第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

有機化學 第一章

本資料僅供修習本課程輔助教學使用，不可作為其他

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第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

„ 1.1 原子結構

„ 1.21.2 原子結構：電子組態原子結構 電子組態

„ 1.3 化學鍵結理論的演進

„ 1.4 化學鍵的本質

„ 1.5 共價鍵的形成：價鍵理論

„ 1.6 sp³混成軌域與甲烷的結構

„ 1.7 sp³混成軌域與乙烷的結構

„ 1.8 其他種類的混成軌域：sp²與 sp

„ 1 9 極性共價鍵：陰電性

„ 1.9 極性共價鍵：陰電性

„ 1.10 酸與鹼：布忍斯特－羅里定義

„ 1.11 有機酸與有機鹼

„ 1.12 酸與鹼：路易士定義

„

有機化學 （organic chemistry） 這個名詞是根據在 1700 年代後期，當時被使用於意指發現於活體組織中 1700 年代後期 當時被使用於意指發現於活體組織中 化合物的化學，在那時化學被了解得很少及分離自植 物與動物的「有機」（organic）物質似乎與來自礦物 之「無機」（inorganic）物質有所不同。

„

於1800 年代中期，清楚地知道有機化合物與無機化合 物之間並沒有基礎的不同。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

物之間並沒有基礎的不同。

„

唯一可分辨的特性是所有有機化合物均含有碳元素

（element carbon）（圖 1.1）。

p.1

圖 1.1 碳在週期表內的位置。其他有機化合物常見 之元素，則利用顏色顯示它們。

„

由於碳在週期表中為4A 元素，因此碳原子可以分 享四個價電子，形成四個強的共價鍵，同時，碳原 享四個價電子 形成四個強的共價鍵 同時 碳原 子可與其他碳鍵結形成長鏈或環。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.2

1.1 原子結構

„

一個原子由一個緊密且帶正電荷的原子核（nucleus）

和電子（electrons）組成，帶負電荷的電子以相當大 和電子（electrons）組成 帶負電荷的電子以相當大 的距離圍繞在原子核外（圖 1.2）。

„

原子核由電中性的中子（neutrons）和帶正電荷的質子

（protons）所組成。因為原子為完全的中性，因此原 子核內帶正電質子數與圍繞在外面帶負電荷的電子數 相同。

相同。

„

原子核相當小（直徑約 10^－14～10^－15 m ），但卻帶有 幾乎所有原子之質量。

圖 1.2 原子的概念圖。高密度、帶正電的原子核占有絕大 部分的質量，且被帶負電荷的電子所圍繞。右邊為 原子表面電子 – 密度之三度空間圖，靠近原子核 其電子密度穩定的增加，藍色實體表面為灰色網狀 表面的 40 倍。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.2

„

一原子由原子序（atomic number；Z）─原子核中 的質子數及質量數（mass number；A）─原子核中 的質子數及質量數（mass number；A） 原子核中 的質子數加中子數來描述。

„

原子含有相同原子序但不同質量數稱為同位素

（isotopes）。

一個元素所含天然存在的同位素的平均質量單位

„

一個元素所含天然存在的同位素的平均質量單位

（amu），稱為原子量（atomic mass；atomic weight）。

„

一個軌域可以想像成是原子核四周有可能會有電子 會出現的空間區域。

會出現的空間區域

„

軌域之形狀為何？共有四種不同的軌域形狀，分別 是 s、p、d 及 f。其中我們較關心 s 及 p 軌域，因 為它們在有機化學中最常見。

軌域為球形 核位於球心 而 軌域則為啞鈴形

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

„

s 軌域為球形，核位於球心；而 p 軌域則為啞鈴形，

有三個不同互相垂直方向的

p

軌域，它們分別為

p

_x、

p

_y 及

p

_z（圖1.3）。

P

軌域的兩個葉片由電子 密度稱為節點（node）分為兩個不同記號（＋ 與－） 的葉片。

p.3

圖 1.3 s 及 p 軌域之描述圖。s 軌域是球形，p 軌域是啞 鈴形，有三個不同互相垂直的方向。每個 p 軌域由 節點區分成兩個葉片，兩個葉片有不同的數學記號 以不同顏色顯示。

„

軌域限制在不同層或電子殼層（electron shell）內，

不同殼層含有不同的軌域數目及種類，而且每一個 不同殼層含有不同的軌域數目及種類 而且每一個 軌域由兩個電子占據。第一殼層只含有一個 1

s

軌 域，因此含有兩個電子；第二殼層含有一個2

s

軌域 及三個 2

p

軌域，因此共有 8 個電子。第三殼層則 含有一個3

s

軌域、三個 3

p

軌域及五個 3

d

軌域，

因此共有 18 個電子。這些軌域群示於圖 1.4。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.4

圖 1.4 原子內的電子能階圖。第一殼層最多有兩個電子在 1s 軌域中；第二殼層共有 8 個電子在一個 2s軌域 及三個2p 軌域；第三殼層有 18 個電子位於一個

3s 軌域、三個 3p 軌域及五個 3d 軌域，依此類推

。每個軌域的兩個電子以上下箭頭（↑↓）表示，

。每個軌域的兩個電子以上下箭頭（↑↓）表示，

雖然圖中未標示4s 軌域之能階，其實它落在 3p 及 3d 軌域之間。

1.2 原子結構：電子組態

„

基態電子組態（ground-state electron configuration）

是指原子中電子軌域的最低能量的排列狀態，可依以 下三個法則來決定排列狀態：

„

法則1：首先由最低能量的軌域填起，依循 1s → 2s

→2p → 3s → 3p → 4s → 3d 的軌域順序，如圖1.4所示。

„

法則2：一個軌域僅能填兩個電子，且它們必須具有相 反的自旋方向。（電子的自旋可想成是地球的自轉方 式。此種自旋有兩個位向：↑代表向上，↓代表向 下。）

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

下。）

„

法則3 ：若有兩個或更多具有相等能量的空軌域可使 用時，每一個電子會占據與自旋方向平行的軌域上，

直到所有的軌域都半填滿為止。

p.4

表 1.1

1.2 原子結構：電子組態

„

基態電子組態（ground-state electron configuration）

是指原子中電子軌域的最低能量的排列狀態，可依以 下三個法則來決定排列狀態：

„

法則1：首先由最低能量的軌域填起，依循 1s → 2s

→2p → 3s → 3p → 4s → 3d 的軌域順序，如圖1.4所示。

„

法則2：一個軌域僅能填兩個電子，且它們必須具有相 反的自旋方向。（電子的自旋可想成是地球的自轉方 式。此種自旋有兩個位向：↑代表向上，↓代表向 下。）

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

下。）

„

法則3 ：若有兩個或更多具有相等能量的空軌域可使 用時，每一個電子會占據與自旋方向平行的軌域上，

直到所有的軌域都半填滿為止。

p.5

練習題1.1 排出元素的電子組態

請寫出氮的基態電子組態。

方法 首先找出氮的原子序，看看氮有多少個電子，並 依上述三個法則，依照圖1.4 之方式將電子安排至 軌域中。

解答 氮的原子序為7，因此氮含有 7 個電子。首先的兩 個電子進入最低能量的軌域（1 ²） 接著兩個電 個電子進入最低能量的軌域（1s²），接著兩個電 子進入第二低能量軌域（2s²），而剩下三個電子 進入下一個最低能量的軌域（2p³），三個電子各 填入一個軌域中，因此氮的電子組態為1s²2s²2p³。

1.3 化學鍵結理論的演進

„

碳原子四面體示於圖 1.5。在此請注意傳統表達三維結 構的方式：實線表示和紙平面在同一個平面上的鍵結；

粗楔形線表示是離開紙平面而指向讀者的鍵結；虛線 則代表遠離讀者而進入紙平面的鍵結，本書將以這種 方式來展現。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.6

圖 1.5 碳原子 Van’t Hoff’s 四面體示意圖。實線在紙平面 上；粗楔形線表示離開紙平面；而虛線表示進入紙平 面。

1.4 化學鍵的本質

„

為什麼原子會相互鍵結？如何來描述鍵結？第一個問題 的答案很簡單：原子會鍵結是因為經過鍵結形成的化合 物比個別原子分開時更為安定（具有較低的能量）。

„

最外殼層或價殼層（valence shell）中的八個電子（電子 八隅體），給予 8A 族中的惰性氣體元素特別的穩定性：

氖（2＋8）；氬（2 ＋ 8 ＋ 8）；氪（2 ＋ 8 ＋ 18 ＋ 8）。我們也知道許多主要族群元素的化學性質是由它 們的電子排列傾向於惰性氣體電子組態的這種趨勢所控

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

們的電子排列傾向於惰性氣體電子組態的這種趨勢所控 制。例如：1A 族的鹼金屬會藉由失去其外殼層中的單一 s 電子，而形成具有惰性氣體組態之陽離子，而 7A 鹵 素族則會藉由得到一個電子而形成具有惰性氣體組態之 陰離子。這種在化合物內藉由靜電互相吸引的離子。

稱為離子鍵（ionic bond）。

p.6

„

碳與其他原子的鍵結，並非藉由失去或得到電子，

而是藉由電子的共用。這種共用電子的鍵結，稱為 而是藉由電子的共用 這種共用電子的鍵結 稱為 共價鍵（covalent bond）。

„

這種利用共價鍵使原子結合而形成的中性結合體，

稱為分子（molecule）。

有一種可簡易速記分子內共價鍵的方法 就是使用

„

有一種可簡易速記分子內共價鍵的方法，就是使用 路易士結構（Lewis structures）或電子點結構

（electron-dot structures）來表示。其中的點代表 原子的價電子。

„

簡單點可使用克古列結構或線-鍵結構（linebond structures），用原子間的線來表是兩個電子的共價 structures），用原子間的線來表是兩個電子的共價 鍵。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.7

„

未用於鍵結的價電子稱為未鍵結電子（nonbonding electrons）或未共用電子對（lone-pair electrons）。

electrons）或未共用電子對（lone pair electrons）

練習題1.2 預測原子可形成的鍵結數

請問需要多少的氫原子與磷鍵結才能形成磷化物

（phosphine），PH

p p

_??？

方法 先找出週期表中磷是哪一族，並說明磷需要幾個 電子以形成八隅體。

解答 從週期表中知道磷為5A 族，有五個價電子，需 要和另外三個電子共用才能形成八隅體，因此可

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

要和另外三個電子共用才能形成八隅體，因此可 以和三個氫鍵結而得到 PH³。

p.8

練習題1.3 畫出路易式結構及線-鍵結構

試繪出氯甲烷（CH₃

Cl）的路易士結構及線-鍵結構。

方法 記住每一個鍵結都是一對共用電子，並用線表示出 來。

解答 氫有一個價電子，碳有四個價電子，氯有七個價電 子。因此氯甲烷可表示為

1.5 共價鍵的形成：價鍵理論

„

根據價鍵理論（valence bond theory），當兩個原子彼 此互相靠近時，各自被電子占據的軌域則互相重疊 此互相靠近時 各自被電子占據的軌域則互相重疊

（overlaps），此時於重疊軌域中成對的電子則被兩個 原子的核所吸引，因此將原子鍵結在一起。以H₂分子 為例，H—H 鍵由兩個氫原子各自的 1s 軌域相重疊而形 成。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.9

„

在2 H．→ H₂反應期間，會放出104 kcal/mol（436 kJ/mol）的能量。因為產物 H₂分子比開始的2 H．

kJ/mol）的能量 因為產物 H₂分子比開始的2 H 少了104 kcal/mol 的能量，故產物比反應物更安定，

且新的H2H 鍵具有 104 kcal/mol 的鍵強度（bond strength）。

„

氫分子中的兩個原子核若彼此太靠近，就會因為兩者 都帶正電荷而互相排斥；若距離太遠，則無法共用其 都帶正電荷而互相排斥；若距離太遠，則無法共用其 鍵結電子。因此，在兩個原子核之間存有一最適當距 離，使鍵結具有最大穩定性，此距離稱為鍵長

（bond length）（圖 1.6）。

圖 1.6 能量對兩個氫原子核間距離之圖示。在最小能量點 的距離即為鍵長。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.9

1.6 sp ³ 混成軌域與甲烷的結構

„

讓我們由甲烷（CH₄）這個簡單的例子開始。碳的價殼 層（2s²2p²）中有四個電子，可以和氫形成四個鍵。

層（2s 2p ）中有四個電子 可以和氫形成四個鍵

„

在1931 年 Linus Pauling 提出了答案，說明了一個 s 軌 域和三個 p 軌域可以結合起來，或是混成（hybridize），

進而形成四個相等且皆朝向四面體四個頂角的原子軌域。

圖1.7 顯示的這些四面體軌域稱為

sp

³混成體（sp³ hybrids）。請注意，上標字 3 是用來確認sp³混成軌域 hybrids）。請注意，上標字 3 是用來確認sp 混成軌域 中，每一類型原子軌域有多少個；而不是有多少個電子 占據該軌域。

„

混成作用的觀念解釋了碳如何形成四個相等的四面體 鍵，但它卻無法回答為什麼會如此。這點可由混成軌 鍵 但它卻無法回答為什麼會如此 這點可由混成軌 域之形狀而得到答案。當一個 s 軌域與三個 p 軌域混 成，得到的 sp³混成軌域是不對稱的，兩個葉片其中 一個葉片比另一個大很多（圖1.7），當它形成鍵時，

兩個軌域會形成更好的重疊，因此 sp³軌域會比未混 成的 s 或 p 軌域形成更強的鍵。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.10

圖 1.7 四個

sp

³ 混成軌域（綠色）朝向正四面體的四個頂 角，它是由原子的一個

s

軌域（紅色）及三個

p

軌 域（紅色 / 藍色）所形成。

sp

³ 混成體不對稱於原 子核，致使它們具有方向性，藉此和其他原子的軌域 重疊以形成強的鍵結。

重疊以形成強的鍵結。

„

當經過 sp³ 混成碳原子的四個相同 sp³軌域與四個氫 原子的1s 軌域重疊時，會形成四個相同的 C—H 鍵 原子的1s 軌域重疊時 會形成四個相同的 C H 鍵 並得到甲烷。

„

甲烷的每一個C—H 鍵具有 105 kcal/mol（ 439 kJ/mol ）的強度，鍵長為 109pm。由於四個鍵都具 有特定的幾何形狀，因此也可以定義出鍵角（bond angle）。每一個 H C H 形成的鍵角為 109 58，稱

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

angle）。每一個 H—C—H 形成的鍵角為 109.58，稱 為四面體角。甲烷的結構如圖1.8 所示。

p.11

圖 1.8 甲烷的結構，鍵角為 109.5°。

1.7 sp ³ 混成軌域與乙烷的結構

„

乙烷的兩個碳原子是利用個別原子的一個 sp³ 混成軌域 互相重疊而形成鍵結的（圖1.9）。每個碳上其餘的三 互相重疊而形成鍵結的（圖1.9） 每個碳上其餘的三 個 sp³混成軌域則與氫的1s 軌域重疊，形成六個 C—H 鍵。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.11

圖 1.9 乙烷的結構。碳－碳鍵藉由兩個碳的

sp

³ 混成軌域重 疊而形成。為了看得較清楚，混成軌域的較小葉片並 未標示。

1.8 其他種類的混成軌域：sp ² 與 sp

„

就像 sp³混成一樣，sp²及 sp 混成軌域相對於核的不對 稱且強烈朝向一個特定方向，因而可形成強的鍵結。

„

例如：sp²-混成的碳原子，其參個 sp²軌域彼此形成鍵角 120° 的平面而未混成的 p 軌域則垂直於 sp²平面（圖 1.10a）。

„

在 sp 混成的碳原子，其兩個 sp 軌域則彼此 180° 分開，

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

而兩個未混成的 p 軌域則兩兩垂直於 sp 軌域（圖 1.10b）。

p.12

圖1.10(a) 碳原子的 sp²-混成軌域。三個相等的 sp² 混成 軌域（綠色）彼此形成鍵角120° 的平面，一個未 混成的 p 軌域（紅色 / 藍色）則垂直 sp² 平面。

圖1.10(b) 碳原子的 sp 混成軌域。兩個相等的 sp 混成軌 域（綠色）彼此形成180° 鍵角，其餘兩個 p 軌 域（紅色/ 藍色）則與之垂直。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.13

„

當兩個 sp²混成碳原子彼此接近時，可藉由 sp²—sp² 頭對頭重疊而形成強的σ鍵（sigma bond）。同時，

頭對頭重疊而形成強的σ 鍵（sigma bond） 同時 在每一個碳原子上，未混成 p 軌域可藉由側邊重疊而 形成π鍵（pi bond）。sp²－sp²σ重疊及2p－2pπ重疊 的結合，會得到四個電子的淨共用以及碳－碳雙鍵的 形成（圖1.11）。

„

四個碳 sp²軌域與四個氫形成σ鍵，構成乙烯分子的

„

四個碳 sp 軌域與四個氫形成σ鍵，構成乙烯分子的 平面結構，H－C－H 及 H－C＝C 鍵角大約是 120°。

„

乙烯中的碳－碳雙鍵比乙烷的單鍵更短且更強。

圖 1.11 乙烯的結構。兩個碳原子的 sp²-混成軌域重疊而形成碳－

碳雙鍵。其中一部分是由 sp²軌域（綠色）頭對頭重疊而形成的

σ 鍵；其他部分的π鍵則由兩個未混成 p 軌域（紅色 /藍色）側 重疊而形成的。π鍵電子密度區域位在兩核之間那條線的兩側 區域。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.13

„

乙烯的C＝C 鍵長 134pm，鍵強度 174 kcal/mol

（728 kJ/mol ），而乙烷的鍵長 154 pm 及鍵強度為

（728 kJ/mol ） 而乙烷的鍵長 154 pm 及鍵強度為 90 kcal/mol （377 kJ/mol）。雙鍵中 p 部分是由較不 受益的側疊而形成，其鍵強兩倍弱於s 部分的頭對頭 重疊。

„

乙炔的C≡C 參鍵，則由三個部分組成。當兩個 sp-混 成碳原子彼此靠近頭對頭形成強烈的 sp－sp 鍵結的 成碳原子彼此靠近頭對頭形成強烈的 sp－sp 鍵結的 同時，兩個碳原子的 p_z 則彼此側疊形成 p_z － p_zπ鍵 而 p_y 則形成 p_y －p_y π鍵；淨效應為一個σ鍵與兩個π

組成了碳－碳參鍵，剩餘的一個 sp 混成軌域則與氫 原子形成σ鍵，以完成了乙炔的結構（圖1.12）。

圖 1.12 乙炔的結構。兩個

sp-

混成的碳原子由一個

sp-sp

σ鍵及兩個

p-p

π鍵集結在一起。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.14

„

乙炔為一線性分子，H－C≡C 鍵角為 180°，C≡C 鍵 長為120 pm，鍵強則為 23 1 kcal/mol （965

長為120 pm 鍵強則為 23 1 kcal/mol （965 kJ/mol），形成最短最強的碳－碳鍵。

練習題1.4 畫出路易士結構及線–鍵結構

甲醛（CH₂

O）含一個碳－氧雙鍵。請畫出甲醛的路易士

結構及線-鍵結構，並寫出碳原子的混成作用。

結構及線 鍵結構 並寫出碳原子的混成作用

方法 我們知道氫只能形成一個鍵、碳形成四個鍵，而 氧形成兩個鍵，可利用試誤法找出其組合。

解答 只有一個組合方式，即：兩個氫、一個碳和一個 氧。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

與乙烯的碳原子相似，甲醛的碳原子為

sp

²混成。

p.15

1.9 極性共價鍵：陰電性

„

乙烷中的C－C 鍵是電子性對稱，因此為共價鍵；也就 是由兩個相等的碳原子均等地共用兩個鍵結電子。然而，

是由兩個相等的碳原子均等地共用兩個鍵結電子 然而 有很多化學鍵結不是完全的離子鍵，也不是完全的共價 鍵，而是介於這兩種極端之間，這種鍵結稱為極性共價 鍵（polar covalent bonds）。

„

鍵的極性是因為其陰電性（electronegativity；EN）的不 同，亦即一個原子吸引共價鍵電子的能力。如圖1.14 所 示，陰電性有著任意的值；鹵素族有著最強陰電性 示 陰電性有著任意的值 鹵素族有著最強陰電性

（EN＝4.0 ）；而銫則最低（EN＝0.7），週期表左邊的 金屬元素只會微弱地吸引電子，但週期表右邊的氧、氮 及鹵素族，則會強烈地吸引電子，而有較高的陰電性。

有機化合物中最重要的碳其陰電性值為2.5。

圖 1.13 從共價鍵至離子鍵的鍵結是由電子的不對稱分布所造 成的結果。符號δ(希臘字母，delta)意指部分電荷，

亦即對於電子缺乏的原子來說是部分正電（δ＋），

或是對於電子豐富的原子來說是部分負電（δ－）。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.16

圖

1.14

陰電性的值和趨勢。週期表內的陰電性由左至右增 加，由上至下減少。表中的值是任意標度值，其中F

＝4.0 且 Cs ＝0.7。標示橘色的元素具有強的陰電性，

黃色為中度，而綠色為較弱的陰電性。

„

一般的通則是，兩原子間具有相似陰電性，此鍵為共價 鍵，兩原子間之陰電性（EN）差小於 2 個單位時，則為 極性共價鍵。

„

在圖1.15 中，甲醇及甲基鋰的表示方式，是使用十字箭 號 代表極性的方向。根據規定，電子會朝箭號 的方向移動。箭尾（看起來像＋）是指電子不足(δ－)，

箭頭是指電子豐富（δ＋）。

„

一分子之價電分布是以靜電能勢圖（electrostatic

potential maps）來表示，紅色區域電子較豐富，藍色區

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

potential maps）來表示，紅色區域電子較豐富，藍色區 域則表示電子不足。

„

我們通常用誘導效應（inductive effect）來形容一原子 使鍵極化的能力。誘導效應是鍵結電子相對應鄰近原子 的陰電性而移動的一種效應。

p.17

圖

1.15

(a)甲醇（CH₃OH）具有 C－O 極性共價鍵，(b)甲基鋰

（CH₃Li）金屬具有C－Li 極性共價鍵。此電腦繪圖即所謂靜電 能勢圖，利用電腦繪圖以顏色表示其價電之分布，範圍從紅色

（電子豐富；δ－） 至藍色（電子缺乏； δ＋）。

練習題1.5 預測極性鍵

請預測

H

₂

O 中，O－H 鍵的極化程度和方向。

方法 由圖1.14 的陰電性表中看看哪一個原子較吸引電 子。

解答 由圖1.14 可知，氧（EN＝3.5）的陰電性比氫

（EN ＝2.1）大，因此氧吸引電子的能力較強。由 陰電性的差值（3.5－2.1 ＝1.4）亦可得知 O－H 鍵的極性較強

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

鍵的極性較強。

p.18

1.10 酸與鹼：布忍斯特－羅里定義

„

酸度在化學中有兩種常用定義：布忍斯特－羅里定義及 路易士定義。

„

布忍斯特－羅里酸（Brønsted–Lowry acid）是指提供氫 離子（H^＋）的物質；而布忍斯特－羅里鹼（Brønsted–

Lowry base）則是指獲得氫離子的物質。

„

當氯化氫氣體溶於水中，HCl 提供一質子，而水分子獲 得此質子，生成鋞離子（H₃O^＋）及氯離子（Cl^－），氯 離子是當HCl 酸失去一個質子所生成的產物 稱為酸的 離子是當HCl 酸失去一個質子所生成的產物，稱為酸的 共軛鹼（conjugate base）； H₃O^＋則是H₂O 鹼因獲得一 質子所生成的產物，稱為鹼的共軛酸（conjugate acid）。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.19

„

較強的酸，如：HCl，幾乎能完全與水反應；但較弱的 酸，如：乙酸（CH₃CO₂H），則只有部分會與水反應。

酸 如 乙酸（CH₃CO₂H） 則只有部分會與水反應 任何一種酸HA 溶液中酸的確實強度可用酸常數

（acidity constant；Ka）來表示。記得從普通化學的平 衡表示法中，溶劑的濃度是可忽略的及[ ] 圍著一個物質 代表該物種之每升莫耳數（mol/L）濃度。

„

較強的酸會使平衡朝右邊進行，因此具有較大的酸常數；

而較弱的酸則反之。

而較弱的酸則反之

„

酸強度通常用pK_a值來表示，其中pK_a等於 K_a 取負對 數值。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.19

„

表1.2 中水的 pK_a值計算結果為15.74。因為水同時是酸 和鹼的溶劑，其平衡表示為

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

„

其中分子 K_w＝[H₃O^＋] [OH^－] ＝ 1.00 × 10^－14 稱為水的 離子積常數，分母為純水的體積莫耳濃度，[H₂O] ＝ 55.4 M （25°C）。在計算時將作為「溶劑」水的濃度忽 略。

p.20

„

酸的酸性強度與其共軛鹼之鹼性強度之間具相反關係。

強酸生成弱共軛鹼，而弱酸則生成強共軛鹼。

強酸生成弱共軛鹼，而弱酸則生成強共軛鹼。

„

一般而言，質子總是從較強酸移至較強的鹼，亦即酸會 提供一質子給任何具有較大pKa 酸的共軛鹼。相反地，

酸的共軛鹼會由任何具有較小pKa 的酸移去一個質子。

„

有一簡便的方法可預測酸－鹼之反應性，就是要記住：

產物必須比反應物更安定，反應才能發生。也就是說，

產物中的酸和鹼必須比起始物中的酸和鹼還要弱，且較 不具有反應性。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.21

練習題1.6 預測酸

－

鹼反應

水的

pK

_a＝

15.74，乙炔的 pK

_a＝

25。請問何者的酸性

較強？氫氧離子會和乙炔反應嗎？

方法 比較這兩種酸，具較小pKa 值者酸性較強。因 此，水的酸性比乙炔強。

解答 因為水比乙炔容易失去一質子 比

解答 因為水比乙炔容易失去一質子，HO^－比HC≡C:^－ 對質子的親和力小。也就是說，乙炔陰離子與氫 氧離子相比，其鹼性較強，故反應無法進行

練習題1.7 從 pK_a 值計算 K_a

丁酸具有腐臭奶油味，其

pK

_a＝ 4.82，請問K_a值為何？

方法 pK_a 為K_a 取負對數，因此需要使用計算機的 ANTLOG 或 INV LOG 功能。鍵入 pK_a 值4.82 ， 改變為負號（－4.82），然後找出負對數

（1.5 × 10^－5）。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

解答 K_a ＝ 1.5 × 10^－5

p.22

1.11 有機酸與有機鹼

„

這些含有－CO₂H 基稱為羧酸類（carboxylic acids）化 合物非常普遍，他們在活體組織中相當豐富，且參與了 合物非常普遍 他們在活體組織中相當豐富 且參與了 許多新陳代謝之途徑。例如：醋酸、丙酮酸、檸檬酸。

„

有機鹼之特性則來自一原子附有的未共用電子對（靜電 能勢圖中紅色區域），它可與H^＋鍵結。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼

„

我們將於第14 章中，看到一種物質稱為胺基酸（amino acids），因為它同時含有氨基（－NH2）及羧酸基（

－CO2H），它是所有活體組織中所呈現之蛋白質的建 構板塊。

p.23

„

以丙胺酸（alanine）為例，有趣的是它與其他胺基酸所 存在的是其兩性離子（zwitterion）形態而不是「無電荷」

存在的是其兩性離子（zwitterion）形態而不是 無電荷」

之形態，兩性離子的形成是因為分子中同時有酸及鹼的 一端，因此進行了「內部」之酸－鹼反應。

1.12 酸與鹼：路易士定義

„

路易士酸（Lewis acid）是具有空的價軌域而因此可以 接受一個電子對的物質；路易士鹼（Lewis base）則是 接受一個電子對的物質；路易士鹼（Lewis base）則是 提供電子對的物質。其所提供的電子對在路易士酸與鹼 之間共用，而形成新的共價鍵。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.24

„

路易士鹼－化合物含有一對位共用電子對，可與路易士 酸鍵結，因此H₂O 中的氧原子有兩對未共用電子對，藉 酸鍵結 因此H₂O 中的氧原子有兩對未共用電子對 藉 由提供電子對給H1 而形成的鋞離子，H₃O^＋。

„

在兩個反應中，弧形箭頭的方向表示電子對由電子豐富 的路易士鹼流向電子不足的路易士酸。弧形箭號代表電 子對由箭頭尾端的原子移向箭號頭端的原子。

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.24

練習題 1.8 利用箭頭表示電子的方向

利用箭頭表示乙醛（CH₃

CHO）與強酸 H

^＋反應，如何 作為路易士鹼？？

方法 路易士鹼提供電子對給路易士酸，因此我們必須 先找到乙醛中氧原子的未共用電子，以箭頭表示電 子從氧原子提供給路易士酸，如H ^＋。

解答

歐亞書局 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.25

特論

特論 有機的食品：風險與利益

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當「有機的」字眼應用於食品上，即代表沒有化學合 成物，特別是除害劑。那麼應如何追蹤我們所吃的食 品內所含的除害劑？我們所喝的水是否有毒性？或我 們所呼吸的空氣是否有汙染呢？