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。

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...

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

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...

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：牙齒治療常見的合金
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

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
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