CH4 化合物與 鍵 結 (Compounds and Their Bonds)

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2 CH4 化合物與 鍵 結 (Compounds and Their Bonds)
4.1 八隅體規則與離子 4.2 離子化合物 4.3 離子化學式的命名與書寫 4.4 多原子離子 4.5 共價化合物與命名 4.6 陰電性與鍵的極性 4.7 分子的形狀與極性 4.8 化合物的吸引力

3 4.1 八隅體規則與離子 化合物是由兩種或多種不同元素藉由化學鍵結合而成。當一個原子失去價電子，而另一個原子獲得價電子時，即形成離子鍵。
離子化合物發生在金屬與非金屬鍵結時，例如鈉原子失去電子和氯原子得到電子，因此生成離子化合物 NaCl。 然而，非金屬的原子結合時會共用價電子而生成共價鍵，像氮原子和氯原子生成共價化合物 NCl3。 134

4 4.1 八隅體規則與離子 除了鈍氣之外，大部分的元素都易與其他元素結合而生成化合物，此乃因為鈍氣特別穩定，它們僅在極端條件下形成化合物。鈍氣的穩定性是由於它的 8 個價電子，然而氦只要填滿 2 個價電子即已穩定。 八隅體規則（octet rule）即原子具有獲得鈍氣電子排列方式的趨勢，它讓我們了解原子互相鍵結而生成化合物的關鍵所在。

5 4.1 八隅體規則與離子 正離子（Positive Ions）
在離子鍵結中，原子藉由失去或得到電子達到八隅體，因而生成帶有電荷的離子。正如我們在第 3 章 3.7 節中所討論的，因為 1A(1)、2A(2) 和 3A(13) 族金屬的游離能較低，所以這些金屬原子可以很容易的失去它們的價電子，也因此金屬原子獲得與鈍氣相同的電子排列（通常為 8 個價電子）；經由失去電子，金屬原子形成帶正電荷的離子（ion）。 135

6 4.1 八隅體規則與離子 在下圖中，鈉原子失去單一的價電子，剩下的 10 個電子與氖的電子組態相同，但原子核內仍有 11 個帶正電的質子，此時鈉原子不再維持電中性。離子具有不同的質子數（正電荷）與電子數（負電荷）而造成的電荷，稱為離子電荷（ionic charge）。具有 1＋ 離子電荷的鈉離子，電荷通常寫在元素符號的右上角，表示成 Na＋。 135

7 4.1 八隅體規則與離子 135

8 4.1 八隅體規則與離子 離子化合物中的金屬失去價電子生成帶正電荷的陽離子（cation）。
鎂是 2A(2) 族的金屬，經由失去 2 個價電子可獲得像鈍氣氖一樣電子組態的正離子，它帶有 2＋ 價的離子電荷。金屬離子以其元素名稱命名，因此 Mg2＋ 命名為鎂離子。 135

9 4.1 八隅體規則與離子 136

10 4.1 八隅體規則與離子 負離子（Negative Ions）
我們曾在第 3 章 3.7 節中提及 5A(15)、6A(16) 和 7A(17) 族非金屬原子的游離能較高。在離子化合物中，跟失去電子相比，非金屬原子獲得一個或多個價電子來達到八隅體要更容易，也因此非金屬原子獲得與鈍氣相同的電子排列。經由獲得電子，非金屬原子形成帶負電荷的離子。 136

11 4.1 八隅體規則與離子 例如氯原來有 7 個價電子，當它獲得 1 個電子時，可達到鈍氣氬的電子組態，此時氯原子有 18 個電子，它的原子核中有 17 個質子，氯原子不再維持電中性，即形成帶有 1－ 價離子電荷的氯離子，表示為 Cl－。帶負電的離子稱為陰離子（anion），非金屬離子的英文命名通常是將元素名稱的結尾改為 ide。

12 4.1 八隅體規則與離子 137

13 4.1 八隅體規則與離子 表 4.1 列出一些重要的金屬及非金屬離子名稱。 137

14 觀念評量 4.1 137

15 4.1 八隅體規則與離子 離子電荷依族數而定（Ionic Charges from Group Numbers）
在 3.7 節中我們曾學過週期表中典型元素的價電子數等於族數，現在我們可由族數來決定大部分離子的離子電荷。1A(1) 族的原子失去一個電子生成 1＋ 價的離子，2A(2) 族的原子失去兩個電子生成 2＋ 價的離子，3A(13) 族的原子失去三個電子生成 3+ 價的離子。 138

16 4.1 八隅體規則與離子 在離子化合物中，7A(17) 族的原子獲得一個電子生成 1－ 價的離子，6A(16) 族的原子獲得兩個電子生成 2－ 價的離子，5A(15) 族的原子獲得三個電子生成 3－ 價的離子。 4A(14) 族非金屬元素通常不形成離子；但是 4A(14) 族的金屬 Sn和 Pb 易失去電子生成正離子。表 4.2 列出一些典型元素常見單原子的離子電荷。 138

17 4.1 八隅體規則與離子 138

18 範例 4.1

19 問題　八隅體規則與離子 1. 下列元素其原子必須失去多少個電子，才能達到鈍氣的電子組態： a. Li b. Ca c. Ga d. Cs e. Ba 2. 請依照以下給予的質子數和電子數，寫出此離子的符號： a. 3 個質子，2 個電子 b. 9 個質子，10 個電子 c. 12 個質子，10 個電子 d. 26 個質子，23 個電子 3. 請寫出下列元素生成離子時失去或得到的電子數。 a. 鍶 b. 磷 c. 7A(17) 族 d. 鈉 e. 溴 4. 請寫出下列離子的符號： a. 氯離子 b. 銫離子 c. 硫離子 d. 鐳離子 140

20 4.2 離子化合物 離子化合物的性質 （Properties of Ionic Compounds）
4.2 離子化合物 離子化合物的性質 （Properties of Ionic Compounds） 離子化合物（如 NaCl）的物理及化學性質與原來元素狀態時之性質大不相同。如鈉金屬柔軟且具金屬光澤、氯是黃綠色的有毒氣體，但當帶正電及帶負電的離子反應結合後，即生成堅硬白色透明晶體的食鹽，即 NaCl，這是我們飲食中很重要的一個物質。 140

21 4.2 離子化合物 NaCl 的結晶中，每個 Na＋ 離子旁邊圍繞 6 個 Cl－ 離子，每個Cl － 離子旁邊也圍繞 6 個 Na＋ 離子（圖 4.1）。由於正負離子間彼此吸引力很強，因此造成離子化合物的高熔點。例如 NaCl 的熔點為801℃ ，在室溫下離子化合物為固態。 140

22 4.2 離子化合物 圖 4.1 鈉元素和氯元素反應生成離子化合物氯化鈉，也就是食鹽。圖中將 NaCl 的結
4.2 離子化合物 圖 4.1　鈉元素和氯元素反應生成離子化合物氯化鈉，也就是食鹽。圖中將 NaCl 的結 晶放大，以及 NaCl 結晶中 Na1 與 Cl2 離子的堆積排列圖。 左上圖圖片來源：©Richard Megna-FUNDAMENTAL PHOTOGRAPHS, NYC. 問：食鹽的 Na1 和 Cl2 離子是何種型式的鍵結？ 141

23 4.2 離子化合物 離子化合物的化學式 （Formulas of Ionic Compounds）
4.2 離子化合物 離子化合物的化學式 （Formulas of Ionic Compounds） 由離子化合物的化學式（formula）可指出組成此化合物的離子種類及數目。通常化學式中離子電荷的總和為零，意即正電荷的總數等於負電荷的總數，例如由化學式 NaCl 可知，化合物中包含一個鈉離子 Na＋ 和一個對應的氯離子 Cl－。 雖然離子帶有正負電荷，但是離子電荷並未出現於化合物的化學式中。 141

24 4.2 離子化合物 142

25 4.2 離子化合物 化學式的下標數字（Subscripts in Formulas）
4.2 離子化合物 化學式的下標數字（Subscripts in Formulas） 試想鎂和氯所形成的化合物，為了符合八隅體規則，Mg 原子失去 2 個價電子生成 Mg2＋，2 個氯原子各獲得 1 個電子生成 2 個Cl－。因需要 2 個 Cl－ 才能平衡 1 個帶正電的 Mg2＋，故氯化鎂的化學式是 MgCl2，下標數字 2 表示必須有 2 個 Cl－ 才能達到電荷平衡。 142

26 4.2 離子化合物 142

27 4.2 離子化合物 由離子電荷寫出離子化學式 （Writing Ionic Formulas from Ionic Charges）
4.2 離子化合物 由離子電荷寫出離子化學式 （Writing Ionic Formulas from Ionic Charges） 由離子化合物之化學式中的下標，可得知正離子與負離子的個數；它們的總電荷必須為零，所以我們可以直接由正離子和負離子的離子電荷寫出化學式。假設我們要寫出一個包含 Na＋ 及 S2－ 的離子化合物，為了平衡 S2－ 離子的離子電荷，化學式中必須有 2 個 Na＋離子讓總電荷為零，所以化學式為 Na2S。

28 4.2 離子化合物 書寫離子化合物的化學式時，陽離子寫在陰離子的前面，再以適當的下標數字表示離子的個數。 143

29 範例　4.2 143

30 問題　離子化合物 5. 下列各組元素中，哪些可形成離子化合物？ a. 鋰和氯 b. 氧和溴 c. 鉀和氧 d. 鈉和氖 e. 銫和鎂 f. 氮和氟 6. 請寫出由下列離子所形成之離子化合物的化學式： a. Na1 和 O22 b. Al31 和 Br2 c. Ba21 和 N32 d. Mg21 和 F2 e. Al31 和 S22 7. 利用離子電荷，請寫出由以下所形成離子化合物的化學式： a. 鉀和硫 b. 鈉和氮 c. 鋁和碘 d. 鎵和氧 143

31 4.3 離子化學式的命名與書寫 含有兩種元素之離子化合物的命名
4.3　離子化學式的命名與書寫 含有兩種元素之離子化合物的命名 （Naming Ionic Compounds Containing Two Elements） 含有兩種元素之離子化合物的命名係先寫金屬離子，接著再寫非金屬離子。下標的個數則不用表示，因為經由電荷平衡的結果便可知道化合物中離子的個數（表 4.4）。 144

32 4.3　離子化學式的命名與書寫 144

33 範例　4.3 144

34 4.3 離子化學式的命名與書寫 具有不同電荷的金屬 （Metals with Variable Charge）
4.3　離子化學式的命名與書寫 具有不同電荷的金屬 （Metals with Variable Charge） 過渡元素的電荷卻不容易決定，因為它們可生成二種或二種以上的正離子。過渡元素可失去最高能階的電子，有時也會失去較低能階的電子。 145

35 4.3　離子化學式的命名與書寫 在某些離子化合物中，鐵以 Fe2+ 的形式存在；而在不同化合物中，它可能以 Fe3+ 形式存在。銅也有二種不同形式：Cu+ 及 Cu2+。 當一個金屬可以生成二種或二種以上的離子時，因為它具有不同的電荷（variable charge），所以無法由族數預測其離子電荷。 145

36 4.3　離子化學式的命名與書寫 當金屬可能生成不同的離子時，化合物的命名系統必須能區別這些不同的陽離子。我們將離子電荷以羅馬數字表示，置於金屬元素的名稱之後，並且加上括弧。例如鐵的陽離子，Fe2+ 命名為鐵(Ⅱ)，而 Fe3+命名為鐵(Ⅲ)。表 4.5 列出一些可生成一種以上離子的元素。 圖 4.2 列出了週期表中的一些離子。 145

37 4.3　離子化學式的命名與書寫 145

38 4.3　離子化學式的命名與書寫 圖 4.2 金屬生成正離子，非金屬生成負離子。 問：鈣、銅和氧可生成何種離子？ 146

39 4.3 離子化學式的命名與書寫 不同電荷的決定（Determination of Variable Charge）
4.3　離子化學式的命名與書寫 不同電荷的決定（Determination of Variable Charge） 當我們命名離子化合物時，必須先判斷該金屬是典型元素或過渡元素。如果它是過渡元素，除了鋅、鎘和銀之外，我們必須將它的離子電荷，以羅馬數字表示在其命名之中；而離子電荷的計算是根據化學式中陰離子的負電荷而得。 例如，離子化合物 CuCl2，我們利用電荷平衡計算銅陽離子的電荷，因為有兩個氯離子，每個氯離子帶1－ 價，總負電荷為 2－ 價，為了平衡此 2－ 價，銅離子必須帶 2＋價，也就是 Cu2＋。 146

40 4.3　離子化學式的命名與書寫 為了表示 2＋ 價的銅離子 Cu2＋，所以當我們命名此化合物時，我們將羅馬數字 (II) 置於銅之後，即：氯化銅 (II)〔copper(II) chloride〕。 146

41 4.3　離子化學式的命名與書寫 147

42 範例　4.4 147

43 範例　4.4 (續) 147

44 範例 4.5 148

45 範例　4.5(續) 148

46 問題　離子化學式的命名與書寫 8. 請寫出下列離子化合物的命名： a. Al2O3 b. CaCl2 c. Na2O d. Mg3P2 e. KI f. BaF2 9. 為何大部分的過渡元素離子命名後要標上羅馬數字？ 10. 請寫出下列命名（若有必要，請標示羅馬數字）： a. Fe2+ b. Cu2+ c. Zn2+ d. Pb4+ e. Cr3+ f. Mn2+ 149

47 問題　離子化學式的命名與書寫 11. 請寫出下列離子化合物的命名： a. SnCl2 b. FeO c. Cu2S d. CuS e. CdBr2 f. ZnCl2 12. 下列每一個化學式中，陽離子的符號為何？ a. AuCl3 b. Fe2O3 c. PbI4 d. SnCl2 13. 請寫出以下離子化合物的化學式： a. 氯化鎂 b. 硫化鈉 c. 氧化銅 (Ⅰ) d. 磷化鋅 e. 氮化金 (Ⅲ) f. 氯化鉻 (Ⅱ) 149

48 4.4　多原離子 多原子離子（polyatomic ion）是一具有整體離子總電荷的原子集團。大部分的多原子離子是由非金屬元素所組成，如磷、硫、碳或氮等與氧原子鍵結而成。 幾乎所有多原子離子所帶的電荷為 1－、2－ 或 3－，這是因為分別加入 1、2 或 3 個電子於集團的原子中，可以使其達成八隅體的結構。只有一個常見的多原子離子，即銨離子（NH4＋）是帶正電。 茲將一些典型的多原子離子顯示於圖 4.3。 149

49 4.4　多原離子 圖 4.3 許多物品含有多原子離子，多原子離子是帶有離子電荷的原子集團。 問：硫酸根離子的電荷是多少？ 150

50 4.4 多原離子 多原子離子的命名 （Names of Polyatomic Ions）
4.4　多原離子 多原子離子的命名 （Names of Polyatomic Ions） 多原子離子的英文命名一般以 ate 結尾，而當其離子少一個氧原子時，則字尾將改為 ite。了解字尾的區分，有助於確認化合物中多原子離子的命名。 但此原則在氫氧根離子（OH－）和氰酸根離子（CN－）則為例外。 149

51 4.4　多原離子 經由化學式、電荷以及表 4.7 中的粗體字離子名稱的確認，讀者應能夠推導出相關的離子。特別要注意的是：不管名稱尾端為 ate 離子或 ite 離子，其非金屬都具有相同的電荷。 150

52 4.4　多原離子 151

53 4.4 多原離子 含多原子離子的化合物（Compounds Containing Polyatomic Ions）
4.4　多原離子 含多原子離子的化合物（Compounds Containing Polyatomic Ions） 多原子離子不可以單獨存在，任何多原子離子必須與其相反電荷的離子結合在一起。多原子離子和其他離子之間的鍵結是一種靜電吸引力。 151

54 4.4　多原離子 為了寫出含有多原子離子化合物的正確化學式，我們必須依循電荷平衡的原則，即正電荷與負電荷的總和必須等於零。以含有鈣離子（calcium ion）和碳酸根離子（carbonate ion）化合物的化學式為例，寫出這些離子： 152

55 4.4 多原離子 離子電荷：(2＋) ＋ (2－) ＝ 0 因為正負離子的電荷已達平衡，故其化學式可寫為：
4.4　多原離子 離子電荷：(2＋) ＋ (2－) ＝ 0 因為正負離子的電荷已達平衡，故其化學式可寫為： 若需要進行電荷平衡的多原子離子超過一個時，則將多原子離子的化學式置於括號內，並且在括號外寫出下標數字，以表示多原子離子的個數。含有鎂離子（magnesium ion）和硝酸根離子（nitrate ion）的硝酸鎂（magnesium nitrate）化學式表示如下： 152

56 4.4　多原離子 為了平衡 2＋ 的正電荷，需要兩個硝酸根離子，所以將硝酸根離子置於括號內，表示如下： 152

57 觀念評量　4.2 152

58 4.4 多原離子 含有多原子離子化合物之命名（Naming Compounds Containing Polyatomic Ions）
4.4　多原離子 含有多原子離子化合物之命名（Naming Compounds Containing Polyatomic Ions） 命名含有多原子離子的化合物時，首先寫出正離子，通常為金屬離子，然後再寫出多原子離子的命名。學習辦認化學式中的多原子離子及正確地命名是非常重要的，正如其他的離子化合物一樣，多原子離子的字首不必加上個數。 153

59 4.4　多原離子 表 4.8 列出一些含有多原子離子的離子化合物之化學式和命名，以及其在醫學和工業上的用途。 153

60 4.4　多原離子 153

61 範例　4.6

62 問題　多原子離子 14. 請寫出以下多原子離子的化學式，需包含電荷。 a. 碳酸氫根離子 b. 銨離子 c. 磷酸根離子 d. 硫酸氫根離子 15. 命名下列多原子離子： 16. 請完成下列表格中每對離子所生成化合物的化學式： 154

63 問題　多原子離子 17. 命名以下化合物，並找出每一個化學式中的多原子離子： 18. 對於下列化合物，請寫出其正確的化學式： a. 氫氧化鋇 b. 硫酸鈉 c. 硝酸鐵 (Ⅱ) d. 磷酸鋅 e. 碳酸鐵 (Ⅲ) 154

64 4.5 共價化合物與命名 兩個非金屬的原子共用電子形成共價化合物（covalent compound），因為非金屬的原子具有高游離能，因此電子並非在原子間轉移，而是經由共用電子來達到穩定狀態。 當原子共用電子，形成鍵結為共價鍵（covalent bond）。兩個或更多原子共用電子時，原子結合形成分子（molecules）。

65 4.5 共價化合物與命名 氫分子的形成（Formation of a Hydrogen Molecule）
最簡單的共價分子是氫氣（H2）。當兩個 H 原子離得很遠時，它們彼此之間沒有吸引力。當原子移近時，每個原子核的正電荷吸引另一原子的電子，此吸引力比價電子間的排斥力還要大，這將兩個 H 原子拉得更近，直到它們共用一對價電子（圖 4.4），此為共價鍵（covalent bond）。 155

66 4.5 共價化合物與命名 在 H2 的共價鍵中，每個 H 原子藉由共用電子達到鈍氣 He 的電子組態。因此，當兩個 H 原子形成 H2 時，鍵結的原子比兩個個別存在的 H 原子更穩定。 共價分子形成八隅體（Formation of Octets in Covalent Molecules） 共價分子的價電子可以用電子點的結構式或路易士結構式表示。 155

67 4.5 共價化合物與命名 共用的電子又稱為鍵結電子對（bonding pairs），繪於兩原子符號間，以兩點或一條線來表示。而未鍵結的電子對又叫作未共用電子對（lone pairs），繪於原子的外側。 例如 7A(17) 族的氟分子（F2）含有 2 個氟原子，每個氟原子有 7 個價電子，藉由共用它們未成對的價電子，每個氟原子均形成八隅體結構，結果 F2 分子的每個 F 原子都與鈍氣氖的電子組態相同。 156

68 4.5 共價化合物與命名 156

69 4.5 共價化合物與命名 不同元素原子間之共用電子對（Sharing Electrons between Atoms of Different Elements） 一個非金屬原子的共用電子數及其所形成的共價鍵數，通常等於達到鈍氣電子組態所需之電子數。表 4.10 指出一些非金屬的典型鍵結模式。例如元素碳與 4 個氫形成共價化合物 CH4，甲烷（methane），此為天然氣的成分之一。 156

70 4.5 共價化合物與命名 157

71 4.5 共價化合物與命名 157

72 觀念評量　4.3 158

73 範例　4.7 158

74 4.5 共價化合物與命名 共價雙鍵與參鍵 （Double and Triple Covalent Bonds）
直到目前為止，我們只看到分子中含單鍵的共價鍵結，但在許多的共價化合物中，原子是共用 2 或 3 對電子而達到八隅體的電子組態。一個雙鍵（double bond）共用 2 對電子，一個參鍵（triple bond）則是共用 3 對電子。碳、氧、氮和硫原子是最可能生成多重鍵結的原子。 159

75 範例　4.8

76 範例　4.8 (續) 160

77 觀念評量　4.4 161

78 4.5 共價化合物與命名 共價化合物的命名與化學式 （Names and Formulas of Covalent Compounds）
共價化合物的英文命名：化學式的第一個非金屬以其原來的元素名稱命名，第二個非金屬是利用元素名稱第一個音節，字尾再加上ide。為了顯示化合物含有二個或以上的原子，在各個名稱前加上個數的字首來表示，一些共價化合物命名的字首如表 4.12 所示。因為相同的兩種非金屬元素可以形成多種不同的化合物，所以共價化合物的命名前必須加上個數的字首。 161

79 4.5 共價化合物與命名 161

80 4.5 共價化合物與命名 通常在共價化合物的命名中，表示單一（mono）的字首常被省略，如一氧化氮 NO 命名為 nitrogen oxide，但是習慣上 CO 我們還是命名為 carbon monoxide。 表 4.13 列出一些共價化合物的化學式、命名及商業用途。 161

81 4.5 共價化合物與命名 162

82 觀念評量　4.5 162

83 範例　4.9 162

84 範例　4.9(續) 162

85 範例　4.10 163

86 4.5 共價化合物與命名 離子化合物和共價化合物命名之摘要（Summary of Naming Ionic and Covalent Compounds） 我們現在已經明白離子及共價化合物命名的流程。一般而言，化合物若有兩個元素，則先命名第一個元素的名稱，然後再以 ide 結尾命名第二個元素。若第一個元素是金屬，則為離子化合物；若第一個元素為非金屬元素，則為共價化合物。對離子化合物而言，必須先判斷其金屬是否可生成一種以上的正離子，如果是，則需將此特定的離子電荷以羅馬數字表示於金屬元素的名稱之後。 164

87 4.5 共價化合物與命名 銨離子（NH4+）是特例，它是帶正電荷之多原子離子寫在前面。若離子化合物中的多原子離子含有三種或以上的元素，而且是帶負電荷之多原子離子，其名稱則依離子化合物的命名規則，通常以 ate 或 ite 結尾。 含有兩種元素的共價化合物命名時，必須以字首表示出每種非金屬於化學式中的兩個或更多的原子個數（圖 4.5）。 164

88 4.5 共價化合物與命名 圖 4.5 　離子和共價化合物命名的流程圖。 問：化合物命名時，為何有些金屬離子名稱的後面帶有羅馬數字？ 164

89 範例　4.11 165

90 範例　4.11(續) 165

91 問題　共價化合物與命名 19. 請問週期表中哪些元素喜歡形成共價化合物？ 20. 請繪出下列每一個共價分子的電子點結構： a. Br2 b. H2 c. HF d. OF2 21. 命名下列化合物： a. PBr3 b. CBr4 c. SiO2 d. HF e. NI3 165

92 22. 命名下列化合物： a. N2O3 b. Si2Br6 c. P4S3 d. PCl5 e. N2S3 23
22. 命名下列化合物： a. N2O3 b. Si2Br6 c. P4S3 d. PCl5 e. N2S3 23. 請寫出下列化合物的化學式： a. 四氯化碳（carbon tetrachloride） b. 一氧化碳（carbon monoxide） c. 三氯化磷（phosphorus trichloride） d. 四氧化二氮（dinitrogen tetroxide） 166

93 c. N2O 吸入性麻醉劑（笑氣） d. Na3PO4 瀉藥 e. (NH4)2SO4 肥料 f. Fe2O3 顏料
24. 請寫出下列化合物的化學式： a. 二氟化氧 (oxygen difluoride) b. 三氯化硼（boron trichloride） c.三氧化二氮 (dinitrogen trioxide) d. 六氟化硫（sulfur hexafluoride） 25. 命名下列離子化合物或共價化合物： a. Al2(SO4)3 止汗劑　　　　　　b. CaCO3 制酸劑 c. N2O 吸入性麻醉劑（笑氣）　 d. Na3PO4 瀉藥　　　　 e. (NH4)2SO4 肥料　　　　　　 f. Fe2O3 顏料 166

94 4.6　陰電性與鍵的極性 經由觀察原子間的鍵結電子對如何共用，我們可以學到更多化合物的化學知識。雖然我們已經討論過一個或多個鍵結電子對可以生成共價鍵，但是我們並不知道鍵結電子是均等共用或非均等共用。 為了了解這部分，我們可利用陰電性或電負度（electron egativity）來說明，它指的是鍵結原子吸引共用電子的能力。 166

95 4.6　陰電性與鍵的極性 因為非金屬對於電子有較大的吸引力，所以非金屬的陰電性高於金屬。在陰電性的數值表中，氟的陰電性定為 4.0，其他元素的陰電性值是以相對於氟吸引共用電子之能力為基準。具有最大陰電性的非金屬是位於週期表右上方的氟（4.0）及氧（3.5）；具有最小陰電性（0.7）的金屬是位於週期表左下方的銫及鍅。典型元素的陰電性數值如圖 4.6 所示。 166

96 4.6　陰電性與鍵的極性 􀱚􀿪􀙑􀣃􀣃􁅍􀴴 圖 4.6 典型元素 1A(1) 族至7A(17) 族的陰電性代表原子吸引共用電子的能力，每一週期由左至右陰電性值增加，每一族由上至下陰電性值減少。 問：週期表中哪個元素對於共用電子具有最強的吸引力。 167

97 觀念評量　4.6 167

98 4.6 陰電性與鍵的極性 鍵的極性（Polarity of Bonds）
4.6　陰電性與鍵的極性 鍵的極性（Polarity of Bonds） 由兩個原子的陰電性差可預測其生成鍵結的類型是離子鍵或共價鍵，在 H－H 鍵結中，陰電性差為零（2.1 – 2.1 = 0），代表 2 個氫原子間均等共用鍵結電子。2 個相同原子間或 2 個相似陰電性原子間的鍵結，是一種非極性共價鍵（nonpolar covalent bond）。

99 4.6　陰電性與鍵的極性 然而，在不同陰電性的相異原子間形成鍵結，其電子為非均等共用時，所生成的鍵結為極性共價鍵（polar covalent bond）。例如在 H－Cl 中，二者陰電性差為 3.0（Cl）－ 2.1（H）＝ 0.9，也就是 H－Cl 的鍵結為極性（圖 4.7）。 168

100 4.6　陰電性與鍵的極性 圖 4.7 在氫分子（H2）的非極性共價鍵中，電子為均等共用。在氯化氫分子（HCl）的極性共價鍵中，電子為非均等共用。 問：請解釋為何 H2 是非極性共價鍵，而 HCl 卻是極性共價鍵？ 168

101 4.6 陰電性與鍵的極性 偶極與鍵的極性（Dipoles and Bond Polarity）
4.6　陰電性與鍵的極性 偶極與鍵的極性（Dipoles and Bond Polarity） 鍵的極性（polarity）視陰電性差而定。在極性共價鍵中，共用電子被具有較大陰電性的原子吸引，由於原子被帶負電的電子圍繞，使得此原子帶部分負電荷。 在此極性鍵的另一端，較低陰電性的原子因為缺乏電子變成帶部分正電荷。當陰電性差增加時，鍵結變得更極性，由於極性共價鍵造成正負電荷分離， 我們稱之為偶極（dipole），並以希臘字母小寫的德他（delta；δ ）加上正號（ δ＋）或負號（ δ－ ）來表示極性共價鍵正負的兩端。有時會以由正電荷指向負電荷的箭號（ ＋－→ ）來表示偶極。 168

102 4.6 陰電性與鍵的極性 鍵結的變化（Variations in Bonding）
4.6　陰電性與鍵的極性 鍵結的變化（Variations in Bonding） 鍵結的變化為連續性，無法明確地界定一種鍵結型式與另一種鍵結型式的分野。當陰電性差值介於 0.0 到 0.4 時，電子在非極性的價鍵中均等共用。例如 H－H（2.1 – 2.1 = 0）以及 C－H（ ）歸類在非極性的共價鍵中。當陰電性差值增加時，共用電子與較大陰電性原子的吸引力變得更強，因此共價鍵的極性也增加。當陰電性差值介於 0.5 與 1.8 之間時，此鍵結為極性共價鍵。例如，O－H（3.5 － 2.1 ＝ 0.4）被歸類為極性共價鍵（表 4.14）。

103 4.6　陰電性與鍵的極性 169

104 4.6　陰電性與鍵的極性 當陰電性差值大於 1.8，它足以讓電子由某原子轉移到另一個原子上時，就會形成離子鍵的型式。例如離子化合物 NaCl 的陰電性差值為 3.0－ 0.9＝2.1，因此對於這樣大的陰電性差值，我們預測其鍵結類型為離子鍵（表 4.15）。 169

105 4.6　陰電性與鍵的極性 169

106 觀念評量　4.7 170

107 範例　4.12 170

108 問題　陰電性與電的極性 26. 試敘述週期表中由左至右每一週期的陰電性變化趨勢。 27. 試利用週期表，將下列每一組原子依陰電性由小到大排列。 a. Li、Na、K b. Na、Cl、P c. Se、Ca、O 171

109 28. 試預測下列各鍵結型式為離子鍵、極性共價鍵或非極性共價鍵： a. Si－Br b. Li－F c. Br－F d. I－I e
28. 試預測下列各鍵結型式為離子鍵、極性共價鍵或非極性共價鍵： a. Si－Br b. Li－F c. Br－F d. I－I e. N－P f. C－O 29. 在下列鍵結中，請在原子上方標示出部分正電荷（d 1）和部分負電荷（d 2）的符號，並以偶極箭號表示出每一對的極性。 a. N－F b. Si－Br c. C－O d. P－Br e. N－P 171

110 4.7 分子的形狀與極性 利用繪出的電子點化學式以及中心原子周圍電子群數目，可以決定三度空間形狀。
根據價層電子對排斥理論〔valence shell electronpair repulsion（VSEPR）theory〕，中心原子周圍電子群盡可能遠離彼此，以降低電子群間的排斥力。分子特定的形狀取決於中心原子以及與其鍵結的原子數。 171

111 4.7 分子的形狀與極性 中心原子與兩個電子群 （Central Atom with Two Electron Groups）
以 BeCl2 為例，2 個氯原子與中心原子鈹鍵結，因為 Be 原子對價電子有很強的吸引力，所以它會生成共價化合物而不是離子化合物。 171

112 4.7 分子的形狀與極性 BeCl2 的電子點化學式是八隅體的例外，它僅有兩個電子群（兩對電子對）圍繞著中心原子，為了降低兩個電子群的排斥力，所以最佳排列方式是將其置於 Be 原子的兩側，因此 BeCl2 分子為直線形，呈現 180 °鍵角的形狀。 172

113 4.7 分子的形狀與極性 另外一個呈直線形的例子是 CO2 分子。欲推測分子形狀，我們先計算雙鍵或參鍵（兩對或三對電子對）當作一個電子群。CO2 的電子點化學式中，兩個電子群（兩個雙鍵）盡可能遠離彼此，所以將其置於 C 原子的兩側，因此 CO2 分子為直線形，呈現 180 ° 鍵角的形狀。 172

114 4.7 分子的形狀與極性 中心原子與三個電子群（Central Atom with Three Electron Groups）
BF3 的電子點化學式是中心原子 B 以三個電子群連接到三個氟原子上（另一個八隅體的例外），三個電子群盡可能遠離彼此，因此分子為呈現 120 ° 鍵角的平面三角形。在 BF3 分子中，所有的分子都在同一個平面上，鍵角皆為120˚。 172

115 4.7 分子的形狀與極性 SO2 的電子點化學式為：硫原子旁有三個電子群，S 與其中一個O 原子生成單鍵，而與另一個 O 則生成雙鍵，還剩下一對未共用電子對。正如 BF3，三個電子群為了降低排斥力，因此呈現平面三角形的排列，但是 SO2 其中有一對是未共用電子對，故而它的外形取決於與中心硫原子鍵結的兩個氧原子，即 SO2 分子形成彎曲形的形狀。 173

116 4.7 分子的形狀與極性 中心原子與四個電子群 （Central Atom with Four Electron Groups）
以 CH4 分子為例，中心碳原子以四個電子群和四個氫原子鍵結，由電子點化學式，你可能認為 CH4 是 90° 的平面分子，但是四個電子群的最小排斥力之最佳空間形狀是正四面體（tetrahedral），四個鍵呈現 109° 的鍵角。所以當四個原子以四個電子群與中心原子鍵結時，形成正四面體之分子。 173

117 4.7 分子的形狀與極性 現在我們要討論具有四個電子群，但是僅有兩個或參個鍵結原子。 173

118 4.7 分子的形狀與極性 例如氨 NH3，它有四個電子群，最小排斥力之形狀是正四面體，然而，NH3 有一對未共用電子對，因此 NH3 分子外形取決於與中心 N原子鍵結的三個氫原子，即形成三角錐（pyramidal）的形狀。 173

119 4.7 分子的形狀與極性 又例如 H2O 的電子點化學式，它有四個電子群，最小排斥力之形狀是正四面體。然而，H2O 有兩對未共用電子對，因此 H2O 分子外形取決於與中心 O 原子鍵結的兩個氫原子，即形成彎曲形（bent）的形狀。 表 4.16 列出具有兩個、三個或四個鍵結原子的電子與分子的幾何形狀。 174

120 4.7 分子的形狀與極性 174

121 觀念評量　4.8 175

122 範例　4.13 175

123 4.7 分子的形狀與極性 分子的極性（Polarity of Molecules）
在 4.6 節我們已經知道：共價鍵可以是極性或非極性，而具有共價鍵的分子也可視其鍵的極性和形狀分成極性或非極性。 175

124 4.7 分子的形狀與極性 非極性分子（Nonpolar Molecules）
例如 H2、Cl2 或 PH3，因為它們具有非極性的共價鍵，所以是非極性的分子。但是，具有極性鍵也可能是非極性的分子，如果分子的極性鍵（偶極）呈現對稱排列的方式。例如直線形分子 CO2，它具有2 個相反方向的極性共價鍵，偶極能彼此抵消，所以 CO2 分子是非極性的。因此，非極性分子（nonpolar molecule）包含非極性鍵或偶極能彼此抵消的極性鍵。 176

125 4.7 分子的形狀與極性 176

126 4.7 分子的形狀與極性 極性分子（Polar Molecules）
在極性分子（polar molecule）中，分子的一端比另一端具有較多的負電荷。當極性鍵不能夠彼此抵消時，分子便具有極性；而是否能抵消則視原子的類型、圍繞在中心原子旁的電子對及分子的形狀而定。例如 HCl 是極性的分子，因為在極性共價鍵中，電子並未均等的共用。 176

127 4.7 分子的形狀與極性 具有三個或三個以上原子的極性分子，中心原子的周圍通常帶有未共用電子對，其分子的形狀可決定偶極是否會被抵消。例如 H2O 的偶極不會被抵消，這使得分子的一端帶正電而另一端帶負電，因此水是極性分子。

128 4.7 分子的形狀與極性 又如 NH3 分子有三個偶極，但彼此之間無法完全抵消。
CH3F 分子的 CF 鍵是極性，但是 CH 鍵是非極性，這使得 CH3F為極性分子。 177

129 範例　4.14 177

130 問題　分子的形狀與極性 30. 請預測下列情況下，其分子的形狀為何？ a. 具有兩個鍵結原子及兩對未共用電子對 b. 具有三個鍵結原子及一對未共用電子對 31. PCl3 分子之磷原子周圍的四對電子呈正四面體的幾何形狀排列，然而，分子卻是三角錐的形狀，為何其分子的形狀與電子對的幾何形狀不同？ 32. 請比較 PH3 和 NH3 的電子點化學式，為何它們有相同的形狀？ 177

131 問題　分子的形狀與極性 33. 請利用VSEPR理論預測下列分子的形狀： a. SeBr2 b. CCl4 c. GaCl3 d. SeO2 34. 請解釋為何 Cl2 分子是非極性的，但是 HCl卻是極性的。 35. 請辦認下列各分子為極性或非極性： a. HBr b. NF3 c. CHF3 177

132 4.8 化合物的吸引力 偶極–偶極吸引力與氫鍵（Dipole–Dipole Attractions and Hydrogen Bonds）
例如極性分子 HCl，HCl 分子中帶部分正電荷的 H 原子，會與另一個HCl 分子中帶部分負電荷的 Cl 原子彼此吸引。 178

133 4.8 化合物的吸引力 當氫原子與氟、氧或氮等高陰電性原子鍵結時，極性分子間產生很強的偶極–偶極吸引力，這種吸引力稱為氫鍵（hydrogen bond），這是由帶部分正電荷的氫原子與另一分子的氮、氧或氟原子的未共用電子對所產生的吸引力 178

134 4.8 化合物的吸引力 分散力（Dispersion Forces）
179

135 4.8 化合物的吸引力 物質的熔點與吸引力的強弱有關。具有分散力這種弱吸引力的化合物，熔點較低，因為它僅需要少量的能量便能分離分子並且形成液體。具有氫鍵和偶極–偶極吸引力的化合物，則需要較多的能量去破壞分子間的吸引力，離子化合物的離子間有非常強的吸引力，因此具有最大的熔點。表 4.17 為具有各種吸引力的一些物質之熔點的比較。 茲將在固體和液體的粒子間各種不同型態的吸引力歸納在表 4.18。 179

136 4.8 化合物的吸引力 179

137 4.8 化合物的吸引力 179

138 範例　4.15 180

139 問題　化合物的吸引力 36. 試判斷下列物質粒子間吸引力的主要型態： a. BrF b. KCl c. Cl2 d. CH4 37. 試判斷下列物質粒子間最強的吸引力為何？ a. H2O b. Ar c. HBr d. NF3 e. CO 180