第九章化學反應型式與溶液的計量 9.1 常見的溶劑 : 水 9.2 水溶液的性質 9.3 溶液的組成 9.4 化學反應的型式 9.5 沉澱反應 9.6 沉澱反應的再探討 9.7 沉澱反應的計量化學 9.8 酸鹼反應 9.9 氧化還原反應 9.10 氧化還原方程式之平衡 9.11 簡單的氧化還原滴定 1 緒言 水溶液 地球 (70%) 體液 (50 75%) 血液 (83% ) 腦 (83%) 肺 (90%) 骨頭 (22%) 糖溶於水 (?%) 金屬溶於水 (?%) 環境 污染 河川 自來水 地下水 2
Water is the solvent of Life! 3 4
地球高峰會十年會議, Rio +10 南非約翰尼斯堡, 2002 年 9 月 全球一百多位國家元首或政府領導人, 約三萬名各國代表與會, 為聯合國歷年來最大規模的高峰會議 五大主題 水資源 (Water Resource) 能源 (Energy) 健康 (Health) 農業 (Agricultural) 生物多樣性 (Biodiversity) 5 Chapter 1. Getting out of the box linking water to decisions for sustainable development Part 1. Understanding what drives the pressures on water Chapter 2. Demographic, economic and social drivers Chapter 3. Technological innovation Chapter 4. Policies, laws and finance Chapter 5. Climate change and possible futures 6
Part 2. Using water Chapter 6. Water s many benefits Chapter 7. Evolution of water use Chapter 8. Impacts of water use on water systems and the environment Chapter 9. Managing competition for water and the pressure on ecosystems 7 Part 3. State of the resource Chapter 10. The Earth s natural water cycles Chapter 11. Changes in the global water cycle Chapter 12. Evolving hazards and emerging opportunities Chapter 13. Bridging the observational gap Chapter 14. Options inside the water box 8
Part 4. Responses and choices Chapter 15. Options from beyond the water box Chapter 16. The way forward 2009 UNESCO 9 水資源網路特展 你知道一度自來水等於多少公升嗎? 500cc 木瓜牛奶 2000=1,000 公升 一公升 =1,000cc 你知道一度自來水要多少錢嗎? 一度水 =5 元 ~11.5 元 你知道一度自來水的體積有多大嗎? 你知道一度的礦泉水要多少錢嗎? 一度水體積 =1 立方公尺一公升 20 元 1000=20,000 元 你知道一度汽油要多少錢嗎? 一公升 17.1 元 1000=17,100 元 資料來源 : http://www.fg.tp.edu.tw/~e arth/learn/water/main.htm
黃河之水天上來, 地球之水何處來 我們取用方便的湖水和河水只佔全世界水量的 0.009%, 再加上日益嚴重的污染問題, 使得我們可以使用的水資源越來越少 生命的要素 ~ 水 人如果有充足的飲水和睡眠, 即使沒有食物, 生命也能維持二到三個星期 ; 但是如果失去身上 15% 的水分, 則會立即死亡 每人每天應該補充 2,000cc 的水, 才能維持我們身體的正常機能
地表上唯一三態並存的物質 地表上唯一三態並存的物質
小水滴的旅行 ~ 水循環 水與氣候 一個地區的氣候特徵, 是由許多的因素來決定的, 各個氣候因素之間的交互影響非常複雜 因此, 在進行氣候區的劃分時, 不可能考慮或包括所有的氣候要素, 只能根據人類的活動要求或是生產的目的, 採用不同的區劃指標 對人類活動和生產建設影響較大的氣候因素, 可概括分為熱力條件和水分條件二方面 因此一般的氣候區劃分, 都採用熱和水的特徵作為區劃指標, 最常用的熱量指標是溫度 ; 而降水量則是最簡單的乾濕水分指標 用降水量為基礎, 再配合蒸發量來作為氣候分類的方法, 雖然無法適用所有的氣候特徵, 但是卻可以提供一個快速的氣候分類概念, 因此氣候學家 Thornthwaite 在 1931 年就用有效降雨量 ( 即降水與蒸發的比值 ) 的概念, 依乾濕指數程度分為五種氣候區
台灣地區水資源的困境與因應之道 台灣是世界排名第十八位的缺水國家 因應對策? 都市化效應及濫墾濫伐 降雨型態的改變
省水 36 計 節流 可分為兩方面來說 : 一是 減少使用 ; 一是 再利用 減少使用是指藉由改變用水方式或習慣, 減少用水的次數或用水的數量 例如 : 減少洗車的次數或改用噴霧方式的水龍頭, 避免洗車時水不停地流失 再利用則是指有計畫的將使用過的水, 加以儲存或簡易處理後再度使用 例如 : 洗菜後的水可以用來沖馬桶或拖地板, 或是有計畫的儲存雨水用來澆花等 http://www.envi.org.tw/watercalculator.aspx Water footprint 水足跡
http://wqshow.epa.gov.tw/ 21 水 : 9.1 常見的溶劑 : 水 H 2 O 極性 有效溶劑 調解地球溫度 冷卻, 生活必需品 22
溶劑 ( 水 ) 的溶點 沸點 汽化熱 23 非共價鍵氫鍵離子交互作用 ( 靜電吸引力 ) 疏水性交互作用凡得瓦爾力 24
25 鹽類在水中溶解的過程 NH 4 NO 3(s) NH + 4 (aq) + NO - 3 (aq) NaCl, AgCl H 2 O NaCl (s) Na + (ag) + Cl (ag) 26
27 相似溶於相似 媒體報導魚油可以溶解保麗龍, 意味著魚油與保麗龍性質相似? 28
溶液 = 溶質 + 溶劑 9.2 水溶液的性質 ( 量少者 ) ( 量多者 ) 離子晶體在水中之溶解度, 導電度 29 溶劑合焓 H soln = H1 + H2 + H3 30
溫度對溶解度之影響 31 Electrolytic Properties of Aqueous Solutions Electrolytes dissociate to produce ions. The more the electrolyte dissociates, the more ions it produces. 32
原理 水中導電度測定方法 比電導度可用來表示溶液的導電能力 導電力和溶液中的離子之有無, 離子濃度 活性 價數, 及離子間相對濃度有關, 和溶液的溫度也有關係 33 導電度 (Conductivity) 為將電流通過 1cm2 截面積, 長 1cm 之液柱時電阻 (Resistance ) 之倒數, 單位為 mho / cm, 導電度較小時以其 10 3 或 10 6 表示, 記為 mmho / cm 或 μmho / cm 導電度之測定需要用標準導電度溶液先行校正導電度計後, 再測定水樣之導電度 34
有機農業灌溉水質及土壤 有機質肥料之重金屬容許量標準 重金屬項目灌溉水質土 (mg/kg) 有機質肥料 (mg/kg) 砷 (As) 0.05(mg/l) 15 50 鎘 (Cd) 0.01(mg/l) 0.39 5 鉻 (Cr) 0.1(mg/l) 10 150 銅 (Cu) 0.2(mg/l) 20 100 汞 (Hg) 0.002(mg/l) 0.39 2 鎳 (Ni) 0.2(mg/l) 10 25 鉛 (Pb) 0.1(mg/l) 15 150 鋅 (Zn) 2.0(mg/l) 25 800 酸鹼度 電導度 6.0~9.0(pH) 750 (μmho/cm, 25 ) 工業廢水中導電度偏高的原因? 35 電解質之分類 強電解質 溶解度高, 完全解離 可溶解之鹽類 (BaCl 2 ), 強酸 (HCl), 強鹼 (NaOH) 弱電解質 部分解離 CH 3 COOH,NH 3 非電解質 不會解離 C 6 H 12 O 6 36
Is it a strong electrolyte, a weak electrolyte, or a nonelectrolyte? Strong electrolytes include: Strong acids (HCl, HBr, HI, HNO 3, H 2 SO 4, HClO 4 ) Strong bases (IA and IIA hydroxides) Most water-soluble ionic compounds Weak electrolytes include: Weak acids and weak bases A few ionic compounds Nonelectrolytes include: Most molecular compounds Most organic compounds (most of them are molecular) How do we tell whether an acid (or base) is weak? 37 電解質之分類 38
水中溶氧 溶解於水中的氧量, 是評估水體品質的重要指標之一 水質愈純淨 溶氧愈達飽和, 愈適合多種魚類生存 若水中存在較多的耗氧物質, 例如有機物或營養鹽, 有機物分解或微生物大量生長, 都會消耗水中溶氧, 造成溶氧降低, 甚至呈缺氧狀態, 導致魚類死亡 水質發臭 39 水中 溶氧過飽和 水中溶氧來自大氣中氧氣, 飽和溶氧 為達到自然平衡狀態時溶入水中的最大溶氧量 自然水體, 可能會因跌水曝氣 水生植物行光合作用等, 使水中溶氧增加, 接近飽和 達飽和或過飽和 若溶氧太高 飽和度超過 130% 時, 可能是水中營養鹽 ( 碳 氮 磷 ) 豐富, 水生植物過度生長 水中光合作用旺盛產生氧所造成, 反而是水質惡化的警訊 40
41 9.3 溶液的組成 ( 體積 ) 莫耳濃度,M (Molarity) 一升溶液中, 所含溶質的莫耳數 M= n ( 溶質莫耳數 ) v ( 溶液的體積 ) 42
標準溶液的配製流程圖 43 稀釋 w 1 =w 2 n 1 = n 2 M 1 V 1= M 2 V 2 H 2 SO 4 0.10M 1.5L 16M?mL 44
沉澱反應 酸鹼反應 氧化還原反應 9.4 化學反應的型式 45 9.5 沉澱反應 形成固體生成物為化學反應的驅動力之一, 此過程稱為沉澱 (precipitation), 形成的固體為沉澱物 (precipitate), 此一反應即為沉澱反應 (precipitation reaction) Ba 2+ (aq), NO 3 (aq) K + (aq), CrO 2 4 (aq) KNO 3? BaCrO 4 46
9.5 沉澱反應 Na + (aq), Cl (aq) Ag + (aq), NO 3 (aq) NaNO 3? AgCl 47 Silver Iodide Precipitation A solution containing silver ions and nitrate ions, when added to a solution containing potassium ions and iodide ions, forms a precipitate of silver iodide. What is the net ionic equation for the reaction that has occurred here? (Hint: what species actually reacted?) 48
水中混合陰陽離子的沉澱預測 49 預測沉澱反應之發生 50
51 分子方程式 9.6 沉澱反應的再探討 K 2 CrO 4 (aq) + Ba(NO 3 ) 2 (aq) BaCrO 4 (s) + 2KNO 3 (aq) 完全離子方程式 2K + (aq) + CrO 4 2 (aq) + Ba 2+ (aq) + 2NO 3 (aq) BaCrO 4 (s) + 2K + (aq) + 2NO 3 (aq) 淨離子方程式 CrO 4 2 (aq) + Ba 2+ (aq) BaCrO 4 (s) 52
9.7 沉澱反應的計量化學 計算沉澱反應中各物種間量的關係 預測反應如合發生 寫出淨離子方程式 算出反應物的莫耳數 決定限量試劑 算出生成物的莫耳數 將產物換算成所需之量, 如 g ml M 0.10 M AgNO 3(aq) 1.50 L, NaCl (s)?g 53 A Precipitation Titration with silver nitrate solution. the next drop of Ag + solution produces brick-red silver dichromate. An unknown concentration of chloride ion is being titrated The indicator is orange dichromate ion; white AgCl precipitates. When the chloride has reacted completely 54
沉澱重量法的分析過程和對沉澱的要求 55 常用重量分析法 被分析物沉澱形稱量形 Mg 2+ MgNH 4 PO 4 6H 2 O Mg 2 P 2 O 7 PO 4 3- MgNH 4 PO 4 6H 2 O Mg 2 P 2 O 7 Ba 2+ BaSO 4 BaSO 4 SO 2-4 BaSO 4 BaSO 4 Ca 2+ CaC 2 O 4 2H 2 O CaCO 3 /CaO Cu 2+ Cu 2 (SCN) 2 Cu 2 (SCN) 2 SCN - Cu 2 (SCN) 2 Cu 2 (SCN) 2 Pb 2+ PbSO 4 PbSO 4 X - (Cl,Br,I) AgX AgX K + KB(C 6 H 5 ) 4 KB(C 6 H 5 ) 4 56
9.8 酸鹼反應 57 9.8 酸鹼反應 探討酸鹼容量分析的計算 寫出反應前各離子存在情形, 及預測反應之發生 寫出淨離子反應方程式 算出各反應物的莫耳量 決定限量試劑 算出生成物的莫耳數 將生成物換算成所需之量, 如 g ml M 0.350 M NaOH (aq) 25 ml, 0.100 M HCl (aq)?ml 58
酸鹼滴定 59 酸鹼滴定 利用已知濃度的酸或鹼來滴定未知濃度鹼或酸的方法稱酸鹼滴定 酸鹼滴定所使用的標準溶液通常為強酸或強鹼酸鹼滴定達當量點時, 酸的當量數等於鹼的當量數 N a 和 N b 分別表示酸和鹼之當量濃度 V a 和 V b 分別表示酸和鹼之體積酸鹼滴定常用的指示劑 : 強酸與弱鹼之滴定, 如甲基紅 甲基橙強鹼與弱酸之滴定, 如酚酞 茜素黃 R 弱鹼與弱酸之滴定, 如石蕊 溴瑞香草藍強酸與強鹼之滴定, 則可選用任一種適當指示劑 酸鹼滴定裝置 60
61 0.1 N 的 NaOH 溶液滴定 0.1 N 25 ml 的 HCl 溶液 62
An Acid Base Titration A measured portion of acid solution is placed in the flask, and an indicator is added. Base solution of known concentration is slowly added from the buret. When the indicator changes color, we have added just enough base to react completely with the acid. 63 Titration calculations are not new to us. We simply apply the method of stoichiometry calculations (that we have already done) to the titration. Titration calculations for acid base, precipitation, redox, and other types of titrations are very similar. Recall that the objective of a titration is to determine the number of moles, or the number of grams, or the percentage, or the concentration, of the analyte. 64
9.9 氧化還原反應 涉及電子轉移的反應 2Na (S) + Cl 2(g) 2NaCl (s) 日常生活中常有見此類反應 氧化數 原子間鍵結成化合物時各原子所需的電荷數 氧化 失去電子 or 氧化數升高 還原 獲得電子 or 氧化數降低 65 A Redox Reaction: Electrons are transferred from Mg metal to Cu 2+ ions and Mg + Cu 2+ Mg 2+ + Cu the products are Cu metal and Mg 2+ ions. 66
置換反應 金屬活性大的元素與金屬活性小的元素之離子態可進行化學性置換反應 67 9.11 簡單的氧化還原滴定 能產生一當量氧化數之變化或進行一當量電子轉移所需要的氧化劑或還原劑之重量稱為克當量 氧化還原滴定達當量點時, 氧化劑的當量數等於還原劑的當量數 N O 與 N R 分別表示氧化劑與還原劑之當量濃度 V O 與 V R 分別表示氧化劑與還原劑之體積 68
Deep-purple MnO 4 is the titrant A Redox Titration and Fe 2+ is being titrated. During titration, Mn 2+ and Fe 3+ (nearly colorless) are produced. After the Fe 2+ has been consumed, the next drop of MnO 4 imparts a pink color. 69 離子液體 Ionic Liquids (IL) are salts with a melting temperature below the boiling point of water (100 C) 離子液體為熔點低於水沸點 (100 C) 的鹽類 Room temperature Ionic liquids (RTIL) are salts which are already liquid below room temperature 室溫離子液體為低於室溫時為液體的鹽類 IL consist only of ions 離子液體僅由離子組成 70
無機鹽類對有機鹽類 NaCl (mp 801 C) BMIm PF 6 (mp 79 C) Principle is to use large, non-symmetrical ions Lower lattice energy 71 設計家溶劑 彈性選擇官能基以製備離子液體 Alkylammonium Alkylphosphonium Alkylnitride N,N -dialkylimidazolium N-alkylpyridinium Organic cation Halide-based (Cl -, Br -, F - ) Halogeno-based (BF 4 -, PF6 - ) Halogenoaluminium(III) anion NO 3 -, ClO 4 -,HSO 4 - SO 3 -, CF 3 SO 3 - (CF 3 SO 2 ) 2 N - (CF 3 SO 2 ) 3 C - 72
室溫離子液體 常見的陽離子及陰離子 [CF 3 COO] - [MS] - Pyridinium ion Ammonium ion [PF 6 ] - Phosphonium ion Imidazolium ion [BF 4 ] - [CH 3 SO 3 ] - 73 室溫離子液體表面的離子 [BMIM][CH 3 SO 3 ] [BMIM][MS] Ref: Ions at the Surface of a Room-Temperature Ionic Liquid Cherry S. Santos 74
室溫離子液體的性質與未來 Properties High thermal stability Negligible vapor pressure Good ionic conductivity Wide window of electrochemical stability Extraction Hexane Water [BMIM][PF 6 ] Electrochemistry Applications/Uses Solvents synthesis, catalysis Electrolytes electrochemistry, batteries, fuel cells, solar cells Gas-separation processes Ref: Ions at the Surface of a Room-Temperature I nic Liquid Cherry S Santos Catalysis (Ref: Mehnert, C. P. Chem. Eur. J. 2005, 11, 50-56) 75 離子液體的一般特性 Electrically conductive Very large electrochemical window up to 5.5 V (Water: 1.2 V) Extremely low vapor pressure Miscibility with water or organic solvents varies with sidechain lengths on the cation and with choice of anion Can act as acids, bases or ligands Chiral IL for chiral synthesis Very large liquidus ranges up to 400 C 76
綠色離子液體 第一代 第二代 Expensive in comparison with molecular solvents. Very few commercially available. Viscous Poorly biodegradable and potentially toxic. reduced viscosity. low cost. straightforward preparation from sustainable precursors. minimal toxicity and environmental impact. recyclability and biodegradability. 77 離子液體未來的應用 ] N. Plechkova, K. Seddon, Chemical Society Reviews, Vol. 37, 2008, p. 123-150 78
79 80
奇妙的碳世界 0D 1D 2D 3D BUCKYBAL L Robert F. Curl Harold W. Kroto Richard E Smalley 85 Nobel prize 96 碳奈米球 CARBON NANOTUB E Multi-wall 91 Single-wall 93 碳奈米管 GRAPHEN E Andre Geim and Konstantin Novoselov -2011 石墨烯 / 碳奈米片 GRAPHITE Borrowdale -1564 石墨 81 碳的奇妙世界 石墨烯為新近分離出的碳形式, 提供豐富的蘊藏以挖掘新穎基本物理和實際應用 82 82
平原中的更多空間 最後一句.. 石墨烯的非電子性質的研究才準備好, 這應帶來新現象可以好好維持, 如果不可能擴大, 石墨烯的繁榮 石墨烯的應用才準備跨出電相關領域 綠色能源相關之儲能應用如 : 超級電容器 鋰離子電池和燃料電池電極材料 太陽能電池等相關報導日益增多 ; 生醫領域之應用也逐漸開始有報導 維基百科提及石墨烯的應用包括 : 分子氣體偵測 石墨烯奈米帶 場效應管及其積體電路 透明導電電極 導熱材料 / 熱界面材料 場發射源及其真空電子器件 超級電容器 石墨烯生物器件 抗菌物質等九類, 與電相關領域最多 83 84
Schematic for the synthesis of SMG from GO obtained by Hummers method followed by one-pot microwave-assisted reduction and magnetization and safe drinking water applications 85 86
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