化學·9 分鐘

DSE 化學微觀世界 I|原子、週期表、化學鍵與結構性質

由原子粒子、同位素和電子排列,連到週期表位置、族反應性、離子/共價/金屬鍵及物質結構。用 MgO 電子圖和第 II 族反應例子練習解釋。

化學:DSE 化學微觀世界 I|原子、週期表、化學鍵與結構性質主題插畫
目錄
  1. 1.課內的兩條學習線
  2. 2.原子粒子、同位素與電子排列
  3. 3.週期表位置與族反應性
  4. 4.三種鍵合,四類結構
  5. 5.兩個題型例子,練完整的解釋
  6. 6.用完整句子連起原因與結果
DSE 化學微觀世界

解釋熔點同導電性,先認清物質係由甚麼粒子、以甚麼結構組成。NaCl、鑽石和 Cl₂ 的例子分別連到離子間吸引、共價網絡及分子間引力;不能因為都涉及「鍵」就用同一句話回答。微觀世界 I 正是把原子、電子和鍵合接到可見性質的基礎。

課內的兩條學習線

以下把 Topic II 的內容整理成兩條學習線,方便連繫;這是學習分組。官方課程涵蓋原子結構、週期表、鍵合,以及金屬、離子、分子和巨型共價物質的結構與性質。

原子與週期表粒子、同位素、電子排列族、週期、反應性分類與性質成鍵與結構性質離子、共價、金屬鍵巨型結構、簡單分子熔點、導電、溶解與用途
由電子排列理解化學性質,再用鍵合與結構解釋物性。

原子粒子、同位素與電子排列

概念要分清的關係
質子、中子、電子質子與中子在核內;電子在核外。質子相對電荷 +1、中子 0、電子 −1;質子和中子的相對質量約 1,電子很小。
原子序和質量數Z = 質子數;A = 質子數 + 中子數。中性原子的電子數等於質子數;形成離子時電子數改變。
同位素同一元素的原子,質子數相同而中子數不同;中性原子的電子排列相同,因此有相同的化學性質。相對原子質量用同位素質量和相對豐度作加權平均。
電子排列前二十個元素用簡單殼層模型,例如 Na 2,8,1、Cl 2,8,7、Ca 2,8,8,2。這些是指定元素的電子排列,不是所有殼層永遠只能容納 2、8、8、2 個電子的通則。

同位素計算示例:若題目給 ³⁵Cl 佔 75%、³⁷Cl 佔 25%,相對原子質量 = 35 × 0.75 + 37 × 0.25 = 35.5。百分比轉成比例,總和須為 1;相對原子質量沒有單位。不把這個示例豐度當成所有題目的給定資料。

週期表位置與族反應性

元素按原子序遞增排列。同週期的原子有相同數目的已佔用電子殼層;同主族有相似的最外層電子排列,因此通常有相似化學性質。第 I、II、VII 和 0 族是這部分的重點:金屬較容易失去外層電子,鹵素較容易得到一個電子;稀有氣體已有全滿外層,反應性很低。

第 I、II 族金屬由上至下通常更活潑:外層電子離核較遠,較容易失去。第 VII 族鹵素則由上至下通常較不活潑;較活潑的鹵素可從鹵化物溶液置換出較不活潑的鹵素。實驗比較須核對試劑、溫度及其他可比較條件。

分類與位置也要接到實際性質:Na 是左方金屬;Cl 是右方非金屬;Si 在兩者分界,屬半金屬。電負性及鍵極性可連到微觀世界 II。不要把指定族反應性、電負性與失去電子所需能量的額外背誦任務混在一起。

三種鍵合,四類結構

離子鍵是相反電荷離子間的靜電吸引,離子可由電子轉移形成;共價鍵是共用電子對受到兩個原子核吸引;金屬鍵是金屬陽離子與離域電子間的吸引。畫電子圖時,要分清原子和離子、電子的來源及共用的位置。

結構熔化與導電的解釋
巨型離子,例如 NaCl強離子間吸引令熔點高;固態離子固定,熔融或溶於水後有可移動離子而導電。
簡單分子,例如 Cl₂熔化主要克服分子間引力;沒有可自由移動的電荷載體,通常不導電。某些分子如 HCl 與水作用產生離子後,所得溶液可導電。
巨型共價,例如鑽石和石英需克服大量強共價鍵,熔點高;鑽石沒有可自由移動的電子而不導電。石墨則有離域電子,可導電;層可滑動使其軟滑。
巨型金屬離域電子可移動而導電;原子層滑動時仍有金屬鍵,因此可壓成薄片或拉成細絲。

兩個題型例子,練完整的解釋

例 1:MgO 電子圖與導電性

畫出 MgO 的 dot-cross diagram(只畫原子最外層來源的電子),並解釋為何 MgO 固態不導電、熔融後可以導電。

解釋:Mg 的兩個外層電子轉移到 O,形成 Mg²⁺ 和 O²⁻。以點、叉表示來源,O²⁻ 周圍共八個電子,包括來自 Mg 的兩個;兩種離子加方括號和電荷。若只畫原外層來源,Mg²⁺ 不保留原來那兩個價電子。固態離子固定在晶格中,不能自由移動;熔融後離子可移動並攜帶電荷,所以導電。

例 2:第 II 族的相似與差異

以鎂和鈣與稀鹽酸的反應,說明第 II 族金屬為何有相似化學性質,並比較由上至下的活潑性趨勢。

解釋:Mg 是 2,8,2,Ca 是 2,8,8,2,均有兩個最外層電子;兩者失去兩個電子形成 M²⁺,與稀 HCl 反應生成氯化物和 H₂。Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂;Ca + 2HCl → CaCl₂ + H₂。在可比較的相同條件下,Ca 通常反應較快;外層電子離核較遠,較容易失去。這連起電子排列、相似性質和反應性差異。

用完整句子連起原因與結果

練習時,先寫粒子與結構,再指出相關引力或電荷載體,最後回應指定性質。畫圖則核對電子總數、來源、括號和電荷。所需理由、表示方式及得分依當題要求,不把一個 keyword、句式或固定配分當成唯一答案。

到微觀世界 I 課題核對完整正文,再用週期表與性質工具連起位置、電子排列和反應性。單質熔點與導電性的周期變化則接到化學世界中的規律。