目 錄 Contents 1
2
3
4
吳玉琛 1
化學導論
5
吳玉琛、卓怡孜 91
原子模型
1.1
化學的演化 2
5.1
道耳吞的原子模型 92
1.2
現代化學 4
5.2
湯木生的原子模型 93
1.3
學習化學 5
5.3
拉塞福的原子模型 94
5.4
原子的標記法 97
5.5
原子量 100
學前需要的科學知識
程淑芬 11
5.6
光的波動性 103
2.1
測量 12
5.7
量子概念 105
2.2
有效數字 15
5.8
波耳的原子模型 106
2.3
非有效數字的四捨五入 18
批判性思考
2.4
測量值的加減運算 19
5.9
2.5
測量值的乘除運算 21
5.10 電子組態 113
2.6
指數 22
2.7
科學記數 24
公制系統
6 程淑芬 31
氖光 110 能階與次能階 111
元素週期表 6.1
元素的分類 122
6.2
週期律的概念 124
6.3
元素的族和週期 125
3.1
基本單位和符號 32
3.2
公制轉換因子 35
批判性思考
3.3
公制－公制轉換 37
6.4
週期的趨勢 129
3.4
體積的計算 40
6.5
元素性質 132
3.5
密度的概念 44
6.6
游離能 134
3.6
溫度 48
3.7
熱的概念 51
物質和能量
7 程淑芬 59
吳玉琛、卓怡孜 121
IUPAC 的族數 127
劉惠銘、黃文盈 141
化學語言 7.1
化合物分類 142
7.2
單原子離子 146
4.1
物質的物理狀態 60
7.3
多原子離子 150
4.2
元素、化合物和混合物 63
7.4
寫出化學式 152
4.3
元素的命名和符號 66
批判性思考
4.4
金屬、非金屬和類金屬 68
4.5
化合物和化學式 74
4.6
物理和化學性質 77
4.7
物理和化學變化 79
8.1
化學反應的證據 162
4.8
質量守恆 81
8.2
化學方程式的表示法 164
能量守恆 82
8.3
化學方程式的平衡 166
8.4
化學反應的類型 171
4.9
8
有營養的鉀 155
化學反應
劉惠銘 161
9
郭文隆 177
莫耳概念
12
液體與固體
吳玉琛、黃文盈 249
亞佛加厥數 178
12.1
液體的性質 250
批判性思考
12.2
分子間鍵結概念 251
9.2
亞佛加厥數的比擬 179 莫耳計算 180
12.3
蒸氣壓、沸點、黏度與表面張
9.3
莫耳質量 183
9.4
莫耳體積 185
12.4
固體的性質 257
9.5
組成百分比 188
12.5
結晶性固體 258
9.6
實驗式 190
12.6
物理狀態變化 260
9.7
分子式 193
12.7
水的結構 263
12.8
水的物理性質 264
12.9
水的化學性質 266
9.1
批判性思考
10
力 253
亞佛加厥數 195
化學方程式計算 吳玉琛、黃文盈 203
13
化學鍵
吳玉琛、黃文盈 275
10.1
解釋化學方程式 204
10.2
莫耳－莫耳關係 207
13.1
化學鍵概念 276
批判性思考
鐵與鋼 209 化學計量問題的分類 210
13.2
離子鍵 278
10.3
13.3
共價鍵 282
10.4
百分產率 211
13.4
分子的電子點式 284
13.5
多原子離子的電子點式 289
13.6
極性共價鍵 292
13.7
非極性共價鍵 295
11
吳玉琛 217
氣體
11.1
氣體性質 218
13.8
11.2
大氣壓力 219
配位共價鍵 296
13.9
11.3
影響氣壓之變因 222
氫鍵 298
11.4
波以耳定律：壓力－體積之相 關性 224
11.5
14
吳玉琛 305
溶液
查理定律：體積－溫度之相關
14.1
溶液中的氣體 306
性 227
14.2
溶液中的液體 308
給呂薩克定律：壓力－溫度之
14.3
溶液中的固體 310
相關性 229
14.4
溶解過程 312
11.7
聯合氣體定律 232
14.5
溶解度與溫度 313
11.8
蒸氣壓概念 235
14.6
不飽和、飽和及過飽和溶液 315
11.9
道耳吞分壓定律 237
14.7
質量百分濃度 317
11.10
理想氣體定律 239
14.8
莫耳濃度 320
11.6
批判性思考
概念化的氣體 240
14.9
水的氟化 323 溶液的稀釋 324
14.10
溶液化學計量 326
批判性思考
15
劉惠銘 335
酸與鹼
17
氧化與還原
劉惠銘 397
15.1
酸與鹼的性質 336
17.1
氧化數 399
15.2
阿瑞尼斯酸與鹼 339
17.2
氧化與還原反應 403
15.3
布朗斯特－洛瑞酸與鹼 342
17.3 平衡氧化還原方程式：氧化數法 407
15.4
酸鹼指示劑 344
17.4 平衡氧化還原方程式：半反應法 412
15.5
酸鹼滴定 345
17.5
伏特電池 416
15.6
酸鹼標定 349
17.6
電解電池 419
15.7
pH 值的觀念 351
15.8
pH 值的進階運算 354
附錄 427 A
重量與度量單位 428
B
物理常數 428
C
金屬活性排序 429
D
離子化合物之溶解度規則 429
E
水的蒸氣壓 430
碰撞理論 368
F
水的特性 430
16.2
化學反應的能量圖 371
G
概念練習解答 431
16.3
化學平衡的概念 375
H
關鍵字練習解答 435
16.4
平衡常數
I
課後測驗解答 437
16.5
氣體的平衡移動 382
J
自我檢測解答 450
酸雨 356 強電解質與弱電解質 357
批判性思考
15.9
16
劉惠銘 367
化學平衡
16.1
eq
377 385
16.6
離子化平衡常數
16.7
弱酸和弱鹼的平衡移動 388
16.8
溶度積常數
sp
i
390
照片出處 451 索引 453
物質和能量
程淑芬 編譯
Matter and Energy
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9
物質的物理狀態 元素、化合物和混合物 元素的命名和符號 金屬、非金屬和類金屬 化合物和化學式 物理和化學性質 物理和化學變化 質量守恆 能量守恆
環境中的鋁 鋁是地殼中最常見的金屬，組成地球表面 8 ％的質量。然而，鋁金屬 反應性太強，無法在自然界中直接觀察到，但它結合在各種化合物中。鋁被發現在 各種自然礦物中如石榴石、綠松石、以及紅寶石及藍寶石。
「物質是不連續的，且無法被無限制地分割。」Democritus，希臘哲學家（西元前 450 ～ 370） 「物質是連續的，且可以被無限制地分割。」Aristotle，希臘哲學家（西元前 384 ～ 322）
60
在十七世紀，英國科學家羅伯特‧波以耳（Robert Boyle, 1627 ～ 1691）建立了科學研 究的重要實驗。波以耳明白實驗室研究的價值，非常仔細地描述他的工作，因此其他科學 家能夠重複他的實驗程序並確認他的觀察。在 1661 年，他出版《懷疑派的科學家（The Sceptical Chymist）》，那是科學上顯著的一個轉捩點，他提出理論無法優於支持理論的實 驗方法。 波以耳駁斥希臘所認為的空氣、泥土、火和水是基本元素的概念。取而代之，他認為 元素是一個不能再進一步被分解的物質。因此，當一個元素進行化學變化與其他元素結合 時，必然會獲得重量。這是一個實際的提議，可以在實驗室中驗證。 跟隨著波以耳的領導，其他人也藉由執行可被科學家們驗證的實驗來建立科學原理。 雖然科學家持續在提出有關物質行為的理論，他們的理論現在都建立在實驗證據之上。
4.1 1.說明固態、液態及氣態物質中粒子的運動。 2.說明溫度對固態、液態及氣態物質之影響。
物質的物理狀態 Physical States of Matter
物質被定義為一個具有質量、占有體積的物體。它以三種物理狀態（physical states）： 固體、液體或氣體中的一種狀態存在。在固體狀態中，物質有固定的形狀和固定的體積， 固體中的粒子緊緊地結合包捆住，維持在固定的位置，不能被壓縮。在液體狀態，物質的 形狀是可以改變的，但仍具有固定的體積。在液體中的粒子鬆弛的結合，可以自由移動， 僅能輕微的壓縮。 在氣體狀態，物質的微小粒子廣泛的分散在空間中，且能均勻的分布在整個容器內。 當體積增加時，氣體膨脹，粒子間彼此分開更遠。當體積減少，氣體壓縮，粒子之間彼此 移動靠近。表 4.1 彙整物質三種狀態的特性。 表 4.1
物質的物理狀態
特性
固體
液體
氣體
形狀
固定
可變
可變
體積
固定
固定
可變
壓縮性
可忽略
可忽略
顯著
即使我們可能會以「固體」來描述一個物質，但每個物質皆能以固態、液態或氣態存 在。我們可以藉由改變溫度來改變物質的物理狀態。例如：水在 0 ℃時可以由液體變成固 體；在 100 ℃時可以由液體變成氣態的水蒸氣。其他物質在不同溫度下也有相似的表現。 例如，鐵在 1535 ℃時可以變為熔化的液體；在 2750 ℃時，可以變化成氣態。 我們可以用下面的方法來描述物理狀態的變化。當溫度增加時，固體會
成
CHAPTER
4 物質和能量
物質的物理狀態 冰、水和蒸氣代表物質的三種狀態：固態、液態和氣態。
液體，然後再由液體
成氣體。直
接 由 固 體 狀 態 變 為 氣 體 稱 之 為 昇 華 （sublimation）。例如乾冰會直接從固體變為氣 體，進行昇華而消失。 相 反 的，當 溫 度 降 低 時，氣 體 會 成 為 液 體，然 後 再 由 液 體 為固體。直接由氣體狀態轉變為固體， 稱之為沉積（deposition）。藉由收集冰箱中冷凍庫 的冰可以說明沉積。打開冰箱讓溼空氣進入，冰箱 中會沉積霜，這過程不會出現液態的水。圖 4.1 說 明了溫度和物理狀態間的關係。
昇華和沉積 碘晶體在加熱的燒杯 中進行昇華成紫色氣體。當氣體冷 卻，它會在燒杯的上邊緣進行沉積反 應，形成固體。
61
62
圖 4.1
物理狀態的變化 溫度增加，固體熔化成液體，然後蒸發成氣體。當
溫度減少，氣體凝結成液體然後再凝固成固體。
隨堂測驗 1. 物理狀態的變化 針對下列每一個物理狀態的改變說明其適用之名詞： 雪從固態變成液態
汽油從液態變為氣態
乾冰從固態變為氣態。
解答：參考圖 4.1 物理狀態的變化。 從固態變成液態稱為
。
從固態變為氣態稱為
。
從液態變為氣態稱為
。
實例練習 針對下列每一個物理狀態的改變說明其適用之名詞： 冷媒從氣態變為液態 解答：
凝結；
水從液態變為固態
凝固；
碘蒸氣從氣態變為固態
沉積
概念練習 針對下列每一個圖片定義它所代表的物理狀態（固態、液態、氣態）。（解答詳見附錄 G）
CHAPTER
4 物質和能量
4.2
元素、化合物和混合物 Elements, Compounds, and Mixtures
區分一個物質樣品是元素、化合 物還是混合物。
一個物質樣品的特性可能一直維持恆定或是會變化。辨識物質特性是否恆定的一個方 法是將樣品熔化。一個純金的樣品，熔點永遠在 1064 ℃而不會改變。無論是大的金塊或是 小的金片，這個黃色金屬永遠在 1064 ℃熔化。 現在讓我們考慮一個含有純金礦石的石英石樣品。雖然觀察到石英樣品的熔點分布廣 泛，從 1000 ℃到 1600 ℃，但純金的熔點永遠精確的在 1064 ℃。科學家將石英礦石歸類為 非勻相的，而黃金為勻相的。一個物質樣品的特性若為不確定且會變化的，則稱之為 ；而一個純金樣品的特性明確而恆定，其被稱之為
。
一個非勻相混合物（heterogeneous mixture）可以藉由物理方法分離出純物質。例如： 金子的淘洗即是利用密度的特性將純金從砂石中分離。金子密度相當高，為 19.3 g/cm3，會 留在淘洗鍋的底部，而砂和岩石的密度較低，會隨水漩流而去。 空氣不是非勻相混合物，而是由氮氣、氧氣和其他氣體組成的勻相混合物。相同的， 鹽水是由鹽和水的組成勻相混合物。不同於非勻相混合物，勻相混合物（homogeneous mixture）的特性是固定的。然而，勻相混合物的特性在不同樣品間是會變化的，例如：從太平 洋所取得的鹽水樣品和死海的樣品就會有不同的特性。從死海採得的鹽水密度較高，含有 較高濃度的溶解性礦物質。
非勻相混合物 砂和水每個都是純物質，然而，當加在一起時形成非勻相混合 物，樣品的特性完全改變。
合金（alloy）是由兩種或兩種以上金屬所形成的勻相混合物。合金的樣品包括有 10 K、 14 K 和 18 K 的黃金首飾。雖然 10 K、14 K 和 18 K 首飾都可能只含有金、銀和銅金屬，但 黃金的含量從 42 ％到 75 ％不等。黃金的合金是一種勻相混合物，它的特性會因不同樣品 而異。例如：10 K 金是比較硬的合金，且會比 18 K 金更抗刮。
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64
純物質（substance）是具有一定組成和 一定特性的物質。一個純物質可以是一個化 合物或是一個元素。化合物（compound）具 有可預測的特性，但可以藉由一般的化學反 應分解成元素。糖就是化合物的一個例子， 它可以分解成碳、氫和氧。 元素（element）是一個不能進一步利用 化學反應再分解的純物質。例如：食鹽是由 化合物、元素、混合物 橘色的化合物氧化
鈉和氯元素組成的化合物，鈉和氯不能再進
汞分解成銀色液態的汞元素。將橘色粉末和金屬 液體混合在一起即產生非勻相混合物。
一步分解。圖 4.2 說明整個物質的分類。
圖 4.2
物質的分類 物質可能是一個混合物或純物質。非勻相混合物的特性是在樣
品中會改變（油和水）。勻相混合物的特性在樣品中是固定的（鹽溶液）。一個純物質可 能是一個化合物（水）或是一個元素（黃金）。由左到右：油與水、NaCl溶液、H2O和金箔。
CHAPTER
4 物質和能量
隨堂測驗 2. 元素、化合物或混合物 思考元素銅的下列特性： 銅金屬不能藉由化學反應被分解。 銅與空氣中的氧反應產生氧化銅。 銅以孔雀礦石的形式存在全世界。 銅和錫組合成青銅合金。 區分下列銅的樣品是元素、化合物、勻相混合物或非勻相混合物： 銅線
氧化銅
孔雀礦石
青銅合金
解答：參考圖 4.2 來分類每一個樣品： 銅線是金屬
。
氧化銅是元素銅和氧的
。
孔雀石是銅和其他物質的
。
青銅合金是銅和錫的
。
實例練習 思考元素汞的下列特性： 汞液體不能藉由化學反應再分解。 氧化汞可以加熱產生汞和氧氣。 汞以朱砂礦的形式存在西班牙及義大利。 汞和銀結合成合金用來填補牙齒。 區分下列汞的樣品為元素、化合物、勻相混合物或非勻相混合物。 汞液體 解答：
氧化汞
朱砂礦
牙科的合金
元素。 化合物。 非勻相混合物。 勻相混合物。
概念練習 區分下列圖片中的每一種氣體是元素、化合物或是混合氣體？（解答詳見附錄 G）
65
66
4.3 敘述 48 種常見元素的命名和符 號。
元素的命名和符號 Names and Symbols of the Elements
自然界存在有 81 種穩定的元素。另外，也有其他一些不穩定自然存在的元素如：鈾。 總計有超過 100 種元素，但只有 10 種元素合計占地殼、水和大氣質量的 95 ％。 氧是地球上含量最多的元素，它和氫結合形成水，和矽結合存在砂和岩石中。氧存在 空氣中，占大氣組成約 21 ％，氧在地殼、水及大氣中質量的總和大約等於所有其他元素的 總質量。表 4.2 列出了地殼中含量最多的 10 種元素。 表 4.2
存在地殼、水及大氣中的元素
元素
含量百分比
元素
含量百分比
氧
49.5 ％
鈉
2.6 ％
矽 鋁 鐵 鈣
25.7 ％ 7.5 ％ 4.7 ％ 3.4 ％
鉀 鎂 氫 鈦
2.4 ％ 1.9 ％ 0.9 ％ 0.6 ％ 0.5 ％
所有其他元素
氧、矽和鋁是地球上含量最多的三種元素。元素氧、碳、氫、氮、鈣和磷合計占人體 質量超過 99 ％，其餘 1 ％由微量元素組成，其中有許多元素是人生命所需的基本元素。例 如：血液中需要微量的鐵將氧結合在血紅素上。圖 4.3 比較地殼及人體中元素的分布情形。 元素的命名源自不同的來源，例如：氫來自希臘字 hydro，意指「水的前者」。碳來自 拉丁字 carbo，意指「煤炭」。鈣來自拉丁字 calcis，翻譯為「石灰」，是鈣的礦物來源。
圖 4.3
元素的含量 注意，氧是地殼及人體兩者含量最多的元素。雖然地球含
有大量的鋁，但研究證實鋁元素對人體有毒。
CHAPTER
4 物質和能量
一些元素的名稱由它們發現的地區來命名，例如：鍺（germanium）從德國（Germany） 來，鈧（scandium）則來自北歐斯堪的那維亞（scandinavia）。許多元素是以著名的科學家 來命名，如鋦（curium）取自瑪莉‧居里夫人（Marie Curie）；和 （nobelium）取自阿弗 雷得‧諾貝爾（Alfred Nobel）。 每一個元素的名稱使用一個化學符號（chemical symbol）來縮寫。在 1803 年，英國化 學家約翰‧道耳吞（John Dalton, 1766 ～ 1844）提出，元素是由不可分割的球形粒子所組 成。道耳吞稱這些不可分割的粒子為原子（atom），源自希臘字 atomos，意指「不可分割 的」。他建議使用圓圈內標記符號代表一個元素。圖 4.4 顯示一些道耳吞選出用來代表元素 的符號。
圖 4.4
道耳吞選用的一些元素符號 道耳吞在圓圈裡面做標記，作為每個元素
的標誌。道耳吞的系統並不實用，但他傳遞了元素是由原子組成的概念。
在 1813 年，瑞典化學家貝吉里斯（J. J. Berzelius, 1779 ～ 1848）提出了我們目前的元 素符號系統。他建議將元素名稱的第一個字母作為它的符號，例如：氫（hydrogen）為 H， 氧（oxygen）為 O，以及碳（carbon）為 C。進一步，若元素的第一個字母相同時，他建議 使 用 名 稱 中 的 兩 個 字 母，例 如：鈣（calcium）為 Ca，鎘（cadium）為 Cd，以 及 氯 （chlorine）為 Cl。 在某些例子中，化學符號是由元素的原始拉丁名稱所衍生而來，例如：鉛的符號 Pb， 從拉丁字 plumbum 所衍生來。很有趣的是，羅馬人使用鉛管來輸送用水，解釋了“plumbing （鉛管）”一字的衍生。汞元素符號為 Hg，是從希臘字 hydrargyro 衍生而來，意指液態的 銀。相 同 的，一 些 元 素 的 符 號 包 括 金（Au）、銅（Cu）、鐵（Fe）、汞（Hg）、鉀 （K）、鈉（Na）、銻（Sb）以及錫（Sn），都是從原始的拉丁或希臘名稱衍生出來。 當我們撰寫元素名稱的符號時，遵照規定避免產生混淆是相當重要的。第一個字母永 遠都是大寫，而第二個字母是小寫。例如：金屬元素鈷的符號為 Co；相對地，可以注意到 致命的氣體──一氧化碳的化學式為 CO。表 4.3 列出一些元素的名稱和符號。
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