化學學習筆記：分子形狀、化學式與宏微觀聯繫

你好！歡迎來到這份學習筆記！它旨在幫助你掌握化學中最基本的概念之一：原子和分子（微觀世界）這些微小、看不見的粒子，如何決定我們日常生活中所見所觸及的物質（宏觀世界）的各種性質。我們會深入探討原子如何鍵合、如何書寫它們的化學式、它們會形成怎樣的形狀，以及這一切如何共同構建我們周圍的世界。就算聽起來有點複雜也別擔心——我們會一步步地為你拆解！


第一部分：化學鍵的世界——原子為何互相鍵合

原子有點像人一樣——它們都想變得穩定和「快樂」！對於大多數原子來說，「快樂」意味著擁有一個飽和的最外層電子殼，就像那些非常穩定的稀有氣體（例如氖或氬）一樣。為了達成這個目標，它們會與其他原子形成化學鍵。主要有三種方式。

離子鍵：施與受的關係

這類鍵合發生在金屬和非金屬原子之間。金屬原子傾向於釋出其最外層電子，而非金屬原子則傾向於接收這些電子！

  • 金屬原子失去電子後，會變成帶正電荷的離子，稱為陽離子。（想想看：陽光普照，帶來正能量！陽離子就是正電荷！）
  • 非金屬原子獲得電子後，會變成帶負電荷的離子，稱為陰離子。

這些帶相反電荷的離子之間存在強烈的靜電引力，這就是離子鍵。它就像一股超強的磁力，把這些離子緊緊地吸在一起。

例子：氯化鈉 (NaCl)

鈉 (Na) 有1個最外層電子，它非常想把這個電子釋出。氯 (Cl) 有7個最外層電子，它只需要再獲得一個就能達到飽和。因此，鈉會把它的電子給予氯。

Na (2,8,1) → Na+ (2,8) + e-

Cl (2,8,7) + e- → Cl- (2,8,8)

結果就形成了一個帶正電荷的鈉離子 (Na+) 和一個帶負電荷的氯離子 (Cl-)，它們緊密地結合在一起！

快速回顧：離子化合物

- 形成於：金屬與非金屬之間
- 電子：轉移
- 粒子：正離子與負離子
- 作用力：強烈的靜電引力

共價鍵：慷慨的電子分享者

這類鍵合發生在兩個非金屬原子之間。由於兩個原子都想得到電子，它們無法單純地轉移電子。相反，它們會選擇共用電子來達成妥協。每一對共用的電子都會形成一個共價鍵。

  • 單鍵：共用一對電子（例如：H₂ 或 Cl₂）。
  • 雙鍵：共用兩對電子（例如：O₂ 或 CO₂）。
  • 三鍵：共用三對電子（例如：N₂）。

這些共用的電子將兩個原子緊密地連結在一起，形成一個穩定的單元，稱為分子。

你知道嗎？特殊的共價鍵！

有時候，共享電子對中的兩個電子都由其中一個原子提供。這稱為配位共價鍵。你可以在銨離子 (NH₄⁺) 和水合氫離子 (H₃O⁺) 等離子中看到這種鍵合。

快速回顧：共價化合物

- 形成於：僅限於非金屬之間
- 電子：共用
- 粒子：分子
- 作用力：原子核與共用電子之間強烈的引力

金屬鍵：電子海模型

這就是金屬內部發生的情況。想像一下，一個個帶正電荷的金屬離子（陽離子）坐落在「電子海」之中。這些電子，稱為離域電子，它們不屬於任何單一原子；它們可以在整個金屬結構中自由移動。正離子與負電荷的電子「海」之間的引力，就是金屬鍵。

比喻時間到了！

把它想像成一個公共泳池。人們就像是帶正電荷的金屬離子，大致固定在他們的位置，而水就是離域電子海，在每個人周圍自由流動。電子這種自由移動的能力，是理解金屬性質的關鍵所在！


第二部分：從化學鍵到巨大結構——宏觀視角

現在我們知道了原子如何鍵合（微觀），接下來看看它們會構築出怎樣的巨大結構（宏觀），以及這如何影響它們的性質。

巨大離子結構

離子化合物並非只以一對一的形式存在。它們會構築一個龐大、重複的、由正負離子組成的三維晶格。想像一下，一大堆完美堆疊的橙子 (Na⁺) 和蘋果 (Cl⁻)。這就是巨大離子晶格。

  • 性質與原因：
    • 高熔點與沸點：需要極大量的能量才能破壞所有離子之間強大的靜電引力。
    • 固態時不導電：離子被固定在位置上，無法移動。
    • 熔融或溶於水時導電：離子可以自由移動並傳遞電荷。
    • 脆性：當晶格受到撞擊時，離子層會發生位移。正離子會對正離子，它們互相排斥，導致晶體碎裂。
  • 例子：氯化鈉 (NaCl)、氯化銫 (CsCl)

簡單分子結構

含有共價鍵的物質通常以獨立、分離的分子形式存在。每個分子內部的共價鍵非常強，但分子之間的作用力則非常弱。這些弱作用力稱為分子間力（我們稍後會詳細學習！）。

  • 性質與原因：
    • 低熔點與沸點：很容易就能克服微弱的分子間力，使分子分離。你並沒有破壞分子內部強大的共價鍵！
    • 不導電：沒有自由移動的離子或電子。
    • 通常較軟：分子可以輕易地互相滑過。
  • 例子：二氧化碳 (CO₂)、碘 (I₂)、水 (H₂O)

巨大共價結構（或稱巨大分子結構）

想像一種物質，其中每個原子都透過強大的共價鍵與其鄰近的原子相連，形成一個巨大的分子或網絡。這種結構中沒有獨立、分離的分子。

  • 性質與原因：
    • 極高熔點與沸點：必須破壞數百萬個強大的共價鍵才能使其熔化或沸騰，這需要巨大的能量。
    • 不溶於水：強大的鍵難以被破壞。
    • 通常不導電：沒有離域電子。（石墨是例外！）
  • 主要例子：
    • 鑽石：每個碳原子都與另外4個原子鍵合。它極其堅硬——常用於切割工具。
    • 石墨：每個碳原子都與另外3個原子鍵合，形成平面層。層與層之間由弱力維繫，因此它們可以互相滑動——使其成為良好的潤滑劑。它在層與層之間有離域電子，因此可以導電！
    • 石英 (SiO₂)：結構類似鑽石，非常堅硬且熔點高。

巨大金屬結構

這就是我們討論金屬鍵時提到的結構：一個由正離子和離域電子海組成的規律晶格。

  • 性質與原因：
    • 電和熱的良導體：離域電子可以自由移動，並在金屬中傳導電荷或熱能。
    • 具延展性（可錘打成形）和導性（可拉成線）：當施加外力時，離子層可以互相滑動而不會破壞金屬鍵，因為電子「海」會環繞著它們流動。
    • 高熔點與沸點：正離子與電子海之間強大的引力需要大量能量才能克服。
重點歸納

微觀與宏觀之間的聯繫，完全取決於鍵合類型以及它所形成的結構。將粒子緊密結合在一起的強作用力（例如在巨大離子、共價和金屬結構中）會導致高熔點。而粒子之間微弱的作用力（例如在簡單分子結構中）則會導致低熔點。


第三部分：化學式與摩爾——化學的語言

書寫化學式

化學式是一種簡寫方式，用來顯示化合物中含有哪些元素以及每種元素的原子數量。

對於離子化合物：

關鍵在於總電荷必須為零。使用「交叉法」！

逐步例子：氧化鋁

  1. 寫下離子的符號和電荷。鋁位於第三族，所以它的離子是 Al³⁺。氧位於第六族，所以它的離子是 O²⁻。
  2. 將數字「交叉」（忽略正負號）。Al³⁺ 的「3」移到 O 的下方。O²⁻ 的「2」移到 Al 的下方。
  3. 寫出化學式：Al₂O₃。
  4. 檢查：(2 x +3) + (3 x -2) = +6 - 6 = 0。完美！
對於共價化合物：

化合物的名稱通常會透過詞頭（單、二、三、四等）告訴你其化學式。

  • 二氧化碳 = 1個碳與2個氧 = CO₂
  • 四氧化二氮 = 2個氮與4個氧 = N₂O₄

化學式質量與相對分子質量

這些術語表示一個化學式單元或分子的「質量」，與標準（¹²C 原子）相比。兩者的計算過程是相同的！

  • 相對分子質量 (Mr)：用於共價分子。
  • 化學式質量：用於離子化合物（因為它們沒有獨立的分子）。

如何計算：將化學式中所有原子的相對原子質量 (Ar) 加起來。

例子：水 (H₂O)

H 的 Ar = 1.0；O 的 Ar = 16.0
H₂O 的 Mr = (2 × 1.0) + 16.0 = 18.0

例子：氯化鎂 (MgCl₂)

Mg 的 Ar = 24.3；Cl 的 Ar = 35.5
MgCl₂ 的化學式質量 = 24.3 + (2 × 35.5) = 24.3 + 71.0 = 95.3


第四部分：深入探討——分子形狀與極性

讓我們再次聚焦那些簡單的分子。原來它們的三維形狀非常重要！分子的形狀是由中心原子周圍的電子對決定的，這些電子對會互相排斥，盡可能地遠離彼此。這就是價層電子對互斥理論 (VSEPR理論) 的核心思想。

預測形狀

把它想像成把氣球綁在一起。這些氣球（電子對）會自然地散開，互相給予空間。

  • 2 對電子：散開至 180°。形狀 = 直線形。（例如：CO₂）
  • 3 對電子：散開至 120°。形狀 = 平面三角。（例如：BF₃）
  • 4 對電子：散開至 109.5°。形狀 = 四面體形。（例如：CH₄）
  • 5 對電子：形狀 = 三角雙錐形。（例如：PCl₅）
  • 6 對電子：形狀 = 八面體形。（例如：SF₆）

注意：孤對電子（非鍵合電子對）也會互相排斥，而且它們的排斥力實際上比鍵合電子對更強。這會改變分子的形狀，例如水（角形）和氨（三角錐形）。

鍵極性與電負性

在共價鍵中，電子是共用的。但這種共用總是平均的嗎？不！

電負性是衡量原子將共用電子拉向自身的能力。你可以把它想像成一場電子的「拔河比賽」。

  • 如果兩個相同的原子鍵合（例如：Cl-Cl），拉力是相等的。這種鍵是非極性的。
  • 如果兩個不同的原子鍵合（例如：H-Cl），其中一個原子 (Cl) 的拉力更強。電子會更多時間靠近氯原子。這會產生一個極性鍵，氯原子帶有微小的負電荷 (δ-)，而氫原子帶有微小的負電荷 (δ+)。

分子極性：大局觀

一個分子可以擁有極性鍵，但整體卻是非極性的！這完全取決於它的形狀。

想像兩個人拉一個箱子。

  • 二氧化碳 (CO₂)：它是直線形 (O=C=O)。兩個氧原子都以相等的力量，但方向相反地將電子從碳原子拉走。這些拉力互相抵消！因此，CO₂ 雖然有極性鍵，但卻是非極性分子。
  • 水 (H₂O)：它呈角形。兩個 H-O 鍵都是極性的，而且由於其形狀，這些拉力無法互相抵消。氧原子一側帶有微小的負電荷 (δ-)，而氫原子一側帶有微小的正電荷 (δ+)。水是極性分子。

核心思想：如果極性鍵對稱地排列，它們會互相抵消，分子就呈現非極性（例如 CH₄ 或 BF₃）。如果它們不對稱地排列，分子就是極性的（例如 H₂O、NH₃ 或 CHCl₃）。

重點歸納

分子形狀至關重要！它決定了極性鍵的作用是否會互相抵消，進而決定整個分子是極性還是非極性。這個性質對分子之間的相互作用有著巨大的影響。


第五部分：分子之間的作用力

我們之前提過這些弱作用力。它們負責將簡單分子在液態或固態時維繫在一起。它們比分子內部的共價鍵弱得多得多。

凡德華力

這是最基本、最弱的分子間力類型。它存在於所有分子之間，無論是極性還是非極性分子。它是由電子的隨機運動引起的，這會產生暫時的、微小的偶極，從而微弱地吸引其他分子。

  • 強度取決於：電子數量。更多的電子（即更大的分子）意味著更強的凡德華力。
  • 這解釋了為什麼當你沿著族往下時，沸點會升高（例如從 F₂ 到 I₂）。碘是一個大得多的分子，擁有更多電子，所以 I₂ 分子之間的作用力更強，需要更多能量才能破壞。

氫鍵

這並不是真正的鍵！它是一種超強的分子間力。它就像化學中的「魔術貼」。

它只發生在：當氫原子與一個非常電負性強的原子（氮、氧或氟）鍵合，並被附近分子的另一個氮、氧或氟原子吸引時。

  • 為何如此強大：H-N、H-O 或 H-F 鍵都極具極性。氫原子帶有很強的 δ+ 電荷，而氮/氧/氟原子帶有很強的 δ- 電荷。這些部分電荷之間的引力非常強。
  • 結果：具有氫鍵的物質（例如水 H₂O、氨 NH₃ 和氟化氫 HF）的沸點會比其分子大小預期的高得多。這就是為什麼水在室溫下是液體，而體積相似的分子卻是氣體的原因！

總結：宏觀概覽

讓我們用一個總結表格將所有內容串聯起來。這就是宏微觀之間最完美的聯繫！

| 性質 | 巨大離子 | 簡單分子 | 巨大共價 | 巨大金屬 | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | 微觀視角 | | | | | | 粒子 | 正離子與負離子 | 分子 | 原子 | 正離子與離域電子 | | 鍵合 | 強離子鍵 | 分子內部的強共價鍵 | 強共價鍵 | 強金屬鍵 | | 需克服的作用力 | 強靜電引力 | 弱分子間力 | 強共價鍵 | 強金屬鍵 | | 宏觀視角 | | | | | | 熔點／沸點 | 高 | 低 | 極高 | 高 | | 導電性 | 固態：否
熔融／水溶液：是 | 否 | 否（石墨除外） | 是（固態與液態） | | 硬度 | 硬且脆 | 軟 | 極硬（石墨除外） | 具延展性與導性 | | 例子 | NaCl | CO₂、H₂O | 鑽石、SiO₂ | 鐵 (Fe)、銅 (Cu) |

恭喜你！你剛剛經歷了一場從單個電子層面，一直到日常物質性質的奇妙旅程。透過理解微觀層面的鍵合、結構和形狀，你現在可以預測和解釋宏觀世界了。繼續溫習這些核心概念，你將在化學領域打下堅實的基礎！