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分子式(Molecular Formula)与结构式(Str

发表于2020-06-19


量测分子量的方法有许多种,目前常用的方法便是质谱(mass spectrometry)。质谱仪的运作原理是先让预测的物质带电(通常是正电),给予能量使其在可控制的磁场中飞行,带电粒子经过外加磁场会因为电荷作用力,因不同的荷质比(charge/mass)而产生不同的弯曲路径。质谱仪可以用来区分原子的同位素,其实质谱仪除了测量原子量以外,也可以用相同原理量测分子量(molecular mass),分子量的精确度甚至可以到小数点下第四位。质谱仪的应用相当广泛,包括前阵子轰动一时的三聚氰胺事件以及毒品检验,都是应用质谱仪来检验样品。日本人田中耕一与美国芬恩教授便是以开发新的质谱仪技术而获颁2002年诺贝尔化学奖。

除此之外,若是挥发性的化合物,也可用理想气体方程式来获得分子量的资讯。实验上,首先在固定体积的容器内通入气体,测量气压后利用液态氮冷冻气体,使其冷凝成液体或是固体,再进行秤重。知道重量(W)、温度(T)、气压(P)与体积(V),便可估算分子量(M)。

PV= nRT, n= W/M
PV= (W/M)RT
M = WRT/PV

由分子式已能确切告诉我们分子化合物所含的原子种类与个数,但是还缺乏原子键结的情形,要了解分子内的原子连结情形还需要结构式(structure formula)。

结构式可以完整地绘出分子内每个原子间的键结:原子同样用元素符号来表示,而之间的键结则以直线来连接。当心!结构式的描绘是将立体的分子转化成平面图,所以纸上的形状与真实的空间排列并不相同。例如甲烷的结构式是碳前后左右四个方向各接一个氢,看似平面上的正方形。不过甲烷分子实际上是以碳为中心的正四面体,H-C-H的夹角是109.5度而非90度(见图一)。因此检视结构式时尚需配合化学键的概念,才能了解结构式所描绘分子的正确立体结构。

分子式(Molecular Formula)与结构式(Str
(图一,左为甲烷结构式,右为甲烷立体结构示意图)

前面我们提过利用元素分析可以定出实验式,与质谱仪配合则可定出分子式;相较之下,决定结构式就难的多了,通常需要多种实验来找寻蛛丝马迹,推论出分子的结构。

随着目的不同,化学家会使用一些结构式变化的版本。举例来说,当处理比较大的分子时,譬如化妆品中常添加的乳化剂——硬脂酸(stearic acid),是含有18个碳长链的脂肪酸。化学家将结构式的画法简化,只画出碳的骨架,没有特别注明的话,碳剩余的键结都是连接氢,结构式于是得以大大简化(见图二)。这样的表示方法如今已被广泛的用在教科书以及期刊上,对于複杂的有机与生化分子来说,优点是显而易见的。
分子式(Molecular Formula)与结构式(Str(图二)

化合物通常有某些特定的原子基团会显示化学特性,称作官能基(functional group)。尤其是有机化合物的官能基更是决定其化学性质。示性式(rational formula)专注于强调化合物所含的官能基,用以展「示性」质,例如醇类会特别标出羟基(-OH),羧酸则会标出羧基(-COOH),所以示性式可以让我们快速辨认出化合物的特徵,进而得知其应该拥有的化学特性。由胺基酸的示性式H2N-CHR-COOH便可知道胺基酸同时具有胺基(-NH2)与羧基(-COOH)。

另外还有化学式是无法单凭手绘就可以表现的,例如空间填充模型,是3D的图形,必须借助专业的电脑软体来製绘。相较于平面上的结构式,空间填充模型更能够表现具体的原子基团大小,以图三的甲醇为例,灰球代表碳,白球是氢(体积很明显的较小),红球则是氧。熟悉各种表示法且能互相转换,在化学学门中非常重要的技巧。

分子式(Molecular Formula)与结构式(Str
(图三)

参考文献:
1. 物质科学化学篇(上册),泰宇出版

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