實驗07中和熱.doc

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技蔺
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1 實驗七中和熱一目的熱利用咖啡杯卡計進行強酸強鹼及弱酸強鹼的中和反應, 測得中和圖 7-1 秤取 NaOH 圖 7-2 酸的配製圖 7-3 使用卡計和電子計 - 1 -

2 二原理化學反應伴隨著能量 (energy) 的改變, 熱 (heat) 是能量的一種形式定容 (constant volume) 下反應, 內能的變化值 ΔE(internal energy) = q (heat) + w(work),w = -pdv, 所以 ΔE = q v ; 定壓 (constant pressure) 下反應, 定義 H(enthalpy) = E + pv, 則 ΔH = ΔE + pdv = q p 即定壓條件下( 幾乎大部分的反應皆在定壓下進行 ), 測得反應的能量值 (q p ) 即得此反應焓的變化值 (ΔH) ΔH>0 為吸熱反應 (endothermic reaction),δh<0 為放熱反應 (exothermic reaction) 不同類型的化學反應, 有不同類型的反應熱例如 : 一莫耳物質完全燃燒, 所放出的熱量為燃燒熱 ( ΔH combustion ); 由穩定元素形成一莫耳化合物為生成熱 ( ΔH formation ); 一莫耳元素分子解離成原子為解離熱 ( ΔH dissociation ); 一莫耳物質溶於大量溶劑所放出或吸收的熱量為溶解熱 ( ΔH dissolution ); 本實驗進行酸鹼反應生成一莫耳水時所放出的熱量稱為中和熱 ( ΔH neutralization ) 當鹽酸水溶液和氫氧化鈉水溶液反應時, 酸的氫離子,( hydrogen ion, H + ) 與鹼的氫氧根離子 ( hydroxide ion,oh - ) 結合成水, 鈉離子與氯離子形成水溶性且為中性的氯化鈉鹽類, 反應方程式如下 : HCl (aq) + NaOH (aq) H 2 O (l) + NaCl (aq) ΔH = Kcal/mol = KJ/mol 淨離子反應方程式為 :H + (aq) + OH - (aq) H 2 O (l) 當弱酸水溶液和強鹼水溶液反應時, 本實驗進行醋酸水溶液和氫氧化鈉水溶液的中和反應, 醋酸的氫離子和氫氧化鈉的氫氧根離子結合成水, 醋酸根離子與鈉離子形成水溶性微鹼的醋酸鈉, 反應式如下 : CH 3 COOH (aq) + NaOH (aq) H 2 O (l) + CH 3 COONa (aq) 淨離子反應方程式為 :H + (aq) + OH - (aq) H 2 O (l) - 2 -

3 本實驗利用兩個保麗龍杯 (Styrofoam cup) 套疊在一起, 蓋上圓形保麗龍蓋, 蓋子上戳一小孔, 置入電子式計的探棒, 此裝置視同隔絕系統 (isolation system), 系統本身與外界沒有物質 (mass) 和能量 (energy) 的交流此裝置即為咖啡杯卡計, 此卡計的熱容 (heat capacity) 是使卡計上升 1 所需要的能量, 以 C p 表示, 單位是 Joule/ 比熱 S(specific heat capacity) 是使 1 g 物質上升 1 所需吸收的能量 (Joule, 焦耳 ) 水的比熱為 J/g m 克水, 改變 Δt, 則熱量值為 m s Δt, 當上升,Δt>0, 則 q>0, 系統吸熱 ; 當水溫下降,Δt<0, 則 q<0, 系統放熱 Tempeture( ) v.s. Time( sec ) Tempeture( ) ΔT 改變量平緩區 ( 恆溫 ) Time( sec ) - 3 -

4 本實驗分成三部分進行 : A. 將冷熱水混合成溫水, 熱水放出熱量, 冷水及咖啡杯卡計吸收熱量求出卡計的熱容 ( C p ) Q = m( g ) S( J/g ) Δt Δt 如上頁圖 50 g 熱水 4.184( J/g ) ( t 熱水 -t mix ) = 50 g 冷水 4.184( J/g ) ( t mix -t 冷水 ) + C p( 卡計熱容 ) ( t mix -t 冷水 ) -- 式 (1) B. 混和強酸與強鹼求得中和熱, 鹽酸水溶液與氫氧化鈉水溶液的初始為 T initial, 中和後中和反應為放熱反應, 致使中和液上升以 T mix 表示, 則強酸強鹼中和所放出的熱量被 100 ml 的中和液 ( 視同 100 g 的水 ) 及卡計所吸收將此放熱值除以酸或鹼的莫耳數, 即得每莫耳酸鹼中和熱, 以 ΔH neutralization ( KJ/mol ) 表示 100g 4.184J/g C ( Tmix Tinitial ) + Cp( Tmix Tinitial ) ΔH( kj/mol ) = 式 (2) 0.050(mol酸或鹼 ) C. 混合弱酸與強鹼求得中和熱, 醋酸水溶液與氫氧化鈉水溶液進行酸鹼中和, 原理與 Part B 相同, 求得每莫耳酸鹼中和熱, 以 ΔH neutralization (KJ/mol) 表示實驗室中酸鹼濃溶液濃度計算 : 密度 ( Kg/L ) 10 3 ( g/kg ) w/w( % ) / F.W. ( g/mol ) = M 濃溶液體積莫耳濃度 - 4 -

5 三藥品 1. 冷水 :50 ml, 使用自來水即可 2. 熱水 :50 ml, 助教提供, 不必自行加熱 3. 氫氧化鈉 (Sodium hydroxide, NaOH (aq) ): 每組配 1.0 M 100 ml, 秤取 4.00 g NaOH (S), 加去離子水溶解後稀釋到 100 ml 體積量瓶的標線 4. 鹽酸 (Hydrochloric acid, HCl (aq) ): 每組配 1.0 M 50 ml, 吸取 4.2 ml 濃鹽酸加入水中稀釋至 100 ml 體積量瓶標線 5. 醋酸 (Acetic acid, CH 3 COOH (aq) ): 每組配 1.0 M 50 ml, 吸取 2.9 ml 冰醋酸加入水中稀釋至 100 ml 體積量瓶標線四器材 A. 抽屜拿出 : 1. 燒杯 :50 ml 2. 漏斗 3. 玻棒 4. 體積量瓶 :50 ml B. 助教發配, 實驗後歸還 : 1. 電子計 2. 電子計時器 3. 保麗龍杯 2 4. 保麗龍杯蓋 2 5. 塑膠體積量瓶 :100 ml - 5 -

6 五步驟 A. 冷水熱水混合 1. 將兩個保麗龍杯套疊在一起, 備好已戳一小孔的圓形保麗龍杯蓋, 成為卡計杯 ( calorimeter cup ) 2. 以 100 ml 量筒量取 50 ml 自來水, 倒入卡計杯中, 蓋上杯蓋, 放進電子計的感溫棒, 靜置 3 分鐘, 記錄到 0.1 ( 量測時, 勿使感溫棒接觸到杯底 ) 3. 量取 50 ml 自來水放入 100 ml 燒杯中, 以加熱板緩和加熱至水溫比室溫高約 15 ~20 ( 由助教統一提供熱水 ), 量測並記錄此熱水 4. 掀開卡計杯蓋迅速倒入熱水, 蓋上杯蓋, 插入感溫棒並開始計時, 每 10 秒記錄, 以感溫棒稍加攪拌, 感溫棒勿碰觸杯壁及杯底共記錄 3 分鐘 5. 以冷水為 y 軸起點, 對 ( 秒 ) 作 ( Excel ) 圖 6. 取 30 秒後的數據, 對作 Excel 圖, 得 y = mx + b 的線性方程式, 當 x = 0 時,y 值即為混合時的 t mix 7. 將數據代入式 (1) 得卡計熱容 C p ( J/ ) - 6 -

7 B. 強酸強鹼混合 1. 倒掉卡計中的溫水擦拭卡計及計 2. 配製 1.0 M NaOH (aq) 100 ml (1) 用 100 ml 燒杯盛裝, 秤 NaOH (s) 4.0 克 (2) 加入約 60 ml 去離子水, 以玻棒攪拌加速 NaOH (s) 溶解 (3) NaOH (s) 全部溶解後, 以漏斗盛接, 將溶液沿玻棒倒入 100 ml 塑膠體積量甁, 以少許去離子水潤洗燒杯及漏斗, 且將此洗液集中至體積量甁內 (4) 用滴管加入去離子水至體積量甁的標線, 蓋上瓶蓋, 搖晃均勻 3. 量取 1.0 M NaOH (aq) 50 ml, 倒入卡計杯中, 蓋上杯蓋, 放入感溫棒, 使系統平衡 3 分鐘, 量測並記錄 4. 配製 1.0 M HCl (aq) 50 ml: (1) 50 ml 體積量甁中先裝好約 40 ml 去離子水 (2) 在抽風櫥中用 5 ml 吸量管 ( 公用 ) 吸取 4.2 ml 的濃鹽酸 (3) 將溶液排入 50 ml 體積量甁中, 蓋上瓶蓋, 回到實驗座位 (4) 用滴管加入去離子水至體積量甁的標線, 蓋上瓶蓋, 搖晃均勻 5. 將 1.0 M HCl (aq) 50 ml 倒入 100 ml 燒杯中, 放入感溫棒, 使系統平衡 3 分鐘後, 量測, 需與 NaOH (aq) 的溫差在 0.5 以內, 可稍升 ( 降 ) 溫微調此鹽酸溶液的 6. 掀開卡計杯蓋, 將 HCl (aq) 迅速倒入, 蓋上杯蓋, 插入感溫棒並開始計時, 每 10 秒記錄, 以感溫棒稍加攪拌共記錄 3 分鐘 7. 以 NaOH (aq) 為 y 軸起點, 對 ( 秒 ) 作 ( Excel ) 圖 8. 取 30 秒後的數據, 對作 Excel 圖, 得 y = mx + b 的線性方程式, 當 x = 0 時,y 值即為 t mix - 7 -

8 9. 將數據代入式 (2) 得酸鹼中和熱 ΔH neutralization ( KJ/mol ) C. 弱酸強鹼中和 1. 配製 1.0 M CH 3 COOH (aq) 50 ml (1) 50 ml 體積量甁中先裝好約 40 ml 去離子水 (2) 在抽風櫥中用 5 ml 吸量管 ( 公用 ) 吸取 2.9 ml 的濃醋酸 (3) 將溶液排入 50 ml 體積量甁中, 蓋上瓶蓋, 回到實驗座位 (4) 用滴管加入去離子水至體積量甁的標線, 蓋上瓶蓋, 搖晃均勻 2. 將 B 部份的 1.0 M HCl (aq) 改成 1.0 M CH 3 COOH (aq), 其餘步驟皆相同 - 8 -

9 六數據與結果.. Part A..冷水熱水混合 1. 冷水 : 熱水 : 以冷水為 y 軸起點, (y 軸 ) 對 (x 軸 ) 利用 Excel 作圖 ( 一 ) 4. 取 30 秒後的數據, 對利用 Excel 作圖 ( 二 ) 圖 ( 一 ) 圖 ( 二 ) 貼圖區貼圖區 5. 圖 ( 二 ) 之線性方程式 :y = x +,R 2 = x = 0,y = t mix = 6. 將數據代入原理中的式 (1), 列式如下 : ( 算式 ) 得卡計熱容 C p = J/ - 9 -

10 Part B 強酸強鹼混合 1. NaOH (aq) : HCl (aq) : 以 NaOH (aq) 為 y 軸起點, (y 軸 ) 對 (x 軸 ) 利用 Excel 作圖 ( 一 ) 4. 取 30 秒後的數據, 對利用 Excel 作圖 ( 二 ) 圖 ( 一 ) 圖 ( 二 ) 貼圖區貼圖區 5. 圖 ( 二 ) 之線性方程式 :y = x +,R 2 = x = 0,y = t mix = 6. 將數據代入原理中的式 (2), 列式如下 : ( 算式 ) 得強酸強鹼中和熱 ΔH neutralization ( KJ/mol )= KJ/mol

11 Part C 弱酸強鹼混合 1. NaOH (aq) : CH 3 COOH (aq) : 以 NaOH (aq) 為 y 軸起點, (y 軸 ) 對 (x 軸 ) 利用 Excel 作圖 ( 一 ) 4 取 30 秒後的數據, 對利用 Excel 作圖 ( 二 ) 圖 ( 一 ) 圖 ( 二 ) 貼圖區貼圖區 5. 圖 ( 二 ) 之線性方程式 :y = x +,R 2 = x = 0,y = t mix = 6 將數據代入原理中的式(2), 列式如下 : ( 算式 ) 得弱酸強鹼中和熱 ΔH neutralization ( KJ/mol )= KJ/mol

12 七問題與討論.. 1. (a) 計算實驗室中常用濃酸鹼的體積莫耳濃度 Reagent Concentration %(W/W) Specific Gravity Formula Weight M( mol ) L Acetic acid Ammonia Hydrochloric acid Nitric acid Sulfuric acid ( 算式一列於下 ) ( 算式一列於下 ) ( 算式一列於下 ) ( 算式一列於下 ) ( 算式一列於下 ) 算式一 :ˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍ =ˍˍˍˍˍ M 算式二 :ˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍ =ˍˍˍˍˍ M 算式三 :ˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍ =ˍˍˍˍˍ M 算式四 :ˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍ =ˍˍˍˍˍ M 算式五 :ˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍ =ˍˍˍˍˍ M

13 (b) 稀釋實驗室之濃硫酸,96.5%( w/w ),Specific Gravity = 1.83, 配製 1.5 M H 2 SO 4(aq) 100 ml ( 含使用器材及詳細操作過程 ) 2. (a) 強酸強鹼的中和熱理論上與弱酸強鹼的中和熱會相同嗎? (b) 實驗結果呢? (c) 解釋實驗結果的可能原因?

14 3. (a) 兩種溶液一混合時的如何決定? (b) 為何無法由實驗直接量測? 4. 醋酸是種弱酸, 在水中部分解離, 與 NaOH (aq) 中和時, 酸鹼中和反應完全嗎? 說明之

15 八實驗心得與討論.. 誤差討論.. 心得

實驗05溶液的稀釋與導電性.doc

實驗05溶液的稀釋與導電性.doc 實驗五溶液的稀釋與導電性一目的藉由溶液的稀釋學習各式吸量管的操作, 並且測量稀釋溶液及未知濃度溶液的導電度, 以求得待測液的濃度圖 5-1 使用吸量管吸取溶液圖 5-2 Micropipet 圖 5-3 使用 Micropipet 吸取溶液圖 5-4 使用電導度計 - 1 - 二原理溶液的稀釋為由濃溶液中吸取若干毫升後, 加入去離子水稀釋以擴增溶液的體積, 稀釋前所取的濃溶液中溶質的毫莫耳數與稀釋液中溶質的毫莫耳數相等