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第21章

有機化學：專門研究碳化合物的科學 有機化學物是指那些含有碳的化合物，但不包括：◦ 一氧化碳 (CO)◦ 二氧化碳 (CO2)◦ 碳酸鹽 (含有CO3

2-離子的鹽，例如碳酸鈉、碳酸鈣)碳酸氫鹽 含有 離 的鹽 例如碳酸氫鈉 碳酸氫鉀◦ 碳酸氫鹽 (含有HCO3

-離子的鹽，例如碳酸氫鈉、碳酸氫鉀)◦ 碳化物 (例如：碳化鈣CaC2、碳化矽SiC)◦ 氰化物 (例如：氰化氫HCN、氰化鉀KCN)

上述不包括的化合物傳統上歸類為無機化合物

身體的組成部份 記載著遺傳資料的脫氧核糖核酸(DNA) 蛋白質 進行新陳代謝作用的酶

有機化合物

食物中提供能量的營養素 碳水化合物 脂肪 蛋白質

有機化合物

生活上的應用 衣服的質料 (尼龍) 膠水樽、膠袋、膠水管 推動汽車的汽油 殺蟲劑 …… 還有很多例子

過去，科學家曾經一度認為有機化合物的合成只能透過生物進行

但是在1828年，德國科學家韋勒(Fredrich Wöhler)成功通過蒸發含氰酸銨(無機化合物)的水溶液，製備出脲(有機化合物)，打破有機化學與無機化學的界限

O

此後，科學家不斷開拓人工合成有機物質的廣闊領域，在實驗室研製出很多新型的有機物質

NH4CNOC

O

NH2 NH2氰酸銨

加熱

脲

天然例如：碳水化合物、脂肪、蛋白質

化石燃料 (原油、煤)

原油透過分餾提煉 得出烷烴、烯烴、炔烴、煤透過破壞蒸餾提煉

人工合成利用烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等從原油及煤的衍生產品製造出來的有機化合物例如：抗生素、香水、藥物、殺蟲劑、炸藥、塑膠、燃料

芳香烴等有機化合物

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自連能力定義：原子與原子之間形成穩定的化學鍵，繼而連結成鏈或環的能力

碳原子能連結成不同長度的直鏈和支鏈，以及不同大小的碳環原因是碳原子的體積細小 令碳原子與碳原子之間可形成強原因是碳原子的體積細小，令碳原子與碳原子之間可形成強而穩定的共價鍵

你認為硅(Si)能否像碳一樣自連成多樣化的分子結構，為什麼？

事實上，硅(Si)與碳均具有自連能力。 可是，若我們比較硅與碳的原子體積，硅的原子體積較大，令硅與硅之間的共價鍵較碳與碳之間的共價鍵為弱，導致硅的自連能力較碳為低連能力較碳為低。

所以，硅不能像碳一樣自連成多樣化的分子結構。

形成重鍵的能力碳原子在基態時的電子組態是 1s22s22p2

當受到激發後，一個電子會由2s軌態躍升至空置的2p軌態，形成四個不成對的電子。

碳在基態時的電子組態

碳在激化態時的電子組態

這四個不成對的電子，令碳原子能夠形成最多四個共價鍵

碳原子可與其他碳原子或其他元素如氫、氧、硫、氮、磷和鹵素原子形成單鍵、雙鍵或三鍵

單鍵 雙鍵 三鍵

丙烷 乙醇 丙-1-醇丙烷 乙醇 丙 1 醇

與鈉的反應 沒有可觀察的改變

有氣泡冒出

將氣體收集，用燃燒中的木條測試，發出噗的聲音

有氣泡冒出

將氣體收集，用燃燒中的木條測試，發出噗的聲音

你會怎樣將以上三種化合物分類呢？為什麼？

看法一： 丙烷及丙-1-醇在主鏈中都有三個碳原子，但是乙醇只有兩個碳原子。所以，丙烷及丙-1-醇是同一類，而乙醇為另一類。

看法二：醇和 醇均 與鈉進行 應 在 構上 它們 者均 乙醇和丙-1-醇均可與鈉進行反應，而在結構上，它們兩者均

有-OH基團 (羥基)，所以乙醇及丙-1-醇應是同一類的。 而丙烷則不會與鈉進行反應，丙烷在結構上又沒有-OH基團

(羥基)。所以，丙烷應為另一類。

你支持哪一個呢？你認為哪一個是科學家的看法？

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官能基 因為有機化合物的數量龐大，要有系統地研究就得根據它們的結構進行分類。

化學家按有機化合物的結構分成不同的族屬於同族的化合物 在結構上具有特定的原子排列方式◦ 屬於同族的化合物，在結構上具有特定的原子排列方式

◦ 這特定的原子排列方式就是官能基

官能基的定義：可以有效地斷定有機化合物的化學性質的一個原子或原子基團

具有相同官能基的有機化合物，不論其分子體積或形狀如何，均具有相似的化學性質。

官能基的分類方法，有助我們更方便及有系統地研習有機化合物。

書本第8-9頁展示不同類別的有機化合物及其官能基，在中六及中七的課程中，同學們須研習以下類別的有機化合物：烷烴、烯烴、芳香族烴、鹵烷、醇、醛、酮、羧酸、酯、酰鹵、酰胺及酸酐

碳原子數目 系統名稱 分子式 結構簡式 結構式

1 甲醇 CH3OH CH3OH

2 乙醇 C2H5OH CH3CH2OH

3 丙-1-醇 C3H7OH CH3CH2CH2OH

4 丁-1-醇 C4H9OH CH3CH2CH2CH2OH

問題：比較碳原子數目1及2 (2及3、3及4) 的系統，你發現一些什麼？答案：相差一個 –CH2- 單位

同系列 同系列的定義：一系列具有相同官能基的化合物，當中每兩個相鄰成員的分子只相差一個 –CH2- 單位

屬於一個同系列中的成員，可以用一條通式表達。以 才的醇作例以剛才的醇作例子：

碳原子數目 分子式 表示與碳相連的氫原子數目的公式

1 CH3OH 2×(1) + 12 C2H5OH 2×(2) + 13 C3H7OH 2×(3) + 1n CnH2n+1OH 2×(n) + 1

所以，醇的通式為CnH2n+1OH，n為任何正整數。

因為同系列中的成員擁有相同的官能基，所以它們的化學性質相似

同系列成員的物理性質會隨著各成員的序列而漸變◦ 一般而言，分子的碳鏈愈長

分子的體積便愈大 分子的體積便愈大 分子之間的瞬時偶極與誘發偶極間的相互作用隨之增加 沸點有上升的趨勢

物理性質：一些無須令化合物轉變為其他物質的性質 研習有機化學時，主要論及以下的物理性質：◦ 熔點◦ 沸點◦ 在水中的溶解度在有機溶劑的溶解度◦ 在有機溶劑的溶解度

決定有機化合物的物理性質，有以下四個主要因素：◦ 官能基的結構◦ 分子的偶極矩◦ 氫鍵的形成◦ 碳鏈的長度

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什麼是電負性？電負性是指在共價鍵中，鍵合原子吸引鍵合電子對的能力

問題：1. 在右圖中，碳的電負性數1. 在右圖中 碳的電負性數

值是多少？2. 請列舉兩個電負性數值比

碳為高的元素。

在一些官能基中，如：羥基 (-OH)，氨基(-NH2)、羧基(-COOH)等，構成官能基的原子的電負性較碳為高◦ 導致極性鍵的存在◦ 令分子間有較強的分子引力

如果有兩個分子 (設它們分別為甲和乙) 甲和乙的分子質量相 如果有兩個分子 (設它們分別為甲和乙)，甲和乙的分子質量相近，如甲分子具有極性官能基，而乙分子沒有極性官能基。根據上述推測，甲分子的沸點應較乙分子為高。

分子 相對分子質量 沸點 (oC)

具極性官能基

CH3CH2CH2OH 60 97.2CH3CH2CH2NH2 59 48.6

CH3CH2Cl 64.5 12.5CH3CH2COOH 60 141

具非極性官能基CH3CH2CH2CH3 58 -0.5CH3CH2CH=CH2 56 -6.2

CH3CH2CCH 54 8.1

在這些分子中，它們的相對分子質量大約為60，比較具極性官能基分子與及具非極性官能基分子的沸點。你們會發現具有極性官能基分子的沸點較具非極性官能基的沸點為高。

根據上部份所言，如一個分子具有極性官能基，會導致極性鍵的存在，所以其沸點理論上應該較高。

但是，四氯甲烷(CCl4)分子具有四個極性鍵，為什麼其沸點卻很低呢？

ClCl

CCl Cl

Cl

分子可以有一個或更多的極性鍵 每一個極性鍵都有偶極矩 偶性矩為一個向量，將所有偶性矩相加後的結果 (即淨合偶極矩) 可以是0又或者不是0

偶極矩可因為形狀對稱的關係而互相抵消如 個 的淨合偶極矩 等如 意 這個分 擁有淨 如果一個分子的淨合偶極矩不等如0，意思是這個分子擁有淨合偶極矩，這個分子是極性的。

淨合偶極矩結果

分子特質0 不等於0

非極性 極性

擁有零淨合偶極矩 (即分子為非極性) 的例子：

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擁有淨合偶極矩 (即分子為極性) 的例子：

己烷溶於四氯甲烷 己烷不溶於水

為什麼會有這個現象？

以剛才所見的兩張圖片為例，首先解釋為什麼己烷溶於四氯甲烷 己烷分子是非極性的，而四氯甲烷分子也是非極性的 在己烷分子間的引力是范德華力，而在四氯甲烷分子間的引力也是范德華力

所以，一個己烷分子與一個四氯甲烷之間的引力，與它們自己分子系統中的引力十分接近

己烷溶於四氯甲烷

再解釋為什麼己烷不溶於水 水是極性的，水分子之間的引力是氫鍵 但是己烷是非極性的，己烷分子之間的引力是范德華力 當將己烷加入水，己烷與水的分子間引力弱於水與水分子之間的引力水 傾向與水 連繫 會與 烷混合水分子傾向與水分子連繫，而不會與己烷混合

「同類溶解同類」 (Like dissolves like)意思：溶質分子間的引力如果跟溶劑分子間的引力接近，這樣溶質就會較易溶於溶劑中

所以所以，極性高的化合物較易溶於極性高的溶劑中極性低或非極性的化合物較易溶於極性低或非極性的溶劑中

在醇和胺的分子中，它們擁有-OH和-NH2基團 -OH和-NH2可形成分子與分子間的氫鍵 分子與分子間的氫鍵可令化合物的沸點較高，如丙-1-醇的沸點(97.2oC)遠遠高於與其分子質量相同的甲氧基乙烷(7.0oC)

丙-1-醇分子間的氫鍵

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氫鍵亦影響分子的溶解度◦ 因醇及胺可與水分子形成氫鍵◦ 所以醇及胺可溶於水中

試解釋為什麼以下兩個化合物有不同的沸點。

NO2

OH

NO2

OH

2-硝基酚沸點 = 217oC

4-硝基酚沸點 = 245oC

在2-硝基酚中，-NO2與-OH基團非常接近。-OH基團可與-NO2基團產生分子內氫鍵，因而-OH基團不能與另一個2-硝基酚產生分子與分子間的氫鍵，導致2-硝基酚的沸點較低。

NOO

H

分子內氫鍵

N

O

H

2-硝基酚(2-nitrophenol)

而在4-硝基酚中，一個分子的-OH基團可與另一個分子的-NO2基團形成分子與分子間的氫鍵，這分子與分子間的氫鍵導致4-硝基酚的沸點較高。

O分子與分子間的氫鍵

O H

N

O

O

NO

O

O H4-硝基酚(4-nitrophenol)

在直鏈的情況下，分子質量較高的分子，其熔點及沸點較高◦ 分子體積較大◦ 分子間的范德華力較強所以，在同系列中，分子的熔點及沸點隨著分子質量的增加而出現遞增的現象

碳原子數目 分子 熔點 (oC) 沸點 (oC)6 C6H14 -95 698 C8H18 -57 12610 C10H22 -30 17412 C12H26 -10 216

若分子含有支鏈，其沸點會低於其直鏈的同分異構體例：

2,2-二甲基丙烷 (2,2-dimethylpropane) 及戊烷 (pentane)的分子式均為C5H12，但2,2-二甲基丙烷的沸點為9.5oC，而戊烷的沸點為36.3oC。

C

CH3

CH3

CH3 CH3CH3 CH2 CH2 CH2 CH3

戊烷(pentane) 2,2-二甲基丙烷

(2,2-dimethylpropane)

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戊烷是直鏈分子，而2,2-二甲基丙烷是含支鏈的分子。 戊烷的形狀扁平，與其他分子的接觸面較大，所以戊烷的分子間引力較大，其沸點因而較高。

CH3

C

CH3

CH3 CH3CH3 CH2 CH2 CH2 CH3

戊烷(pentane) 2,2-二甲基丙烷

(2,2-dimethylpropane)

若分子含有支鏈，它的熔點較其直鏈的同分異構體為高例：

1-氯丁烷 (1-chlorobutane)和2-氯-2-甲基丙烷(2-chloro-2-methylpropane)的分子質量相同，但1-氯丁烷的熔點是-123oC，而2-氯-2-甲基丙烷的熔點則是-27.1oC。

CH2 CH2CH2 CH3Cl CH3 C

CH3

CH3

Cl

1-氯丁烷(1-chlorobutane) 2-氯-2-甲基丙烷

(2-chloro-2-methylpropane)

1-氯丁烷是直鏈分子，2-氯-2-甲基丙烷是含支鏈的分子 2-氯-2-甲基丙烷的形狀近似球形，因此其分子在固態下裝填效果更佳。故此，需要提供額外的能量才能夠破壞這種裝填狀態。

相比之下，1-氯丁烷分子是線形的，而且扁平。所以在固態下裝填的效率不高。裝填的效率不高。

所以，2-氯-2-甲基丙烷的熔點較高。

CH2 CH2CH2 CH3Cl CH3 C

CH3

CH3

Cl

1-氯丁烷(1-chlorobutane) 2-氯-2-甲基丙烷

(2-chloro-2-methylpropane)

檢查站21-4(a) – (d) 題

練習21 (書本第28頁)第1-8題