DSE 化學 · Topic II

微觀世界 I

Microscopic World I

原子結構、電子排列、化學鍵與物質結構是化學的概念基礎；連繫週期表位置、第 I、II、VII 和 0 族的性質，以及結構與物性。

01

原子結構與化學鍵

Atomic Structure and Chemical Bonding

同位素、三種化學鍵及巨型結構的導電性比較

核心考點

1. 原子結構與同位素

考評提示：同位素定義、質量數計算、化學性質相同的原因

  • 原子由質子、中子（核內）和電子（核外）組成。質量數 = 質子數 + 中子數。
  • 同位素 (Isotopes)：質子數相同但中子數不同的原子。化學性質相同（因電子排佈相同），物理性質不同。
  • 電子排佈：按 2, 8, 8, 2 規則填充。價電子 (Valence electrons) 決定化學性質。

2. 化學鍵與巨型結構

考評提示：石墨vs鑽石的結構與導電性比較、離子化合物固態不導電的原因

  • 離子鍵：金屬與非金屬間電子轉移。巨型離子晶格，具高熔點，熔融或水溶液態導電（離子可自由移動）。
  • 共價鍵：非金屬原子間共享電子。簡單分子（分子間作用力弱，低熔點）vs 巨型共價結構（強共價鍵，極高熔點）。
  • 石墨 (Graphite) 每個 C 與 3 個 C 相連 -> 具離域電子 (Delocalised e⁻) -> 可導電。鑽石 (Diamond) 每個 C 與 4 個 C 強共價鍵相連 -> 四面體結構 -> 極硬且不導電。
  • 金屬鍵：金屬陽離子與「電子海」間的吸引力。具良好的延展性及導電性。

常見題型

描述三種亞原子粒子的性質及在原子中的位置
  • 質子：相對質量 1，電荷 +1，位於原子核。
  • 中子：相對質量 1，不帶電，位於原子核。
  • 電子：相對質量約 1/1840，電荷 -1，在原子核外的電子殼中運行。
  • 原子呈電中性：質子數等於電子數。
解釋為何同位素具有相同的化學性質
  • 原因：化學性質取決於原子的價電子排佈（最外層電子數）。
  • 同位素：質子數相同，因此中性原子的電子排佈完全相同。
  • 結果：它們在化學反應中的電子轉移或共享方式一致。
計算氯的相對原子質量（給予同位素丰度）
  • 數據：³⁵Cl 佔 75%，³⁷Cl 佔 25%。
  • 公式：相對原子質量 = Σ(質量數 × 百分比)。
  • 計算：(35 × 0.75) + (37 × 0.25) = 26.25 + 9.25 = 35.5。
  • 注意：相對原子質量通常不是整數，因為它是加權平均值。
描述離子化合物與簡單分子化合物在導電性上的差異
  • 離子化合物：固態不導電（離子受制於晶格）；熔融或水溶液態導電（離子可自由移動）。
  • 簡單分子化合物：不論任何狀態均不導電（由中性分子組成，無自由移動的電荷載體）。
  • 例外：某些極性分子（如 HCl）溶於水後會電離出離子，從而導電。
比較鑽石與石墨的硬度並以結構解釋
  • 鑽石：極硬。每個碳原子與 4 個碳以強共價鍵相連，形成巨型三維四面體網絡。
  • 石墨：質軟（具滑膩感）。層內原子以強共價鍵相連，但層與層之間僅靠弱的分子間作用力（范德華力）結合。
  • 結果：石墨的層可以輕易滑動，而鑽石結構則非常牢固。
說明金屬具有延展性的原因
  • 結構：金屬由緊密堆積的金屬陽離子及離域電子（電子海）組成。
  • 原理：當受到外力時，金屬原子層可以互相滑動，但離域電子仍能維持陽離子間的吸引力。
  • 金屬可被壓成薄片（展性，malleability），或拉成細絲（延性，ductility）；層滑動時金屬鍵仍能維持。
比較 NaCl 與 Cl₂ 的熔點差異
  • NaCl：熔點高。屬於巨型離子結構，斷裂離子鍵需消耗大量能量。
  • Cl₂：熔點極低。屬於簡單分子結構，分子間僅存在弱的范德華力，容易克服。
  • 關鍵詞：離子鍵 (Strong ionic bonds) vs 分子間作用力 (Weak intermolecular forces)。
描述由原子形成氧離子 (O²⁻) 的過程
  • 氧原子：電子排佈為 2, 6（具有 6 個價電子）。
  • 過程：氧原子得到 2 個電子。
  • 結果：形成電子排佈為 2, 8 的穩定八隅體結構；電荷變為 -2。
解釋為何石英 (SiO₂) 具有高熔點
  • 結構：巨型共價結構 (Giant covalent structure)。
  • 鍵合：每個 Si 原子與 4 個 O 原子以強共價鍵相連。
  • 原因：要熔化石英，必須斷裂大量的強共價鍵，這需要極高的能量。
描述金屬導電的機制
  • 載體：離域電子 (Delocalised electrons)。
  • 過程：在電場作用下，離域電子可以自由地向正極方向移動。
  • 注意：金屬導電過程中不涉及原子的移動或化學變化。
分析由原子形成共價分子（如 H₂O）時的電子交互作用
  • 過程：氫原子與氧原子共享電子。
  • 結果：氧原子達到 8 電子的穩定結構，每個氫原子達到 2 電子的穩定結構。
  • 吸引力：共用電子對同時受到兩個原子核的靜電吸引。
討論離子鍵的強度與離子電荷的關係
  • 規律：離子電荷越高，離子半徑越小，離子鍵越強。
  • 例子：MgO (Mg²⁺, O²⁻) 的熔點比 NaCl (Na⁺, Cl⁻) 高得多。
  • 原因：高電荷離子間的靜電引力更強。
02

週期表結構與趨勢

Structure of the Periodic Table and Periodic Trends

週期表位置與電子排列、第 I/II/VII 族反應性、稀有氣體穩定性，以及電負性與鍵極性的連繫

核心考點

1. 週期表的基本構造

考評提示：族與週期的含義、金屬/非金屬的分界

  • 按原子序 (Atomic number) 遞增排列。
  • 同族 (Group)：最外層電子數相同 -> 化學性質相似。同週期 (Period)：電子殼層數相同。
  • 第 I 族：鹼金屬；第 II 族：鹼土金屬；第 VII 族：鹵素；第 0/VIII 族：稀有氣體。

2. 週期趨勢

考評提示：按電子排列解釋第 I、II 和 VII 族反應性；電負性與鍵極性連繫微觀世界 II

  • 第 I 族金屬有一個最外層電子，第 II 族有兩個；同族電子排列相似，因此有相似的化學性質。由上至下，最外層電子離核較遠，通常更容易失去，活潑性增加。
  • 第 VII 族鹵素有七個最外層電子，容易得到一個電子；由上至下反應性通常減弱。較活潑的鹵素可從鹵化物溶液置換出較不活潑的鹵素。
  • 電負性是原子在共價鍵中吸引共用電子對的能力；主族元素通常由左至右增加、由上至下減小。此連繫微觀世界 II 的鍵極性：電負性差異越大，共用電子對分佈越不均勻。

常見題型

描述第 I 族金屬由上至下活潑性的變化及其原因
  • 趨勢：活潑性增加。
  • 原因：原子半徑增大，最外層電子與原子核的距離增加，且屏蔽效應增強。
  • 結果：原子核對最外層電子的吸引力減弱，電子更容易失去。
分析第 VII 族鹵素由上至下物理性質的變化規律
  • 熔點/沸點：逐漸上升。
  • 狀態：F₂/Cl₂ 為氣體，Br₂ 為液體，I₂ 為固體。
  • 解釋：分子量增加，分子間的范德華力隨之增強。
  • 顏色：逐漸加深（F₂ 淡黃，Cl₂ 黃綠，Br₂ 紅棕，I₂ 紫黑/深灰）。
解釋為何第 0 族稀有氣體具有極高的化學穩定性
  • 稀有氣體具有已全充滿的最外層電子殼層：He 為 2；Ne 為 2,8；Ar 為 2,8,8。
  • 這是穩定的電子排列；它們通常不容易失去、得到或共享電子，所以反應性很低。
分析第三週期 (Na to Ar) 原子半徑的變化趨勢
  • 趨勢：由左至右原子半徑減小。
  • 原因：原子序（核電荷）增加，但電子填充在同一個主殼層，屏蔽效應增加不明顯。
  • 結果：原子核對電子的靜電吸引力增強，將電子雲向內拉緊。
描述第 II 族金屬由上至下的活潑性趨勢，並以鎂和鈣與稀鹽酸的反應說明
  • 第 II 族金屬由上至下通常更活潑；在可比較的相同條件下，鈣與稀鹽酸比鎂反應較快。
  • 鎂和鈣均有兩個最外層電子，反應時失去兩個電子形成 M²⁺；與稀鹽酸反應生成氯化物和氫氣。
  • 方程式：Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g)；Ca(s) + 2HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂(g)。
  • 由上至下電子殼層數增加，最外層電子離原子核較遠，較容易失去；以此連繫電子排列和反應性。
分析第三週期元素熔點的變化趨勢（與鍵合關係）
  • 規律：Na、Mg、Al 的熔點呈上升趨勢（金屬鍵增強）；Si 極高（巨型共價結構）；P₄、S₈、Cl₂ 為簡單分子，而 Ar 為單原子物質，熔點均較低，熔化時克服的吸引力較弱。
  • 最高點：Si（斷裂強共價鍵需要極多能量）。
  • 分子間：S₈ 的熔點比 P₄ 高，因為 S₈ 分子較大，范德華力較強。
描述第三週期元素氧化物的酸鹼性質規律
  • Na₂O, MgO：鹼性（與酸反應生成鹽和水）。
  • Al₂O₃：兩性（既能與強酸反應，也能與強鹼反應）。
  • SiO₂：弱酸性（僅與熱的濃鹼反應）。
  • P₄O₁₀, SO₂, Cl₂O₇：酸性（溶於水生成酸）。
討論電負性在週期表中的規律及意義
  • 趨勢：由左至右增加，由上至下減小。
  • 意義：衡量原子在共價鍵中吸引電子的能力。
  • 應用：用於判斷化學鍵的極性（電負性差值越大，極性越強）。
比較第三週期金屬（Na, Mg, Al）的導電性
  • 趨勢：由 Na 到 Al 導電性增強。
  • 原因：每個原子提供的離域電子數增加（Na: 1, Mg: 2, Al: 3）。
  • 結果：電子海中的電荷載體密度增加。
以鈉、矽和氯說明週期表中的金屬、半金屬與非金屬分界
  • 鈉位於第三週期左方，屬金屬；氯位於右方，屬非金屬。
  • 矽位於金屬與非金屬的分界，具有兩類元素的部分特徵，屬半金屬。
  • 三者均有三個已佔用電子殼層；鈉、矽和氯的電子排列分別是 2,8,1；2,8,4；2,8,7。
  • 連繫結構：鈉有巨型金屬結構和離域電子；矽有巨型共價結構；氯單質由 Cl₂ 分子組成。分類和性質須與元素的實際結構相連，不以一條失電子趨勢取代所有性質。
解釋為何同週期的鹵素比鹼金屬具有更高的電負性
  • 原因一：鹵素具有更多的核電荷（質子數更多）。
  • 原因二：鹵素原子半徑較小。
  • 結果：鹵素原子核對共用電子對的引力比同週期的鹼金屬強得多。
描述鹵素間的置換反應及其與活性的關係
  • 反應：較活潑的鹵素（如 Cl₂）可以從鹵化物中置換出較不活潑的鹵素（如 Br⁻）。
  • 例子：Cl₂(g) + 2KBr(aq) → 2KCl(aq) + Br₂(aq)（溶液變橙色）。
  • 關係：活性隨原子序增加而減小（F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂）。