第四章 化學反應的型態與溶液的計量化學 (Solution Stoichiometry)
水 生命之必需是一種常用的溶劑 (solvent) 形成水溶液 (aqueous solution) 常以 (aq) 的下標表示例如 : Na + (aq)
結構 H δ H δ + δ + 105 o 高度極化的 H 鍵 氫帶部分正電荷 δ 帶部分負電荷 δ + 帶部分正電荷 整體而言 : 為一極性分子 (polar molecule) + 偶極距 (dipole) 的向量合 有時會以這種圖像表示之
當離子固體溶解於其中時 H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H Solvation shell ( 包溶層 )
當離子固體溶解於其中時 離子是被包溶的 (solvated), 有一包溶層將之包圍 例 : H 2 (l) NH 4 N 3(s) NH 4 + (aq) + N 3 (aq) 水易溶解極性物質但不易溶解非極性 (nonpolar) 物質
水溶液的性質 導電度 (electric conductivity) 1884 年阿瑞尼斯 (Arrhenius, 1859-1927; 1903 年諾貝爾獎 ) 在研究酸 鹼與鹽類水溶液的導電度後提出導電度是由於離子的存在 註 :van t Hoff (1901 Nobel prize); stwald (1909 Nobel prize) 非電解質 (nonelectrolyte) 弱電解質 (weak electrolyte) 強電解質 (strong electrolyte)
強電解質 可溶的鹽類 (salts) 強酸 NaCl HCl H 2 HCl H + (aq) + Cl (aq) H 2 HN 3 H 2 S 4 H + (aq) + N 3 (aq) H 2 2H + (aq) + S 4 2 (aq) 阿瑞尼斯定義酸為 : 任何溶於水中能產生 H + 離子的物質
強電解質 強鹼 NaH H 2 NaH Na + (aq) + H (aq) 氫氧離子 (hydroxide ion)
弱電解質 當溶於水中時只有微量的解離 例 : H 2 CH 3 CH (aq) H + (aq) + CH 3 C (aq) 醋酸醋酸根離子 ~1% 解離
濃度 (concentration) 莫耳濃度 (molarity) M = ( 溶質莫耳數 )/( 溶液的升數 ) (mol/l) 稀釋 (dilution) 使用工具 : 刻度吸量管 (graduated pipet) 定量吸液管 (volumetric pipet) 容量瓶 (volumetric flask)
化學反應常見的幾個基本型態 沉澱反應 沉澱反應酸鹼反應氧化還原反應 K 2 Cr 4(aq) + Ba(N 3 ) 2(aq) 產生一黃色沉澱 (precipitate; ppt) 2K + (aq) + Cr 2 4 (aq) + Ba 2+ (aq) + 2N 3 (aq) 可能組合 :K 2 Cr 4,KN 3,BaCr 4,Ba(N 3 ) 2 可溶 沉澱 K 2 Cr 4(aq) + Ba(N 3 ) 2(aq) BaCr 4(s) + 2 KN 3(aq)
對溶解度應有的基本認識 一些規則 硝酸鹽類 : 可溶 Na +,K +,NH + 4 之鹽類 : Cl 之鹽類 : 可溶 可溶 例外 : AgCl, PbCl 2, Hg 2 Cl 2 溶於熱水 硫酸鹽類 : 可溶例外 : BaS 4, CaS 4, PbS 4 H 之鹽類 : 微溶例外 : NaH, KH, Ca(H) 2 ( 邊緣 ) S 2, C 2 3, P 3 4 之鹽類 : 微溶
反應方程式 以分子型態表示例 :K 2 Cr 4(aq) + Ba(N 3 ) 2(aq) BaCr 4(s) + 2KN 3(aq) 以離子型態表示 2K + (aq) +Cr 4 2 (aq) +Ba2+ (aq) +2N 3 (aq) BaCr 4(s) +2K+ (aq) +2N 3 (aq) 淨離子反應 Cr 4 2 (aq) + Ba 2+ (aq) BaCr 4(s)
選擇性的沉澱 利用溶解度的不同以達分離的效果 例如 : 分離 Ag +, Ba 2+, Fe 3+ 的 (N 3 ) 溶液 AgCl (s) BaS 4(s) Ag +, Ba 2+, Fe 3+ NaCl (aq) Ba 2+, Fe 3+ Na 2 S 4(aq) Fe 3+ NaH (aq) Fe(H) 2(s) 紅棕色 黃色溶液 利用這種分離方法並鑑定離子為何 : 定性分析將所得之沉澱收集乾燥後秤重 : 重量分析 (gravimetric analysis)
酸鹼反應 1923 年布朗斯德與羅瑞 (Brønsted and Lowry) 定義酸為質子提供者鹼為質子接受者 例 : HCl + NaH H + (aq) + H (aq) H 2 (l) 例 : CH 3 CH (aq) + H (aq) CH 3 C (aq) + H 2 (l) 酸 + 鹼 新的酸 + 新的鹼 共軛 (conjugated) 酸鹼對
酸鹼反應 運用 : 酸鹼滴定 需要一個標準酸或標準鹼使用滴定管 (buret) 使用指示劑以決定滴定終點
氧化還原反應 此類反應有電子轉移發生 失去電子 : 氧化 (oxidation) 氧化態增加可用作還原劑 得到電子 : 還原 (reduction) 氧化態數降低用作氧化劑
決定氧化態數的規則 元素態的原子定為 0 例 : Na (s), 2(g), 3(g) 單一原子的離子氧化態即為其電荷數例 : Na + : +1 氫 : 與非金屬形成共價鍵時 +1 與金屬鍵結 1 氧 : 通常為但 2 2 2 1
決定氧化態數的規則 A B +1 1 電負度高者為 1 總電荷必需平衡 +1 H +1 H N H 3 H +1 +1 + 4(+1) + ( 3) = +1
有機化合物的規則 碳與一個電負度比碳低者結合 ( 如 H): 1 與另一個碳結合 : 0 與一個電負度比碳高者結合 ( 如 ): +1 將上述氧化數相加例 (+1) H (0) H 3 C C H ( 1) 0 CH 3 (0) (+1) + ( 1) + (0) + (0) = 0
有機化合物的規則 (+2) (0) (0) H 3 C C CH 3 +2 H 3 C H C H CH 3 H 3 C C CH 3 0 +2 氧化
非氧化還原反應 H 3 C C CH 2 H 3 C H 3 C C CH 2 H 3 C 0 2 2 H H + H 2 H 3 C C CH 2 CH 3 並非氧化還原 H H H 3 C C CH 2 CH 3 +1 3 2 無變化
此為氧化還原反應 還原 2 0 1 1 Br Br H 2 C CH 2 + Br 2 H 2 C CH 2 2 2 1 1 4 2 氧化
一種快速的認定法 一個反應會是氧化反應, 若 : 氧的數目增加或氫的數目減少 氧化 CH 3 CH 2 H CH 3 CH (C 2 H 6 ) (C 2 H 4 2 )
一種快速的認定法 一個反應會是還原反應, 若 : 氧的數目減少或氫的數目增加 H 3 C 還原 CH 2 H 3 C CH 3 CH 2 H 3 C H H (C 4 H 8 ) (C 4 H 10 )
一種快速的認定法 H 3 C CH 3 CH 2 H 3 C CH 2 H 3 C H H (C 4 H 8 ) (C 4 H 10 ) 氫增二, 氧增一 無變化
平衡氧化還原反應 直接尋求氧化價數與還原價數之變化的平衡 Mn 2(s) + Al (s) Mn (s) + Al 2 3(s) 1) 先掌握氧化與還原的部分 Mn 2 Mn +4 0 Al Al 2 3 0 +3 2) 氧化與還原的原子數先求得平衡 Mn 2(s) + 2Al (s) Mn (s) + Al 2 3(s)
3) 求取總價數變化的平衡 (+6) 0 +6 Mn 2 + 2Al Mn + Al 2 3 +4 0 ( 4) 3Mn 2(s) + 4Al (s) 3Mn (s) + 2Al 2 3(s) 4) 檢驗其它原子的平衡 氧原子左右均為 6 沒問題
半反應法 1) 先平衡氫氧之外的元素 2) 以 H 2 來補足氧 3) 以 H + 來補足氫 4) 以 e 來平衡電荷 例 CH 3 CH 2 H CH 3 CH 碳左右均相同 CH 3 CH 2 H + H 2 CH 3 CH CH 3 CH 2 H + H 2 CH 3 CH + 4H + CH 3 CH 2 H + H 2 CH 3 CH + 4H + 此為一氧化半反應 + 4e
半反應法 Cr 4 2 Cr 3+ Cr 已平衡 Cr 4 2 Cr 3+ + 4H 2 Cr 4 2 + 8H + Cr 3+ + 4H 2 Cr 4 2 + 8H + + 3e Cr 3+ + 4H 2 此為一還原半反應 淨反應 : 將兩個半反應的電子數平衡後相加 3CH 3 CH 2 H + 3H 2 3CH 3 CH + 12H + 4Cr 2 4 + 32H + + 12e 4Cr 3+ + 16H 2 + 12e 3CH 3 CH 2 H + 4Cr 4 2 + 20H + 3CH 3 CH + 4Cr 3+ + 13H 2
半反應法 例 Ag (s) + CN (aq) + 2(g) Ag(CN) 2 (aq) ( 鹼性條件 ) Ag (s) + 2CN (aq) Ag(CN) 2 (aq) + e 2(g) + 4H + (aq) + 4e 2H 2 (l) 4Ag (s) + 8CN (aq) 4Ag(CN) 2 (aq) + 4e 2(g) + 4H + (aq) + 4e 2H 2 (l) 4Ag (s) + 8CN (aq) + 2(g) + 4H+ (aq) 4Ag(CN) 2 (aq) + 2H 2 (l)
半反應法 4Ag (s) + 8CN (aq) + 2(g) + 4H+ (aq) 4Ag(CN) 2 (aq) + 2H 2 (l) 左右各加 4H 4Ag (s) + 8CN (aq) + 2(g) + 4H 2 (l) 4Ag(CN) 2 (aq) + 2H 2 (l) + 4H (aq) 淨反應 : 4Ag (s) + 8CN (aq) + 2(g) + 2H 2 (l) 4Ag(CN) 2 (aq) + 4H (aq)
氧化還原反應可用在滴定上 常用的氧化劑 KMn 4 K 2 Cr 2 7 Ce(HS 4 ) 4 Potassium permanganate Potassium dichromate Cerium hydrogen sulfate 在酸性條件下 Mn 4 (aq) + 8H + (aq) + 5e Mn 2+ (aq) + 4H 2 (l) 紫色無色被滴定的化合物在滴定時被消耗完全之後, 紫色就會出現