Microsoft PowerPoint - CH 03-化學計量法

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1 第三章化學計量法 楊啟榮博士 教授 國立 Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University Tel: ; 本章大綱 3.1 原子量 平均原子量 例題 亞佛加厥數及元素的莫耳質量 例題 分子量 例題 質譜儀 3.5 化合物的百分組成 例題 由實驗上決定實驗式 分子式的測定 例題 化學反應及化學方程式 書寫化學方程式 平衡化學方程式 例題 反應物及產物的數量 例題 限量試劑 例題 反應的產率 例題

2 3.1 原子量 原子量和原子所擁有的電子數 質子數及中子數有關 我們無法稱量單一原子, 但由實驗上可測定一原子相對於另一原子的質量 國際公認原子質量 (atomic mass) ( 有時稱為原子重量 (atomic weight)) 的單位是原子質量單位 (atomic mass units (amu)) 3.1 原子量 一個原子質量單位定義為恰等於一個碳 -1 (C-1) 原子之質量的十二分之一的質量 一個碳 -1 原子為具有六個質子及六個中子的碳同位素, 因此碳 -1 的碳原子的質量為 1 amu, 可以作為測量其他元素原子質量的標準 實驗證明, 一個氫原子平均具有標準碳 -1 原子 8.400% 的質量 因此, 氫的原子質量一定為 amu 或 1.008amu 氧的原子質量為 amu, 而鐵的原子質量為 amu 因此, 雖然我們不知道鐵原子的平均質量為多少, 但是我們知道它大約為氫原子質量的 56 倍

3 平均原子量 大多數自然界存在的元素 ( 包含碳 ), 具有一個以上的同位素 這表示測量元素的原子質量時, 我們必須採用自然界中存在同位素混合物之平均質量 (average mass) 由於天然界所存在的碳, 碳 -1 比碳 -13 更多, 故平均原子質量更接近 1 amu 而不是 13 amu 當我們說碳的原子質量是 1.01 amu 時, 指的是平均值 如對個別碳原子而言, 其原子的質量為 amu (C-1) 或者為 amu (C-13), 絕對不是 1.01 amu ( 平均質量 ) 平均原子量 天然碳的平均原子質量 =(0.9890)( amu) +(0.0110)( amu) =1.01 amu 碳 -1 及碳 -13 同位素的天然含量

4 例題 3.1 ( 自行練習 ) 銅為古代就已經知道的金屬, 使用於電纜和錢幣及其他東西 它的二種安定同位素 63 及之原子 9Cu (69.09%) 65 9Cu(30.91%) 質量分別為 6.93 amu 及 amu 計算銅的平均原子質量 括弧內的百分率代表其相對含量 平均原子質量如下 : (0.6909)(6.93amu)+(0.3091)(64.978amu)=63.55amu 銅 (Copper) 3. 元素的莫耳質量及亞佛加厥數 化學所處理的樣品均含有巨大數目的原子, 因此化學家使用特殊的單位來描述很大數目的原子, 此即為莫耳單位 SI 制所定義的單位為莫耳 (mol), 它是含有基本實體 ( 原子 分子 或其他粒子 ) 之數目, 恰等於碳 -1 同位素 1 g ( 或 0.01 kg) 相同原子數 ( 即含有 個原子數 ) 之物質的量 真正的 1 g 碳 -1 同位素之原子數目由實驗上測定, 此數目稱為亞佛加厥數 (Avogadro s number,n A ) N A = 通常我們將亞佛加厥數四捨五入成 ( 重要!)

5 3. 元素的莫耳質量及亞佛加厥數 圖 3.1 若干一莫耳 ( 即含有 個原子或分子 ) 的常見的元素 碳 ( 黑色煤炭粉末 ), 硫 ( 黃色粉末 ), 鐵 ( 鐵釘 ), 銅 ( 電線 ), 及汞 ( 閃亮液態金屬 ) 3. 元素的莫耳質量及亞佛加厥數 經實驗測定瞭解, 一莫耳碳 -1 原子的質量恰為 1 g, 且含有 個原子 此碳 -1 的質量稱為其莫耳質量 (M) (molar mass), 定義為 1 mol 單位的物質 ( 如原子或分子 ) 之質量 ( 以克或公斤為單位 ) 注意碳 -1 的莫耳質量 ( 以克為單位 ) 在數值上等於其以 amu 為單位的原子質量 只要知道 ( 一個 ) 原子質量就可以知道莫耳質量 例如, 鈉 (Na) 原子的質量為.99 amu, 因此鈉的莫耳質量為.99 g; 磷原子的質量為 amu, 莫耳質量為 g

6 3. 元素的莫耳質量及亞佛加厥數 一個碳 -1 原子的質量是 1.00g 的碳 -1原子 -3 = x 10 g x 10 個碳 -1原子 使用上述的結果來決定原子質量單位 (amu) 和克 (g) 之間的關係 amu 1 amu 1-1 = 個碳原子 -3 gram 1個碳 -1原子 x 10 g 3 = amu 單位轉換因子 g 3 1g= amu 3 (1g 相當於 amu) 3 1amu = g (1amu 相當於 g) 3. 元素的莫耳質量及亞佛加厥數 圖 3. 元素質量 (m 以克為表示 ) 與莫耳數 (n) 莫耳數與原子數 (N) 間之關係 M 為元素的莫耳質量 (g/mol), N A 為亞加厥數 ( 重要公式! 要會活用!) 元素質量 (g) 莫耳數 = 莫耳質量 (g/mol) 元素原子數目 ( 個 ) 莫耳數 = 亞佛加厥數 ( 個 /mol) 元素質量 (g)= 莫耳數 (mol) 莫耳質量 (g/mol) 原子數目 ( 個 )= 莫耳數 (mol) 亞佛加厥數 ( 個 /mol)

7 例題 3. 鋅 (Zn) 是銀色金屬可用來製造黃銅 ( 和銅混合 ), 及鍍在鐵上以防止腐蝕 3.3 g 的 Zn 等於有多少莫耳? 策略 : 我們是要求得鋅的莫耳數, 我們需要哪一個轉換因子, 計算克與莫耳數之間換算? 安排適合的轉換因子, 使克的單位消除而得到我們答案的莫耳單位 解答 : 克與莫耳數之間的換算, 需要的轉換因子是莫耳質量 週期表中 ( 見封面內頁 ) 我們得到 Zn 的莫耳質量為 g, 由下式表示 : 1mol Zn=65.39g Zn 例題 3. 從此等式, 可寫出二個轉換因子 1mol Zn g Zn 和 g Zn 1mol Zn 左邊的轉換因子是正確的, 克的單位會消除而剩下答案的莫耳 鋅的莫耳數為 1molZn 3.3 g Zn = Zn mol Zn 因此 3.3 g 的 Zn 等於有 莫耳的 Zn 另解 : 質量 (g) 莫耳數 = 莫耳質量 (g/mol) 3.3 (g) = (g/mol) = mol

8 例題 3.3 硫 (S) 是一非金屬元素, 煤中含有硫, 煤燃燒後硫轉變成二氧化硫, 最終形成硫酸會增加酸雨的現象 在 16.3 g S 中含有多少 S 原子? 質量 (g) 16.3 (g) S 莫耳數 = = 莫耳質量 (g/mol) 3.07 (g/mol) = mol S 原子數 = 莫耳數 亞佛加厥數 = = S原子 mol 原子 /mol 3 例題 3.4 ( 自行練習 ) 莫耳質量 ( g/mol) 一個 Ag 原子重量 = 亞佛加厥數 ( 原子 /mol) = ( g/mol) 原子 ( /mol) = 原子 (g/ )

9 3.3 分子量 分子質量 (molecular mass) 有時稱分子量 (molecular weight) 是一個分子中所有原子質量 ( 單位用 amu) 的總和 我們需將每個組成元素的原子質量乘以該元素在分子內的個數, 然後求其總和 例如,H O 的分子質量 = 個 (H 的原子質量 ) + O 的原子質量 =(1.008 amu) amu = 18.0 amu 由分子質量可以計算分子或化合物的莫耳質量 化合物以克為單位的莫耳質量, 在數值上等於其一個分子以 amu 為單位的分子量 例如,H O 的莫耳質量 = 18.0 克一個 H O 分子的質量 = 18.0 amu 例題 3.5 ( 自行練習 ) 計算下列化合物的分子質量 ( 以 amu 表示 ): a. 二氧化硫 (SO ) b. 咖啡因 (C 8 H 10 N 4 O ) 解答 : a. SO 中有二個 O 原子和一個 H 原子, 所以 SO 的分子質量 =3.07amu+(16.00amu) =64.07amu b. 咖啡因中有八個 C 原子 十個 H 原子 四個 N 原子和二個 O 原子, 所以得到 C 8 H 10 N 4 O 的分子量為 8(1.01amu)+10(1.008amu)+(16.00amu)=194.0amu

10 3.4 質譜儀 最直接及最準確用於測定原子質量及分子質量的方法為質譜儀 (mass spectrometry) 質譜儀量測原理 : 氣態樣品在質譜儀中, 受到高能量電子流所撞擊 氣態原子 ( 或分子 ) 受電子撞擊放出電子而產生陽離子 ( 正離子 ) 當這些陽離子 ( 質量為 m, 電荷為 e ) 通過二個相反電極板時被加速, 離開電極板後, 離子再受到磁場作用偏斜形成圓形路徑, 路徑的半徑和電荷對質量的比 ( 即 e/m) 有關 圖 3.3 質譜儀圖解 3.4 質譜儀 具有小 e/m 的離子比那些具有大 e/m 的離子, 有較寬大的軌跡, 因此具有相等電荷但不同質量的離子就彼此分開 每一個離子的質量 ( 和其來源的原子或分子 ) 可從其偏斜程度來測定 因為它們抵達偵測器時, 各種離子會產生不同電流 ( 課文翻譯差 ) 所產生的電流量與離子的數目成正比, 故可以測定同位素的相對含量 (relative abundance)

11 圖 3.4 氖三種同位素的質譜 3.5 化合物的百分組成 質量的百分組成 (percent composition by mass) 是化合物中各元素所含的質量百分率 百分組成為各元素的質量除以 1 mol 化合物的莫耳質量乘以 100% 元素百分組成 = n 元素莫耳質量 100% 化合物莫耳質量 (3.1) n 是 1 mol 化合物中含有的元素莫耳量

12 強氧化劑 半導體 IC 製程清洗藥劑 3.5 化合物的百分組成 1 mol 過氧化氫 (H O ) 含有 mol H 原子和 mol O 原子 H O H 和 O 之莫耳質量分別為 34.0 g g 和 g 因此,H O 的百分組成可計算如下 : 過氧化氫 (H O ) ( 清洗矽晶圓的標準步驟 ) 去除有機物 比例與時間各家會有所差異 去除氧化膜 SiO 會沾水 Si 不沾水 去除微粒子與有機物 去除金屬 去除氧化膜 或是旋乾 (spinning dry) 相當重要!!

13 半導體 IC 製程鋁 (Al) 蝕刻液 例題 3.8 磷酸 (H 3 PO 4 ) 為無色 黏稠狀液體, 常使用於清潔劑 肥料及牙膏中 它也是碳酸鹽飲料 強烈 氣味的成分 試計算此化合物的 H P 及 O 的百分組成 3(1.008 g) %H = H g PO H g P %P = g H3PO 4 4(16.00 g) O %O = g H PO 磷酸莫耳質量為 g % = 3.086% 100% = 31.61% 100% = 65.31% 磷酸 (H 3 PO 4 ) 3.5 化合物的百分組成 化合物的質量百分率為已知, 我們可決定化合物的實驗式 ( 圖 3.5) 因為我們處理百分比與各百分比的總和, 也就是 100 %, 所以為方便起見, 我們假設以 100 g 的化合物開始進行 圖 3.5 由百分組成計算實驗式的步驟

14 例題 3.9 抗壞血酸 ( 維生素 C) 可治療壞血病 其質量百分組成為 40.9% 碳 (C) 4.58% 氫 (H) 和 54.50% 氧 (O) 決定其實驗式 算出各元素 mol 數

15 3.6 由實驗上決定實驗式 化合物的實驗式可以用實驗方式決定 其步驟如下 : 1. 首先化學分析測定已知量的化合物中所含各元素的克數. 將克為單位的量換算成元素的莫耳數 3. 再使用例 3.9 中的方法決定化合物的實驗式 當乙醇在裝置中燃燒, 將放出二氧化碳 (CO ) 和水 (H O) 因為導入的氣體不含 C 也不含 H, 可知 C 和 H 均存在於乙醇中, 也可能含有氧 (O) ( 燃燒過程中加入分子氧, 但是氧也可能來自乙醇樣品 ) 3.6 由實驗上決定實驗式 CO 的 mol 數 CO 的 mol 數 = C 的 mol 數

16 算出各元素 mol 數 乙醇之分子式與實驗式正好相同 乙醇的實驗式依化合物之組成元素的分析來決定 但實驗式無法知道在化合物中原子如何連結在一起 分子式的決定 由質量百分組成的數據所計算的化學式為實驗式, 因為化學式中的係數是減少至最小整數 欲求得分子式, 除了知道其實驗式之外, 我們還必須知道化合物的近似莫耳質量 瞭解化合物的分子式, 莫耳質量必需是實驗式之莫耳質量的整數倍數, 我們能利用莫耳質量求得實驗式 分子式 = ( 實驗式 ) n n為正整數

17 例題 3.11 化合物樣品含氮 1.5 g N 及 3.47 g O 已知此化合物的莫耳質量介於 90 g 和 95 g 之間 求化合物的分子式及其正確莫耳質量 策略 : 求得分子式之前, 我們首先必需求得實驗式 我們應如何轉換克數和莫耳數? 比較實驗式之莫耳質量和實驗測定之莫耳質量, 就可以透露出實驗式與分子式之間的關係 分子式 = ( 實驗式 ) n n為正整數 分子式莫耳質量 = ( 實驗式莫耳質量 ) n n為正整數 例題 3.11 解答 : 已知 N 與 O 的克數, 運用莫耳質量為轉換因子, 轉換每元素的克數成為莫耳數 令 n 代表每一元素的莫耳數, 則寫成 nn = 1.5 g N 1molN = mol N 14.01g N no = 3.47 g O 1molO = 0.17 molo g O 因此得到化合物的化學式為 N O 0.17, 可以顯示各元素和比例, 但是化學式都以整數表示 試以較小的下標 0.108, 來除各下標求得整數 四捨五入後, 我們得到實驗式為 NO

18 例題 3.11 分子式將等於實驗式或其整數倍 比較莫耳質量與實驗式莫耳質量的比例, 就可以顯示出實驗式與分子式之間的整數關係 實驗式 NO 之莫耳質量為 實驗式的莫耳質量 =14.01g+(16.00)=46.0g 其次, 我們測定莫耳質量與實驗式莫耳質量的比例為 近似莫耳質量實驗式的莫耳質量 95 g = = g 莫耳質量是實驗式莫耳質量的二倍, 因此在每一分子的化合物中, 有二個 NO 單元, 故分子式為 (NO ) 或 N O 化學反應及化學方程式 化學反應 (chemical reaction) 是單一物質 ( 或多重物質 ) 變化成為另一個或多個新物質的過程 化學方程式 (chemical equation) 使用化學符號來表示化學反應所發生的變化

19 書寫出化學方程式 氫氣 (H ) 在空氣中 ( 含有氧,O ) 燃燒形成水 (H O) H +O H O (3.) 式中 + 號表示 與什麼反應, 而 號意指 產生, 箭頭方向表示反應方向 此符號的式子可讀成 分子氫與分子氧反應產生水 式 (3.) 是不完整的, 因為在矢號左邊有二個氧原子, 而右邊有一個氧原子 ( 左邊為右邊的二倍 ) 為了符合質量守恆定律, 矢號二邊各類型原子之數目必須相同 ; 也就是說, 在反應後與反應前, 原子的數目不變 書寫出化學方程式 在 H 及 H O 前面加入適當的係數 ( 此例子為 ), 就可以平衡式 (3.): H +O H O 當係數為 1 時 ( 如此例 O ), 可省略 圖 3.7 代表氫燃燒的三個方式 根據質量守恆定律, 方程式二邊各類型原子的數目必定相同

20 書寫出化學方程式 三種方程式的詮釋方式 : 1. 二個氫分子可與一個氧分子化合或反應形成二個水分子. mol 氫分子與 1 mol 氧分子化合產生 mol 水分子 克的 H 與 3.00 克的 O 反應, 產生 克的 H O 書寫出化學方程式 方程式 (3.) 中的 H 及 O 稱為反應物 (reactants), 為化學反應中的起始物質 水則是生成物 (product), 它是化學反應結果所形成的物質 化學方程式, 是化學家描述反應的速記法 在化學方程式中, 按照慣例反應物寫在左邊, 而產物寫在矢號的右邊 : 反應物 生成物 為了提供更詳細的資料, 化學家使用字母,g l s aq 來分別表示反應物的物理狀態為氣態 液態 固態和溶液

21 平衡化學方程式的步驟 ( 重要!) 1. 確認所有反應物及產物, 且以其正確的化學式分別寫在反應的左邊及右邊. 嘗試以不同係數開始平衡方程式, 使方程式兩邊各元素原子數目相同 係數可以改變 ( 在化學式前方的數字 ) 但是不可改變下標 ( 在化學式內的數字 ) 改變下標將改變物質 3. 首先觀察那些在方程式各邊僅出現一次而原子數在各邊是相同的元素 : 含有這些元素之化學式必定要有相同的係數 因此, 在此刻不需要調整這些元素的係數 其次, 觀察那些在方程式各邊只出現一次但不相同原子數之元素, 平衡這些元素 最後平衡在方程式同一邊出現於二個或以上化學式中的那些元素 4. 核對你已平衡的方程式, 確定在方程式矢號二邊, 各類型原子之總數是相同的 平衡化學方程式 實驗室中少量的氧氣可用加熱氯酸鉀 (KClO 3 ) 來製備 產物為氧氣 (O ) 及氯化鉀 (KCl) 步驟 1: KClO 步驟 : KClO Δ 3 KCl+O 3 步驟 -1: KClO KCl+ O 步驟 3: Δ 3 Δ 3 KCl+3O Δ 3 KClO KCl+3O (3.3) 注意用於平衡方程式的係數為最小的一組整數

22 平衡化學方程式 考慮天然氣乙烷 (C H 6 ) 在氧中或在空氣中燃燒產生二氧化碳 (CO ) 及水的反應 步驟 1: 步驟 : 步驟 3: 步驟 4: 步驟 5: 例題 3.1 當金屬鋁曝露於空氣中, 會在其表面形成一層氧化鋁 (Al O 3 ) 的保護層, 此層可防止鋁與氧作進一步的氧化, 這就是為何鋁製飲料罐不會腐蝕的原因 [ 鐵的例子則是鐵鏽或是氧化鐵形成太多的孔隙, 因此無法保護之下的金屬鐵, 會繼續鏽蝕 ] 寫出形成 Al O 3 的平衡方程式

23 例題 3.1 解答 : 未平衡的方程式是 Al+O Al O 3 已平衡之方程式兩邊各元素原子數目必定相同, 我們看到反應物那邊只有一個 Al 原子, 而產物那邊有二個 Al 原子, 我們可在反應物那邊的 Al 之前放置係數, 來平衡方程式 Al+O Al O 3 3 Al + O AlO3 3 ( Al + O AlO3) 4 Al + 3O Al O 反應物及產物的數量 在化學實驗室會提出的基本問題是 : 知道起始物質 ( 即反應物 ) 的量, 則會形成多少量的產物?, 或是 需要使用多少量的起始物質以得到特定量的產物? 為了說明反應的定量關係, 需要應用莫耳量及莫耳的觀念 化學計量 (Stoichiometry) 為化學反應中的產物和反應物的定量研究 使用莫耳數計算在一反應中所形成產物的量之方法稱為莫耳法 (mole method) 此方法簡單的說是將化學方程式中的化學計量係數可視為各物質的莫耳數

24 10.7 g 一氧化碳在空氣中燃燒, 完全反應時形成二氧化碳幾克? 反應所耗掉氧氣的質量克數? 步驟 1: 寫出平衡方程式 步驟 : 寫出適當係數比例 ( 即莫耳數比例 ) mol 8.01 = 步驟 3: 求出已知莫耳數 x x = 0.38 mol CO O 莫耳數 = 0.191mol 步驟 4: 依比例關係求出未知莫耳數 g CO質量 = 0.38mol =16.8克 mol g O質量 = 0.191mol 3 =6.11克 mol 3.8 反應物及產物的數量 ( 重要 ) 已知量 未知量 化學方程式係數比例關係 圖 3.8 莫耳法 首先將反應物 A 的數量 ( 克或其他單位 ) 轉換成莫耳數, 其次使用從平衡的方程式中 A 與 B 的莫耳數比, 來計算產生的生成物 B 的莫耳數, 最後將生成物的莫耳數轉換成生成物的克數 步驟 5: 轉換成題意所求項目

25 例題 3.13 我們所吃的食物被消化或分解後, 提供身體生長及功能所需的能量 對此複雜的程序, 可用一個總方程式來表示分解成二氧化碳 (CO ) ( 分子量 g) 及水 (H O): C 6 H 1 O 6 +6O 6CO +6H O 如果一人吃掉 856 g C 6 H 1 O 6 後, 經過一段時間在身體中被消耗, 問產生多少質量的 CO? 葡萄糖 (C 6 H 1 O 6 ) ( 分子量 180. g) 例題 3.13 解答 : C 6 H 1 O 6 + 6O 6CO + 6H O 步驟 1: 寫出平衡方程式 1 6 步驟 : 寫出適當係數比例 步驟 3: 求出已知莫耳數 ( 即莫耳數比例 ) 856 = y y = = 8.5 mol CO 步驟 4: 依比例關係求出未知莫耳數 g CO質量 = 8.5 mol =154.克 mol 3 = 克步驟 5: 轉換成題意所求項目

26 例題 3.14 ( 自行練習 ) 解答 : Li + H O LiOH + H ( s) ( l) ( aq) ( g ) 1 z z = 4.91 = 9.8 mol Li g Li質量 = 9.8 mol =68.1克 mol = 4.91 mol 較昂貴試劑限量試劑 3.9 限量試劑 A( 用完 ) + B( 過剩 ) C+ D 過量試劑 C 與 D 的產量由限量試劑的量決定 化學反應時, 反應物通常不是恰好依化學計量之量 (stoichiometric amounts) 化學計量之量就是依平衡方程式所指示的比例 反應的最大目的在於產生最大量有用化合物, 因此反應時為了使較昂貴之試劑能夠完全反應, 常會使用過量的另一個試劑, 其結果是反應結束後, 其中一個試劑過剩 在一個反應中首先被用完的反應物稱為限量試劑 (limiting reagent), 因為所形成最大量的產物依此限量試劑的量而定 當此反應物被用完時, 不再有產物形成 其他的反應物的量大於與限量試劑反應所需要的量, 稱為過量試劑 (excess reagents)

27 3.9 限量試劑 過剩者 圖 3.9 反應起始前, 有八個分子 NO 與七個分子 O, 反應後 NO 全部用完而只剩下與三個分子 O, 因此限量試劑為 NO, 過量試劑為 O 此反應的每個分子也能當作 1 莫耳物質 造成生成物較少者, 即為限量試劑 因為 NO 所產生的 NO 比 O 少, 故 NO 為限量試劑,O 為過量試劑

28 例題 3.15 尿素 [(NH ) CO] 由氨與二氧化碳反應製備而成 : NH ( g) CO ( g) ( NH ) CO( aq) + H O( l) g NH 3 與 114 g CO 反應 a. 二個反應物, 那一個是限量試劑? b. 計算所形成 (NH ) CO 的質量 c. 在反應結束後, 剩下多少克的過量試劑? 尿素 (NH ) CO a. 策略反應物中產生較少的生成物莫耳數的是限量試劑, 因為它限制生成物的生成量 例題 3.15 解答 (a): 二個反應物, 那一個是限量試劑? 首先,637. g NH 3 的轉換是 NH 3 克數 NH 3 莫耳數 (NH ) CO 莫耳數 1 mol NH3 1 mol (NH ) CO (NH ) CO 的莫耳數 = 637. g NH 3 x g NH3 mol NH3 = mol (NH ) CO 其次, 對於 114 g CO 的轉換是 CO 克數 CO 莫耳數 (NH ) CO 莫耳數 1 mol CO 1mol (NH ) CO (NH ) CO 的莫耳數 = 114 g CO x 114 g CO 1mol CO = 5.95 mol (NH 因為 NH 3 產生較少的 (NH ) CO, 因此 NH 3 必定為限量試劑 ) CO

29 例題 3.15 b. 策略我們在 (a) 小題算出, 以 NH 3 為限量試劑能產生 (NH ) CO 的莫耳數, 應如何將莫耳數轉換成克數? 解答 (b): 計算所形成 (NH ) CO 的質量 (NH ) CO 的莫耳質量是 g 我們使用此為轉換因子, 由 (NH ) CO 的莫耳數轉換成 (NH ) CO 的克數 g (NH) CO (NH) CO 的質量 = mol ( NH ) CO x 1mol (NH ) CO = 114 g (NH ) CO 例題 3.15 c. 策略以 NH 3 為限量試劑所產生的 莫耳 (NH ) CO, 求出所需要的 CO 的莫耳數, 再將莫耳數轉換成克數 初始 CO 的質量減反應所需 CO 的質量, 即為剩餘量 解答 (c) : 在反應結束後, 剩下多少克的過量試劑? (NH ) CO 莫耳數 CO 莫耳數 CO 克數 CO 反應的質量 = mol (NH = 83.4 g CO ) 剩餘 CO 的量 ( 超過的量 ) 是起始量 (114 g) 與反應量 (83.4 g) 之差 : 剩餘 CO 的質量 = 11.4 g g = 319 g CO x 1mol CO 1mol (NH x ) CO 44.01g CO 1mol CO

30 3.10 反應的產率 在反應開始時所存在限量試劑的量, 決定反應的理論產率 (theo-retical yield), 亦即如果所有的限量試劑都完全反應時所得到產物的量 因此理論產率是可得到的最大產率, 由平衡方程式來預測 事實上, 所得到的產物之量永遠小於理論產率 因此化學家們定義實際產率 (actual yield) 為實際上由反應結果所得到產物的量 3.10 反應的產率 欲決定一已知反應的效率如何, 化學家們往往使用百分產率 (percent yield) 的數字表示, 它係實際產率對理論產率的百分比 實際產率產率 % = 100% 理論產率 實際產率和理論產率間的差異有許多原因 例如, 許多反應是可逆的, 故它們不能 100% 由左向右進行 即使當反應是 100% 完全反應, 它也很難將所有產物由反應介質中收回 ( 例如, 由水溶液中 ) 有一些反應是複雜的, 所形成的產物可能進一步與它們本身或與反應物反應而形成其他產物 這些附加的反應將使第一個反應的產率減少

31 例題 3.16 鈦是一種輕 堅韌 耐腐蝕的金屬, 使用於火箭 飛機 噴射引擎及腳踏車骨架 它是由氯化鈦 (IV) 與熔融的鎂在溫度 950 及 1150 間反應而得 : TiCl ( g) + Mg( l) Ti( s) + MgCl ( l) 4 工業製作中, g TiCl 4 與 g Mg 反應 a. 用克表示 Ti 的理論產率 b. 如果實際上得到 g Ti, 計算其百分產率 由鈦製成的腳踏車之骨架 例題 3.16 a. 策略因為有二個反應物, 較有可能是屬限量試劑類型的題目 反應物產生比較少的生成物者即為限量試劑, 我們應如何從反應物的數量轉換成生成物的數量? 進行每一個反應物的計算, 然後比較生成物 Ti 產生的莫耳數 解答 (a) : 用克表示 Ti 的理論產率分別進行二個計算, 瞭解哪個反應物為限量試劑 首先計算若 3.54 x 10 7 g 的完全反應而產生 Ti 的莫耳數 TiCl 4 克數 TiCl 4 莫耳數 Ti 莫耳數

32 例題 3.16 所以 Ti 的莫耳數 = 其次, 我們計算從 1.13 x 10 7 g 的 Mg, 而產生 Ti 的莫耳數, 轉換步驟是 Mg 克數 Mg 莫耳數 Ti 莫耳數 寫成 gticl = mol Ti 7 Ti 的莫耳數 = g Mg mol TiCl g TiCl 1 mol Mg 1mol Ti x 4.31 g Mg mol Mg 4 1mol Ti x 1mol TiCl 5 =.3 10 mol Ti 4 例題 3.16 因此 TiCl 4 是限量試劑, 因為它形成較少量的 Ti 產生成 Ti 的質量為 g Ti mol Ti = 8.95 x 10 g Ti b. 策略 1 mol Ti 在 (a) 小題算出 Ti 的質量是理論產率,(b) 小題給的質量是反應的實際產量 解答 (b) : 如果實際上得到 g Ti, 計算其百分產率

33 例題 3.16 練習題 工業上, 釩金屬用於鋼合金, 釩可由氧化釩 (V) 與鈣在高溫反應而得到 : 5Ca + V O 5CaO + V g V O 5 與 g Ca a. 計算 V 的理論產率 b. 如果 V 實際產量 803 g, 計算產率 -65-

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