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週期表一讀就通
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商品簡介

作者簡介

目次

書摘/試閱

特別介紹由日本最先、亞洲首度發現的第113號元素「鉨」。
透過週期表,讓你更瞭解元素的構造及特性。
用身邊隨處可見的例子,帶領大家輕鬆愉快地進入週期表與化學的世界中!

只要看週期表就能夠看出元素的特質?
原來週期表就等同於元素的日曆?
週期表就像是英文的字母表一樣重要?
從週期表就能瞭解原子的結構、性質及反應性!


用淺顯易懂的圖示及解說來介紹週期表中構成整個宇宙的118種元素
原來週期表不像是我們想的那樣艱澀難懂,
從基礎的原子結構一路講解到各元素的性質解說,
讀完本書後你會驚訝地發現,原以為艱難的週期表,也能讓人輕鬆讀懂,甚至深具魅力!

●原子與元素有什麼不同?
--原子是物質,但元素既沒有質量也沒有體積,是一種概念
●核反應是什麼?
--如同原子、分子反應成同種或者其他分子,原子核也會進行反應。原子核的反應就稱為核反應。
●原子是什麼形狀?
--沒有人見過原子。但綜合各種實驗結果,目前大多認為原子是一種雲狀的球體。
●原子的性質怎麼決定的?
--由最外層的電子決定。

 

 

齋藤勝裕
1945年5月3日生,1974年東北大學研究所理學研究科博士課程結業。現為愛知學院大學客座教授、中京大學外聘講師、名古屋工業大學名譽教授。專業領域包含有機化學、物理化學、光化學、超分子學。著作有《很漫畫的化學元素118》、《科學料理》(瑞昇)、《3小時讀通有機化學》、《3小時讀通無機化學》(世茂)、等等。

插畫:井口千穂

 

譯者簡介

衛宮紘
清華大學原子科學院學士班畢。現為自由譯者。譯作有《上司完全使用手冊》(東販)、《超慢跑入門》(商周)、《男人懂了這些更成功》(潮客風)、《世界第一簡單電力系統》(世茂)……等。

序言
本書主要是透過週期表來讓大家瞭解原子的結構、性質及反應性。說到週期表,可能會讓人想起高中時期需要死背的無趣化學,從而感到心情低落吧。不過,本書絕對不是那種艱澀古板的教科書,而是能夠帶領大家輕鬆愉快地進入週期表與化學世界的輕鬆讀物。
宇宙是由物質構成,而所有物質皆是由原子組成。宇宙中的物質種類有無限多種,但構成物質的原子卻僅有90種左右。這90種左右的原子會集結成分子,再由分子結合成物質。
原子的結構單純,整體看來宛如由雲朵構成的球體,正中央有著小小的原子核,周圍纏繞著雲狀般的電子雲。原子核帶有+1電荷的質子,質子個數為原子的原子序Z;而構成電子雲的電子則帶有-1電荷,電子個數跟質子個數相同。因此,整個原子會呈現電中性。
將這些原子集結成的元素,按照原子序Z的順序排成元素的行列後,會發現有趣的事情:Z=1的氫、Z=3的鋰、Z=11的鈉、Z=19的鉀,皆容易形成+1的陽離子,彼此間都具有相似的性質。週期表就是像這樣反覆縱向排列相似性質的元素,其原理跟每7天一個循環的日曆相同,就像是日曆最左端不論上下排列的都是快樂的星期天,週期表左端的第一族元素也皆具有類似的性質及反應性。
瞭解這件事情後再來觀看週期表,能夠在某種程度上推測元素的性質,像是可知第一族元素容易形成1價陽離子、第二族元素容易形成2價陽離子等等。這就是週期表的價值與意義。
由週期表可知,奧林匹克獎牌的金、銀、銅都排列在週期表的第十一族,與金、銀同為貴金屬的鉑、鈀則排列在金、銀的左邊。
經常作為原子爐燃料的鈾、鈽,是位於週期表底部的超重元素,被期待未來可以作為原子爐燃料的釷,也屬於超重元素。
最近蔚為話題的稀土金屬,本身具有發光性、磁性等特異性質,成為了雷射、儲存元件等產業上不可欠缺的原料。另外,像是可以製成強力磁鐵來實現超小型馬達等現代科學的方面上,稀土元素也廣泛受到運用。稀土金屬是第三族元素的一部分,全部共有17種元素。
然而,其中有15種元素不列入週期表的主表,而像是附屬品般列於週期表下方的副表中,這15種元素宛若十五胞胎般具有類似的性質。實際上,稀土元素也因彼此具有類似性質而難以分離。
週期表對應著元素的結構,尤其忠實地對應了電子組態。然後,電子組態會影響原子的性質和反應性,所以週期表也理所當然地會對應原子的性質及反應性。
讀完本書後會驚訝地發現,高中時期覺得艱難的週期表,竟然如此栩栩如生、深具魅力。透過本書親近週期表後,相信大家也會開始覺得化學平易近人,進而成為化學的粉絲的。
最後,感謝致力於本書付梓的SB Creative的石周子先生、品田洋介先生、為本書描繪有趣插圖的井口千穗小姐、參考書籍的作者們以及出版社同仁。
齋藤勝裕

 

序言 1
第1章 原子是什麼東西?
118元素週期表
1-1 原子是怎麼形成的?
1-2 原子與元素有什麼不同?
1-3 原子是什麼形狀?
1-4 原子序是根據什麼決定的?
1-5 同位素是什麼東西?
1-6 亞佛加厥常數是什麼樣的數?
1-7 核反應是什麼?
第2章 電子是什麼東西?
2-1 電子位於電子層
2-2 量子數決定電子的性質
2-3 電子形成電子雲
2-4 電子層分成不同的軌域
2-5 軌域呈現有趣的形狀
2-6 填進軌域時的規則
2-7 K層與L層的電子組態
2-8 最外層電子決定原子的性質
第3章 由週期表可知道什麼事情?
3-1 週期表是元素的日曆
3-2 族與週期是週期表的骨架
3-3 週期表是電子組態的鏡子
3-4 分成典型元素與過渡元素
3-5 過渡元素的襯衫變化
3-6 由電子組態看元素的分類
3-7各種不同的週期表 
第4章 由原子、分子看週期表
4-1 原子半徑的週期性
4-2 離子價數的週期性
4-3 游離能的週期性
4-4 電負度的週期性
4-5 酸性氧化物與鹽基性氧化物
4-6 形成分子才出現的性質
4-7 化學鍵結與週期表
第5章 由物理性質看週期表
5-1 物質的氣體、液體、固體
5-2 熔點與週期表
5-3 固體與結晶
5-4 晶形與週期表
5-5 金屬元素的特色
5-6 金屬元素與週期表
5-7 稀有金屬與稀土金屬
5-8 稀有金屬分布不均
第6章 第1、2、12族元素
6-1 第1族元素的性質
6-2 氫的性質
6-3 其他第1族元素的性質
6-4 第2族元素的性質
6-5 鎂與鈣的性質
6-6 其他第2族元素的性質
6-7 第12族元素的性質
第7章 第13~15族元素
7-1 第13族元素的性質
7-2 硼與鋁的性質
7-3 其他第13族元素的性質
7-4 第14族元素的性質
7-5 碳和矽的性質
7-6 其他第14族元素的性質
7-7 第15族元素的性質
7-8 氮與磷的性質
7-9 其他第15族元素的性質
第8章 第16~18族元素
8-1 第16族元素的性質
8-2 氧與硫的性質
8-3 其他第16族元素的性質
8-4 第17族元素的性質
8-5 氟與氯的性質
8-6 其他第17族元素的性質
8-7 第18族元素的性質
8-8 氦與氖的性質
8-9其他第18族元素的性質
第9章 過渡元素各論
9-1 過渡元素的種類
9-2 第4族元素的性質:仿真鑽石
9-3 第5族元素的性質:石油生物起源說的論據
9-4 第6族元素的性質:為夜晚帶來光明的元素
9-5 第7族元素的性質:在深海底部滾動的團塊
9-6 第8族元素的性質:有機化學不可欠缺的催化劑
9-7 第9族元素的性質:能夠上釉、電鍍的便利金屬
9-8 第10族元素的性質:牙療常見的合金
9-9 第11族元素的性質:具代表性的貴金屬
第10章 稀土元素
10-1 稀土金屬(稀土元素)的種類
10-2 稀土金屬的物性
10-3 稀土金屬的生產
10-4 稀土金屬的發光性
10-5 稀土金屬的磁性、超導性
第11章 錒系元素
11-1 主要錒系元素的性質
11-2 鈾的同位素與核分裂
11-3 連鎖反應與臨界量
11-4 原子爐的條件
11-5 原子爐的結構與運轉
11-6 超鈾元素
11-7 鉨
參考文獻
索引

 

1-1 原子是怎麼形成的?
宇宙是由物質構成,物質的種類多到可以堪稱無限。所有物質皆是由原子組成,那麼原子的種類也是無限多嗎?答案是否定的。原子的種類少到令人吃驚,且會因計數方式不同而不同,這邊先瞭解約有90種原子吧。
由僅有90種左右的原子,就能組成無限多種的物質。其中的「機制」留到後面再來講解,這邊先比喻成英文字母和單字個數吧。英文僅有26個字母,但所能組成的單字個數卻是無限多的。
①宇宙的誕生
據說,宇宙源於約137億年前的大霹靂(Big Bang)。當時,「宇宙之素」突然大爆炸產生原子、時間及空間,所以大霹靂正是萬物的起源。
②原子的誕生
當時,宇宙之素碎散成氫元素H,變得像是雲朵般向外擴散並有濃淡之分。濃的地方重力大,會吸引周圍的「氫雲」使其變濃,讓中心的壓力攀升。不久,中心會因摩擦熱而轉為高溫高壓的環境,發生2個氫原子融合成1個氦原子的核融合反應,並產生巨大的能量,創造出如太陽等等的恆星。
恆星再進一步核融合後,3個氦原子轉成1個碳原子C,陸續生成更大的原子。恆星堪稱原子的誕生之地,但核融合能生成的原子僅到鐵Fe為止,比鐵更大的原子則無法經由核融合產生。
因此,結構成分為鐵Fe的恆星,因為無法進一步核融合產生能量,所以逐漸失去能量而收縮。不久,某恆星因質量與能量失衡,引發大爆炸後產生了比鐵更大的原子。
宇宙就像這樣誕生了約90種的原子,原子集結成行星後,轉變成各種物質,之後再形成生物。這些原子組成的班級名冊,就是所謂的週期表。
1-2 原子與元素有什麼不同?
週期表是按照大小(原子序)順序來排列元素,並在適當的地方折返後循環。而日曆也是按照大小順序排列,每7天一個循環。因此,週期表可比喻為元素的日曆。
①原子與元素
本書講述的內容是週期表,希望讀者能夠藉此重新審視化學。因此,即便是很基本的觀念,也應該不敷衍過去,而是認真地去釐清有疑問的地方。
其中,化學最先碰到的用語有「元素」和「原子」。前面提到,週期表是按照「原子」序來排列「元素」。那麼,元素和原子是什麼呢?元素和原子是不同的東西,還是相同的概念?
用語的定義難免較為艱澀複雜,能夠不提的話當然是再好不過,但因為可能還是有些讀者想要仔細瞭解,所以還是稍微講解一下。
原子是物質,而元素不是物質。這樣便會衍生新的疑問:物質是什麼?所謂的物質,是指具備有限體積及質量(重量)的物體。因此,原子可如同石頭一般來計數,像是1個、2個或者 (亞佛加厥常數,參見1-6)個。若將來發明出可精密檢測的裝置,也許便可在相片中看到一個個的原子。不過,其實目前已經可以看到稍微模糊的影像了。
②元素
與此相對,「元素」既沒有質量也沒有體積,不是物質而是一種概念,想成僅僅是統整原子性質的概念,或許比較容易理解吧。
就像日本人是指整個國家的人種,而不是單獨的個人。單獨的個人可數,但整個人種便不可數。元素就相當於整個的「人種」,而原子就是指單獨的「個人」。「個人」是一個個的個體,但「日本人」便不是個體,這就是元素和原子的差異。就像是日本人中有著各種不同的人一般,「氫元素」中也有各種不同的「氫原子」。
1-3 原子是什麼形狀?
沒有人見過原子。我們能夠拍攝原子的位置,也能夠將原子一個個移動,但沒有人真正實際見過原子的形狀。綜合各種實驗結果,目前大多認為原子是一種雲狀的球體。
①電子雲與原子核
原子周圍的雲狀物是被稱為電子雲的複數電子e(electron)集合體。電子帶有負的電荷,而1個電子帶有-1的電荷。電子雲的中心則為原子核,原子核帶有正的電荷。具有Z個電子的原子,其原子核便帶有+Z電荷,原子核的正電荷(+Z)會和電子的負電荷(-Z)互相抵銷,於是整個原子就會呈現電中性。
②原子的大小
原子是非常小的粒子,直徑僅僅大約 m。若要將原子放大成乒乓球大小,相同的倍率則可以將乒乓球放大到地球那般大,由此可見原子是多麼渺小。
而原子核比原子更為渺小,直徑僅約為 m,大概相當於原子直徑的萬分之一。換言之,假設原子核的直徑為1cm的話,原子的直徑就會是 。若將原子比喻成由兩個東京巨蛋組成的巨大銅鑼燒,則原子核的大小就僅會有投手丘上的彈珠那麼大。
③電子雲的性質
儘管如此,原子99.9%以上的質量都集中於原子核。電子雲雖然體積巨大,但卻如同虛幻的雲朵一般沒有多少質量。然而,真正影響原子性質及反應性的不是原子核而是電子,由電子雲位於原子的外側來看,這可以說是理所當然的結果。當我們觀察其他人的時候,看到的是最外側所穿的衣服,少有機會見到對方的裸體(原子核)。對原子來說,衣服就相當於(最外層的)電子雲,原子和其他原子接觸反應時,最先觸及到的就是電子雲。
如上所述,化學反應是電子雲引起的現象。因此,化學可說是研究電子雲的科學吧。

 

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