物質構造

核子束縛能( Nuclear Binding Energy)

核子束縛能( Nuclear Binding Energy)
台北縣立三民高級中學化學科林秀蓁老師 / 國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯


原子核主要由質子中子構成,原子核半徑約為10-14~10-15 m,由於質子為帶正電力子,在如此微小的距離質子與質子庫侖斥力是非常大(兩質子間庫倫斥力約為2.3×102牛頓)。然而非放射性的原子核又非常穩定,所以物理學家推測在原子核內必然存在一種很強的吸引力,此引力稱為核力(nuclear force)又稱為「強作用力」(strong interaction)。

若將各原子核質量與所組成的質子和中子質量和比較,發現其兩者是有差異的,此質量差異稱為質量缺陷(mass defect),而此質量差異實際上被轉化為使原子核穩定存在的束縛能(binding energy)。

電負度(Electronegativity)(一):鮑林電負度概念、化學鍵之離子性

電負度(Electronegativity)(一):鮑林電負度概念、化學鍵之離子性
台北縣立三民高級中學化學科林秀蓁老師 / 國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

電負度(electronegativity)又稱陰電性或負電性,是原子的化學特性之一,用來描述原子吸引電子的能力;電負度越大,原子吸引電子的能力越強。當不同元素之間有電負度差異時,形成鍵結的共用電子對之電子雲分佈也會出現不均勻分布現象。

目前常用的電負度概念首先由鮑林(Linus Pauling, 1901-1994)源自於1932年所提出的價鍵理論(Valence bond theory)。鮑林發現兩個不同原子\((A-B)\)之共價鍵鍵能\(E(A-B)\)比同原子分子\((A-A\)和\(B-B)\)鍵能之平均值\(\frac{E(A-A)+E(B-B)}{2}\)高。鮑林認為應該有另一個使鍵結穩定的因素存在。其能量差 \(\Delta E(A-B)\) 如方程式一。

\(\Delta E(A-B)=E(A-B)-\frac{1}{2}(E(A-A)+E(B-B))\) (方程式一)

此能量差和原子的拉電子能力有關,鮑林定義此能力數值為 \(\chi\),方程式一可改寫為

\(E(A-B)=K(\chi^A-\chi^B)^2\)

燄色試驗(Flame Test)

燄色試驗
高雄市立新莊高級中學化學科歐惠郡老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

若以價殼層(Valence shell)的概念來看原子中的電子,則我們可以認為原子核外的電子,是被安排在能量不同的各殼層上;而每一層中可進駐的電子數目,亦並非完全相等;層與層間的能量差值,亦有其特定的大小;故不同層中的電子,所擁有的能量,其大小也非連續改變的值-或稱為不連續的〝能階〞(Energy level)。內層電子因距離帶正電荷的原子核較近,受到原子核的吸引較強,故其能量較低,欲脫離原子比較困難;外層電子受內層電子的排斥且距離原子核亦較遠,受到的吸引力較弱,擁有的能量較高,脫離原子的機會較大。因此,最外層的電子就是原子中能量最高的電子,最容易受外界的影響,參與化學反應。通常,一原子中,位於最外層的電子即是價電子(Valence electron),而價電子所在的殼層,就稱為價(殼)層。同族元素因為其價電子數目相同,故化性也相近。

電子殼層

電子殼層 (Electron shell)
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

電子殼層大略可被視為電子環繞在原子核 (atom nucleus) 外的軌道 (orbit)。每個殼層只能容納一定數量的電子,且每個殼層的電子都有其特定的能量範圍。殼層的能量由內往外遞增,每一殼層必須完全填滿電子,其後的電子才能再填充至較外殼層。最外面殼層的電子決定原子的化學性質。

路以士結構II(Lewis structure II)

路以士結構IILewis structure II
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

在繪製某些分子或離子時,要決定移動哪一對孤對電子以形成雙或三鍵是困難的;當分子由多個相同形式的原子環繞中心原子組成,或遇到多原子離子團時更是困難。當一個物質能以兩種或多種結構被描繪出,這種分子結構被稱為共振結構(resonance structure),而分子以共振混成體(hybrid)存在。也就是說,分子被描繪出多個結構,並不表示它具有多種結構,或此物質在這些結構中平衡變動著,而是只有一個結構,其中的鍵都是等價的。舉例來說,NO3ON會形成一個雙鍵,但由於分子是對稱的,由哪個ON形成雙鍵並不重要,因此會出現三個可能的共振結構。繪製結構時,將可能的共振結構都繪出,並以雙箭頭符號分開它們,或以虛線呈現非定域化的鍵結。

路以士結構I(Lewis structure I)

路以士結構ILewis structure I
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

路以士結構(Lewis structures)也被稱為路以士點圖(Lewis-dot diagrams)、電子點圖(Electron-dot diagrams)或電子點結構(Electron-dot structures),用以表示分子中的原子鍵結及可能存在的孤對電子。路以士結構能用以描繪共價鍵結分子和配位化合物(coordination compounds)。1916年,路以士(Gilbert N. Lewis)於「原子與分子」(The Atom and the Molecule)的文章中,開始使用這種圖示法。路以士結構與電子點圖相似,但路以士結構是以線表示原子間的共用電子對,以電子點表示孤對電子,當共用電子為一對時以單線表示,兩對時以雙線表示…。路以士結構顯示出分子結構中毎一個原子的相對位置,原子間以線連結(也可用一對點表示),多出來的孤對電子則以一對、一對的點形式畫在原子旁。

莫色勒II(Henry Moseley II)

莫色勒IIHenry Moseley II
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

莫色勒證實稀土元素(rare earths),由鑭(lanthanum)至鎦(lutetium)剛好只有十五個元素。那時,鑭系元素的數目甚難確認,因為人們還不能提供所有稀土元素鹽類的純樣品;有時,也無法分辨出該樣品是純物質或是由兩個相似元素所組成的混合物;但莫色勒的儀器輕易地解決了這些問題。他也預測出61號元素的存在,當時的人從沒想過有這樣的元素。許多年以後,才由人造方法製出61號元素Pm。他也認為在AlAu間已無其他未知元素存在。

原子軌域(Atomic orbital)

原子軌域(Atomic orbital
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

1904年,日本物理學家Hantaro Nagaoka首次提出電子以類似環繞軌道(orbit)的方式,在原子內運轉的想法。到1913年,波耳主張:電子就像行星繞太陽一般,以固定的角動量,在繞著原子核的軌道上運行。直到1926年,量子力學發展後,才以量子力學(quantum mechanics)中波函數的概念,描述電子的行為。在量子力學中採用nlm三個量子數(quantum numbers)呈現空間中的波函數(wave functions),或以電子組態(electron configurations)指出電子所佔有的軌域(orbital)。量子力學中,以「軌域」取代「軌道」這個名詞,是因為當電子不被視為形狀固定的粒子時,將電子類比為在極小的原子核旁,似氣體般,具有大範圍且分布形狀特殊的電子雲,更為適切;而這與古典物理學中的軌道想法並不相同。

配位共價鍵

配位共價鍵 (Coordinate covalent bond) 
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

當兩原子形成一共價鍵時,共用的兩個電子皆由同一個原子所提供,即為配位共價鍵。這個術語普遍被使用於教科書中,尤其在描述錯合物(complex)時。既然配位共價鍵的形成如前所述,配位共價鍵和其他的極性共價鍵(polar covalent bonds)並無不同,均是共用電子分布不均所致。配位共價鍵的形成需要兩個條件:一是中心原子或離子必須有能接受電子對的空軌域;二是必須有配位子(ligand),且配位子中欲鍵結的原子,必須能提供孤對電子。也就是說,配位共價鍵是路以士鹼(推電子或電子施予者)提供一對電子給路以士酸(電子接受者)所形成的,這種成鍵的過程被稱為配位(coordination)。

同素異形體(Allotropes)

同素異形體(Allotropes
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

同素異形性(Allotropy)是指特定的元素,能以二或多種不同的形式存在,而形成同素異形體。同素異形體為構成元素的相同原子,以不同方式鍵結,而排列成不同的結構、產生不同的性質。同素異形體與同分異構物(isomers)不同;同分異構物為化合物具相同分子式(molecular formula)但具有不同結構式(structural formulae)。舉例來說,碳元素具有兩種常見的同素異形體:鑽石和石墨。鑽石是碳原子以正四面體晶格排列方式鍵結(下圖左),石墨則是碳原子以平面六邊形排列方式互相鍵結(下圖右)。

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