本關重點
- 原子序 1–18 的元素：同一族價電子數相同、化學性質相似；同一週期由左到右價電子數遞增。
- 元素可分金屬、類金屬、非金屬；矽（Si）是類金屬，也是半導體晶片的主角。
- 同位素（isotope）：質子數相同、中子數不同，化學性質幾乎相同。課綱只以碳、氫為例。
- 三種化學鍵：離子鍵（NaCl、MgO）、共價鍵（H₂O、CO₂）、金屬鍵（電子海模型）。
- 會畫並讀 H₂O、NH₃、CH₄、C₂H₄、CO₂ 的路易斯結構（Lewis structure）。
- 結構決定性質：同樣是碳，鑽石極硬不導電、石墨軟又導電。
核心觀念
一、原子結構與同位素
原子由原子核（質子＋中子）與核外電子組成。原子序＝質子數＝中性原子的電子數；質量數＝質子數＋中子數。
| 同位素 | 質子數 | 中子數 | 自然界占比 |
|---|---|---|---|
| 碳-12 | 6 | 6 | 約 98.93% |
| 碳-13 | 6 | 7 | 約 1.07% |
| 碳-14 | 6 | 8 | 極微量 |
| 氕（¹H） | 1 | 0 | 絕大多數 |
| 氘（²H, D） | 1 | 1 | 少量 |
同位素的電子數相同，所以化學性質幾乎一樣；差別在質量，以及碳-14 這類會衰變的同位素可用於定年。
二、週期表（只看原子序 1–18）
- 價電子：最外層電子，決定元素怎麼形成化學鍵。第 1 族（Li、Na）價電子 1 個、容易失去形成 +1 價離子；第 17 族（F、Cl）價電子 7 個、容易得到 1 個電子形成 −1 價離子；第 18 族（He、Ne、Ar）是鈍氣，最外層已穩定，很不活潑。
- 金屬、類金屬、非金屬：金屬有光澤、延展性、導電導熱佳，多半容易失去電子；非金屬多半容易得到電子或與其他非金屬共用電子；類金屬（硼 B、矽 Si）性質介於兩者之間，矽的導電性介於導體與絕緣體之間，是半導體。
三、三種化學鍵
| 離子鍵 | 共價鍵 | 金屬鍵 | |
|---|---|---|---|
| 由誰組成 | 金屬陽離子＋非金屬陰離子 | 非金屬原子共用電子對 | 金屬陽離子浸在自由電子海中 |
| 例子 | NaCl、MgO | H₂O、CO₂、CH₄；鑽石、SiO₂ | Na、Cu、Fe |
| 固態導電 | 不導電（離子固定不動） | 通常不導電（石墨例外） | 導電（電子可自由移動） |
| 熔融或水溶液導電 | 導電（離子可移動） | 分子化合物通常不導電 | 熔融仍導電 |
分子化合物與離子化合物：H₂O、CO₂ 由一個個分子組成，分子之間作用力弱，熔點、沸點低；NaCl 由陰陽離子以強靜電力交錯排列，熔點高（801 °C）。
共價網狀固體：鑽石、矽晶體、SiO₂ 中，原子以共價鍵連成延伸到整塊晶體的網，沒有「單獨的分子」，所以熔點極高、很硬。石墨每個碳只與同層 3 個碳相連，層間作用力弱（所以軟、可當潤滑劑），每個碳剩下 1 個電子能在層內移動（所以導電）。只有一層碳原子厚的石墨，叫石墨烯（graphene）。
四、路易斯結構
用點或線表示價電子：一條線＝一對共用電子（單鍵），兩條線＝雙鍵；沒有參與鍵結的成對電子叫孤對電子（lone pair）。
| 分子 | 價電子總數 | 中心原子的孤對電子 | 特點 |
|---|---|---|---|
| CH₄ | 4＋1×4＝8 | 0 | 4 個 C−H 單鍵 |
| NH₃ | 5＋1×3＝8 | 1 | 3 個 N−H 單鍵 |
| H₂O | 6＋1×2＝8 | 2 | 2 個 O−H 單鍵 |
| CO₂ | 4＋6×2＝16 | 0（每個 O 各有 2 對） | 兩個 C＝O 雙鍵 |
| C₂H₄ | 4×2＋1×4＝12 | 每個 C 都是 0 | 一個 C＝C 雙鍵 |
檢查方法：除了氫（2 個電子就穩定），每個原子周圍都應有 8 個電子（八隅體）。
五、氣體壓力從哪裡來
氣體分子不停亂動、撞擊容器壁，壓力就是這些撞擊的平均效果。體積不變時溫度升高，分子平均速率變大，撞擊更頻繁也更用力，壓力上升。課綱只要求這個分子觀點的定性解釋。
素養怎麼考
- 性質表判讀：給幾種未知物的熔點與導電測試結果，推論是離子、分子、金屬或網狀固體。
- 圖表找規律：給原子序與某種性質（例如題幹定義的游離能）的圖，要你連結到價電子數，並抓出「看似規律其實不成立」的過度推論。
- 前沿材料當情境：石墨烯、矽晶片、碳-14，考的仍是同位素與鍵結觀念。
- 路易斯結構計數：數鍵數、孤對電子，常與 115 學測那類「分子式＋孤對電子」題同型。
真題考法對照（用本站的話描述，非原題）
- 115 學年度學測第 23 題：給一小塊週期表，元素用甲～戊代號，判斷離子電荷、原子半徑、非金屬性與同位素。本關第 8 題改成「給價電子數與性質表、先定位再推論」。
- 111 學年度學測第 17 題：以「質量數對質子數」作圖，要從圖上點的位置判斷同位素、中子數與同族性質。
- 115 學年度學測第 42、43 題：題幹附兩個陌生分子的結構式，要寫分子式、數孤對電子、判斷是否互為同分異構物——分子再陌生，數法仍是課內的路易斯結構。
- 112 學年度學測第 23 題：由胺基酸結構式中每個原子連幾個鍵，反推原子種類。
解題技巧
- 判斷鍵型：先看組成元素——金屬＋非金屬→離子鍵；非金屬＋非金屬→共價鍵；只有金屬→金屬鍵。
- 導電題問兩件事：有沒有帶電粒子？它能不能移動？
- 畫路易斯結構：先算價電子總數，連單鍵，補孤對電子，不夠八隅體再改成雙鍵。
- 週期性圖表：先標出每週期的頭（第 1 族）和尾（第 18 族），規律通常在這兩處最明顯。
- 同位素題：只要問化學性質，答案幾乎都是「相同」；問質量、中子數，才會不同。
常見陷阱
- 以為 NaCl 固體能導電：要熔融或溶於水，離子能移動才導電。
- 以為金屬導電是因為「離子在跑」：金屬靠自由電子導電。
- 以為石墨導電是因為層間滑動：滑動解釋的是「軟」，導電來自層內可移動的電子。
- 把 CO₂ 和 SiO₂ 類比成同類：CO₂ 是分子化合物、室溫氣體；SiO₂ 是共價網狀固體、熔點很高。
- 以為「原子序越大性質數值就越大」：週期性是一週期一週期重複，不是一路遞增。
BOSS 戰
BOSS 戰：石墨烯幻影騎士
週期表與化學鍵 擋住了去路！共 8 題。
計時從進入每題開始，看詳解時暫停；同分比時間。
延伸閱讀與資料來源
- PubChem Periodic Table（游離能、原子量）（美國 NCBI 公開資料，數值屬事實）
- NIST：碳的同位素組成（美國國家標準與技術研究院標準參考資料）
- Nobel Prize：2010 年諾貝爾物理獎新聞稿（石墨烯）（Nobel Prize Outreach，本站僅摘要改寫）
- PubChem：Sodium chloride（熔點等物性，公開資料）
- 教育部 十二年國教課綱 自然科學領域（課綱文件，公開閱覽）