物質與原子結構

學習目標

• 分辨元素、化合物、混合物與同素異形體，並選對分離方法。
• 用質子數、中子數與天然含量計算平均原子量，讀懂質譜圖。
• 寫出前 36 號元素的電子組態，知道預層原理與洪德規則。
• 用有效核電荷解釋原子半徑、游離能與電負度的週期趨勢。

先測一下

1. 金剛石與石墨的關係是？
2. $^{37}_{17}\mathrm{Cl^-}$ 有幾個質子、中子、電子？
3. 鈉（Z=11）與氯（Z=17），誰的原子半徑大？誰的第一游離能大？

看詳解

1. 同素異形體（同一元素、不同結構的元素物質）。
2. 質子 17、中子 20、電子 18。
3. 鈉半徑大；氯游離能大。同週期由左到右，核電荷增加、電子被拉得更緊。

核心概念

物質分類與分離

• 純物質（元素、化合物）有固定組成與熔沸點；混合物沒有。同一個分子被關在另一個分子裡（如 $\mathrm{H_2@C_{60}}$），只要每個粒子都一樣，仍是純物質。
• 同素異形體：石墨、金剛石、$\mathrm{C_{60}}$、石墨烯；$$ 與 。

看詳解

加水過濾再蒸發；分餘；用不溶於水的有機溶劑萃取。

看詳解

兩層；上層。「相似溶相似」：非極性染料留在非極性的石油醚。

原子結構與同位素

• 質量數 $A=Z+N$。同位素：質子數相同、中子數不同，化學性質相同。
• 平均原子量 $=\sum(\text{同位素質量}\times\text{天然含量})$。
• 雙原子分子 $X_2$ 的質譜：兩種同位素 、 會出現三種分子 、、，含量比 。

看詳解

兩種：79 與 81（$79+79$、$79+81$、$81+81$）。$p^2:2pq:q^2=1:$ → ，各佔一半。這是溴。（答對率 ）的錯誤選項「三種同位素 79、80、81」就是把分子量直接除以 2。同位素的質子數與電子數全都相同。

電子組態與軌域

• 填入順序：$1s\,2s\,2p\,3s\,3p\,4s\,3d\,4p$；每個軌域最多 2 個自旋相反的電子（包立）。
• 洪德規則：同能階軌域先各填一個、自旋平行。例外：Cr $[Ar]3d^54s^1$、Cu 。

看詳解

$1s^1$，和氫一樣；單電子粒子可用波耳模型；第二游離能較大（核電荷 +2 只拉一個電子）。$\mathrm{He^+}$ 半徑比 He 小。這是 114 分科化學 多選 9（答對率 31%）。

週期表與週期性質

• 同族由上到下：電子層增加 → 半徑變大、游離能與電負度變小、金屬性增強。
• 同週期由左到右：有效核電荷變大 → 半徑變小、游離能與電負度變大。例外：第一游離能 Be > B、N > O。
• 連續游離能「突然跳很大」的位置，就是價電子數（族數）。
• 電子數相同的離子：核電荷越大、半徑越小（$\mathrm{O^{2-}>F^->Na^+>Mg^{2+}}$）。

看詳解

第 2 到第 3 突然跳 5 倍，有 2 個價電子：2A 族（鎂）。

重點整理

解題策略

1. 「是不是純物質」：只問粒子是否全部相同。
2. 質譜題：先列出可能的同位素組合，再用機率對含量。
3. 週期趨勢題：先標出兩個元素在表上的位置，再套趨勢，注意例外。

混合練習

1. 氯有 $^{35}$Cl（75%）與 $^{37}$Cl（25%），平均原子量？
2. Fe（Z=26）的電子組態？
3. 排序半徑：$\mathrm{Na^+}$、$\mathrm{F^-}$、。

看詳解

1. $35.5$。
2. $[\mathrm{Ar}]3d^64s^2$。
3. ${\mathrm{F}}^{-}>\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{}$。

常見錯誤

小試身手

1. 111 分科化學 多選 17：由性質推元素（答對率 53%）
2. 114 分科化學 多選 9：$\mathrm{He^+}$ 的電子組態（答對率 31%）
3. 110 學測自然 多選 53：純物質與同素異形體（答對率 31%）
4. 挑戰題：108 指考化學 單選 8：由分子量推同位素（答對率 25%）

複習計畫