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1、114 國中自然與生活科技(三)生活中，常見的物質如空氣、水、鹽等，有的是純物質，有的是混合物。在第一 章，我們提到混合物是不同純物質混合；但是，純物質是由什麼構成的？要如何分類？ 本章將從實驗的觀點到科學詮釋的觀點，對純物質進行微觀探討，以瞭解其奧祕。第五章 純物質的奧祕 1155-1-1 認識元素與化合物 5-1-2 常見的元素5-2-1 元素符號與命名 5-2-2 元素的分類 實驗 5-1 元素的分類5-3-1 道耳吞的原子說 5-3-2 原子的結構 5-3-3 週期表5-4-1 純物質的組成 5-4-2 純物質的表示5-5-1 物理變化 5-5-2 化學變化第第 1 節節純物質的簡單分
2、類純物質的簡單分類第第 4 節節純物質的組成與表示純物質的組成與表示第第 2 節節元素符號與分類元素符號與分類第第 3 節節原子與週期表原子與週期表第第 5 節節物質變化的粒子觀點物質變化的粒子觀點116 國中自然與生活科技(三)本節中，我將學習到 認識元素與化合物 常見的元素 金屬與非金屬的共同性質將鎂帶（圖 A）燃燒後，產生的白色粉 末是氧化鎂（圖 B），此兩者的差異為何？5-1-1 認識元素與化合物認識元素與化合物自古以來，人們對物質究竟是如何組成的，一直十分好 奇。亞里斯多德（Aristoteles,384322 B.C.）認為所有物質的 基本組成為土、空氣、火及水四種元素，而且不同元
3、素可互 相轉化成另一元素，此理論影響往後一千多年。十七世紀以後，西方科學家經由實驗結果開始質疑亞里 斯多德的理論，例如英國科學家波以耳（Robert Boyle ,16271691）成功地使一些物質受熱分解，使它們變為更簡 單的物質；十八世紀中葉，科學家先後發現多種氣體，其中 包括氫、氧、氮和二氧化碳。1783 年法國科學家拉瓦節 （Lavoisier, Antoine Laurent,17431794）利用氫氣與氧氣燃 燒產生水；至此，亞里斯多德的元素理論終於瓦解。第第 1 節節純物質的簡單分類第五章 純物質的奧祕 117組成物質的基本元素應該是什麼？化學家認為純物 質若是無法經由化學反應再
4、分出更簡單的物質，則此純 物質即為元素。目前已發現的元素共有一百多種，生活 中常接觸的純物質，如金、銅、鐵、碳、氧、矽等都是 元素。元素不僅能以元素物質狀態存在，也會經化學反應 而互相結合產生新物質，即是化合物。例如氧元素可以 和碳元素結合成二氧化碳，氫元素可以和氧元素結合成 水；二氧化碳和水就是化合物。化合物的性質與組成它的成分元素性質不同，例如二氧化碳氣體是由碳和氧反 應產生的化合物，但是二氧化碳、碳與氧的物理性質和 化學性質都不同。表 5-1 列舉一些常見化合物及成分元 素。5-1-2 常見的元素常見的元素元素是最簡單的物質，因此探究物質需要了解元素。 許多元素物質常運用在人類生活上，例
5、如使用鋁箔來包 裝飲料，利用黃金來打造飾物，燃燒木炭來烹煮食物 等。元素依導電性質區分，可略分金屬和非金屬兩大類， 如本冊第一章曾提到的氧、氮屬於非金屬元素，鋁、鐵 是屬於金屬元素。金屬元素具有一些共同性質。金屬新切開面具有光 澤，除了金是黃色與銅是紅色外，大多數的金屬外表顏 色都是銀灰色。多數金屬具有高沸點與熔點，因此，在室溫（25 ）和 1 大氣壓下，只有汞（熔點38.9 ） 以液態存在，其餘金屬皆以固態存在。另外，多數金屬 延展性佳，所以可拉成細絲或壓成薄片。金屬的導電與 導熱性佳，所以電線及鍋子多用金屬製作。表 5-1 常見化合物的成分元素化合物成分元素 水氫氧 氯化鈉氯鈉 葡萄糖碳氫
6、氧 二氧化碳碳氧 過氧化氫氫氧118 國中自然與生活科技(三)非金屬元素亦具有一些共同性質。固態的非金屬不具延 展性而易被敲碎，且大多為熱與電的不良導體。另外，非金 屬元素的顏色與熔點、沸點，也有很大差異，因此在常溫時 可能以固態、液態、氣態存在。例如硫是黃色固體，碳是黑 色固體，紅磷是暗紅色固體（圖 5-1），碘是紫黑色固體，溴 是暗紅色液體（圖 5-2），氫、氧、氮都是無色氣體，氯是黃 綠色氣體。底下將介紹幾種常見的金屬元素與非金屬元素的性質及 其在日常生活上的用途。金又名黃金，具有金黃色的色澤，可以長久保存，而且 質地柔軟，延展性是所有金屬最佳，常用於製造錢幣及飾物 （圖 5-3）。又因
7、為容易導熱及導電且不易生鏽，亦常用於1電子組件。銀在所有金屬中，具有最好的導電及導熱性，色澤白亮， 主要用於製造錢幣（圖 5-4）、飾物及高級餐具；溫泉地區的 空氣中含有硫化氫氣體，很容易與銀反應，在表面生成硫化 銀的黑色斑點，因此應避免配戴銀的飾物前往溫泉地區。圖 5-3 金製飾品圖 5-4 銀幣K 金金1純金質軟，把金、銀和銅以不同的比例混合，即可製成硬度較大的飾金。金的純度可以用重量百分比來表示，例如九九九金表示金的純度達99.9。此外，金的純度也可用 K(carat)來表示，純金為24K，常用來當金飾的 18K 金，含有金10075，其18 24餘 25則是銀和銅。第五章 純物質的奧祕
8、 119銅的導電性良好，僅次於銀，一般電線都使用純銅 來製造。銅也常與許多金屬混合，煉製成銅的合金，例 如青銅主要是由銅和錫製成，可做為雕像（圖 5-5A）、 藝術品等的材料；黃銅是銅和鋅的合金，可做為樂器 （圖 5-5B）、裝飾品、機械等的材料。圖 5-5 銅的合金製品：A. 青銅雕像 B. 黃銅製的銅鈸鋁的導熱性良好，常用於製造包裝食物的鋁箔等。 鋁與鎂的合金，質輕強度佳，常做為筆記型電腦的機殼、 攝影器材（圖 5-6A）等材料。另外，鋁的表面容易形 成薄層之緻密氧化膜，可阻絕空氣中之氧氣與內層鋁金 屬發生反應，常用於製造鋁門窗（圖 5-6B）、鋁罐 （圖 5-6C）等。圖 5-6 鋁製品
9、：A. 鋁鎂合金為機殼材料的數位相機 B. 鋁門 C. 鋁罐120 國中自然與生活科技(三)鐵依其含碳量的高低可分成生鐵、鋼和熟鐵。生鐵質硬 而脆、熔點較低；將生鐵再冶煉，減少生鐵的含碳量及雜質 後得到很純的鐵，稱為熟鐵；熟鐵的延展性較好。大部分的 生鐵用來煉鋼，鋼的含碳量介於生鐵和熟鐵之間，兼具生鐵 和熟鐵的優點，用途極廣。不鏽鋼就是鋼與鎳、鉻的合金， 可用來製造各種廚具（圖 5-7）、餐具。汞在常溫下是液態的金屬，故俗稱水銀，常用為溫度計 （圖 5-8A）和氣壓計的材料；日光燈管內也含有少量的水銀 蒸氣。另外，水銀電池（圖 5-8B）內含有氧化汞。因水銀的蒸氣及化合物有毒，故含有水銀的物質
10、不可任意丟棄，以免 造成環境汙染。圖 5-8 水銀製品：A. 水銀度計 B. 水銀電池鈦在空氣中，表面易形成保護薄膜，是耐腐蝕之優良材 料。鈦能與大多數金屬形成鈦合金，具有質輕堅固的特性， 應用於植牙、人工骨骼、高爾夫球桿頭、資訊產品機殼（圖 5-9）、自行車零件、飛機及太空梭機身等。另外，二氧化鈦 是一種無毒的白色粉末，俗稱鈦白粉，是製成油漆、瓷釉的 顏料，也是修正液（立可白）（圖 5-10）的成分之一。圖 5-9 以鈦合金為機身 材料的數位相機圖 5-10 立可白圖 5-7 不鏽鋼廚具第五章 純物質的奧祕 121碳多以鑽石和石墨形式存在，但是此兩者的性質卻 不相同。鑽石透明無色（圖 5-1
11、1A），硬度很大。石墨 呈黑色，是非金屬元素中唯一可以導電的元素，可製成 鉛筆芯，也常用作乾電池的電極（圖 5-11B）。另外，2活性炭的主要成分也是碳，由於它有許多小孔洞，可吸 附水中及空氣中的部分雜質，故用做濾水器的濾心及活 性炭口罩的過濾材料。硫是無臭、無味、質脆的黃色固體，不溶於水，俗 稱硫磺（圖 5-12），存在於火山和溫泉口地區，可用 來製造火藥、硫酸等化學藥品。矽在地殼中的含量豐富，僅次於氧。通常以二氧化 矽或矽酸鹽的形式存在於各種礦物中。矽是製造矽晶圓 的重要原料（圖 5-13）。圖 5-12 硫磺圖 5-13 加工布滿精細電路的矽晶圓某生在上學途中，撿到一根長約 20公分的黑
12、色圓棒，拿起來輕輕的。某生想知道這是金屬 還是非金屬，請問如何檢驗？圖 5-11 碳元素構成的物品： A. 鑽石 B. 乾電池的電極 石墨棒鉛筆不是鉛製的鉛筆不是鉛製的2鉛筆的筆芯也可以導電，但並非由鉛製成，它是由陶土和石墨混合而成。鉛筆上標示的 H(hardness)表示堅硬程度，B(blackness)表示黑的程度。H 值愈高，代表含陶土愈多，筆芯愈堅硬；B 值愈高，代表含石墨愈多，字跡愈黑。矽晶圓矽晶圓3把二氧化矽高溫熔融、提煉，得到高純度的多晶矽，再經過長晶過程形成晶柱，將晶柱切片、拋光之後就成為一片片的矽晶圓（Silicon wafer)。在矽晶片上加工布滿多層精細的電子線路，即可成
13、為有特定功能的電子元件，主要用於各項資訊產品。122 國中自然與生活科技(三)本節中，我將學習到 元素符號與命名 元素分類下圖是十九世紀的一位科學家為了方便 表示元素而創建的符號，想想看，表示元素的符號應具有什 麼特性？5-2-1 元素符號與命名元素符號與命名早期科學家為了方便表示元素，各自創造了不同的元素 符號，但是當新發現的元素愈來愈多時，彼此間就產生不易 溝通的現象。因此，科學家們採用統一通用的化學元素符號 作為共同的語言。通用的元素符號是根據英文或拉丁文名稱的第一個字母 以大寫表示。若有兩個元素名稱的開頭字母相同時，其中一 種元素會再附加一個小寫字母表示。例如氫的元素符號為 H，氦的元
14、素符號則為 He，碳的元素符號為 C，銅的元素符 號為 Cu，氯的元素符號為 Cl 等。我國對於元素的命名原則，是採用一個字代表一種元素。 其中發現較早，屬於古代已知的元素，是採用俗名，例如金、 銀、銅、鐵、錫、鉛、硫等；而其他元素，則配合元素性質 或採用外文名稱的譯音，例如氫表示其為最輕的氣 體；鈉是因為其拉丁文第一音節的讀音近似納。此 外，再根據元素在常溫、常壓時的狀態，配合不同的部首， 其命名規則如下： 第第 2 節節元素符號與分類第五章 純物質的奧祕 123一、固態金屬元素以金字旁表示，如鋁、鉛等。 二、液態元素從水字旁，如水銀寫作汞，溴是液態非 金屬，也從水部。 三、氣態的非金屬元素
15、以气字頭表示，如氧、氮等。 四、固態非金屬元素，以石字旁表示，如硫、碳等。根據科學家的研究結果，目前已確認的元素逾 110 種， 其中有 88 種元素存在於自然界中，其他元素則為人造元素 。表 5-2 為一些常用元素的中文名稱及元素符號。4表 5-2 一些常用的元素 金 屬非金屬 中文名稱元素符號中文名稱元素符號 銅Cu碳C 鐵Fe硫S 鋁Al磷P 鉛Pb碘I 鈉Na矽Si 鉀K硼B 鎂Mg 鈣Ca固 態鋅Zn 液 態汞Hg溴Br 氧O 氯Cl 氫H氣 態氮N5-2-2 元素的分類元素的分類從 18 世紀中葉起的一百年間，科學家們陸續累積已知 元素的物理、化學性質等資料，萌發找尋元素性質間是否
16、 存在某種關聯的想法。元素要如何分類呢？讓我們以實驗 5-1 進行探究。人造元素人造元素4有些元素並不存在於自然界，而是科學家在實驗室中，以人工方法製造出來的，這就是人造元素。例如金若、鈽等。124 國中自然與生活科技(三)【目的】以常見金屬為例，根據元素反應時之特性，將元素作適當分類。 【器材】（以組為單位）項目數量項目數量 燒杯（100 毫升）2 個試管架1 座 試管（1.215 cm）6 支玻璃片1 片 鑷子1 把滴管2 支 酚西太指示劑1 瓶鈉（需浸在石油中）1 塊 鉀（需浸在石油中）1 塊玻璃棒1 支 砂紙1 張白紙（A4 大小）1 張 鹽酸（1.0 M）5 毫升小刀1 把 鋁片鐵片銅片鋅片各約 0.3 公克注意：操作本活動時，宜戴上安全眼鏡及橡皮手套。 【步驟】 一、教師演示部分 1. 取一玻璃片置於桌上，以鑷子自石油中取出鈉，放在玻璃片上，以小刀切開金屬鈉，請 同學觀察新切面
