NCEA 1 級科學/物質結構

簡介

所有物質都是由非常小的粒子組成的，這些粒子被稱為原子。原子這個名字來自希臘語，意思是不可切割，即無法進一步分割的東西。原子是元素的基本組成部分。

亞原子粒子

原子有三種亞原子粒子

質子 (+): 帶正電荷
電子 (-): 帶負電荷
中子 (0): 不帶電荷

它們有時可以寫成 $p$ (質子)， $e$ (電子) 和 $n$ (中子)

通常，原子不帶總電荷（中性），因為帶正電荷的質子數量等於帶負電荷的電子數量。中子的數量往往會有所不同，例如氫原子中沒有中子。具有相同質子數量但質量不同的原子被稱為同位素。

中子在原子的功能中起著非常重要的作用。在原子核中，幾個質子緊密地聚集在一起。由於異性相吸，同性相斥，通常質子會相互排斥並使原子核散開。然而，存在一種強核力將原子核束縛在一起。這種不可思議的力量導致核子（質子和中子）相互吸引的力量比電磁力排斥它們的力量大得多，但只在極短的距離內有效。

質子和中子的數量之間存在微妙的平衡。質子透過強核力相互吸引，但也同時受到其電磁電荷的排斥，因此在原子核中不能大量存在，除非有中子的穩定作用，中子透過強核力相互吸引，但沒有電荷。相反，中子會將自身的固有失穩性傳遞給原子核，過多的中子會使原子核失穩。

遮蔽（或篩選）效應類似於有效核電荷。內層電子在一定程度上排斥價電子（最外層電子）。電子層越多（元素週期表每行對應一個新層），遮蔽效應就越大。本質上，內層電子遮蔽了價電子免受原子核正電荷的影響。

原子序數

原子序數是原子核中質子的數量。原子序數決定了原子屬於哪個元素。元素週期表上的元素是根據它們的原子序數排列的。每個元素都有一個獨特的識別符號。

如果用中子或加速器中的帶電粒子轟擊重金屬，如果質子數量增加，則原子序數也會增加。這就是創造新的被稱為超鈾元素的人造元素的方法，即元素週期表上大於 92 的元素。

質量數

質量數是原子中質子和中子數量的總和。

鎂的原子質量為 24.3051，但其質量數為 24。

電子排布

元素是一種只包含相同型別原子的物質。也就是說，原子具有相同的質子數量。

在原子核內部，存在質子和中子。電子繞著原子核執行，排列在不同的能級或電子層上。對於前 20 種元素，每個電子層的最大電子構型為

第 1 電子層：2

第 2 電子層：8

第 3 電子層：8

第 4 電子層：2（剩餘電子）

電子排佈告訴我們每個電子層可以容納多少個電子。

示例

K（鉀；原子序數：19）的電子構型為 2,8,8,1。

這告訴我們第 1 電子層上有 2 個電子，第 2 電子層上有 8 個電子，第 3 電子層上有 8 個電子，第 4 電子層上有 1 個電子。

另一種計算前 20 種元素的電子構型的方法是檢視元素週期表。元素週期表上的行稱為週期，列稱為族。

**元素週期表**
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18

1 H																	2 He
3 Li	4 Be											5 B	6 C	7 N	8 O	9 F	10 Ne
11 Na	12 Mg											13 Al	14 Si	15 P	16 S	17 Cl	18 Ar
19 K	20 Ca	21 Sc	22 Ti	23 V	24 Cr	25 Mn	26 Fe	27 Co	28 Ni	29 Cu	30 Zn	31 Ga	32 Ge	33 As	34 Se	35 Br	36 Kr
37 Rb	38 Sr	39 Y	40 Zr	41 Nb	42 Mo	43 Tc	44 Ru	45 Rh	46 Pd	47 Ag	48 Cd	49 In	50 Sn	51 Sb	52 Te	53 I	54 Xe
55 Cs	56 Ba	57 La	72 Hf	73 Ta	74 W	75 Re	76 Os	77 Ir	78 Pt	79 Au	80 Hg	81 Tl	82 Pb	83 Bi	84 Po	85 At	86 Rn
87 Fr	88 Ra	89 Ac	104 Rf	105 Db	106 Sg	107 Bh	108 Hs	109 Mt	110 Ds	111 Rg	112 Cn

		58 Ce	59 Pr	60 Nd	61 Pm	62 Sm	63 Eu	64 Gd	65 Tb	66 Dy	67 Ho	68 Er	69 Tm	70 Yb	71 Lu
		90 Th	91 Pa	92 U	93 Np	94 Pu	95 Am	96 Cm	97 Bk	98 Cf	99 Es	100 Fm	101 Md	102 No	103 Lr

要計算電子的排列，我們可以放心地假設前 20 個元素的週期數等於它具有的電子層數。我們也可以假設每個週期中元素的數量等於每個電子層中的電子數量。

示例

Cl（氯；原子序數：17）位於第7族或第17族，位於第3週期。因此，它有 3 個電子層，最外層有 7 個電子。它的電子構型是 2,8,7。

第 1 族、第 2 族、第 16 族、第 17 族

反應性

元素所在的族（列）可以決定其反應性。第 18 族元素具有完整的價電子，因此它們不活潑或穩定。它們不會形成像 O₂ 或 CO₂ 這樣的化合物。另一方面，第 1 族和第 17 族非常活潑，因為它們只有一個價電子，很容易失去，因此第 1 族和第 17 族元素在自然界中從未單獨存在過——它們總是以化合物形式存在，例如 H₂ 和 Cl₂。第 2 族和第 16 族略微活潑，在自然界中也以化合物形式存在。

離子

**離子表**
+1	+2	+3	-2	-1
NH₄⁺	Ca ²⁺	Al³⁺	O^2-	OH^-
Na⁺	Mg²⁺	Fe³⁺	S^2-	Cl^-
K⁺	Cu²⁺		CO₃^2-	NO₃^-
Ag ⁺	Pb ²⁺		SO₄^2-	HCO₃^-
H⁺	Fe ²⁺
	Ba²⁺
	Zn ²⁺

離子是獲得或失去電子的原子或原子團。結果是它們變成了帶電粒子。

元素週期表分為兩組：金屬和非金屬。金屬位於左側，非金屬位於右側。中間的元素是金屬，但被稱為過渡金屬。金屬會帶正電荷，被稱為陽離子。非金屬會帶負電荷，被稱為陰離子。失去一個電子的金屬將擁有比電子更多的質子，因此它們會形成正離子，例如 H⁺ 和 Al³⁺。而獲得電子的非金屬將擁有比質子更多的電子，因此它們會形成負離子，例如 Cl^- 和 HCO₃^-。

在一個化學反應中，氫原子失去它唯一的電子形成一個包含 1 個質子和 0 個電子的離子。該氫離子 (H⁺) 帶有 +1 的電荷，因為有一個質子而沒有電子來平衡電荷。

一個氯 (2,8,7) 原子獲得一個電子形成一個包含 17 個質子和 18 個電子的離子。該氯離子 (Cl^-) 帶有 -1 的電荷，因為有 17 個質子而有 18 個電子。電子數量比質子數量多一個。

通常，一個鈉原子 (2,8,1) 在最外層有一個電子。在一個化學反應中，它將失去這個電子形成一個 Na⁺ 離子 (2,8)。

氧 (2,6) 在一個化學反應中將獲得 2 個電子來填滿其最外層。它將形成 O²⁺ 離子。

原子希望具有完整的價能級，這樣它就會變得不活潑並穩定。這可以透過在化學反應中獲得或失去電子來實現。化學反應不僅僅發生在科學實驗室中。第 1 族和第 17 族元素在自然界中並不存在。將第 1 族元素，如鈉，暴露在大氣中（包含 78% 氮氣、21% 氧氣、0.9% 氬氣和 0.03% 二氧化碳）或專門暴露在氧氣中，會導致立即的氧化反應。

**離子規則**
失去電子	正離子
獲得電子	負離子

離子與元素週期表

離子的反應性和電荷與其在元素週期表中的位置有關。

第 1 族金屬在最外層有一個電子，因此它們非常活潑，會失去這個電子形成 +1 的正離子，例如 Li⁺ 和 Na ⁺。

第 2 族金屬在最外層有兩個電子，因此它們略微活潑，會失去這兩個電子形成 +2 的正離子，例如 Be²⁺ 和 Mg²⁺。

第 16 族非金屬在最外層有 6 個電子，因此它們略微活潑，會獲得 2 個電子形成 -2 的負離子，例如 O^2-、S^2-。

第 17 族非金屬在最外層有 7 個電子。它們非常活潑，會獲得 1 個電子形成 -1 的負離子，例如 F^-、Cl^-。

第 18 族非金屬擁有完整的最外層。它們不活潑，不會形成離子，例如 He、Ne、Ar。

**離子的電荷**
元素	電子排列	電荷
氫	1	H +1
氦	2	He 0
鋰	2,1	Li +1
鈹	2,2	Be +2
氧	2,6	O -2
氟	2,7	F -1
氖	2,8	Ne O

離子化合物

當一個正離子（金屬）和一個負離子（非金屬）化學結合時，就會形成一個離子化合物。這個過程是反應物 → 產物。

有兩種型別的方程式

文字方程式
化學方程式

文字方程式涉及識別反應物和產物。化學方程式涉及使用文字和符號來寫出你的方程式。在考試中，一定要仔細閱讀你的問題，並寫下要求的方程式型別。

示例

文字方程式：鎂 + 氧氣 → 氧化鎂
化學方程式：Mg²⁺ + O^2- → MgO

命名和寫出化學式

氯化鈉 (NaCl) 的晶體結構，一種典型的離子化合物。紫色球體是鈉陽離子 Na⁺，綠色球體是氯陰離子 Cl⁻。

要寫出離子化合物的化學式，可以使用交叉相乘規則。

步驟:

1. 在離子表上找到離子，然後去掉 + 和 - 符號。

2. 如果數字相同，則互相抵消。

3. 如果數字不同，則將它們移到另一邊並交叉相乘。

4. 如果數字被移到化合物上，則需要插入括號。

*交叉相乘*規則的示例
化合物名稱	尋找離子電荷	交叉相乘後的數字
氧化鎂	Mg²⁺ + O^2-	MgO
氫氧化鋁	Al³⁺ + OH^-	(Al(OH))₃ [不平衡]
硝酸鉀	K⁺ + NO₃^-	KNO₃
氯化鈣	Ca²⁺ + Cl^-	CaCl₂ [不平衡]
硝酸鋅	Zn²⁺ + NO₃^-	Zn[(NO₃)]₂ [不平衡]
硫酸鈉	Na⁺ + SO₄^2-	Na₂SO₄ [不平衡]

化合物

當兩種或多種元素結合在一起時，就會形成化合物，例如 CaCl₂。化學式中的下標數字表示每個元素存在的原子數量。

示例

Ca(Cl)₂ - 1 個 Ca、2 個 Cl
Mg(OH)₂ - 1 個 Mg、2 個 H、2 個 O

係數表示該化合物有多少個分子。要計算每個元素存在的原子數量，需要將係數乘以原子數量。

示例

3Cu(SO)₄ - 3 個 Cu、3 個 S、12 個 O
2CO₂ - 2 個 C、4 個 O
5H₂SO₄ - 10 個 H、5 個 S 和 20 個 O
3Cu(OH)₂ - 3 個 Cu、6 個 O、6 個 H

待辦事項
新增平衡化學方程式章節