單 元 回 顧

物質的構造與特性 有機化合物

物質的構造與特性

1. 化學鍵可依結合的方式區分為離子鍵、金屬鍵及共價鍵。

2. 化學鍵依結合的方式產生不同的種類，其鍵結所需要的能量皆不同，一般將離子鍵、金屬鍵及共價鍵視為強化學鍵。

3. 固體物質會因為粒子間作用力的不同而造成性質間的差異。

4. 因電子海中之電子可透過空價軌域而自由傳遞，使金屬可導電，故可依金屬導電程度可將金屬區分為導體、半導體及絕緣體。

5. 離子固體則是在標準狀態下時，固體本身因離子無法自由移動，故不可導電，但在熔融態及水溶液時，則可導電。

6. 網狀固體及分子固體皆不可導電，唯一例外為石墨，石墨為元素碳的同素異形體，其結構為平面網狀結構，具有共振結構因此電子可被傳遞。

7. 元素的鍵結量：

• A族元素的正常鍵結量：對ⅠA至ⅣA金屬原子常形成內層鈍氣，其正常鍵結量恰等於族數。ⅣA至ⅧA的非金屬原子則形成外層鈍氣，其正常鍵結量恰等於「8-族數」。
• A族元素形成穩定化合物時，各別原子需不少於正常鍵結量，且全部原子的總鍵結量需等於偶數。若不遵守則為不穩定化合物，如：CH3，NH2……。
• 八隅體學說：除 H、He 外，結鍵後多以完成八隅體為安定。即表示原子周圍有8個價電子與惰性氣體之電子組態一致，代表其化性較為穩定。

8. 電子雲係指電子出現之機率分率，而鍵結一般指電子雲重疊之部分。依電子雲重疊方式則可分為σ 鍵和π 鍵。

• σ 鍵：共用電子雲於核間軸方向發生重合。
• π 鍵：結鍵之電子雲不在核間軸發生重合，而為兩個p軌域平行重疊而形成。因此於核間軸上電子雲密度為零。
• 單鍵必為 σ 鍵，雙鍵為一個 σ 鍵加一個 π 鍵，參鍵為一個 σ 鍵加上兩個 π 鍵。

9. 週期表依原子的角動量量子數可分為 s、p、d、f 四區。若原子與原子產生結鍵則係指軌域產生重疊，則這些新產生之軌域為混成軌域。

10. 混成軌域是指中心原子與其他原子發生鍵結時，中心原子可由二種以上不同的原子軌域互相混合，形成總數不變的新軌域。混成為原子軌域之性質混合，能量順序：s、sp、、、p。

鍵結型態	混成軌域	鍵能	鍵長
單鍵
雙鍵
參鍵

11. 鍵角依分子形狀、未鍵結電子數、中心原子之大小、周圍原子之大小和電負度而改變，電子斥力和原子占的空間大小互相排擠是主要原因。同週期元素比電負度差，電負度差愈大，離子性愈強，鍵能愈大。

有機化合物

1. 有機化合物的定義：

• 早期指來自動物、植物等生命體的化合物。西元1828年烏勒（拉）從氰酸銨合成尿素，才修正其定義。
• 現今定義只要含有碳之化合物，皆為有機化合物，除了一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(CS2)、碳化鈣(CaC2)、氰酸鹽、氰化物、碳酸鹽等是視為無機化合物。
  

2. 官能基與同系物：

• 碳氫化合物的氫原子可被他種原子或原子團取代，這取代氫的原子或原子團稱為「官能基」。
• 同系物：官能基相同，但分子是彼此相差n個(CH2)者。
  

3. 鍵結原理：

• CnH2n2：飽和、鏈狀，既無雙鍵、參鍵，亦無環。
• CnH2n：較飽和鏈狀烴少2個H，必含1個雙鍵或1個環，如：C4H8、C6H12。
• CnH2n−2：較飽和鏈狀烴少4個H，必含1個參鍵、2個雙鍵、2個環、1個雙鍵和1個環，如：C4H6、C5H8。
• C6H5R：芳香烴至少比飽和環狀烴少8個H
• 其他：遇到鹵素均視同氫原子處理。
• 若C的數為n個，則最高H數之判定：
  ① 含X者：將X視為H，(H+X)的數目最多為(2n+2)個。
  →C4H7Cl3：必為飽和、鏈狀。
  →C7H12Br2：必含1雙鍵或1環。
  
  ② 含O、S者：最高氫數為(2n+2)個。
  →C2H6O2：必為飽和、鏈狀。
  →C4H8O2：必含1雙鍵或1環。
  
  ③ 含N、P者：最高氫數為（2n+2+N、P數目）個。
  →C3H7N：必含1雙鍵或1環。
  →C4H8N2：必含1參鍵或2雙鍵或2環或1雙1環。
  
  
• 偶數律：
  ① 奇數族之元素必含偶數個。
  
  ② 偶數族元素之數目不必考慮。如：C4H3Cl、C6H10O2S2N、C7H5Br2……均不能安定存在。
  
  ③ 判斷符不符合鍵結原理，考慮以下二點：A.偶數律2.H數可少不可多。
  

4. 烴可由結構及型態做細部的分類。

5. 命名方式：

• 俗名：碳數較少的烴類（總碳數在六以下），以正、異、新之系統做為其異構物的命名方式︰
  
  ①正(n-)：鏈狀結構、無支鏈之烷類，命名時在前面加上「正」。
  
  ②異(iso- 或 i- )：為一個分支（其中一個甲基(－CH3)接在第二個碳上成為支鏈）的異構物，以「異」加上總碳數之烷烴命名。
  
  ③新(neo)：有兩個分支的結構，指最新發現的異構物或第三個異構物，目前僅限於新戊烷(neo-pentane)與新己烷(neo-hexane)
  
  
• IUPAC命名法：亦為學名。由國際純粹暨應用化學聯合會，簡稱為IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)所規定
  
  ①烷烴(alkane)：分子中碳與碳間僅為單鍵結構，為飽和烴。
  
  a. 烷烴的最長直鏈若由十個以內的碳所組成，以天干數字命名，並於天干數字後加上「烷」；碳數若大於十，則用漢字數字命名。
  
  b.烷分子少一個氫原子時，此原子團稱為「烷基」，通常以R作為通用代號，常用的烷基
  
  c. 烷基依鍵結環境可區分為：
  
  d. 命名原則：
  ◆最長碳鏈為主鏈，主鏈需通過特性官能基。
  ◆主鏈上若有支鏈，則分別以甲基、乙基等順序標明取代基之種類及命名。（英文命名時，則以支鏈的英文名稱的第一個英文字母順序排序）。
  ◆若主鏈上有取代基，則以最接近取代基的一端開始編號，並以阿拉伯數字標示取代基的位置，阿拉伯數字與取代基名稱間以「-」分隔。
  ◆當分子中有數個碳數相同的取代基時，則應選取代基較多且取代基的碳數較少者為主鏈。若相同的取代基不只一個，則先以2、3、4等來標示位置、以二、三、四等表示數量，且阿拉伯數字間以「,」分隔。命名時，先寫小的取代基，再寫大的取代基（如：先寫甲基位置，再寫乙基位置，依此類推）。
  
  e. 環烷烴命名：
  ◆在主鏈命名前加上「環」字。
  ◆若於環上有取代基，則從有取代基的碳開始編號命名。環烷烴雖為單鍵但不可自由旋轉，故可能產生幾何（順反）異構物，當取代基位於碳－碳鍵的同側為「順式異構物」，當取代基位於碳－碳鍵的異側時則為「反式異構物」。
  ◆環己烷為非平面結構，其幾何異構物一般常見有椅型(chair)與船型(boat)兩種，椅型結構較船型結構穩定。
  
  ②烯烴(alkene)：分子內的碳碳間含有雙鍵，為不飽和烴。
  a. 與烷烴命名方式相似，以最長的碳鍵為主鏈，主鏈需通過烯烴之官能基（雙鍵），依主鏈之總碳數命名，並以最靠近雙鍵的碳為開端編號，若不止一個雙鍵則以二、三、四表示之。
  
  b.主鏈上若有支鏈，則分別以甲基、乙基等順序標明取代基之種類及命名。
  
  c. 環烯烴之命名則在主鏈命名前加上「環」字，命名時先考慮雙鍵位置，再考慮取代基位置。
  
  d. 烯烴因含有雙鍵，故無法自由旋轉，當雙鍵兩端分別接有取代基時，則有幾何（順反）異構物產生，當取代基位於雙鍵的同側為「順式異構物」，當取代基位於雙鍵的異側時則為「反式異構物」。
  
  ③炔烴(alkyne)：分子內的碳碳間含有叁鍵，為不飽和烴。
  a.命名基本上與烯烴相似，以最長的碳鍵為主鏈，且需通過炔烴之官能基，依主鏈之總碳數命名，如：乙炔(HC≡CH)、丙炔(HC≡CCH3)。
  
  b.炔烴為參鍵，故無幾何異構物。環炔烴於碳數少時並不存在，較常見為環戊炔。
  
  ④芳香烴(aromatic hydrocarbons)：
  a. 指具有未定域共振π電子的平面環狀化合物，且這些化合物具有相當的穩定性及有特殊氣味，故稱為芳香烴；一般係指分子中含有苯環結構者。
  
  b. 芳香烴及其衍生物的命名：
  ◆單取代基：苯環上的一個氫被一個取代基所取代。
  ◆雙取代基：苯環上的兩個氫分別被取代基所取代。依取代基的相關位置以鄰位(o)、間位(m)、對位(p)或以數字1,2、1,3、1,4表示。
  ◆多取代基：苯環上的多個氫分別被取代基所取代，一般以數字表示取代基的位置。
  ◆多苯環化合物，如：聯苯、多氯聯苯、戴奧辛，或兩個以上的苯環相併，如：萘。
  ◆多苯環衍生物：主要依取代基的編號命名。

6. 鹵烷(HX)：

• 純的鹵烴是無色的、不溶於水、沸點和密度都大於相對應的烴。
• 化學反應：脫除反應及取代反應（親核基取代）。

7. 醇(ROH)：

• 易與水產生氫鍵、分子具有明顯的極性、沸點較其他分子量相同的有機化合物高。
• 1º 醇可被氧化成醛或酸，2º 醇可被氧化成酮。3º 醇不可被氧化。

8. 酚：苯環上的氫被OH取代所成之化合物。

• 俗稱石炭酸，為弱酸性，但不能使石蕊試紙變紅。
• 由苯製酚：苯→鹵化→氯苯→取代中和→苯酚鈉→酸化→苯酚

9. 醚(ROR')：沸點較相對應分子量之醇為低，具有芳香味，極性小，不與水混合。

• 命名法：不依總碳數，而依官能基左右之烷基命名。
• 製備：醇類脫水或鹵烷之取代均可製醚。

10. 醛(RCHO)和酮(RCOR')：

• 分子具極性，但無分子間氫鍵，故分子量相近時，其沸點大小為：醇、醛、酮、醚、烴。
• 醛可與斐林、本氏、多侖試劑反應而氧化成酸，酮則否。

11. 羧酸(RCOOH)：

• 具有羧基，使得羧酸相較於醇類酸性與極性均較大、沸點高。
• 具有分子間氫鍵，常形成二聚體。亦可與水形成氫鍵，低分子量的羧酸可與水以任何比例互溶。

12. 酯(RCOOR')：

• 分子有極性，但無分子間氫鍵，沸點稍高於烴而低於醇及酸。
• 酯類具揮發性及水果香，常用於製造香料。

13. 胺(RNH2)：

• 可視為氨的衍生物，依氮上所接的烷基或芳香基的個數命名為第一胺、第二胺或第三胺。
• 具高級性，第一、第二胺具分子間氫鍵，故沸點高於烴。氫鍵強度不夠強，故沸點低於醇。
• 胺類具有特臭味。

14. 醯胺(RCONH2)：凡具有醯胺鍵結者均可視為醯胺類。

分類	示性式	結構式	官能基的結構	簡單例子
醇類	ROH		羥(槍)	CH3OH
醚類	ROR'		醚(醚)鍵	CH3OCH3
醛類	RCHO		醛(醛)基	CH3CHO
酮類	RCOR'		酮(酮)基	CH3COCH3
羧酸類	RCOOH		羧(縮)基	CH3COOH
酯類	RCOOR'		酯(酯)鍵	HCOOCH3
胺類	RNH2		胺(胺)基	CH3NH2
醯胺	RCONH2		醯(醯)胺鍵	CH3CONH2

15. 生物體內之有機物質：

• 醣類是碳、氫、氧化合物， 通式為Cn(H2O)m， 因此醣類又稱碳水化合物。例如： C6H12O6、C12H22O11，但亦有例外。如：C5H10O4。
• 蛋白質為天然的聚合物，由α−胺基酸聚合而成，具有酸性官能基及鹼性官能基。
• 甘油酯指脂肪及油類皆為由高級羧酸（脂肪酸）與丙三醇（甘油）酯化所形成的酯類。而不飽和脂肪酸的甘油酯能與碘起化學反應，每一百克油脂所能吸收碘的克數即油脂的碘價，由碘價能知油脂所含不飽和脂肪酸的程度。
• 核酸：分為核糖核酸(RNA)及去氧核糖核酸(DNA)兩類。並以核苷酸(nucleotide)為單體所組成的縮合聚合物。核苷酸單體中，含有五碳醣、含氮鹼基、磷酸等三個部分。