化學筆記：同系物系列、命名法與加成聚合作用
各位同學，歡迎來到化學科一個非常重要的課題筆記！我們將會探索碳化合物的奇妙世界。你可以將其想像成學習一種全新語言的字母和文法——那就是有機化學的語言！
在本章中，我們將學習如何辨認和命名不同「家族」的碳化合物，並探索微小分子如何連結起來，形成構成塑膠的巨大分子。這聽起來可能很複雜，但我們會一步步地為你拆解。準備好，我們開始吧！
1. 碳原子的奇妙之處
你可能會問：「為什麼要特地用一個課題來研究碳呢？」原因很簡單，碳是一種超級巨星元素！它能形成的化合物比其他任何元素都多。
碳為何如此特別？
碳的獨特之處在於它能與其他碳原子形成強力的共價鍵，從而生成長鏈和環狀結構。這種特性稱為鏈合作用。
- 它可以形成強力的單鍵（共享一對電子）。
- 它也能形成雙鍵（共享兩對電子）。
- 甚至能形成三鍵（共享三對電子）。
這種多樣性使得碳化合物的數量和種類極為龐大，從巴士燃料到構成DNA的分子，都離不開碳的蹤影！
重點提示：
碳之所以特別，是因為它能夠與自身鍵合，形成穩定而長的鏈狀和環狀結構（鏈合作用），從而產生種類繁多的分子。
2. 同系物系列：化學家族
數百萬種碳化合物，我們該如何有條不紊地整理它們呢？我們將它們歸類為不同的「家族」，這些家族稱為同系物系列。
比喻：想像一個姓氏為「陳」的家族。所有陳家成員都血脈相連，有相似的特徵，行為模式也可能相近。同系物系列就像一個化學家族。
同系物系列的特徵
同一同系物系列的所有成員都具有以下特徵：
- 擁有相同的官能基。官能基是賦予分子獨特化學性質的特定原子或原子團。（這就像家族的標誌性特徵！）
- 擁有相似的通式。這是一個適用於該家族所有成員的代數式（例如，烷烴的通式是$$C_nH_{2n+2}$$）。
- 相鄰成員之間只相差一個-CH₂- 基團。
- 由於擁有相同的官能基，它們的化學性質相似。
- 隨著分子變大，它們的物理性質（如沸點）會呈現漸進性變化。通常，分子越大，沸點越高。
四個你需要認識的重要家族
讓我們來認識一下課程中你需要掌握的四個重要家族。
快速回顧：四大化學家族
1. 烷烴
官能基：只含碳碳單鍵 (C-C)。
通式：$$C_nH_{2n+2}$$（其中 n ≥ 1）
描述：它們被稱為飽和碳氫化合物，因為它們含有最大可能數量的氫原子。例子：甲烷 ($$CH_4$$)、丙烷 ($$C_3H_8$$)。
2. 烯烴
官能基：至少一個碳碳雙鍵 (C=C)。
通式：$$C_nH_{2n}$$（其中 n ≥ 2）
描述：它們是不飽和碳氫化合物，因為它們的雙鍵有潛力與更多原子鍵合。例子：乙烯 ($$C_2H_4$$)、丙烯 ($$C_3H_6$$)。
3. 醇 (烷醇)
官能基：羥基 (-OH)。
通式：$$C_nH_{2n+1}OH$$（其中 n ≥ 1）
描述：你可能聽過乙醇，也就是酒類中的酒精。醇類是一個龐大的相似化合物家族。例子：甲醇 ($$CH_3OH$$)、乙醇 ($$C_2H_5OH$$)。
4. 羧酸 (烷酸)
官能基：羧基 (-COOH)。
通式：$$C_{n-1}H_{2n-1}COOH$$（其中 n ≥ 1）
描述：它們是弱酸。最著名的是乙酸，也就是食醋中的酸。例子：甲酸 ($$HCOOH$$)、乙酸 ($$CH_3COOH$$)。
重點提示：
同系物系列是一類擁有相同官能基和相似化學性質的有機化合物家族。我們將重點學習烷烴、烯烴、醇和羧酸。
3. 碳化合物的命名法 (系統命名法)
如果你覺得上面的名稱看起來很複雜，別擔心！我們有一個邏輯嚴謹的系統，稱為IUPAC命名法，用來命名所有化合物，這樣全球的人都能用相同的名稱來稱呼相同的分子。
一個化學名稱主要由兩部分組成：字首（表示碳原子的數量）和字尾（表示它所屬的家族）。
第一部分：字首 (碳原子的數量)
這表示最長連續碳鏈中碳原子的數量。
碳原子數量及其對應字首
1 個碳：甲-
2 個碳：乙-
3 個碳：丙-
4 個碳：丁-
5 個碳：戊-
6 個碳：己-
7 個碳：庚-
8 個碳：辛-
助記小貼士：甲乙丙丁，之後的就像幾何圖形：戊邊形 (pentagon)、己邊形 (hexagon) 等等。
第二部分：字尾 (家族名稱)
這由同系物系列（即官能基）決定。
烷烴（只含C-C鍵） → -烷
烯烴（含C=C雙鍵） → -烯
醇（-OH基團） → -醇
羧酸（-COOH基團） → -酸
綜合運用：逐步指南
- 找出最長的連續碳原子鏈。這會決定你的字首。
- 辨認主要的官能基。這會決定你的字尾。
- 為碳鏈編號。從能使官能基擁有最低號碼的那一端開始數。（烷烴和非常短的羧酸，如乙酸，則不需要這一步。）
- 寫出完整的名稱。按照這個順序組合各部分：（官能基位置） - （字首） - （字尾）。
我們來試試一些例子吧！
例子一：烯烴的命名
想像一個分子結構：CH₂=CH-CH₂-CH₃
- 最長碳鏈： 4 個碳 → 丁-
- 官能基： 一個C=C雙鍵 → -烯
- 編號： 我們從左邊開始編號，讓雙鍵擁有最低的號碼。它從碳原子1開始。（如果從右邊開始數，它會在碳原子3上）。所以，位置是1。
- 完整名稱： 丁-1-烯
例子二：醇的命名
想像一個分子結構：CH₃-CH(OH)-CH₃
- 最長碳鏈： 3 個碳 → 丙-
- 官能基： 一個-OH基團 → -醇
- 編號： 無論從哪邊數，-OH基團都在碳原子2上。位置是2。
- 完整名稱： 丙-2-醇
根據名稱繪畫結構式
這只是反向操作！讓我們繪畫戊-1-醇的結構式。
- 字首「戊-」告訴我們要繪畫一條有5個碳原子的碳鏈：C-C-C-C-C。
- 字尾「-醇」告訴我們有一個-OH基團。
- 數字「1」告訴我們-OH基團在第一個碳原子上。
- 最後，為每個碳原子補上氫原子，使每個碳原子總共有4個鍵。
重點提示：
系統命名法遵循簡單的規則：找出最長的碳鏈（字首），辨認所屬家族（字尾），並使用數字表示官能基的位置。
4. 加成聚合作用：製造大型分子
你有沒有想過塑膠是由什麼組成的呢？它們是聚合物——由數千個小分子連接在一起形成的巨大分子。
重要術語
- 單體：構成聚合物的基本小分子。
- 聚合物：由許多重複的單體單元連接而成的巨大分子。
- 聚合作用：單體連接形成聚合物的化學過程。
比喻：想像你有一大盒萬字夾（單體）。當你把所有萬字夾串在一起形成一條長鏈時，你就製造了一條萬字夾鏈（聚合物）。將它們連接起來的過程就是聚合作用。
什麼是加成聚合作用？
加成聚合作用是一種特定類型的聚合作用。它發生在不飽和單體，通常是具有C=C雙鍵的烯烴。
這其中的巧妙之處在於：雙鍵由兩對共享電子組成。在聚合作用過程中，其中一對電子「打開」，並與相鄰的單體形成新的單鍵。這就將它們全部連接成一條長鏈。
過程：從乙烯到聚(乙烯)
- 從大量單體開始：許多乙烯分子 ($$CH_2=CH_2$$)。
- 反應條件：在高溫、高壓和催化劑的作用下...
- 雙鍵打開：每個乙烯分子中的C=C雙鍵斷開。
- 單體連接：單體彼此加成，形成一條長飽和鏈。
我們可以透過一個化學方程式來表示這個過程：
$$ n CH_2=CH_2 \rightarrow -[CH_2-CH_2]-_n $$
（其中 'n' 是一個非常大的數字）
方括號內的部分，即-[CH₂-CH₂]-，稱為重複單元。它是聚合物鏈中重複出現的片段。
推斷單體和重複單元
- 從單體到聚合物：要找出重複單元，只需將單體的C=C雙鍵變成C-C單鍵，並顯示兩側伸出的新單鍵。
- 從聚合物到單體：要找出單體，從聚合物鏈中取一個重複單元，移除伸出的鍵，然後將「主鏈」中的C-C單鍵變回C=C雙鍵。
你知道嗎？
塑膠產品上通常會有回收標誌（一個由箭頭組成的三角形內含數字），這些標誌有助於識別其所屬的聚合物類型。例如，聚氯乙烯（PVC）的編號是3，而聚苯乙烯（polystyrene）的編號是6。
常見的加成聚合物
以下是你需要認識的例子，它們都由不同的烯烴單體製成。
1. 聚(乙烯) 或 聚乙烯 (PE)
單體：乙烯
重複單元：-[CH₂-CH₂]-
用途：塑膠袋、保鮮紙、瓶子（柔韌且便宜）。
2. 聚(丙烯) 或 聚丙烯 (PP)
單體：丙烯
重複單元：-[CH(CH₃)-CH₂]-
用途：繩索、地毯、食物容器、椅子（堅固且耐熱）。
3. 聚(氯乙烯) 或 聚氯乙烯 (PVC)
單體：氯乙烯
重複單元：-[CHCl-CH₂]-
用途：水管、窗框、電線絕緣體（堅韌、堅硬且是良好的電絕緣體）。
4. 聚(苯乙烯) 或 聚苯乙烯 (PS)
單體：苯乙烯
重複單元：-[CH(C₆H₅)-CH₂]-
用途：即棄杯、包裝泡沫、塑膠餐具（脆性較高，但發泡後是極佳的隔熱材料）。
5. 有機玻璃 (聚(2-甲基丙烯酸甲酯))
單體：2-甲基丙烯酸甲酯
重複單元：結構較為複雜！
用途：輕巧、不易碎的玻璃替代品，用於飛機窗戶和水族箱。
重點提示：
加成聚合作用透過打斷雙鍵，將許多不飽和的單體（如烯烴）連接在一起，形成一條長而飽和的鏈，稱為聚合物。你應該能夠從聚合物結構中辨識出單體，反之亦然。