【前言】依道耳頓的原子說,化學反應時,原子重新排列與組合;而原子的重新排列與組合牽涉到電子的共用與轉移,因此電子的排列方式,決定原子的化學性質。

 

(一) 電子排列的模型

A、 拉塞福的行星模型:

                   (1) 拉塞福認為,電子沿一定的軌道繞原子核作圓周運動,如同行星繞太陽一般,有一定的軌跡。

                    (2) 描述: 9993後來發現電子運動的速率極快(約為光速的三分之二),且運動的空間極大,因而要確定電子出現在那一個位置有困難,只能以機率表示。

                   (3) 研究顯示,電子在原子核外一定的範圍運轉,形成雲狀分布,稱為電子雲;電子雲由許多小黑點組成,每一個小黑點表示電子曾在該處出現的痕跡。

                   (4) 電子雲表示電子曾在原子核附近的空間出現的機率,若電子雲愈密,則表示電子出現在該空間的機率愈大。

B、 電子殼層:

                   (1) 由電子雲的分布顯示,電子並不是沿著特定半徑的軌道運轉,而是像洋蔥一般,有些厚度,稱為殼層,殼層是電子運行的空間,沒有電子的離子,如H離子,就不會出現殼層。

                   (2) 每一個殼層最多可以容納2n2個電子。

                   (3) 電子殼層由內而外,分別以n123......標示,n稱為主量子數; n1時,最接近原子核,能量最低,也最穩定;n值愈大時,離原子核愈遠,能量也愈高。
前四個殼層,分別為KLMN

殼層位置

第一層

第二層

第三層

第四層

殼層編號

n1

n2

n3

n4

殼層代號

K

L

M

N

容納電子數

2x122

2x228

2x3218

2x4232

                   (4) 電子由內層而外層依次排列,每一殼層的電子有特定的能量。

                   (5) 能量由低到高的順序,如同階梯一般的排列,稱為能階,電子在兩能階間跳躍時,會有能量轉換,由低能階到高能階,需要吸收能量;由高能階到低能階,需要放出能量。

 

描述: 9992  描述: 9995

 

【例1】 有關殼層的敘述,下列何者正確?
(A)M
殼層為第二主殼層  (B)L層最多可以填入8個電子  (C)M殼層的軌愈最多能容納18個電子  (D)K殼層距離原子和最近,能量最高  (E)L殼層的能量較M殼層的能量高。

【答案】:(B)(C)

【解析】:(A) 第二主殼層是L層,M層是第三殼層。
 (B)  L
層是n2,最多能填入2x228個電子。
 (C)  M
殼層為n3,最多能填入2x3218個電子。
 (D)  L
殼層距離原子核最近,能量最低。
 (E)  M
殼層的能量比L殼的能量高。

 

【例2】 有關價殼層的敘述,下例何者正確?
(A)
為最內層的能階 (B)同族元素之價殼層必相同 (C)同位素之價殼層可能不相同 (D)10Ne之電子組態為2 , 8;其電子恰填滿L層,故無價殼層 (E)屬於第一至第三週期的同列元素之價殼層相同。

【答案】:(E)

【解析】:(A) 價殼層為電子殼層的最外層。
 (B)
同族元素的價殼層相同,價電子的排列相同。
 (C)
同位素有相同數目的質子,有相同數目的電子,因此電子排列相同。
 (D) 10Ne
的原子序為10,電組排列為(28),主量子數為n2,價殼層為L層,有8個價電子。
 (E)
週期表內第一到三週期的銅烈元素,其價殼層相同。

 

【例3】 主殼層M最多可容納的電子數為 (A)2 (B)8 (C)18 (D)32 (E)50

【答案】:(A)(B)

【解析】:主殼層為n1時稱為K層,能容納的總電子數=2n22x122
主殼層為n2時稱為L層,能容納的總電子數=2n22x228
主殼層為n3時稱為M層,能容納的總電子數=2n22x3218

 

【例4】 下列有關軌域的敘述,何者正確?
(A)
氫原子只有1個電子,因此軌域只有1  (B)原子呈現最穩定狀態時,電子會出現在能量最低的軌域  (C)科學家預測出電子移動的軌跡  (D)氫原子的電子不能在球形以外的軌域出現。

【答案】: (B)

【解析】:(A) H原子基態的軌域只有1個,但是激發態的軌域有無限多個。
 (B)
電子在基態時能量最低,狀態最穩定。
 (C)
科學家只能預測出電子在原子四周出現的機率,無法精確描繪電子的運動軌跡。
 (D)
電子在殼層出現的機率最大,在其他距離的軌域也有機會出現,

 

【例5】 下列哪些元素的核心電子數相同?
(A)
 (B) (C) (D) (E)

【答案】:(C)(D)

【解析】:同一週期的元素,其內層的束縛電子(核心電子)相同,僅價電子數目不同。

 

【例6】 下列關於元素性質與其電子排列的敘述,何者正確?
(A)
價電子數相同的元素,化學性質相似 (B)A族元素的族數皆等於其價電子數 (C)週期表是依照元素的原子序排列 (D)同一週期的元素,其價電子所在的層數相同 (E)原子序為2與原子序為10的元素,有相似的化學性質。

【答案】:(A)(C)(E)

【解析】:(A) 同一族的元素,其價電子數目相同,因此化學性質相同。
(B)
除了氦族外,He8A族的元素,但是只有2個價電子。
(D)
僅原子序為前20個的元素,價電子所在的層數相同,例如第四週期的過渡元素,價軌域包含4s3d,並不在同一階層。
(E)
原子序為2為氦元素,價電子數為2,原子序10為氖元素,價電子數為8;兩者的價電子數不同,但皆為電子全滿的穩定狀態,因此有相似的化學性質。

【例7】 有關鈉原子電子排列方式的敍述,何者正確?(Na之原子序11
(A)
K層有8個電子 (B)L層有2個電子 (C)M層有1個電子 (D)電子排列到N層。

【答案】:(C)

【解析】:鈉金屬原子序11,其電子數為(281),因此第3(M)的電子數有1個。

 

【例8】 Na離子可能具有下列各組粒子組合之一,其組合以(質子數,中子數,電子數)表示,應為
(A)(11
1210)  (B) (121111)  (C) (111211)  (D) (121110)

【答案】:(A)

【解析】:鈉的原子序為11,質量數為23,有11個質子,231112個中子,鈉離子帶1個正電,墊子數=11110個電子,因此 (質子數,中子數,電子數)(111210)

 

【例9】 和氖原子具有相同電子殼層排列的是下列何者?
(A)
氦原子 (B)鋰原子 (C)氧原子 (D)鈉離子 (E)氯離子。

【答案】:(D)

【解析】:氖原子的原子序為10,有10個電子,電子排列為(28),而
(A)
氦原子的原子序為2,有2個電子。
(B)
鋰原子的原子序為3,電子排列為(21)
(C)
氧原子的原子序為8,電子排列為(26)
(D)
鈉離子為Na,原子序為11,因為+1價,因此只有10個電子,電子排列為(28)
(E)
氯離子為Cl,原子序為17,因為-1價,因此只有18個電子,電子排列為(288)

 

【例10】 教學上有時會用電子式表示原子結構,下列選項中,阿拉伯數字代表質子數,""代表原子核所帶的正電荷,""表示核外電子,則下列何者表示陰離子?

【答案】:(A)

【解析】:(A)8個正電,28個負電,因此為陰離子。  (B)9個正電,279個負電,因此為電中性的原子。  (C)10個正電,2810個負電,因此為電中性的原子。  (D)11個正電,28111個負電,因此為電中性的原子。  (E)12個正電,28個負電,因此為陽離子。

 

【例11】 下列何者為陽離子?

【答案】:(C)

【解析】:圖中,(A)(D)為電中性的原子;  (B)2個負電的陰離子;   (C)1個正電的陽離子; 
(E)
1個負電的陰離子。

【例12】 請列出下列原子的電子分布情形。
(1) 12Mg
 (2) 20Ca (3) 15P   (4) 15P

【答案】:(1)(282)   (2)(2882)    (3)(285)

 

(二) 電子的排列和週期表的關係

A、 週期表的橫列稱為週期,直行稱為族。

B、 第一週期的元素最外層填到第一層;第二週期的元素最外層填到第二層;同一週期元素的價電子,由左而右依次增加。

C、 同一族的元素,有相同的價電子數(氦除外)

描述: 9994

D、 電子的排列:

                   (1) :只有一個電子,因此分布於最低能階的K層。

                   (2) :含有2個電子,由於K層最多能容納2個電子,因此氦的2個電子皆位於K層,且呈全滿,能量最低,性質最穩定。

                   (3) :含有3個電子,由於K層最多只能裝2個電子,因此第3個電子分布在能量較高的L層。

                   (4) :含有11個電子,由於K層最多只能裝2個電子,而L層最多只能容納8個電子,因此第11個電子分布在能量更高的M層。

                   (5) (282)                     (287)

描述: 9998   描述: 9997

描述: 圖2-9(a)   描述: 圖2-9(b)   描述: 圖2-9(c)

 

E、 元素的化學性質:

                   (1) 物質的行程方式和元素的性質有關,而元素的化學性質取決於元素最外層的價電子數,因此同一族的元素,化學性質相類似。

                   (2) A族的元素,價電子數皆為1,稱為鹼金族,與水反應都能產生氫氣及鹼性的氫氧化物,其氧化物溶於水,都呈鹼性溶液。

                   (3) A族的元素,價電子數都為7,稱為鹵族元素,簡稱鹵素,其氫化物溶於水都能成為酸性溶液。

                   (4) 惰性氣體(A)的化學性質最穩定,除了氦最外層僅有2個電子外,其餘都元素最外層都是8個價電子,達到飽和狀態,因此不易和其他元素相結合,在自然夜中便均以單原子的元素狀態存在。

 

【例13】 下列各元素之電子排列,何組最外層的電子數相同?
(A)12Mg
20Ca (B)3Li19K (C)7N14Si (D)9F18Ar (E)5B15P

【答案】:(A)(B)

【解析】:同一族的元素,其價電子的排列相同。
(1)
鹼土族:鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba),其最外層的價電子數皆為2
(2)
鹼金族:鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs),最外層的價電子數皆為1
(3)
硼族:硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)、鉈(Tl),最外層的價電子數皆為3
(4)
碳族:碳(C)、矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb),最外層的價電子數皆為4
(4)
氮族:氮(N)、磷(P)、砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi),最外層的價電子數皆為5
(5)
鹵族:氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I),最外層的價電子數皆為7
(6)
氦族:氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn),最外層的價電子呈全滿狀態,
  
氦的價電子數為2,氖、氬、氪、氙、氡的價電子數皆為8

 

【例14】 關於鹼金族及鹵素性質的比較,何者正確?
(A)
鹵素元素形成的化合物中鹵素必為價 (B)鹵素元素的熔點隨原子序增加而昇高 (C)鹵素中以氟最活潑,鹼金族以鋰最活潑 (D)鹼金族與水反應生成的氣體均無可燃性。

【答案】: (B)

【解析】:(A)鹵素(ClBrI)有可能出現正的氧化數,如HClO3Cl為+5
(C)
鹵素愈往下,活性愈小,鹼金族愈往下,活性愈大。
(D)
鹼金族活性極大,能直接與水發生激烈反應,產生H2

【例15】 關於分子的電子點式,書寫正確的是
(A)
 描述: 2-2單18(A) (B)四氯化碳 描述: 2-2單18(B) (C) 描述: 2-2單18(C) (D)二氧化碳 描述: 2-2單18(D)

【答案】: (C)

【解析】:(A) 描述: 2-2單18解(A) (B) 描述: 2-2單18解(B) (D) 描述: 2-2單18解(D)

(三) 元素性質的規律性

A、 原子半徑的規律性:

                   (1) 同族元素的原子半徑,隨著原子序的增大而增加(原子半徑由上而下增加);即原子序愈大,電子殼層愈大。

                   (2) 同週期A族的原子半徑,隨著原子序的增加而減少(原子半徑由左而右漸減);即原子序愈大,核電荷與核外的電子靜電力愈強,因此原子序愈大,距離愈近,原子半徑愈小。

                   (3) 同週期的過渡性元素(B族元素),由左而右,由於遮蔽效應,因此半徑的變化不明顯。

B、 離子半徑的判斷:

                   (1) 陽離子由於失去電子,因此陽離子的離子半徑比原子半徑小。
例:NaNaMg2MgAl3Al

                   (2) 陰離子由於獲得電子,因此陰離子的離子半徑比原子半徑大。
例:ClClO2OFFS2S

                   (3) 電子殼層相同的粒子,其原子半徑隨著原子序的增加而減少。
例:NaMg2Al3KCa2
    O2
FS2Cl

                   (4) 同一族的元素形成相同電核的離子時,離子半徑隨著原子序的增加而增加。
例:KNaLiIBrClCa2Mg2Be2

                   (5) 同一元素形成不同電荷的陽離子時,離子半徑隨著正電荷數的增加而減少。
例:Fe2Fe3Cr2Cr3Sn2Sn4

                   (6) 總電子數相同,原子序愈大,半徑愈小。

甲、 陰離子>中性原子>陽離子。
例:FNeNa

乙、 陽離子電荷多者,半徑較小。
例:NaMg2Al3

丙、 陰離子電荷較多者,半徑較大。
例:S2Cl

丁、 同一種粒子,電子數愈多,則半徑愈大。
例:O2OCl

 

【例16】 下列有關鈉與鎂的比較,何者正確?(原子序 Na11Mg12)
(A)
質子數:NaMg  (B)原子半徑:NaMg  (C)離子半徑:NaMg2  (D)電子數:NaMg2  (E)價電子數:NaMg

【答案】: (B)

【解析】:(A) 質子數:Na11個,Mg12個。
(B)
同一週期的原子,質子數愈多,原子半徑愈小;原子半徑:NaMg
(C)
離子半徑:NaMg2  (D)電子數:NaMg2  (E)價電子數:NaMg

 

【例17】 比較下列各離子半徑的大小:
(1) Sn2
_________Sn4      (2) Na_________Mg2
(3) O2
_________F       (4) Ca2_________S2
(5) Na
_________F       (6) Al3_________Mg2
(7) K
_________Na       (8) O2_________Ne

【答案】: (1) >;    (2) >;     (3) >;   (4) <;  
 (5)
<;    (6) <;     (7) >;   (8) >。

 

C、 元素性質的傾向

                   (1) 低價金屬氧化物溶於水,呈鹼性;非金屬氧化物溶於水,呈酸性;不溶於水的氧化物,則成中性。

                   (2) 週期表左下方的元素,有成為鹼性特性的金屬;
週期表右上方的元素,有成為酸性特性的非金屬。

                   (3) 同一週期由左而右,非金屬性質逐漸增強,而金屬性質逐漸減弱。

                   (4) 同一族的元素,金屬性質由上而下,逐漸增強;非金屬性質由上而下,則逐漸減弱。

                   (5) 兩性元素:

甲、 氧化物或氫氧化物同時具有酸性及鹼性的特性者,稱為兩性元素。
例:鋰(Li)、鈹(Be)、鉻(Cr)、鎵(Ga)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、錫(Sn)等元素。

                   (6) 類金屬元素:

甲、 又稱為半導體元素,導電性介於金屬與非金屬之間。
(B)、矽(Si)、鍺(Ge)、砷(As)、銻(Sb)、碲(Te)、釙(Po)等。

描述: 9996

描述: 9991

描述: 9990

 

【例18】 下列何種元素的電子排列,最外層的電子數與相同?
(A)
  (B)  (C)  (D)

【答案】:(D)

【解析】:同一族的元素,價電子數目相同。
氮族包含氮N、磷P、砷As、銻Sb、鉍Bi

 

【例19】 下列各組的原子或離子中,依半徑大小由小到大的順序排列的是
(A)K
NaAl3  (B)SSiF  (C)Mg2KCl  (D)IClO

【答案】:(A)(B)

【解析】:(A)K電子組態(288)在第三週期全滿,半徑最大;Na的電子組態(28)Al3的電子組態(28),因原子核內質子Al較多,因此Al3半徑小於Na;依序為Al3NaK
(B)S
組態為(2,86)Si組態為(284)F組態為(27),因此原子半徑為FSSi
(C)Mg2
組態為(2,8)K組態為(288)Cl組態為(288),因此半徑以Mg2最小,K的質子數比Cl的電子數多,靜電力較大,半徑K較小,因此依序為Mg2KCl
(D)I
在第5週期,半徑最大,Cl在第三週期,O原子在第二週期,半徑大小依序為OClI

 

【例20】 下列結構示意圖中,屬於陽離子的是【臺中二中】

【答案】:(D)

【解析】:(A)(C)為中性原子;(B)為陰離子()價;(D)則為+2價的陽離子。

 

(四) 元素反應的趨勢

A、 八隅體法則:

                   (1) 自然界中元素的最外層電子為8 (氦為2) 時的鈍氣型態是最安定,因此在化學反應時,元素間常藉著最外層電子的轉移或共用,形成與A族鈍氣相同的電子組態,成為安定的分子或是離子;因此失去電子時,成為陽離子,得到電子時,成為陰離子,當電子共用時,形成分子。

B、 化學鍵的種類:

                   (1) 化學鍵:

甲、 原子間或是分子間的作用力,都稱為化學鍵。

乙、 新物質生成時,原子間會重新調整外層電子,或是以共用電子的方式,使原子均具有鄰近鈍氣的電子組態,同時產生引力相結合。

                   (2) 離子鍵:

甲、 金屬元素和非金屬元素相結合,所形成的鍵結。

乙、 原子間發生電子轉移,形成陰離子和陽離子,藉著陰離子和陽離子間的靜電引力相互吸引而結合。

丙、 金屬與非金屬結合時,易失去電子的金屬(AA),與易得到電子的非金屬(A族、氧),形成離子化合物。

丁、 性質:

甲、 常溫下離子化合物為固態,有一定的結晶構造。

乙、 在固態時不能導電,但在熔融狀態或是水溶液可以導電。

丙、 離子化合物具高熔點、高沸點、質硬而脆,不具延展性。

 

戊、 氯化鈉(NaCl)中那失去電子,成為帶正電的陽離子,氯得到電子,成為帶負電的陰離子,彼此相結合成為離子化合物。

 

                   (3) 共價鍵:非金屬元素和非金屬元素相結合,所形成的鍵結,或是分子化合物。

                   (4) 金屬鍵:金屬元素和金屬元素相結合,所形成的鍵結。

 

【例21】 下列關於離子化合物的敘述,何者錯誤?
(A)
由陽離子及陰離子所形成的化合物稱為離子化合物 (B)皆為離子化合物 (C)熔融的離子化合物具有導電性 (D)離子化合物易形成晶體而具有高熔點。

【答案】:(B)

【解析】:描述: 2-2單7解

 

(五) 原子的電子點式表示法

A、 原子內的電子:

                   (1) 電子排列在最高能階的殼層,稱為價殼層。

                   (2) 價殼層的電子稱為價電子。

                   (3) 價電子參與原子間的化學反應,決定該元素的性質;
不同元素的原子,價殼層的能量不同。

                   (4) 價殼層以內的電子。稱為核心電子,或稱為束縛電子。核心電子在所屬的殼層中均是填滿的,通常不參與原子間的結合。

B、 路易斯電子點式:

                   (1) 將價電子點在元素符號的四周,這種表示法稱為"路易斯電子點式"

                   (2) 一般的化學反應中,內殼層的電子不會參與反應,因此不用畫出。

【例22】 一個水分子中有幾對孤對電子(未共用電子對)
(A)1
對 (B)2對 (C)3對 (D)4對 (E)5對。

【答案】:(B)

【解析】:描述: 2-2單7解

 

【例23】 劃出下列各題的電子點式:
(1)H2  (2)HCl  (3)CO2  (4)CO  (5)N2

【答案】:



【例24】 下列各物質的電子點式,何者正確?
(A) 描述: 2-2單19(A)
 (B) 描述: 2-2單19(B) (C) 描述: 2-2單19(C) (D) 描述: 2-2單19(D)

【答案】:(B)

【解析】:(A)為離子鍵結,應表示成 描述: 2-2單19解(A) (B)H原子只有1個電子,應寫成 描述: 2-2單19解(B) 
(C) O
自己應有6個電子,依八隅體共用電子原則,應寫成描述: 2-2單19解(C)

【例25】   ()之電子點式為
 (A) 描述: tu17
  (B) 描述: tu20 (C) 描述: tu19  (D) 描述: tu18 

【答案】:(B)