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　　從原子結構學到化合物性質！
 
　　國立台灣師範大學化學系副教授　吳學亮　　審訂
 
　　掌握氧化數，更容易觀察電子造成的變化？
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　　全面掌握無機化學：
　　原子基本知識→週期表→無機分子結構→各元素性質→物質的基本知識→電子化學與生命環境科學

作者簡介

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修畢，為理學博士。現任名古屋市立大學特聘教授，並兼任名古屋產業化學研究所高級研究員、名城大學兼任講師、名古屋工業大學名譽教授等多項職務。專長領域為有機化學、物理化學、光化學、超分子化學。著有「很漫畫的元素118」、「3小時讀通週期表」、「3小時讀通有機化學」等多本書籍。
 
審訂者簡介
 
吳學亮

　　現職：國立台灣師範大學化學系副教授
　　學歷：國立清華大學化學系學士、博士
　　經歷：日本大阪大學博士後研究員、美國麻省理工學院博士
　　後研究員、日本大阪府立大學訪問教授
　　授課科目：有機合成與光譜學
　　研究方面：天然物合成、藥物合成、不對稱合成

譯者簡介

殷婕芳

　　大學時期主修物理治療，後來卻因為熱愛村上春樹，以及許許多多的日本節目，而開始學習日文。享受語言轉換的樂趣，也期許自己能忠實傳達作者所言。

前言................................................................................. 1

第1章　簡單又複雜的原子結構............................. 9
1-1 無機化學的守備範圍有多大？ ....................... 10
1-2 物質由原子組成 ............................................. 12
1-3 原子由三種不同的粒子組成 ........................... 14
1-4 原子序與質量數所提供的訊息 ....................... 16
1-5 原子量為何不是整數 ..................................... 18
1-6 一莫耳跟一打同樣都是容量單位 ................... 20
1-7 容納電子的電子殼層為多層結構 ................... 22
1-8 電子殼層的軌域不只一種 .............................. 24
1-9 電子組態排列規則 ......................................... 26
1-10 價電子決定了原子的性質 .............................. 28
Column 是數位？還是類比？................................... 30

第2章　週期表與分子............................................... 31
2-1 隱藏在週期表裡的秘密 .................................. 32
2-2 3族元素的特殊性 ........................................... 34
2-3 原子的性質呈現週期性變化 ........................... 36
2-4 思考原子與元素的定義 .................................. 38
2-5 典型元素與過渡元素的分類 ........................... 40
2-6 各有特色的典型元素 ..................................... 42
2-7 過渡元素的軌域順序會有變化 ....................... 44
2-8 金屬元素的特色和類金屬元素 ....................... 46
2-9 分子的表示方式不只一種 .............................. 48
2-10 分子與化合物的差別在於組成元素的種類 ..... 50
Column 人造元素的分類........................................... 52

第3章　無機分子的結構 ..................................53
3-1 化學鍵是存在於原子之間的引力 ................... 54
3-2 離子鍵是靠著靜電引力結合的陰陽離子 ......... 56
3-3 金屬鍵是靠著自由電子結合的金屬離子 ......... 58
3-4 共價鍵是各自拿出不成對電子的結合方式 ..... 60
3-5 單鍵與雙鍵就像握手一樣 .............................. 62
3-6 碳為了增加不成對電子的數目而形成混成軌域 .................................................................. 64
3-7 未共用電子對會影響到分子的形狀 ................ 66
3-8 水分子因為氧的混成軌域而呈ㄑ字型 ............ 68
3-9 極性分子的未共用電子對會形成配位鍵 ......... 70
3-10 水靠著氫鍵的微弱引力結合 ........................... 72
3-11 一出現又馬上消失不見的凡得瓦力 ................ 74
Column 碳的同素異形體........................................... 76

第4章　典型元素的性質 ..................................77
4-1 比空氣輕的氣體元素有四種 ........................... 78
4-2 1族元素都是鹼金屬 ....................................... 80
4-3 2族元素包含了與水劇烈反應的鹼土金屬 ....... 82
4-4 12族元素是會造成公害的金屬元素 ............. 84
4-5 3族元素又稱為硼族元素 .............................. 86
4-6 14族元素不成為離子而是形成共價鍵 .......... 88
4-7 15族元素又稱為氮族元素 ............................ 90
4-8 16族元素又稱為氧族元素或硫族元素 .......... 92
4-9 17族元素是鹵族元素 ................................... 94
4-10 形成封閉殼層結構的18族元素是穩定的
稀有氣體元素 .............................................. 96
Column 類金屬 ........................................................ 98

第5章　過渡元素的性質與反應 ..................... 99
5-1 過渡元素的特徵 ........................................... 100
5-2 過渡元素的分類 ........................................... 102
5-3 4族元素的特徵與用途Ti、Zr、Hf ................ 104
5-4 5族元素的特徵與用途V、Nb、Ta ............... 106
5-5 6族元素的特徵與用途Cr、Mo、W .............. 108
5-6 7族元素的特徵與用途Mn、Tc、Re ............. 110
5-7 8族元素的特徵與用途Fe、Ru、Os ............. 112
5-8 9族元素的特徵與用途Co、Rh、Ir ............... 114
5-9 10族元素的特徵與用途Ni、Pd、Pt ............. 116
5-10 11族元素的特徵與用途Cu、Ag、Au ........... 118
Column 白K金（White Gold） ............................. 120

第6章　物質的狀態與性質 ............................ 121
6-1 固態、液態、氣態有什麼不同？ ................. 122
6-2 具有代表性的結晶類型 ................................ 124
6-3 金屬的三種晶體結構 ................................... 126
6-4 無法回復結晶狀態的無定形態 ..................... 128
6-5 朝著同一方向流動的液晶分子 ..................... 130
6-6 液晶螢幕的原理 ........................................... 132
6-7 低於臨界溫度就會成為零電阻的超導體 ....... 134
6-8 靠著共用電子（而非自由電子）來導電的
半導體 ......................................................... 136
Column 什麼是超臨界水 ........................................ 138

第7章　溶液的性質與電化學 ........................ 139
7-1 化學上的「溶解」指的是⋯⋯ ..................... 140
7-2 溫度升高時，溶解度也會增加嗎？ .............. 142
7-3 用來區分酸與鹼的定義 ................................ 144
7-4 酸與鹼的強度因離子價數及電離度而產生變化 ............................................................. 146
7-5 溶液中的氫離子濃度決定了酸鹼性 .............. 148
7-6 中和是具有代表性的酸鹼反應 ..................... 150
7-7 氧化還原反應須注意氧化數的增減！ .......... 152
7-8 氧化劑在反應中讓對方的氧化數增加，還原劑則使其減少 ....................................... 154
7-9 金屬在溶解時被氧化 ................................... 156
7-10 由大至小依序排列的氧化力與還原力就是離子化傾向 .................................................. 158
7-11 電池的放電機制 ........................................... 160
7-12 電池有許多種 .............................................. 162
7-13 太陽能電池的產電機制 ................................ 164
Column 酸性食物與鹼性食物................................. 166

第8章　稀有金屬與放射性元素 ..................... 167
8-1 稀有金屬因各國的產業狀況而異 ................. 168
8-2 就算想要也很難到手的稀有金屬 ................. 170
8-3 產地集中於特定區域的稀有金屬 ................. 172
8-4 稀有金屬主要可作為合金、電子零件等功能性材料使用 .............................................. 174
8-5 稀土元素的特殊性 ....................................... 176
8-6 稀土元素的礦石中含有放射性物質，因此不易冶煉 ..................................................... 178
8-7 稀土元素主要可用於發光材料、磁性系統等方面 ......................................................... 180
8-8 超鈾元素是人造元素 ................................... 182
8-9 什麼是核反應？ ........................................... 184
8-10 地球內部的核反應 ....................................... 186
8-11 太陽是巨大的核融合反應爐 ......................... 188
8-12 一旦開始就無法停止的核分裂反應 .............. 190
8-13 核能發電機制 .............................................. 192
8-14 核燃料的製造方式 ....................................... 194
8-15 需要好幾道安全防護的圍阻體 ..................... 196
Column 重金屬的毒性............................................. 198

第9章　生命、環境與無機化學 ...................... 199
9-1 氫以外的元素都是因核融合而產生 .............. 200
9-2 無機化合物和有機物都是同樣的來源 .......... 202
9-3 人體所需的微量元素具有調節的功能 .......... 204
9-4 有毒的金屬 .................................................. 206
9-5 酸雨所造成的危害其實相當嚴重 ................. 208
9-6 SOx和NOx的問題是否有因應之道？ ........... 210
9-7 全球暖化是地球等級的警告 ......................... 212
9-8 到處都有放射線 ........................................... 214
9-9 臭氧層破洞歸因於人類的無知 ..................... 216
9-10 會產生含鈽核廢料的核電是沒有未來的 ....... 218

索引............................................................................... 221

有機化合物是與生命有關的物質
 
化學是物質的科學，包括有機化學、無機化學、物理化學、量子化學等領域。這些領域依照物質的種類來分類，即為有機化學與無機化學。處理有機化合物的是有機化學；處理無機化合物的是無機化學。
 
但什麼是有機化合物呢？有機化合物原本是指「與生命有關的物質」，構成這類物質的原子（元素）只有碳C、氫H、氧O、氮N等少數的原子。亦即，有機化學就是在處理這些原子所構成的物質。
 
有機化合物以外的物質都是無機化合物無機化合物又是什麼呢？無機化合物指的是「有機化合物以外的所有化合物」，所涉範圍很廣。無機化學涉及的元素不只有碳、氫，還涵蓋了所有元素。從原子序1的氫到原子序118的Uuo都屬於無機化學的研究範圍。無機化學的樂趣就藏在其中。
 
原子的形狀
 
物質與能量構成宇宙，而所有物質皆由原子組成。沒有人看過原子的形狀，人類今後大概也沒機會看到吧。不過，人們根據許多實驗結果，將原子想像成「球狀粒子」。這個球狀粒子是數個電子所構成的電子雲，而電子雲的中央則有一個極小的粒子─原子核。
 
原子的大小超乎想像原子的直徑大約是10-10m。若將原子放大成乒乓球的大小，再用同樣的比例將乒乓球放大，乒乓球會變成地球的大小喔。
 
位於原子中央的原子核直徑大約是原子的萬分之一。也就是說，如果把原子想成兩個直徑一百公尺的巨蛋球場所合成的巨大銅鑼燒，則原子核的大小即相當於一顆滾進投手丘、直徑一公分的彈珠。

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