週期趨向顯示出的元素性質（二） Periodic Trends in Atomic PropertiesⅡ

化學原理啟迪336

Debussy : Prélude à "L'après-midi d'un faune"

1.     【例題】磷的第一游離能是1060kJ/mol，硫的第一游離能是1005kJ/mol。為什麼？

【解題】

磷與硫是第三週期裡二個相鄰的元素，硫比磷多1顆質子（原子核）和1顆電子，他們的電子組態：磷是3s²3p³，硫是3s²3p⁴。

一般來說，同一週期的元素，隨著質子增加，游離能也會跟著增加，但是我們必須再注意原子的電子組態，才能作判斷。磷的三個不同的3p軌域各填入1顆電子，可是硫比磷多1顆電子，硫多的那1顆電子必須填入已經有1顆電子的p軌域。

同一個p軌域填滿2顆電子產生電子－電子的斥力，造成移除硫第1顆電子比想像中的容易；使得移除硫第1顆電子所需的第一游離能，比移除磷的第1顆電子所需的第一游離能低。

2.     【例題】依據以下元素的電子組態：

1s²2s²2p⁶

1s²2s²2p⁶3s¹

1s²2s²2p⁶3s²

判斷哪一個元素的第一游離能最大？哪一個元素的第二游離能最小？為什麼？

3.     元素的電子組態是1s²2s²2p⁶的第一游離能最大（這是氖原子），因為這個元素在第二週期的最右邊的位置，這個位置的元素是第二週期中質子最多的元素，然而在p軌域增加的電子卻不會彼此遮蔽原子核的引力，因此這顆元素的每顆電子承受強大的原子核引力，要拔除這個元素的第1顆電子所需的能量「第一游離能」最大。

（第二能階的p軌域填滿6顆電子以後，進入到極度平穩的狀態，稱為鈍氣電子組態，要破壞這個平穩狀態，需要耗費的力氣比較大，也就是第一游離能會很強）

4.     此外，電子組態是1s²2s²2p⁶的元素，它要拔除的電子位於主量子數2，與另外二種電子組態的元素要拔除的電子在主量子數3相比，顯然比較靠近原子核，原子核穿透核電子的控制電子的力量較強，因此第一游離能較強。

5.     電子組態是1s²2s²2p⁶3s²的元素「鎂」的第二游離能較弱，因為鎂要拔除的第一顆電子與第二顆電子都是價電子，不是核電子，所以移除的能量都不強。

此外，移除鎂的第二顆電子以後，剩下的電子呈現的電子組態剛好與鈍氣氖一樣，這是一個相對穩定的電子組態，符合原子追求最穩定狀態的原則，因此移除鎂的第二顆電子困難度不會太高。

當元素（鈉）的電子組態是1s²2s²2p⁶3s¹，要移除的第二顆電子是2p軌域的核電子，受到原子核的引力較強，因此移除所需花費的游離能較強，所以鈉的第二游離能較鎂強。（電子在主量子數2承受的原子核引力大於位於主量子數3）

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》

能量轉換：光合作用 Energy Transformations：Photosynthesis

探索生命《生物學》48

J.S. Bach BWV 1055 Konzert für Oboe d'amore - Albrecht Mayer 

1.        從化石蒐集到的證據顯示，在35億年到40億年前地球出現最早的有機體，這批有機體從大氣與古海洋沈積的有機分子而來。因為自然環境能夠提供的有機分子有限，這些最早出現的生命體逐漸演化出能夠從無機分子合成有機分子的能力。

2.        為了製造有機分子，第二批出現的有機體利用化學合成chemosynthesis的程序，從氫、胺和硫等無機物質上獲得能量。到了現代，我們還是可以從自然界看到這些化學合成有機體的存在，它們有些在特別嚴酷的環境中生活，像是沼澤、硫磺溫泉、海底火山口。

3.        大約在35到30億年前，一個巨大的生物化學事件發生了，某些有機體發展出直接捕捉太陽能量的能力，並利用太陽能量來合成大型有機化合物。

4.        這可能是最早的光合作用photosynthesis，透過這個生物程序，陽光被轉換成化學能。太陽是理想的能量來源。每年太陽能量抵達地球表面巨大能量約等於燃燒8千6百萬噸的石油所釋放的能量。

5.        透過挖掘太陽能當新的能量來源，有機體擺脫它們原本仰賴的化學合成與從既有的有機體中獲取能量的謀生方式。從此以後，地球上的絕大多數的有機體是仰賴光合作用的有機體。

6.        原始的光合作用並沒有製造出「氧」這個副產品。但是30億年前左右，某些光合作用細胞發展新的能力：利用「水」進行光合作用，於是開始製造出氧這個副產品。

7.        氧對多數早期的有機體來說是有毒的，它有強大的負電性，喜歡從其他分子身上搶奪電子；氧在細胞內搶奪其他分子的電子，會干擾維繫生命的化學程序。

8.        然而，當大氣累積許多氧氣後，某些有機體演化出一系列的酵素催化反應，利用氧來釋放儲存在食物分子裡的能量。這個反應程序稱為有氧呼吸aerobic respiration，有氧呼吸已成為有機體從食物中抽取能量的主要機制。

9.        生物演化到最後，光合作用與有氧呼吸透過交換彼此的產物連結成一個循環體系。植物利用太陽能，以二氧化碳與水為原料，合成碳水化合物，並且釋放氧分子。

10.     大部分的有機體細胞需要能量時，會透過有氧呼吸作用將植物製造的碳水化合物打碎，釋放出二氧化碳與能量。

11.     光合作用，利用有氧呼吸製造出來的二氧化碳與水進行反應；有氧呼吸，利用光合作用製造出來的食物與氧進行反應。

12.     雖然地球上的生命體，在地球還沒有大量氧氣時就已經存在20億年左右，但是氧的出現，才是真正地促使地球各種生命繁衍興盛。

13.     今日地球的大氣層約有21％是氧氣，所有的氧氣都來自於光合作用。在生命體發展出大量的有氧呼吸之後，這些會進行呼吸作用的生物才成為地球上的優勢物種。

14.     現在所有的有機體直接或間接仰賴光合作用來滿足它們的能量需求。自營性生物autotrophs所指是有能力利用由光合作用自己製造食物的生物，它們利用光合作用將無機物質合成有機化合物食物。植物就是佔優勢的自營性生物。

15.     異營性生物heterotrophs必須從周遭環境取得有機養分，它們是間接地仰賴光合作用為生，因為它們的食物是自營性生物（能行光合作用）或吃自營性生物的異營性生物。因此光合作用是生物轉換能量的起點。

16.     光合作用有許多機制至今仍不十分清楚，但是最近三十年我們對光合作用過程錯綜複雜的化學反應路徑比較瞭解了。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》；圖片來源／Carbonpilgrim

釐清光合作用基本化學反應的早期實驗 Early Experiments Clarified the Basic Chemical Reactions of Photosynthesis

探索生命《生物學》49

1.        早在1772年，英國探險家Joseph Priestley提出綠色植物會吐出某種會影響燃燒或呼吸的東西。

2.        他做的實驗率先證明植物會製造氧氣，不過當時他並不知道植物是怎麼製造出來的，他也不知道光對植物製造氧氣的重要性。

圖說：Joseph Priestley將植物、動物放在密閉的玻璃罩，中間的圖顯示將植物單獨放在玻璃罩內，植物會活；左圖顯示將老鼠單獨放在玻璃罩內，老鼠會死；右圖顯示，將植物與老鼠一起放在玻璃罩內，植物與老鼠都會活，這是因為植物製造老鼠需要的氧氣，老鼠製造植物需要的二氧化碳。

3.        無論如何，他的發現是一個刺激，讓人類開始對植物如何製造出氧氣的過程感到興趣，這個過程稱為光合作用，並且引領了更進一步的發現。因為Priestley的關係，19世紀早期人類已經瞭解光合作用中的重要程序，摘要如下：

二氧化碳＋水＋陽光→綠色植物→有機物質＋氧

carbon dioxide＋water＋sunlight→green plant→organic material＋oxygen

4.        曾經有一段時間科學家以為氧氣是因為光合作用時切開二氧化碳分子，，但是現在我們知道，氧氣的來源是水分子被切開：

水＋陽光→綠色植物→4顆質子＋4顆電子＋氧氣

2H2O＋sunlight→green plant→4H⁺＋4electrons＋O2

5.        我們也發現，切開水分子所需的能量來自於陽光，植物用來攔截陽光的分子是葉綠素chlorophyll。切開水分子後產生的自由質子H⁺(氫原子核)用來將二氧化碳轉換成碳水化合物，並且形成新的水分子：

二氧化碳＋4顆質子＋4顆電子→綠色植物→碳水化合物＋水

CO2＋4H⁺＋4electrons→green plant→(CH2O)＋H2O

括弧內的CH2O代表各種碳水化合物。

6.        現在一般廣為接受的光合作用反應程序是：

1顆二氧化碳分子＋2顆水分子→綠色植物→
1個碳水化合物＋1顆新形成的水分子＋1顆氧分子

CO2＋2H2O→green plant→
(CH2O)＋H2O＋O2

7.        光合作用的其中一個產物是葡萄醣，葡萄醣是由6個碳組成的單醣，光合作用製造葡萄醣的過程摘要如下：

6顆二氧化碳分子＋12顆水分子→光與葉綠素反應製造出→
6顆氧分子＋1顆葡萄醣分子＋6顆新形成的水分子

6CO2＋12H2O→light, chlorophyll→6O2＋C6H12O6＋6H2O

在光合作用過程中，反應物與產物的位置都有水，顯示水是進行光合作用所需的原料，也是光合作用的產物。，

8.        光合作用製造葡萄醣摘要版的方程式看起來很單純，但實際過程並不是這麼簡單。光合作用由幾十種反應組成，有些反應需要光，稱為光反應light reactions，有些反應不需要光，稱為暗反應dark reactions。

光合作用涉及氧化還原反應 Photosynthesis Involves Linked Oxidation-Reduction Reaction

9.        光合作用的原料「二氧化碳」是低能量的化合物，而光合作用的產物「醣類」則是高能量的化合物。由此可見，光合作用不僅將光能轉換成化學能，也將光能儲存在它合成的醣裡面。

10.     用化學的說法，能量透過還原反應reduction程序儲存起來了，經由增加反應物1顆或更多的電子的方法將能量儲存在產物醣裡面。

11.     與還原反應相反的化學程序是氧化反應oxidation，這個反應程序是透過移除化合物一顆或更多顆的電子，釋放儲存在化合物中的能量。

12.     過去，氧化反應與還原反應是指化合物反應後增加了氧或移除了氧。現在氧化還原反應也指沒有氧參與其中、但是涉及電子轉移的反應。舉例來說，生物反應中電子轉移交換一個或多個氫原子，也屬於氧化還原反應。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》圖片來源／Nationalgeographic.com、Minnesotansforglobalwarming.com