CHAPTER 6 純物質的奧祕 6-1 6-2 6-3 6-4 6- 元素與化合物認識元素元素與週期表 實驗 6-1 化學性質相似的元素與分類 原子與分子物質變化的粒子觀點
漫畫小知識 你看! 前面那棟建築物好特別 那是比利時有名的原子塔喔! 原子塔於西元 198 年建成, 塔身是巨大的鋼管, 將 9 個巨大的金屬圓球建成一個正方體 哇! 原子這麼小阿! 其他物質也有原子嗎? 原子塔的設計構思就是將鐵原子模型放大 160 億倍呢!
168 國中自然與生活科技 ( 三 ) 6 1 元素與化合物 本節將學習到純物質的分類 元素與化合物的關係 Warm Up 實驗室中的硫酸銅晶體 銅棒及錢包內 的一元硬幣 ( 含銅 92% 鎳 6% 和鋁 2%), 這些物質的成分中都含有銅 想一想, 生活 周遭還有哪些物質的成分含有銅? 哪些物質是純物質? 哪些是混合物? 一元硬幣 銅棒 硫酸銅晶體 物質可分成純物質與混合物 混合物可藉由物理變化分離出純物質, 而純物質是否還有更基本的組成? 能不能再進一步分類? 十八世紀的科學家嘗試利用各種方法分解純物 質 如圖 6-1, 科學家卜利士力以凸透鏡會聚陽光, 照 射在紅色的氧化汞上, 發現氧化汞會分解出氧氣與銀 白色的汞, 而氧氣或汞都不能用加熱 照光或通電等 方法再分解出其他物質 氧 氧化汞 照光分解 氧化汞 汞 汞 圖 6-1 氧化汞照光分解的示意圖 ( 實驗過程中, 水銀在開口較大的燒杯內, 容易蒸發而發生吸入汞蒸氣之危險性 )
169 的奧祕 10 1 科學家依 是否可以經一般的化學反應 ( 例如 : 照光 加熱 通電 ) 再分解 的特性, 將純物質分為元素與化合物兩類 ( 圖 6-2) 像氧化汞這種可以再被分解的純物質, 稱為化合物 ; 而氧氣和汞等無法以一般的化學反應再分解出其他物質的純物質, 稱為元素 目前已發現的元素約有一百多種, 元素是組成物質的基本成分, 兩種或更多種元素可結合成化合物, 例如氧元素可以和碳元素結合成二氧化碳, 氫元素可以和氧元素結合成水 表 6-1 列舉一些常見的化合物及其成分元素 化合物中各元素之間有一定的組成比例, 化合物的性質與它所組成元素的性質不同, 例如葡萄糖是由碳元素 氫元素和氧元素組成的化合物, 但是葡萄糖與碳 氫 氧的物理及化學性質都不相同 元素的種類有限, 但是所組成化合物的數目卻相當多, 目前已有數百萬種 藉由不同比例或不同種類的元素或化合物之間的結合, 每年仍有無數的新物質被合成出來 第6 章元素純物質物質化合物混合物圖 6-2 物質的分類圖 表 6-1 常見化合物的成分元素 化合物 水 過氧化氫 葡萄糖 二氧化碳 一氧化碳 氯化鈉 成分元素 氫 氧 氫 氧 碳 氫 氧 碳 氧 碳 氧 氯 鈉 Q 成分元素相同, 組成的化合物也相同嗎? 純物質頭腦體操鎂帶 ( 如圖 A) 燃燒後, 會產生氧化鎂 若再將氧化鎂置於水中, 則會形成氫氧化鎂溶液 ( 如圖 B) 根據物質的分類, 鎂帶 氧化鎂及氫氧化鎂溶液分別屬於純物質或混合物的哪一種類別? 哪個是元素? 哪個是化合物? 氧化鎂 A 鎂帶 B 氫氧化鎂溶液
170 國中自然與生活科技 ( 三 ) 6 2 認識元素 本節將學習到 金屬與非金屬元素 元素的命名 常見的元素 Warm Up 下表中所列資料是不同時期的科學家為表示元素而發明的符號 想想看, 為什麼要制定符號? 隨著科學發展, 符號改變的趨勢為何? 元素 年代 ( 西元 ) 100 年代 1600 年代 1700 年 1783 年 1808 年 1814 年 金 汞 鉛 1 金屬元素與非金屬元素生活上常運用各種元素, 例如用鋁箔包裝飲料 用黃金打造飾物, 以及燃燒木炭來烹煮食物等 這些常見元素可分為金屬元素與非金屬元素兩大類, 例如 氧和氮屬於非金屬元素, 鋁和鐵屬於金屬元素 金屬元素的熔點和沸點高, 除了汞 ( 唯一液態的 鋅片 金屬 ) 以外, 在常溫 (2 ) 時都是固態 金屬具金屬 光澤, 富延展性 ( 圖 6-3), 為熱與電的良導體, 常用 圖 6-3 多數金屬可拉成細絲 ( 稱為延性 ) 或壓成薄片 ( 稱為展性 ) 於製造電線及烹調容器 ; 除了金和銅外 ( 圖 6-4), 大部分金屬都是銀色的, 金的延展性最佳, 銀的導電 性最佳 10 A 金 B 銅 圖 6-4 金屬光澤
171 非金屬元素不具光澤, 延展性差, 容易碎裂 ( 圖 6-), 為熱與電的不良導體 ; 但有少數例外, 例如由碳元素構成的石墨就具有導電性 非金屬元素的顏色 熔點和沸點有很大差異, 常溫時各自以固態 液態或氣態存在 非金屬元素沒有固定的顏色, 例如硫是黃色固體 ( 圖 6-6), 紅磷是暗紅色固體 ( 圖 6-7), 碘是紫黑色固體, 溴是暗紅色液體 ( 圖 6-8), 氯是黃綠色氣體 ( 圖 6-9), 氫 氧及氮都是無色氣體 竹炭 圖 6- 非金屬容易被敲碎 圖 6-6 硫是黃色固體 ( 陽明山國家公園, 庚子坪 ) 溴蒸氣 液態溴 圖 6-7 紅磷是暗紅色固體圖 6-8 溴是暗紅色液體圖 6-9 氯是黃綠色氣體
172 國中自然與生活科技 ( 三 ) 例題 1 將四種固態元素進行觀察與實驗, 結果如下表 請回答下列問題 : 元素 外觀顏色 用砂紙摩擦後觀察其外觀顏色 通電觀察是否導電 用鐵鎚敲打後的結果 甲 灰色 銀色有光澤 是 扁平展開 乙 紅褐色 紅色有光澤 是 扁平展開 丙 黃色 黃色無光澤 否 碎裂 丁 黑色 黑色無光澤 是 碎裂 1. 判斷這四種元素中, 哪些屬於金屬元素? 為什麼? 2. 若已知這四種元素中, 有一種是碳元素, 會是哪一個? 為什麼? 參考解答 1. 元素甲和乙為金屬元素, 因為具有金屬光澤 導電性與延展性 2. 元素丁為碳元素, 因為黑色具導電性的非金屬元素為碳元素 2 元素的命名隨著發現的元素愈來愈多, 為了方便溝通, 於是科學家訂定國際共通的元素符號 根據英文或拉丁文名稱的第一個字母, 元素符號以印刷體大寫表示, 若 不同元素名稱的開頭字母相同時, 會在其後附加一個 小寫字母表示, 例如碳的元素符號為 C, 鈷的元素符 號為 Co, 氯的元素符號為 Cl( 表 6-2) 表 6-2 元素符號的表示法 一個字母 兩個字母 中文名稱碳鈷氯 英文名稱 carbon cobalt chlorine 元素符號 C Co Cl
173 的奧祕 10 表 6-3 為一些元素的中文名稱及元素符號 中文對元素命名配合元素在常溫常壓時的狀態, 使用不同的部首, 固態金屬元素以 金 字旁表示, 例如鋁 鉛等 ; 液態元素從 水 或 字旁, 例如液態金屬元素的汞 液態非金屬元素的溴 ; 氣態非金屬元素 以 气 字頭表示, 例如氧 氮等 ; 固態非金屬元素 以 石 字旁表示, 例如硫 碳等 有些元素還會配合其性質或採用譯音來命名, 例如 氫 表示其為最 輕 的氣體, 鈉 則是因為拉丁文第一音節的讀音近似 納 第6 章表 6-3 一些元素的中文名稱與元素符號部首狀態中文名稱 ( 元素符號 ) 純物質金 (Au) (Ag) (Al) (Ca) (Cu) 金屬元素 金 固態 (Na) (Mg) (Pb) (Fe) (Zn) (K) 水液態 (Hg) 非金屬元素 气 氣態 (H) (Cl) (N) (O) 石 固態 (S) (C) (I) (P) 液態 (Br) 頭腦體操如果將鈷的元素符號 Co 第二個字母寫成大寫, 變為 CO, 則會發生什麼情形?
174 國中自然與生活科技 ( 三 ) 3 常見的元素金屬和非金屬各有不同特性, 故常被應用於生活上 以下將介紹幾種常見的金屬元素與非金屬元素的性質及其用途 氧 氮 氦 氖等氣態非金屬元素的性質與應用, 已於本冊第 2 章第 3 節介紹 金屬 金 Au 金的質地柔軟 色澤光亮 性質安定 不易與氧反應, 常用來製造飾物 銀 Ag 銀具有銀白色光澤, 常用於貨幣 飾物或高級餐具 銀會與硫化氫氣體反應, 在表面生成黑色硫化銀斑點, 在溫泉地區應避免配戴銀製飾物 銅 Cu 非金屬 銅的導電性及導熱性良好, 僅次於銀, 電線多使用銅來製造 銅與其他金屬製成的合金用途廣泛, 例如青銅雕像由銅錫合金製成 黃銅樂器使用鋅銅合金, 十元硬幣採用銅鎳合金 矽 Si 矽在地殼中含量豐富, 僅次於氧, 常以二氧化矽或矽酸鹽的形式存在於礦物中 玻璃及砂石中也含有氧和矽的化合物 矽為半導體工業的重要原料, 可製造矽晶圓 硫 S 硫是無臭 無味 質脆的黃色固體, 不溶於水, 俗稱硫磺, 存在於火山和溫泉口地區, 可用來製造火藥 硫酸等化學藥品
17 的奧祕B 第6 章鐵鐵器容易生鏽不易保存, 常鍍鋅或製成合金以提高抗鏽 Fe 蝕能力 鐵可進一步煉成鋼, 鋼可與鉻 鎳的合金製成不鏽鋼, 用於製造餐具與廚具 鋁鋁是地殼中含量最多的金屬元素, 容易 Al 與氧發生反應, 形成一層緻密的氧化鋁, 可阻絕氧氣與內層的鋁發生反應, 常用於製造包裝食物的鋁箔 鋁門窗等 鋁鎂合金質地輕 強度佳, 常作為筆記型電腦機殼等材料 在地殼中主要是以二氧化鈦形式存在 鈦二氧化鈦是一種無毒的白色粉末, 俗稱 Ti 鈦白, 可製成油漆 瓷釉的顏料 鈦耐腐蝕, 與其他金屬形成的鈦合金, 具有質輕堅固的特性, 廣泛用於太空軍事材料 民生用品及醫學等方面 鎢鎢是熔點最高的金屬 ( 達 341 ), 鎢 W 和碳形成的碳化鎢非常堅硬, 可製成鑽孔 切割及研磨的工具 碳碳能以數種不同結構方式, 組成不同物 C 質, 例如鑽石 石墨和芙 鑽石透明無色 ( 圖 A), 硬度很大, 可作為飾物與切割玻璃的刀頭 石墨是少數可導電的 A 非金屬元素, 可製成鉛筆 ( 圖 B) 或乾電池的電極 芙 (C60, 又名巴克球 )( 圖 C) 由 60 個碳原子組成, 為科學家近年所發現新型態的碳, 其性質研究與應用是目前非常熱門的領域 另外, 活性炭主成分也是碳, 利用多孔特性吸附雜質, 常作為過濾材料 C 純物質
176 國中自然與生活科技 ( 三 ) 6 3 元素與週期表 本節將學習到化學性質相似的元素與分類 元素週期表 Warm Up 取一副撲克牌, 隨意打散, 比較 每張牌的相似處與差異處後, 進行分 類排序 討論看看, 可以有幾種分類 方式? 如何進行排序? 1 化學性質相似的元素與分類當科學家認識了各元素的性質後, 化學性質相似的元素遂被分類, 逐步歸納出規律性 為了方便研究和應用, 科學家思考元素間是否具有系統化的排列方 式呢? 科學家如何尋找元素間的關聯性? 以下將透過實 驗 6-1 來探究, 藉由化學性質的相似程度, 將一些金 屬元素分類 實驗 6 1 化學性質相似的元素與分類 目的 以一些金屬元素與其化合物為例, 根據化學變化後的結果, 將化學性質相似的元素做適當的分類 器材 ( 以組為單位 ) 燒杯 (100 ml)2 個 試管 (1.2 1 cm) 支 鑷子 1 把 酚 指示劑 1 瓶 小刀 1 把 玻璃片 2 片 鈉 ( 浸在礦物油中 )1 塊 鉀 ( 浸在礦物油中 )1 塊 鋅片約 0.3 g 滴管 2 支 玻璃棒 1 支 試管架 1 座 砂紙 1 張 標籤紙 張 碳酸鈉水溶液 (1%) 約 10 ml 氯化鎂 氯化鋇 氯化鈣 氯化鈉 氯化鉀水溶液 ( 皆為 1%) 各約 2 ml
177 的奧祕步驟 操作本實驗時, 宜戴上安全眼鏡及橡皮手套 一 金屬元素的化學性質 ( 教師示範實驗 ) 1 2 3 鈉 用鑷子自礦物油中取出鈉, 放在玻璃片上 以小刀切開鈉, 觀察新切面後, 記錄結果於表一 在兩個燒杯中, 各裝 30 ml 的水 以小刀切出米粒大小的鈉粒, 投入其一燒杯, 將玻璃片蓋上, 觀察鈉粒和水的反應, 記錄於表一 4 6 鉀第6 章純物質在兩燒杯中各加 2 ~ 3 滴酚, 觀察燒杯水溶液的顏色變化, 記錄於表一 本反應產生之氣泡為氫氣, 勿以火點燃 將鈉換為鉀, 依步驟 1 ~ 4 重複進行活動, 比較鈉與鉀的反應程度 鉀反應會產生大量的熱, 有時會起火燃燒, 甚至跳出燒杯, 故操作時須保持適當距離 將鋅片放在白紙上, 觀察外觀, 再用砂紙磨光, 觀察金屬顏色 接著將鋅片以鑷子夾取, 投入裝有 30 ml 水的燒杯中, 觀察一段時間, 再加 2 ~ 3 滴酚, 將結果記錄於表一 表一 : 鈉 鉀和鋅的各種特性 元素名稱 結果 觀察現象 外觀 新切面或磨光後的顏色 與水反應的情形 滴入酚的水溶液顏色變化 鈉 鉀 鋅
A B C D E 氯化鈉水溶液氯化鉀水溶液氯化鎂水溶液氯化鈣水溶液178 國中自然與生活科技 ( 三 ) 二 金屬化合物的化學性質 1 2 滴入碳酸鈉水溶液 氯化鋇水溶液A B C D E 取五支試管加以標示, 分別加入氯化鈉水溶液 氯化鉀水溶液 氯化鎂水溶液 氯化鈣水溶液和氯化鋇水溶液各 1 ml, 仔細觀察並記錄這五支試管溶液的顏色於表二 在試管中分別加入碳酸鈉水溶液 1 ml, 然後輕輕晃動試管, 仔細觀察所發生的變化, 記錄結果於表二 表二 : 各種金屬化合物與碳酸鈉的反應結果 結 化合物 果 觀察現象 化合物所含的成分元素 反應前溶液顏色 與碳酸鈉水溶液反應的情形 氯化鈉 氯化鉀 氯化鎂 氯化鈣 氯化鋇 問題與討論 1. 在實驗一中, 鈉 鉀 鋅三種金屬, 哪些會與水起反應? 產生的變化是什麼? 哪一種金屬的反應比較激烈? 2. 在實驗二中, 哪些化合物的水溶液能與碳酸鈉產生化學變化? 變化是什麼? 3. 根據實驗結果, 鈉 鉀 鎂 鈣 鋇 鋅等金屬元素可以怎樣分類?
179 鈉 鉀 圖 6-10 鈉 鉀與水的反應 ( 水中已加入酚 ) 圖 6-11 鎂 鈣 鋇的化合物與碳酸鈉水溶液混合後產生白色沉澱 10 由實驗結果發現, 鉀和鈉的化學性質最相似, 可與水 反應產生氣體, 水溶液使酚 1 由無色變粉紅色 ( 圖 6-10) 而且同樣含有成分元素鉀 鈉的化合物如氯化鈉 氯化鉀與碳酸鈉水溶液混合後均無沉澱現象, 所以可以將鈉與鉀歸為一類 另外, 含有成分元素鎂 鈣 鋇的化合物如氯化鎂 氯化鈣 氯化鋇都能與碳酸鈉水溶液產生白色沉澱 ( 圖 6-11), 由於這些化合物的化學性質相似, 所以鎂 鈣 鋇也可歸為同一類 以上簡單實驗, 可以提供我們進行元素分類時的參考 實際上, 科學家在分類更多的元素時, 須更嚴謹地比較元素的各種性質 1 酚酚酞是一種酸鹼指示劑, 在酸性溶液中呈無色, 在鹼性溶液中呈紅色 例題 2 分別對甲 乙 丙 丁四種金屬進行一系列實驗測試, 結果如下表 依據表中紀錄, 哪些金屬性質最相似? 為什麼? 操作項目甲乙丙丁 1. 放入水中 浮在水面, 有劇烈反應 沉入水中, 沒有反應 沉入水中, 沒有反應 沉入水中, 沒有反應 2. 放入鹽酸中產生氣體產生氣體產生氣體 3. 氧化物溶於水後加入碳酸鈉 透明澄清 產生白色沉澱 產生白色沉澱 透明澄清 參考解答 金屬乙和丙的性質最相似, 皆能與鹽酸作用產生氣體, 且氧化物溶於水後, 能與碳酸鈉溶液反應產生白色沉澱
180 國中自然與生活科技 ( 三 ) 2 元素週期表 西元 1869 年 俄國科學家門得列夫 Dmitri Mendeleev, 1834 1907 將當 時已知的六十多種元素進行分類排列 發現元素的性質會隨元素質量的增加 形成一種重複的週期性 這就是早期的元素週期表 圖 6-12 隨著對物質結 構與性質的更多了解 並經科學家不斷修改 現行的元素週期表如表 6-4 從週期表的元素分布情形來看 金屬元素較多 且分布在表的左方 氫元 素例外 非金屬元素較少 分布在表的右上方 每個元素均有一個序號 稱 為原子序 用以代表元素在週期表上的位置 依照 原子序由小至大 自左而右排列在週期表上 原子 10 與原子序的觀念將在 6-4 節中介紹 週期表中每一橫列稱為週期 共有 7 個週期 同週期的元素 其性質呈現規律的改變 目前已確 認的元素逾 110 種 其中 88 種存在自然界 其他 2 為人造元素 第 7 週期尚不完整 仍有新元素陸 圖 6-12 門得列夫的元素 週期表 續被製造出來 1 族 週 期 1 2 3 4 6 7 1 H 1 氫氫 1.008 2 人造元素 有些元素並不存在 於自然界 而是科學家 在實驗室中 以人工方 法製造出來的 稱為人 造元素 例如 鈽等 鈾是天然元素中原子序 最 大 的 1 個 原 子 序 比 92 更 大 的 重 元 素 稱 為 超鈾元素 都是人 造元素 其性質相當不 穩定 很快就衰變成其 他穩定的元素 具有放 射性 2 3 3 Li 4 Be 鋰李 鈹皮 6.941 9.012 6 7 元素符號 1 元素名稱 氫氫 原子量 1.008 11 Na 12 Mg 鈉納 鎂美 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 2 Mn 鉀假 鈣概 鈧抗 鈦太 釩凡 鉻各 錳錳 22.99 4 H 原子序 24.31 39.10 40.08 44.96 47.87 0.94 2.00 4.94 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 銣如 鍶司 釔乙 鋯告 鈮泥 鉬木 8.47 87.62 88.91 91.22 92.91 9.96 (98) Cs 6 Ba 72 Hf 73 Ta 74 W 7 Re 銫色 鋇被 132.9 137.3 87 Fr 法 (223) 88 Ra 鐳雷 (226) 鑭蘭系系元元素訴 錒阿系細元原素訴 鑭系元素 7 71 錒系元素 89 103 鎝塔 鉭但 鎢屋 錸來 178. 180.9 183.9 186.2 104 Rf 10 Db 106 Sg 107 Bh 哈 鑪盧 (26) 7 La 鑭蘭 度 (268) 8 Ce 鈰市 喜 (271) 9 Pr 鐠普 潑 (272) 60 Nd 釹女 138.9 140.1 140.9 144.2 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 錒阿 釷土 鏷僕 鈾又 (227) 232.0 (231) 238.0
181 第 又稱為鹼金屬 鎂和鈣所屬的第 2 族元素 常以化合物狀態存在於地殼中 將其 燃燒後產物置於水中 會形成鹼性水溶液 因此被稱為鹼土金屬 而氦和氖屬於 第 18 族元素 在常溫下幾乎不能與其他元素發生化學反應 又稱為惰性氣體 元素週期表將元素有次序的歸納 使我們可以根據元素在週期表中的位 置 預測該元素的性質 因此 週期表成為科學家研究新物質十分有用的參考 工具 頭腦體操 1. 若科學家發現一種新元素 經檢測其原子序為 118 若以元素週期表預測時 該元素 的位置與性質為何 2. 元素 A 與元素 B 是同族元素 而元素 A 與元素 C 屬於同週期元素 上述三種元素中 哪兩種元素可能具有相似的化學性質 表 6-4 元素週期表 8 9 10 11 12 13 14 1 16 17 18 2 He 氦害 4.002 氣體 液體 固體 B 金屬 人造元素 非金屬 放射性元素 26 Fe 27 Co 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 硼朋 碳探 氮但 氧養 氟服 10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 氖乃 20.18 13 Al 14 Si 1 P 16 S 17 Cl 18 Ar 鋁呂 矽細 磷林 硫劉 氯律 26.98 28.09 30.97 32.07 3.4 氬亞 39.9 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 3 Br 36 Kr 氪克 鐵鐵 鈷姑 鎳孽 銅銅 鋅心 鎵家 鍺者 砷身 硒西 溴秀.8 8.93 8.69 63. 6.38 69.72 72.64 74.92 78.96 79.90 83.80 44 Ru 4 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 0 Sn 1 Sb 2 Te 3 I 4 Xe 釕瞭 銠老 鈀八 銀銀 鎘格 銦因 錫習 銻梯 碲地 碘點 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 8 At 86 Rn (210) 鋨額 銥一 鉑伯 金今 汞鞏 鉈它 鉛千 鉍必 釙破 190.2 192.2 19.1 197.0 200.6 204.4 207.2 209.0 (209) 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111 Rg 112 Cn 113 114 FI 黑 (277) 61 Pm 頗 麥 (276) 62 Sm 釤山 鐽答 錀倫 (281) (280) 63 Eu 64 Gd 銪有 嘎 (28) 6 Tb 鋱特 11 (284) (289) (288) (293) 68 Er 69 Tm 66 Dy 67 Ho 鈥火 鉺爾 118 鉝力 鈇夫 Uup 銩丟 氡東 (222) 116 Lv Uut 鏑低 惡 氙先 Uuo (294) 70 Yb 鐿意 71 Lu 鎦劉 (14) 10.4 12.0 17.3 18.9 162. 164.9 167.3 168.9 173.0 17.0 93 Np 94 Pu 9 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100Fm 101 Md 102 No 103 Lr 錼耐 鈽部 鋂沒 鋦局 北 鉲卡 鑀愛 鐨廢 鍆門 諾 鐒勞 (237) (244) (243) (247) (21) (22) (27) (28) (247) (29) (262) 純物質的奧祕 如鈉和鉀所屬的第 1 族元素 都可與水發生劇烈反應 產生氫氣與鹼性物質 6 章 週期表的縱行稱為族 共分 18 族 同一族元素具有相似的化學性質 例
182 國中自然與生活科技 ( 三 ) 6 4 原子與分子 本節將學習到 道耳頓的原子說 原子的結構 化學式 原子模型 原子與分子 Warm Up 將一張紙撕成兩半, 取其一半再撕兩半, 如此反覆, 你能將紙撕到多 小? 這是紙的最小尺寸嗎? 如果有一把極銳利的刀, 能夠反覆將紙對半切割, 則紙最後會變得如何? 1 道耳頓的原子說物質分割後是否有最小不能再被分割的粒子? 物質究竟是由什麼構成的? 十九世紀初, 科學家對物質的性質與反應已有一些了解, 英國科學家道耳 頓 (John Dalton, 1766 ~ 1844) 根據許多實驗中觀察 原子真的是最小的, 不能再被分割嗎? 到的結果, 提出原子說, 其內容如下 : 一 一切物質均由微小粒子組成, 這種不能再被分割 的粒子稱為原子 ( 圖 6-13 A) 二 相同元素的原子有相同的質量和性質 ; 不同元 素的原子, 其質量和性質各不相同 ( 圖 6-13 B) 10 A 物質由原子組成, 原子不能再被分割 B 同種原子有相同質量, 不同種原子有不同質量 金原子 圖 6-13 原子說的內容示意圖
183 第 章 6 物 圖 6-13 C 3 原子的影像 四 化學反應是原子的重新排列結合 形成另一新物 質 在反應過程中 原子的種類 數目與質量都 現 代 科學家發明各 種電子顯微鏡 可以偵測 到物質表面原子的影像 不會改變 原子不會消失 也不會產生新的原子 圖 6-13 D 原子究竟有多小 受限於當時科學理論與儀器 的不足 道耳頓無法得知 目前科學家已經能透過電 3 子顯微鏡看到原子 也測出原子的直徑約 10 10 公尺 10 或 0.1 奈米 以掃描穿隧式顯微 鏡 Scanning Tunneling Microscope, STM 觀 測 到鈀原子的影像 圖中的 白色部分 雖然後來許多實驗推翻或修正了 道耳頓的理論 原子說解釋了當時的許 如果將原子放大到相當 乒乓球的體積 則乒乓 球依比例就會放大到相 當於地球的體積 多實驗結果 是人們認識物質結構的重 要基礎 C 不同元素的原子能結合成化合物 + D 物質發生化學反應是構成原子的 重新結合 + + 純物質的奧祕 三 不同元素的原子能以特定比例結合成不同的化合
184 國中自然與生活科技 ( 三 ) 2 原子模型 西元 1803 1897 道耳頓提出原子說 道耳頓 (John Dalton, 1766~1844) 認為原子不可分割 湯姆森發現電子 西元 1897 年湯姆森 (Joseph John Thomson, 186~1940) 發現原子其實是由帶電荷的粒子組成, 他從原子分出帶負電的電子, 並認為原子是密度均勻且帶正電的球體, 電子平均分布在其中 3 原子的結構由上述科學發現可知 : 原子由電子 質子和中子三種主要粒子所構成 其中, 質子和中子構成原子核, 位居原子中心 ; 電子快速繞行原子核, 活動範圍即是原子的體積 一個原子中帶正電的質子與帶負電的電子所帶的電量相等, 個數也相等, 使得原子呈電中性 電子質量很輕, 接近質子質量的 1 / 1836, 而中子的質量 與質子約略相等, 原子的質量幾乎都集中在原子核, 因此原子的質子數與中子 數總和稱為質量數 ( 圖 6-14)
18 的奧祕1911 1932 拉塞福發現原子核查兌克發現中子第6 章西元 1911 年, 拉塞福 (Ernest Rutherford, 1871~1937) 由實驗結果推論 : 原子內部的大部分空間沒有任何東西存在, 在原子中心有一個密度很大的極小區域稱為原子核, 原子核帶正電, 帶負電的電子受吸引而環繞原子核, 好像行星繞行太陽運動般 拉塞福並在 1919 年發現原子核內帶正電的質子 西元 1932 年查兌克 (James Chadwick, 1891~1974) 則發現原子核內另一不帶電的粒子 中子 純物質原子核的質量雖大, 但體積極小, 半徑只有原子半徑的十萬分之一, 或約 10-1 公尺 或百萬分之一奈米 有關原子結構與內部粒子的性質, 科學家至 今仍不斷研究發展中 質子 中子 質子 1836 個電子 原子 原子核 A 質子質量約與中子相等 B 電子質量大約是質子的 1/1836 C 原子質量集中在原子核 圖 6-14 原子結構的粒子關係示意圖
186 國中自然與生活科技 ( 三 ) 4 同位素其實許多元素不只有一種原子, 以氫元素的兩種原子為例, 氫原子和氘原子的質子數都是 1, 但中子數分別是 0 和 1 1 1H 2 1H 氫原子 氘原子 像這種質子數目相同, 但中子數不同的原子, 因為都處於週期表的相同位置, 故稱為該元素的同位素 同 4 同一種元素的原子, 其原子核內的質子數相 ; 元素不同, 質子數就不同 因此質子數是 判斷元素種類的依據, 元素週期表中各元素的 原子序, 即為該元素的質子數 目前, 科學家以 A Z X 的符號來標示原子種類, 其中 X 代表元素符號, A 代表質量數,Z 代表原子序 如圖 6-1A 所示, 4 氦原子有 2 個質子 2 個中子與 2 個電子, 以 2He 表示 ; 7 鋰原子有 3 個質子 4 個中子與 3 個電子, 以 3 Li 表示 ( 圖 6-1B) 氦原子 鋰原子 4 2He A 質子數 = 電子數 =2 中子數 =2 質量數 = 質子數 + 中子數 =4 7 3Li B 質子數 = 電子數 =3 中子數 =4 質量數 = 質子數 + 中子數 =7 圖 6-1 原子的模型與表示法 頭腦體操 甲 乙 丙 丁四種原子的質子數與中子數列表如右 請問哪兩種是相同元素的原子? 四種原子的質量大小順序為何? 原子 質子數 中子數 甲 8 8 乙 8 9 丙 9 10 丁 11 10
187 的奧祕 10 1 4 原子與分子十九世紀時, 亞佛加厥 (Amedeo Avogadro, 1776 ~ 186) 進一步提出分子的概念, 認為分子保有純物質性質, 能穩定且單獨存在 以水為例, 真正具有水特性的最小粒子是以兩個氫原子和一個氧原子組成的水分子, 大量的水分子集結起來, 就是我們常見的水 ( 圖 6-16) 分子可能僅由一個原子組成, 也可能由兩個或更多原子結合 圖 6-17 為常見的氣體分子示意圖與物 質分類 由同一種原子構成的純物質是元素, 例如氦 氣和氖氣是由一個原子構成的單原子分子 ; 例如氫氣 和氧氣則是由兩個氫原子與兩個氧原子結合的雙原子分子 另外, 也有多個原子組成的元素, 例如臭氧是由三個氧原子組成的分子 由不同種類原子結合的純物質為化合物, 例如二氧化碳分子是由兩個氧原子與一個碳原子結合而成 第6 章氫原子氧原子圖 6-16 水分子由氫原子和氧原子結合物質 純物質混合物 純物質 元素 化合物 空氣氦氣 He 氧氣 O2 臭氧 O3 二氧化碳 CO2 圖 6-17 常見的氣體分子示意圖與物質分類
188 國中自然與生活科技 ( 三 ) 圖 6-18 銀金屬由大量的銀原子堆積形成的示意圖 圖 6-19 食鹽由鈉原子與氯原子以 1:1 比例堆積形成的示意圖 氯化鈉晶體某些原子或原子團因為得失電子而形成帶電粒子, 稱為離子或根離子 氯化鈉晶體其實是由鈉離子 Na + 與氯離子 Cl - 相吸引聚集結合而形成的晶體 關於離子將在第四冊第 3 章作介紹 有些純物質並非以分子形式聚集, 而是由大量原 子堆積而成, 原子數目並非一定, 例如銀金屬是由 許多銀原子堆積成的元素 ( 圖 6-18), 而氯化鈉晶 體則是由許多氯原子和鈉原子, 以最簡單的數目比 1:1 堆積而成的化合物 ( 圖 6-19) 化學式 為了表達純物質的構成單位, 科學家將元素符號 組合, 制定出化學式 透過化學式可以表達純物質的 組成原子種類, 也可以表示出純物質構成單位中各原 子間的比例關係 ( 表 6-) 如何運用元素符號來表示化學式? 先列出純物 質構成單位的原子種類和數目, 再決定原子的排列順 序 構成單位的原子以元素符號表示, 原子數目寫 在元素符號右下方, 若數目為 1 時, 則省略 例如水 分子含有 2 個氫原子及 1 個氧原子, 以 H 2 O 表示 : 氫原子 氧原子 H 2 O 原子的數目 原子數目為 1 時省略 氦分子以單獨原子存在, 以 He 表示 氯分子是 由兩個氯原子結合, 以 Cl 2 表示 ; 銀金屬是許多銀原 子堆積形成, 簡單地以 Ag 表示 ; 氯化鈉固體是大量 鈉和氯以 1:1 堆積形成, 簡單地以 NaCl 表示 10 1
189 第 章 6 表 6- 不同種類純物質的化學式表示 氮氣 二氧化碳 銀金屬 氯化鈉 He N2 CO2 Ag NaCl 微觀模型 基本單位 化學式 另外 化學式中的組成原子排列順序 有一些常用的通則 一 金屬符號寫在前面 非金屬符號寫在後面 與 氯化鉀 氯化鈣 中文名稱和書寫符號的順序恰好相反 二 氧化物的氧符號寫在後面 KCl CaCl2 氧化鎂 二氧化錳 MgO MnO2 三 有些物質是由具特定性質的原子團所組成 例如 SO4 原子團 OH 原子團 NH4 原子團 若有兩個以上則用括號表示 硝酸鉀 硫酸銅 碳酸鈣 氫氧化鈉 氫氧化鎂 氯化銨 KNO3 CuSO4 CaCO3 NaOH Mg(OH)2 NH4Cl 四 有機化合物的化學式依照碳 氫 氧等的順序 例如葡萄糖的化學式以 C6H12O6 表示 頭腦體操 若 代表 1 個氫原子 以 H 表示 則 A B C 三圖 中的粒子代表什麼 應如何表示 A B C 純物質的奧祕 氦氣
190 國中自然與生活科技 ( 三 ) 6 物質變化的粒子觀點 Warm Up 在房間角落灑一些香水, 一段時間後, 為何房間內其他地方也能聞到香水味? 本節將學習到 物理變化的粒子觀點化學變化的粒子觀點 物質是由粒子構成, 不論是物理變化或化學變化, 都是粒子間的相互作用 在本節中, 我們將針對常見 物理變化與化學變化的現象, 以粒子觀點說明 1 物理變化冰持續受熱後, 為何會漸漸熔化? 杯子內的水, 經過一段時間後, 為何會逐漸變少? 如圖 6-20, 以粒子觀點來看, 固體的分子排列整齊, 常溫時不能任意移動, 因此體積和形狀不易改變 液體分子可以移動, 但分子之間仍然具有吸引力, 即使形狀發生了變化, 體積變化卻是很小 液體持續受熱時, 分子運動的能 10 量增大, 更容易自由移動, 分子間距離增加, 降低分 子之間的吸引力, 分子脫離液體表面成為氣體 吸熱 放熱 吸熱 吸熱 放熱 放熱 固體液體氣體 圖 6-20 物質的三態變化示意圖 Q 水蒸發的過程中, 水分子是否被分解?
191 的奧祕 10 分子藉著吸熱與放熱而改變了運動的能量, 以及分子之間的距離, 因此形成了固體 液體或氣體等物質的不同狀態, 而分子本身並沒有改變, 這是物理變化 另外, 糖的溶解也能用粒子觀點來解釋 如圖 6-21, 將一塊紅糖放入水中, 雖然未攪拌, 但經過一段時間後會發現紅糖仍然慢慢溶解 紅糖溶解後形成肉眼看不見的微小粒子, 均勻分散在整杯水中 粒子由高濃度區域移動到低濃度區域, 直到粒子均勻分布的現象, 稱為擴散現象 溫度愈高, 粒子的運動愈劇烈, 擴散速度就愈快 圖 6-21 紅糖在水中的溶解與擴散現象示意圖 Q 糖水濃度高低如何用粒子觀點說明? 生活中時常能體驗到擴散現象, 例如烹煮食物或花朵綻放時, 在遠處也能聞到香氣, 這是氣體分子擴散所造成的 頭腦體操如右圖, 將氣球放入熱水中, 氣球體積變大 ; 放入冰水中, 氣球體積變小 請問氣球裡的物質是否有增加或減少? 以粒子觀點解釋為什麼會產生膨脹與收縮 熱水冰水第6 章純物質
192 國中自然與生活科技 ( 三 ) 圖 6-22 兩種不同分子在高溫時快速撞擊產生新分子的示意圖 Q 變化前後原子種類 數目是否改變? 2 化學變化物質發生化學變化時會產生新物質, 物質在變化前後的組成和特性不同 以粒子觀點來看, 化學變化就是不同物質的分子相互碰撞時, 其組成的原子重新排列生成了新分子的過程 ( 圖 6-22) 發生化學變化時, 不僅物質性質會改變, 其狀態也有可能改變 例如石墨在高溫狀態產生燃燒現象, 這是因為空氣中的氧氣分子 (O 2 ) 碰撞固態石墨的碳原子, 兩者結合成氣態的二氧化碳 (CO 2 ) 或一氧化碳 (CO) 的新分子 ( 圖 6-23) 10 碳原子氧分子一氧化碳二氧化碳 圖 6-23 石墨與氧反應生成二氧化碳或一氧化碳的示意圖 頭腦體操將適當比例的 A B 兩氣體混合, 放入密閉容器中, 分別經過甲 乙兩種變化 ( 如下圖 ) 請問甲 乙何者為物理變化? 何者發生了化學變化? 為什麼? 甲 乙 A 氣體 B 氣體
193 氦 He 黃金999 Au 氯化鈉 NaCl 元素符號 10克拉 C 元素 化學式 質量數 分類 表示法 化合物 純物質的奧祕 H 2O 2 原子序 組成 原子 原子的中心存在 著占有大部分質 量的原子核 分子 粒子觀點 化學變化 H 2O CO 2 物理變化 固 液 氣
重點整理 6-1 元素與化合物 1. 物質分為混合物與純物質, 而純物質又分 為元素與化合物 2. 元素 : 組成物質最基本的單元, 只由一種 原子組成, 不能用普通化學變化再分解 例如氫 氧 汞和鋁等 3. 化合物 : 由兩種或兩種以上元素依一定比例化合而成 例如水 葡萄糖及二氧化碳等 4. 物質分類如下 : 物質 以普通的物理變化 純物質 6-2 認識元素 可再分者 不可再分者 1. 元素符號是根據英文或拉丁文名稱的第一個字母以大寫表示 若有兩個元素名稱的開頭字母相同, 則其中一種元素會再加一個小寫字母表示 2. 金屬與非金屬的共同性質比較 : 性質金屬非金屬 光澤有沒有 熔點 沸點較高較低 延展性佳不佳 導電性良導體不良導體 導熱性良導體不良導體 6-3 元素與週期表 以普通的化學變化 元素 混合物 可再分者 不可再分者 化合物 1. 現行週期表的排列依原子序由小而大排序, 不同週期的元素, 其性質由左而右呈現週期性的改變 ; 同一族元素具有相似的化學性質 6-4 原子與分子 1. 所有的物質都是由原子構成的, 兩個或數個原子可能組成一個分子 構成物質的原子或分子都是極小的粒子 2. 純物質的構成單位表示 : 优分子 : 例如氦 (He) 氧分子(O 2 ) 二氧化碳分子 (CO 2 ) 悠由原子結合的堆積 : 例如鈉金屬 (Na) 氯化鈉 (NaCl) 3. 原子由電子 質子和中子三種基本粒子組成, 質子和中子構成原子核, 電子環繞原子核快速運動 原子體積由核外電子活動範圍決定, 原子質量由質子與中子決定, 原子性質由質子數 ( 原子序 ) 決定 4. 原子的結構 : 粒子種類分布區域電性 電子原子核外負電 質子原子核內正電 中子原子核內不帶電 6- 物質變化的粒子觀點 1. 物理變化和化學變化的比較 : 變化種類巨觀與微觀的變化 物質的變化 粒子觀點的變化 物理變化 化學變化 物質種類不變有新物質產生 組成物質的原分子間的距離子重新排列, 發生改變產生新分子 2. 擴散現象 : 粒子朝不同方向運動形成混合的過程 擴散時, 粒子由高濃度區向低濃度區移動, 直到濃度相等為止
小試身手 19 大家來找碴 ( 找出錯在哪裡 ) 1. 加熱氧化汞可生成汞和氧氣, 可知氧化汞中含有氧氣分子 (p.168~169) 2. 過氧化氫 (H 2 O 2 ) 物質是由 1 個氫分子和 1 個氧分子組成 (p.169) 3. 分子都是由兩種或兩種以上不同的原子所組成 (p.187) 4. 物質一定是由分子構成的 (p.182~189). 粒子由大到小的排列順序為電子 質子 原子 (p.184~18) 6. 當冰受熱熔化成水時, 水分子分解成氫和氧原子 (p.190~192) 腦內大革命 ( 寫出正確答案 ) 元素與化合物 1. 有關元素與化合物, 下列何者正確? (p.168~169) 訟元素與化合物都是純物質訠元素與化合物均無法再分解訡兩者都沒有固定的沸點訢元素有一定的組成, 而化合物沒有認識元素 2. 下列有關常見元素的敘述, 何者正確? (p.174~17) 訟鉛筆的筆芯是由鉛所製成訠石墨由碳元素構成, 具導電性, 可作電極訡地殼中含量最豐富的元素是矽訢金的元素符號為 Ag, 常用於製造錢幣與飾物元素與週期表 3. 有關週期表的敘述, 下列何者正確? (p.180~181) 訟現行的週期表是將元素依其原子量的順 序, 由小排到大訠週期表內的非金屬元素均勻分散在不同族訡同一週期的元素具有相似的化學性質訢氦 氖屬於第 18 族, 化學性質安定原子與分子 4. 下列有關 CO 2 化學式的敘述, 何者錯誤? (p.188~189) 訟稱為二氧化碳的化學式訠表示二氧化碳分子是由 3 種原子組成訡代表 1 個二氧化碳分子是由 3 個原子組成訢表示二氧化碳是一種化合物. 右圖為氫原子 ( 1 1H) 結構甲之示意圖, 圖中甲為原子核, 乙為核外粒子 下列敘乙述何者正確? (p.184~186) 訟甲含有一個中子訠乙的質量大於甲的質量訡甲與乙所帶電荷的電性相反訢乙的電性為正電 6. 甲 乙 丙 丁四種物質, 其組成粒子如下圖所示, 其中和表示兩種不同原子 (p.187~189) 訜甲訜乙 訜丙訜丁优哪些為混合物? 悠哪些為純物質? 忧何者為元素? 尤何者為化合物? 物質變化的粒子觀點 7. 下列哪一種現象涉及分子的結合 原子再重新排列組合? (p.190~192) 訟冰熔化訠酒精蒸發訡金屬生鏽訢香水擴散