內容簡介

「配位化學」是化學學門中無機化學的子領域。它比另外一個子領域「有機金屬化學」的發展更早。近代「配位化學」的發展從十九世紀中葉開始。其中最著名的人物是 Werner。「配位化學」發展的早期，化學家對「配位化合物」的結構特殊性感到困惑；另外，大多數「配位化合物」都具有多采多姿顏色，有些配位化合物則具有磁性。這些特性讓化學家正視「鍵結理論」的重要性，因而引發新的「鍵結理論」的發展。本書《從解題著手懂配位化學 (Dissecting Coordination Chemistry by Solving Problems)》試圖從解練習題的角度切入，讓讀者可以從練習題的解題過程「做中學」，掌握每個章節的重點，進而加深對配位化學內容的印象。

序言

廣泛地說，「化學」是一門研究宇宙萬物之間變化的學問。縮小範圍來講，它是一門研究分子內「化學鍵」的生成、斷裂及重組的學問，也可說是一門研究分子的結構、鍵結及反應性的學問。「化學鍵」是化學家提出的特有概念，用來描述由原子組合成分子的情形。了解這些變化多端的化學反應，需要有「化學鍵結理論」來支撐。同時，化學也是一門「實驗科學」，分子間的化學變化可由實驗來觀察及驗證。所以，「普通化學」課程必須隨伴著「普通化學實驗」課，讓學習者由「動手做化學」中來體會化學反應的精髓。

有人說「化學」是「中心科學」，因為化學是處理「分子」變化的一門學問，而自然界的一切變化皆可視為分子間的相互作用及改變。「普通化學」為一門主修理工及生命科學的學子預備日後更深入化學分科前的必修先行基礎課程。近來科學界很熱門的「材料科學」及「生物化學」領域都是以化學為基礎。主修理工及生命科學的學子將「普通化學」的根基打好是很必要的。雖然被稱為「普通化學」，但它卻不是「簡單化學」。「普通化學」的教學內容雖觸及各個化學分科的最基本部分，但又往往受限於授課時數，教授此課程者往往無法深入探討每一章節的詳細內容，以致於部分學習者容易產生「普通化學」課程是門大雜燴學科的感覺。因此，如何在有限時間內能深入淺出，又能整合各個分科領域的「普通化學」教學，長久以來都是教授「普通化學」課程老師們的艱困挑戰。一些歐美國家的著名大學的「普通化學」課程教學大多數由資深教授來擔綱，有些甚至是由曾獲得諾貝爾化學獎的學者來參與教學，可見其被重視的程度及教學的難度。

市面上已有許多「普通化學」的教科書，基本上都著重於每個章節課文內容的說明，而「練習題」通常只是扮演附屬的角色。而本書「從解題著手懂普通化學(Dissecting General Chemistry by Solving Problems)」則試圖從做練習題的角度切入，讓讀者可以從練習題的習作中掌握每個章節的重點，希望能幫助讀者加深對學習內容的印象。本書除了每個章節本文外，後面都有「充電站」討論和該章節化學相關的議題。

本書的內容編排大部分採用中興大學化學系「普通化學教學小組」所擬定的「普通化學教學課程大綱」的順序。基本上，將全學年的課程內容納入。讀者可根據自己需求採用其中合適的章節。另外，中興大學教務單位有感於「基礎科學」教學的重要性，於2009年開始委託化學系進行「普通化學E化教材」的錄製。由作者以PowerCam軟體錄製視聽教材，中興大學修習普通化學課程學生可由學校網頁進入eCampus平台來觀看，以彌補聽課的疏漏，也是增進教學效果的方法之一。

「普通化學」涵蓋化學各個領域。顯然地，以本書篇幅無法完全概括所有內容，遺珠在所難免。個人誠摯希望本書能成為一本合適於初進大學新鮮人的「普通化學練習題」教材。

作者簡介

本書作者洪豐裕教授畢業於國立清華大學化學系，當過國立台灣大學化學系研究助理一年。後來赴美留學，畢業於美國印地安納州University of Notre Dame化學系獲博士學位，並於俄亥俄州立大學(Ohio State University)化學系從事博士後研究兩年時間。從1990年起任教於中興大學化學系。期間，曾擔任中興大學化學系主任一職。除了無機組的相關科目教學外，作者也從事與有機金屬化學相關的研究工作。

目次

第1章  現代化學的本質及基礎觀念 1
本章內容綱要 1
1.1 科學方法 1
1.2 基本化學定律 2
1.3 原子、電子、質子、中子的發現 2
1.4 量測單位 2
1.5 不準度和精準度 3
1.6 有效數字 3
充電站 4
S1.1 「單位」的重要性 4
S1.2 從黑夜到白晝：從煉金術到近代化學 4
S1.3 近代化學之父─拉瓦錫 4
S1.4 「元素」和「原子」 5
練習題 6

第2章  化學式、化學反應方程式和反應產率 17
本章內容綱要 17
2.1 莫耳：分子的秤重及個數 17
2.2 簡式與分子式 17
2.3 化學分子式及百分組成 18
2.4 平衡方程式寫法 18
2.5 化學反應中量的關係 18
2.6 限定試劑及產率 19
充電站 20
S2.1 「莫耳」概念的發展及設定 20
S2.2 固體密度量測 20
S2.3 限定試劑的概念在工業上使用的例子 20
練習題 21

第3章  化學鍵結：以古典方式來描述 29
本章內容綱要 29
3.1 週期表 29
3.2 作用力及位能 29
3.3 原子殼層模型及游離能 29
3.4 電負度：原子吸引電子的傾向 30
3.5 分子內的作用力及位能：化學鍵的形成 30
3.6 離子鍵 30
3.7 共價鍵及極性共價鍵 31
3.8 分子的路易士圖 31
3.9 分子的構形：價殼層電子對斥力理論  32
3.10 對稱 33
3.11 氧化數和形式電荷 33
充電站 34
S3.1 路易士軼事 34
S3.2 不遵守八隅體規則有錯嗎？硼化物的故事 34
S3.3 不遵守八隅體規則的NO二三事 34
練習題 35

第4章  量子力學和原子結構 49
本章內容綱要 49
4.1 科學革命 49
4.2 波與光 50
4.3 原子光譜及波爾模型 50
4.4 波、粒子、薛丁格方程式 50
4.5 盒中的粒子 51
4.6 氫原子 52
4.7 多電子原子及週期表 53
4.8 實驗測量軌域能量 54
充電站 55
S4.1 巨觀世界（牛頓力學）與微觀世界（量子力學） 55
S4.2 愛因斯坦的擔心 55
S4.3 薛丁格提出波動量子力學的背景 55
S4.4 薛丁格的波動量子力學及海森堡的矩陣量子力學 55
S4.5 海森堡二三事 56
S4.6 量子力學與電算化學 56
S4.7 「軌域」是否真的存在？「反鍵結軌域」是否真的存在？ 56
S4.8 p軌域有節面，電子密度如何由一邊轉移到另一邊？ 56
練習題 58

第5章  量子力學與分子結構 77
本章內容綱要 77
5.1 化學鍵的性質 77
5.2 離子鍵及共價鍵 77
5.3 分子的構形 77
5.4 雙原子分子的分子軌域：同核及異核 78
5.5 多原子分子 80
5.6 不含氫的三原子分子 82
充電站 84
S5.1 分子軌域的非定域化概念vs.化學鍵的定域化概念 84
S5.2 共振的概念 84
S5.3 描述化學鍵結從共價鍵趨近比離子鍵趨近好 84
S5.4 原子間什麼時候會出現四鍵？ 85
練習題 86

第6章  氣態 101
本章內容綱要 101
6.1 氣體之化學行為 101
6.2 氣體之壓力及溫度 102
6.3 溫度和查理定律 103
6.4 理想氣體定律 104
6.5 氣體動力論 105
6.6 溫度的意涵 105
6.7 真實氣體 108
充電站 109
S6.1 為何希臘四元素說（水、火、氣、土）裡沒有金（金屬）？ 109
S6.2 是一氧化碳中毒，不是瓦斯中毒 109
S6.3 甲烷的用途 109
S6.4 最常上媒體的小分子－二氧化碳 109
S6.5 酸雨與二氧化碳 110
S6.6 高雄泥火山是什麼氣體噴出？ 110
S6.7 氣體擴散原理的應用 110
S6.8 為何無法低於–273.15℃的絕對零度 111
練習題 112

第7章  溶液性質 123
本章內容綱要 123
7.1 溶液製備 123
7.2 水溶液中的離子（電解質） 123
7.3 離子化合物的電解 123
7.4 離子化合物的沉澱反應 124
7.5 在溶液中化學反應計量 124
7.6 酸鹼滴定和氧化還原滴定 124
7.7 溶液相平衡：非揮發性溶質 124
7.8 滲透壓 125
7.9 溶液相平衡：揮發性溶質 125
7.10 勞爾和亨利定律 125
7.11 蒸餾 125
充電站 126
S7.1 膠狀懸浮與微胞 126
S7.2 共沸物是分子嗎？ 126
S7.3 水資源的重要性 126
練習題 127

第8章  熱力過程及熱化學 135
本章內容綱要 135
8.1 系統、狀態和操作 135
8.2 熱力學第一定律：能量、功和熱 135
8.3 以理想氣體來說明熱力學第一定律 137
8.4 理想氣體的功(w)和熱(q) 137
8.5 熱化學 138
8.6 黑斯定律 138
8.7 熱和比熱  138
8.8 標準狀態反應熱含量差值  138
8.9 鍵能  138
8.10 理想氣體中的可逆過程 139
8.11 理想氣體中的可逆過程：卡諾循環 141
充電站 142
S8.1 不可逆過程的意思不是「不可逆向反應」 142
S8.2 有沒有永動機？ 142
練習題 143

第9章  自發過程與熱力平衡 155
本章內容綱要 155
9.1 自發反應、亂度和可逆過程 155
9.2 亂度和不可逆過程 156
9.3 不可逆過程和反應方向 156
9.4 熱力學第二定律 157
9.5 以統計方式解說亂度及不可逆過程 157
9.6 亂度及微狀態的個數 158
9.7 亂度和無序 158
9.8 絕對亂度和第三定律 158
9.9 標準狀態亂度（熵） 159
9.10 吉布斯自由能 159
9.11 吉布斯自由能、化學平衡 159
9.12 平衡常數 160
9.13 平衡常數和溫度的關係 160
充電站 162
S9.1 熱力學第二定律與生命現象 162
S9.2 熱力學第二定律與宇宙滅亡 162
S9.3 吉布斯其人其事 162
練習題 163

第10章  化學平衡：基本原理和氣相反應之應用 173
本章內容綱要 173
10.1 化學反應和平衡 173
10.2 平衡常數計算 174
10.3 平衡改變的方向 175
10.4 非均相平衡 176
充電站 177
S10.1 自然界真有平衡這回事嗎？ 177
S10.2 哈柏其人其事 177
練習題 178

第11章  酸鹼平衡 187
本章內容綱要 187
11.1 酸和鹼的分類 187
11.2 金屬氧化物的酸鹼性 188
11.3 在水溶液中的酸鹼性質 188
11.4 酸鹼強度 189
11.5 弱酸鹼的平衡 190
11.6 緩衝溶液 190
11.7 酸鹼滴定曲線 191
11.8 多質子酸 191
充電站 193
S11.1 酸鹼概念在非水溶液中的定義 193
S11.2 同時可為酸或鹼的化合物 193
S11.3 運動和血液中的pH值變化 193
S11.4 阿瑞尼亞斯其人其事 193
練習題 194

第12章  電化學 201
本章內容綱要 201
12.1 氧化還原反應 201
12.2 電化學電池 201
12.3 吉布斯自由能及電池電位 203
12.4 涅斯特方程式 203
12.5 電池和燃料電池 203
12.6 腐蝕及其避免 204
充電站 206
S12.1 法拉第其人其事 206
S12.2 電動車的發展 206
S12.3 電鍍廠排放汙染的問題 206
S12.4 下雪地區車子生鏽腐蝕的問題 206
S12.5 容易混淆的名詞  207
練習題 208

第13章  動力學 221
本章內容綱要 221
13.1 化學反應與反應機制 221
13.2 化學反應速率及量測 222
13.3 反應速率表示式及反應級數 222
13.4 速率表示式積分 223
13.5 半衰期概念 224
13.6 一級反應與碳–14年代測定法 224
13.7 二級反應 225
13.8 基本反應步驟 225
13.9 動力學和化學平衡 226
13.10 連鎖反應 227
13.11 溫度對反應速率的影響 227
13.12 反應座標和活化複體 228
13.13 催化反應動力學 229
13.14 氫化反應 229
充電站 230
S13.1 反應級數為負？ 230
S13.2 反應活化能為負？ 230
S13.3 碳–14年代測定法與希特勒的日記 230
S13.4 生物酵素的單一性 230
練習題 231

第14章  過渡金屬的鍵結及配位化合物 247
本章內容綱要 247
14.1 過渡金屬化合物的顏色 247
14.2 過渡金屬的化學 248
14.3 過渡金屬元素的氧化還原化學 248
14.4 配位化合物的形成 249
14.5 配位基及金屬在形成配位化合物後本身的特性改變 251
14.6 配位化合物的結構 251
14.7 分子的三度空間構形 252
14.8 平面四邊形、正四面體和線形構形分子 253
14.9 掌性結構 254
14.10 結晶場論和磁性 255
14.11 平行四邊形和正四面體錯合物的d軌域能量分裂情形 257
14.12 水合能 258
14.13 磁性 259
14.14 光化譜系列和配位場論 259
14.15 配位場論 259
14.16 分子軌域理論和p鍵結 260
14.17 從最低能量的分子軌域填充電子 260
14.18 十八電子規則 261
14.19 配位基取代反應 262
14.20 什麼是觸媒（催化劑）及催化反應？ 262
14.21 均相催化反應和非均相催化反應 262
14.22 氫化反應 262
14.23 生物中的配位化合物 263
充電站 264
S14.1 金屬具有d軌域，有差嗎？ 264
S14.2 寶石的顏色 264
S14.3 無心插柳柳成蔭：抗癌藥品cisplatin的發現 264
S14.4 無意中被藝術家使用的過渡金屬化合物 265
練習題 266

第15章  有機化學 281
本章內容綱要 281
15.1 有機化合物的鍵結及結構 281
15.2 碳氫化合物 281
15.3 鏈狀烷類化合物 282
15.4 環狀及支鏈烷類化合物 283
15.5 烯類和炔類 284
15.6 芳香族碳氫化合物 285
15.7 官能基及有機合成 286
15.8 結構與反應性：有機酸和鹼 291
充電站 294
S15.1 生物體為何是由碳組成，而不是矽？ 294
S15.2 「天然尚好」，是嗎？ 294
S15.3 C60的發現 294
S15.4 聚合物化學 295
S15.5 尼龍與卡羅瑟 295
S15.6 礦工乙炔燈  296
S15.7 「合成」是化學的核心 296
S15.8 酒駕者的酒精濃度測量 296
S15.9 能源危機  297
S15.10 省油車：生質柴油車 297
S15.11 液晶態 297
S15.12 寂靜的春天 297
練習題 298

第16章  固態結構與鍵結 309
本章內容綱要 309
16.1 晶體結構和晶胞 309
16.2 晶體對稱 309
16.3 空隙的洞 310
16.4 固體的內聚力 311
16.5 缺陷及非晶狀固體 313
16.6 非化學計量化合物 313
16.7 液晶及其結構 314
充電站 315
S16.1 寶石的顏色 315
S16.2 X-ray晶體繞射法的重要性 315
S16.3 固態超導材料 315
練習題 316

第17章  核化學 331
本章內容綱要 331
17.1 原子核內的質量和能量的關係 331
17.2 愛因斯坦質能關係 331
17.3 核衰變 332
17.4 放射性的偵查和檢測 332
17.5 放射性衰變的動力學研究 332
17.6 放射性年代測定法 333
17.7 放射性應用於生物及醫學 334
17.8 核分裂 334
17.9 核能電廠發電 335
17.10 核融合和核產生 336
充電站 337
S17.1 日本311核災事件 337
S17.2 試管（低溫）核融合？ 337
S17.3 從岩石的年代測定到使用四乙基鉛的廢除 337
練習題 338
中英名詞對應表 347