Unit 2：化合物的結構與性質
AP Chemistry Unit 2（Compound Structure and Properties）說明原子如何以離子鍵、共價鍵或金屬鍵結合，以及如何用 Lewis 結構、形式電荷與 VSEPR 理論預測分子的形狀與極性。分子形狀決定極性，極性又決定 Unit 3 的分子間作用力，所以本單元是理解物質性質的關鍵，約占選擇題 7–9%。
本單元學習重點
| CED 主題 | 內容 |
|---|---|
| 2.1 化學鍵類型 | 離子鍵、極性／非極性共價鍵、金屬鍵 |
| 2.2 位能與鍵長 | 位能曲線、鍵長與鍵能 |
| 2.3 離子固體 | 晶格能與庫侖定律 |
| 2.4 金屬與合金 | 電子海模型、置換型與間隙型合金 |
| 2.5–2.6 Lewis 結構 | Lewis 結構、共振、形式電荷 |
| 2.7 VSEPR 與混成 | 分子形狀、鍵角、極性、混成軌域、σ 與 π 鍵 |
化學鍵有哪幾種？
化學鍵的類型由兩個原子的陰電性差（\(\Delta EN\)）決定：
| 鍵的類型 | 參與原子 | 電子行為 | 例子 |
|---|---|---|---|
| 非極性共價鍵 | 非金屬 + 非金屬，\(\Delta EN \approx 0\) | 平均共用 | \(\ce{H2}\)、\(\ce{Cl2}\) |
| 極性共價鍵 | 非金屬 + 非金屬，\(\Delta EN\) 中等 | 不平均共用，產生部分電荷 \(\delta^+\)、\(\delta^-\) | \(\ce{H2O}\)、\(\ce{HCl}\) |
| 離子鍵 | 金屬 + 非金屬，\(\Delta EN\) 大 | 電子轉移，形成陰陽離子 | \(\ce{NaCl}\)、\(\ce{MgO}\) |
| 金屬鍵 | 金屬 + 金屬 | 價電子形成可自由移動的「電子海」 | \(\ce{Cu}\)、\(\ce{Fe}\) |
位能曲線告訴我們什麼？
兩個原子靠近時，位能先下降（吸引）再急遽上升（原子核互斥）。曲線的最低點對應鍵長（bond length），最低點的深度就是鍵能（bond energy）。鍵級越高（單鍵 → 雙鍵 → 參鍵），鍵越短、越強。
晶格能大小怎麼比較？
晶格能（lattice energy）是把 1 mol 離子固體分開成氣態離子所需的能量。依庫侖定律，離子電荷越大、離子半徑越小，晶格能越大，熔點也越高：
離子固體在固態時不導電（離子被固定在晶格中），熔融或溶於水後才導電。
合金有哪兩種？
- 置換型合金（substitutional）：兩種金屬原子大小相近，互相取代晶格位置，例如黃銅（Cu + Zn）。
- 間隙型合金（interstitial）：小原子填入大原子的空隙，例如鋼（C 填入 Fe 的空隙）。間隙原子讓金屬層不易滑動，所以鋼比純鐵更硬、延展性較低。
怎麼畫 Lewis 結構？
- 計算所有原子的價電子總數（陰離子加電子，陽離子減電子）。
- 把陰電性最小的原子（H 除外）放在中心，用單鍵連接周圍原子。
- 先把剩下的電子補給外圍原子，使其達到八隅體（H 只要 2 個）。
- 剩餘電子放在中心原子上。
- 中心原子不足八隅體時，把外圍原子的孤對電子改成雙鍵或參鍵。
第三週期以後的中心原子（P、S、Cl、Xe 等）可以超過八個電子（擴展八隅體），例如 \(\ce{SF6}\) 的 S 周圍有 12 個電子。
形式電荷怎麼算？怎麼選出最佳結構？
最佳 Lewis 結構的條件：形式電荷越接近 0 越好；若必須有負形式電荷，應落在陰電性較大的原子上。
共振結構代表什麼？
當一個分子可以畫出多個只差在電子位置的 Lewis 結構時，真實結構是這些共振結構的平均，而不是在它們之間切換。例如硝酸根 \(\ce{NO3-}\) 有三個共振結構，三個 N–O 鍵長度相同，鍵級都是 \(4/3\)。
VSEPR：分子是什麼形狀？
價殼層電子對互斥理論（Valence Shell Electron Pair Repulsion, VSEPR）認為：中心原子周圍的電子域（electron domain，一個單鍵、雙鍵、參鍵或一對孤對電子各算一個）會盡量彼此遠離。
| 電子域 | 孤對數 | 分子形狀 | 鍵角 | 混成 | 例子 |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 0 | 直線形 | 180° | sp | \(\ce{CO2}\) |
| 3 | 0 | 平面三角形 | 120° | sp² | \(\ce{BF3}\) |
| 3 | 1 | 彎曲形 | < 120° | sp² | \(\ce{SO2}\) |
| 4 | 0 | 正四面體 | 109.5° | sp³ | \(\ce{CH4}\) |
| 4 | 1 | 三角錐 | ≈ 107° | sp³ | \(\ce{NH3}\) |
| 4 | 2 | 彎曲形 | ≈ 104.5° | sp³ | \(\ce{H2O}\) |
| 5 | 0 | 雙三角錐 | 90°、120° | — | \(\ce{PCl5}\) |
| 5 | 1 | 翹翹板形 | — | — | \(\ce{SF4}\) |
| 6 | 0 | 正八面體 | 90° | — | \(\ce{SF6}\) |
| 6 | 2 | 平面四方形 | 90° | — | \(\ce{XeF4}\) |
孤對電子的排斥力比鍵結電子大，所以有孤對電子時鍵角會變小。AP 考試只要求 sp、sp²、sp³ 三種混成；五個以上電子域的混成不在考試範圍。
分子什麼時候有極性？
分子有極性需要兩個條件：有極性鍵，而且分子形狀不對稱，使鍵偶極無法互相抵消。\(\ce{CO2}\) 有極性鍵但直線對稱，所以是非極性分子；\(\ce{H2O}\) 是彎曲形，偶極不能抵消，所以是極性分子。
σ 鍵、π 鍵與混成
- 單鍵 = 1 個 σ 鍵；雙鍵 = 1 個 σ + 1 個 π；參鍵 = 1 個 σ + 2 個 π。
- 混成軌域數 = 電子域數：4 個 → sp³、3 個 → sp²、2 個 → sp。
下面三個碳氫化合物分別代表 sp³、sp²、sp 碳（結構圖由 SMILES 產生，寫出所有 H 以便數鍵）：
練習題
練習 1：晶格能排序
將 \(\ce{NaCl}\)、\(\ce{MgO}\)、\(\ce{KCl}\)、\(\ce{NaF}\) 依晶格能由大到小排列，並說明理由。
詳解
\(\ce{MgO}\) > \(\ce{NaF}\) > \(\ce{NaCl}\) > \(\ce{KCl}\)
- \(\ce{MgO}\) 的離子電荷是 +2 與 −2，電荷乘積（4）是其他三者（1）的四倍，晶格能最大。
- 其他三者電荷相同，比較離子半徑：\(\ce{F-}\) < \(\ce{Cl-}\)、\(\ce{Na+}\) < \(\ce{K+}\)。離子間距離越小，庫侖吸引力越大，所以 \(\ce{NaF}\) > \(\ce{NaCl}\) > \(\ce{KCl}\)。
練習 2：VSEPR 與極性
判斷下列分子的形狀，以及是否為極性分子：(a) \(\ce{NH3}\) (b) \(\ce{BF3}\) (c) \(\ce{SF4}\) (d) \(\ce{XeF4}\)
詳解
| 分子 | 電子域 | 孤對 | 形狀 | 極性 |
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH3}\) | 4 | 1 | 三角錐 | 極性 |
| \(\ce{BF3}\) | 3 | 0 | 平面三角形 | 非極性（對稱） |
| \(\ce{SF4}\) | 5 | 1 | 翹翹板形 | 極性 |
| \(\ce{XeF4}\) | 6 | 2 | 平面四方形 | 非極性（兩對孤對電子上下對稱） |
練習 3：共振與鍵級
畫出 \(\ce{NO3-}\) 的 Lewis 結構。它有幾個共振結構？N–O 的平均鍵級是多少？
詳解
價電子總數 \(= 5 + 3(6) + 1 = 24\)。N 在中心，與一個 O 形成雙鍵、與另外兩個 O 形成單鍵，每個 O 都滿足八隅體。
雙鍵可以放在三個 O 中的任一個，所以有 3 個共振結構。共有 4 個鍵（1 個雙鍵 + 2 個單鍵）分給 3 個 N–O 位置：
三個 N–O 鍵長度相同，介於單鍵與雙鍵之間。
下圖是其中一個共振結構的連接方式（SMILES 結構圖不畫孤對電子，也只畫出一種共振結構）：
練習 4：形式電荷
\(\ce{N2O}\) 可以畫成 (A) \(\ce{N=N=O}\) 或 (B) \(\ce{N#N-O}\)（都滿足八隅體）。計算各原子的形式電荷，並判斷哪一個結構較好。
詳解
(A) \(\ce{N=N=O}\)：端點 N 有 2 對孤對電子 → \(5-4-2=-1\)；中心 N → \(5-0-4=+1\)；O 有 2 對孤對電子 → \(6-4-2=0\)。
(B) \(\ce{N#N-O}\)：端點 N 有 1 對孤對電子 → \(5-2-3=0\)；中心 N → \(+1\)；O 有 3 對孤對電子 → \(6-6-1=-1\)。
兩者形式電荷的大小相同，但 (B) 把負電荷放在陰電性較大的 O 上，所以 (B) 較好。
練習 5：σ 鍵、π 鍵與混成
乙酸的 SMILES 是 CC(=O)O。計算乙酸的 σ 鍵與 π 鍵數目，並寫出兩個碳原子的混成。
詳解
\(\ce{CH3COOH}\) 的鍵：3 個 C–H、1 個 C–C、1 個 C=O、1 個 C–O、1 個 O–H。
- σ 鍵：\(3 + 1 + 1 + 1 + 1 = 7\) 個
- π 鍵：只有 C=O 的 1 個
甲基碳有 4 個單鍵 → sp³；羧基碳有 3 個電子域（C–C、C=O、C–O）→ sp²。
練習 6：合金
為什麼鋼比純鐵更硬，但延展性較差？
詳解
鋼是間隙型合金，較小的碳原子填入鐵原子之間的空隙。這些碳原子卡在晶格中，使鐵原子層在受力時不易互相滑動，所以鋼較硬、延展性較差。
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