第六章 反應
第六章 反應
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
解釋及平衡化學方程式。
判定氧化、還原、燃燒及氫化反應。
判定有機化合物的水解、水合及脫水反應。
決定反應之限量反應物、產量及產率。
敘述自發性與非自發性反應的能量差異，並列出
影響化學反應速率的因素。
2
第六章 反應
6.1 化學方程式
ƒ 已發展出的燃料電池是以氫氣 (H2) 與氧氣 (O2) 之
間的反應為基礎而產生電力。此過程中，共價鍵
H—H和O＝O被破壞，原子重新組合形成水 (圖
6.1)，此過程的自由能變化就是燃料電池的能量來
源。
ƒ 化學變化以化學方程式 (chemical equations) 表示，
箭頭將反應物 (reactants) 與產物 (products) 分開。
燃料電池反應的化學方程式如下：
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)
3
第六章 反應
1. 置於反應物與產物前方的數字稱為係數
(coefficients)。
2. 方程式中，H2和H2O前面的2，它可指出反應
中有多少「個體」被消耗掉或生成。
3. 方程式中僅一個分子時，則不用表示係數，如
上式中的O2。
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第六章 反應
5
第六章 反應
6
第六章 反應
平衡化學方程式
ƒ
一個已平衡 (balanced) 的化學方程式中，同一元
素在反應箭頭兩側具有相同的原子數。
ƒ 已平衡的化學方程式可以協助我們確定具有足夠
的反應物進行反應。
1. 例如：氮氣 (N2) 與氧氣 (O2) 反應產生牙醫麻
醉用的一氧化二氮 (N2O)，反應方程式如下：
N2(g) + O2(g) → N2O(g)
未平衡
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第六章 反應
2.
3.
4.
欲平衡方程式，必須找出使箭頭兩側原子數一致的係
數。
在此反應中，找出增加氧原子數的方法，因為在產物
側氧太少，故增加N2O的係數會在方程式的產物側加
入O原子，同時也增加N原子數。
N2(g) + O2(g) → 2N2O(g)
未平衡
接著改變N2 的係數。最後平衡的方程式顯示2個N2與1
個O2反應生成2個N2O。
2N2(g) + O2(g) → 2N2O(g)
平衡之方程式
8
第六章 反應
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第六章 反應
10
第六章 反應
避免常見的錯誤
ƒ
平衡方程式時最容易犯錯之預防方法：
1. 不要改變反應物或產物的化學式。
2. 不要加入新的反應物或產物。
3. 列出平衡方程式時不要使用係數的倍數。係數
是使用最小的整數值。
11
第六章 反應
6.2 氧化與還原
ƒ
NaCl可以由元素鈉 (Na) 與氯 (Cl2) 反應而得
2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)
1. 在此過程中，電中性的鈉原子 (電荷0) 失去一
個電子 (氧化，oxidized) 形成Na+，Cl2 的每個
氯原子得到一個電子 (還原，reduced) 形成Cl。
2. Cl2 從Na移走電子，Cl2 稱為氧化劑 (oxidizing
agent)。Na把電子給Cl2，Na稱為還原劑
(reducing agent)。
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第六章 反應
ƒ 銅金屬 (Cu) 和硝酸銀水溶液 (AgNO3) 的反應亦涉
及氧化與還原。Cu氧化成Cu2+ 而Ag+ 還原成Ag
(圖6.2)。
Cu(s) + 2AgNO3(aq) → Cu(NO3)2(aq) + 2Ag(s)
ƒ 氧化與還原總是同時發生，因為被氧化的物質要
把電子移至被還原者。
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第六章 反應
14
第六章 反應
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第六章 反應
燃燒
ƒ
燒東西(與O2作用)，即稱為燃燒 (combustion) 。
燃燒是一種氧化反應(圖6.3)。甲烷 (天然氣的主
要成分) 的燃燒，其燃燒會產生CO2 和H2O。反
應方程式為：
CH4(g)+ O2(g) → CO2(g) + H2O(g)
未平衡
1. 在平衡涉及有機化合物的燃燒反應時，先平衡
碳原子，接著是氫原子，最後是氧原子。
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第六章 反應
2. 碳原子已平衡 (每邊一個)，但氫和氧原子未平
衡。為了平衡氫原子，產物中含氫原子的H2O
係數應該增加。
CH4(g) + O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)
未平衡
3. 碳與氫原子已平衡後，接著處理氧原子。將反
應物中含氧的O2 係數增加至2。即可產生一個
平衡的反應方程式。
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)
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第六章 反應
4. 在此反應中，碳原子得到一個部分正電荷，所
以是氧化 (圖6.4)。CH4 的碳與氫之間是非極
性鍵，因此碳原子並無部分電荷。
5. 於CO2 中，碳與電負度較大的氧原子之間是極
性共價鍵，所以碳原子帶部分正電荷，而氧原
子帶部分負電荷。
6. 碳從CH4 的不具部分電荷到CO2 的部分正電
荷，故碳原子已被氧化。
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第六章 反應
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第六章 反應
ƒ 有機化學家設計出辨別氧化或還原的簡單規則：
1. 一個原子被氧化，當它
(1) 得到氧 (產物比反應物接上較多的氧原子) 且/或
(2) 失去氫 (產物比反應物接上較少的氫原子)。
2. 一個原子被還原，當它
(1) 失去氧 (接上較少的氧原子) 且/或
(2) 得到氫 (接上較多的氫原子)。
ƒ CH4 和O2 之間的燃燒反應：碳被氧化，因為從
CH4 轉變至CO2，碳原子失去氫原子且得到氧原
子。燃燒反應中，O2 是被還原的。
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第六章 反應
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第六章 反應
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第六章 反應
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第六章 反應
氫化
ƒ 烯類和其他未飽和烴類以氫氣 (H2) 當還原劑，在
催化劑鉑 (Pt) 存在下，進行一種稱為催化氫化
(catalytic hydrogenation) 的還原反應。
ƒ 催化劑 (catalyst) 是一種本身不變但是可以加速反
應的物質。
ƒ 一個分子可以進行氫化就是未飽和分子 (關於氫原
子)，當不能再加入H2 時，即為飽和分子。
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第六章 反應
ƒ 上式是有機反應方程式常用的一種寫法。其主要的有機反
應物列於箭頭左側，另外的反應物、催化劑 (如果需要的
話) 或條件 (例如：熱) 列於箭頭上方或下方。
ƒ 細胞製造脂肪酸反應中，有一過程與催化氫化反應相似。
此反應被一種稱為酶(enzyme) (生化催化劑) 的所催化。
ƒ 某一特定化合物 (部分結構列於下式) 的碳-碳雙鍵被
NADPH還原。生化學家在寫反應方程式時，有時給予反應
物不同的反應箭頭 (如下式：一個針對含碳反應物，另一
個則針對NADPH及H+ )。
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健康聯結：防腐劑和氧化
ƒ 敗血症是與感染有關的醫學名
詞，而防腐劑是避免感染 (通
常是減緩有害細菌的生長速率)
的化合物。
ƒ 1865年，外科醫師約瑟芬李斯
德 (Joseph Lister) 引入手術前洗
手、消毒繃帶、以石碳酸 (酚)
為消毒防腐劑的觀念大獲成
功。
26
第六章 反應
健康聯結：防腐劑和氧化
第六章 反應
ƒ 很多的防腐劑是氧化劑。碘酊劑是碘 (I2) 和碘化鉀
(KI) 溶於水及乙醇 (CH3CH2OH) 之混合物的組
合。
ƒ 氧化劑過氧化苯甲醯，是Oxy-10和其他面皰藥劑
的有效成分。當一稀釋的過氧化苯甲醯混合物塗
抹於皮膚上，它能消除引起面皰的細菌。
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第六章 反應
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第六章 反應
6.3 含水的反應
ƒ 在有機和生化反應中，水是很多反應中重要的反
應物和產物。其中三種：水解、水合及脫水反
應。
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第六章 反應
水解
ƒ 水解 (hydrolysis) 反應中，水被用來分解分子。酯
類在氫氧離子 (OH-) 存在下與水作用，分解生成羧
酸根離子 (carboxylate ion) 和醇 (圖6.6)。
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第六章 反應
酯類水解
ƒ 水解是決定一些藥物維持活性時間長短的因素之
一。麻醉劑普魯卡因 (procaine，也叫Novocain) 和
氯普魯卡因 (chloroprocaine) 是短效性的，有效時
間約一小時多。血清中某一特定酶會將它們的酯
基催化水解成羧酸根離子與醇而失去活性。
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第六章 反應
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第六章 反應
水合
ƒ 水合 (hydration) 反應中，水被加在雙鍵上。在H+
(催化劑) 存在下，水與烯反應形成醇就是水合的
例子。水合在生物化學上扮演重要的角色。
33
第六章 反應
ƒ 檸檬酸循環在新陳代謝中是一重要的反應，在此
過程的某一步驟中，檸檬酸鹽轉變為異檸檬酸鹽
時，即含有中間產物：順-烏頭酸鹽的酶催化水合
反應 。
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第六章 反應
脫水反應
ƒ 脫水反應 (dehydration) 是水合反應之逆反應。在
H+(催化劑) 存在下，加熱醇類可將醇類分成烯類
及水 (圖6.10)。
ƒ 水合與脫水反應互為逆反應，因水合將烯類轉換
成醇類，脫水將醇類轉換成烯類。
35
第六章 反應
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6.4 反應中莫耳與質量之關
係
ƒ
第六章 反應
製作三明治的平衡式：
1. 2片土司 + 1個起士片 → 1個三明治
2. 20片土司需要10個起士片
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第六章 反應
ƒ
汽車內汽油燃燒所產生的有毒一氧化碳(CO)，可
以藉由排氣系統的觸媒轉換器氧化成二氧化碳
(CO2)。此反應之平衡方程式：
2CO(g) + O2(g) → 2CO2(g)
1. 顯示2分子的CO與1分子的O2 形成2分子的
CO2。
2. 2打的CO分子與1打的O2分子形成2打的CO2分
子。
3. 2莫耳的CO與1莫耳的O2形成2莫耳的CO2。
4. 莫耳是表示6.02×1023 個數量的計量單位。
38
第六章 反應
ƒ 知道如何使用平衡方程式來決定所需之反應物莫
耳數及所獲得之產物莫耳數，即可用質量來解析
反應方程式。
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第六章 反應
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第六章 反應
ƒ
消防員所使用的呼吸器可將呼出的二氧化碳 (CO2)
轉換成氧氣 (O2)。
4KO2(s) + 2CO2(g) → 2K2CO3(s) + 3O2(g)
1. 需要多少克的KO2 才可與0.400莫耳的CO2 完
全反應？第一步先決定需要多少莫耳的KO2，
然後將KO2 的莫耳數轉換成KO2 的克數。
(1) 需要多少莫耳的KO2？
0.400莫耳CO2 = 0.800莫耳的KO2
(2) 需要多少克的KO2？KO2 的分子量是71.1 amu，所
以1莫耳KO2 為71.1克。
0.800莫耳KO2 = 56.9克的KO2
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第六章 反應
ƒ
平衡方程式的計算有時涉及克數之間的比較。例
如，銀 (Ag) 生銹的反應平衡方程式：
Ag (s) + S(s) → AgS(s)
1. 多少克的銀可以與10.0克的硫 (S) 完全反應？
欲解這類問題，需要將方程式以莫耳數來解
析。解這個問題需要三個步驟：
(1) 現有的硫 (S) 為多少莫耳？硫的原子量是32.1
amu，所以1莫耳硫為32.1克。
10.0克S = 0.312莫耳的S
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第六章 反應
(2) 需要多少莫耳的銀 (Ag)？從平衡式可得轉換因子。
0.312莫耳S = 0.312莫耳的Ag
(3) 需要多少克的銀 (Ag)？最後步驟使用到銀的原子量
(107.9 amu)。
0.312莫耳Ag = 33.7克的Ag
ƒ 任何平衡方程式的計算必須使用反應物與產物之
莫耳數，而非它們的質量 (圖6.11)，這是很重要
的。
43
第六章 反應
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第六章 反應
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第六章 反應
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第六章 反應
6.5 計算反應的產量
ƒ 當反應實際進行時，反應物未必依照平衡之化學
方程式的比例呈現，產物也未必如預期的量。
ƒ 決定一個反應之限量反應物、理論產量及實際產
量是很重要。
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第六章 反應
限量反應物
ƒ 限量反應物 (limiting reactant) 是一個反應中決定
(限制) 產物獲得量的反應物。辨別限量反應物是
依據哪個反應物可被完全消耗掉來決定。
48
第六章 反應
ƒ
氮氣 (N2) 與氫氣 (H2) 的反應用以製備可當做肥
料的氨 (NH3)。下列反應式中，如果2.10莫耳的
N2 與5.70莫耳的H2 反應，何者是限量反應物？
N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
1. 先計算與2.10莫耳N2 完全反應所需之H2 的莫
耳數。
2.10莫耳N2 = 6.30莫耳的H2
2. 欲與2.10莫耳N2 反應，則需6.30莫耳H2，但H2
只有5.70莫耳，故H2 為限量反應物，因為它
會完全消耗掉。
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第六章 反應
3. 如果3.95莫耳N2 與15.1莫耳H2 作用呢？
3.95莫耳N2 = 11.9莫耳的H2
4. 此情況下，與3.95莫耳N2完全反應需要11.9莫
耳H2，但H2 卻有15.1莫耳。當N2 完全消耗
後，仍剩H2，故N2 是限量反應物。
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第六章 反應
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第六章 反應
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第六章 反應
理論產量
ƒ 理論產量 (theoretical yield)係指產物可獲得之最大
量，理論產量是由限量反應物最初的量所決定
的。理論產量之計算，以丙烷 (C3H8) 燃燒為例，
反應如下：
C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(g)
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第六章 反應
1. 若2.2莫耳的丙烷與14莫耳的O2 作用，CO2 的
理論產量 (以莫耳及克表示) 是多少？計算理
論產量需要兩個步驟：
(1) 何者為限量反應物？藉由某反應物與另一反應物完
全反應所需之莫耳數來判斷限量反應物。如下所
示：
2.2莫耳C3H8 = 11莫耳的O2
(2) 若O2只需11莫耳，卻有14莫耳存在，則丙烷就是限
量反應物 (當所有丙烷消耗完時，O2 仍有剩餘)。
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第六章 反應
2. CO2 的理論產量是多少？當所有的限量反應物
完全轉變成CO2 所形成的量，即為CO2 的理論
產量。
2.2莫耳C3H8 = 6.6莫耳的CO2
6.6莫耳CO2 = 290克的CO2
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第六章 反應
產率
ƒ 一個反應的完成，產物往往無法達到理論產量。
反應所得到的產物量稱為實際產量 (actual yield)。
ƒ 表示實際產量可達到理論產量的程度，以產率
(percent yield) 表示，其定義為：
ƒ 某反應產物的理論產量為35.7克，卻只獲得15.2
克，則其產率為42.6%。
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第六章 反應
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6.6 自由能與反應速率
第六章 反應
ƒ 將ΔH、ΔS及 T 的合併效應以自由能變化 (ΔG)
表示。
ƒ 自發過程 (能量被釋放)，ΔG為負值(ΔG ＜ 0)。
ƒ 非自發過程 (需加能量)，ΔG為正值(ΔG ＞ 0)。
ƒ 考慮丙烷氣體 (CH3CH2CH3) 的燃燒，每莫耳丙烷
的燃燒會釋出496仟卡 (kcal) 能量。若將能量視為
反應產物，平衡方程式如下：
CH3CH2CH3 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + 496 kcal
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第六章 反應
ƒ ΔG 值為 496仟卡/莫耳 (kcal/mol)。由於能量被釋
放 (ΔG為負值)，反應為自發性。
ƒ 丙烷燃燒的逆反應：
3CO2 + 4H2O + 496 kcal → CH3CH2CH3 + 5O2
ƒ ΔG為 +496仟卡/莫耳 (需加入能量)，此反應為非
自發性。
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第六章 反應
能量圖
ƒ 將化學反應發生過程的能量變化所呈現的圖，稱
為反應能量圖 (reaction energy diagram) (圖6.13)。
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第六章 反應
ƒ 反應能量圖的 y 軸表示能量， x 軸表示反應之進
行 (反應物在左側，產物在右側)。具有較高位能
的分子在 y 軸的位置上方，較低位能的分子則在
下方。
ƒ 反應速率 (reaction rate) 是產物形成之快速程度的
一種測量，它與活化能有關。
ƒ 活化能(activation energy, E)係指從反應物到產物必
須跨越的能量障礙──(圖6.14)。
61
第六章 反應
62
第六章 反應
ƒ
一個反應若活化能較小，則反應速率較快。反應
的活化能與 ΔG無關。
1. 兩個活化能大小不同，而ΔG 大小相同的自發
反應，其反應速率會不一樣。
2. ΔG 相差很大，而活化能相同的兩個反應，其
反應速率會相同。
ƒ 改變化學反應速率的方法之一就是改變溫度，溫
度愈高反應愈快，這是因為溫度愈高，反應物的
動能愈大。
63
第六章 反應
ƒ 改變一個或多個反應物的濃度亦可改變反應速
率。較高的反應物濃度可以增加反應速率，因為
反應物愈擁擠，反應物之間的有效碰撞愈容易發
生。
ƒ 催化劑可以加速反應，但本身不會改變。為了增
快反應速率，催化劑藉由降低活化能的這種方式
來改變反應途徑。
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第六章 反應
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第六章 反應
66
第六章 反應
ƒ 生物體的大多數化學反應是由稱為酶的蛋白質進
行催化。
ƒ OMP-去氧酶可催化某特定羧酸的分解反應，並提
升1017 倍的反應速率，在缺乏酶時需32,000年，反
應才會發生，但在酶的存在下只需0.00001秒即可
完成！
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第六章 反應
68
第六章 反應
健康聯結：碳酸酐酶
ƒ 二氧化碳是細胞新陳代謝的最終產物，它被血液
輸送至肺部，再被呼出。在血液中的CO2 約有95%
是在紅血球，其中約1/3與輸送氧氣的血紅素結
合。剩下2/3的CO2 被碳酸酐催化水合反應轉成碳
酸 (H2CO3)。未進入紅血球的5% CO2 直接溶入血
清中。
69
第六章 反應
健康聯結：碳酸酐酶
ƒ 碳酸酐是很有效率的催化劑，每個分子每秒可轉
換約1百萬個CO2 分子。一旦H2CO3 形成，H2CO3
會失去一個H+，以產生碳酸氫根離子 (HCO3-)，然
後從紅血球進入血漿中。
ƒ 此過程在肺中正好相反。在紅血球內，碳酸酐將
碳酸催化變成CO2。這些CO2 及血紅素所釋出的
CO2 與溶在血漿中的CO2 一起移動至肺部，然後被
呼出。
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第六章 反應
71
第六章 反應
ƒ 苯酮尿症(PKU)患者是因體內無法產生苯丙胺酸羥
化酶的一種遺傳疾病。此酶的角色是將一種胺基
酸 (苯丙胺酸，phenylalanine) 催化轉變成另一種胺
基酸 (酥胺酸，tyrosine)。
72
第六章 反應
ƒ 在缺乏苯丙胺酸羥化酶時，此氧化反應並不會發
生，苯丙胺酸會被轉換成其他的化合物，這些化
合物含量高時是有毒的，對於發育中的腦部會造
成不可逆的傷害。
ƒ 新生兒出生幾天內一定要檢驗PKU。如果嬰兒被
驗出有此疾病而給予低苯丙胺酸飲食，就能使腦
部正常成長。
ƒ 苯丙胺酸是製造阿斯巴甜(aspartame)的化合物之
一。在體內，這種甜味劑 (酯的其中一個鍵結被水
解) 的水解會釋出苯丙胺酸。PKU的患者應該禁食
含有阿斯巴甜的產品。
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