普通化學

General Chemistry

第 2 週:物質、原子、離子與命名

同位素・週期性趨勢・化學式與命名

Atoms, Ions, Periodic Trends and Nomenclature

本週學習目標 Learning Objectives

由核種符號讀出質子數、中子數與電子數;理解同位素與平均原子量
能用有效核電荷解釋原子半徑、游離能、離子半徑的週期性趨勢
寫出常見單原子與多原子離子,並由離子組合寫出離子化合物的化學式
正確命名離子化合物、二元分子化合物、酸與水合物
能由化合物的化學式算出某元素在其中所占的比例,並用它比較補充劑
說明同位素比值為何能用來鑑別蜂蜜摻假、產地來源與栽培方式,並指出它的限制

本週重點化學式不只是一串符號——它直接決定了「這顆錠劑裡真正有多少鈣」。本週的終點就是能自己算出這個數字。

第 2 週·食品營養錨點:「檸檬酸鈣 1000 mg」補了多少鈣? This Week's Anchor

大哉問架上兩瓶鈣片,一瓶寫「碳酸鈣 1000 mg」,一瓶寫「檸檬酸鈣 1000 mg」,價格差兩倍。
它們補到的鈣一樣多嗎?
再看一眼:有些瓶子寫的是「元素鈣 250 mg」。這三個數字,哪一個才是你要的?

先猜猜看碳酸鈣 CaCO₃ 與檸檬酸鈣 Ca₃(C₆H₅O₇)₂,同樣 1000 mg,哪一個含鈣較多?差多少?(答案在本週最後一張)

本週知識地圖 Roadmap

段落	在問什麼	關鍵詞
PART 1	同一種元素為什麼原子量不是整數?	同位素・平均原子量
PART 2	同位素怎麼拿來抓摻假?	δ 記號・C3/C4・δ¹⁵N・¹⁴C
PART 3	週期表為什麼這樣排?	族與週期・分區
PART 4	為什麼半徑與游離能有規律?	有效核電荷・趨勢
PART 5	離子怎麼結合成化合物?	離子・化學式
PART 6	這串符號怎麼唸、怎麼寫?	命名規則

為什麼食品營養系要學命名成分表、食品添加物公告、營養補充劑標示,全部用化學式與化學名。看不懂化學式,就只能相信包裝上的行銷文字。

PART 2.1

原子的組成與同位素

Atomic Structure and Isotopes

次原子粒子・原子序與質量數・同位素・平均原子量

次原子粒子的性質 Subatomic Particles

粒子	符號	位置	電荷	質量 (amu)
質子 proton	p⁺	原子核內	+1	1.0073 ≈ 1
中子 neutron	n⁰	原子核內	0	1.0087 ≈ 1
電子 electron	e⁻	核外	−1	0.00055 ≈ 0

重點質量集中在原子核(質子+中子);化學性質則由核外電子決定。中性原子:電子數 = 質子數。

原子序、質量數與核種符號 Atomic Number & Mass Number

定義原子序 (atomic number) Z = 質子數,決定元素種類。
質量數 (mass number) A = 質子數 + 中子數。

^A_ZX 例:¹²₆C、³⁵₁₇Cl、²³⁸₉₂U

中子數 = A − Z
Z 與元素符號 X 重複,常省略:寫成 ¹²C 或「碳-12」
離子:右上角標示電荷,如 ²⁴Mg²⁺

例題 2:核種符號 Example 2

例題寫出下列各粒子的質子數、中子數與電子數:
(a) ⁵⁶₂₆Fe (b) ⁵⁶Fe³⁺ (c) ³²S²⁻(S 的原子序為 16)

解:
(a) 質子 = Z = 26;中子 = A − Z = 56 − 26 = 30;中性原子 → 電子 = 26
(b) 質子 26、中子 30 不變;失去 3 個電子 → 電子 = 26 − 3 = 23
(c) 質子 16;中子 = 32 − 16 = 16;得到 2 個電子 → 電子 = 16 + 2 = 18

注意形成離子時只有電子數改變,質子與中子數不變!

同位素 Isotopes

定義同位素 (isotopes):質子數相同(同一元素)、但中子數不同的原子,故質量數不同。

氫的同位素	符號	質子	中子	天然豐度
氕(氫)protium	¹H	1	0	99.99%
氘 deuterium	²H (D)	1	1	0.01%
氚 tritium	³H (T)	1	2	微量(放射性)

同位素的化學性質幾乎相同(電子數相同),但質量與核性質不同。應用:碳-14 定年、醫學造影。

原子質量單位 Atomic Mass Unit (amu)

定義1 amu(又寫作 u 或 Da)= 一個 ¹²C 原子質量的 1/12。
1 amu = 1.6605 × 10⁻²⁴ g

以 ¹²C = 12 amu(精確值)為基準的相對質量標度
質子、中子質量各約 1 amu,故原子質量 ≈ 質量數 A
例:¹H = 1.0078 amu、¹⁶O = 15.9949 amu(接近但不等於整數)

平均原子量 Average Atomic Mass

定義週期表上的原子量是各同位素質量依天然豐度 (natural abundance) 加權的平均值。

平均原子量 = Σ(同位素質量 × 豐度分率)

豐度以小數表示:75.77% → 0.7577
平均值必介於最輕與最重同位素質量之間,且靠近豐度最高者
因此週期表的原子量幾乎都不是整數

例題 3:平均原子量計算 Example 3

例題氯有兩種穩定同位素:³⁵Cl(34.969 amu,豐度 75.77%)與 ³⁷Cl(36.966 amu,豐度 24.23%)。求氯的平均原子量。

解:
平均原子量 = (34.969 amu)(0.7577) + (36.966 amu)(0.2423)
= 26.496 amu + 8.957 amu
= 35.45 amu(4 位有效數字)
檢查:35.45 介於 34.97 與 36.97 之間,且較靠近豐度高的 ³⁵Cl ✓

例題 4:由平均原子量反推豐度 Example 4

例題銅的平均原子量為 63.55 amu,由 ⁶³Cu(62.930 amu)與 ⁶⁵Cu(64.928 amu)組成。求兩同位素的豐度。

解:設 ⁶³Cu 豐度分率為 x,則 ⁶⁵Cu 為 (1 − x):
62.930x + 64.928(1 − x) = 63.55
64.928 − 1.998x = 63.55 → 1.998x = 1.378 → x = 0.6897
⁶³Cu ≈ 69.0%,⁶⁵Cu ≈ 31.0%
檢查:平均值靠近 ⁶³Cu → ⁶³Cu 豐度應較高 ✓

技巧兩種同位素時設 x 與 (1−x),一元一次方程式即可解。

隨堂快問 ①:同位素與平均原子量 Quick Check 1

個人作答 2 分鐘 → 與鄰座說明你的理由 → 全班表決 → 看解答

1下列何者互為同位素?
A ¹²C 與 ¹⁴NB ³⁵Cl 與 ³⁷ClC O₂ 與 O₃D Na 與 Na⁺

2銅有 ⁶³Cu(69.2%)與 ⁶⁵Cu(30.8%)。平均原子量最接近?
A 63.0B 63.6C 64.0D 65.0

3氯的平均原子量是 35.45。有沒有任何一個氯原子的質量是 35.45 amu?為什麼?

解答:

1. B — 同位素 = 質子數相同、中子數不同。選 C 是同素異形體(同元素不同分子形式);選 D 是離子(電子數不同);選 A 連元素都不同。固定動作:先看質子數是否相同。

2. B(63.6) — 63×0.692 + 65×0.308 = 63.6。選 C(64.0)的同學取了算術平均,忽略豐度加權。加權平均一定偏向豐度大的那一邊 —— 63 的比例較高,所以答案必須小於 64。這個判斷不必計算就能排除 C、D。

3. 沒有 — 任何一個氯原子不是 ³⁵Cl(約 35 amu)就是 ³⁷Cl(約 37 amu),沒有 35.45 的個體。35.45 是整群原子的加權平均,是統計量不是個體屬性。把平均值誤當成個體性質是很常見的推理錯誤 —— 就像「平均每戶 2.3 人」不代表有 0.3 個人。

PART 2.2

同位素在食品檢測的應用

Isotopes in Food Authentication

δ 記號・蜂蜜的真假・產地溯源・有機與合成

同位素豐度不是固定的常數 Abundance Is Not a Constant

上一段算平均原子量時,把同位素豐度當成固定值——那是為了計算方便的近似
真實情況:同一種元素在不同來源裡,同位素比例會有微小但穩定的差異
差異來自物理與生化過程對輕重同位素的偏好(質量差 → 反應速率差)
這個「微小差異」小到不影響化學性質,卻大到可以當指紋

為什麼這對食品檢驗這麼有用一般的成分分析只能回答「裡面有什麼」;同位素比值可以回答「它從哪裡來」——而摻假、產地標示不實、有機認證造假,問的正是後面這個問題。

同位素比值怎麼表示:δ 記號 The Delta Notation

δ¹³C (‰) = [ (R_樣品 / R_標準) − 1 ] × 1000　　R = ¹³C / ¹²C

差異在千分之幾的等級,所以用千分率 ‰,而且一定要對照國際標準品
δ 為負 = 樣品比標準品更缺乏重同位素(有機物多半如此)
常用的四組:δ¹³C(碳源)、δ¹⁵N(氮源)、δ²H / δ¹⁸O(水源)
儀器:同位素比值質譜儀(IRMS),量的不是「有多少」而是「比例是多少」

注意這與「有沒有輻射」無關這裡用的 ¹³C、¹⁵N、²H 都是穩定同位素,不會衰變、沒有放射性。只有後面講到的 ¹⁴C 是放射性的。

應用一:蜂蜜是不是摻了糖漿 Is This Honey Adulterated?

植物固定 CO₂ 有兩條路徑,對 ¹³C 的排斥程度不同
C3(多數蜜源植物、稻麥、大豆):δ¹³C −22 ~ −30‰
C4(甘蔗、玉米):δ¹³C −10 ~ −16‰
摻入蔗糖漿或玉米糖漿 → 整體 δ¹³C 往上偏移

關鍵設計:自帶內部標準直接看蜂蜜的 δ¹³C 不夠——不同蜜源本來就有差異。
做法是把蜂蜜裡的蛋白質分離出來一起測:加進去的糖漿不含蛋白質,所以蛋白質的 δ¹³C 代表真蜜原本的值。
兩者的差距,就是摻假的量。

這是「內部標準」思維的漂亮示範找一個不會被造假動到的成分當基準,拿它去比對可能被動過的部分。同一個思路在第 7 週的一級標準品、第 10 週的檢量線都會再出現。

例題:算出摻了多少 C4 糖 Example: How Much C4 Sugar?

C4 糖 (%) = δ¹³C_蛋白 − δ¹³C_蜂蜜

δ¹³C_蛋白 − (−9.7) × 100　(−9.7‰ = 純 C4 糖)

某樣品:蜂蜜 δ¹³C = −23.0‰、蛋白質 δ¹³C = −25.0‰
C4 糖 = (−25.0 − (−23.0)) ÷ (−25.0 − (−9.7)) × 100 = (−2.0) ÷ (−15.3) × 100 = 13.1%
依 AOAC 998.12,C4 糖超過 7% 即判定摻假 → 這瓶不合格。

對照一瓶真蜜:蜂蜜 −25.3‰、蛋白質 −25.0‰ → (−25.0 + 25.3) ÷ (−15.3) × 100 = −2.0%,約等於 0 → 合格。
注意負值不是「負的摻假」,而是量測誤差落在 0 附近的正常結果。
判定標準與方法細節請以主管機關公告的檢驗方法為準。

應用二:產地從哪裡來 Where Did It Come From?

同位素	反映什麼	為什麼有地域性	用在哪
δ²H、δ¹⁸O	當地降水的特徵	緯度越高、海拔越高、離海越遠 → 重同位素越少	葡萄酒、果汁、橄欖油、米
⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr	土壤下方岩層的年齡與組成	生物過程不會改變鍶同位素比 → 忠實反映地質	葡萄酒風土、牛肉、茶
δ¹³C	飼料或作物的光合途徑	玉米(C4)餵養 vs 牧草(C3)餵養	牛肉、乳品的飼養方式

為什麼要同時看好幾個單一個同位素的範圍會重疊——兩個不同產地可能剛好有相近的 δ¹⁸O。實務上是把 4–6 個指標合起來比對資料庫,就像不是靠單一特徵而是靠整組特徵來辨識一個人。

應用三:有機、天然,還是合成 Organic, Natural, or Synthetic?

δ¹⁵N:有機 vs 化肥

標準是大氣 N₂,定義為 0‰
化學氮肥用 Haber–Bosch 從空氣做 → 約 0‰
有機肥經微生物作用,¹⁴N 以 NH₃ 逸失 → 殘留物富集 ¹⁵N,約 +5 ~ +15‰
所以有機栽培的作物 δ¹⁵N 通常較高

¹⁴C:生物 vs 石化

¹⁴C 半衰期 5730 年
石化原料埋藏數百萬年 → ¹⁴C 已衰變殆盡 = 0
穀物、水果等生物來源含現代大氣的 ¹⁴C
→ 釀造醋 vs 合成醋酸、天然香草醛 vs 石化香草醛,是有/無的二分判定

δ¹⁵N 是證據,不是證明豆科作物自己固定大氣 N₂,δ¹⁵N 本來就接近 0——不論有沒有施化肥。土壤條件、脫氮作用也會影響。所以它是支持性證據,要配合其他指標與稽核紀錄,不能單獨拿來認定造假。相對地,¹⁴C 的判定乾淨得多,因為它問的是一個二分的問題。

隨堂快問 ②:同位素與食品鑑別 Quick Check 2

個人作答 2 分鐘 → 與鄰座說明你的理由 → 全班表決 → 看解答

1在真蜜裡摻入玉米糖漿(C4),整體的 δ¹³C 會?
A 往負的方向跑(更負)B 往正的方向跑(較不負)C 完全不變D 變成正值

2檢驗蜂蜜時,為什麼要把蜂蜜裡的蛋白質分離出來一起測 δ¹³C?
A 蛋白質比較好測B 加進去的糖漿不含蛋白質,蛋白質代表真蜜原本的值C 為了測蛋白質含量D 蛋白質的同位素比較穩定

3某批標示「有機」的蔬菜測得 δ¹⁵N = +1‰,低於一般有機作物。可以據此判定它造假嗎?請說出至少一個不能直接下結論的理由。

解答:

1. B — C4 糖的 δ¹³C(−10 ~ −16‰)比 C3 蜜源(−22 ~ −30‰)高,混合後整體被拉高。選 A 方向弄反。記法:C4 的數值比較「不負」,摻進去就把平均往上拉。這也是為什麼判定式裡的端點是 −9.7‰(純 C4 糖)。

2. B — 糖漿只有糖、沒有蛋白質,所以蛋白質的同位素組成沒有被稀釋。選 A/D 都不是理由。這一題的價值在於內部標準的設計思維:找一個造假動不到的成分當基準——這與第 7 週「一級標準品」要挑穩定、組成明確的物質是同一個道理。

3. 不能 — ① 豆科作物自己固定大氣 N₂,δ¹⁵N 本來就接近 0;② 土壤本底與脫氮作用會使數值移動;③ 有機肥本身的 δ¹⁵N 範圍就很寬(+5 ~ +15‰)。一個數字只回答它自己那一個問題。δ¹⁵N 回答「氮從哪裡來」,不是「有沒有依有機規範栽培」。能說出方法的邊界,比會用它更重要。

PART 2.3

週期表導覽

Introduction to the Periodic Table

族與週期・金屬/非金屬/類金屬・主族名稱

週期表的架構 Structure of the Periodic Table

定義族 (group):週期表的「直行」,共 18 族;同族元素化學性質相似。
週期 (period):週期表的「橫列」,共 7 週期。

元素依原子序遞增排列(Mendeleev 原以原子量排列,Moseley 修正)
1、2 族與 13–18 族:主族元素 (main-group / representative elements)
3–12 族:過渡金屬 (transition metals);下方兩列為鑭系、錒系

金屬、非金屬與類金屬 Metals, Nonmetals, Metalloids

	金屬 metal	非金屬 nonmetal	類金屬 metalloid
位置	週期表左方與中間	右上方	兩者交界階梯線上
性質	有光澤、導電導熱、可延展	多為氣體或脆性固體、絕緣	性質介於中間、半導體
成離子傾向	失電子成陽離子	得電子成陰離子	—
例子	Na、Fe、Cu、Au	O、N、Cl、S	B、Si、Ge、As、Sb、Te

氫 (H) 位於第 1 族,但屬非金屬,是特例。

重要主族的名稱 Names of Main Groups

族	名稱	英文	成員例	特性
1	鹼金屬	alkali metals	Li, Na, K	活性大,+1 離子
2	鹼土金屬	alkaline earth metals	Mg, Ca, Ba	+2 離子
16	硫族	chalcogens	O, S, Se	常 −2 離子
17	鹵素	halogens	F, Cl, Br, I	活性大,−1 離子
18	鈍氣(惰性氣體)	noble gases	He, Ne, Ar	極安定,不易反應

必背族名與其常見離子電荷 — 是預測化學式的捷徑。

隨堂快問 ③:週期表的讀法 Quick Check 3

個人作答 2 分鐘 → 與鄰座說明你的理由 → 全班表決 → 看解答

1下列何者是類金屬 (metalloid)?
A AlB SiC SD Ca

2同一族(直行)的元素,下列何者最相似?
A 原子質量B 原子半徑C 價電子數與化學性質D 中子數

3鈉(第 1 族)與鎂(第 2 族)都是活潑金屬。為什麼鈉更容易失去電子?用價電子的角度說明。

解答:

1. B(Si) — 類金屬沿週期表的階梯線分布:B、Si、Ge、As、Sb、Te。選 A 的同學把鋁當類金屬 —— 鋁是金屬,雖然位置靠近階梯線。這條線是「分界」不是「歸屬」,線的左下是金屬、右上是非金屬,只有壓在線上的那幾個才是類金屬。

2. C — 同族 = 價電子數相同 → 化學性質相似,這正是週期表按族排列的理由。選 A/B/D 都是沿族遞變而非相同的量。記住:族看性質,週期看趨勢。

3. 因為鈉只需失去 1 個電子就達到八隅體 — Na 的價電子組態是 3s¹,失去 1 個電子即成為 [Ne];Mg 是 3s²,要失去 2 個。失去第二個電子需要更多能量(逐級游離能遞增)。此題預告第 2 週的游離能。若學生答「因為鈉比較活潑」,那是把現象當成解釋 —— 要問的是為什麼活潑。

PART 2.4

週期性趨勢

Periodic Trends

有效核電荷・原子半徑・游離能・電子親和力・離子半徑・金屬性

有效核電荷與遮蔽 Effective Nuclear Charge & Shielding

定義遮蔽 (shielding):內層電子部分抵消核電荷對外層電子的吸引。
有效核電荷 (Z_eff):外層電子實際感受到的淨核電荷,Z_eff ≈ Z − 遮蔽電子數。

同週期左→右:質子增加、遮蔽幾乎不變 → Z_eff 增大 → 抓得更緊
同族上→下:殼層數增加 → 外層電子離核更遠、遮蔽更多

重點幾乎所有週期性趨勢都能用「Z_eff + 殼層數」這兩個因素解釋。

原子半徑 Atomic Radius

同週期左 → 右:半徑減小
Z_eff 增大,電子雲被拉緊
同族上 → 下:半徑增大
殼層數 n 增加,佔主導

最大:左下角(Fr、Cs)
最小:右上角(He、F)

例:Na (186 pm) > Cl (99 pm);K (227 pm) > Na (186 pm)

例題 4:原子半徑排序 Example 4

例題將下列元素依原子半徑由大到小排序:(a) Na、Mg、K;(b) C、N、Si。

解:
(a) K 在 Na 下方(同族,下 > 上)→ K > Na;Mg 在 Na 右邊(同週期,左 > 右)→ Na > Mg
排序:K > Na > Mg
(b) Si 在 C 下方 → Si > C;N 在 C 右邊 → C > N
排序:Si > C > N
訣竅:先畫出相對位置,「越左下越大、越右上越小」。

游離能 Ionization Energy (IE)

定義游離能:氣態原子移走一個電子所需的最小能量(恆為正值、吸熱):X(g) → X⁺(g) + e⁻。

同週期左 → 右:IE 增大(Z_eff 大、半徑小,電子難移走)
同族上 → 下:IE 減小(電子離核遠,好移走)
IE 最大:鈍氣(He 為全元素之冠);最小:鹼金屬(Cs、Fr)

重點IE 小 → 易失電子 → 金屬性;IE 大 → 難失電子 → 非金屬性。

游離能的例外 Exceptions: Be/B and N/O

比較	趨勢預測	實際	原因
Be vs B	B 較大	Be > B	B 失去的是能量較高的 2p 電子(Be 為全滿 2s²)
N vs O	O 較大	N > O	O 的 2p⁴ 中有一對配對電子互斥;N 為半滿 2p³ 較穩定

注意同樣的例外也出現在下一週期(Mg/Al、P/S)。關鍵字:全滿 s、半滿 p 的額外穩定性。

離子半徑 Ionic Radius

陽離子:比原子小

失去整個外殼層 + Z_eff 相對變大
Na (186 pm) → Na⁺ (102 pm)

陰離子:比原子大

電子增加、互斥變大,核拉不住
Cl (99 pm) → Cl⁻ (181 pm)

必背「陽小陰大」;等電子系列中,質子越多半徑越小。

例題 5:等電子系列半徑排序 Example 5

例題將 O²⁻、F⁻、Na⁺、Mg²⁺ 依半徑由大到小排序,並說明理由。

解:
四者皆為 10 電子的等電子粒子(組態 [Ne]),差別只在質子數:
O (Z = 8)、F (Z = 9)、Na (Z = 11)、Mg (Z = 12)
電子數相同時,質子越多 → 吸引越強 → 半徑越小:
O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺
(140 pm > 133 pm > 102 pm > 72 pm)

隨堂快問 ④:週期性趨勢 Quick Check 4

個人作答 2 分鐘 → 與鄰座說明你的理由 → 全班表決 → 看解答

1下列何者的第一游離能最大?
A BeB BC ND O

2N³⁻、O²⁻、F⁻、Na⁺、Mg²⁺ 皆為 10 電子。半徑最小的是?
A N³⁻B F⁻C Na⁺D Mg²⁺

3Fe³⁺ 的半徑比 Fe²⁺ 小。(a) 為什麼?(b) 這對「鐵在小腸被吸收」有什麼影響?(提示:電荷密度、與水的結合強度)

解答:

1. C(N) — 第一游離能約 Be 900、B 801、N 1402、O 1314 kJ/mol。選 D 只套「同週期左至右遞增」而忽略 N/O 例外:O 的 2p⁴ 有一對配對電子互斥,反而好拔;N 是半滿 2p³。P/S 再現一次。

2. D(Mg²⁺) — 電子數都是 10,但質子數 N 7 < O 8 < F 9 < Na 11 < Mg 12。質子越多,把同樣的 10 個電子拉得越緊。選 A 用「電荷越負半徑越小」的直覺 — 剛好相反。等電子系列裡電子數是常數,唯一變數是核電荷,只看質子數就能排序。

3. (a) Fe³⁺ 比 Fe²⁺ 少一個電子,質子數不變 → 電子間互斥變小、有效核電荷 Z_eff 變大 → 電子雲被拉得更緊(六配位高自旋約 Fe²⁺ 78 pm vs Fe³⁺ 65 pm)。
(b) 半徑更小 + 電荷更大 = 電荷密度大得多,對水分子的極化能力強,在接近中性的小腸環境容易水解聚合成 Fe(OH)₃ 沉澱,「掉出溶液」就無法被吸收。Fe²⁺ 電荷密度低、保持可溶,才進得了吸收通道。「電荷密度 → 水解 → 溶解度 → 生體可用率」這條鏈,營養學談礦物質吸收時反覆使用。

PART 2.5

分子、離子與化學式

Molecules, Ions, and Chemical Formulas

陽離子與陰離子・多原子離子・分子式/實驗式/結構式

離子的形成 Formation of Ions

定義陽離子 (cation):原子失去電子後帶正電,如 Na → Na⁺ + e⁻。
陰離子 (anion):原子獲得電子後帶負電,如 Cl + e⁻ → Cl⁻。

金屬傾向失電子 → 陽離子;非金屬傾向得電子 → 陰離子
驅動力:達到與最近鈍氣相同的安定電子組態
單原子陰離子命名:字尾改 -ide(chloride、oxide、nitride)

單原子離子電荷與族的關係 Charges and Groups

族	1	2	13	15	16	17
常見離子電荷	+1	+2	+3	−3	−2	−1
例子	Na⁺, K⁺	Mg²⁺, Ca²⁺	Al³⁺	N³⁻, P³⁻	O²⁻, S²⁻	F⁻, Cl⁻

重點主族離子電荷可由族數直接預測;過渡金屬(如 Fe²⁺/Fe³⁺、Cu⁺/Cu²⁺)常有多種電荷,無法由族數判斷。

常見多原子離子(必背) Common Polyatomic Ions

離子	名稱	離子	名稱
NH₄⁺	銨 ammonium	OH⁻	氫氧 hydroxide
NO₃⁻	硝酸根 nitrate	NO₂⁻	亞硝酸根 nitrite
SO₄²⁻	硫酸根 sulfate	SO₃²⁻	亞硫酸根 sulfite
CO₃²⁻	碳酸根 carbonate	HCO₃⁻	碳酸氫根 bicarbonate
PO₄³⁻	磷酸根 phosphate	C₂H₃O₂⁻	醋酸根 acetate
MnO₄⁻	過錳酸根 permanganate	CN⁻	氰根 cyanide
CrO₄²⁻	鉻酸根 chromate	Cr₂O₇²⁻	重鉻酸根 dichromate

必背-ate(某酸根)氧較多;-ite(亞某酸根)氧較少。這張表請務必熟記!

化學式的種類 Types of Chemical Formulas

種類	英文	意義	以過氧化氫為例
分子式	molecular formula	分子中各原子的實際數目	H₂O₂
實驗式	empirical formula	原子數的最簡整數比	HO
結構式	structural formula	原子的連接方式	H–O–O–H

離子化合物(如 NaCl)只寫實驗式 — 晶體中無獨立分子
分子式 = 實驗式 × n(n 為正整數)

例題 5:分子式與實驗式 Example 5

例題寫出下列分子的實驗式:
(a) 葡萄糖 C₆H₁₂O₆ (b) 苯 C₆H₆ (c) 乙炔 C₂H₂ (d) 水 H₂O

解:將各原子數除以最大公因數,化為最簡整數比:
(a) 6:12:6 ÷ 6 → CH₂O
(b) 6:6 ÷ 6 → CH
(c) 2:2 ÷ 2 → CH(與苯相同 — 實驗式相同不代表是同一物質!)
(d) 2:1 已是最簡 → H₂O(分子式 = 實驗式)

離子化合物 vs 分子化合物 Ionic vs. Molecular Compounds

	離子化合物 ionic	分子化合物 molecular (covalent)
組成	金屬 + 非金屬(或含多原子離子)	非金屬 + 非金屬
結合方式	陰陽離子靜電吸引	共用電子(共價鍵)
例子	NaCl、CaCO₃、NH₄NO₃	H₂O、CO₂、CH₄
性質	高熔點固體、熔融或水溶可導電	熔沸點多較低

判斷訣竅先看有無金屬或 NH₄⁺:有 → 多為離子化合物;全為非金屬 → 分子化合物。

離子化合物化學式的寫法 Writing Ionic Formulas

寫出陽離子與陰離子(含電荷)
取最小整數比使總電荷為零(交叉法)
多原子離子需要下標時,加括號:Ca(NO₃)₂

示範Al³⁺ 與 O²⁻:交叉電荷 → Al₂O₃(+6 − 6 = 0 ✓)
NH₄⁺ 與 SO₄²⁻ → (NH₄)₂SO₄

注意化學式中不寫出電荷;下標務必化為最簡比(離子化合物),如 Mg²⁺ + O²⁻ → MgO 而非 Mg₂O₂。

隨堂快問 ⑤:離子與化學式 Quick Check 5

個人作答 2 分鐘 → 與鄰座說明你的理由 → 全班表決 → 看解答

1鈣離子與磷酸根形成的化合物,化學式為?
A CaPO₄B Ca₂PO₄C Ca₃(PO₄)₂D Ca(PO₄)₂

2下列何者的實驗式與分子式相同?
A 苯 C₆H₆B 過氧化氫 H₂O₂C 葡萄糖 C₆H₁₂O₆D 氨 NH₃

3為什麼離子化合物沒有「分子式」,只有「實驗式」?請說明 NaCl 這個寫法代表什麼。

解答:

1. C — Ca²⁺ 與 PO₄³⁻ 需 3 : 2 才電中性。選 A 的同學沒做電荷平衡。固定動作:先把兩個離子的電荷寫出來,再交叉。這個離子對正是骨骼與牛奶的主成分。

2. D(NH₃) — 苯的實驗式是 CH、過氧化氫是 HO、葡萄糖是 CH₂O。判準:各下標的最大公因數為 1。NH₃ 的 1 和 3 互質,所以兩者相同。

3. 因為離子化合物是連續的晶格,沒有獨立的「分子」 — NaCl 晶體中每個 Na⁺ 被 6 個 Cl⁻ 包圍,找不到「一個 NaCl 分子」。NaCl 表示的是 1 : 1 的離子比例,不是一個粒子。所以離子化合物的「式量」要叫 formula mass 而不是 molecular mass。這個區分在第 3 週算莫耳質量時會直接用到。

PART 2.6

化合物的命名

Chemical Nomenclature

離子化合物・二元分子化合物・酸・水合物

離子化合物命名 Naming Ionic Compounds

英文:陽離子在前、陰離子在後 → sodium chloride (NaCl)
中文:陰離子在前、陽離子在後 → 氯化鈉;含酸根則稱「某酸某」→ 硫酸鈉 Na₂SO₄
單原子陰離子英文字尾 -ide;多原子離子用其固定名稱
命名中不需寫出個數字首(電荷已決定比例):CaCl₂ 是 calcium chloride,不是 calcium dichloride

練習K₂CO₃ → 碳酸鉀 potassium carbonate;Mg(OH)₂ → 氫氧化鎂 magnesium hydroxide

過渡金屬:羅馬數字標電荷 Stock System

規則可有多種電荷的金屬(多為過渡金屬),命名時以羅馬數字標明其電荷:iron(II)、iron(III)。

化學式	金屬電荷	英文名	中文名
FeCl₂	Fe²⁺	iron(II) chloride	氯化鐵(II)/氯化亞鐵
FeCl₃	Fe³⁺	iron(III) chloride	氯化鐵(III)/氯化鐵
Cu₂O	Cu⁺	copper(I) oxide	氧化銅(I)/氧化亞銅
CuO	Cu²⁺	copper(II) oxide	氧化銅(II)/氧化銅

金屬電荷由陰離子反推:FeCl₃ 中 3 個 Cl⁻ 共 −3 → Fe 為 +3。Zn²⁺、Ag⁺、Al³⁺ 電荷固定,不需羅馬數字。

例題 6:離子化合物命名 Example 6

例題命名下列化合物(中英文):
(a) Na₃PO₄ (b) Cr₂(SO₄)₃ (c) NH₄NO₃

解:
(a) Na⁺ + PO₄³⁻ → 磷酸鈉 sodium phosphate
(b) 3 個 SO₄²⁻ 共 −6,2 個 Cr 共 +6 → Cr³⁺ → 硫酸鉻(III) chromium(III) sulfate
(c) NH₄⁺ + NO₃⁻ → 硝酸銨 ammonium nitrate

技巧先拆出陰、陽離子與其電荷,再套命名規則;過渡金屬電荷由「總電荷為零」反推。

二元分子化合物命名 Naming Binary Molecular Compounds

兩種非金屬組成,以希臘字首標示原子數
第一個元素字首 mono- 省略
字尾:第二元素改 -ide

1 mono2 di3 tri4 tetra5 penta6 hexa

化學式	英文名	中文名
CO	carbon monoxide	一氧化碳
CO₂	carbon dioxide	二氧化碳
N₂O₄	dinitrogen tetroxide	四氧化二氮
PCl₅	phosphorus pentachloride	五氯化磷

例題 7:分子化合物命名 Example 7

例題(a) 命名 SF₆ 與 N₂O₅;(b) 寫出 dichlorine heptoxide 與「三氧化二砷」的化學式。

解:
(a) SF₆:1 個 S、6 個 F → sulfur hexafluoride 六氟化硫
N₂O₅:2 個 N、5 個 O → dinitrogen pentoxide 五氧化二氮
(b) di-chlorine = 2 個 Cl,hept-oxide = 7 個 O → Cl₂O₇
三氧化「二砷」= 2 個 As、3 個 O → As₂O₃

注意字首命名只用於分子化合物;離子化合物不用字首(CaCl₂ ≠ calcium dichloride)。

酸的命名 Naming Acids

類型	規則	例子
無氧酸 (H + 非金屬)	hydro-______-ic acid 中文:氫某酸	HCl(aq) 氫氯酸(鹽酸) H₂S(aq) 氫硫酸
含氧酸 (-ate 酸根)	______-ic acid 中文:某酸	HNO₃ 硝酸 nitric acid H₂SO₄ 硫酸 sulfuric acid
含氧酸 (-ite 酸根)	______-ous acid 中文:亞某酸	HNO₂ 亞硝酸 nitrous acid H₂SO₃ 亞硫酸 sulfurous acid

口訣-ate → -ic;-ite → -ous;「I ate an icy treat.」

水合物的命名 Naming Hydrates

定義水合物 (hydrate):晶體中含有固定比例結晶水的離子化合物,以「·nH₂O」表示。

命名:鹽名 + 字首標水數 + hydrate;中文:「n 水合某鹽」
CuSO₄·5H₂O:copper(II) sulfate pentahydrate,五水合硫酸銅(II)— 藍色晶體
MgSO₄·7H₂O:magnesium sulfate heptahydrate,七水合硫酸鎂(瀉鹽)
加熱失去結晶水 → 無水 (anhydrous) 鹽:CuSO₄(白色)

隨堂快問 ⑥:命名規則 Quick Check 6

個人作答 2 分鐘 → 與鄰座說明你的理由 → 全班表決 → 看解答

1FeCl₂ 的正確名稱是?
A 氯化鐵B 氯化鐵(II)C 二氯化鐵D 氯化亞鐵(III)

2下列何者的命名需要用希臘數字字首(mono-、di-、tri-…)?
A NaClB CaCl₂C N₂O₄D K₂SO₄

3CuSO₄·5H₂O 要怎麼命名?那個「·5H₂O」代表什麼?

解答:

1. B — 鐵是過渡金屬,有多種氧化態,必須用羅馬數字標明電荷。Cl 帶 −1 共 2 個 → Fe 為 +2。選 A 沒標電荷,無法區分 FeCl₂ 與 FeCl₃;選 C 用了分子化合物才用的字首 —— 離子化合物不用 di-,因為比例已由電荷決定,不需另外標。

2. C — 只有二元分子化合物(兩個非金屬)才用字首:N₂O₄ = 四氧化二氮。A、B、D 都是離子化合物 —— 它們的比例是電荷平衡的必然結果,標了字首反而多餘。先判斷金屬/非金屬,再決定用哪一套命名。

3. 五水合硫酸銅(II) — 「·5H₂O」表示晶體中每一個 CuSO₄ 帶著 5 個水分子(結晶水),它們是晶格的一部分。結晶水會計入莫耳質量(249.7 而非 159.6)。配溶液時若用五水合鹽卻按無水鹽算,濃度就會偏低約 36% —— 這是分析化學實驗最常見的失誤之一。

回到本週的錨點 Anchor Answered

第 2 週開場問的是:「檸檬酸鈣 1000 mg」到底補了多少鈣?

用這一週的化學回答

「1000 mg」指的是整個化合物的質量,不是鈣的質量。要知道補到多少鈣,得用化學式算出鈣在其中所占的質量分率。
碳酸鈣 CaCO₃(M = 100.1):鈣占 40.08/100.1 = 40% → 1000 mg 含約 400 mg 元素鈣。
檸檬酸鈣 Ca₃(C₆H₅O₇)₂(M = 498.4):三個鈣占 120.2/498.4 = 24% → 1000 mg 只含約 240 mg 元素鈣。
所以「先猜猜看」的答案是碳酸鈣含鈣較多,約 1.7 倍。(檸檬酸鈣仍有它的優點:不需胃酸即可吸收,適合胃酸不足者——但那是吸收率的問題,不是含量的問題,兩者不能混為一談。)

這個情境幫你理解的化學是化學式是一份組成的合約。看懂它,「1000 mg」這個數字就從一個行銷詞變成一個可以驗算的量——而且你會發現標示上真正該看的是元素鈣那一欄。

接下來在哪裡會再用到:營養學礦物質的建議攝取量與補充劑選擇　食品化學添加物的化學式與功能　分析化學由化學式推算理論含量

本週重點總結 Summary

核種符號 ^A_ZX:Z = 質子數、A = 質子 + 中子;同位素質子相同、中子不同
平均原子量 = Σ(同位素質量 × 豐度),所以週期表上的數字不是整數
同位素豐度會隨來源而變——δ¹³C 抓蜂蜜摻 C4 糖、δ¹⁵N 看氮肥、¹⁴C 分辨生物與石化來源
有效核電荷解釋一切趨勢:同週期向右變大 → 半徑變小、游離能變大
陽離子比原子小、陰離子比原子大;等電子系列看核電荷排序
離子化合物用電荷平衡寫化學式;多原子離子超過一個要加括號
命名:先陽後陰、過渡金屬加羅馬數字、二元分子用倍數字首
「化合物 1000 mg」≠「元素 1000 mg」 —— 要用質量分率換算

帶走一句話化學式讓你算得出「裡面到底有多少」——這是整個食品標示判讀的起點。

重要名詞中英對照 Key Terms

中文	English	中文	English
質量守恆定律	law of conservation of mass	同位素	isotope
倍比定律	law of multiple proportions	平均原子量	average atomic mass
原子序	atomic number	陽離子/陰離子	cation / anion
質量數	mass number	多原子離子	polyatomic ion
鹼金屬/鹵素	alkali metals / halogens	實驗式	empirical formula
類金屬	metalloid	水合物	hydrate

本週補充名詞 More Key Terms

中文	English
穩定同位素	stable isotope
同位素比值質譜	isotope ratio mass spectrometry
千分率	per mil (‰)
C3／C4 植物	C3 / C4 plant

中文	English
內部標準	internal standard
摻假	adulteration
產地溯源	geographical traceability
同位素分餾	isotope fractionation

課後練習與下週預告 Homework & Next Week

課後練習① 找三種鈣或鐵的補充劑,查出化學式,算出各含多少元素鈣/鐵,並比較每毫克的價格。
② 從家中食品的成分表挑五個化學名稱,寫出化學式並判斷是離子還是分子化合物。
③ 完成課本第 2 章的同位素與命名習題。

下週:莫耳與化學式標示「鈉 1800 mg」等於幾克鹽?
本週學會了「化學式告訴你比例」,下週要學的是莫耳——把比例變成可以實際秤出來的公克數。