Transcript 基化一第2章

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第二章
原子構造與元素週期表
週期表建構了堅實巧妙的元素王國，經
由週期表，可以窺知哪些元素具有共同
的特性，甚至能預測未知元素的性質。
目次
2-1 原子結構
科學家小傳－密立坎
科學家小傳－拉塞福
2-2 原子中的電子排列
2-3 元素週期表
2-4 元素性質的規律性
學習概念圖
2-1 原子結構
1.電子的發現
2.拉塞福原子模型
3.原子核與原子序
電子的發現
1.1879 年 ， 克 魯 克 斯 （ William Crooks ，
1832～1919，英國）發現塗有螢光劑的氣
體放電管（gas discharge tube）中有著特
殊的現象，在此氣體放電管兩端的電極施
以約一萬伏特的高電壓，同時以幫浦將管
內的氣體抽到接近真空時，即可看到從放
電管的陰極產生一束射線打在其對面管壁，
進而發出螢光，此束射線稱為陰極射線
（cathode ray）。(裝置圖)
2.陰極射線的軌跡為直線，也具有動能。
陰
極
射
線
裝
置
陰極射線在電
場中(左圖)及磁
場(於下頁陳述)
中皆可產生偏
轉
陰極射線經過電場時其
軌跡偏向正極，表示陰
極射線帶負電。
陰極射線為帶
負電的粒子
「電子」
陰極射線在電
場中(於上頁陳述)
及磁場(左圖)中
皆可產生偏轉
白色端為磁鐵的S極 紅色端為磁鐵的N極
加入磁場後，陰極射線產生
偏轉（安培右手定則），表
示陰極射線為帶電粒子。
陰極射線為帶
負電的粒子
「電子」
湯姆森
（Joseph John Thomson，1856～1940，英國）
改變陰極材質，發現陰極射線（電子）
的荷質比均為相同數值
荷質比charge-mass ratio（e／m）：
1.759 ×1011庫侖／公斤（C／kg）
例題 2-1
下列有關電子的敍述，何者正確？
(A)從密立坎油滴實驗中，可證明電子與光線
相似並具有波動性
(B)陰極射線帶正電
(C)在課本45頁圖2-2中陰極射線射向陽極時
，其運動軌跡僅受重力影響而往下方偏移
(D)在密立坎的油滴實驗中，油滴的電量是電
子電量的若干倍數
答： (Ｄ)
(Ａ)說明了電子具有粒子性；
(Ｂ)陰極射線即是電子，帶負電；
(Ｃ)陰極射線受電場影響，軌跡偏向電場
中的正極移動；
(Ｄ)可將各油滴電量取最大公因數即是電
子電量。
練習1 計算電子的質量
依據湯姆森所測得電子荷質比及密立坎
所測得的電子電量估算,一個電子的質量
為多少克?
練習1 計算電子的質量
湯姆森，陰極射線
荷質比charge-mass ratio（e/m）
1.759 ×1011庫侖／公斤（C/kg）
密立坎，油滴實驗
每一個電子所帶的電量為1.602 × 10－19庫侖
電子的質量
e
1.6021019 庫倫
-31
m


9.109

10
公斤
11
e / m 1.75910 庫倫 / 公斤
拉塞福原子模型
湯姆森（西瓜模型）
拉塞福（α粒子散射實驗）
原子是由帶負電的電子環繞帶正電的原
子核所組成，原子核體積極小。
拉塞福的碳原子模型示意圖
• 核型的原子模型－原子是由帶負電的電子
環繞帶正電的原子核所組成，原子核體積
極小
碳原子核帶正電，幾乎占有碳原子的所有質量。
電子在碳原子核外運轉，占有碳原子的部分的空間
質子及中子的發現
1919年 拉塞福
（Ernest
Rutherford，
1871～1937）
1932年 查兌克
（James
Chadwick，
1891～1974）
使用α粒子撞擊氮原子，結
果發現原子核中含有帶正電
的質子
發現原子核中含有與質子質
量相近但不帶電荷的中子
質子及中子的發現
原子的大小
原子
原子核
赤道
長度約 2 X 10 2 公尺的運動場
直徑約 1.276 X 10 7 公尺的地球
原子核與原子序
Z為質子數＝原子序
A為質量數＝中子數 ＋ 質子數
原子核與原子序
元素標示法
17
8
O
質子數=原子序=8
中子數=質量數-質子數=17-8=9
電子數=原子序=質子數=8
元素標示法
17
8
O 表示為
22
17
8
O 所形成的雙原子陰離子
質子數=2x8=16
中子數=2x(17-8)=18
電子數=2x8+2=18
同位素－質子數相同，中子數不同
同位素－質子數相同，中子數不同
例題2-2
• 重水（D2O, heavy water) 在核分裂
反應中常用作中子的減速劑。若重水
分子的氧為168O，一個重水分子中含
有若干個質子、中子和電子？
例題2-2
O
D2
D2O
質子 中子 電子
8
8
8
1x2 1x2 1x2
10
10
10
回
目
次
密立坎
（Robert Andrews Millikan，1868～1953美國）
油滴實驗：
每一個電子所帶的電量為
1.602 × 10－19庫侖
密立坎
＋＋＋＋＋＋
e-
（Robert Andrews Millikan，1868～1953美國）
庫倫作用力
重力
－－－－－－
回
目
次
密立坎油滴實驗裝置示意圖
拉塞福
（Ernest Rutherford，1871～1937）
• 曾受教於湯姆森。鑑定出
α粒子就是氦原子核，獲
得1908年諾貝爾化學獎。
• 1903年說明α射線會受磁
場的影響而產生偏轉，由
偏轉的方向證實α粒子是
一群帶正電荷的粒子，也
測定出它的速率和其荷質
回
目
次
2-2 原子中的電子排列
1. 核外電子的分佈
2. 電子點式
1.核外電子的分佈
• 電子在核外並非隨機分布，是以原子
核為中心，由內向外分成若干殼層。
愈靠近原子核，電子受原子核作用力愈強
電子的分布－由低能階→高能階填入
eee-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
ee- e- e-
核
e- e- e
e-
e-
e-
ee-
e-
eee-
e-
ee-
ee-
e-
殼層
K L M N ……
填入最多的電子數 2 8 8 18 ……
元素的電子排列方式
ee-
ee-
ee-
e-
e-e- ee - e-
核
核e-
ee-
e-
核
- - eee
Ｏ 電子排列記為（２,６）
原子序＝８，Ｋ層有２個電子，
Ｌ層有６個電子
e-
ee-
Al 電子排列記為（２,８,３）
原子序＝１３，Ｋ層有２個電
子，Ｌ層有８個電子，Ｍ層有
３個電子
Ｈ電子排列記為（１）
原子序＝１，Ｋ層只有一
個電子
例題2-3
試寫出鋰（原子序=3）、氟（原子序=9）
、氖（原子序=10）、氬（原子序=18）等
原子之電子等原子分布於(K,L,M)層的排列
方式。
鋰
2,1,0
氟
2,7,0
氖
2,8,0
氬
2,8,8
2. 電子點式
事實上，電子並非做圓周運動，
電子是以電子雲分布在原子核四周
e-
核
電子雲表示電子出現在原子核周圍的機率
以電子出現機率＝90%以內畫出的形狀，即為
軌域（電子雲）的形狀
路易斯電子點式
e-
• 價殼層(valence shell)
– 電子所在的最外層
• 價電子(valence electron)
– 價殼層上的電子
ee-
ee-
Ｆ
e-
核
e內層
外層
e-
e-
路易斯電子點式
碳原子的核外電子排列之簡單表示法：
(A)碳原子核外電子排列
(B)電子排列簡圖
(C)碳原子的電子點式
原子序1~20元素的電子點式
族數 ⅠＡ ⅡＡ ⅢＡ ⅣＡ ⅤＡ ⅥＡ ⅦＡ ⅧＡ
價電
１
２
３
４
５
６
７
８
子數
A族元素：價電子數＝族數
例題2-4
某原子在Ｋ層有2個電子，L層有8個電子，
M層(最外層)有6個電子，該原子的中子數
比質子數多1個。有關此原子的敘述，下列
何者正確？
(A)此原子的原子序為16
(B)此原子的質量數為17
(C)此原子的電子點式為
(D)此原子的質子排列為(K,L,M)=2,8,6
(E)此原子與3216S為同位素
例題2-4
(A) 原子序=質子數=電子數=2+8+6=16→
此原子為S(硫)
(B) 質量數=質子數+中子數=16+17=33
(D) 質子排列,改為電子排列
(E) 3316S與3216S為同位素,化學性質相似
回
目
次
2-3 元素週期表
1.門得列夫的週期表
2.週期表的結構
1.門得列夫的週期表
依原子量大小排列
1834~1927,俄國
門得列夫預測鎵和鍺
Ga和Ge兩種元素性質的預測值及測量值
上圖為門得
列夫週期表
的一部分。
元素符號下
方為現金的
原子量，圖
中Z和X為當
時未知元素
2.週期表的結構
門得列夫的週期表
以原子量排列
莫斯利定原子序
週期
族
現今的週期表
以原子序排列
同族元素其價電子數相同，所以化學性質相似
鹼
金
屬
鹼
土
金
屬
鹵鈍
素氣
元
素
鈍氣，
化學性質穩定
惰性氣體(鈍氣)化性穩定
ee-
ee- e-
e-
核
e-
(八隅體規則)
e-
e-
e- e-
e- e -
e-
e-
+
Na
11
鹼金屬易失去一個電
子，形成+1價的陽
離子
e核
e10Ne
e-
e-
e-
e- e -
e- e -
e-
e-
核
ee - e-
e9
e-
F
鹵素元素易得到一個
電子，形成-1價的陰
離子
例題2-5
下圖為簡易的週期表，其中A、B、C、D為某些元
素所占有的區域之代號。試指出下列各元素所占有
的區域。(以A、B、C、D代號表示)
(1)哪些區域的元素全為金屬?
(2)哪些區域的元素最可能形成陰離子?
(3)哪些區域的元素其價電子數是8個，化學性質特別安
定?
例題2-5
1. A 區為主族金屬元素, B 區為過渡金屬元素。
2. C 區為主族非金屬元素,化合時易得電子而形
回
成陰離子。
目
次
3. D 為惰性氣體，價電子數為 8 ( He除外)。
2-4 元素性質的規律性
1.金屬的通性
2.非金屬的通性
3.類金屬
4.元素性質的規律性
週期表
金屬
類金屬
（半導體）
非金屬
金屬的通性
銀色
黑色
紅色
黃色
金屬的通性
1.具金屬光澤
2.延展性佳
3.電和熱的良導體
4.通常具高熔點，除了汞、銫、鎵外
金屬易和非金屬形成離子化合物
鈉金屬形成鈉離子並與氯離子化合的示意圖
金屬氧化物
金屬氧化物與水作
K2O(s) + H2O(l) → 2 KOH(aq)
用形成氫氧化物， 例如
CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(aq)
呈鹼性。
• 例題２－６
氧化鎂是胃藥中用的制酸劑，能中和
過多的胃酸。試寫出氧化鎂遇水生成
鹼性化合物的方程式。
MgO(s)  H2O(l) 
 Mg(OH)2 (aq)
非金屬的通性
1.外觀不具光澤
2.導熱性及導電性不佳（但石墨可導電）
3.熔點比金屬低（除金剛石及石墨外）
非金屬的通性
非金屬元素的外觀彼
此差異很大
同素異形體
GIMP
• 由同一種元素組成而其結構、性質不
同的物質。
Ex: 金剛石、石墨、巴克球(C60)
非金屬氧化物溶於水呈酸性
CO 2(g)  H 2O(l) 
 H 2CO3(aq)
P4O10(s)  6 H 2O(l) 
 4H3PO4(aq)
SO 2(g)  H 2O(l) 
 H 2SO 3(aq)
SO 3(g)  H 2O(l) 
 H 2SO 4(aq)
酸雨
pH < 5.0
酸雨對林木造成
危害的情形
類金屬－半導體
1.性質介於金屬與非金屬間。
2.導電性：金屬＞類金屬＞非金屬
3.類金屬加入微量雜質，導電性劇增，
為製造電子元件重要材料。
• P型:矽晶體參入ⅢA元素(例如:B)
• N型:矽晶體參入ⅤA(例如:As)
4.升高溫度可提高導電度
類金屬－半導體
銻：外觀有光澤但不具延展性
類金屬元素在週期表
中呈階梯狀排列
元素性質的規律性
• 同一週期失去電子的傾向：
隨原子序增大而逐漸減弱
例如：Na＞Mg＞Al＞Si＞P＞S＞Cl
• 同一族失去電子的傾向：
隨原子序增大（由上而下）逐漸增強
例如：Ca＞Mg＞Be
週期表規律性的整理
例題2-7
下列有關週期表的述，何者正確？
(A)一般而言，元素在週期表的位置愈左或愈下方，
其金屬性質漸強
(B)類金屬的性質跟金屬固體一樣，且俗稱為過渡
金屬
(C)石墨與金剛石分別為同一族的兩種不同元素所
形成
(D)第17族元素不易失去電子，因此非金屬性很弱
(E)週期表A族元素，其價電子數與所屬的族數相同，
如ⅢA族的價電子數為3
解析:(A)(E)
(B)類金屬為硼、矽、鍺、砷、碲、銻等，其性
質有些像金屬固體，有些像非金屬固體。過
渡元素則全為金屬。
(C)石墨與金剛石皆是由碳所組成的同素異形體。
(D)第17 族為鹵素，易得到電子，相當活潑，
非金屬性強。
回
目
次
學習概念圖一:原子的結構與發現
區塊一
區塊二
學
習
概
念
圖
二
學習概念圖-週期表的構造與組成元素
族
金屬
例如第1族(
1 非金屬
週期
1
類金屬
族):
例如第二週期:
Li、Na、K、Rb、Cs、Fr
Li、Be、B、C、N、O、F 、Ne
The End