自然科学概论台湾中国科技大学2

2-2-2 純物質與混合物
如果我們將硫磺和鋅粉組成的混合物加 以燃燒，此混合物將產生激烈的化學變化， 而轉成一銀白色的新物質－硫化鋅 (如圖27) 。因此混合物在適當的條件下，可以經由 化學反應而產生化合物。 組成混合物的各物質均勻混合，無法以 肉眼來區分，所產生的混合物稱為均勻混合 物。水可以均勻的依不同的比率和酒精混合 成均勻混合物；鹽或糖可以和水混合均勻； 空氣是均勻混合物；18Ｋ金的戒指也是均勻 混合物。
2-2-2 純物質與混合物
糖分解產生的碳與水蒸氣的比值固定， 因此表示糖的組成是固定不變的。如與糖一 樣的其他純物質，藉由化學反應分解成較簡 單的新物質，而且產生的新物質，彼此之間 的重量比固定時，此純物質稱為化合物 (compound) 。 糖加熱分解所產生的碳，卻無法再利用 加熱等的化學變化轉變成其他的物質，像碳 這類無法利用化學方法再予分解的純物質稱 為元素 (element)。
2-2-2 純物質與混合物
不相同的純物質 (化合物或元素) 混合在 一起，沒有一定的組成和特性，而組成的各 純物質仍保有本身的性質和特徵，則此物質 稱為混合物 (mixture) 。如果我們觀察盆栽裡 的泥土裡有碎石塊、小樹枝、樹葉等，因此 泥土可稱為混合物。 組成混合物的各成份物質，如泥土裡的 石塊、樹葉，可明顯的被區分開來。又如將 黃色的硫磺和金屬顏色的鋅粉混合在一起， 可以很容易的分辨出硫磺和鋅粉，如此類的 混合物即稱為非均勻混合物。
2-2-2 純物質與混合物
物質如果以它的組成來分類，可以區分 為純物質 (pure substance) 與混合物 (mixture) 兩大類 (如圖2-5) 。 組織均勻並有一定的組成，且性質相同 的物質稱為純物質。如純的精鹽，每一顆鹽 的形狀都是立方體，而且物理性質如鹹度、 密度、硬度等也是一樣。又如葡萄糖的形狀 各異，但是彼此之間的甜度及其他的性質都 是一致。因此精鹽和葡萄糖都是純物質。
原子的粒子所組成。 2. 相同的元素由相同性原子所組成，不同的元 素彼此所組成的原子也不同。
2-3-3 元素與原子
3. 化合物是由不同元素的原子，依簡單的
數值比組成。 4. 化學反應是由於原子的重新排列與組合 而形成的新的化合物。
雖然道爾頓的部分理論己被修正，但 他圓滿地解釋當時從科學實驗，歸納出一 些化學定律，對於近代科學以及化學的進 展影響很大。因此，道爾頓被尊稱為「化 學理論之父」。
2-3-1 元素的命名
3)紀念有名的科學家：如einsteinium (鑀) 以紀念 愛因斯坦，fermium (鐨) 以紀念物理學家費米， curium (鉤) 以紀念居里夫婦； 4)沿用原有的名稱：如iron (鐵) 、copper (銅) 、 tin (錫源自文库 、gold (金) 、lead (鉛)等。
2-2 物質的分類
2-2-1 固體、液體與氣體
冰、水與水蒸氣都是同一種物質，而於 不同的狀況下，分別以固體 ( solid ) 、液體 (liquid) 與氣體 (gas) 等不同的型態呈現。固 體、液體、氣體稱為物質的三相，乃是物質 分類的另一種方法 (如圖2-4) 。 地球上所有物質，在常溫 ( 25℃ ) 下以 此三相中的其中一相存在，如水以液體、鐵 以固體、空氣以氣體型態存在等。相可以利 用物質本身的形狀及體積來定義，如氣體可 以流動，而無固定的形狀也無固定的體積。
2-3-3 元素與原子
道爾頓原子理論修正如下：
1. 原子由更小的粒子、質子、中子、電子等 所組成。原子並非不能再分割。 1. 許多元素具有同位素，即原子序相同但質 量不同。例如氫有三種同位素：氫、氘、 氚，其質量分別為1，2及3。
1. 在核反應中，原子核可分裂並放出巨大能 量 (原子彈) 在核熔反應中，氫和其同位 素可熔合成氩並放出巨大能量 ( 氫彈 ) 。 故原子可被破壞，也可被創造。
2-3-4 週期表
IA族的元素通常是光亮且密度低的金 屬，其柔軟的程度甚至可以利用刀子來切 割。 由於這些元素和水接觸反應激烈並生 成鹼性溶液，因此稱鹼金屬。IIA族的元素 也可以和水反應，但是不如 IA族的激烈， 雖然也屬於金屬，但沒有IIA族的元素柔軟， 稱為鹼土金屬。
2-3-4 週期表
VIIA族的元素稱為鹵素。其元素為無 色無味的氣體，由於這些元素相當安定， 不易和其他元素起化學反應，因此稱為鈍 氣。
2-3-2 元素的符號
為了簡化元素的名稱，每一個元都有它特定 的元素符號。根據公元1913年瑞典化學家柏 芝里耳斯 (Jons Berzelius) 所創意的方法。
2-3-2 元素的符號
以元素名稱的第一個英文字母，用大寫來當該 元素的符號：如以Ｈ代表hydrogen (氫) ，以Ｏ代表 oxygen (氧)等。至於其他以兩個英文字母當符號的 元素，第一個符號為該元素的個英文字母，以大寫 表示；第二個符號，則依據下列方式以小寫表示：
1.元素的第二個英文字母當符號：如Ca表calcium (鈣) 、Br表bromine (溴) 、Al表aluminum (鋁) ； 2.元素的第二個英文字母為不發音的子音時，以第 三個英文字母當符號：如Cr表chromium (鉻) 、 Cl表chlorine (氯)； 3.取自元素原有的拉丁或德文名稱：如Au表gold (金)的拉丁名稱aurum (如表2-2) 。
2-3-3 元素與原子
公元 1803 英國科學家道爾頓 ( John Dalton, 1766-1844) (如圖2-9) 提出道爾原 子理論 (Dalton’s atomic theory ) 後，人們 對於物質的基本觀念才得以真正的建立。 道爾頓原子理論：
1. 所有物質都是一微小而無法再分割，稱之為
2-2-1 固體、液體與氣體
大多數固體的密度比它液體的密度大；冰是少 數的例外之一，它的密度比水小，因此冰可以浮在 水面上，使得冬季水底下的水族動物不至於凍斃。 物質的三相隨外界環境而彼此互相轉換；固體 受熱熔化成液體，其受熱熔化時的溫度稱為熔點， 反之分別稱為凝固與凝固點；液體繼續加熱至某一 溫度時液體氣化成氣體，此時的溫度稱為沸點，反 之稱為液化與凝結點；若固體受熱直接氣化成氣體 的現象，則稱為昇華，如乾冰於室溫下直接氣化成 二氧化碳，反之稱為昇華。
2-1 物質的定義
物質的型態是隨時可以改變的，如岩石 風化、樹木凋謝、河水結冰等。如此一來， 物質的定義似乎太過於籠統。 環繞在我們周遭環境中的事事物物，有 些相同性很高，因此為了區分，就有必要予 以分類；如地球上的動物數量及種類成千上 萬，為了識別及易於瞭解，我們首先將動物 依其共通的特徵，進一步加以細分，因此而 有靈長類、袋鼠類、鯨類等的分科。
2-3-4 週期表
公元1869年俄國化學家門得列夫 (Dmitri Mendeleev) 依據元素的化學性質和原子 量，與德國物理學家梅爾 (Lothar Meyer) 根據元素的物理性質和原子量，先後發表 類似的元素週期表。 他們以原子量的大小從左至右當成行， 一 共是七行，每一行稱為週期 (period) ： 如第一週期只有氫和氩；第二週期從鋰開 始至氖結束。
2-3 元
素
自然產生的元素共88種，另外由科學家 藉著核反應產生的元素有21種。任何天然或 人造的化合物都是由109 種元素，以不同的 組合而形成。 表 2-1 分別表示孙宙、地球以及人體的 主要組成元素表。顯示出整個孙宙大部份由 氫氣所組成；氧元素則為人體的組成及地球 表殼的主要元素：至於氧、碳、氫等三種元 素的總和為人體重量的百分之 90 以上。
2-3-3 元素與原子
古希臘多數哲學家以亞理斯多德 ( 如圖 2-8 ) 為首，物質四大元素：氣、火、土、水， 分別代表乾、熱、冷、濕，依不同的比例組 合而成。 哲學家如蒂瑪庫特司 (Democritus) ，認 為所有物質皆由最小而無法再分割的原子 (atom) 所組成。物質彼此之間性質的不同， 是由於組成物質的原子大小及形狀不同所致。
C007 自然科學概論 第六版
Chapter 2
物 質
編著：杜平泉、方 慧、杜鳳棋、吳鎰州 唐幼華、柴御清、蔡忠賢
章
節
簡
介
2-1 物質的定義
2-2 物質的分類
2-3 元 素
2-4 化合物
2-5 2-6 物質的化學反應 化學反應的能量變化
學習摘要
2-1 物質的定義
公元1989年美國所發射的太空探測器－ 伽利略號，靜靜地環境離開地球有數千萬公 里遠的木星運行。太空探測器上精良的儀器 傳回相當多關於這個行星的資料(如圖2-1)， 可看到木星有大紅斑出現。 物質是任何具有質量，且佔有一定空間 的物體通稱。岩石是物質，水也是物質，我 們看不見，而又賴以維持生命的空氣也是物 質，甚至海洋、 花、 草、 樹木、 日、 月、 星辰無一不是由物質所組成。
2-3-1 元素的命名
元素的中文命名有一定的規則：於常溫 ( 25℃ ) 及1大氣壓下，如果是屬於金屬類的 元素，以「金」字偏旁命，如鐵、銅、銀、 錫、鉛等。汞是唯一的例外，由於汞於正常 情況下為液體，因此雖然汞屬於金屬類，而 以「水」字當偏旁。 非金屬類元素，於常溫(25℃)及1大氣壓 下，屬固體的元素，都以「石」字當偏旁， 如碳、矽、硼等；屬氣體的元素，都有「气-」 字頭，如氧、氫、氮、氯、氟等；屬液體的 元素，都以「水」字當偏旁，如溴。
2-3-4 週期表
相似性質的元素排在同一列稱族 (group) ，以羅馬字母從Ｉ至VIII分別表示： 如第一族 (IA) 有鋰、鈉、鉀、銣、銫； 第二族 (IIA) 有鈹、鎂、鈣、鍶、鋇； 第七族 (VIIA) 有氟、氯、溴、碘。 今天，科學界所共同使用的週期表為門 得列夫提出的週期表，稱為門得列夫週期 表 (如表2-3)。
2-3-1 元素的命名
元素的英文名稱，需經過國際純化學與應用 化學聯合會(IUPAC)認定才可以正名。元素 命名方式，大致上可歸納成下列幾種：
1)希臘文、拉丁文或德文中表示顏色的字 :如 chlorine (氯) 表黃綠色，iridium (銥) 表虹， rubidium (銣) 表深紅色；
2)紀念元素被發現的地點：如germanium (鍺)發現 於德國，francium (鍅) 發現於法國，californium (鉲) 發現於美國加利福尼亞州，yttrium (釔) 、 erbium (鉺) 、terbium (鋱) 、ytterbium (鐿)等四 元素則被發現於瑞典的小鎮 Ytterby；
2-2-2 純物質與混合物
鹽經加熱到 800℃左右便開始熔解，復 經冷卻至室溫時，它不但回復固體且性質不 變。但是糖加熱的現象則有顯著的不同。糖 加熱後，產生水氣並且轉變成黑色的物質， 經冷卻後無法再變回糖的原樣 (如圖2-6) 。 物質的本質以及組成改變，而產生其他 的物質時，新物質的性質以及特徴和原物質 完全不同的現象稱化學反應 (chemical reaction) 。加熱使得糖產生化學反應，分解成碳 與水蒸氣。但鹽加熱並不發生化學反應，其 本質及組成並無改變，只是形態改變。
2-2-1 固體、液體與氣體
液體也是流動的，因此一般液體與氣體 通稱為流體。和氣體一樣，液體沒有一定的 形狀，它可以被裝入任何形狀的容器內；但 是和氣體不一樣的是，液體有一定的體積。 固體和液體一樣，有一定的體積；但是 和流體不一樣的是，固體的形狀固定。如果 將一固體物質，放入一容器內，固體不會因 為容器而改變它的形狀和體積。
2-3-5 金屬與非金屬
金屬 (metal) 是物質一種，它們具有下 列的共同性質 (如圖2-10) ： 1. 金屬光澤。 2. 熱和電的良導體。 3. 延展性，可以被抽成金屬線及敲擊成薄 片。 除了汞在常溫下是液體以外，所有的 金屬在常溫時，都以固體的型態存在。
表2-3所示，綠色區域的元素為非金屬、 藍色為金屬、至於黃色部分的元素，如矽、 鍺、砷等，雖然它們的物理性質屬非金屬 元素，如無延展性、無導電性等，但在某 種條件下這些元素卻可以導電。對於這些 不但具有非金屬的性質，且像金屬元素一 樣可導電的元素，我們稱它為半導體 (semiconductor) 。