。(2)附著於瓶壁。 (3)部分硝酸鉀尚溶於濾液中。(4)部分硝酸鉀溶於冰水而流失。 學習概念圖 區塊一 區塊三 區塊二 The end