化學

化學元素週期表

鑭系元素

錒系元素

金屬

鋁與鋁合金

基本概念

• 鋁（Al）： 一種輕質金屬，密度低、耐腐蝕，常用於工業與民用領域。
• 鋁合金： 在鋁的基礎上加入其他金屬（如鎂、銅、鋅等）以提升強度、硬度和耐磨性。

主要差異

鋁合金的分類

• 鋁銅合金（2XXX系）： 強度高，適用於航空與高強度結構。
• 鋁鎂合金（5XXX系）： 耐腐蝕性佳，常用於船舶與化工設備。
• 鋁鋅合金（7XXX系）： 強度極高，應用於航太與高性能運動器材。

如何選擇

若需求為輕量、耐腐蝕，且不需高強度，鋁即可滿足；若需要更高的機械性能，則應選擇鋁合金。

鋼

定義

鋼是一種以鐵（Fe）為主要成分，並含有碳（C）及其他合金元素的金屬材料。其碳含量通常在0.02%至2.1%之間，影響鋼的硬度與強度。

鋼的分類

按碳含量分類

• 低碳鋼（軟鋼）： 碳含量低於0.3%，韌性好，適合結構件與管材。
• 中碳鋼： 碳含量0.3%~0.6%，強度較高，應用於機械零件與汽車零部件。
• 高碳鋼： 碳含量超過0.6%，硬度高，適用於刀具與彈簧。

按合金元素分類

• 碳素鋼： 僅含碳與少量雜質，應用廣泛。
• 合金鋼： 含有錳（Mn）、鉻（Cr）、鎳（Ni）等元素，提高強度、耐磨性與耐腐蝕性。
• 不鏽鋼： 含鉻（Cr）在10.5%以上，具有良好抗腐蝕性能，常用於餐具、建築與醫療設備。

鋼的特性

• 強度高，適用於結構與承重應用。
• 可塑性與延展性佳，能透過鍛造、軋製與焊接加工。
• 耐熱性能優異，可用於高溫環境。
• 部分合金鋼與不鏽鋼具備良好的耐腐蝕性。

應用領域

• 建築工程： 鋼筋、鋼結構、橋樑。
• 機械製造： 齒輪、軸承、刀具。
• 汽車工業： 車體結構、發動機零件。
• 家電與日用品： 廚具、不鏽鋼水壺。

如何選擇鋼材

選擇鋼材時應考慮使用環境與需求，例如耐腐蝕可選不鏽鋼，需高強度則選合金鋼，若為一般建築結構，則可使用碳素鋼。

鎢鋼

定義

鎢鋼（硬質合金）是一種以鎢（W）與碳（C）結合形成碳化鎢（WC）為主要成分，並加入鈷（Co）或鎳（Ni）作為結合劑的高強度合金材料。它擁有極高的硬度、耐磨性與耐高溫性能。

鎢鋼的特性

• 極高硬度： 硬度可達HRA 89~95，僅次於鑽石。
• 耐磨性強： 具有極高的抗磨損能力，適用於高負荷環境。
• 耐高溫： 能在1000°C以上的高溫環境中保持穩定性能。
• 高強度與剛性： 具備優異的抗壓能力，適合高精度切削加工。
• 抗腐蝕性佳： 不易氧化或受到化學物質侵蝕。

鎢鋼的分類

• YG類（鎢鈷類）： 含鈷作為結合劑，適用於金屬切削、刀具。
• YT類（鎢鈦類）： 含鈦（Ti），耐高溫，適用於高速切削。
• YW類（通用型）： 綜合性能較好，適合不同材料的加工。

應用領域

• 刀具與鑽頭： 用於製造高精度切削工具，如鎢鋼刀片、鑽頭。
• 模具製造： 用於衝壓模具、冷擠壓模具等高強度模具材料。
• 機械零件： 如耐磨軸承、閥門、渦輪葉片等。
• 軍事與航太： 製造裝甲穿甲彈、噴射發動機零件。
• 珠寶與飾品： 由於耐刮耐磨，常用於手錶外殼、戒指等高級飾品。

如何選擇鎢鋼產品

• 若需高硬度與耐磨性，可選含鈷較低的鎢鋼。
• 若需耐衝擊性能，則選含鈷較高的鎢鋼。
• 對於高溫環境，可選含鈦的鎢鋼，提升耐熱性。

鎵

基本性質

鎵（Gallium，元素符號 Ga）是一種銀白色金屬，屬於第13族元素。其特點是熔點極低，但沸點極高。

• 原子序：31
• 熔點：29.76°C（可在手中融化）
• 沸點：2204°C
• 密度：5.91 g/cm³
• 硬度低，質地柔軟，可用刀切割。

化學性質

鎵在常溫下穩定，不易氧化，但加熱時會與氧、硫、鹵素等反應。

• 與氧反應形成氧化鎵（Ga₂O₃）。
• 可與鹽酸反應產生氫氣：
• 2Ga + 6HCl → 2GaCl₃ + 3H₂↑

物理特點

• 在固態時體積小，熔化後體積膨脹（與水相反）。
• 能「潤濕」玻璃與大多數金屬，留下痕跡。
• 良好的導熱性與導電性。

應用領域

• 電子工業：製造半導體材料，如砷化鎵（GaAs）與氮化鎵（GaN），應用於發光二極體（LED）、太陽能電池、高頻通訊裝置等。
• 醫學應用：鎵化合物可用於抗菌與癌症治療的研究。
• 溫度指示劑：因熔點接近人體溫度，常用於製作熔點指示器。

安全與儲存

• 金屬鎵毒性低，但其化合物（如GaAs）可能具有一定毒性，需小心處理。
• 儲存時避免與鋁等金屬接觸，因其會滲入金屬內部，破壞結構。

鍺

基本性質

鍺（Germanium，元素符號 Ge）是一種灰白色、有光澤的類金屬，屬於第14族元素，與矽和錫同族。

• 原子序：32
• 熔點：938.3°C
• 沸點：2820°C
• 密度：5.32 g/cm³
• 半導體性質明顯，是早期電子技術的重要材料。

化學性質

鍺在常溫下穩定，不易與空氣中的氧反應，但在高溫下可被氧化。

• 加熱時與氧氣反應形成二氧化鍺（GeO₂）。
• 能與鹵素（如氯、溴）直接化合。
• 在濃硝酸中會被緩慢溶解。

物理特點

• 具有良好的紅外線透明性，可用於光學鏡片。
• 純鍺為半導體材料，具良好電性能。
• 在常溫下為堅硬而脆的固體。

應用領域

• 半導體工業：鍺是早期晶體管與二極體的主要材料，現今多用於高速電子元件與光電元件。
• 光學裝置：鍺具良好的紅外線透光性，廣泛應用於紅外線鏡頭、光纖與夜視儀。
• 太陽能技術：高效能多接面太陽能電池中使用鍺作為基底材料。
• 合金添加劑：鍺可用於強化鋁、銀等金屬合金的性能。

安全與儲存

• 金屬鍺本身毒性低，但某些鍺化合物（如有機鍺）可能對肝腎有毒，應避免長期攝入。
• 儲存時應保持乾燥，避免高溫與強氧化劑接觸。

化學反應

定義

化學反應是指物質之間的原子或分子重新排列，生成一種或多種新物質的過程。在反應中，原子本身不變，但它們的結合方式改變，形成新的化學鍵。

反應特徵

• 生成新物質
• 伴隨能量變化（放熱或吸熱）
• 可能出現氣體、沉澱、顏色改變、溫度變化等現象

反應類型

• 合成反應：兩種或以上物質結合成一種新物質
  例：2H₂ + O₂ → 2H₂O
• 分解反應：一種物質分解成兩種或以上物質
  例：2H₂O₂ → 2H₂O + O₂
• 單置換反應：元素取代化合物中的一個部分
  例：Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂
• 雙置換反應：兩種化合物互換離子產生新化合物
  例：AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃
• 燃燒反應：物質與氧氣劇烈反應並釋放能量
  例：CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

能量變化

• 放熱反應：反應過程釋放熱能（如燃燒）
• 吸熱反應：反應過程吸收熱能（如電解水）

影響反應速率的因素

• 溫度（升高溫度可加快反應）
• 濃度或壓力（增加濃度或氣體壓力通常加快反應）
• 表面積（固體越細碎，反應越快）
• 催化劑（可加快或減慢反應速率）

化學反應式

用化學符號表示反應物與生成物之間的變化，並需遵守質量守恆定律，即反應前後的原子種類與數量相同。

例：C + O₂ → CO₂

實際應用

• 金屬冶煉
• 食品保存與烹飪
• 藥品製造
• 能源產生（如燃料燃燒、電池反應）

催化的原理與應用

定義

催化是指催化劑在化學反應中改變反應速率（通常是加快）而本身不被消耗的現象。催化劑可降低活化能，使反應在較低能量下進行。

催化的分類

• 正催化：加速反應速率，是最常見的催化形式。
• 負催化（抑制）：降低反應速率。

依存在形式分類

• 均相催化：催化劑與反應物在同一相（如同為氣體或液體），反應均勻進行。
• 異相催化：催化劑與反應物在不同相（例如固體催化劑與氣體反應物），反應發生在表面。

催化的機制

催化劑透過改變反應路徑，提供一條能量較低的中間過程，從而加速反應。

例如在催化反應中：

1. 反應物與催化劑結合形成中間體。
2. 中間體轉化為產品，同時釋放催化劑。

常見例子

• 製氨反應（哈柏法）：鐵作為催化劑促進N₂ + 3H₂ → 2NH₃。
• 分解過氧化氫：二氧化錳（MnO₂）催化H₂O₂ → H₂O + O₂。
• 汽車觸媒轉化器：鉑、鈀、銠等催化CO、NO與碳氫化合物的轉化。

工業與生活應用

• 石化工業（如裂解與異構化反應）
• 環保技術（汽車尾氣處理、工業廢氣脫硝）
• 食品工業（酵素作為生物催化劑）
• 製藥工業（選擇性合成、酶催化反應）

生物催化

生物體中的催化劑稱為酵素（酶），具有高度選擇性與高效率，能在溫和條件下進行複雜反應。

結論

催化是化學與工業反應中不可或缺的核心技術，不僅提升效率，也有助於節能減排與環境保護。

酸鹼性

酸與鹼

定義

• 阿瑞尼士定義（Arrhenius）：酸是能在水中釋放出 H⁺ 的物質，鹼是能釋放出 OH⁻ 的物質。
• 布朗斯特-勞里定義（Brønsted–Lowry）：酸是質子（H⁺）的供體，鹼是質子的受體。
• 路易斯定義（Lewis）：酸是電子對接受者，鹼是電子對供體。

酸與鹼的性質

• 酸味酸，鹼味苦；酸能使藍色石蕊變紅，鹼能使紅色石蕊變藍。
• 酸與鹼可發生中和反應，生成鹽與水。
• 強酸與強鹼在水中幾乎完全電離；弱酸與弱鹼部分電離。

常見例子

酸鹼強度與pH

• pH值：是氫離子濃度的負對數，pH = -log[H⁺]。
• pH < 7 為酸性，pH = 7 為中性，pH > 7 為鹼性。
• Ka（酸度常數）與Kb（鹼度常數）：用於表示酸或鹼的強度。

酸鹼反應

• 中和反應：酸 + 鹼 → 鹽 + 水
• 酸與金屬反應：產生氫氣
• 酸與碳酸鹽反應：產生二氧化碳氣體

應用

• 工業：製肥料、清潔劑、電鍍、造紙
• 生物：胃酸（HCl）、血液緩衝系統（H₂CO₃/HCO₃⁻）
• 日常生活：食醋、消化藥品、肥皂、清潔劑

酸性溶液常作為清潔劑

溶解無機污垢

酸能與無機物質發生化學反應，將其轉化為可溶性化合物，便於清除。

• 去除水垢：水垢主要由碳酸鈣（CaCO₃）組成，酸能將其溶解，例如：
  CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
• 清除鐵鏽：鐵鏽（Fe₂O₃）可與鹽酸反應生成可溶性的氯化鐵：
  Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O

分解油脂與有機物

某些酸可破壞油脂的分子結構，使其乳化並更易沖洗掉。

• 醋酸（食醋）可去除油污和皂垢。
• 檸檬酸可清潔咖啡機內的鈣質沉積物。

殺菌與消毒

酸性環境能抑制細菌與霉菌生長，因此酸性溶液常用於消毒。

• 醋酸可有效殺滅大腸桿菌與沙門氏菌。
• 稀釋的鹽酸可用於醫療器具的消毒。

增強表面光潔度

酸能去除表面的氧化層與礦物沉積，使其恢復光澤。

• 檸檬酸可用於玻璃清潔，使其更加透亮。
• 草酸可清潔不鏽鋼與大理石表面。

應用範圍

酸性清潔劑廣泛應用於家庭與工業領域。

• 浴室清潔劑（去除水垢與皂垢）。
• 除鏽劑（溶解鐵鏽與氧化層）。
• 咖啡機除垢劑（去除鈣質沉積）。

磷酸

化學性質

磷酸（H₃PO₄）是一種中等強度的三元酸，分子中含有三個可電離的氫原子。它可分別釋放出三個質子，形成二氫磷酸根（H₂PO₄⁻）、氫磷酸根（HPO₄²⁻）與磷酸根（PO₄³⁻）。

物理性質

純磷酸為無色無味的黏稠液體或晶體，易溶於水，具吸濕性。常見的工業磷酸為濃度約85%的水溶液。

製備方法

磷酸可經由兩種主要方法製備：

• 熱法：以白磷燃燒產生五氧化二磷，接著與水反應生成磷酸。
• 濕法：以硫酸與磷礦石反應，產生磷酸與副產物石膏，適用於肥料工業。

用途

磷酸在多個領域中均有應用，包括：

• 食品添加物：作為酸味劑、防腐劑（常見於碳酸飲料）
• 化肥原料：用於製造磷酸二氫鉀、過磷酸鈣等肥料
• 表面處理：用於金屬的除鏽與防鏽處理
• 醫藥與牙科：用於製備牙齒黏合劑與清潔劑

安全與環境

雖然磷酸毒性較低，但濃磷酸具腐蝕性，應避免與皮膚或眼睛接觸。過度使用磷酸肥料可能導致水體優養化，影響生態系統。

醋酸去除油污和皂垢

油污的性質與醋酸的作用

油污主要由脂肪、油脂（脂肪酸酯）和其他有機物組成，通常為非極性物質，難以溶於水。

醋酸（CH₃COOH）為極性弱酸，可通過以下機制去除油污：

• 乳化作用：醋酸能改變油脂表面的性質，使其與水形成乳化液，易於沖洗。
• 酸解作用：醋酸可與某些油脂發生水解反應，產生可溶於水的脂肪酸和甘油，例如：
  (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3CH₃COOH → 3C₁₇H₃₅COOH + C₃H₈O₃

皂垢的成分與醋酸的反應

皂垢主要由不溶性脂肪酸鹽（如鈣皂、鎂皂）組成，這些化合物在硬水環境下與肥皂作用後形成。

醋酸能與這些不溶性化合物發生酸鹼中和反應，使其轉化為可溶於水的物質，便於沖洗。

• 鈣皂的去除：醋酸與硬水中的鈣皂（如硬脂酸鈣）反應，生成可溶性的醋酸鈣：
  2CH₃COOH + Ca(C₁₇H₃₅COO)₂ → Ca(CH₃COO)₂ + 2C₁₇H₃₅COOH
• 鎂皂的去除：類似地，醋酸可將鎂皂轉化為醋酸鎂，使其溶於水。

清潔效果的增強

醋酸的去污能力可進一步增強，若與熱水或其他表面活性劑（如洗潔精）搭配使用，能更有效地分解油污與皂垢。

脫氫乙酸鈉

化學性質

主要用途

• 食品防腐：用於糕點、豆製品、醬菜、果醬等，可有效抑制霉菌、酵母菌及細菌。
• 日化用品：添加於洗髮精、護膚品、牙膏等，延長保存期限並防止微生物污染。
• 醫療用途：用於藥品、防腐濕巾、眼藥水等產品中。

法規與使用規定

• 中國：列入《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》（GB 2760），可作為防腐劑使用，限量通常為 0.3～0.5g/kg。
• 歐盟：未列入歐盟批准的食品添加劑清單，不允許作為食品添加劑使用。
• 美國：美國食品藥物管理局（FDA）不允許其作為直接食品添加劑使用，僅作為間接添加物（如包裝材料中的抑菌成分）使用。
• 日本：禁止作為食品添加劑使用。

致癌性與安全性

基本資料

• 英文名稱：Sodium dehydroacetate
• 化學式：C₈H₇NaO₄
• 分子量：190.13
• CAS 號：4418-26-2
• 毒性分級：LD₅₀（大鼠，口服）約 2000 mg/kg

有機化學

探索碳化合物的科學

烴

概述

烴是由碳（C）和氫（H）兩種元素組成的有機化合物，是有機化學中最基本的化合物之一。根據碳原子之間的鍵結類型，烴可分為多種類型。

分類

根據結構和鍵結，烴主要分為以下三類：

• 飽和烴：只含單鍵，如烷烴（甲烷、乙烷）。
• 不飽和烴：含有雙鍵或三鍵，如烯烴（乙烯）、炔烴（乙炔）。
• 芳香烴：具有共軛π鍵環狀結構，如苯、甲苯。

性質

烴的性質因結構不同而有所變化：

• 低分子量的烴通常是氣體（如甲烷、乙烷），而高分子量的烴多為液體或固體。
• 大部分烴不溶於水，但溶於有機溶劑。
• 燃燒時可生成二氧化碳和水，並釋放大量能量。

用途

烴在工業和日常生活中有廣泛用途：

• 作為燃料：如天然氣、汽油、煤油。
• 作為化工原料：製備塑膠、橡膠、合成纖維等。
• 用於合成其他有機化合物：如醇類、酮類、酸類。

烷

定義

烷是一類飽和烴化合物，其分子中只含有碳碳單鍵（C–C）和碳氫單鍵（C–H）。其通式為 C_nH_2n+2，最簡單的烷是甲烷（CH₄）。

分類

• 直鏈烷：碳原子以不分支的方式連接，例如乙烷、丙烷。
• 支鏈烷：碳原子形成分支，例如異丁烷。
• 環烷：碳原子形成環狀結構，例如環戊烷。

物理性質

• 低分子量烷為氣體（如甲烷、乙烷），中等分子量為液體（如己烷），高分子量為固體（如石蠟）。
• 不溶於水，但溶於有機溶劑。
• 熔點和沸點隨分子量增加而升高。

化學性質

• 化學性質相對穩定，但在高溫或催化條件下可發生反應。
• 與鹵素發生取代反應，例如氯化反應生成氯烷。
• 在充分供氧下可完全燃燒生成二氧化碳和水。
• 可裂解生成小分子烴，應用於石油裂化。

應用

• 甲烷是天然氣的主要成分，用於燃料和製造氫氣。
• 液態烷如己烷和辛烷用作溶劑和燃料。
• 石蠟用於製造蠟燭、絕緣材料和防水塗層。

甲烷

化學性質

甲烷（CH₄）是一種最簡單的烷烴，無色無味，屬於非極性分子，難溶於水但可溶於有機溶劑。燃燒時產生二氧化碳和水，並釋放大量熱能。

物理性質

標準狀態下，甲烷為無色無味的氣體，密度比空氣小，熔點約為 -182°C，沸點約為 -161.5°C。

來源

甲烷主要來源包括天然氣、動植物有機物的分解、沼氣發酵以及生物代謝過程。主要工業來源為天然氣開採。

用途

甲烷廣泛應用於能源、化學工業與燃料領域。可用作家庭燃氣、發電、製造甲醇、氫氣與合成氣等。

環境影響

甲烷是一種強效溫室氣體，其對氣候變遷的影響遠大於二氧化碳。減少甲烷排放對環境保護具有重要意義。

苯

苯的基本性質

苯（Benzene）是一種無色、有甜味且具高度揮發性的液體。其化學式為C₆H₆，是最簡單的芳香烴。

• 分子結構：苯分子呈環狀，六個碳原子形成共軛π鍵的結構。
• 熔點：5.5°C
• 沸點：80.1°C
• 密度：0.8765 g/cm³
• 難溶於水，但易溶於有機溶劑。

苯的來源

苯主要由以下途徑獲得：

• 石油化工：從石油裂解氣或催化重整中提取。
• 煤化工：由煤焦油分餾得到。

苯的用途

苯在化工行業中具有廣泛的用途：

• 合成原料：用於生產苯酚、苯胺、苯乙烯等化學品。
• 溶劑：作為工業溶劑，用於油漆、膠水及清潔劑等產品。
• 燃料添加劑：曾用於汽油中提升辛烷值（現多數國家已限制使用）。

健康與環境影響

苯對人體和環境具有潛在的危害：

• 對健康的影響：長期暴露於苯可能導致血液疾病，如白血病；吸入高濃度苯會導致頭痛、頭暈甚至中毒。
• 環境污染：苯具有揮發性，易造成空氣污染，並可能滲入地下水源。

安全處理與儲存

處理和儲存苯時需注意以下事項：

• 儲存於陰涼、通風良好的地方，並遠離火源。
• 操作時應佩戴防護設備，如手套和呼吸防護器。
• 避免直接接觸或長時間暴露於苯的環境中。

烯

定義

烯是一類含有碳碳雙鍵（C=C）的不飽和烴化合物。其通式為 C_nH_2n，最簡單的烯為乙烯（C₂H₄）。

分類

• 直鏈烯：碳鏈不分支，例如丙烯。
• 支鏈烯：碳鏈帶有分支，例如異丁烯。
• 環烯：形成環狀結構，例如環戊烯。

物理性質

• 低分子量烯為氣體或液體，無色且具有輕微氣味。
• 不溶於水，但易溶於有機溶劑。
• 隨分子量增加，熔點和沸點升高。

化學性質

• 由於含有碳碳雙鍵，烯具有高度的反應活性。
• 能進行加成反應，例如與氫氣、鹵素和水的加成。
• 可進行氧化反應，生成環氧化物或羧酸。
• 雙鍵的排列可引起順反異構現象。

應用

• 乙烯是塑膠（如聚乙烯）和其他化學品的重要原料。
• 丙烯用於製造聚丙烯、異丙醇和丙烯腈。
• 環烯可用於合成特殊聚合物和藥物。

萜烯

定義

萜烯是一類由異戊二烯單元（C₅H₈）組成的有機化合物。它們廣泛存在於植物和某些昆蟲中，通常具有芳香氣味。

分類

• 單萜：由兩個異戊二烯單元組成，例如桉樹醇。
• 倍半萜：由三個異戊二烯單元組成，例如法呢醇。
• 二萜：由四個異戊二烯單元組成，例如維生素 A。
• 三萜：由六個異戊二烯單元組成，例如角鯊烯。
• 四萜：由八個異戊二烯單元組成，例如橡膠。

物理性質

• 通常為揮發性液體，具有強烈的氣味。
• 不溶於水，但易溶於有機溶劑。

化學性質

• 含有不飽和鍵，易於發生加成反應和氧化反應。
• 在酸或高溫下可進行環化反應。

應用

• 用於精油、香水和香料的製造。
• 在藥物中作為抗氧化劑和抗炎劑。
• 作為生物燃料和工業溶劑。

萜烯分子3D結構圖

以松油烯 α-Pinene 為例

炔

定義

炔是一類含有碳碳三鍵（C≡C）的不飽和烴化合物。其通式為 C_nH_2n-2，最簡單的炔是乙炔（C₂H₂）。

分類

• 末端炔：三鍵位於分子末端，例如 1-丁炔。
• 內部炔：三鍵位於碳鏈中間，例如 2-丁炔。

物理性質

• 低分子量炔通常為氣體或揮發性液體，具有輕微氣味。
• 不溶於水，但易溶於有機溶劑。
• 三鍵使分子具有較高的鍵能和直線型結構。

化學性質

• 三鍵中的 π 鍵易於斷裂，能進行加成反應，例如與氫氣、鹵素和水的加成。
• 末端炔具有酸性，能與強鹼反應生成炔負離子。
• 可在催化條件下進行聚合反應，生成複雜結構。

應用

• 乙炔用於金屬切割和焊接，因其燃燒時能產生高溫。
• 炔化合物是合成有機化學品（如塑膠、橡膠和藥物）的重要原料。
• 某些炔化合物在醫藥中具有抗癌或抗菌的活性。

醇

定義

醇是一類有機化合物，具有一個或多個羥基（–OH）直接連接到碳原子的特性。通常，醇的通式為 R–OH，其中 R 是烷基或芳基。

分類

• 一元醇：只含一個羥基，例如甲醇、乙醇。
• 多元醇：含有多個羥基，例如甘油（丙三醇）。
• 脂肪醇：含有飽和或不飽和的長鏈烷基，例如十六醇。

物理性質

• 具有極性，與水混溶性隨分子量增加而降低。
• 沸點高於對應的烷烴，因為羥基形成氫鍵。

化學性質

• 可被氧化生成醛、酮或羧酸。
• 與酸性物質反應生成酯。
• 脫水可生成烯烴。

應用

• 作為溶劑，用於工業及實驗室。
• 乙醇是常見的飲品成分，亦用於醫藥及燃料。
• 多元醇用於化妝品和食品添加劑。

酚

定義

酚是一類有機化合物，其分子中含有一個或多個羥基（–OH）直接連接到芳香環的碳原子上。最簡單的酚是苯酚（C₆H₅OH）。

分類

• 單酚：每分子只含一個羥基，例如苯酚。
• 多酚：每分子含有多個羥基，例如兒茶酚和間苯三酚。

物理性質

• 大多數酚為晶體固體，具有特殊氣味。
• 溶解性隨分子結構不同而異，低分子量酚可溶於水。

化學性質

• 具有酸性，能與鹼反應生成酚鹽。
• 羥基的存在使其易於發生氧化和硝化反應。
• 酚可通過共振結構增強芳環的親電取代反應活性。

應用

• 用於製造塑膠（如酚醛樹脂）及黏合劑。
• 苯酚是製造阿司匹靈等藥物的重要原料。
• 多酚具有抗氧化性，廣泛應用於食品和化妝品中。

醚

定義

醚是一類有機化合物，分子中含有一個氧原子連接兩個烷基或芳基基團。其通式為 R–O–R'，其中 R 和 R' 可以相同或不同。

分類

• 對稱醚：兩個基團相同，例如二乙醚。
• 不對稱醚：兩個基團不同，例如甲基乙基醚。

物理性質

• 通常為揮發性液體，具有甜味或刺鼻氣味。
• 沸點低於相應的醇，因為缺乏氫鍵。
• 不溶於水，但低分子量醚具有一定水溶性。

化學性質

• 化學性質相對穩定，不與酸或鹼發生反應。
• 在高溫或光照下可能與氧氣反應生成過氧化物。
• 可在強酸催化下進行開環反應（環氧化物）。

應用

• 用作溶劑，適用於油脂、樹脂及有機反應。
• 二乙醚是麻醉劑的一種，歷史上廣泛應用於醫學。
• 環醚（如環氧乙烷）是合成塑膠及其他有機化合物的中間體。

環氧乙烷

結構與性質

環氧乙烷（Ethylene oxide）是一種具有三元環結構的有機化合物，分子式為 C₂H₄O，由兩個碳原子和一個氧原子形成張力極高的環狀結構。它是一種無色、具有甜味氣味的易燃氣體，在常溫下為氣態。

由於其環狀張力極大，使其具有高度反應性，是許多有機合成反應中的重要中間體。

應用

• 消毒滅菌：環氧乙烷可在低溫下殺菌，廣泛用於醫療器材、塑膠用品等不能高溫滅菌的設備。
• 化工原料：是製造乙二醇、表面活性劑、聚醚與其他有機化合物的重要原料。

安全性

環氧乙烷具有毒性與致癌性，吸入可能導致神經系統與呼吸系統影響，長期接觸則可能增加癌症風險。它也極易燃，與空氣可形成爆炸性混合物，因此在使用與儲存時必須嚴格控管。

硝基甲烷

化學性質

用途

• 燃料添加劑：廣泛應用於模型飛機、賽車與無人機等高性能內燃引擎燃料中，提升燃燒效率與動力輸出。
• 有機合成原料：用於製備硝基化合物、胺類、異氰酸酯等中間體。
• 溶劑用途：可作為纖維素醚、聚合物、螢光染料等的溶劑。
• 炸藥成分：與其他成分混合可製成液體炸藥，如 PLX，但其本身不屬於高敏感炸藥。

毒性與危害

安全與處理

• 儲存於陰涼、通風、遠離火源的場所。
• 避免與強鹼、強酸、還原劑或氧化劑接觸。
• 使用時應配戴防護手套與護目鏡，並確保良好通風。

法規與環境

基本資料

• 英文名稱：Nitromethane
• 化學式：CH₃NO₂
• 分子量：61.04
• CAS 號：75-52-5
• 沸點：約 101°C
• 閃點：約 35°C（閉杯）
• 毒性：LD₅₀（大鼠，口服）約 940 mg/kg

含氮雜環

定義

含氮雜環是指環狀化合物中含有一個或多個氮原子的有機分子。這類化合物廣泛存在於天然物質、藥物及功能材料中。

分類

依據環的大小與氮的數量，含氮雜環可分為多種類型：

• 五元雜環：如吡咯（Pyrrole）、咪唑（Imidazole）
• 六元雜環：如吡啶（Pyridine）、哌啶（Piperidine）
• 多氮雜環：如三氮唑（Triazole）、四氮唑（Tetrazole）

性質

含氮雜環常具有鹼性，能與酸形成鹽類，並在生物系統中參與氫鍵、電子轉移等作用。其化學活性取決於氮原子的位置與電子分佈。

生物與醫藥應用

許多生物分子如核酸鹼基（腺嘌呤、鳥嘌呤）及維生素（如菸鹼酸）均含有氮雜環。藥物開發中，如抗生素、抗癌藥、抗病毒藥等，也常見含氮雜環的結構。

工業用途

含氮雜環廣泛應用於染料、農藥、聚合物與催化劑的開發，是功能材料與高科技產品的重要基礎化學單元。

四氮唑

結構與特性

四氮唑（Tetrazole）是一種含有五元環的雜環化合物，由一個碳原子與四個氮原子組成，分子式為 CH₂N₄。其結構類似於芳香族化合物，具備共振穩定性。根據氮原子的位置不同，四氮唑可分為多種異構形式，其中最常見的是 1H-四氮唑 和 2H-四氮唑。

化學性質

四氮唑具有類似羧酸的酸性（pKa 約為 4.5–5），可以形成氫鍵，並能以共振方式穩定負電荷。這使得四氮唑常作為羧酸官能基的生物等價物，應用於藥物分子中以改善代謝穩定性或生物利用度。

應用領域

• 藥物化學：四氮唑常作為抗高血壓藥（如洛沙坦）的官能基成分。
• 高能材料：高氮含量使其可應用於炸藥、火箭推進劑等。
• 配位化學：環上的氮原子能與金屬形成穩定配位鍵。

安全與性質

部分四氮唑衍生物具有熱不穩定性與爆炸性，因此需小心處理。純四氮唑本身為白色或淡黃色固體，具有一定水溶性，對光與熱較敏感。

哌啶

化學結構

哌啶（Piperidine）是一種含有六元飽和含氮雜環的有機化合物，分子式為C₅H₁₁N。其結構類似於環己烷，其中一個碳原子被氮原子取代。

物理性質

哌啶在常溫下為無色液體，具有強烈的氨味，能與水、乙醇等極性溶劑混溶，沸點約為106°C，具有弱鹼性。

用途

哌啶常用於製藥工業與有機合成中，是多種藥物（如哌替啶、芬太尼等）的中間體。也可作為催化劑、溶劑或化學試劑。

在藥物中的應用

哌啶的結構是許多阿片類、抗抑鬱藥與抗精神病藥的重要骨架，尤其在合成苯哌啶類藥物時扮演關鍵角色。

毒性與安全

哌啶具刺激性，吸入或接觸皮膚可能引起不適。在使用與儲存時應配戴適當的防護裝備並遵循化學品安全規範。

苯哌啶類

化學結構

苯哌啶類（Phenylpiperidines）是含有苯環與哌啶環結構的化合物，通常由苯基取代的哌啶骨架組成。這種結構賦予其對中樞神經系統高度活性。

藥理作用

苯哌啶類多屬於阿片類藥物，主要作用於μ-阿片受體，具有鎮痛、鎮靜與呼吸抑制等效果。部分化合物亦可作為抗痙攣或鎮靜劑使用。

代表藥物

此類藥物的代表包括芬太尼（Fentanyl）、哌替啶（Pethidine，又稱美替啶）與阿芬太尼（Alfentanil）等，皆為強效鎮痛藥，常用於醫療上的重度疼痛控制。

用途與應用

苯哌啶類藥物廣泛應用於外科手術麻醉、癌症疼痛控制與急性重度疼痛治療。由於其高效力，也常被設計為可控釋劑型，以降低濫用風險。

濫用風險

由於其對神經系統的強大作用，苯哌啶類藥物具有高度成癮性，過量使用可能導致呼吸抑制與死亡，因此屬於高度管制藥物。

三嗪環

結構定義

三嗪環（Triazine ring）是一種含氮的六元芳香環化合物，分子式為 C₃H₃N₃，由三個碳原子與三個氮原子交替排列組成，結構類似苯環，但部分碳原子被氮取代。

三種異構型

• 1,2,3-三嗪：三個氮原子連續排列
• 1,2,4-三嗪：氮分別位於第1、2、4位
• 1,3,5-三嗪：氮與碳交錯排列，是最常見且最穩定的形式

芳香性

三嗪環具有芳香性，因為其 π 電子系統滿足休克爾規則（6π 電子），具有穩定性與共振結構。

重要衍生物

• 三聚氰氨（Melamine）：1,3,5-三嗪衍生物，含三個氨基，應用於塑膠與樹脂製造。
• 草脫淨（Atrazine）：三嗪類除草劑，用於農業控制雜草。
• 西力欣（Sulfadiazine）：含三嗪結構的磺胺類抗菌藥。

應用領域

• 高分子材料（如三嗪樹脂、阻燃劑）
• 農藥（特別是除草劑）
• 醫藥合成（抗菌、抗癌藥物）
• 染料與顏料工業

總結

三嗪環是一種具有高度化學穩定性的含氮芳香環結構，其多功能性使其廣泛應用於化工、農藥、醫藥與材料領域。

三聚氰氨

基本介紹

三聚氰氨（Melamine），化學式為 C₃H₆N₆，是一種含氮有機化合物，外觀為白色結晶粉末，不溶於大多數有機溶劑，稍溶於熱水，具有鹼性。

化學結構

三聚氰氨由三個氨基基團（–NH₂）和一個三嗪環構成，屬於三嗪類化合物，具有高氮含量（約66%），因此燃燒時會釋放出氮氣，有阻燃性。

主要用途

• 三聚氰氨甲醛樹脂：常用於製造餐具、家具塗層、飾板、耐熱塑膠等。
• 防火材料：由於含氮高，可應用於阻燃劑。
• 合成中間體：用於農藥、醫藥、染料的製備。

安全性與爭議

• 三聚氰氨不可用於食品中。
• 2008年中國爆發三聚氰氨摻入嬰兒奶粉事件，導致大量嬰幼兒腎結石與健康問題，引起全球關注。
• 三聚氰氨若攝入人體，會與尿酸結晶形成不溶性結晶，導致腎臟損傷。

相關法規

• 各國對食品中三聚氰氨含量有嚴格限制。
• 世界衛生組織（WHO）與聯合國糧農組織（FAO）訂定的每日容許攝取量（TDI）為 0.2 mg/kg 體重。

總結

三聚氰氨是一種用途廣泛的工業原料，但不當使用於食品具有嚴重健康風險，需嚴格監管。

局部化化學鍵結

定義

局部化化學鍵結（Localized chemical bonding）是指原子之間的共價鍵只侷限在特定兩個原子間的化學鍵結。這種描述方式適用於大多數分子，幫助理解其結構與鍵性質。

特徵

• 電子對集中在兩個原子之間形成共價鍵
• 符合 Lewis 結構與價鍵理論（Valence Bond Theory）
• 可明確指出每一對鍵的原子對應

例子

• 氫氣（H₂）：兩個氫原子共享一對電子
• 水（H₂O）：氧原子與兩個氫原子各形成一個局部化O-H鍵
• 乙烯（C₂H₄）：碳原子之間的雙鍵由一個σ鍵與一個π鍵組成

局部化與非局部化比較

理論基礎

局部化鍵結的理論基礎是價鍵理論，強調原子軌域的重疊與電子對共享。通常結合混成軌域的概念（如sp³、sp²）來說明鍵角與分子形狀。

離域化學鍵結

定義

離域化學鍵結（Delocalized chemical bonding）是指電子不侷限於兩個特定原子之間，而是在三個以上原子之間共享的共價鍵結形式。這種鍵結常見於具有共振結構或共軌道重疊的分子中。

特徵

• 電子雲分布在多個原子之間
• 無法以單一 Lewis 結構表示，需使用共振結構
• 通常具有特殊穩定性，如芳香性

例子

• 苯（C₆H₆）：六個π電子平均分布於六個碳原子上，形成穩定的芳香環
• 碳酸根離子（CO₃²⁻）：三個C=O鍵等長，電子在三個氧原子間離域
• 硝酸根離子（NO₃⁻）：N-O鍵長相等，存在離域π電子

局部化與離域化比較

理論基礎

離域鍵結可用分子軌域理論解釋，其中π軌域可延展至多個原子，使電子在整個區域中自由移動。此現象可增強分子的穩定性與對稱性。

比共價鍵弱的鍵結

定義

比共價鍵弱的鍵結是指在分子內或分子間存在的非共價相互作用，其鍵能低於共價鍵，但在生物、材料與化學系統中仍扮演重要角色。

常見類型

• 氫鍵（Hydrogen Bond）：氫原子與高電負度原子（如O、N、F）之間的吸引力，常見於水分子、蛋白質與DNA結構中。
• 凡得瓦力（Van der Waals Forces）：分子之間由瞬間偶極產生的微弱吸引力，包括色散力與誘導偶極。
• 離子-偶極作用（Ion-Dipole Interaction）：帶電離子與極性分子之間的吸引力，常見於鹽類溶解過程中。
• π-π堆疊作用：芳香環之間的平行疊合吸引，廣泛存在於DNA鹼基配對與有機材料中。
• 疏水作用（Hydrophobic Interaction）：非極性分子在水溶液中聚集的趨勢，促進生物分子的摺疊與穩定。

鍵能比較（大致範圍）

應用與重要性

雖然這些鍵結比共價鍵弱，但在維持蛋白質結構、核酸雙股穩定、藥物與受體結合、奈米材料自組裝等方面極其重要。

立體化學

定義

立體化學（Stereochemistry）是研究分子中原子或官能基在三維空間中排列方式的化學分支。它不僅關注分子的組成，還關注其結構在空間的形狀與對映關係。

主要類型

• 構型異構（Configurational Isomers）：因鍵的不同排列方式而無法自由轉換的異構體，例如對映異構與幾何異構。
• 對映異構（Enantiomers）：互為鏡像且不可重疊的異構體，具手性中心。
• 非對映異構（Diastereomers）：不是鏡像關係的構型異構體。
• 幾何異構（Geometrical Isomers）：發生在有雙鍵或環狀結構的化合物，例如 cis/trans 或 E/Z 異構。

手性與不對稱中心

手性分子具有至少一個手性中心（通常為一個碳原子連接四個不同取代基），其鏡像異構體稱為對映體。這些異構體在物理性質相似，但在生物活性與旋光性上常有顯著差異。

立體專一性與選擇性

• 立體專一性（Stereospecificity）：特定反應路徑只產生特定立體構型的產物。
• 立體選擇性（Stereoselectivity）：反應可能產生多種立體異構體，但偏好某一種。

應用

立體化學對藥物設計、生物化學、材料科學等領域至關重要。例如，某些藥物的對映體可能有治療效果，而另一對映體可能無效或有毒。

常用表示法

• 楔線結構（Wedge-Dash）：表示三維空間中鍵的方向
• Fischer 投影式：用於表示糖與胺基酸的構型
• CIP 系統（R/S 命名法）：根據優先順序命名手性中心的絕對構型

碳正離子、碳負離子、自由基、卡賓與亞硝基

碳正離子（Carbocations）

碳正離子是帶有正電荷的碳原子中間體，通常具有六電子，不符合八隅體規則。常見類型包括三級、二級與一級碳正離子，穩定性順序為三級 > 二級 > 一級 > 甲基。

• 例如：(CH₃)₃C⁺（三級碳正離子）
• 反應特徵：極易參與親核取代與加成反應

碳負離子（Carbanions）

碳負離子是帶有負電荷的碳原子，通常具有孤對電子並符合八隅體規則。碳原子以sp³或sp²雜化狀態存在。

• 例如：CH₃⁻、PhCH₂⁻（苯甲基負離子）
• 反應特徵：具強親核性，參與取代與加成反應

自由基（Free Radicals）

自由基是含有未成對電子的中性分子或原子，極不穩定且反應活性高。碳自由基可依穩定性分為三級、二級、一級。

• 例如：CH₃•、(CH₃)₃C•
• 反應特徵：參與自由基聚合、氯化反應等

卡賓（Carbenes）

卡賓是含有中性碳原子且具兩個鍵與一對孤電子的中間體，常見於環加成或插入反應中。可分為 singlet（單態）與 triplet（三態）兩種電子態。

• 例如：CH₂（甲烯）
• 反應特徵：易與雙鍵反應形成環丙烷結構

亞硝基（Nitrenes）

亞硝基是含有中性氮原子的中間體，類似於卡賓，但為氮中心，具有六價電子結構。可為 singlet 或 triplet 狀態，通常來自含氮化合物的熱分解或光分解。

• 例如：NH、RN:
• 反應特徵：可插入C-H鍵、加成至雙鍵

反應機構與其判定方法

反應機構（Reaction Mechanisms）

反應機構是描述化學反應如何進行的詳細步驟，包括鍵的斷裂與形成、反應中間體的生成與轉變。它揭示了分子如何轉化為產物，並說明反應的速度、選擇性與立體化學結果。

常見機構類型

• 親核取代反應（SN1/SN2）：取決於反應物結構與溶劑，SN1 涉及碳正離子中間體，SN2 為單步機構。
• 消除反應（E1/E2）：脫去氫與離去基產生雙鍵，E1 經歷碳正離子，E2 為協同機構。
• 自由基反應：涉及自由基中間體，如鹵化、聚合等反應。
• 加成反應：常見於烯烴與炔烴，例如親電加成與自由基加成。
• 重排反應：反應中原子或官能基位置重新排列，如 Wagner–Meerwein 重排。

判定反應機構的方法

1. 動力學研究

透過測量反應速率對反應物濃度的依賴，可得知反應的速率定律，從而推測機構。例如 SN1 是一級反應，SN2 是二級反應。

2. 中間體偵測

使用光譜技術（如 NMR、IR、EPR）或捕捉試劑偵測反應中出現的短暫中間體，如碳正離子、自由基或卡賓。

3. 同位素標記

使用氫、碳或氧等穩定或放射性同位素標記分子特定位置，觀察其在產物中的分佈以判定鍵結變化。

4. 立體化學觀察

觀察反應是否造成立體構型改變，如SN2反應導致完全反轉（Walden inversion），而SN1可能產生消旋混合物。

5. 組織變化與產物分析

分析不同條件下產生的產物類型、比例、選擇性等，可以間接判斷反應路徑與可能的機構。

6. 計算化學模擬

利用量子化學與分子模擬計算過渡態與反應途徑的能量變化，預測可能機構並與實驗資料對比。

結語

正確掌握反應機構有助於控制與設計化學反應，在藥物開發、有機合成與催化研究中具有極高價值。多種方法的交叉驗證是推斷機構的關鍵。

光化學

定義

光化學（Photochemistry）是研究光與物質互動所引發化學反應的科學分支。當分子吸收特定波長的光子後，可能進入激發態，進而進行斷鍵、加成、重排、聚合等反應。

基本原理

• 光吸收：分子吸收光子能量（通常是紫外或可見光）而進入激發態。
• 激發態：電子從基態躍遷至高能軌域（如從 π 到 π* 或 n 到 π*）。
• 可能路徑：包括螢光、磷光、內部轉換、系間轉換或進行化學反應。

常見光化學反應

• 光裂解（Photodissociation）：如Cl₂ → 2Cl•，光能使鍵斷裂生成自由基。
• 光加成反應：例如環己烯與芳香烯烴在光照下進行[2+2]加成。
• 光異構化：如順式與反式烯烴之間的轉換。
• 光誘導自由基反應：如HBr加成至烯烴的反Markovnikov產物。

應用

• 生物學：光合作用中，葉綠素吸光觸發電子轉移反應。
• 材料科學：光固化樹脂、光導體、感光材料（如照相底片、太陽能電池）。
• 有機合成：使用光催化反應構建複雜分子。
• 醫學：光動力療法（Photodynamic Therapy）治療癌症與皮膚病。

光化學定律

• Grothus–Draper 定律：只有被分子吸收的光才能引發化學變化。
• Stark–Einstein 定律：每一個吸收的光子最多激發一個分子進入反應。

實驗技術

• 紫外-可見光譜分析（UV-Vis）
• 時間解析光譜（如飛秒激光）
• 光照反應器與光催化系統

結構對反應性的影響

1. 電子效應

• 誘導效應（Inductive Effect）：電負度高的原子會透過σ鍵拉電子，使鄰近原子電子密度降低，影響反應活性。
• 共振效應（Resonance Effect）：π電子的離域作用可穩定反應中間體或過渡態，增強或抑制某些反應。
• 超共軛效應（Hyperconjugation）：σ鍵與π系統或空軌域的交互作用能穩定自由基或碳正離子。

2. 空間效應（立體效應）

• 位阻效應（Steric Hindrance）：體積大的取代基會阻礙反應物靠近反應中心，減緩反應速率。
• 立體選擇性與立體專一性：反應可能偏好生成特定立體異構物，影響產物的構型與構象。

3. 雜環與芳香性結構

• 芳香環因π電子離域而具有特殊穩定性，使得取代反應比加成反應更常見。
• 雜環中的異原子（如N、O、S）能提供孤電子對或吸電子效應，改變反應部位與機構。

4. 雜化狀態

• 碳的sp雜化軌域電負度高，sp原子的共軛酸較穩定，因此更具酸性。
• sp²與sp³碳中心的反應性也會因電子密度與鍵角差異而不同。

5. 官能基的影響

• 不同官能基對分子反應性的貢獻可歸因於其極性、共振與電子捐獻或拉電子能力。
• 例如：羧酸中的羧基具有酸性，而醛酮中的羰基具高度親電性。

6. 環境與條件交互影響

• 結構對反應性的影響可能與溶劑、溫度、催化劑等條件共同決定實際反應途徑。

實例說明

• 三級碳正離子因超共軛與誘導效應穩定性高，SN1 反應速率快。
• 鄰位有羧酸的苯胺因氫鍵與誘導效應使胺基的親核性下降。

分析化學

定義

分析化學是研究物質的組成、結構與含量的化學分支學科，目的是識別物質的種類與測定其含量，廣泛應用於環境、食品、醫藥、材料等領域。

分類

• 定性分析：用以確認樣品中是否含有特定元素或化合物。
• 定量分析：用以測量特定成分的含量，可進一步分為重量分析、容量分析與儀器分析。

傳統分析方法

• 重量分析法：根據沉澱或揮發產物的質量推算成分含量。
• 容量分析法：透過滴定反應，計算消耗試劑的體積來確定濃度。

現代儀器分析法

• 光譜分析：如紫外-可見光譜（UV-Vis）、原子吸收光譜（AAS）、紅外光譜（IR）、核磁共振（NMR）等。
• 色譜分析：如氣相層析（GC）、高效液相層析（HPLC）等。
• 電化學分析：如電位法、電流法、電導法等。
• 質譜分析（MS）：用於確定分子量與結構資訊。

應用

分析化學在以下領域中具有關鍵地位：

• 藥品純度與成分分析
• 食品中添加物、農藥殘留檢測
• 環境中重金屬、污染物監測
• 法醫鑑定與毒物檢測
• 材料與奈米技術中的組成分析

發展趨勢

現代分析化學正朝向高靈敏度、自動化、即時監測與綠色分析方向發展，結合人工智慧與微型化技術，提升效率與精度。

層析法

定義

層析法（Chromatography）是一種分離混合物中各組分的分析技術，依據各成分在固定相與流動相中的分配行為不同，使其彼此分離。

基本原理

混合樣品經由流動相帶動，通過固定相時，不同成分因與固定相作用力不同，移動速度產生差異，從而分離。

主要類型

• 紙層析（Paper Chromatography）：以紙張作為固定相，常用於色素與小分子分析。
• 薄層層析（Thin Layer Chromatography, TLC）：以矽膠或氧化鋁塗層玻璃板作為固定相，快速且易觀察。
• 氣相層析（Gas Chromatography, GC）：使用氣體為流動相，分析揮發性化合物。
• 液相層析（Liquid Chromatography, LC）：使用液體為流動相，適用於不易揮發或熱不穩定樣品。
• 高效液相層析（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）：為液相層析的高靈敏版本，用於藥品、生化樣品定量分析。

應用範圍

層析法廣泛應用於化學、食品、藥品、生物科技與環境科學中，例如：

• 分離與純化化合物
• 檢測毒物或藥物成分
• 分析食品中的色素、防腐劑或農藥殘留
• 分離與定性蛋白質、胺基酸、核苷酸等生物分子

優點

層析法具有分離效果好、應用廣泛、操作相對簡便與靈敏度高等優點，是現代分析化學不可或缺的工具。

量子化學

量子化學是一門應用量子力學原理研究化學結構與反應的學科。它以電子和原子核的量子行為為基礎，通過數學模型和計算來預測分子結構、鍵結特性、能級分佈等物理化學性質。

量子化學以薛丁格方程為理論基礎，將化學鍵和分子的電子結構視作波函數描述的量子態：

Ĥψ = Eψ

其中：

• Ĥ 是哈密頓算符，描述系統的總能量。
• ψ 是波函數，描述系統的量子態。
• E 是能量本徵值，對應於系統的穩定狀態能量。

量子化學通常使用多種數值計算方法，主要包括：

• 分子軌道理論：假設電子在分子中占據分子軌道，用來描述鍵結與電子分佈。
• 密度泛函理論（DFT）：一種利用電子密度而非波函數來描述系統的理論，計算效率高，廣泛應用於大分子系統。
• 組態交互（CI）：通過多種電子組態的線性組合來描述電子間相互作用，以提高精度。

• 分子結構預測：計算分子形狀、鍵長、鍵角等幾何結構。
• 反應機理研究：分析反應過程中的能量變化和過渡態，預測化學反應速率。
• 材料科學：模擬材料的電子結構，設計具有特定光學、磁性或導電性的材料。
• 藥物設計：通過模擬分子間相互作用，設計更具選擇性和效力的藥物分子。

量子化學的主要挑戰是如何處理複雜系統中的多體問題。隨著分子規模增大，電子的相互作用會使計算需求迅速增加，導致傳統方法無法有效應用。因此，量子化學的研究通常需要高效的數值方法和強大的計算資源支持。

隨著計算技術的發展，量子化學已成為現代化學和材料科學中的重要工具，推動了許多前沿技術的進步。

原子結構

基本組成

原子由三種基本粒子構成：

• 質子（p⁺）： 帶正電，位於原子核中，質量約為1原子質量單位。
• 中子（n⁰）： 不帶電，亦位於原子核中，質量與質子相近。
• 電子（e⁻）： 帶負電，圍繞原子核運行，質量極小可忽略。

原子序與質量數

• 原子序（Z）： 原子內質子的數量，決定元素的化學性質。
• 質量數（A）： 質子數與中子數的總和。

電子排布

電子分佈在原子核外的能階（或稱電子殼層）中，每層能容納特定數量的電子。電子的排布方式會影響元素的反應性與化學鍵的形成。

同位素

同位素是指具有相同原子序（質子數相同）但中子數不同的原子。例如碳-12與碳-14都是碳的同位素。

原子模型的發展

• 道耳吞模型： 原子被視為不可分割的實心球。
• 湯姆森模型： 又稱「葡萄乾布丁模型」，電子嵌在帶正電的球體中。
• 拉塞福模型： 原子具有一個帶正電且密度極高的原子核，電子環繞其外。
• 波耳模型： 電子以特定軌道繞核運行，每軌道對應一個固定能量。
• 量子力學模型： 電子不再被視為繞核運行於固定軌道，而是存在於稱為「軌域」的機率區域內。

結語

原子結構是理解化學反應、元素性質與物質本質的基礎，從經典模型到量子力學模型的演進，反映出人類對微觀世界認識的深化。

原子與分子性質

原子性質

• 原子半徑： 原子核至最外層電子的平均距離。沿週期表從左到右逐漸減小，從上到下逐漸增加。
• 電離能： 移除一個氣態原子中最外層電子所需的能量。越往右、越往上電離能越高。
• 電子親和能： 原子接受一電子時釋放或吸收的能量。非金屬（如鹵素）通常具有較高的電子親和能。
• 電負度： 原子在化學鍵中吸引共用電子對的能力。氟為所有元素中電負度最高者。

分子性質

• 分子幾何： 分子中原子在三維空間的排列方式，取決於價層電子對互斥理論（VSEPR）。如：CH₄ 為四面體，H₂O 為彎曲形。
• 極性： 分子是否具有永久偶極，取決於鍵的極性與幾何對稱性。像CO₂為非極性，但H₂O為極性。
• 分子間作用力： 包含凡德瓦力、氫鍵與偶極-偶極作用力，影響物質的沸點、熔點與溶解性。
• 共振結構： 某些分子不能用單一路易斯結構表示，需以多個共振式來描述其電子分布，如O₃、NO₃⁻。

結語

理解原子與分子性質有助於預測化學反應的行為、物質的物理性質與結構，為學習化學的核心基礎。

化學鍵形成理論

Valence Bond Theory（價鍵理論）

價鍵理論認為化學鍵是由兩個原子之間的原子軌域重疊形成。當電子自旋相反的原子軌域發生重疊，便形成一個共價鍵。此理論強調鍵的方向性與電子分布，能很好地解釋分子的幾何結構。

主要觀點

• 鍵的形成來自軌域重疊（如s-s、s-p、p-p重疊）
• 鍵的強度與軌域重疊的程度有關
• 每個原子提供一個不成對電子

Hybrid Orbital Theory（混成軌域理論）

混成軌域理論是對價鍵理論的延伸，為了解釋分子的實際幾何結構，提出原子內的s、p、d等軌域可以重新線性組合形成新的「混成軌域」，並參與成鍵。

常見的混成形式

• sp混成：線形結構（如BeCl₂）
• sp²混成：平面三角形結構（如BF₃）
• sp³混成：四面體結構（如CH₄）
• sp³d混成：三角雙錐（如PCl₅）
• sp³d²混成：八面體（如SF₆）

比較與應用

結語

價鍵理論與混成軌域理論為描述共價鍵形成的重要工具，對於理解分子形狀、鍵能與反應性提供了基礎，雖然在複雜系統中可能不夠完整，但在教學與初步分析中極具價值。

分子軌域理論與雙原子分子的光譜性質

分子軌域理論簡介

分子軌域理論（Molecular Orbital Theory, MO 理論）認為，當原子形成分子時，原子的軌域會重新組合成整個分子的分子軌域。這些分子軌域涵蓋整個分子，電子在其中被視為分子內的整體分佈，而非侷限於某兩個原子之間的鍵。

分子軌域的形成

• 原子軌域結合會產生兩種分子軌域：成鍵軌域（bonding orbital） 與 反鍵軌域（antibonding orbital）。
• 例如，兩個1s軌域結合會形成一個σ₁s（成鍵）與一個σ*₁s（反鍵）軌域。
• 電子優先填入能量較低的成鍵軌域。

分子軌域排列與電子構型

對於雙原子分子（如O₂、N₂、F₂等），分子軌域的排列通常如下（對於原子序Z ≤ 7者）：

σ1s < σ*1s < σ2s < σ*2s < π2p < σ2p < π*2p < σ*2p

而Z ≥ 8（如氧）則改為：

σ1s < σ*1s < σ2s < σ*2s < σ2p < π2p < π*2p < σ*2p

鍵級與磁性

• 鍵級（Bond Order）： 鍵級 = (成鍵電子數 − 反鍵電子數) ÷ 2。
• 鍵級可用來判斷鍵的強度與穩定性，鍵級越高，鍵越強。
• 磁性： 如果分子軌域中有未成對電子，則該分子具順磁性（如 O₂）；若所有電子皆成對，則為抗磁性（如 N₂）。

雙原子分子的光譜性質

雙原子分子的光譜性質（如紫外-可見光吸收、紅外光吸收）與其電子結構密切相關：

• 電子躍遷： 電子可由成鍵軌域躍遷至反鍵軌域，吸收特定波長的能量，對應於紫外-可見光區。
• 振動與轉動光譜： 雙原子分子可在紅外光範圍吸收能量，產生鍵的振動或分子整體的轉動，這些吸收對應於特定的頻率與能級差。

應用

分子軌域理論可有效預測以下性質：

• 雙原子分子的鍵長、鍵能與穩定性
• 順磁性與抗磁性
• 電子躍遷與吸收光譜特徵
• 異常鍵序（如O₂的雙鍵行為）

結語

分子軌域理論比價鍵理論更深入描述了電子在整個分子中的行為，尤其對雙原子分子的磁性與光譜解釋具有重要價值，為現代量子化學的重要理論基礎之一。

電子結構、光電子光譜學與多原子分子的前線軌域理論

電子結構

電子結構描述原子或分子中電子的排布方式。電子分佈於不同能階與軌域中，這些分布決定了分子的化學性質與反應性。在多原子分子中，電子通常分布在分子軌域（Molecular Orbitals, MOs），而非局限於單一原子。

• 電子優先填入最低能量的軌域（能量最低原則）
• 滿足泡利不相容原理與洪特法則

光電子光譜學（Photoelectron Spectroscopy, PES）

光電子光譜學是一種實驗技術，用來測量原子或分子中電子的結合能。當光子照射到樣品上，若光子的能量足夠，電子會被激發並脫離分子，產生光電子。

原理：

根據愛因斯坦光電效應定律：

E_photon = E_binding + KE_electron

其中：

• E_photon： 光子的能量
• E_binding： 電子的束縛能
• KE_electron： 被釋放電子的動能

應用：

• 定性與定量分析分子的電子結構
• 測定不同分子軌域的能階與電子分佈
• 辨識同分異構體與官能基位置

前線軌域理論（Frontier Orbital Theory）

前線軌域理論強調化學反應中最活躍的是最高佔有分子軌域（HOMO）與最低未佔有分子軌域（LUMO），這兩個軌域稱為前線軌域。

HOMO（Highest Occupied Molecular Orbital）：

提供電子，為親核中心。

LUMO（Lowest Unoccupied Molecular Orbital）：

接受電子，為親電中心。

理論應用：

• 預測反應性：反應主要發生於HOMO與LUMO之間的相互作用。
• 立體選擇性：可預測分子的立體化學結果，如環加成反應。
• 反應機構分析：如Diels–Alder反應、親核取代、自由基反應等。

結語

電子結構決定了分子的化學本質，光電子光譜學提供實驗方法來探測這些結構，而前線軌域理論則從軌域互動角度深入解釋反應行為。三者相輔相成，是現代有機與量子化學的核心基礎。

過渡金屬錯合物

定義

過渡金屬錯合物（Transition-Metal Complexes）是由過渡金屬離子與一種或多種配位基（ligands）透過配位鍵所形成的化合物。這些錯合物具有多樣的幾何構型、磁性與光學性質，廣泛應用於催化、材料科學與生物系統中。

組成結構

• 中心金屬： 通常為d區金屬，如Fe、Co、Ni、Cu、Pt等，帶正電。
• 配位基： 含有孤對電子的原子或分子，可提供電子給金屬形成配位鍵。常見如H₂O、NH₃、Cl⁻、CN⁻、EDTA等。
• 配位數： 表示中心金屬可與幾個配位基鍵結，常見為4（四面體或平面方形）或6（八面體）。

命名方式（IUPAC）

命名順序為：配位基（按字母順序） + 中心金屬（含氧化數）

例如：[Cu(NH₃)₄]²⁺ 命名為「四氨合銅(II)離子」

電子結構與磁性

• 中心金屬的d軌域會因配位基的電場而分裂，產生不同能量的軌域，稱為晶體場分裂（Crystal Field Splitting）。
• 若電子填入高能軌域，稱為高自旋（high-spin）；若只填低能軌域，為低自旋（low-spin）。
• 根據未成對電子數量可判斷其磁性：有未成對電子者為順磁性，全成對則為抗磁性。

常見幾何構型

• 四面體（如 [NiCl₄]²⁻）
• 平面方形（如 [Pt(NH₃)₂Cl₂]）
• 八面體（如 [Fe(CN)₆]³⁻）

錯合物的色彩與光譜性質

錯合物常具有鮮明顏色，來自於d-d電子躍遷或配體到金屬的電荷轉移。這些光學性質可藉由紫外-可見光譜（UV-Vis）分析。

應用

• 催化劑： 如鈀與銠錯合物用於有機反應（交叉偶合等）。
• 醫藥： 如順鉑（cisplatin）為抗癌藥。
• 材料科學： 可用於製造導電高分子、電致變色材料等。
• 生物系統： 如血紅素與維生素B₁₂含有金屬錯合物結構。

結語

過渡金屬錯合物展現出豐富的化學性質與應用潛力。其獨特的結構與電子特性使其在催化、生醫與材料等領域佔有關鍵地位，是現代無機化學的核心研究對象之一。

固體與液體中的鍵結

固體中的鍵結

固體根據其鍵結類型可分為不同結構與性質的類型：

• 離子鍵固體：由陽離子與陰離子形成，如 NaCl。具有高熔點與硬度，在熔融或溶於水時導電。
• 共價鍵固體：所有原子由共價鍵連結，如金剛石、石英。硬度極高，導電性低。
• 金屬鍵固體：金屬陽離子浸於自由移動的電子海中，如 Fe、Cu。具延展性、導電與導熱性良好。
• 分子固體：分子間以凡得瓦力或氫鍵維持，如冰、碘。熔點低，易揮發，通常不導電。

液體中的鍵結

液體中的分子鍵結主要是分子間作用力（intermolecular forces），這些力量決定了液體的物理性質，如黏度、揮發度與表面張力。

• 氫鍵：強而方向性的作用力，存在於水、酒精、氫氟酸等極性分子間。
• 偶極-偶極作用：極性分子間由靜電吸引產生的作用力。
• 凡得瓦力（色散力）：所有分子間皆存在的瞬間偶極吸引力，非極性分子如 CH₄、CCl₄ 主要靠此維持液態。

比較表

結語

鍵結類型決定固體與液體的結構、熔點、導電性與其他性質。理解這些鍵結有助於材料設計、化學合成與物理性質預測。