常見無機酸與鹼的 IUPAC 命名法詳解

學習如何為常見無機酸與鹼命名、寫出化學式,並避免 HSC 化學命名中常見的錯誤。

當化學家寫下「硫酸」時,這個名稱會讓你對其中涉及的粒子有所了解。但如果只給你化學式 \(\ce{H2SO3}\),又該怎麼辦?它是硫酸、亞硫酸,還是其他物質?化學式中的微小變化會改變物質的名稱、產生的氫離子數量,以及該物質能進行的反應。

試著預測:如果 \(\ce{HCl}\) 和 \(\ce{HClO}\) 都含有氫和氯,為什麼它們的名稱不同?答案在於與氫結合的另一種元素。在無機酸的命名中,含氧離子(含氧酸根離子)決定了酸名稱的字尾。

比較氯的各種酸,顯示氧原子數量增加時,酸的名稱也會改變。
氯的含氧酸系列展示了含氧酸根離子的氧原子數量與酸名稱之間的命名關係。這些化學式及氧原子數量代表的是化學關係,並非測量數據。

這項技能不只是背誦一份清單,更是一種轉換能力:

  • 化學式 → 辨認離子 → 套用命名規則
  • 名稱 → 辨認離子 → 寫出化學式

這也是配平酸反應方程式及應用酸鹼理論時會用到的思考方式。你可以進一步複習 阿瑞尼士酸鹼理論 和 酸反應的配平方程式。

01第一個模型:酸是由氫與陰離子組成

首先,可以將大多數常見無機酸理解為:

\[ \text{酸} = \text{氫離子} + \text{陰離子} \]

例如:

\[ \ce{HCl -> H+ + Cl-} \]

氫是能夠轉變成 \(\mathrm{H}^{+}\) 的部分。剩餘的離子稱為共軛鹼或陰離子。

命名時,先著重辨認陰離子。

陰離子酸的名稱
\(\mathrm{Cl}^{-}\) 氯離子鹽酸
\(\ce{NO3-}\) 硝酸根離子硝酸
\(\mathrm{SO_{4}}^{2-}\) 硫酸根離子硫酸
\(\mathrm{CO_{3}}^{2-}\) 碳酸根離子碳酸

請注意以下規律:

  • 以 -ide 結尾的陰離子,其對應的酸通常以 -hydric acid 結尾
  • 以 -ate 結尾的陰離子,其對應的酸通常以 -ic acid 結尾
  • 以 -ite 結尾的陰離子,其對應的酸通常以 -ous acid 結尾

這些名稱並非隨意命名,而是保留了酸與其陰離子之間的關係。

02二元酸的命名:氫加上一種非金屬

二元酸包含:

  • 氫
  • 另一種非金屬元素
  • 不含氧

其一般命名模式為:

\[ \text{hydro} + \text{非金屬字根} + \text{ic acid} \]

例如:

化學式陰離子酸的名稱
\(\ce{HF}\)氟離子氫氟酸
\(\ce{HCl}\)氯離子鹽酸
\(\ce{HBr}\)溴離子氫溴酸
\(\ce{HI}\)碘離子氫碘酸

一個常見的陷阱是忘記加上「hydro」。

學生看到 \(\ce{HCl}\) 時,可能會想到「hydrogen chloride(氯化氫)」,因為這是分子化合物 \(\ce{HCl(g)}\) 的名稱。然而,當 \(\ce{HCl}\) 溶於水並以酸的形式存在時,其名稱就會變成 hydrochloric acid(鹽酸)。

物質的狀態與所處的情境都很重要。

燒杯對照圖,展示氣態 HCl 稱為氯化氫,而水溶液中的 HCl 稱為鹽酸。
化學式 HCl 會因物理狀態與情境不同而代表名稱不同的物質:HCl(g) 是氯化氫氣體,而 HCl(aq) 溶於水後則是鹽酸。

03含氧酸的命名:含氧的酸

含氧酸包含氫、氧及另一種元素。

在這裡,含氧離子決定酸名稱的字尾。

「-ate 變成 -ic」規則

例如:

\[ \ce{NO3-} \rightarrow \ce{HNO3} \]

硝酸根離子對應的酸是硝酸。

\[ \mathrm{SO_{4}}^{2-} \rightarrow \ce{H2SO4} \]

硫酸根離子對應的酸是硫酸。

\[ \mathrm{PO_{4}}^{3-} \rightarrow \ce{H3PO4} \]

磷酸根離子對應的酸是磷酸。

「-ite 變成 -ous」規則

例如:

\[ \mathrm{SO_{3}}^{2-} \rightarrow \ce{H2SO3} \]

亞硫酸根離子對應的酸是亞硫酸。

\[ \ce{NO2-} \rightarrow \ce{HNO2} \]

亞硝酸根離子對應的酸是亞硝酸。

相關酸之間的氧原子數量通常會有所不同。

氯的含氧酸系列樹狀圖,展示從次氯酸到過氯酸,氧原子數量逐漸增加及相應的命名變化。
氯的含氧酸系列遵循氧原子數量的規律:每增加一個氧原子,含氧酸根離子的名稱以及酸名稱的字首或字尾都會改變。此系列從次氯酸根逐步變化至過氯酸根,對應的酸則從次氯酸變化至過氯酸。

04較難掌握的含氧酸系列:氯

氯的含氧酸呈現出一個很有用的規律:

化學式離子名稱酸的名稱
\(\ce{HClO}\)次氯酸根離子次氯酸
\(\ce{HClO2}\)亞氯酸根離子亞氯酸
\(\ce{HClO3}\)氯酸根離子氯酸
\(\ce{HClO4}\)過氯酸根離子過氯酸

字首與字尾能告訴你氧的相對含量:

  • hypo- … -ous = 氧最少
  • … -ous = 多一個氧
  • … -ic = 再多一個氧
  • per- … -ic = 氧最多

一個實用的記憶技巧是:以「-ate」和「-ite」結尾的名稱彼此相鄰。氯酸根離子所含的氧比亞氯酸根離子多,因此氯酸所含的氧也比亞氯酸多。

05常見鹼的命名

鹼通常是金屬氫氧化物。

其一般結構為:

\[ \text{金屬離子} + \ce{OH-} \]

氫氧根離子的名稱固定為:

\[ \ce{OH-} = \text{hydroxide(氫氧根)} \]

例如:

化學式名稱
\(\ce{NaOH}\)氫氧化鈉
\(\ce{KOH}\)氫氧化鉀
\(\ce{Ca(OH)2}\)氫氧化鈣
\(\ce{Mg(OH)2}\)氫氧化鎂

對於可能具有多種電荷的金屬,應使用羅馬數字標示其電荷。

例如:

\[ \ce{Fe^2+ + 2OH- -> Fe(OH)2} \]

氫氧化鐵(II)

\[ \ce{Fe^3+ + 3OH- -> Fe(OH)3} \]

氫氧化鐵(III)

羅馬數字並不表示氫氧根離子的數量,而是表示金屬離子的電荷。

06根據名稱寫出化學式

反向推導的過程同樣重要。

要寫出化學式:

  1. 辨認陽離子。
  2. 辨認陰離子。
  3. 平衡電荷,使總電荷為零。
  4. 寫出最簡整數比。

對於酸,氫的數量與陰離子的電荷大小相對應。

例如:

硫酸根離子是 \(\mathrm{SO_{4}}^{2-}\)。

它需要兩個氫離子:

\[ \ce{2H+ + SO4^2- -> H2SO4} \]

因此:

\[ \ce{H2SO4} \]

是硫酸。

對於氫氧化物,氫氧根離子的數量與金屬離子的電荷大小相對應。

例如:

鋁離子是 \(\mathrm{Al}^{3+}\)。

氫氧根離子是 \(\ce{OH-}\)。

因此需要三個氫氧根離子:

\[ \ce{Al^3+ + 3OH- -> Al(OH)3} \]

所以氫氧化鋁的化學式是 \(\ce{Al(OH)3}\)。

07範例詳解:為酸 \(\ce{H2SO3}\) 命名

步驟 1:辨認陰離子。

在思考時,先將氫離子分離出來:

\[ \ce{H2SO3 -> 2H+ + SO3^2-} \]

陰離子是亞硫酸根離子。

步驟 2:套用含氧酸的規則。

Sulfite 以 -ite 結尾,因此酸的名稱以 -ous acid 結尾。

步驟 3:寫出完整名稱。

\[ \boxed{\ce{H2SO3} \text{ 是亞硫酸}} \]

重要的推理原則是:名稱來自陰離子,而不只是根據物質中所含的元素來決定。

08範例詳解:寫出硝酸的化學式

步驟 1:辨認陰離子。

硝酸來自硝酸根離子:

\[ \ce{NO3-} \]

步驟 2:加入足夠的氫離子以平衡電荷。

硝酸根離子的電荷為 \(1-\),因此需要一個氫離子。

\[ \ce{H+ + NO3- -> HNO3} \]

步驟 3:寫出化學式。

\[ \boxed{\ce{HNO3}} \]

這個化學式只含有一個氫原子,因為硝酸根離子只需要一個正電荷來平衡。

09範例詳解:為氫氧化鐵(III)命名並寫出化學式

步驟 1:判斷金屬的電荷。

鐵(III)表示:

\[ \mathrm{Fe}^{3+} \]

步驟 2:與氫氧根離子結合。

氫氧根離子是:

\[ \ce{OH-} \]

需要三個氫氧根離子才能平衡 \(3+\) 的電荷。

\[ \ce{Fe^3+ + 3OH- -> Fe(OH)3} \]

步驟 3:寫出名稱。

\[ \boxed{\ce{Fe(OH)3} \text{ 是氫氧化鐵(III)}} \]

這裡需要使用括號,因為氫氧根離子會以完整的基團形式存在。

10應避免的常見錯誤

錯誤發生原因改正方法
將 \(\ce{H2SO4}\) 稱為「亞硫酸」混淆硫酸根離子與亞硫酸根離子檢查陰離子:硫酸根 → 硫酸
忘記在 \(\ce{HCl}\) 的名稱中加上「hydro」混淆分子化合物與酸的命名方式二元酸 → hydro + 字根 + ic acid
寫成 \(\ce{CaOH}\)忘記鈣離子的電荷為 \(2+\)鈣離子需要兩個氫氧根離子
對所有金屬都使用羅馬數字誤以為所有金屬都具有多種電荷只有當金屬可能具有不同電荷時才使用羅馬數字
判斷流程圖展示如何根據化學式或名稱,逐步為酸與鹼命名。
這個示意判斷流程展示如何辨認酸或鹼、確定相關的離子資訊、套用命名規則,並得出正確的名稱或化學式。

11題目與解答

題目 1

為酸 \(\ce{HNO3}\) 命名。

解答 1

答案是硝酸。\(\ce{HNO3}\) 中的陰離子是硝酸根離子,即 \(\ce{NO3-}\)。由於 nitrate 以 -ate 結尾,酸的名稱會改為以 -ic acid 結尾。

一個容易出現的錯誤是只注意氮元素,並將其命名為與「nitrogen acid」相關的名稱。酸的名稱取決於與氫相關的離子,而不只是元素本身的名稱。

題目 2

寫出亞硫酸的化學式。

解答 2

答案是 \(\ce{H2SO3}\)。亞硫酸來自亞硫酸根離子:

\[ \mathrm{SO_{3}}^{2-} \]

這個離子的電荷為 \(2-\),因此需要兩個氫離子:

\[ \ce{2H+ + SO3^2- -> H2SO3} \]

常見的陷阱是寫成 \(\ce{HSO3}\)。這個化學式只能平衡電荷為 \(1-\) 的離子,無法平衡亞硫酸根離子的 \(2-\) 電荷。

題目 3

一名學生拿到兩種酸:\(\ce{HClO2}\) 和 \(\ce{HClO3}\)。他預測第二種酸應稱為亞氯酸,因為它含有氯和氧。請解釋這個說法是否正確,並寫出兩種酸的名稱。

解答 3

答案是這個預測不正確。\(\ce{HClO2}\) 是亞氯酸,而 \(\ce{HClO3}\) 是氯酸。

推理依據來自含氧酸根離子的名稱:

\[ \ce{ClO2-} = \text{亞氯酸根離子} \]

因此:

\[ \ce{HClO2} = \text{亞氯酸} \]

而:

\[ \ce{ClO3-} = \text{氯酸根離子} \]

因此:

\[ \ce{HClO3} = \text{氯酸} \]

學生的預測看似合理,因為兩種酸都含有氯和氧。缺少的關鍵細節是:氧的數量會改變陰離子的名稱,而陰離子名稱的變化也會改變酸名稱的字尾。

題目 4

某化合物的名稱是氫氧化鐵(III)。一名學生將其化學式寫成 \(\ce{FeOH3}\)。請解釋錯誤之處,並寫出正確的化學式。

解答 4

答案是 \(\ce{Fe(OH)3}\)。鐵(III)表示其離子為:

\[ \mathrm{Fe}^{3+} \]

氫氧根離子為:

\[ \ce{OH-} \]

因此需要三個氫氧根離子:

\[ \ce{Fe^3+ + 3OH- -> Fe(OH)3} \]

學生使用的原子數量正確,但化學式的結構有誤。氫氧根離子是一個帶電的基團,必須保持完整,因此需要使用括號。

題目 5

一名化學家發現一種未知酸,其化學式為 \(\ce{H3XO4}\)。已知這種酸含有含氧酸根離子 \(\mathrm{XO_{4}}^{3-}\),而另一個樣本則含有與之相關的含氧酸根離子 \(\mathrm{XO_{3}}^{3-}\)。請預測這兩種酸的名稱,並解釋可以用哪一條規則區分它們。

解答 5

答案是,\(\ce{H3XO4}\) 是由以 -ate 結尾的離子形成的酸,因此遵循以 -ic acid 結尾的命名規則;而 \(\ce{H3XO3}\) 則會是由以 -ite 結尾的離子形成的酸,遵循以 -ous acid 結尾的命名規則。

推理如下:

\[ \mathrm{XO_{4}}^{3-} \rightarrow \ce{H3XO4} \]

陰離子以 -ate 結尾,因此酸的字尾改為 -ic。

\[ \mathrm{XO_{3}}^{3-} \rightarrow \ce{H3XO3} \]

陰離子以 -ite 結尾,因此酸的字尾改為 -ous。

一種容易令人誤入歧途的做法,是只比較氧原子的數量,然後自行創造新的命名規律。真正的限制在於,酸的名稱沿用含氧酸根離子的命名系統。氧的差異之所以重要,是因為它會先改變陰離子的名稱,而酸的名稱則依據該陰離子的名稱決定。

能夠熟練地在名稱與化學式之間轉換,是進一步預測這些酸與鹼如何反應的基礎,包括寫出並配平中和反應方程式。