分子式（Molecular Formula）與結構式（Structural Formula）

分子式（Molecular Formula）與結構式（Structural Formula）
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

量測分子量的方法有許多種，目前常用的方法便是質譜（mass spectrometry）。質譜儀的運作原理是先讓預測的物質帶電（通常是正電），給予能量使其在可控制的磁場中飛行，帶電粒子經過外加磁場會因為電荷作用力，因不同的荷質比（charge/mass）而產生不同的彎曲路徑。質譜儀可以用來區分原子的同位素，其實質譜儀除了測量原子量以外，也可以用相同原理量測分子量（molecular mass），分子量的精確度甚至可以到小數點下第四位。質譜儀的應用相當廣泛，包括前陣子轟動一時的三聚氰胺事件以及毒品檢驗，都是應用質譜儀來檢驗樣品。日本人田中耕一與美國芬恩教授便是以開發新的質譜儀技術而獲頒2002年諾貝爾化學獎。

除此之外，若是揮發性的化合物，也可用理想氣體方程式來獲得分子量的資訊。實驗上，首先在固定體積的容器內通入氣體，測量氣壓後利用液態氮冷凍氣體，使其冷凝成液體或是固體，再進行秤重。知道重量（W）、溫度（T）、氣壓（P）與體積（V），便可估算分子量（M）。

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

由分子式已能確切告訴我們分子化合物所含的原子種類與個數，但是還缺乏原子鍵結的情形，要了解分子內的原子連結情形還需要結構式（structure formula）。

結構式可以完整地繪出分子內每個原子間的鍵結：原子同樣用元素符號來表示，而之間的鍵結則以直線來連接。當心!結構式的描繪是將立體的分子轉化成平面圖，所以紙上的形狀與真實的空間排列並不相同。例如甲烷的結構式是碳前後左右四個方向各接一個氫，看似平面上的正方形。不過甲烷分子實際上是以碳為中心的正四面體，H－C－H的夾角是109.5度而非90度（見圖一)。因此檢視結構式時尚需配合化學鍵的概念，才能了解結構式所描繪分子的正確立體結構。

(圖一，左為甲烷結構式，右為甲烷立體結構示意圖)

前面我們提過利用元素分析可以定出實驗式，與質譜儀配合則可定出分子式；相較之下，決定結構式就難的多了，通常需要多種實驗來找尋蛛絲馬跡，推論出分子的結構。

隨著目的不同，化學家會使用一些結構式變化的版本。舉例來說，當處理比較大的分子時，譬如化妝品中常添加的乳化劑——硬脂酸（stearic acid），是含有18個碳長鏈的脂肪酸。化學家將結構式的畫法簡化，只畫出碳的骨架，沒有特別註明的話，碳剩餘的鍵結都是連接氫，結構式於是得以大大簡化（見圖二）。這樣的表示方法如今已被廣泛的用在教科書以及期刊上，對於複雜的有機與生化分子來說，優點是顯而易見的。
(圖二)

化合物通常有某些特定的原子基團會顯示化學特性，稱作官能基（functional group）。尤其是有機化合物的官能基更是決定其化學性質。示性式（rational formula）專注於強調化合物所含的官能基，用以展「示性」質，例如醇類會特別標出羥基（-OH），羧酸則會標出羧基（-COOH），所以示性式可以讓我們快速辨認出化合物的特徵，進而得知其應該擁有的化學特性。由胺基酸的示性式H₂N-CHR-COOH便可知道胺基酸同時具有胺基（-NH₂）與羧基（-COOH）。

另外還有化學式是無法單憑手繪就可以表現的，例如空間填充模型，是3D的圖形，必須借助專業的電腦軟體來製繪。相較於平面上的結構式，空間填充模型更能夠表現具體的原子基團大小，以圖三的甲醇為例，灰球代表碳，白球是氫（體積很明顯的較小)，紅球則是氧。熟悉各種表示法且能互相轉換，在化學學門中非常重要的技巧。

(圖三)

參考文獻：
1. 物質科學化學篇(上冊)，泰宇出版