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 -
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 = -13.6 Kcal/mol = -56.9 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 -
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 4.184 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 -
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 ) = -3 10 --- 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 -
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 -
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 -
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 -
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 -
六 數據與結果.. Part A..冷水 熱水混合 1. 冷水 : 熱水 : 2. 0 50 100 150 10 60 110 160 20 70 120 170 30 80 130 180 40 90 140 3. 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 -
Part B 強酸 強鹼混合 1. NaOH (aq) : HCl (aq) : 2. 0 50 100 150 10 60 110 160 20 70 120 170 30 80 130 180 40 90 140 3. 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 - 10 -
Part C 弱酸 強鹼混合 1. NaOH (aq) : CH 3 COOH (aq) : 2. 0 50 100 150 10 60 110 160 20 70 120 170 30 80 130 180 40 90 140 3 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 - 11 -
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 100 1.05 Ammonia 29.0 0.90 Hydrochloric acid 37.2 1.18 Nitric acid 70.5 1.42 Sulfuric acid 96.5 1.83 ( 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 - 12 -
(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? - 13 -
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 - 14 -
八 實驗心得與討論.. 誤差討論.. 心得.. - 15 -