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。
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。
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。
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：
- 辨認陽離子。
- 辨認陰離子。
- 平衡電荷，使總電荷為零。
- 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 |
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。