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化學分子世界導覽 序

目錄

帶你看見分子世界

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在導覽之前 ●

元素和原子 12 化合物 14 原子間的鍵結 16 有機化合物 18 分子間的力 21 混合物 24

27

簡單物質 ●

1

空氣 30 水和氨 41 煙霧、汙染與酸雨 46

燃料、脂肪和肥皂 ●

2

3

57

碳氫燃料 59 醇及酸 70 脂肪和油 84 奶油和人造奶油 93 肥皂和清潔劑 99

人工合成的 跟自然生成的聚合物 ●

6

聚合物跟塑膠 107 橡膠 124 聚脂及丙烯酸聚合物 129 耐綸 136 蛋白質 141 糖、澱粉及纖維素 153 ●

105


味覺、嗅覺和痛覺 ●

4

甜味 172 辛辣與清涼 肉香跟燒烤 水果跟食物 花朵和精油

酸跟苦 177 183 189 196 206 動物體臭 218

景觀和色彩 ●

5

6

7

257

止痛劑和治病靈丹 259 興奮劑 269 討人厭的化合物 282

生命 ●

229

視覺 232 葉子、胡蘿蔔和紅鶴 237 花朵、水果和葡萄酒 245 褐色、碰傷和曬黑 250

光明與黑暗 ●

169

289

性 291 生殖 294

名詞注釋 分子索引 圖片來源

303 307 310


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化學分子世界導覽

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第一版序言 常有人說喜悅是難以言喻的,這也許是真的,但想到不了解的事物 時,心中也必然會有種悵然若失的遺憾。不錯,雖然僅僅看到世界種種 表象,就足以讓你目不暇接私心竊喜,不過如果你的「心眼」能夠穿透 事物表層,進一步看到其中因果關聯,你的欣喜必然會大幅躍進為心花 怒放。 我寫本書的初衷就是試圖增加讀者觀察世界的樂趣,書中介紹化學 這門學問的一個重要層面:物質的結構。希望能說明日常生活中,一些 事物的組成成分及結構。換言之,這本書是在分門別類,逐一介紹各種 分子,重點在於:指出每種分子的獨特外形及各種分子相互間的關聯、 說明某些分子為何具有獨特的性格與行為、披露分子在自然界的供需狀 況。簡單的說,本書要幫助讀者認識分子。 書中對分子的遴選(共介紹兩百多個分子)是以我的主觀興趣為 主,不過我所熟識且可以談論的分子,少說也超過一千個。然而篇幅有


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限,不得不有所取捨,並且在敘述上也僅能點到為止。為此我必須鄭重 聲明,如果你發現你認為極重要的分子,竟然在本書榜上無名而感到不 解時,務必多多包涵。要知道,目前已知的化合物,總數已經高達數百 萬種,而坊間的藥片、藥水、清潔劑的製造廠商,還有大自然本身,似 乎都擁有超大的化學物管風琴,可以隨意演奏出各式各樣的混合物交響 樂章。因此這本書絕對不可能達到讓每位讀者滿意的完美境界。這麼說 吧:它只是要為讀者打開通向世界的窗,而不是一下子要讀者看到整個 世界。 這本書的內容並無特定次序,所以你愛怎麼讀都無妨,時不時拿來 消遣一下最好。話雖然這麼說,但我撰寫時,心中的確還是有特定的構 思流程,因此它也並非完全沒有脈絡可尋。你如果按照書裡的次序從頭 讀到尾的話,是有利無弊的。 在寫作過程裡,我試著盡量避開專有名詞,但有一些還是無可避免 地(至少不是蓄意地)鑽進了字裡行間。為此我在書末列出「名詞注 釋」,把這些不速之客列入,並逐一加上解釋。雖然我盡可能地解釋,但 讀者不必期望太多,原因之一是有些解釋至今尚無定論,另一些則是需 要具有一定程度的專業背景,才能搞得明白。此外還有一個重點是:我 不想因為加入過多解釋,減損內容的一貫性和趣味性:這本書只希望帶 領讀者達到初步入門的了解而已。 我特別想要證明自己的一個想法,那就是讀者無須是化學系畢業(甚 至無需修過大一普化),就可以透過本書對分子的各種性質,達到相當 程度的認識。此書記載的大部分素材跟資訊都是從我素來推崇的相關書 籍(大約十來本)中精挑出來的。我希望那些書籍的作者,若是發現本 書引用他們的一些想法,能把這些引述當作推崇與讚譽。我提出的許多 論點,在這些書籍中都有較為詳盡的探討,讀者在引用本書提供的資訊 前,不妨先查閱一下這些書籍,因為我為了讓問題簡化,讓知識菜餚更 容易下嚥,下筆有時總不免走些捷徑。


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再版新序 天哪!自從 1987 年前第一版發行以來,出版技術的變化也太大了 點!最明顯的是分子圖的呈現。記得當年在準備第一版分子圖時,我必 須親手製作分子模型、替它們拍照、沖洗底片,然後在相片上用筆仔細 勾勒出線條並塗上色彩。現在上述步驟都可以交給電腦軟體代勞,跟往 日相比,製圖過程更快速,成品更具真實感。我使用的軟體叫做 WebLab Pro,本書中的所有分子圖都是藉由它建構的。這本書在網際網路上設有 一 個 專 用 的 網 站(http://www.cambridge.org/uk/chemistry/atkins/ default. htm),上面也可以看到這些圖片,而且網站上的分子還會聽從你的使 喚,做些旋轉之類的動作。 我把舊版中一些比較無趣的分子剔除,並增加了一些新的分子:這 一版囊括了大約 50 種新的分子。甚至絕大部分有關分子的描述,都整個 翻修過。原因不一而足:有的是因為出現了新知,有的是我這回想說些 別的,或是過去這十多年裡出現了新的枝節。 我希望維持不變的是:看到各種關聯與解釋的喜悅、看到自然謎底 後的歡欣、了解為何微小的變化會造成嚴重的後果。其實這就是化學這 門科學骨子裡的樂趣所在:為我們開啟觀察事物內在性質的第三隻眼!


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當你閱讀本書時,你手裡捧著的是分子;端起杯子喝咖啡時,你可 是把分子吞下肚;你自以為悠閒「靜」坐屋裡,其實你全身上下,不時 遭到在四處快速流竄的分子所轟擊;當你欣賞蘭花的炫麗色彩、山川景 致的如詩如畫時,使你心曠神怡的也是分子;在你吃香喝辣、滿足口腹 之慾的當兒,你享用的是分子;當你聞到腐敗的氣味,觸動嗅覺的也還 是分子。你以分子為衣、以分子為食,甚至排泄物也是分子。事實上, 你本身就是由分子組合而成的個體。 什麼是分子?分子就像是貫穿本書的許多圖片顯示的那樣,是由一 群具有獨特性質的原子所構成的。在進入二十世紀之前,大家認為分子 僅是化學家用來描述化學反應的抽象符號而已。不過,經過物理學家和 化學家之間一段極不尋常的合作,證明了分子的真實面目。首先,他們 採用一些間接的方法,推估出這些微小的物質粒子的確存在。後來他們 使用更靈巧且更複雜的技術,獲得了長久來夢寐以求,並讓人嘆為觀止 的個別分子和原子的影像。 在以下篇幅中,我想簡略談談科學家究竟發現了些什麼。內容包括 一些存在於我們周遭,跟我們的呼吸、穿著、燃燒、觀察等種種生活細 節有關的分子。書中畫出分子圖的主要目的,是要讓你在最低的專業背 景下,認識這些分子的多樣性質。其中蒐羅、描述的分子,範圍極廣、 從最簡單的到複雜的都有。 從表面上看,有些分子只能做無聊的事,譬如甲烷(15,這數字是 分子在書中的序號)只能當燃料而已。其他的分子會入選,原因不一而 足,有的是重要的分子構築元件、有的剛好構成某種典型味道或氣味、 或是某種顏色的顯現因素。有些分子則是影響力非常大,因重要性而收 錄,包括某些世界上最普遍的化合物,譬如纖維素(93),它可以生長成 為巨林,也可以讓地表柔軟,又如 DNA(203),它在生物世代交替過程 中,負責傳遞遺傳密碼。 此外,我們還將看到只要替換分子中的一、兩個原子,就會使燃料


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頓時轉變成毒品、使物質改變顏色、不能吃的變成美食、刺鼻的惡臭替 換為芬芳的氣息。這種更換一、兩個原子,就造成分子性質重大改變, 正是化學世界所要追求的奇蹟。 本書的分子圖能告訴你許多分子的結構和形狀,單單分子圖就能讓 人獲益匪淺。不過若是能進一步知曉隱藏其後的細節,以及了解分子如 何運作及其功能,分子圖的內涵就會變得更為豐盛。 本文之後的文字是用來解釋分子圖的背景資料,建議你如何思考看 待分子並約略介紹一些試圖把原子、分子和物質性質連貫起來的理念。

在分子中,改變了一個原子,性質就可能出現極大的差異。 使矢車菊呈現藍色的分子,與讓罌粟花顯出紅色的分子, 兩者間只有一個原子的差異。詳細的解釋請見 247 頁。


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化學把司空見慣的現象跟基本理念橋接了起來,這兒我將非常簡單地向 你介紹這座橋。若是運氣不錯的話,你將會約略了解化學家的想法。

元素和原子 化學史上一項很偉大成就,就是證明世界上的物質,無論是啥,也 許是一小塊岩石、一杯水、一根鴕鳥毛、一棵樹,毫無例外都是由總數 僅約一百來種,叫做「化學元素」的單純物質建構而成。 元素包括經常聽人說起的氫、碳、氧、銅等。它們所以稱為元素, 是因為我們無法用燙、烤、煮、酸處理,或其他化學家用來改變物質的 技巧,把它們分解成更簡單的物質。 當然啦!物理學家已經發展出一些更強有力的辦法,他們可以用粒 子加速器把元素砸碎,分解成電子、質子和自然界的其他基本粒子。然 而就我們探討周遭事物的目的而論,大自然僅僅以一百來種元素為素 材,竟然編織出如此千變萬化的花花世界,其偉大與奇妙,足以讓人嘆 為觀止! 元素能自個兒存在的最小單位為「原子」,原子的英文是 atom,源自 希臘文 atomos,意為「不可分割的」。一小塊元素,例如一小塊純金, 就是一堆完全相同的原子聚集在一起。純碳也是如此,純碳中的原子均 為碳原子。 原子的實際尺寸極其微小:一個碳原子的直徑大約只有 0.15 公尺(15 公分)的十億分之一(即 0.00000000015 公尺或 1.5×10 -10 公尺),所以 一根 1.5 公分長(大約這麼長: —)的碳粉線,從頭到尾的長度 是由一億個原子連接而成的,而這個寬度也需要有至少一百萬個原子並 肩排列。只要是肉眼看得見的小塊物質,無論有多小,包含的原子數目


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都超過我們銀河系裡的恆星總數。 我們拿起一個蘋果,感覺到的那一丁點兒重量,是為數眾多的原子 重量總合,而單一個原子非常的輕,幾乎沒有重量。雖然兩個水分子間 的碰撞聲,細小到完全不可能聽到,但潺潺水聲就是億萬個分子相互碰 撞,產生的衝擊波所造成的。同樣地,當我們穿衣服時,覆蓋到身體上 的衣物像是巨大的網,它由數目幾乎無窮盡的小質點所紡成,點與點之 間有力量把它們彼此拽住。當我們面對火焰時,看到的是幾乎微不足道 的小滴能量,由於數目龐大,累積起來竟足以造成燃燒跟毀滅的後果。 每一個原子的中心都有一個「原子核」,它攜帶正電荷且體積非常 小。圍繞在原子核周遭的是帶負電荷的電子,數目足夠抵消原子核上的 正電荷,使原子整體來說為電中性。這些電子在原子核周圍形成一系列 以原子核為中心,類似殼的雲狀物。因此,描述原子的方便法門是把它 們視為小球。 在本書的分子圖中,我們把原子小球放大五千萬倍,使代表碳原子 的圓球直徑幾近 1 公分。氮、氧原子的電子數只比碳的多出一、兩個(氧 有 8 個、氮 7 個、碳是 6 個),尺寸都跟碳原子差不多相等。與碳原子比 較起來,氫原子的尺寸就小得多,因為它只含 1 個電子。相形之下,我們 在書中將遇到的其他原子,大多比碳原子大得多,譬如磷、硫、氯原子 的電子數(分別為 15、16、17)比碳原子的電子數至少多出一倍,因此 我們按比例用直徑更大的球來代表它們。 我們在書中考慮到的元素並不多,總數不滿一打。每一種元素都有 一個特殊的化學符號作為代表,通常就是用元素英文名稱的頭一個字母 (有需要時,偶爾可加上名稱中的另一字母): H 氫

C 碳

N 氮

O 氧

F 氟

P 磷

S 硫

Cl 氯

另外有些元素的符號是採用拉丁名稱的字頭,比方說以 Na 代表鈉


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(natrium)、以 K 代表鉀(kalium)、Fe 代表鐵(ferrum)。 在非常偶爾的場合裡,我們將會遇到「離子」這個觀念。當電中性 的原子得到或失去一個或多個(帶負電荷的)電子後,就成了帶電荷的 離子。離子有兩種:當原子失去了一個或多個電子而變成帶正電時,稱 為正離子。例如鈉原子失去一個電子,變成鈉離子(Na+)。鈉在週期表 上的鄰居鉀原子,同樣也可以失去一個電子,變成帶一個正電荷的鉀離 子(K +)。不過鎂離子(Mg2 +)帶了兩個正電荷,因為鎂原子會失去兩 個電子。 當原子得到電子,帶了負電荷,就稱為負離子。譬如氯原子會獲得 一個電子,變成帶一個負電荷的氯離子(Cl - )。氧原子會得到兩個電 子,變成帶兩個負電荷的氧離子(O2 -)。至於原子究竟能得到或失去幾 個電子,跟該原子的內部結構有關,而以上提到的幾個離子,已囊括了 我們將會考慮到的大部分情況。

化合物 「化合物」是不同元素間一種明確且固定的組合。因此水(5)是氫 跟氧之間的一種組合,阿斯匹靈(170)是碳、氫、氧之間的一種組合。 許多化合物是由分子(就是我們要討論的主題)組成的,分子如前 所述,是特殊、獨立的原子群,且擁有明確的幾何安排。往後的內容, 將會出現許多分子模型的圖片,幾乎隨手翻開一頁,就可以看到一個分 子圖。 本書描述的各種分子,其組成的元素,數目幾乎都沒有超過半打, 而在許多例子裡,元素數目只有兩、三種而已。這的確是這個世界的諸 多奇蹟之一:居然可以用如此少的原料,組合出如此多樣的產品。正如


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同所有英文文學作品都可以用兩打的字母來組成一樣。由於只需要畫出 這少數幾種元素,因此可以用不同顏色的球來做區分。 下面的表列出通用的元素顏色常規,這些顏色不只是如今普遍採 用,當初選定時也對元素本身的典型性質有所暗示。比方說,氫的顏 色為白色(實際上是淡灰色),因為它是最簡單的元素。碳讓人想到煤 煙,所以是黑色。氧是生命的給予者,讓人聯想到血液,所以用紅色呈 現。氯單獨存在時,是黃綠色氣體(它的英文名稱 chlorine,源出希臘文 khloros,意即「綠色」),而天然硫是黃色固體,所以當然用黃色代表。 只有在相當偶然的情況下,才需要再介紹其他元素。最後,我們選 用紫色球代表金屬離子(特別是鈉跟鉀離子)。本書中這種以色球為基礎 的分子結構模型稱為「空間填充模型」,因為它們在比例上相當正確反映 出分子占用的空間。

氫, H 碳, C 氮, N 氧, O 氟, F 磷, P

硫, S

氯 , Cl

本書分子圖中所有的元素原子, 全依循本圖所示的顏色準則。


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分子成分以分子所含元素的化學符號來表示,並在每一符號的右下 方注明該元素在分子中有幾個原子(若為 1 則省略)。所以,H2O 告訴我 們,一個水分子是由兩個氫原子跟一個氧原子構成的。男性荷爾蒙睪固 酮是 C19H28O2(195),女性的荷爾蒙雌二醇 C18H24O2(196),這兩個分 子對世界有重大影響,不論是轟動的文學巨著與恐怖的戰爭浩劫,或泛 泛如斗升小民的愛恨情仇,它們造成的種種衝突與喜悅,不勝枚舉。

原子間的鍵結 「鍵結」是指,把分子中個別原子相互連接,並維持它們之間特定幾 何位置的安排。我們只要知道一個重點,那就是:化學鍵就是「共用電 子對」。這觀念早在 1910 年代,就由美國化學家路易士(Gilbert Newton Lewis, 1875-1946)首先提出,後來經過量子力學的嚴峻檢驗,除了少許 細節修正外,仍維持屹立不搖。根據這個想法,我們可以把鍵結想像成一 對電子,它們翱翔在要連接的兩個原子的原子核之間,作為靜電黏劑。

如圖所示,各元素的原子可形成 特定數目的鍵結。


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一個原子可以形成多少根化學鍵,反映出該原子能提供多少電子與 鄰居分享。這能力受限於一些規律,與原子的細部結構息息相關。現將 相關規律表列如下: ・ 一個氫原子通常只形成一根鍵 ・ 一個碳原子通常形成四根鍵 ・ 一個氮原子通常形成三根鍵 ・ 一個氧原子通常形成兩根鍵 ・ 一個氯原子通常形成一根鍵 在說明分子內部鍵結模式的結構式時,原子的化學符號之間以一根 短橫線(-)連接,表示單鍵。氯化氫(HCl)中,氫原子與氯原子的鍵 結可以用 H-Cl 表示。不過在比較複雜的分子裡面,誰跟誰連結通常不 易一目了然,所以我們還要介紹一種「管狀結構」或稱「棍子」結構, 它僅顯示出鍵結模式。這些管子代表的是化學鍵,兩端塗有顏色,表明 鍵結連結的兩個原子為何種元素,顏色代碼跟「空間填充模型」的相同。 因此,乙醇分子可以如下圖這麼表示:

上圖左邊是乙醇的空間填充模型,右邊則是管狀結構。 有些原子跟另一個原子間可以形成不只一根鍵。當一個碳原子跟鄰 近的一個氧原子共用兩對電子的時候,它們之間形成雙鍵,以 C = O 表 示,我們在許多分子結構裡都可以看到它,包括醋酸(31)和睪固酮 (195)。同樣地,兩個原子也可以分享三對電子,在那樣的情形下,該 對原子是由參鍵連接。例子有氰化氫分子 H - C ≡ N(115)。


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單鍵有如轉軸,分子兩端連接的部分可以相對地自由旋轉,因此同 一個分子可以盤繞成許多不同的形狀。雖然我們可以把碳鏈描繪成如下 的直線:

但是我們心裡應該了解,實際情形是其中每一根單鍵都能自由轉 動,使碳鏈任意轉彎,因此該分子可以有數不清的各種非直線形狀,如

不過如果分子中有雙鍵的話,雙鍵兩端原子的相對位置便被鎖死、 不再能自由轉動,當然也就失去了該部分隨意捲曲的能力。

有機化合物 這本書中的化合物絕大部分都是有機化合物。有機化合物就是由碳 加上氫(通常會有)組成的化合物。有機化合物之外的化合物,稱為無 機化合物。一些非常簡單的碳化合物,尤其是那些不含氫的化合物(如 二氧化碳、白堊及其他碳酸鹽)都是無機化合物。 有機化合物中的「有機」兩個字,並不意味著有機化合物是由生物 (有機體)製造出來的,雖然人們曾經這樣認為,當初命名也是因為這個 原因。人們曾一度相信,有機化合物含有某種引起生命的「生命力」,


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然而十九世紀時,由於有人用無機物質當原料,合成出尿中的一種成分: 典型的有機化合物「尿素」(147),就推翻了這個想法。 本書以介紹有機化合物為主,因為它們很重要且很有趣。有機化合 物使花卉植物各有不同的色彩跟芳香,也讓食物有好味道。事實上,自 然界除了岩石跟海水之外,都是由有機化合物組成的。許多新的材料, 特別是塑膠以及幾乎全部的藥品,都屬於有機化合物。 碳藉著它所形成的有機化合物,在世界上扮演很特殊的角色,關鍵 在於它具有跟自己形成鍵結的獨特能力。隨便翻開本書瀏覽,就能看到 許多黑色碳球連接起來的鏈跟環,這就是有機化合物。當然,除了碳之 外,還有少數幾種元素也能跟自己形成鍵結(硫就是其中一種),但是都 不及碳徹底,因此沒有其他元素能像碳那樣,形成多種穩定結構。 碳能夠有這個獨特能力,在於碳是性情相當中庸、不強勢的元素, 它吸引其他原子裡電子的能力中等,而它本身的電子也滿容易被移走。 換言之,它對分享電子這碼子事一點也不挑剔,因此能形成極多種連結 方式。 在看本書的有機分子圖時,最好先把它們當成以碳鏈或碳環構成的 骨架,有了這個骨架想法之後,便可以藉由附著其上的原子團,辨識出 分子的結構。比方說,正六角形的苯環是常見的架構:

上圖右邊的正六角形管狀結構,中間畫有虛線表示碳環上的三個雙 鍵位置並不固定,是平均分布在苯環的所有六根鍵上的。苯有一個衍生 物叫苯甲酸,就是苯環連接一個「羧基」(-COOH):


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出現在分子基本骨架上的原子團,如上述羧基,通稱為「官能基」, 它們往往是有機分子中具有化學活性的部分。常見的官能基有:羥基 (-OH)、羰基(> C = O )及羧基(-COOH)等。 跟分子構造有關的事項中,還有一項我們必須注意,那就是同一個 分子式有可能代表兩種或兩種以上不同的物質。分子式僅告訴我們,分 子中各種原子的數目,而同樣數目原子之間,可以有不同的連接方式, 每一個連接方式就代表一種不同的化合物。例如分子式 C2H6O 既可代表 乙醇,也可代表乙醚(也稱二甲醚):

乙醇 C2H6O

乙醚 C2H6O

具有相同分子式的不同化合物稱為異構物,異構物的英文 isomer 源 於希臘文,意為「相等成分」,指由相同原子比例組合而成的不同分子。 上例中的乙醇和乙醚之間,差異在分子中原子的「連接方式」。另外還有 一種異構物,它們的原子連接方式一致,但是各原子的相對空間配置卻 有差異,這種幾何異構關係可以用下例中分子式同為 C4H6 的兩個化合物 來說明:

順 -2- 丁烯

反 -2- 丁烯


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(注意:上面這兩個化合物,分子的正中央各有一個雙鍵,而名稱中 數字 2 的用意是告訴我們,雙鍵起始於 2 號碳。)這兩個分子是完全不同 的化合物,化學性質各異,原因是 C = C 雙鍵不能轉動,使得兩端碳原子 上的原子團之間,相對位置固定不變。 請看下面分子式同為 C4H10 的兩個分子

它們沒有雙鍵,兩端的原子以單鍵連接,以該單鍵為軸來旋轉分子, 左邊的分子就會變成了右邊分子,反之亦然。在丁烯(C4H6)的例子中, 左邊的異構物稱為「順式」(cis,拉丁文意思為「在這邊」)異構物,表 示雙鍵兩端碳原子上的-CH3 基在雙鍵的同一邊,右邊的異構物則稱為 「反式」(trans,意思為「在對邊」)異構物,表示它兩端的甲基位於雙 鍵的對邊。目前這個階段,也許看不出同分異構現象有啥重要性,不過 一旦碰到節骨眼的情況(見 175 號分子),就能造成極糟糕的後果。

分子間的力 氣體分子可以無範圍限制的自由飛舞,但液體和固體裡面的個別分 子卻不行,這說明了分子間有一些交互作用力。從另一個角度看,室溫 下的水為液態這個事實,表明了 H2O 分子相互沾黏,若要氣化必須加熱 把水煮開,也就是要加上足夠的能量,把單獨的分子從夥伴身旁扯開。 使 分 子 群 聚 的 力 稱 為「 凡 得 瓦 力 」, 這 名 稱 是 為 了 紀 念 首 先 研 究 此 力 的 十 九 世 紀 荷 蘭 科 學 家 凡 得 瓦(Johannes Diderik van der Waals,


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1837-1923)。在此我們將只考慮其中對分子間吸引力現象有貢獻的三項 細節。 雖然分子是電中性的,但由於電子會堆集在某些區域,使其他區域 的電子密度相對貧乏,以致於分子表面的電荷並不平均。各處電荷的多 寡可以計算出來,並以不同的顏色描繪在分子表面上。比方說,乙醇分 子表面的電荷分部情形如下:

(右圖可以看到,電子密度顯示下各原子的位置。)在這個插圖裡, 就像本書中其他此類圖片一樣,帶少許負電荷的表面區域塗以紅色(此 例中的該區域就在吸引電子的氧原子上),帶少許正電荷的表面區域塗以 藍色,而中間色(黃和綠色)表示在該表面上分布極少的正、負電荷。 分子表面上正、負電荷分離,使該分子有一個電偶極,由於所謂的偶極 偶極交互作用,所以不同分子上的偶極會互相吸引。也就是說,分子上 略帶正電荷(紅色)的部分,會吸引鄰近分子上略帶負電荷(藍色)的 部分,而使得分子聚集。不過只有電荷分布不均勻的分子(也就是所謂 極性分子)之間,才會有這種交互作用發生。碳氫化合物通常是非極性 的,所以它們的聚合並非由於偶極 – 偶極交互作用產生的。 無論分子是極性或非極性,分子間都會有所謂的「分散交互作用」。 我們了解,組成分子的單元是原子,原子的中央有一個體積極小,帶著 正電荷的原子核,圍繞著原子核周遭的是帶負電荷的電子雲。 我們不應把電子雲想像成分布均勻且固定的,事實上電子雲好像是 快速環繞的雲霧,有時候某處濃度很淡,但是下一刻卻變得很濃。在電 子雲濃度很淡的那一瞬間,原子核在該處缺乏遮攔,正電荷得以「照射」


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出去。反之,在電子雲很濃的那一剎那,電子雲的負電荷壓倒了原子核 上的正電荷。當兩個分子彼此靠近時,其中由於上述快速環繞電子雲的 作用,露出原子核些微正電的分子,會吸引其他分子上電子雲密度較高 帶負電的部分,使得兩個分子互相吸引。 所有的分子都會因此而相互吸引,不過當分子中包含電子數較大的 原子,如氯和硫原子時,這種吸引力會較強。 我們要考慮的第三種交互作用叫做「氫鍵」,這是非常重要的一種交 互作用。氫鍵以虛線表示,如:A…B,而不是用一般鍵結的短線表示, 它的成員為兩個原子夾一個氫原子:

氫鍵的強度約為一般單鍵的十分之一。氫鍵的成因是-N…H-O- 中的氧原子對電子的吸引力非常強,強到把 H-O-鍵中,雙方分享的電 子對拉到自己身旁,使氫原子核上的正電荷幾乎完全對外暴露。暴露出 的正電荷對附近其他原子的電子產生了強大的吸引力,尤其是氮或氧原 子上的電子。由於各原子核把附近電子拉向自己的能力有所不同,氫鍵 只在能強力吸引電子的兩個原子間發生,在我們有限的幾個元素裡,也 只有在下面所列的 4 種情形下發生: -O-H…O-

-O-H…N-

-N-H…O-

-N-H…N-

氟(F)是氧、氮之外能形成重要氫鍵的唯一元素。以後我們將會了解, 氫鍵對這個世界非常重要,它是海洋之所以存在、木頭質地之所以堅實的 原因。如果沒有氫鍵,海洋會是氣體,而樹木會像青苔一樣躺在地上。 最後一個重點是,如果兩樣東西具有相似類型的交互作用,兩者很 有可能會互溶。比方說,因氫鍵而彼此交互作用的分子,就很可能溶解 在能形成氫鍵的液體中。簡言之,「相似的物質容易相溶」。


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混合物 混合物是指由不同的物質,例如分子結構各異的不同化合物,簡單 地混在一起。各類食物和以山川景致為生命舞台的生物(這些生物往往 注定最後也變成食物),都是無數有機化合物形成的複雜混合物。生物都 是由許多不同的生物細胞組成的,細胞中塞滿各式各樣的生命裝備。例 如柑橘的獨特滋味是由數以百計的不同化合物,在毫無心機組合下得到 的結果。 因此,若要去詳細闡述自然環境跟人工合成世界裡的每樣物質,究 竟其中包含了哪些分子,難度實在太高。但經過簡化就較為可行。有些 物質只是單一化合物,我們可以精確地描述它們的性質,諸如阿斯匹靈 (170)和糖(89)。對於不是單一化合物的物質,我們可以把它們的典型 成分分子列舉出來,例如汽油(20)是混合物,包含了幾樣不同類型跟 特性的分子。還有一些物質我們可以提出象徵該物質某些特性的成分分 子。因此,雖然我們無法把柑橘內的所有已知成分都列舉出來,但卻可 以告訴你,它的味道或質地,主要是由哪些特殊分子貢獻的。如此我們 至少可以開始在分子層次上去區分柑橘跟香蕉。 以上敘述說明了這個世界既簡單又複雜。複雜的原因是:即使一片 小小的樹葉,也含有上萬種不同型的分子,成分還隨季節更替不斷變化; 簡單的原因是:科學家能解開樹葉的祕密,把它的各個成分區分開來, 搞清楚某種化合物如何在夏季變成了主成分,而秋季的主角轉換成另一 種化合物。 不過解密的工作目前離完成還遙遙無期,不知道何年何月才能確實 知道柑橘跟香蕉相異的每個細節,更遑論弄明白男人和女人之間的差異 啦!即便如此,本書將逐步揭示,構成這個世界的無數種不同分子,其 實是一群有組織、有個性,且能讓人理解的角色。


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柑橘的特殊氣味,部分來自 叫做薴的 烯類分子。薴的 鏡像異構物造成了檸檬的 氣 味。 柑 橘 的 顏 色 主 要 是 來自外皮中的花青素分子 (162),而酸味則是拜檸檬 酸(102)之賜。


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化學分子世界導覽


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