第二章 化學鍵結目次第二章 化學鍵結目次

第二章 化學鍵結

目次

2-1 　化學鍵的種類

科學報導　高溫超導體

2-2 　價鍵理論－共價鍵結中的軌域重疊 2-3 　鍵極性、鍵偶極及極性分子

趣味實驗　極性分子 2-4 　分子間作用力

科學家小傳 —— 凡得瓦

2-1 化學鍵的種類

• 1‧ 離子鍵

• 2‧ 金屬鍵

• 3‧ 共價鍵

除了惰性氣體之外，元素可簡分為金屬與非金屬兩大類

，金屬元素的原子傾向失去電子，非金屬元素的原子則 傾向得到電子。

通常金屬與非金屬結合的化學鍵為離子鍵；金屬與金屬 結合的化學鍵為金屬鍵；而非金屬與非金屬結合的化學 鍵則大多是共價鍵。

1‧ 離子鍵

• 離子鍵

• 晶格

• 晶格能

例子：氯化鉀（ KCl ）

K → K ^＋＋ e ^－

Cl ＋ e ^－→ Cl ^－

IA 族

VIIA 族

金屬易失去電子成為陽離子

非金屬元素易得到電子成為陰離子

鉀離子與氯離子可 藉由庫侖靜電引力 而形成化學鍵。

離子鍵離子鍵

K^＋ Cl

－

1‧ 離子鍵

離子鍵

• 簡式：離子化合物並無簡式 分子結構，通常以簡式 表其化學式。

• 不具方向性：氯化鉀晶不具方向性 體中每一個鉀離子周圍 均有 6 個氯離子，而每 一個氯離子的周圍亦有 六個鉀離子，因此，離 子鍵不具方向性。

K ^＋ Cl

－

< Attribution: Rob Lavinsky >

只有離子鍵的離子化合物

鹽類及金屬氧化物都是常見的離子化合物：

如 NaCl 、 MgCl₂ 和 Na₂O 、 MgO 等。

Na

Cl

離子鍵

Mg

Cl

Cl

離子鍵 離子鍵

具有離子鍵及共價鍵的離子化合物

• 實驗室常見的氫氧化鈉（ NaOH ）、氫 氧化鉀（ KOH ）及不含金屬元素的氯化 銨（ NH₄Cl ）亦屬於離子化合物。

• 其中 O － H 鍵與 N － H 鍵都是共價鍵。

[O － － H]

K

離子鍵 共價鍵

晶格

• 晶格：組成晶體內部的原子、離子或分子，在晶體 內部規律排列所組成的空間格子。

K ^＋

Cl ^－

吸引力 吸引力

Cl ^－

排斥力 排斥力

總靜電引力大於總靜電排斥力

晶格能

• 晶格能： 1 莫耳氣 體陽離子與 1 莫耳 氣體陰離子形成 1 莫耳離子化合物晶 體時所放出的能量

。

• 晶格能愈低，離子 晶體也就愈穩定。

晶格能的大小

• 依據庫侖靜電理論，晶格能的大 小與兩個離子間的距離成反比距離成反比，

而與兩個離子所帶電荷的乘積電荷的乘積成 正比。

r

2 1

Q

 Q

晶格能

晶格能的大小比較

• 電荷相同，但離子半徑愈小，晶格能愈大

。

• 離子半徑大約相同，電荷愈大，晶格能愈大。

晶格能大晶格能大

晶格能大晶格能大

常見離子化合物的晶格能

離子化合物 LiF LiCl LiBr LiI NaCl NaBr

晶格能

( kJ ／ mol ) 1017 860 787 732 788 736

NaI KCl KBr KI MgCl₂ Na₂O MgO 686 699 689 632 2527 2570 3890

Na 金屬

金屬晶體

電子海 Na⁺

2‧ 金屬鍵

1. 電子海：金屬價電子游動於金屬原子核（陽 離子）間的現象。

2. 金屬鍵：金屬中電子海的自由電子與原子核

（金屬陽離子）間的吸引力。

3. 金屬卻具有導電、導熱及良好的延性及展性 4. 金屬固體具有金屬光澤，高的熔點、沸點及

密度等物理性質。

金屬固體中的鍵結

• 金屬、非金屬和類金屬（或稱半金屬）的 顯著差異是導電能力的不同

• 固體帶論（ band theory of solid ）

價帶 傳導帶

金屬、半導體及絕緣體之能量差

價帶與傳導帶間能量差的大小不同

金屬、半導體及絕緣體之能帶關係

• 金屬導體中，價帶與傳導帶緊鄰價帶與傳導帶緊鄰靠在一起

，而形成一新的傳導帶。

• 絕緣體中，價帶與傳導帶之能量相差甚大能量相差甚大

，價電子甚難獲得足夠能量從價帶躍遷到 傳導帶而導電。

• 半導體的傳導性則介於導體與絕緣體之間

，導電性隨溫度之升高而增大導電性隨溫度之升高而增大，因價帶與 傳導帶之間的能量差較絕緣體微小，電子 可因加而從價帶躍遷到傳導帶。

3‧ 共價鍵

• 共價鍵是由相同或相異的兩個原子共同擁共價鍵 有價電子對所形成的化學鍵。

• 鍵結電子鍵結電子（ bonding electrons ）為兩原子 共用電子，以共價鍵結合的化合物稱為共 價化合物或分子化合物。

鍵結個數

單鍵 共用一個電子對 H － H 雙鍵 共用兩個電子對 O ＝ O 參鍵 共用三個電子對 N≡N

共價化合物可能具有單鍵、雙鍵或參鍵。

配位共價鍵

• 共價鍵的形成亦可僅由其中一個原子提供 共用的電子對 。

共價鍵中原子間的振動模型

張開張開 壓縮壓縮

鍵長鍵長

科學報導 －高溫超導體

• 通常金屬的導電能力隨度的升高而降低。

• 當金屬受熱受熱時，金屬原子核的振動原子核的振動增加，阻礙了價 電子的流動速度。

• 當金屬冷卻近絕對零度近絕對零度（ 0 K ）時，金屬原子核幾 乎停止不動，此時價電子可以在毫無阻礙的狀態下毫無阻礙 流動，達成無電阻狀態，我們稱此度為該金屬的超超 導轉變度導轉變度（ superconducting transition temperature ）。

• 純金屬水銀水銀（ Hg ）在液態氦的溫度範圍具有無電 阻之超導現象。

• 已知其他金屬的超導溫度其他金屬的超導溫度：鈮（ Nb ）為 9.17 K ， 而鉛為 7.23 K 。為了使這些金屬達到超導現象，

我們需用昂貴的液態氦（沸點 4 K ）作為冷卻劑。

• 目前已發現的高超導材枓 La-Ba-Cu-OLa-Ba-Cu-O ，約在 35 K 便具有超導性，而 Y-Ba-Cu-OY-Ba-Cu-O 的超導材料，約 在 90 K 具有超導性。超導材料的另一特性是當溫 度低於超導度時，超導材料會出現反磁性， 而使 超導材料上方的磁鐵可以浮起來。

磁浮列車 磁鐵浮於超導體上

科學報導 －高溫超導體

2-2 　價鍵理論－

共價鍵結中的軌域重疊

• 路易斯結構是描述元素形成鍵結時，會以路易斯結構 共用電子或得失電子方式達到鈍氣電子組 態，而形成穩定的化合物。

• 價鍵理論是利用原子中價殼層電子軌域重價鍵理論 疊來解析共價鍵結中電子密度的分布情形

，此理論可以提供一個定性且較清楚的鍵提供一個定性且較清楚的鍵 結情形及分子空間結構

結情形及分子空間結構。

1‧ 單鍵

＋

σ

兩軌域間頭與頭頭與頭重疊產生的鍵結，具有核 間軸周圍電子密度對稱分布的特性。

核間軸

核間軸

核間軸

定義：化學鍵中兩原子之間原子核的連線

s-s 軌域重疊：氫分子的鍵 結

1s 1s

→

p-p 軌域重疊：氯分子的鍵結

＋

→

3p 3p

s-p 軌域重疊：異核雙原子分子

＋ →

1s 3p

例題 2-1

• 試舉出一個由 1s 軌域和 2p 軌域結合而 成的分子。

HF ，

是由 H 的 1s 軌域和 F 的 2p 軌域結合而成。

＋ →

1s 2p

2‧ 混成軌域與分子形狀

• 分子形狀

• 混成軌域

• sp³ 混成軌域例子：甲烷

• sp² 混成軌域例子： BF₃

• sp 混成軌域例子： BeCl₂

分子形狀：

H₂O

O － H

1s¹ 1s² 2s² 2p⁴

1s 兩個半滿 2p

結合

p 軌域互相垂直，

可推測兩個 O － H 鍵應呈直

角 O － H

H－^{90 。}

×

實際上 O － H 鍵的夾角卻是 104.5° ，

接近四面體的夾角（ 109.5° ）

分子形狀： NH₃

N － H

1s¹ 1s² 2s² 2p³

1s 三個半滿 2p

結合

實際上 N － H 鍵的夾角卻是 107°

，

接近四面體的夾角（ 109.5° ）

p_x,p_y,p_z 軌域互相垂直，

可推測三個 N － H 鍵應呈直 角 ^H

×

分子形狀： CH₄

C － H

1s¹ 1s² 2s² 2p²

1s 2s 與三個 2p

結合

p_x,p_y,p_z 軌域互相垂直，

可推測三個 C － H 鍵應呈直 角 ^H

×

實際上甲烷分子的四個 C － H 鍵

（包括鍵長與鍵角）卻完全相同，

為正四面體結構。

混成軌域

• 為了能夠解釋多原子分子的鍵結與結構，

科學家提出混成的概念，中心原子的價軌 域可先調整結合而得混成軌域，然後再與 欲鍵結的原子軌域（或混成軌域）結合。

1.1. 混成：未與欲鍵結的軌域重疊前，中心原混成 子的數個價軌域事先結合的過程。

2.2. 混成軌域：由數個價軌域經混成而得的軌混成軌域 域。如一個 s 軌域與三個 p 軌域可混成而 得四個 sp³ 混成軌域。

sp³ 混成軌域例子：甲烷

共 4 個 sp³

正四面體正四面體

鍵角

孤電子對的擠壓孤電子對的擠壓

夾角小於夾角小於 109.5°109.5°

正四面體正四面體

例題 2-2

• 水分子的中心氧原子亦先形成四個 sp³ 混成 軌域，試問氧的價電子如何分配在四個混 成軌域上？

氧有六個價電子，其中四個配成兩個孤電子對

，每對占一個 sp³ 混成軌域，而剩下的兩個電 子分別占一個 sp³ 混成軌域。

sp² 混成軌域例子： BF₃

平面三角形 平面三角形

夾角為夾角為 120°120°

sp 混成軌域例子： BeCl₂

3‧ 雙鍵

1.1. 雙鍵雙鍵：由一個 一個 σσ 鍵及一個鍵及一個 ππ鍵組成的鍵鍵 結，兩原子間共用四個電子。

2.2. ππ鍵鍵：由兩個平行的 兩個平行的 pp 軌域重疊而得的軌域 鍵結，其核間軸上的電子密度為零（或由 兩個 p 軌域側邊重疊所形成的鍵）。

例子：乙烯

σσ

ππ

4‧ 參鍵

• 參鍵：由一個 σ 鍵及兩個 π鍵組成的鍵結，

兩原子間共用六個電子。

• 例子：乙炔（俗稱電石氣，分子式為 C₂H₂ ）

共價鍵鍵長與鍵能間的關係

• 同族元素的共價鍵中，當鍵長愈短時，其共價鍵鍵能鍵長愈短時，其共價鍵鍵能 愈大。例如：碳－鹵素愈大

　鍵長： C － I ＞ C － Br ＞ C － Cl ＞ C － F 　鍵能： C － I ＜ C － Br ＜ C － Cl ＜ C － F

• 分子化合物中二個原子間的鍵結數稱為鍵級數鍵級數，共價 鍵中單鍵的鍵級數皆為 1 ，雙鍵為 2 ，參鍵為 3 。

• 相同原子鍵結而形成分的子中，鍵級數較高的分子，鍵級數較高的分子，

鍵長較短。例如：碳－碳的鍵長鍵長較短

C≡C(120pm) ＜ C ＝ C(133pm) ＜ C － C(154 pm)

常見的共價鍵鍵長（ r₀ ， pm ）與鍵能（ D₀ ， kJ ／ mol ）

單鍵 r₀ D₀ 單鍵 r₀ D₀ 單鍵 r₀ D₀ 單鍵 r₀ D₀

H － O ^{96 463} C － H ^{109 413} N － H ^{101 391} F － F ^{142 155} H － F ^{92 567} C － C ^{154 348} N － N ^{145 163} Cl －

Cl ^{199 242} H －

Cl ^{127 431} C － N ^{147 293} N － O ^{136 201} Br －

Br ^{228 193} H －

Br ^{141 366} C － O ^{143 358} N － F ^{134 272} I － I ^{267 151} H － I ^{161 299} C － F ^{135 485} N －

Cl ^{175 200} Si －

Si ^{235 226} H － P ^{142 320} C － Cl ^{177 328} N －

Br ^{184 243} Si － C ^{185 301} H － Si ^{148 323} C －

Br ^{194 276} Si － O ^{166 368}

多鍵 r₀ D₀ 多鍵 r₀ D₀ 多鍵 r₀ D₀ 多鍵 r₀ D₀

C ＝ C ^{133 614} C ＝ N ^{138 615} C ＝ O ^{130 799} N≡N 110 941

C≡C 120 839 C≡N 116 891 N ＝ N ^{122 418} O ＝ O ^{121 495}

例題 2-3

• 試依鍵長的長短排列 C － O 、 C ＝ O 及 C≡O 。

鍵長： C － O ＞ C ＝ O ＞ C≡O 相同原子鍵結而形成分的子中，鍵 級數較高的分子，鍵長較短。

直線 平面三角形 正四面體

5‧ 價殼層電子對互斥模型

• 價殼層電子對互斥模型價殼層電子對互斥模型（ valence shell electron pair repulsion model ，簡稱為 VSEPR ）：分子或 離子的幾何形狀主要決定於中心原子周圍電子對的 相互排斥。

• 以氣球的推擠狀況說明 VSEPR 模型

例子： NH₃

1. NH₃ 的電子對圖形是正四面體，理論上 H － N

－ H 的夾角是 109.5° ，實驗證實氨分子中的 HH

－－ NN －－ HH 只有只有 107°107° 。

2. 孤電子對所占的體積較鍵結電子對大，因此氮 上的孤電子對會壓擠孤電子對會壓擠 H － N － H 鍵使其略小於 109.5° 。

例：臭氧及氫氰酸

臭氧臭氧

氫氰酸

參與混成的

軌域數目 混成軌

域種類 混成軌域形狀 代表性分子或離子

2 （ s,p ） 兩個

sp 直線

直線形﹕ CO₂、 BeCl₂

3 （ s,p,p ） 三個 sp²

平面三角形

平面三角形﹕ BF₃、 SO₃、 NO₃^－ 彎曲形﹕ O₃、 SO₂、 NO₂^－

4 （ s,p,p, p ）

四個 sp³

正四面體

正四面體形﹕ CH₄、 CCl₄、 NH₄

＋、 SO₄^{2 －}

角錐形﹕ NH₃、 SO₃^{2 －}、 ClO₃^－ 彎曲形﹕ H₂O 、 H₂S 、 ClO₂^－

s 與 p 的軌域數目及形成的分子形 狀

6‧ 共振

• 共振：路易斯電子結構中由於電子的轉移 而形成的不相同結構，這些結構彼此互稱 為共振結構。

• 例子： CO₃₂ ^－

共振結構 共振混成體

虛線：不斷移 虛線：不斷移 動位置的電子 動位置的電子

3 鍵 11

電子雲密度電腦模擬圖

例子：苯

共振結構：

共振混成體

共振混成體 電子雲密度電腦模擬圖電子雲密度電腦模擬圖

共振結構與共振混成體敘述如下：

1.1. 共振結構是虛構的，正確的結構是所有共振結構共振結構是虛構的 的共振混成體。

2. 不同共振結構來自於 ππ電子或未鍵結電子對的配電子或未鍵結電子對的配 置不同。置不同

3. 共振結構應遵循共價鍵結的一般法則，即原子盡盡 可能滿足八隅體

可能滿足八隅體。

4. 將電荷平均在兩個或兩個以上的原子具有穩定作穩定作 用。值得一提的是分子或離子以共振混成結構存用 在的好處是其總能量比任何一個共振結構式都低

。

例題 2-4

• 已知 SO₄₂^－的結構式如右，試 依此推測有幾種共振結構？

2-3 鍵極性、鍵偶極 及極性分子

1‧ 共價鍵極性

2‧ 分子的形狀與分子的極性 趣味實驗：極性分子

1‧ 共價鍵極性

非極性共價鍵 極性共價鍵 共價鍵中，共用電子

的平均位置在核間軸 的中間。

因兩原子共用電子的 拉力不同而呈現極性 的共價鍵稱之。

H₂、 O₂、 N₂及 Cl₂

…

HCl ….

HCl 的極性共價鍵

電負度 H ： 2.0 電負度 Cl ： 3.0 ClCl 的吸電子能力大於的吸電子能力大於 H H

鍵偶極（鍵偶極（ bond dipolebond dipole ） ）

鍵偶極

• 鍵偶極的大小通常用偶極矩（鍵偶極的大小 dipole

moment ）表示，以 μ 為代號，單位為狄拜

（ Debye ，簡寫為 D ）。

• 偶極矩（偶極矩（ μμ ）等於兩帶電體帶電量乘以兩帶） 電體的距離。偶極矩為一向量，其方向由正 電荷指向負電荷，常以（ ）符號表示。

• 化學鍵的偶極矩愈大表示鍵極性愈強，如化學鍵的偶極矩愈大表示鍵極性愈強 HF 與 HCl ，其偶極矩分別為 1.90 D 及 1.04 D ，因此 HF 的鍵極性比 HCl 強。

H₂O 及 NH₃ 的極性共價鍵

μ ＝ 1.80 D μ ＝ 1.42 D

2‧ 分子的形狀與分子的極性

• 極性分子：具極性鍵的分子其各鍵偶極向量極性分子 總和不為零。

• 非極性分子：鍵偶極向量總和為零的分子。非極性分子

極性分子

• HCl 的氫－氯鍵為極性共價鍵，具有鍵偶極

，所以 HCl 為極性分子 (polar molecule) 。

各鍵偶極向量總和不為零，故均為極性分子

非極性分子

• H₂ 、 O2 、 N2 等分子，均為非極性共價鍵，

沒有鍵偶極，故分子為非極性分子。

• 具極性共價鍵的分子卻不是極性分子，例如 CO₂ 、 CCl4

極性共價鍵 極性共價鍵

直線形直線形

電偶極向量互相抵消

電偶極向量互相抵消 非極性分子非極性分子

極性共價鍵 極性共價鍵

正四面體 正四面體

分子的形狀與分子的極性

例題 2-5

• 試畫出 BF₃ 的路易斯結構，畫出每個鍵偶 極，並預測 BF₃ 是否為極性分子。

平面三角形 平面三角形

 電偶極向量互相抵電偶極向量互相抵 消消

 非極性分子非極性分子

趣味實驗：極性分子

水為極性分子

非極性分子（正己烷）

無偏折無偏折

帶靜電的塑膠棒 帶靜電的塑膠棒

水束水束

極性分子（水）

2- 4 分子間作用力

• 分子與分子間的作用力簡稱為分子間作用力，

分子間作用力微弱，遠小於共價鍵、離子鍵及 分子間作用力微弱，遠小於共價鍵、離子鍵及

金屬鍵等化學鍵

金屬鍵等化學鍵，通常分子間的作用力愈大，

分子物質的熔點、沸點也愈高。

• 分子間作用力可分為凡得瓦力凡得瓦力（ van der Waals‘ forces ）及氫鍵氫鍵。

• 凡得瓦力：包括偶極－偶極力、偶極－誘導偶偶極－偶極力、偶極－誘導偶 極力以及分散力

極力以及分散力等。為紀念凡得瓦而名之。

分子間作用力的能量

• 氫鍵的強度比分子內的化學鍵弱了很多，氫鍵 鍵結能量約在 55 ～～ 40 kJ / mol40 kJ / mol 之間，通常

發生於分子中氫原子與電負度高的原子如 發生於分子中氫原子與電負度高的原子如 FF

、、 OO 或或 NN 之間，如之間 HF 、 H2O 及 NH3 等分 子間均存在著氫鍵。

• 凡得瓦力則更小，一般僅發生於具極性的凡得瓦力 液體或固體分子之間，能量往往小於小於 10 kJ 10 kJ

/ mol

/ mol 。非極性分子或原子之間可因極化作

用產生更弱的作用力。

1‧ 偶極－偶極力

• 極性分子的偶極與另一極性分子的偶極靠 近時所產生的作用力。

• 氯化氫具有偶極－偶極力， δ ＋、 δ －分 別代表部分正電和部分負電。

偶極－偶極力的大小比較

• 分子的偶極矩愈大，分子間的偶極－偶極偶極矩愈大，分子間的偶極－偶極 力就愈強力就愈強

• 丙酮具有偶極－偶極吸引力，因此沸點比 分子量相近的異丁烷高出很多。

2‧偶極－誘導偶極力

• 極性分子靠近非極性分子時，極性分子的偶極與 非極性分子的誘導偶極之間的作用力。

• 當非極性的氧分子溶入水中，氧分子和水分子互 相靠近時，氧分子的左側受極性的水分子的影響 而產生誘導偶極，

誘導偶極

誘導偶極 ^{極性的水分子使非極性}

的氧分子產生誘發偶極

3‧ 分散力

• 因分子瞬間產生的偶極分子瞬間產生的偶極而造成的吸引力。

• 由於電子不停地運動，即使是非極性分子，在某 一瞬間電子雲也可能會產生不對稱的分布，這種 瞬間微弱偶極造成的分子間作用力，稱為分散力

產生瞬間偶極

產生瞬間偶極 產生誘導偶極 產生誘導偶極

惰性氣體及一些直鏈烷類的沸點

惰性氣體惰性氣體 原子量原子量 沸點（℃）沸點（℃） 直鏈烷類直鏈烷類 分子量分子量 沸點（℃）沸點（℃）

He 4.0 －

268.9 CH₄ 16.0 －

161.6 Ne 20.0 －

245.9 C₂H₆ 30.1 － 89.0 Ar 40.0 －

185.7 C₃H₈ 44.1 － 42.1 Kr 83.8 －

152.9 C₄H₁₀ 58.1 － 0.5 Xe 131.3 －

107.1 C₅H₁₂ 72.2 36.1

影響分散力因素：接觸面積

• 分子量相同或接近的分子，其分散力與分分散力與分 子的形狀有關

子的形狀有關，若分子間的接觸面積愈大接觸面積愈大

，則引力愈大

，則引力愈大。

例題 2-6

• 已知順 1,2- 二氯乙烯及反 1,2- 二氯乙烯的 沸點分別為 60 ℃ 及 48 ℃ ，試由此二分 子極性的不同解釋沸點的差異。

順 1,2- 二氯乙烯為極性分子，分子 間作用力除了除分散力之外，也具有 偶極－偶極力，因此沸點會高於非極 性的反 1,2- 二氯乙烯。

4‧ 氫鍵

• 氫鍵：氫原子連接於電負度較大的原子 氫鍵：氫原子連接於電負度較大的原子 ( ( 如如 FF 、、 OO 、、 N )N )

，則會與另一個

，則會與另一個 FF 、、 OO 、、 N N 原子產生吸引力。原子產生吸引力。

• 常見例子：水、氟化氫（ HF ）及氨（ NH₃）。

• 氮的電負度小於氧，故氫鍵的強度不及水，因此氨的沸點 也低於水。

氫鍵的特性

1. 氫鍵雖可視為偶極－偶極力的一種，但有 時兼具離子鍵、共價鍵及凡得瓦力兼具離子鍵、共價鍵及凡得瓦力的部分 特性 。

2. 氫鍵對化 合物的沸沸 點影響甚點 大

3. 化合物在水中的溶解度溶解度亦與兩者間是否形 成氫鍵有關

例子：

乙醇（ C₂H₅OH ）因為與水分子形成氫鍵，所 以易溶於水。

無法與水分子形成氫鍵的乙烷（ C₂H₆ ）則難溶 於水。

氫鍵的特性

• 氫鍵在生物 體中亦扮演 重要的角色

，如蛋白質 的 α-α- 螺旋螺旋 是因分子內 氫鍵而形成

氫鍵的例子：蛋白質

分子內氫鍵

• 定義：氫鍵出現於同一分子同一分子內 。

• 例子：柳醛或順丁烯二酸 。

柳醛 順丁烯二酸

各種物質類型及其原子或分子間的作用力

物質類型物質類型 實例實例 作用力作用力

共價網狀固體 石墨

（ C ）

同層相鄰原子間：共價鍵 不同層之間：凡得瓦力 金屬 鋁（ Al ） 金屬鍵

離子固體 氯化鈉

（ NaCl ）

離子鍵 分子物質

（極性且有氫鍵

）

氟化氫

（ HF ）

分子內相鄰原子間：共價鍵

分子間：氫鍵、偶極－偶極力、分散力

分子物質

（極性）

氯化溴

（ BrCl ）

分子內相鄰原子間：共價鍵

分子間：偶極－偶極力、分散力 分子氣體

（非極性）

氟氣

（ F₂）

分子內相鄰原子間：共價鍵 分子間：分散力

5‧ 分子間作用力與物質間溶解度的關係

• 分子物質間的溶解度大小，大抵可用「極極 性相似者互相溶解

性相似者互相溶解」的原則加以判斷，即 極性物質易溶於極性溶劑中，而非極性物 質易溶於非極性溶劑中。

• 如甘油和葡萄糖均不溶於非極性溶劑四氯 化碳或甲苯中。而非極性分子如碘和甲苯

，都難溶於水。

極性物質易溶於極性溶劑

• 極性的丙酮與水間的互溶性不僅是因偶極－偶極－

偶極作用力

偶極作用力，其主要來自分子間氫鍵的作用 力。

• 碳數少的醇或酸等有機化合物如甲醇、乙醇

、甲酸及乙酸等亦能以任意比例與水混合。

這些物質能與水分子互溶主要的作用力除了 氫鍵外，亦來自偶極－偶極作用力。

• 蔗糖（ C₁₂H₂₂O₁₁ ）具有極性的羥基（－ OH

），亦為極性分子易溶於水的實例。

非極性物質可溶於非極性溶劑

• 非極性物質則可溶於非極性溶劑中。

• 有機化合物如極性小的正己烷可與非極性 的四氯化碳互溶，主要是由於分子與分子 之間的分散力分散力。

非極性分子微溶於極性液體

• 某些非極性氣體如 H₂ 、 O2 和 N2 等分子微 溶於極性液體（如少量的 O₂ 溶於水）。

• 這些溶質與溶劑間的作用力除了分子與分 子間的分散力分散力外，亦有偶極－誘導偶極偶極－誘導偶極作 用力。

離子化合物溶於水

• 離子化合物如氯化鈉可經由離子－偶極作用力離子－偶極作用力 而溶於水中。

• 當氯化鈉晶體在水中時，水分子的偶極作用力 會破壞氯化鈉的晶格，隨後帶正電荷的鈉離子 與帶負電荷的氯離子會分別被極性的水分子以 偶極作用力包圍而溶解，形成水合離子 。

例題 2-7

(1) 為何順丁烯二酸加熱至約 131 ℃ 左右即 開始熔化並分解，而反丁烯二酸的熔點卻 在 287 ℃ 左右？

由於順丁烯二酸會形成分子內的氫鍵順丁烯二酸會形成分子內的氫鍵，而較 不易形成分子間的氫鍵。反丁烯二酸的分子反丁烯二酸的分子

間氫鍵數量多於順丁烯二酸

間氫鍵數量多於順丁烯二酸，分子形狀的對 稱性也較高，故熔點也較高。

順丁烯二酸　　　　　　反丁烯二酸

(2) 為何 1,4- 苯二酚（又稱對苯二酚）的熔 點（ 287 ℃ ）會比 1,2- 苯二酚（又稱鄰 苯二酚）的熔點（ 105 ℃ ）高？

由於 1,2-1,2- 苯二酚會形成分子內氫鍵而較不易形成苯二酚會形成分子內氫鍵 分子間的氫鍵。 1,4-1,4- 苯二酚的分子間氫鍵數量多苯二酚的分子間氫鍵數量多 於於 1,2-1,2- 苯二酚，分子形狀的對稱性也較高，故熔苯二酚 點也較高。

1,2- 苯二酚 1,4- 苯二酚

例題 2-7

科學家小傳：凡得瓦

• 1837 年凡得瓦生於荷蘭的來頓。凡得瓦苦學出生，曾任 小學教師、中學教師、阿姆斯特丹城市大學教授及大學校 長等職。

• 凡得瓦在熱力學領域中，主要研究氣體和液體冷凝的現象

。在動力學領域中，凡得瓦考慮了真實氣體具有分子體積 和分子間引力等現象，從而將理想氣體方程式加以修正，

而建立了真實氣體方程式真實氣體方程式，此方程式又稱為凡得瓦方程式

。

• 以凡得瓦的名字命名的專有名詞除了凡得瓦力及凡得瓦方凡得瓦力及凡得瓦方 程式外，尚有凡得瓦分子

程式外，尚有凡得瓦分子（即以凡得瓦力或氫鍵聚集而成 的兩個或兩個以上的聚集物）。凡得瓦因對氣體和液體狀 態所作的貢獻於 1910 年獲得諾貝爾物理獎。

學習概念圖 - 化學鍵的種類與分子間作用 力

學習概念圖－混成軌域與分子形狀的關係

學習概念圖－分子極性

The end