第5章　物質的形成與烴類 5-1　物質的形成 5-2　碳化合物的構造 5-3　烴類的取代與加成反應

5-1　物質的形成 ．原子間形成化學鍵時，必有能量的釋出 ．化學鍵可分為 ★離子鍵 ★共價鍵 ★金屬鍵

5-1-1 離子鍵 金屬元素和非金屬元素結合時，金屬原子生成帶正電的陽離子，非金屬原子則生成帶負電的陰離子，陰、陽離子間利用庫侖靜電引力結合 5-1-1　離子鍵 金屬元素和非金屬元素結合時，金屬原子生成帶正電的陽離子，非金屬原子則生成帶負電的陰離子，陰、陽離子間利用庫侖靜電引力結合 圖5-1　鈉原子和氯原子反應，發生電子移轉形成氯化鈉

．離子化合物晶體，具有一定的晶形，受敲擊時其晶面容易產生相斥的靜電力而斷裂 ．高熔點及沸點 ．固態時不導電，熔化或溶於水後則可導電 圖5-2　離子晶體晶面受敲擊而斷裂

5-1-2　共價鍵 共價鍵是原子間共用電子對所形成，絕大部分的非金屬元素和非金屬元素結合時，會形成共價鍵分子 圖5-3　常見的共價鍵分子

路易斯提出八隅體法則：形成共價鍵的原子，其軌域達到八個價電子時最安定 圖5-4　符合八隅體法則之價電子示意圖

有些物質不符八隅體法則，其共價鍵卻相當安定 圖5-5　不符八隅體法則之價電子示意圖

．鍵結電子對：兩原子間共用的電子對 ．孤電子對：未共用的電子對 ．單鍵：共用一對電子對 ．雙(叁)鍵：共用二(三)對電子對 圖5-6　一些分子的路易斯結構

圖5-7　形成氫分子時的位能變化

5-1-3 金屬鍵 金屬有下列特性，均與其鍵結有關 ．有良好導電性和導熱性 ．有一定的光澤 ．密度較高 ．受壓時會改變形狀但不破裂 5-1-3　金屬鍵 金屬有下列特性，均與其鍵結有關 ．有良好導電性和導熱性 ．有一定的光澤 ．密度較高 ．受壓時會改變形狀但不破裂 ．有良好的延性及展性 ．在反應時通常形成陽離子

．金屬離子對價電子的束縛力小 ．金屬可視為金屬離子被電子海所包圍 圖5-8　鈉金屬陽離子在電子海中

．金屬離子與自由游動的電子間的引力即為金屬鍵 圖5-9　金屬受敲擊而層面重組

5-2　碳化合物的構造 碳是有機化學物的主要構成元素 C？

5-2-1　烴類的結構 有機化合物中，只含有碳及氫兩種元素者，稱為碳氫化合物，又稱烴 表5-1　烴的分類

一、烷　類 表5-2　甲烷、乙烷及丙烷分子式、結構式與模型 C3H8 C2H6 CH4 丙烷 乙烷 甲烷

分子式相同，但結構不同，稱為同分異構物 表5-3　正丁烷及異丁烷分子式、結構式與模型 C4H10 異丁烷 正丁烷

表5-4　戊烷分子式與結構式 C5H12 新戊烷 異戊烷 正戊烷

表5-5　單環烷類分子式與結構式 C6H12 C5H10 C4H8 C3H6 環己烷 環戊烷 環丁烷 環丙烷

．烷類之命名，前十個依序以天干(甲、乙、丙、……)命名，十個以上則依碳數以數字表示，如CH4為甲烷，C11H24為十一烷 ．依碳和碳原子之間不同的鍵結，可產生複雜的有機化合物，部分取代基命名如下：

部分烷類的簡單命名： (1)找出最長鏈為主鏈，以甲、乙、丙、……表示其碳數 (2)從主鏈上最近接取代基一端的碳開始標號，以阿拉伯數字表示取代基的位置，基本名稱置於最後，數字與文字以單線分開 (3)兩個以上取代基在相同的碳時，重覆阿拉伯數字；二個以上相同的取代基出現時，以漢字數字表示取代基個數

二、烯類及炔類 ．烯類的碳原子與碳原子之間具有雙鍵結構，屬於不飽和烴 ．炔類的碳原子與碳原子之間具有叁鍵結構，屬於不飽和烴

圖5-10　常見的烯烴

有些烯類的雙鍵位置會形成幾何排列不同的分子，這些分子互為幾何異構物(順反異構物) 圖5-11　2-丁烯的幾何異構物

烯、炔等烴類的命名法與烷類相似 ．主鏈需取含有雙鍵或叁鍵的最長碳鏈 ．命名時需標出雙鍵或叁鍵的位置 ．從主鏈上最接近雙鍵或叁鍵一端的碳開始標號

三、芳香烴 ．具有苯環相關獨特性質的化合物 ．主要來源為煤溚與石化工業 ．最具代表性的化合物為苯，分子式C6H6 ．苯環中有三個雙鍵，為不飽和烴，六個碳原子呈平面正六角形，鍵角均為120° 圖5-12　苯的兩種分子結構 圖5-13　苯的結構通式

圖5-14　常見的芳香烴

5-2-2 烴類的性質 ．烷類無色、無臭、無毒、不溶於水，但溶於乙醚、三氯甲烷等有機溶劑 5-2-2　烴類的性質 ．烷類無色、無臭、無毒、不溶於水，但溶於乙醚、三氯甲烷等有機溶劑 ．低碳數的烷類為氣體；碳數稍多(C5～C17)的為液體；高碳數(C18以上)的則為固體，又稱石蠟烴 ．甲烷為天然氣主要成分，丙烷和丁烷為液化石油氣主要成分；己烷、庚烷和辛烷為汽油的主要成分；市售蠟燭屬石蠟烴

表5-6　烷類的沸點與熔點 ?57 126 C8H18 辛烷(octane) ?90 98 C7H16 庚烷(heptane) ?94 69 C6H14 己烷(hexane) ?130 36 C5H12 戊烷(pentane) ?135 C4H10 丁烷(butane) ?192 ?42 C3H8 丙烷(propane) ?172 ?88 C2H6 乙烷(ethane) ?184 ?162 CH4 甲烷(methane) 熔點(°C) 沸點(°C) 分子式 名稱 圖5-15　石蠟烴

．烯、炔類均難溶於水、無色、無味 ．烯、炔類的化學活性大於烷類 ．最簡單的烯類為乙烯(H2C＝CH2) ．最簡單的炔類為乙炔(HC≡CH) ．苯俗稱安息油，與水不互溶

5-3　烴類的取代與加成反應 有機化合物的反應通常比無機分子或離子的反應來得慢

5-3-1 取代反應 烴類化合物中，碳鏈上的氫原子被其他元素原子取代者，稱為取代反應 ．鹵化反應 ．硝化反應 ．磺酸化反應 5-3-1　取代反應 烴類化合物中，碳鏈上的氫原子被其他元素原子取代者，稱為取代反應 ．鹵化反應 ．硝化反應 ．磺酸化反應 ．末端炔類的金屬取代反應 ．烷苯的製備 ．烷苯的氧化反應

一、鹵化反應 ．烷類與鹵素進行反應生成鹵烷類 ．甲烷遇光或熱時，會與氯氣進行一系列的取代反應，依序生成氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷(氯仿)、四氯化碳

．烷類的氟氯碳化物俗稱氟氯烷，性質安定，可作為冷凍劑、噴霧劑等，但會破壞臭氧層，現已禁用 ．苯環上的氫原子可在適當的催化劑下，和鹵素發生取代反應

圖5-16　南極大陸上空有的地方(白～紫色)臭氧量極少，臭氧層看起來像破了洞，這種洞就是臭氧洞

二、硝化反應 ．烷類在高溫下，可和硝酸反應生成硝基烷 ．苯和濃硝酸(混合濃硫酸)共同加熱，可發生硝化反應生成硝基苯

．甲苯可在較激烈的條件下進行硝化反應，生成2,4,6-三硝基甲苯(TNT)，為黃色炸藥的成分

三、磺酸化反應 苯在高溫時可和濃硫酸反應，稱為磺酸化反應，簡稱磺化反應

四、末端炔類的金屬取代反應 ．炔類的叁鍵在碳鏈末端者，稱為末端炔類 ．末端炔類尾端叁鍵的氫原子，和金屬離子發生取代反應，生成炔基金屬化合物沉澱 ．利用此反應可鑑別末端炔類及非末端炔類

五、烷苯的製備 使用鹵烷類與苯，在氯化鋁的催化下，可製備烷苯

六、烷苯的氧化反應 烷類不易與過錳酸鉀、二鉻酸鉀發生氧化反應，但苯環上的烷基卻可和他們發生氧化反應生成羧酸

(1)羧酸的合成 利用適當的苯烷製備所需羧酸

(2)烷苯的辨識 利用氧化後的羧酸，經由熔點測定辨識出原本沸點相近的同分異構物

5-3-2 加成反應 烯類和炔類等不飽和烴，分子中的不飽和鍵可加入氫氣、鹵化氫、水或鹵素等分子，稱為加成反應 ．氫化反應 ．鹵化氫加成反應 5-3-2　加成反應 烯類和炔類等不飽和烴，分子中的不飽和鍵可加入氫氣、鹵化氫、水或鹵素等分子，稱為加成反應 ．氫化反應 ．鹵化氫加成反應 ．水合加成反應 ．鹵化加成反應

一、氫化反應 ．烯類在催化劑(如鎳)的作用下，可加入氫氣成為飽和烴 ．炔類在催化劑作用下，先產生烯類再繼續氫化成烷類

圖5-17　人造奶油

二、鹵化氫加成反應 ．烯類和炔類可與鹵化氫進行加成反應 ．馬可尼可夫法則：氫大多數會加在含氫較多的碳原子上，鹵素則加在含氫較少的碳原子上

三、水合加成反應 烯類與炔類在催化下，會與水進行加成反應

四、鹵化加成反應 烯類和炔類可與溴水溶液作用，溴的暗紅棕色會迅速褪色。因此可由其顏色變化檢驗不飽和烴的存在

圖5-18　溴水加入環己烯後因反應而褪色

苯和鹵素在紫外光照射下，可發生加成反應

拜耳試驗法 以過錳酸鉀溶液檢驗不飽和烴的存在

圖5-19　過錳酸鉀與環己烯反應而褪色