基化一第1章

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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
℃
– 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
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目
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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
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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。
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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
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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