Fundamentals of Organic Chemistry Seventh Edition 有機化學 第 七 版 Fundamentals of Organic Chemistry Seventh Edition

第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 1.1 原子結構 1.2 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 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 1.1 原子結構 1.2 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 1.10 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 特論 有機的食品：風險與利益 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.1

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。 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。 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）。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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。 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.2

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，碳原子可與其他碳鍵結形成長鏈或環。 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。 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.2

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 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。 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（amu），稱為原子量（atomic mass；atomic weight）。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.3

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。 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。 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 px、py 及 pz（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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.3

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，而且每一個軌域由兩個電子占據。第一殼層只含有一個 1s 軌域，因此含有兩個電子；第二殼層含有一個2s 軌域及三個 2p 軌域，因此共有 8 個電子。第三殼層則含有一個3s 軌域、三個 3p 軌域及五個 3d 軌域，因此共有 18 個電子。這些軌域群示於圖 1.4。 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 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， 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.4

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。） 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.4

表 1.1 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.5

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。） 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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 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（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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.5

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。 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.6

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）。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.7

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鍵。 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）。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.8

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?？ 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?？ 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 以和三個氫鍵結而得到 PH3。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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（CH3Cl）的路易士結構及線-鍵結構。 練習題 1.3 畫出路易式結構及線-鍵結構 試繪出氯甲烷（CH3Cl）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 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.8

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（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。 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．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）。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.9

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。 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.9

1.6 sp3 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（2s2 2p2）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 sp3 混成體（sp3 hybrids）。請注意，上標字 3 是用來確認sp3 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.10

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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.10

圖 1.7 四個 sp3 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 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.10

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，稱為四面體角。甲烷的結構如圖1.8 所示。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.11

圖 1.8 甲烷的結構，鍵角為 109.5°。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.11

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）。每個碳上其餘的三個 sp3 混成軌域則與氫的 1s 軌域重疊，形成六個 C—H 鍵。 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 sp3 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.11

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，而兩個未混成的 p 軌域則兩兩垂直於 sp 軌域（圖 1.10b）。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.13

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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.13

四個碳 sp2 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°。 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，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－sp2 σ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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.13

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。 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 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 鍵結的同時，兩個碳原子的 pz 則彼此側疊形成 pz － pz π 鍵而 py 則形成 py －py 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）。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.13

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。 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 kJ/mol），形成最短最強的碳－碳鍵。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.15

練習題 1.4 畫出路易士結構及線–鍵結構 甲醛（CH2O）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。 練習題 1.4 畫出路易士結構及線–鍵結構 甲醛（CH2O）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。 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。 與乙烯的碳原子相似，甲醛的碳原子為sp2混成。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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，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（ 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.16

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， 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－）。 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 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.16

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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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＋）。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.17

練習題 1.5 預測極性鍵 請預測 H2O 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。 練習題 1.5 預測極性鍵 請預測 H2O 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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。 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）。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.19

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。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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.19

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。 酸強度通常用 pKa 值來表示，其中 pKa等於 Ka 取負對數值。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.19

第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.20

表 1.2 中水的 pKa 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 其中分子 Kw＝ [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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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。 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.20

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 pKa ＝ 15.74，乙炔的 pKa ＝ 25。請問何者的酸性 較強？氫氧離子會和乙炔反應嗎？ 練習題 1.6 預測酸－鹼反應 水的 pKa ＝ 15.74，乙炔的 pKa ＝ 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，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 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.21

練習題 1.7 從 pKa 值計算 Ka 丁酸具有腐臭奶油味，其 pKa ＝ 4.82，請問Ka值為何？ ANTLOG 或 INV LOG 功能。鍵入 pKa 值4.82 ， 改變為負號（－4.82），然後找出負對數 （1.5 × 10－5）。 解答 Ka ＝ 1.5 × 10－5 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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，且參與了許多新陳代謝之途徑。例如：醋酸、丙酮酸、檸檬酸。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.22

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。 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 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」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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.23

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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.24

第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.24

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。 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。 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.24

第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.25

練習題 1.8 利用箭頭表示電子的方向 利用箭頭表示乙醛（CH3CHO）與強酸 H ＋ 反應，如何作為路易士鹼？ 練習題 1.8 利用箭頭表示電子的方向 利用箭頭表示乙醛（CH3CHO）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 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.25

特論 有機的食品：風險與利益 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？ 第 1 章 結構與鍵結；酸與鹼 p.26