普通化學

CH 7~10 20 21 章節重點整理 (停止更新)

7-1 Electromagnetic Radiation 電子輻射

\[ λν = c \]
波長(wave length )

長
↑ radio wave 無線電波 ≈ 102(m)
     microwave 微波 ≈ 10-2(m)
     infrared 紅外線 ≈ 10-4(m)
     visible light 可見光 380~780(nm)
     ultraviolet 紫外線 10~380(nm)
     X-ray X光 ≈ 10-10(m)
↓gamma ray γ射線 ≈ 10-12(m)
短

wave length

7-2 The Nature of Mass

Planck's constant普朗克常數(h) = 6.626×10-34(J ⋅ s)

\[ \Delta E = nhν = n\frac{hc}{λ} \]

The energy of a photon 光子能量

\[ E_{photon} = hν = \frac{hc}{λ} \]

Photoelectric effect 光電效應

\[ KE_{electron} = \frac{1}{2}mv^{2} = hν - hν_{0} \]
m: mass of electron
v: velocity of electron
hν: energy of incident photon
hν0: energy required to remove electron from metal's surface

Mass-energy conservation 質能互換公式

\[ E = mc^2 ,\quad m = \frac{E}{c^2} = \frac{\frac{hc}{λ}}{c²} = \frac{h}{λc} \]

Matter wave 物質波

\[ m = h/λv , λ = h/mv \]

7-3 The Atomic Spectrum of Hydrogen 氫原子光譜

ΔE = hν = hc/λ
E: change in energy
ν: frequency of light limit
λ: wavelength of light limit

7-4 The Bohr Model 波耳模型

Bohr's model of the hydrogen atom 波耳氫原子模型

Hydrogen energy level 氫原子能階

E = -2.18×10-18(Z2/n2)

Electron transition 電子躍遷

ΔE = Ef - Ei = -2.18×10-18(1/n22 - 1/n12)(J)

7-5 The Quantum Mechanical Model of the Atom

Ĥψ = Eψ
ψ: wave funtion
Ĥ: operator
E: total energy of the atom

Heisenberg uncer-tainty principle 海森堡測不準原理

\[ \Delta x \cdot \Delta(mv) \ge \frac{h}{4\pi} \]
Δx: uncertainty in a particle’s position
Δ(mυ): uncertainty in particle momentum

7-6 Quantum Number 量子數

Principal quantum number 主量子數(n)

relate to the size and energy of the orbital
n = 1, 2, 3, ...

Angular momentum quantum number 角動量量子數(𝓵)

relate to the shape ofatomic orbit-als
𝓵 = 0, 1, 2, ... (n-1)

𝓵 0 1 2 3 4
letter used s p d f g

Magnetic quantum number 磁量子數(m𝓵)

related to the orientation of an orbital in space relative to the other orbitals in the atom
m𝓵 = -𝓵, ..., 0, ..., 𝓵

n 𝓵 sublevel designer m𝓵 numbers of orbitals
1 0 1s 0 1
2 0 2s 0 1
1 2p -1,0,1 3
3 0 3s 0 1
1 3p -1,0,1 3
2 3d -2 ~ 2 5
4 0 4s 0 1
1 4p -1,0,1 3
2 4d -2 ~ 2 5
3 4f -3 ~ 3 7

7-7 Orbital Shapes and Energy

7-8 Electron Spin and the Pauli Principle

Electron spin quantum number 自旋量子數(ms)

related to the direction of electron spin
mls = +1/2 or -1/2

Paul exclusion priciple

同個原子裡不會有兩個電子擁有一樣的四個量子數

7-9 Polyelectonic Atoms 多電子原子

Polyelectronic Atoms

energy level order in polyelectronic atoms
E(ns)>E(np)>E(nd)>E(nf)

Penetration effect 穿透效應

軌域較靠近原子核處, 能量較低, 電子優先填入

7-11 The Aufbau Principle and the Periodic Table

Aufbau principle 構築原理

新增電子會先填入低能量軌域, 軌域填滿後才會填入更高能量軌域

Be

Hund's rule 洪德定律

當電子排序在能量相同的不同軌域, 會優先佔據不同軌域且自旋方向相同

C

7-12 Periodic Trends in Atomics Properties

Ionization energy 游離能

從原子移出一個電子所需的能量

X(g) → X+(g) + e-

the first ionization energy (I1)
→ 2A > 3A, 5A > 6A

first ionization energy

electron affinity 電子親和力

原子吸引電子結合成陰離子時的能量變化

X(g) + e- → X-(g)

Aomic radius 原子半徑

同一族, 原子序越大, 原子半徑越大
同個週期, 原子序越大, 原子半徑越小

7-13 The Properties of a Group: The Alkali Metals 鹼金屬

elements in the periodic table are divided into metals and nonmetals
metals have low ionization energies
Nonmetals have large ionization energies and negative electron affinities
Metalloids(semimetals): Elements that exhibit both metallic and nonmetallic properties​

The alkali metals 鹼金屬

8-1 Types of Chemical Bonds

Coulomb's law

用於計算一對離子間的能量

E = (2.31*10-19 J• nm)(Q1Q2/r)

interaction between two hydrogen atoms: important features(略)

Ex. What type of bond is formed when electrons are unequally shared by nuclei?
a. Ionic
b. covalent
c. polar ionic
d. polar covalent
e. none of the above

8-2 Electronegativity 電負度

分子中原子吸引共用電子的能力

一個假想分子 HX
H 和 X 原子的相對電負性透過比較測得的 H—X 鍵能與預期的 H—X 鍵能後得出
實際鍵能與預期鍵能之差(Δ)由下列公式得出

Δ = (H - X)act - (H - X)exp

若H和X的電負性相等, 即Δ = 0
其電子均勻共享, 為非極性鍵
若X的電負性大於H
電子向 X 移動, 為極性鍵
形成部分電荷: H δ+, X δ-
電負度差異越大, 離子性越高

Ex. Which of the following elements forms the most ionic bond with chlorine?
a. K
b. Al
c. P
d. Kr
e. Br

Ex. As a general pattern, electronegativity is inversely related to:
a. ionization energy
b. atomic size
c. the polarity of the atom
d. the number of neutrons in the nucleu

8-3 Bond Polarity and Dipole Moments 極性與偶極矩

bond dipole (鍵偶極) : 表示單一化學鍵的極性方向
molecular dipole 分子偶極 : 分子中所有鍵偶極的向量總和

dipole moments

Ex. Which of the following is the most polar bond without being considered ionic?
a. C - O
b. Mg - O
c. N - O
d. O - O
e. O - F

Ex. What is the correct order of the following bonds in terms of decreasing polarity?
a. N—Cl, P—Cl, As—Cl
b. P—Cl, N—Cl, As—Cl
c. As—Cl, N—Cl, P—Cl
d. P—Cl, As—Cl, N—Cl
e. As—Cl, P—Cl, N—Cl

Ex. which case is the bond polarity incorrect?
a. δ+H - Fδ-
b. δ+K - Oδ-
c. δ+Mg - Hδ-
d.δ+Cl - Iδ-
e. δ+Si - Sδ-

8-4 Ions: Electron Configurations and Sizes 離子 電子分布與尺寸

Generalizations that apply to electron configurations in stable Compounds

共價鍵以電子共享的方式使兩邊原子形成八隅體
離子鍵使金屬原子失去電子, 非金屬原子獲得電子, 使兩個原子滿足八隅體

Ionic size

同個元素的半徑大小: 陽離子 < 原子 < 陰離子
相同電子數的離子半徑大小: 價數低 > 價數高

Ex. Which of the following has the largest radius?
a. S2-
b.Cl-
c. Ar
d. K+
e. Ca2+

8-5 Effects in Binary Ionic Compounds

Lattice energy 晶格能

氣態離子之間形成離子固體的能量變化

M+(g) + X-(g) → MX(s)

晶格能以庫侖定律式表示

Lattice energy = k(Q1Q2/r)

  • k: 比例常數
  • Q1Q2: 離子電荷數
  • r: 離子間最短距離

晶格能與電荷大小成正比, 與離子間距離成反比

Ex.Which of the following ionic compounds has the largest lattice energy (i.e., the lattice energy most favorable to a stable lattice)?
a. CsI
b. NaCl
c. LiF
d. CsF
e. MgO

8-6 Partial Ionic Character of Covalent Bonds

8-7 The Covalent Chemical Bond: A Model

8-8 Covalent Bond Energies and Chemical Reactions 共價鍵能與化學反應

Types of bonds

鍵數增加, 鍵長減少

Enthalpy change for a reaction

bond energy 鍵能: 打斷一莫耳氣態分子間的特定化學鍵其所需能量, (恆為正值, 吸熱) 而形成鍵結時會釋放能量(放熱)

ΔH = ∑n × D(bonds broken) - ∑n × D(bonds formed)

  • Σ: Sum of terms
  • D: bond energy per mole of bonds, always has a positive sign
  • n: moles of a particular type of bond

8-9 The Localized Electron Bonding Model 局部電子鍵結模型

Localized electron(LE) model

利用路易斯結構描述分子中的價電子排列
利用VSEPR預測分子的幾何構造
描述原子用於共享電子或容納孤對電子的原子軌道類型

8-10 Lewis Structures 路易斯結構

畫出價電子, 鍵結電子, 孤對電子的表示法
分子中心原子電負度低 , 外圍電子電負度高
其滿足H的二隅體與C N O F的八隅體規則

Steps

計算所有原子的價電子數總和, 用單鍵連接所有原子, 再用剩餘電子滿足八隅體規則

Which of the following does not contain at least one double bond in the Lewis structure?
a. H2CO
b. C2H4
c. CO2
d. C3H8

8-11 Exceptions to the Octet Rule 八隅體規則的例外

缺電子(incomplete octet): 中心原子少於8顆電子(ex: BF3)
奇數電子(odd-electron): 價電子數之和為奇數(ex: NO)
擴張八隅體(expented octet): 利用d軌域使中心原子多於8顆電子(ex: SF6 , PCl5 , I3-

Which of the following has a Lewis structure most like that of a. CO32- ?
b. CO2
c. SO32-
d. NO3-
e. O3
NO2

Ex. Which molecule or ion violates the octet rule?
a. H2O
b. NO3-
c. PF3
d. I3-
e. None of these

8-12 Resonance 共振

Resonance

當單一路易斯結構式無法描述鍵結時, 以多個共振結構表示

Formal charge 形式電荷

用於評估路易斯結構的合理性

Formal charge = 價電子數 - 孤對電子數 - 鍵結數

Ex. How many resonance structures does the molecule SO2 have?
a. 0
b. 1
c. 2
d. 3
e. 4

8-13 Molecular Structure: The VSEPR Model

The valence shell electron-pair repulsion 價殼層電子對互斥理論(VSEPR)

structure bond angle hybridization example
linear 直線 (AB₂)(AB₂E₃) 180° sp BeCl2 I3-
trigonal planar 平面三角形 (AB₃) 120° sp2 BF3
V-shaped 角形 (AB₂E)(AB₂E₂) H2O
tetrahedral 四面體形 (AB₄) 109.5° sp3 CH4
trigonal pyramidal 三角錐形 (AB₃E) NH3 NF3
trigonal bipyramidal 雙三角錐形 (AB₅) 90° 120° PCl5
see-saw 蹺蹺板形 (AB₄E) SF4
T-shaped T字形 (AB₃E₂)(AB₃E₃) XeOF2
octahedral 八面體形 (AB₆) 90° PCl6-
square pyramidal 方錐體 (AB₅E) IF5
square planar 平面四邊形 (AB₄E₂) 90° XeF4

The VSEPR model and multiple bonds

Ex. Which of the following molecules is polar?

  1. XeF4
  2. XeF2
  3. BF3
  4. NF3

Ex. Which of the following molecules does not have a dipole moment?

  1. H2S
  2. H2O
  3. H2Xe
  4. All of these have a dipole moment
  5. None of these has a dipole moment

Ex. Which of the following molecules has a dipole moment?

  1. CF4
  2. SF4
  3. XeF4
  4. All of these have a dipole moment
  5. None of these has a dipole moment

9-1 Hybridization and the Localized Electron Model

σ (Sigma) 鍵：

軌域「頭對頭 (head-to-head)」重疊，電子密度集中在兩核之間。所有單鍵都是 σ 鍵。

π (Pi) 鍵：

平行的 p 軌域「肩並肩 (side-to-side)」重疊，電子密度在兩核連線的上方和下方。

9-2 The Moleculer Orbital Model

9-3 Bonding in Homonuclear Diotomic Molecules

磁性 (Magnetism):

10-1 Review of States of Matter

10-2 Intramolecular Forces 分子間作用力

Dipole-dipole force 偶極-偶極力

具有偶極矩(dipole moments)的分子之間的庫侖靜電力, 強度約為共價鍵或離子鍵的1%

Hydrogen bonding 氫鍵

由氫原子跟高電負度原子(N、O、F)結合時形成. 因分子極性強, 且氫原子體積小, 分子間距離近. 使這種偶極-偶極力特別強, 稱為氫鍵

H2O, HF因為分子間氫鍵, 使分子分離變為氣態的能量較大, 因此沸點較高

London dispersion force 倫敦分散力

當電子繞著原子核運動時, 會產生瞬時的電子分布不均, 進而產生的瞬時偶極矩可以誘導相鄰原子產生類似的偶極矩, 導致原子間產生短暫且較弱的吸引力, 稱為倫敦分散力

polarizability 極化率
表示原子電子雲發生形變形成瞬時偶極矩的難易程度. 通常具有大量電子的原子, 即原子序越大, 極化率越大

Dipole-induced dipole force 偶極-誘導偶極力

由極性分子上的偶極子會在鄰近的非極性分子的電子雲極化形成瞬時偶極矩, 此兩個分子間作用力稱為偶極-誘導偶極力

EX. Which intermolecular force below is the strongest?​

  1. Dipole–dipole forces
  2. London dispersion forces
  3. Hydrogen bonding

Ex. Which one of the following is the strongest intermolecular force experienced by noble gases?

  1. London dispersion forces
  2. Dipole–dipole attraction
  3. Hydrogen bonding
  4. Ion–ion interactions

Ex. Methane (CH4) is a gas, but carbon tetrachloride (CCl4) is a liquid at room conditions
Which of the following statements explains this phenomenon?

  1. CCl4 is a polar molecule and CH4 is not
  2. CCl4 and CH4 have different geometries and shapes
  3. CH4 exhibits hydrogen bonding and CCl4 does not
  4. Cl is more electronegative than H
  5. None of these statements is correct

Ex. Which of the following species exhibits the strongest intermolecular forces?

  1. CH4
  2. H2O
  3. N2
  4. CO
  5. He

10-3 The Liquad State

Capillary action 毛細現象

液體在細管中自發性上升的現象. 當內聚力大於附著力, 液面呈現凸起; 附著力大於內聚力, 液面呈凹狀

viscosity 黏度

衡量液體流動阻力的指標, 通常分子間作用力大且分子結構複雜的液體具有較高的黏度

10-4 An Introduction to Structures and Type of Solids

X-Ray analysis of solids

透過X射線繞射, 確定晶體固體的結構. 其中的平行光束在特定角度所產生的干涉現象可用於測定原子間距

Bragg Equation

\[ nλ = 2dsinθ \]

Types of crystalline solids

10-5 Structures and Bonding in Metal

closest packing 最密堆積

hexagonal closest packed (hcp) 六方最密堆積

aba式排列, 第三層的球直接位於第一層球的上方

cubic closest packed (ccp) 立方最密堆積

abc式排列, 第三層的球體不會覆蓋第一層的球體

Packing efficienty 堆積效率

原子數*原子體積/晶格體積

\( \text{simple cubic} \)

\( \Rightarrow \frac{4}{3} \pi r^{3} \div (2r)^{3} = \frac{\pi}{6} \approx 0.52 \)

\( \text{body centered cubic} \)

\( \Rightarrow 2*(\frac{4}{3} \pi r^{3}) \div (\frac{4r}{\sqrt{3}})^{3} = \frac{\sqrt{3} \pi}{8} \approx 0.68 \)

\( \text{face centered cubic} \)

\( \Rightarrow 4*(\frac{4}{3} \pi r^{3}) \div (2 \sqrt{2} r)^{3} = \frac{\sqrt{2} \pi}{6} \approx 0.74 \)


Metal alloys 合金

10-6 Carbon and Silicon: Network Atomic Solids

Network solids

含有方向性共價鍵的原子固體

Diamond (鑽石)

每個碳原子被其他碳原子以四面體排列方式環繞, 由 sp3 混成碳原子軌域重疊而成

石墨 (Graphite) 可以在 2800°C 的溫度下施加 150,000 atm 的壓力轉化為鑽石

分子軌域模型 (MO model)

填充能階(filled levels)與淨空能階(empty levels)之間存在較大能隙(large gap), 電子轉移(electron transfer)困難, 為不良導體

Graphite (石墨)

局部電子模型(localized electron model)

每個碳原子上的三個 sp3 軌域與其他三個碳原子形成 σ 鍵, 剩餘一個 2p 未混成軌域垂直於層平面

Silicon (矽)

SiO2的矽原子通過與四個氧原子形成單鍵，滿足八隅體規則 (octet rule)

Silicates (矽酸鹽)

與SiO2相關的化合物, 但其氧矽比大於2:1, 需要陽離子平衡負電荷. 因此矽酸鹽含有金屬陽離子和矽氧陰離子(silicon–oxygen anions)

glass

Ceramics (陶瓷)

由黏土(clay)在高溫焙燒下硬化製成的非金屬材料, 具有堅固、易碎以及耐熱和耐化學侵蝕的特性

黏土的結構

由水和二氧化碳對礦物長石的風化作用形成. 而當黏土乾燥時, 這些薄片會相互交錯鎖定, 在焙燒 (firing) 過程中, 矽酸鹽和陽離子(cations) 形成玻璃狀物質, 將高嶺石晶體結合起來

陶瓷的用途

Semiconductors (半導體)

矽的能隙較小, 在室溫下少量電子可以躍遷到導帶, 使矽成為半導體. 在升高溫度或參雜其他元素時電導率(conductivity)增加

類型

n 型和 p 型半導體可以連接起來形成 p–n 接面 (p–n junction). 構成出色的整流器 (rectifier).
整流器: 將交流電 (alternating current) 轉換為脈動直流電 (pulsating direct current) 的裝置。

10-7 Molecular Solids 分子固體

特徵

10-8 Ionic Solids 離子固體

離子固體為穩定且高熔點的物質, 由帶相反電荷離子間較強的靜電力維繫在一起

Types of Holes in Closest Packed Structures

Trigonal holes

Tetrahedral holes

Octahedral holes

Types and properties of solids


Ex. A certain metal fluoride crystallizes in such a way that the fluoride ions occupy simple cubic lattice sites, while the metal atoms occupy the body centers of half the cubes
What is the formula for this metal fluoride?​

  1. MF2
  2. M2F
  3. MF
  4. MF6
  5. MF8

Ex. Which of the following statements is incorrect?​

  1. Ionic solids generally have high melting points
  2. Ionic solids are insulators
  3. The binding forces in a molecular solid include London dispersion forces
  4. Molecular solids generally have high melting points

A certain metal fluoride crystallizes in such a way that the fluoride ions occupy simple cubic lattice sites, while the metal ions occupy the body centers of half the cubes​
Which of the following could be the metal ion?

  1. The calcium ion
  2. The sodium ion
  3. The iron(III) ion
  4. The vanadium(IV) ion
  5. Any of these ions

10-9 Vapor Pressure and Changes of State 蒸氣壓與型態變化

Vaporization/Evaporation (汽化/蒸發)

蒸氣壓 (Vapor Pressure)

當冷凝速率等於蒸發速率時, 液體或蒸氣的量不再發生淨變化, 此時系統為動態平衡

Measurement of Vapor Pressure

蒸氣壓可以根據汞柱高度的變化來確定

\[ P_{\text{vapor}}=P_{\text{atmosphere}}-P_{\text{Hg column}} \]

Vapor Pressure and Liquids

Vapor Pressure versus Temperature 蒸氣壓對溫度曲線

\[ \displaystyle \ln (P_{vap}) = -\frac{\Delta H_{vap}}{R}\left( \frac{1}{T}\right) + C \]

The Clausius–Clapeyron equation

已知 \(\Delta H_{\text{vap}}\) 和某溫度下的 \(P_{\text{vap}}\) 值時, 就可以計算出另一溫度下的 \(P_{\text{vap}}\) 值. 在溫度 \(T_{1}\) 和 \(T_{2}\) 下

\[ \displaystyle \text{ln}\left(\frac{P_{\text{vap},T_{2}}}{P_{\text{vap},T_{1}}}\right)=\frac{\Delta H_{\text{vap}}}{R}\left(\frac{1}{T_{1}}-\frac{1}{T_{2}}\right)\]

Sublimation 昇華

固體也具有蒸氣壓, 而固體不經過液態直接變為氣態的過程則稱為昇華. 如乾冰 (dry ice) 和碘 (iodine)會有昇華現象.

Changes of State

Ex. Which of the following would you expect to have the lowest vapor pressure?

  1. CH3OCH3
  2. CH3CH2OH
  3. CH3CH2CH3
  4. CH3CH2CH2CH3
  5. H2O

Ex. What is the vapor pressure of water at 70°C?

  1. 5.00 atm
  2. 1.20 atm
  3. 1.00 atm
  4. 0.31 atm

10-10 Phase Diagrams 三相圖

表示物質的相態(phases) 隨溫度和壓力變化的一種方法

Phase Diagram for Water - Observations

在施加壓力時, 體積會減小\( \Rightarrow \)固體/液體邊界線具有負斜率 (negative slope) \( \Rightarrow \) 同質量的冰比同質量的液態水體積更大

Van der Waals Equation 凡得瓦方程式

修正「動力學分子理論」(kinetic molecular theory) 中所做的假設,需考慮氣體的粒子間吸引力 (interparticle attractions). 加入了凡得瓦常數\( \text{ a } \)修正

\[ \displaystyle P_{\text{ideal}} = P_{\text{obs}} + a\left(\frac{n}{V}\right)^{2}\]

20-1 Survey of the Representative Elements

Reviewing the periodic table

Differentiating Metals from Nonmetals

Metals

Nonmetals

Atomic Size and Group Anomalies

同一族中的第一個元素與第二個元素因原子半徑的差異, 導致第一個元素表現出不同的性質

Group 1A

Group 2A

Group 3A

硼 (Boron) 表現為非金屬, 有時表現為類金屬 (semimetal). 而所有其他 3A 族元素均為活潑金屬

Group 4A

碳 (Carbon) 和矽 (silicon) 具有不同的化學性質. 碳化合物包含 C—C 鍵鏈, 但矽化合物主要包含 Si—O 鍵, 即形成 \(\pi \) 鍵的能力不同 

Group 5A

Group 6A

Group 7A

Abundance

約四分之一的元素自然存在於其游離態 (free states). 其餘大多數元素以化合態 (combined state) 存在

The 18 Most Abundant Elements in the Earth's Crust, Oceans, and Atmosphere

Abundance of Elements in the Human Body

Preparation

冶金學 (Metallurgy)

metal

大多數活潑金屬使用電解 (electrolysis) 來還原

oxygen and nitrogen

hydrogen

可透過電解水與分解天然氣的甲烷生成

sulfur

元素形式存在於地下, 通過弗拉施法 (Frasch process) 回收

halogens

通過鹵化物鹽 (halide salts) 中陰離子的氧化獲得

20-2 The Group 1A Elements

Alkali Metals 鹼金屬

\[ 2M(s) + 2H_{2}O(l) \rightarrow 2M^{+}(aq) + 2OH^{-}(aq) + H_{2}(g) \]

Sources and Methods of Preparation of Alkali Metals

Selected Reactions of the Alkali Metals

Selected Physical Properties of the Alkali Metals


Ex. Which of the following elements is the strongest reducing agent in the gas phase?

  1. Li
  2. Na
  3. K
  4. Rb
  5. Cs

Ex. Which ions are very important for the proper functioning of biologic systems, such as nerves and muscles?

  1. Alkaline earth metal ions
  2. Alkali metal ions
  3. Oxygen ions
  4. Sulfur ions
  5. Nitrogen ions

20-3 The Chemistry of Hydrogen

Physical Properties

 

Sources

在金屬催化劑 (鎳, nickel) 存在下, 甲烷與水在高溫 (800–1000°C) 和高壓 (10–50 atm) 下反應產生 H2

\[ CH_4 (g) + H_2O \xrightarrow[catalyst]{heat, pressue} CO(g) + 3H_{2}(g) \]

Use

Hydrogen and Hydrides

氫化物 (Hydrides): 為含有氫的二元化合物 , 分類為離子氫化物、共價氫化物和金屬（填隙）氫化物

離子型（鹽狀）氫化物 (Ionic (Saltlike) Hydrides) 

離子型氫化物溶於水時會產生劇烈反應並生成氫氣

\[ LiH(s) + H_2O \rightarrow H_2(g) + Li^{+}(aq) + OH^{-}(aq) \]

共價氫化物 (Covalent Hydrides)

水的不尋常性質 (Unusual Properties of Water)

金屬（填隙）氫化物 (Metallic (Interstitial) Hydrides)

由過渡金屬晶體用氫氣處理時形成, 氫分子在金屬表面解離 (dissociate)並遷移到晶體結構中佔據填隙, 這種結合方式表現為固溶體而非真正化合物

非化學計量氫化物 (nonstoichiometric hydrides) 的組成隨著金屬暴露於氫氣的時間長短而變化
加熱時會以氣體形式失去大部分吸收的氫, 為儲存氫氣以用作便攜式燃料提供了可能性

20-4 The Group 2A Elements

Alkaline Earth Metals 鹼土金屬

\[ M(s) + 2H_{2}O(l) \rightarrow M^{2+}(aq) + 2OH^{-}(aq) + H_{2}(g) \]

在 25°C 時: Ca、Sr和 Ba 與水反應劇烈. Be 和 Mg 沒有反應, 但 Mg 會與沸水反應

Importance

鈣 (Calcium, Ca)

鎂 (Magnesium, Mg)

Selected Reactions of the Alkaline Earth Metals

Selected Physical Properties, Sources, and Methods of Preparation

Ion Exchange


Ex. Which of the following ions interfere(s) with the action of detergents in hard water?

  1. Na+
  2. Ca2+
  3. Mg2+
  4. Ca2+ and Mg2+
  5. Na+, Ca2+, and Mg2+

20-5 The Group 3A Elements

價電子組態為ns2np1. 位在同族的原子量越大時, 金屬特性逐漸增加

Selected Physical Properties, Sources, and Methods of Preparation

Selected Reactions of the Group 3A Elements

Boron 硼

與其他元素形成共價化合物

硼烷 (Boranes): 硼的共價氫化物化合物
極度缺電子,使其具高反應性, 會與氧氣發生放熱反應. 曾被考慮作為美國太空計畫中火箭的潛在燃料

Aluminum 鋁

\[ Al(H_2O)_6^{3+}(aq) \rightleftharpoons Al(OH)(H_2O)_5^{2+}(aq) + H^+(aq)\]

Gallium 鎵

Indium and Thallium

Indium 銦

化學性質與鋁和鎵相似. 已知含有 1+和 3+ 離子的化合物

Thallium 鉈

化學性質完全是金屬性

Inert pair effect 惰性電子對效應

Ex. Which of the following is the most abundant metal on earth? Calcium

  1. Iron
  2. Copper
  3. Aluminum
  4. Zinc

20-6 The Group 4A Elements

價電子組態為ns2np2. 包括:碳-生命必需分子的基本組成部分. 矽-構成了地質世界的基礎元素 

Properties

Selected Physical Properties, Sources, and Methods of Preparation

Group 4A Elements

Carbon 碳

Silicon 矽

為類金屬 (Semimetal), 廣泛分布於二氧化矽 (silica) 和矽酸鹽 (silicates) 中

Germanium 鍺

為稀有元素且為類金屬 , 用於製造電晶體 (transistors) 及半導體

Tin 錫

柔軟的銀白色金屬, 常用於合金以及作為鋼鐵的保護塗層

錫的同素異形體 (Allotropes of tin):

錫疫 (Tin disease): 當暴露於低溫時，錫會變成粉末狀的灰色並崩解

Lead 鉛

Selected Reactions

Ex. What is the largest commercial use of lead?

  1. Gasoline
  2. Protective coatings for steel
  3. Semiconductors
  4. Paints
  5. Batteries used in automobiles

Ex. Order the following bonds from highest to lowest bond energy​

  1. C—C, Si—Si, Si—O
  2. Si—O, C—C, Si—Si
  3. Si—Si, Si—O, C—C
  4. Si—O, Si—Si, C—C
  5. C—C, Si—O, Si—Si

20-7 The Group 5A Elements

Covalent Bonds

5A族能形成涉及 3、5 或 6 個共價鍵的分子或離子

Selected Physical Properties, Sources, and Methods of Preparation

Ex. Which of the following elements has the smallest electronegativity(電負度) value?

  1. N
  2. P
  3. As
  4. Sb

Ex. What is the correct molecular structure for PCl5(g)?

  1. Trigonal bipyramidal
  2. Trigonal planar
  3. Tetrahedral
  4. Octahedral
  5. None of these

Ex. The ability of the Group 5A elements to form _____ greatly decreases after nitrogen

  1. molecules with five covalent bonds
  2. pi bonds
  3. larger molecules with single bonds
  4. molecules with four covalent bonds

20-8 The Chemistry of Nitrogen

A Thermodynamic Perspective 熱力學觀點

因其三鍵的穩定性, 使大多數含有氮的二元化合物在分解為其元素態時會發生放熱反應.

\[ N_2O(g) \rightarrow N_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \quad \Delta H^{\circ}=-82kJ \] \[ NO(g) \rightarrow \frac{1}{2}N_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \quad \Delta H^{\circ}=-90kJ \] \[ N_2H_4(g) \rightarrow N_2(g) + 2H_2(g) \quad \Delta H^{\circ}=95kJ \] \[ NH_3(g) \rightarrow \frac{1}{2}N_2(g) + \frac{3}{2}H_2(g) \quad \Delta H^{\circ}=+46kJ \]

在氨 (ammonia) 中, 將分子分解為其組成元素需要能量, 使得氨比其組成元素更穩定

Nitrogen-Based Explosives 氮基炸藥

N2 具有的穩定性是這類炸藥威力的來源之一

硝化甘油 Nitroglycerin (C3H5N3O9)

當受到突然衝擊或點燃時, 會迅速且放熱地分解，從而引起爆炸. 4 莫耳的液態硝化甘油即可產生 29 莫耳的氣態產物

\[ 4\text{C}_{3}\text{H}_{5}\text{N}_{3}\text{O}_{9}(l)\rightarrow 12\text{CO}_{2}(g)+10\text{H}_{2}\text{O}(g)+6\text{N}_{2}(g)+\text{O}_{2}(g)+\text{Energy} \]

三硝基甲苯 (Trinitrotoluene, TNT)

在常溫下為固體, 2 莫耳的固態 TNT 能產生 20 莫耳的氣態產物和能量

\[ 2\text{C}_{7}\text{H}_{5}\text{N}_{3}\text{O}_{6}(s)\rightarrow 12\text{CO}(g)+5\text{H}_{2}(g)+3\text{N}_{2}(g)+2\text{C}(s)+\text{Energy}\]

Nitrogen Fixation 固氮作用

將N2 轉化為其他含氮化合物的過程

哈伯法製氨 (The Haber Process)

固氮作用與燃燒 (Nitrogen Fixation and Combustion)

當空氣中的氮氣被吸入汽車發動機, 會與氧氣以顯著的速率反應形成一氧化氮 (nitric oxide). 一氧化氮進一步與氧氣反應形成二氧化氮 (nitrogen dioxide)

自然界中的固氮作用 (Nitrogen Fixation in Nature)

閃電提供能量來破壞空氣中的 N2 和 O2 分子. 產生高活性的氮原子和氧原子, 原子進一步與其他 N2 和 O2 反應形成氮氧化物, 最終變為硝酸鹽 (nitrates).

固氮細菌 (Nitrogen-fixing bacteria)

容易將氮氣轉化為對植物有用的氨和其他含氮化合物. 居住在植物的根瘤 (root nodules) 中, 能夠在土壤溫度和 1 atm 壓力下產生 NH3

Nitrogen Hydrides 氮氫化物

氨 (Ammonia) - NH3

聯氨/肼 (Hydrazine) - N2H4


Nitrogen Oxides 氮的氧化物

氮能形成一系列的氧化物, 其氧化態範圍從 +1 到 +5

一氧化二氮 (Dinitrogen Monoxide) - N2O

一氧化氮 (Nitrogen Monoxide) - NO

Oxyacids of Nitrogen - Nitric Acid(硝酸)

奧斯瓦爾德製程 (Ostwald Process)

淨反應: \(NH_{3}+2O_{2}\longrightarrow HNO_{3}+H_{2}O\)

\[ 4NH_{3}(g)+5O_{2}(g)\xrightarrow{Pt/Rh, 900^\circ C}4NO(g)+6H_{2}O(g) \quad \Delta H^\circ =-905KJ \] \[ 2NO(g)+O_{2}(g)\xrightarrow{25^{\circ}C} 2NO_{2}(g)\quad \Delta H ^\circ =-113KJ \] \[ 3NO_{2}(g)+H_{2}O(l)\rightarrow 2HNO_{3}(aq)+NO(g) \quad \Delta H ^\circ =-139KJ\]

硝酸的濃度與性質 

Ex. Nitrogen fixation:

  1. is used to manufacture ammonia
  2. transforms elemental nitrogen into nitrogen-containing compounds
  3. is used to recover sulfur from underground deposits
  4. is used to produce nitric acid

20-9 The Chemistry of Phosphorus

Phosphorus and Nitrogen

Allotropes of Phosphorus 磷的同素異形體

白磷 (White phosphorus)

黑磷 (Black phosphorus)

紅磷 (Red phosphorus) 

Phosphides 磷化物

含有 \(P^{3-}\) 陰離子的離子化合物. 如磷化鈉 (\(Na_{3}P\)) 和 磷化鈣 (\(Ca_{3}P_{2}\)).
磷化鹽類會與水發生劇烈反應, 產生磷化氫

\[2\text{Na}_3\text{P}(s) + 6\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow 2\text{PH}_3(g) + 6\text{Na}^+(aq) + 6\text{OH}^-(aq)\]

磷化氫 (\(PH_{3}\)) : 無色、有毒的氣體, 其化學結構與氨類似, 具金字塔型結構, 鍵角為 \(94^{\circ }\)

Phosphorus Oxides 磷的氧化物

磷與氧氣反應生成的氧化物中, 磷的氧化態主要為 \(+5\) 和 \(+3\)

Phosphorus Oxyacids - Phosphoric Acid(磷酸)

正磷酸 (Orthophosphoric Acid)

亞磷酸 (Phosphorus Acid)

次磷酸 (Hypophosphorus Acid)

Phosphorus in Fertilizers

磷對於植物生長至關重要. 土壤中雖然含有大量的磷, 但多以難溶性礦物(Insoluble minerals)的形式存在, 導致植物無法直接吸收利用

磷肥的種類與製備

20-10 The Group 6A Elements

包含氧 O、硫 S、硒 Se、碲 Te、釙 Po 等元素

Selenium and Polonium 硒與釙

硒 (Selenium, Se)

用於電子工業

釙 (Polonium, Po)

具有劇毒且具有放射性

Ex. What is the correct molecular structure for SeF6?

  1. Trigonal bipyramidal
  2. Trigonal planar
  3. Tetrahedral
  4. Octahedral
  5. None of these

20-11 The Chemistry of Oxygen

Present in

Oxygen

Ozone


由共振結構表示, 其孤對電子比成鍵電子對需要更大的空間, 導致鍵角略小於120° (約117°)

應用與特性

臭氧層 (Ozone Layer)

自然存在於高層大氣中. 可吸收紫外線 (UV), 防止輻射抵達地球表面

Ex. How many forms of elemental oxygen are there under standard temperature and pressure?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4

20-12 The Chemistry of Sulfur

為游離元素的大型礦床, 在自然界中以單質硫的形式存在

透過弗拉施法回收. 將過熱水泵入地下礦床以熔化硫, 利用空氣壓力將熔化的硫強行壓送至地面

Sulfur Oxides 硫的氧化物

一氧化硫 (SO)

   

二氧化硫 (\(SO_{2}\)) 

三氧化硫 (\(SO_{3}\))

為二氧化硫 (\(SO_{2}\)) 與氧氣 (\(O_{2}\)) 反應的產物. 在缺乏催化劑的情況下，此反應進行得非常緩慢

\[ 2SO_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2SO_3(g) \]

Oxyacids of Sulfur 硫的含氧酸

亞硫酸 (Sulfurous acid)

為二氧化硫 (\(SO_{2}\)) 溶解於水中的產物

\[ SO_2(g) + H_2O(l) \rightarrow H_2SO_3(aq) \]

硫酸 (Sulfuric acid)

為三氧化硫 (\(SO_{3}\)) 與水發生劇烈反應後的產物. 其本質上為二元酸（Diprotic）

\[ SO_3(g) + H_2O(l) \rightarrow H_2SO_4(aq) \]

Sulfuric Acid 硫酸

在工業製備通常透過接觸法 (Contact process) 生產
主要用途: 利用磷礦石生產化肥、用於鉛蓄電池（電池水）、石油精煉、鋼鐵製造(如酸洗製程)

脫水劑 Dehydrating Agent

硫酸對水具有強大的親和力, 可作為脫水劑

\[ C_{12}H_{22}O_{11}(s) + 11H_2SO_4 \rightarrow 12C(s) + 11H_2SO_4 \cdot H_2O(l) \]

Ex. What is the correct molecular structure for SO3(g)?

  1. Trigonal bipyramidal
  2. Trigonal planar
  3. Tetrahedral
  4. Octahedral
  5. None of these

20-13 The Group 7A Elements

包含氟 F、氯 Cl、溴 Br、碘 I、砈 At 等元素

Trends in Selected Physical Properties

Some Physical Properties, Sources, and Methods of Preparation

Hydrogen Halides 鹵化氫

制備過程

\[ H_{2}+X_{2} \rightarrow 2HX \]

反應劇烈程度

酸性行為

氫鹵化物的物理性質

Hydrohalic Acids 氫鹵酸

氫鹵酸是指鹵化氫的水溶液

氫氯酸(鹽酸) Hydrochloric acid

用於鋼鐵在鍍鋅(Galvanization)前的清洗處理

氫氟酸 Hydrofluoric acid

用於蝕刻玻璃. 反應原理: 與玻璃中的二氧化矽反應生成四氟化矽, 也解釋了為什麼氫氟酸不能儲存在玻璃容器中

\[ \text{SiO}_{2}(s)+4\text{HF}(aq)\longrightarrow \text{SiF}_{4}(g)+2\text{H}_{2}\text{O}(l)\]

Halogen Oxyacids and Oxyanions 鹵素含氧酸與含氧陰離子

Chlorine Series - Oxyacids and Oxyanions

過氯酸 (\(\text{HOClO}_{3}\) 或 \(\text{HClO}_{4}\))  Perchloric acid

氧氯陰離子(Oxychloro Anions)的結構

次氯酸 (\(\text{HOCl}\))  Hypochlorous acid

氯酸鹽 Chlorate Salts

為強氧化劑, 可用作除草劑或煙花和爆炸物中的氧化劑

Fluorine Series - Oxyacids and Oxides

二氟化氧 Oxygen difluoride (\(\text{OF}_{2}\))

淡黃色氣體, 沸點-145°C. 為強氧化劑, 當氟氣通入稀釋的氫氧化鈉溶液中時形成

\[ 4\text{F}_2(g) + 3\text{H}_2\text{O}(l) \rightarrow 6\text{HF}(aq) + \text{OF}_2(g) + \text{O}_2(g) \]

二氟化二氧 Dioxygen difluoride (\(\text{O}_{2}\text{F}_{2}\))

為橙色固體, 於等莫耳混合的氟氣和氧氣中進行放電處理後製得

\[\text{F}_2(g) + \text{O}_2(g) \xrightarrow{\text{electric discharge}} \text{O}_2\text{F}_2(s)\]

20-14 The Group 8A Elements

其價電子組態為填滿的 s 和 p 軌域, 導致化學性質極不活潑. (氦為1s2或 2s2, 其他元素為 ns2np6)

Selected Properties

Helium 氦

Neon and Argon 氖與氬

氖 (\(\text{Ne}\))

不形成化合物(在一般條件下), 常用於霓虹燈招牌

氬 (\(\text{Ar}\)) 

在某些特定情況下能形成化學鍵. 常用在白熾燈泡中提供非腐蝕性氣氛(保護燈絲)

Krypton and Xenon 氪與氙

能形成許多穩定的化學化合物. 如四氟化氙（Xenon tetrafluoride), 一種穩定且無色的晶體

$$\text{Xe}(g) + 2\text{F}_2(g) \xrightarrow{400^\circ\text{C} \; 6\text{ atm} } \text{XeF}_4(s)$$

氙的氟化物與水反應會生成氟化氫與含氧化合物(oxycompounds)

Ex. Which of the following statements is true?

  1. Because noble gases are highly reactive, many compounds containing elements from Group 8A exist
  2. Because noble gases are rather nonreactive, no compounds containing elements from Group 8A exist
  3. Although noble gases are highly reactive, few compounds containing elements from Group 8A exist
  4. Although noble gases are rather nonreactive, some compounds containing elements from Group 8A exist

21-1 The Transition Metals: A Survey

Transition Metals – Properties

其通性與電子組態在給定的週期(橫排)和給定的族(直行)內,表現出極大的相似性. 歸因於內層電子是最後被添加的電子

物理與化學變異性

Forming Ionic Compounds – Trends

 

First-Row Transition Metals – Electron Configurations

離子化趨勢

因為在離子狀態下 \(3d\) 軌域的能量顯著低於 \(4s\) 軌域的能量, 導致第一列過渡金屬離子不含 \(4s\) 電子
範例: \(\text{Ti} : [\text{Ar}]4s^{2}3d^{2} \quad \text{Ti}^{3+} : [\text{Ar}]3d^{1}\)

Oxidation States and Ionization Energy

過渡金屬可以通過失去一個或多個電子來形成各種不同的離子

Standard Reduction Potentials 標準還原電位

金屬作為還原劑的半反應(與常規半反應的方向相反)

\[ M \rightarrow M^{n+} + ne^- \]

電位值最正的金屬是最佳的還原劑

標準氫電極 (SHE)

\[ 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2\]

4d and 5d Transition Series

4d 和 5d 系列金屬的原子尺寸相似

鑭系收縮 Lanthanide contraction

在週期表中從左向右移動時, 由於核電荷增加(即有效核電荷增大), 抵消了從一個主量子能階轉移到下一個主量子能階時(即從 4d 到 5d)通常會出現的尺寸增大趨勢, 進而使原子半徑減小

Ex. Which of the following metal ions has a d6 electron configuration?

  1. Mn2+
  2. Cr2+
  3. Fe3+
  4. Co3+

Ex. Which of the following metal ions has a d8 electron configuration?

  1. Zn2+
  2. Ni2+
  3. Cr3+
  4. Cu+

21-2 The First-Row Transition Metals

Scandium 鈧 (Sc)

Titanium 鈦 (Ti)

其金屬為低密度且高強度. 常用於噴射發動機, 以及製造化工產業的管線、泵浦和反應容器

二氧化鈦 Titanium oxide - TiO2

高度不透明的物質。常用作紙張、油漆和塑料中的白色顏料. 其主要礦石為金紅石 (Rutile)和鈦鐵礦(Ilmenite)

氧化態 oxidation state

Vanadium 釩 - V

Chromium 鉻 - Cr -

重要離子與反應

氧化還原能力 鉻(VI)

\[ \text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}(aq) + 14\text{H}^+(aq) + 6e^- \rightarrow 2\text{Cr}^{3+}(aq) + 7\text{H}_2\text{O}(l) \quad E^\circ = 1.33\text{ V}\]
\[\text{CrO}_4^{2-}(aq) + 4\text{H}_2\text{O}(l) + 3e^- \rightarrow \text{Cr(OH)}_3(s) + 5\text{OH}^-(aq) \quad E^\circ = -0.13\text{ V}\]

Manganese 錳 - Mn -

Iron 鐵 -Fe-

Cobalt 鈷 - Co -

Typical Compounds of Cobalt

Nickel 鎳 - Ni -

Typical Compounds of Nickel

Copper 銅 - Cu -

含銅合金 Alloys Containing Copper

Zinc 鋅 - Zn -

21-3 Coordination Compounds

配位化合物又稱為錯合物或絡合物. 其中包含一個或多個中心原子或離子(通常是過渡金屬)與周圍多個配位基(ligands)以配位鍵結合而成

Coordination Number 配位數

Ligands 配位基

具有孤對電子(Lone electron pair)的中性分子或離子, 該電子對可用於與金屬離子形成化學鍵

配位共價鍵 (Coordinate covalent bond)

金屬與配位基之間形成的化學鍵, 源於路易士鹼(Lewis base, 即配位基)與路易士酸(Lewis acid, 即金屬離子)之間的交互作用

配位基的類型 Types of Ligands

21-5 Bonding in Complex Ions: The Localized Electron Model

價殼層電子對斥力理論（VSEPR）在預測主族元素(如 CH4) 的形狀時非常有效, 但由於過渡金屬具有 $d$ 軌域電子, 其交互作用更為複雜, 因此 VSEPR 模型不適用於錯合物

金屬離子與配位基的交互作用可視為「路易士酸鹼反應」, 即配位基將其孤對電子提供給金屬離子的空軌域, 從而形成配位共價鍵

21-6 The Crystal Field Model

晶體場模型主要分析金屬離子 d 軌域能量, 進而解釋過渡金屬錯合物的顏色與磁性

Octahedral Complexes

在八面體配位中: 電子會先填入能量較低的軌域以減少排斥

Splitting of 3d Orbital Energies 3d軌道能量分裂

Other Coordination Geometries