化學世界中的規律 / 子課題
Li 至 Ar 元素物理性質的週期變化
Periodic Trends in Physical Properties from Li to Ar
第二、三週期元素的鍵合、結構、熔點及導電性變化
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 第二、三週期鍵合與結構變化
考評提示：DSE 常考由金屬結構過渡至分子結構的熔點變化
- 第二週期：Li、Be（金屬結構）→ B、C（共價網絡，其中 C 為金剛石／石墨）→ N₂、O₂、F₂、Ne（分子結構）。
- 第三週期：Na、Mg、Al（金屬結構）→ Si（共價網絡）→ P₄、S₈、Cl₂、Ar（分子結構）。
- 熔點趨勢：金屬區先升（正離子電荷↑、半徑↓→ 金屬鍵↑；Na<Mg<Al）；共價網絡區最高（C、Si 極高）；分子區極低，視分子間凡德華力。
- 導電性：金屬（Li/Na/Mg/Al 等）可導電（電子海）；共價網絡的 C 石墨導電（離域 π 電子）、金剛石及 Si 不導電；分子態固體及稀有氣體不導電。
常見題型 · scoring points
描述第三週期元素（Na → Ar）鍵合本質的變化
- Na、Mg、Al：金屬鍵（正離子規則排列，外層電子離域成電子海）。
- Si：共價網絡結構（每個 Si 以四個共價鍵連接四個鄰原子）。
- P₄、S₈、Cl₂：分子結構，分子內為共價鍵，分子間為凡德華力。
- Ar：單原子分子，僅有極弱的凡德華力。
解釋第三週期熔點變化趨勢
- Na(98°C)→Mg(650°C)→Al(660°C)：金屬離子電荷由 +1→+3、半徑減小→金屬鍵逐漸增強。
- Si(1410°C)：共價網絡，打斷需大量能量，熔點最高。
- P₄(44°C)、S₈(115°C)、Cl₂(−101°C)、Ar(−189°C)：分子固體，熔點低；S₈ > P₄（S₈ 分子較大，凡德華力較強）。
- 總體呈先升、達峰（Si）、再急降的模式。
比較 Na、Mg、Al 的熔點與金屬鍵強度
- Na(98°C) < Mg(650°C) < Al(660°C)。
- 離子電荷：Na⁺(+1) < Mg²⁺(+2) < Al³⁺(+3)。
- 離子半徑：Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺（電荷愈大收縮愈大）。
- 結果：電荷對半徑比愈大 → 金屬鍵愈強 → 熔點愈高。
解釋為何 Si 熔點極高，而 P₄ 熔點極低
- Si：共價網絡結構，每個 Si 以四個 Si─Si 共價鍵連接，熔化需打斷大量強共價鍵 → 極高熔點（1410°C）。
- P₄：分子結構，每個 P₄ 分子內為共價鍵（強），但熔化只需克服分子間的凡德華力（弱）。
- 故 P₄ 熔點只有 44°C。
- 結論：熔點取決於熔化所需打破的作用力類型，不只鍵長或鍵能。
解釋第二週期元素的導電性變化（Li→Ne）
- Li、Be：金屬，具離域電子海 → 良導體。
- B、C（金剛石）：共價網絡，電子被定域於共價鍵，不導電；但 C 石墨因 π 電子離域 → 導電。
- N₂、O₂、F₂：分子態，無自由電子或離子 → 不導電。
- Ne：單原子氣體 → 不導電。
比較石墨與金剛石的結構及導電性
- 金剛石：每個 C 以 sp³ 與 4 個 C 形成正四面體共價網絡，電子全部參與成鍵 → 不導電。
- 石墨：每個 C 以 sp² 與 3 個 C 形成層狀結構，剩餘 p 電子形成離域 π 系統 → 導電。
- 石墨層間由凡德華力連繫 → 可滑動，具潤滑性。
- 兩者皆為碳的同素異形體（allotropes），結構不同導致性質迥異。
利用鍵合類型預測 Na、Si、P₄、Ar 的相對熔點次序
- Ar < P₄ < Na < Si。
- Ar：單原子分子，極弱凡德華力 → 熔點最低（−189°C）。
- P₄：小分子，凡德華力較 Ar 稍強 → 稍高（44°C）。
- Na：金屬鍵較分子間力強得多 → 較高（98°C）；Si：共價網絡，破壞大量 Si─Si 鍵 → 最高（1410°C）。
解釋為何第三週期非金屬之熔點並非單調下降（S > P > Cl）
- P 以 P₄ 分子存在，S 以 S₈ 分子存在，Cl 以 Cl₂ 分子存在。
- 分子愈大，電子數愈多，瞬時偶極矩的凡德華力愈強。
- 故凡德華力強度：S₈ > P₄ > Cl₂ → 熔點 S₈ > P₄ > Cl₂。
- 熔點次序 S(115°C) > P(44°C) > Cl(−101°C) 反映凡德華力隨分子大小的變化。
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關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
