基礎化學 ( 一 ) - 1 - ch.4 張鑽銘編授 第四章常見的化學反應 4-1 反應的分類 一 分解型的反應 : 反應前 後, 化學物種由少變多的反應形式 例 : 1 1774 年, 卜利士力加熱分解紅色氧化汞固體 (HgO, 俗稱三仙丹 ) 首次製得氧 : HgO Hg + O ( s) ( l) ( g) 模擬火山爆發的實驗中, 將橙紅色的二鉻酸銨晶體置於坩堝中堆成金字塔, 在塔 頂加入少量的酒精, 點燃後火舌立刻竄出, 火花往四方噴灑, 還不斷冒出綠色灰 燼, 極像一座小火山 : (NH 4) CrO7( s) N( g) +4H O( g) +CrO3( s) ( 橙色 ) ( 綠色 ) 二 水溶液中結合型的反應 : 反應前 後, 化學物種由多變少的反應, 可視為分解型反應的 逆反應 例 : 1 鎂帶燃燒產生強光 強熱 : Mg( s) + O( g) MgO( s) 汞與氧化合 : Hg ( s ) + O ( g ) HgO ( s ) 4-1.1 水溶液中分解型的反應 - 電解質游離 1. 試驗水溶液的導電性質, 可以利用右圖中所示的裝 置, 觀察燈泡發亮情形 : 燈泡發亮即表示溶液能導電 ; 燈泡不亮, 則表示溶液不導電. 導電實驗結果 : 離子化合物的水溶液都能導電 ( 且導電時發生電解反應 ) 分子化合物的水溶液則大部 分不導電, 如糖 酒精 ; 部分能導電 ( 導電時亦發生電解反應 ), 如氯化氫 醋酸 氨 3. 1884 年阿瑞尼斯 (Arrhenius) 提出 電解質解離說 解釋為何部分化合物水溶液能導電 : 1 水溶液能導電, 乃因部分化合物在水中可游離出荷電粒子, 稱為 水合離子, 荷正電者為陽離子 ; 荷負電者為陰離子
張鑽銘編授 ch.4 - 基礎化學 ( 一 ) 水合作用會拉大離子間的距離, 脫離彼此之束縛, 而使得陽離子能向負極 ( 陰極 ) 移動, 陰離子能向正極 ( 陽極 ) 移動, 所以能導電 : 註 1 水分子本身有 電荷分布不均 現象, 靠近 O 原子一端較偏負電, 氫原子端較偏正電 因此陰 陽離子在水中因靜電引力會被水分子包圍, 稱為 水合作用 蔗糖和酒精等大部分的分子化合物溶於水中並不解離, 所以不導電 : 註 陽離子正電荷總量與陰離子負電荷總量相等, 故溶液呈電中性 ( 但陽離子數與陰離子數不一定相等 ) 4. 常見金屬離子水溶液的顏色 : 5. 電解質與非電解質 : (1) 電解質 : 水溶液能導電的化合物稱之 1 依物質結構分類 : a. 分子化合物 : 固態與液態時, 因其不能解離生成離子, 故不能導電 ; 水溶液時, 酸或氨分子溶於水會與水作用生成離子, 故能導電 b. 離子化合物 : 固態時, 陰 陽離子間以強的靜電引力吸引, 離子不能自由移動, 不能導電 ; 熔融態時, 晶體中陰 陽離子被拆散, 離子可自由移動, 故能導電 ; 水溶液時, 溶於水時會解離出可自由移動的帶電粒子, 當電流通入水溶液時,
基礎化學 ( 一 ) - 3 - ch.4 張鑽銘編授 帶負電的陰離子會游向正極, 帶正電的陽離子會游向負極, 因此構成通 路而導電 依物種分類 : a. 酸 : 屬於分子化合物, 例 :HCl HSO 4 CH 3 COOH 固態與熔融態不能導電, 必須在水溶液中才可導電 b. 鹼 : 由金屬離子與 OH 結合, 屬於離子化合物, 例 :NaOH Ca(OH), 固體不能導電, 在水溶液中及熔融態均可導電 NH 3 屬於分子化合物, 固態與熔融態不能導電, 必須在水溶液中才可導電 c. 鹽 : 由銨根或金屬離子和酸根或非金屬離子結合, 屬於離子化合物, 例 : NH4Cl (NH 4 ) SO 4 NaCl, 固體不能導電, 在水溶液中及熔融態均可導電 3 依導電性來分類 : a. 強電解質 : 在水溶液中, 幾乎完全解離者, 強酸 :HI HBr HCl HNO 3 HSO 4 ; 強鹼 :IA 和 IIA 的氫氧化物 (Li Be Mg 除外 ), 例 :NaOH Ba(OH), 鹽 :NaCl KNO 3 CaCl b. 弱電解質 : 在水溶液中僅小部分解離, 大部分以分子形態存在, 導電性弱 弱酸 ( 醋酸 ) 弱鹼 ( 氨 ) 註 3 水溶液中, 離子濃度愈大, 溶液的導電度愈大 例題 1 NaOH NH 4 Cl KNO 3 HI 都是強電解質 寫出其在水溶液中的化學反應式, 這些物質有何共通的性質? 這些物質中哪些是離子化合物? 哪些是分子化合物? 綜合練習 1. 下列那些可導電? 1 CH 3 COOH ( ); C H 5 OH (aq) ; 3 H SO 4(aq) ; 4 KBr (s) ; 5 NaCl (l).
張鑽銘編授 ch.4-4 基礎化學 ( 一 ) 3. 4. (Ans.1. 3 5 ;.BE ;3.C;4.A ) 4-1. 水溶液中結合型的反應 - 沉澱 1. 沉澱的意義 : 不同的兩種電解質溶液混合時, 陽離子與陰離子互相吸引, 若形成的化合 物在水中溶解度小, 則析出沉澱, 此稱為離子沉澱反應. 如 KI (aq) 和 AgNO 3(aq) 相混合 (1) 反應方程式 : KI (aq) + AgNO 3 (aq) AgI (s) 黃色沉澱 +KNO 3(aq) () 離子方程式 : K + (aq)+i - (aq)+ag + - (aq)+no 3 (aq) AgI (s) +K + - (aq)+no 3 (aq) (3) 淨離子反應式 : 將沒參與反應的離子去除的方程式, 又可稱為 主要離子反應式, Ag + (aq) +I - (aq) AgI (s) 3. 在鹽酸 氯化鈉 氯化鎂溶液中, 分別加入硝酸銀溶液, 皆產生相同的白色沉澱 三者之淨離子反應式皆為 Ag + (aq)+cl - (aq) AgCl (s) 白色沉澱, 因為 AgCl 為溶解度小的離子化合物, 而 HNO 3 NaNO 3 Mg(NO 3 ) 為溶解度大的 化合物 4. 無色的硝酸銀溶液與黃色的鉻酸鉀溶液混合, 會產生磚紅色的鉻酸銀沉澱 : AgNO +K CrO Ag CrO + KNO 3( aq) 4( aq) 4( s) 3( aq) 5. 氯化鋇溶液和硫酸鈉溶液混合之淨離子反應式為 : Ba + (aq)+so 4 - (aq) BaSO 4(s) 白色沉澱
基礎化學 ( 一 ) - 5 - ch.4 張鑽銘編授 - 此淨離子方程式可代表含 SO 4 (aq) 的化合物 [ 如 Na SO 4 K SO 4 MgSO 4 H SO 4 (NH 4 ) SO 4 Al (SO 4 ) 3 等 ) 和含 Ba + (aq) 的化合物 [BaCl Ba(NO 3 ) 等 ) 溶液混合之反應 例題 硝酸銀(AgNO 3 ) 溶液與鉻酸鈉 (Na CrO 4 ) 溶液反應生成磚紅色鉻酸銀 (Ag CrO 4 ) 沉澱 試寫出此反應的 :(1) 完整化學方程式 () 離子方程式 6. 部分離子化合物的溶解度規則 : 7. 常見固態難溶鹽物質的顏色 :
張鑽銘編授 ch.4-6 基礎化學 ( 一 ) 9. 利用離子溶解度的規律性, 可以進行確認與分離 : (1) 例 : 分離及確認陽離子 Ag Ba Zn Ag + Ba + Zn + +HCl (aq) AgCl 沉澱 ( 白色 ) () 分離及確認陰離子 I SO 4 OH I - SO 4 - OH - +Ba(NO 3 ) (aq) BaSO 4 沉澱 ( 白色 ) Ba + +Na SO 4(aq) BaSO 4 沉澱 ( 白色 ) Zn + Zn + +(NH 4 ) S I - +Mg(NO 3 ) (aq) Mg(OH) 沉澱 ( 白色 ) OH - ZnS 沉澱 ( 白色 ) I - +AgNO 3(aq) AgI 沉澱 ( 黃色 ) 例題 3 有三瓶標籤脫落無法辨識的藥品, 分別為硝酸鉀 碳酸鈣 硫酸鋇, 都是白色粉末 先用水找出易溶於水的硝酸鉀, 再利用下列哪一種試劑可區分碳酸鈣及硫酸鋇? (A) 食鹽水 (B) 蘇打水溶液 (C) 稀鹽酸 (D) 氫氧化鈉溶液 10. 日常生活中常見的沉澱反應 : (1) 工業鍋爐或管線輸送系統 家中的水壺或鍋具, 若使用硬水, 常累積鍋垢 ( CaCO 3 MgCO 3 及 CaSO 4 ): Ca(HCO ) CaCO +CO + H O 3 ( aq) 3( s) ( g ) ( l ) Mg(HCO ) MgCO +CO + H O 3 ( aq) 3( s) ( g ) ( l) CaSO 4 之溶解度隨溫度的高而降低, 在高溫下加速沉澱
基礎化學 ( 一 ) - 7 - ch.4 張鑽銘編授 註 4 1. 硬水 : 含鈣離子 ( Ca ) 或鎂離子 ( Mg ) 的水, 稱為硬水, 而因所含陰離子之不同分為 : (1) 暫時硬水 : 含 HCO 3 () 永久硬水 : 含 Cl SO 4. 硬水的缺點 : (1) 浪費肥皂 : 硬水會和肥皂中的脂肪酸根 (RCOO ) 生成沉澱, 降低洗滌效果 Ca + RCOO Ca(RCOO) ( aq) ( aq) ( s) () 降低熱傳導, 甚至引起鍋爐爆炸 3. 硬水的軟化 : 除去水中鈣離子 鎂離子的過程 (1) 煮沸法 : 暫時硬水可藉煮沸法產生 CaCO 3 MgCO 3 沉澱, 經過濾而而除 去 Ca Mg 離子 () 石灰 - 蘇打法 : 1 暫時硬水 : 煮沸法 加消石灰 Ca(OH) Ca OH ) Ca( HCO ) CaCO H Ca ( 3 3( s) O( l) ( OH ) Mg( HCO3 ) MgCO3( s) CaCO3( s) H O( l) 永久硬水 : 加蘇打 ( 洗滌鹼 )Na CO 3 M CO MCO,M + =Mg + Ca + 3 3( s) 例題 4 水試樣經分析知含 0.003 mol/l Ca + 0.004 mol/l HCO - 3 0.001 mol/l SO - 4, 如欲軟化 1L 此硬水, 應加入消石灰和蘇打各若干 mol? 綜合練習 1.. 3.
張鑽銘編授 ch.4-8 基礎化學 ( 一 ) 4. 5. 6. BaCl (aq) +Na SO 4(aq) (D)Pb(NO 3 ) (aq) +KI (aq) (E)Pb(NO 3 ) (aq) +K CrO 4(aq) 7. 8. 分別加入 K CrO 4(aq) 9. 10. 工廠高溫鍋爐所產生的鍋垢, 主要包含下列幾種? (A)CaCO 3 (B)MgSO 4 (C)CaSO 4 (D)MgCO 3 (E)CaCl (Ans.1.A;.ABCD;3.D;4.B;5.C;6.C;7.ABCD;8.D;9.A:AgBr CuBr,B:FeS, C:CaCO 3 ;10.ACD) 4-.1 水的解離與 ph 值 1. 水為極弱的電解質, 因水會發生自身游離, 生成氫離子 (H ) 和氫氧根離子 (OH ): HO ( l) H ( aq) + OH ( aq) 或 HO +HO HO + OH ( l) ( l ) 3 ( aq) ( aq) 水溶液中必含有 H + 和 OH -, 且定溫時,[H + ] [OH - ]=Kw( 水的離子積 ) 水中 [H ] 與 [OH ] 成反比
基礎化學 ( 一 ) - 9 - ch.4 張鑽銘編授. 5 時 [H + ] [OH - ]=Kw( 水的離子積 )=10-14, 3. 在 5 時, 純水中 [H ]=[OH 7 ]=1 10 M, 若 [H + ]>10-7 M>[OH - ], 則溶液為酸性 ; 若 [H + ]< 10-7 M <[OH - ], 則溶液為鹼性 4. ph 值 [H + ] 的表示,1909 年索任生 (P.L.S rensen) 提出 : (1)pH=-log[H + ] poh=-log[oh - ]; [H + ph ]= 10 [OH]=10 poh 5 時,pH+pOH=14 () [H + b ]=a 10 M 時,pH=b-log a 例如 1 0.00MHCl (aq) 中,[H + ]= 10-3 M,pH=3-log=3-0.30=.70; 14 10 而 [OH - 1 ]= 510 M,pOH=1-log5=1-0.70=11.30 3 10 ( 或 poh=14-.70=11.30) 0.10 M 氫氧化鈉溶液 10.0 毫升加水稀釋為 1.00 升後, 10.0 [OH - 3 ]= 0.10 110 M,[H + 14 10 11 ]= 110 M,pH=11 3 1000 110 (3)[H + ] 愈大則 ph 愈小 ( 而 [OH - ] 愈小,pOH 愈大 ) (4)5 時,pH<7 為酸性溶液 ;ph=7 為中性溶液 ;ph>7 為鹼性溶液 (5) ph 值不一定是正整數, 可能是 <0 或 >14 (5) 一些常見物質的 ph 值如下 : (6) 實驗室中除了以精密的 ph 計測量溶液的 ph 值, 將 ph 計的電極插入待測溶液中,即可從儀器上直接讀出該溶液 的 ph 值, 亦可利用酸鹼指示劑的顏色變化, 概略測出溶液的 ph 值 酸鹼指示劑多為弱酸性或弱鹼性的有機化合物,在不同的酸鹼值會呈現不同的顏色 常用的指示劑之呈色與變色的 ph 範圍如下 ;
張鑽銘編授 ch.4-10 基礎化學 ( 一 ) 指示劑名稱 酸性顏色 變色範圍 (ph) 值 鹼性顏色 甲基橙 紅 3.1~4.4 黃 甲基紅 紅 4.4~6. 黃 石蕊 紅 4.5~8.3 藍 溴瑞香草藍 BTB 黃 6.0~7.6 藍 酚酞 無 8.3~9.6 紅 註 5 另: 廣用試紙呈現黃 橙或紅色時,表示為酸性溶液 ; 若呈現藍或紫色,表示 溶液為鹼性 ; 呈現綠色則為中性溶液 例題 5 正常雨水的 ph 值為 5.6 若某工業區測得該區域的雨水 ph 值為 4.6, 表 示其中的氫離子濃度是正常雨水中氫離子濃度的多少倍? 例題 6 在常溫 常壓下, 鹽酸水溶液中, 若其 ph 值為 5 取甲液 1 毫升, 加水稀釋到 1 升為乙液, 則乙液的 ph 值應接近多少? (A)4 (B)5 (C)6 (D)7 (E)8 例題 7 有三種未標示之無色溶液甲 乙 丙, 假設這三種溶液各為酸 鹼及酚酞 取少量甲溶液與少量乙溶液混合, 呈紅色 但甲溶液或乙溶液與丙溶液混合均不呈色, 則丙溶液為 (A) 酸 (B) 鹼 (C) 酚酞 (D) 無法推斷 綜合練習 1. 在常溫 常壓的條件下, 下列關於水溶液之 ph 值的敘述, 何者正確? (A) 純水的 ph 值是 0 (B) 酸性溶液的 ph 值永遠是正值 (C) 在鹼性溶液中,0 ph 值!!!!!! 5 )E* 鹼性溶液的 ph 值代表溶液中的氫離子濃度. 5 時, 下列水溶液, 哪些恆為酸性? (A)pH<7 (B)pH<pOH (C)[ OH ]< K W (D)[H ]>[ OH ] (E)pOH<7 3. 某一食醋樣品在 5 時 ph 值約為 4.0, 則其溶液中的 [OH 4 ] 約為何? (A) 10 M 6 (B) 10 8 M (C) 10 10 M (D) 10 M 4. 可樂是夏天大眾化的消暑飲料之一, 內含磷酸及碳酸的成分 經由滴定分析, 測得氫離 3 子濃度為 4 10 M 試問該可樂的 ph 值最接近下列何值? (A) 1.4 (B).4 (C) 3.8 (D) 9.4 5. 6.
基礎化學 ( 一 ) - 11 - ch.4 張鑽銘編授 (1) () 7. 8. 就下表填入各種成分在 5 時的 ph 值或 [H + ] 選項 清潔劑 洗面乳 番茄汁 鹽酸 血液 [H + ](M) 1 10-9 3 10-6 10-5 (4) (5) ph 9.0 5.5 () 0 7.4 poh 5.0 (1) (3) 14.0 6.6 哪些為酸性? 哪些為鹼性? (Ans.1.D;.ABD;3.D;4.B;5..AH;6.(1)A()E;7.ACDE;8.(1)8.5()4.7(3)10.3(4)1.0M (5) 4 10-8 M, 酸性 : 洗面乳 番茄汁 鹽酸, 鹼性 : 清潔劑 血液 ) 4-. 酸鹼的通性 註 6 C H 5 OH 雖含有 OH, 但在水溶液中並不解離出 OH - (aq), 所以不為鹼. 酸鹼的通性酸鹼 (1) 具酸味 (1) 水溶液具澀味及滑膩感 () 水溶液能導電 () 水溶液能導電 (3) 能使藍色石蕊試紙變紅 (3) 能使紅色石蕊試紙變藍 (4) 能與活潑金屬鋅等反應產生氫 (4) 能與酸溶液反應產生鹽和水 (5) 能與鹼溶液反應產生鹽和水 3. 週期表可以提供對酸 鹼物質的判定 : (1) 金屬氧化物的水溶液多為鹼性, 例 : CaO +H O Ca + OH ( s) ( l) ( aq) () 部分非金屬氧化物溶於水呈酸性,
張鑽銘編授 ch.4-1 基礎化學 ( 一 ) + 例 : CO +HO HCO H + HCO ( g ) ( l) 3( aq) ( aq) 3 ( aq) 3. 酸鹼的強弱, 以其在水溶液中的解離率而定 : 強酸 強鹼在水中完全解離 ; 而弱酸 弱鹼在水中只有一小部分解離 4-.3 酸鹼中和 1. 酸鹼中和 ( 酸鹼反應 ): (1) 酸和鹼的化學反應, 產生鹽和水的放熱反應, 稱為酸鹼中和 ( 酸鹼反應 ) 1 強酸 強鹼中和, 例如, a. b. 即 H + (aq)+oh - (aq) H O ( ) 所得正鹽 NaCl Na SO 4 之水溶液均為中性 弱酸 強鹼中和, 例如 :CH 3 COOH (aq) +NaOH (aq) CH 3 COONa (aq) +H O (l) 淨離子方程式為 :CH 3 COOH (aq) +OH - (aq) CH 3 COO - (aq)+h O (l) 所得正鹽 CH 3 COONa 之水溶液呈鹼性 3 弱鹼 強酸中和, 例如 :NH 3(aq) + HCl (aq) NH 4 Cl (aq) 淨離子方程式為 :NH 3(aq) + H + + (aq) NH 4 (aq) 所得正鹽 NH 4 Cl 之水溶液呈酸性 4 弱酸 弱鹼中和, 例如 : HF (aq) +NH 3(aq) NH 4 F (aq) CH 3 COOH (aq) + NH 3(aq) CH 3 COONH 4(aq) H S (aq) +NH 3(aq) (NH 4 ) S (aq) 所得正鹽之水溶液可能呈酸性 中性或鹼性, 例如 NH 4 F (aq) 酸性 ;CH 3 COONH 4(aq) 中性 ;(NH 4 ) S (aq) 鹼性 註 7 1. 強酸 強鹼中和所得酸式鹽之水溶液呈酸性, 例如 H SO 4(aq) +NaOH (aq) NaHSO 4(aq) 酸性 +H O (l)
基礎化學 ( 一 ) - 13 - ch.4 張鑽銘編授. 弱酸 強鹼中和所得酸式鹽之水溶液可能呈酸性或鹼性, 例如 H 3 PO 4(aq) + NaOH (aq) NaH PO 4(aq) 酸性 +H O (l) ; H 3 PO 4(aq) + NaOH (aq) Na HPO 4(aq) 鹼性 +H O (l), H CO 3(aq) + NaOH (aq) NaHCO 3(aq) 鹼性 +H O (l). 中和的原理 : 完全中和時, 酸提供的 H 莫耳數 = 鹼提供的 OH 莫耳數 3. 中和熱 : 酸鹼中和一定放熱, 產生 1 莫耳水時的反應熱, 稱為 莫耳中和熱 (1) 無論強酸與強鹼為何, 其莫耳中和熱相同 ( H=-56 kj) HCl( aq) +NaOH( aq) NaCl( aq) + HO H=-56 kj H SO +NaOH Na SO + H O H=(-56 kj) 4( aq) ( aq) 4( aq) () 若中和生成等莫耳數的水時, 一般常見考題中, 中和熱大小順序為 : 弱酸 + 強鹼強酸 + 強鹼 > > 弱酸 + 弱鹼強酸 + 弱鹼 4. 其他的酸鹼反應 : a. 酸性氣體與鹼性氣體反應, 如 :HCl (g) +NH 3(g) NH 4 Cl (s) b. 酸與金屬氧化物 ( 鹼酐 ) 反應, 如 :HCl (aq) +MgO (s) MgCl (aq) +H O (l) c. 非金屬氧化物 ( 酸酐 ) 與鹼反應, 如 : CO (g) +NaOH (aq) NaHCO 3(aq),CO (g) +NaOH (aq) Na CO 3(aq) +H O (l), d. 非金屬氧化物 ( 酸酐 ) 與金屬氧化物 ( 鹼酐 ) 反應, 如 :SO (g) +CaO (s) CaSO 3(s) 5. 中和反應的應用 : (1) 實驗室常利用碳酸鈣與鹽酸反應來製備二氧化碳氣體 ; CaCO +HCl CaCl + CO 3( s) ( aq) ( aq) ( g ) () 胃藥可中和過多的胃酸 : Mg(OH) +HCl MgCl + H O ( s) ( aq) ( aq) ( l ) 3() ( aq) ( aq) ( g ) ( l ) NaHCO HCl NaCl CO H O 例題 8 (1) 有一胃病患者, 檢查顯示其胃液中含氫氯酸的濃度為 0.060 莫耳 / 升, 用含氫氧化鋁 Al(OH) 3 的胃藥中和, 化學反應式如下 : Al(OH) +3HCl AlCl + 3H O 3 3 若此病人共分泌出 0.3 升的胃液, 需服用多少克的氫氧化鋁, 恰可中和胃 酸?( 原子量 H=1.0,O=16.0,Al=7.0) (A)0.6 (B) 0.47 (C) 1.4 (D) 4. () 除了氫氧化鋁, 下列哪種化合物也適合做胃藥的成分? (A) Mg(OH) (B) KOH (C) NH4Cl (D) CH3COONa
張鑽銘編授 ch.4-14 基礎化學 ( 一 ) (3) 土壤因長期施肥造成酸化, 常以生石灰 (CaO) 等鹼性物質撒於土壤來中和 (4) 工業用的酸性廢液在排放前, 須添加鹼性物質予以中和 (5) 以生石灰 (CaO) 或灰石 (CaCO 3 ) 吸收二氧化硫, 來減少酸雨的危害, 也是中和反應的應用 : CaCO 3 +SO CaSO 3 +CO ;CaO+SO CaSO 3 註 8 火山或燃燒化石燃料的廢氣排出的硫 氮, 經氧化成硫氧化物 SO X ( 包括 SO SO 3 ) 氮氧化物 NO X ( 包括 NO NO NO ) 等, 在高空與雨水會產生強酸物質 : SO3( g ) + H O( l) HSO4( aq) ; NO ( g ) +H O ( l ) HNO 3( aq ) + HNO ( aq ) 硝酸亞硝酸形成 酸雨 (ph<5.0), 嚴重危害自然生態, 並影響人類的健康 例題 9 有一工廠排放大量硫酸溶液,pH 值為 4, 為符合排放廢水處理規定, 需要把排放的硫酸溶液完全中和 現欲排放 10 6 升廢水, 需加入 幾公斤的碳酸鈣固體? 例題 10 將 ph=0.0 的鹽酸溶液 1 ml 與 ph=13.0 的氫氧化鈉溶液 9 ml 混合後, 溶液的 ph 值為何? (A)1.0 (B).0 (C) 7.0 (D) 10.0 (E)13.0 例題 11 有一未知濃度的硫酸,進行酸鹼滴定以求出其濃度. 取 50.0 毫升的硫酸置入錐 形瓶中,加入數滴酚酞指示劑,以 0.500 M 氫氧化鈉溶液滴定之,用去 1.0 毫升 時,酚酞指示劑呈淡紅色,則硫酸濃度為若干? 綜合練習 1. 下列何者不是酸的一般通性? (A) 物質溶於水時能解離出 H 者 (B) 水溶液可與鎂帶反應放出氫氣 (C) 可使藍色的石蕊試紙變為紅色 (D) 水溶液有滑膩感及酸味. 下列哪一種實驗可以檢驗出水溶液是酸性的? (A) 水溶液導電 (B) 水溶液呈現無色狀態 (C) 加入酚酞, 水溶液變成粉紅色 (D) 加入碳酸鈣粉末, 水溶液會產生氣泡 (E) 在藍色石蕊試紙上加入一滴水溶液, 呈現出紅色 3. 4. 下列哪一個化合物的水溶液呈酸性? (A) Na O (B) Mg(OH) (C) CH 6 1O 6 (D) NO (E) NaHCO 3 5
基礎化學 ( 一 ) - 15 - ch.4 張鑽銘編授 6. 近年來臺灣某些地區雨水 ph 值偏低, 稱為酸雨 下列有關 酸雨 的敘述, 何者正確? (A) 酸雨主要是大氣中硫的氧化物溶於雨水所致 (B) 酸雨主要是大氣中 CO 溶解於雨水形成碳酸所致 (C) 酸雨主要是工廠排放廢氣有關, 與汽 機車排放廢氣無關 (D) 酸雨 對人類和其他動物的影響比較大, 對植物沒有影響 7. 下列何者是酸鹼中和反應? (A) BaCl( aq) +Na SO4( aq) BaSO4( S ) + NaCl( aq) (B) Ca(OH) ( aq) +HCl( aq) CaCl( aq) + H O( l) (C) Zn( s) +HCl ( aq) ZnCl( aq) + H( g ) (D) H( g ) +O( g) H O( l) + 8. 能以 H + OH HO表示中和反應的是 (A)NaOH+HCl (B) CH3COOH +NaOH (C) Cu(OH) +HCl (D) Ba(OH) + HSO4 9. 5 時, 取 0.5 M 的硫酸 10 ml 與 0.5 M 的氫氧化鋇溶液 0 ml 混合, 則下列敘述何者不正確? (A) 此反應是酸鹼中和反應 (B) 此反應為離子沉澱反應 (C) 溶液最後的 ph 值為 7 (D) 混合後, 溶液溫度 10. 11. 有一未知濃度的鹽酸,進行酸鹼滴定以求出其濃度 取 0.0 毫升的鹽酸置入錐形瓶中, 加入數滴酚酞指示劑,以 0.10M 氫氧化鈉溶液滴定之,用去 16.0 毫升時,酚酞指示劑呈 淡紅色,則鹽酸濃度為若干? (Ans.1.D;.DE;3.D;4.D;5.C;6.A;7.B;8.A;9.C;10.C;11. 0.08M) 4-3.1 氧化還原反應的定義 1. 氧化還原反應的定義 (1) 早期的觀念 ( 拉瓦節 ): 在化學反應中, 涉及氧得失的反應 氧化反應 : 物質與氧化合的反應 ( 化合物中氧原子的比例增加 ) 例 : CH 4( g ) +O ( g ) CO ( g ) + H O ( l ), CH 4 發生氧化 ; 或化合物中 H 原子的比例減少, 如 : HO O 還原反應 : 物質失去氧的反應 ( 化合物中氧原子的比例減少, 如 HO HO ) 例 : HgO( s) Hg( l) + O( s),hgo 發生還原 或化合物中 H 原子的比例增加 () 近期觀念 : 在化學反應中, 涉及電子轉移 ( 或氧化數有增 減 ) 的反應 1 元素轉變成化合物, 或化合物轉變成元素的化學反應, 均屬於氧化還原反應 氧化半反應 : 物質失去電子 ( 氧化數增加 ) 的反應 ; 還原半反應 : 物質得到電子 ( 氧化數減少 ) 的反應 例 : 1 鎂帶燃燒 : 鎂失去電子 :Mg Mg 氧得到電子 : O+ 4e O, 為還原反應 全反應 :Mg+ O MgO + 4e, 為氧化反應 ( 物質的燃燒均為其氧化反應 )
張鑽銘編授 ch.4-16 基礎化學 ( 一 ) 卡文迪西發現鋅在鹽酸中可以產生氫氣 鋅失去電子 :Zn Zn + e, 為氧化反應 鹽酸得到電子 :H + + e H, 為還原反應 全反應 :Zn+H + Zn + H 3 法拉第與丹尼耳發現鋅棒置於硫酸銅溶液中時, 鋅棒會溶解, 而析出銅 鋅失去電子 :Zn Zn + e, 為氧化反應 銅離子得到電子 :Cu + ( 藍色 )+ e Cu ( 附在 Zn 上 ), 為還原反應 全反應 :Zn+Cu + Zn + Cu 註 9 氧化還原反應時, 一物質若同時發生氧化及還原, 稱為 自身氧化還原反應 失去氧 還原 MnO 例 : H O O + H O 失去氫 氧化. 氧化半反應 還原半反應必相伴發生, 且兩者所轉移的電子數相等 3. 氧化劑與還原劑 : 氧化劑 : 能使其他物質氧化, 而本身發生還原的物質 ; 還原劑 : 能使其他物質還原, 而本身發生氧化的物質 例題 1 下列反應中, 需加入氧化劑始可發生反應者為 (A)HgCl Hg Cl (B)HCl Cl (C)Fe(OH) Fe(OH) 3 (D)CrO - - 4 Cr O 7 (E)Al 3+ - Al(OH) 4 4. 氧化數 : (1) 有些氧化還原反應容易由反應方程式中看出電子的轉移, 例如 Na (s) +H O (l) NaOH (aq) +H (g), 由 Na 變成 Na +, 顯然有電子釋出 但是太空梭內液體燃料的反應 C H 8 N (l) +N O 4(l) 3N (g) +CO (g) +4H O (g) 則不易由反應式中看出電子的轉移, 此時就需使用氧化數判斷 () 氧化數的通則 :
基礎化學 ( 一 ) - 17 - ch.4 張鑽銘編授 註 10 離子化合物如 NH 4 NO 3 必須先解離成 NH 4 + NO 3 - 才能判斷 例題 13 求下列劃線原子的氧化數 : (1)NH 4 NO 3 ()NaH (3)P 4 O 6 (4)H SO 4 (5)KMnO 4 (6)HgCl (7)PH 3 (8)OF (9)NaO - (10)S O 3 (3) 氧化數的應用 : 1 判斷是否氧化還原反應 : 例題 14 下列方程式所代表的反應, 何者不屬於氧化還原? (A)H O H O+O (B)CaCO 3 - CaO+CO (C)CrO 4 +H + - Cr O 7 +H O (D)CO +H O H CO 3 5. 金屬的離子化 ( 活性 ) 傾向 : (1)Li Rb K Cs Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb (H ) Cu Hg Ag Pt Au 大小 () 活性大的元素 ( 失去電子能力大, 易被氧化成陽離子 ), 是強還原劑, 可以把活性小的元素從化合物中置換出來 即 : 若 A 的離子化傾向大於 B( 還原劑強渡 :A>B; 反之, 氧化劑強渡 :A m+ < B n+ ), 則 na (s) +mb n+ (aq) na m+ (aq)+mb (s) 可反應 ; 而 mb (s) + na m+ (aq) mb n+ (aq)+ na (s) 不能反應 例 : Cu +Ag Cu + Ag ( s) ( aq) ( aq) ( s) 註 10 非金屬活性大小順序: F > Cl > Br > I 活性大的非金屬 ( 獲得電子能力大, 易被還原成陰離子 ), 是強氧化劑, 可以把活性小的元素從化合物中置換出來 例 : Cl ( g ) +I ( aq ) Cl ( aq ) + I ( s )
張鑽銘編授 ch.4-18 基礎化學 ( 一 ) 6. 氧化還原的應用 (1) 冶煉金屬 : 從礦物中獲得金屬元素 例 : 鐵的冶煉 : 從爐頂送進赤鐵礦 ( 含有氧化鐵 FeO 3) 焦碳(C), 高溫下生成二氧化碳及生鐵 熔融的鐵因密度大, 從 爐底流出, 如圖所示 得氧 氧化 還原劑 Fe O +3C 4Fe + 3CO 3( s) ( s) ( s) ( g) 失去氧 還原 氧化劑 () 電化電池 : 化學能變成電能的自發性氧化 還原反應, 例 :A. 丹尼耳鋅一銅電池 : 1 電極 : 常為金屬或碳棒 陽極 (- 極 ), 發生氧化 失去電子 : 吸引陰離子 Zn (s) Zn + (aq)+e - 陰極 (+ 極 ), 發生還原 獲得電子 : 吸引陽離子 Cu + (aq)+e - Cu (s) ( 指針偏向即電子流方向 ) 全反應 : Zn (s) + Cu + (aq) Zn + (aq)+ Cu (s) ( 電子的得失數需相等 ) 鹽橋 : 裝置 :U 型管中加入不與兩半電池 發生反應的易溶解鹽類飽 和溶液, 常為 KNO3( aq ) 功用 : 連接兩燒杯溶液使成通路, 防止燒杯內溶液電荷積存 3 電荷流動方向 : a. 外電路 ( 電子 ): 由陽極 (- 極 ) 流向陰極 (+ 極 ) b. 安培計指針偏向與電子流同向 c. 內電路 ( 離子 ): 陰離子經鹽橋流向陽極, 陽離子經鹽橋流向陰極, 使兩燒杯溶液保持電中性
基礎化學 ( 一 ) - 19 - ch.4 張鑽銘編授 註 11 兩電極之離子化傾向相差愈大, 所形成的電化電池之電壓愈大 B. 氫 - 氧燃料電池 : 低污染, 高能量轉換效率的新興能源技術 陽極 (- 極 ) H +OH H O+ e 氧化半反應 1 陰極 (+ 極 ) O H O e OH + + 還原半反應 1 全反應 H+ O HO 例題 15 寫出甲烷- 氧燃料電池的淨反應式, 並說明何者為氧化劑? 何者為還原劑? (3) 電解池 : 電能變成化學能的非自發性氧化還原反應, 例如電解 CuCl (aq) 時, 陽極 (+ 極 ), 發生氧化 失去電子, 吸引陰離子 ; 與電池 + 極相連 Cl - (aq) Cl (g) +e - 陰極 (- 極 ), 發生還原 獲得電子, 吸引陽離子與電池 - 極相連 Cu + (aq)+e - Cu (s) (4) 許多強氧化劑常用作消毒劑, 例 : 氯氣 ( Cl ) 臭氧( O) 3 漂白水(NaClO (aq) ) 常用為淨水處理的消毒劑, 註 1 1. 自來水的淨水處理 : 沉降 凝聚自然水 ( 雨水 湖水 井水 ) 過濾 活性碳 Cl 或 O 殺菌 得自來水 除臭 3 曝氣除去懸浮物質 除去有機物. 氯濃度達 0.~1.0 ppm 就可殺菌, 部分氯殘留在水中, 可確保輸送過程中不 受細菌汙染 而臭氧殺菌效果比氯更好, 且不殘留味道, 但易分解, 在輸送 過程不具防菌能力 (5) 過錳酸鉀 ( KMnO 4, 黑紫色晶體 ), 在醫藥上可作消毒劑, 在實驗室中常作為氧化還原滴定的氧化劑 例 : 滴定亞鐵離子, 在酸中將亞鐵離子 ( Fe 3 ) 氧化成鐵離子 ( Fe ), 本身還原成亞 錳離子 ( Mn ), 溶液紫色顏色消褪, 故不需另加指示劑 MnO +5Fe +8H Mn +5Fe + 4H O 3 4 ( aq) (6) 市售雙氧水為濃度約 3% 的過氧化氫水溶液 過氧化氫是常用的還原劑, 氧化後生 成氧氣 ; 也是常用的氧化劑, 還原後產生水
張鑽銘編授 ch.4-0 基礎化學 ( 一 ) 註 13 1. 雙氧水濃度過高, 或受熱均會有爆炸的危險. 實驗室中以二氧化錳當催化劑, 使雙氧水分解製造氧氣 : MnO + H O O H O 3. 人體細胞中分泌的過氧化氫酵素會於傷口處加速過氧化氫的自身氧化還 過氧化氫酵素 原, 產生高濃度的氧氣 : H O O + H O 而殺死厭氧菌, 抑制細菌的孳生, 軟化傷口的壞死組織可作為家庭用消毒劑 但消毒時效短暫, 滅菌力有限會造成蛋白質變性, 組織壞死, 傷口不易復, 故只用於表淺傷口的清潔消毒, 或非生物產品 ( 如隱形眼鏡 ) 之消毒 綜合練習 1.. 3. 4. 5. 6. 7.
基礎化學 ( 一 ) - 1 - ch.4 張鑽銘編授 8. 9. (Ans. 1.C;.C;3.C;4.E;5.A;6.AD;7.D;8.C;9.C ) 筆記欄
張鑽銘編授 ch.4 - 基礎化學 ( 一 ) 一 單一選擇題 : 習題
基礎化學 ( 一 ) - 3 - ch.4 張鑽銘編授
張鑽銘編授 ch.4-4 基礎化學 ( 一 ) 16. 17.
基礎化學 ( 一 ) - 5 - ch.4 張鑽銘編授 18. 19. 0. 1..
張鑽銘編授 ch.4-6 基礎化學 ( 一 ) 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
基礎化學 ( 一 ) - 7 - ch.4 張鑽銘編授 30. 31. 3. 33. 34. 35. 36.
張鑽銘編授 ch.4-8 基礎化學 ( 一 ) 37.. 二 多重選擇題 :
基礎化學 ( 一 ) - 9 - ch.4 張鑽銘編授 5. 6. 7. 8. 9. 10. 某水溶液在 5 時的 ph=0, 則下列關於此水溶液的敘述, 何者正確? (A) 毫無 H + (B)[H + ]=1M (C)[OH - ]=14M (D) 溶液呈酸性 (E) 溶液呈酸性 11. 下列何者屬於氧化還原反應? (A)NaCl+AgNO 3 AgCl+NaNO 3 (B)H +Cl HCl (C)NaOH+HCl NaCl+H O (D)Zn+H SO 4 ZnSO 4 +H (E)NaOH Na + +OH - 1. 將依銅線放入裝有硝酸銀溶液的燒杯中, 杯口以塑膠膜封住後, 靜置一天, 試問下列有關此實驗的敘述, 那些是正確的? (A) 銅線為氧化劑 (B) 溶液顏色逐漸變深 (C) 銀離子為還原劑 (D) 溶液中液體的質量逐漸減少 (E) 析出的銀和溶解的銅質量相等 三 非選擇題 :
張鑽銘編授 ch.4-30 基礎化學 ( 一 )
基礎化學 ( 一 ) - 31 - ch.4 張鑽銘編授
張鑽銘編授 ch.4-3 基礎化學 ( 一 ) 16. 17. 18. 19. 0. 1.
基礎化學 ( 一 ) - 33 - ch.4 張鑽銘編授. 3. 4. 答案欄 二 多重選擇題 : 1.ADE.ADE 3.ACE 4.BC 5.CE 6.ABD 7.ACDE 8.CE 9.AD 10.BD 11.BD 1.BD 三 非選擇題 : 1. 電解質 : 食鹽 氫氧化鈉 ( 離子化合物 ) 磷酸 碘化氫 ( 極性分子化合物 ) 非電解質 : 銅 ( 金屬 ) 碘 果糖( 非極性分子 ) 石墨( 網狀共價物質 ).(C) HSO4 ( aq) H ( aq) SO4 ( aq) (D) HSO 4( aq) H ( aq) HSO4 ( aq) 3. 顏色變化 (1) 酚酞 () 石蕊 (3) 甲基紅 甲 (ph=3.5) 無色紅色紅色 乙 (ph=10.5) 紅色藍色黃色 4. CO 為氧化劑,Na 為還原劑 5. H O (aq) H O (l) +O (g) KClO 3(s) KCl (s) +3O (g) 6.(A) 是氧化還原反應,O 為氧化劑,C 6 H 1 O 6 為還原劑 7.(D)NaHCO 3(aq) +HCl (aq) NaCl (aq) +CO (g) +H O (l) - 8.CO (g) +H O (l) HCO 3 (aq) +H + (aq)( 酸性 ) Na O+H O (l) NaOH Na + (aq)+oh - (aq)( 鹼性 ) CaO+H O (l) Ca(OH) Ca + (aq)+oh - (aq)( 鹼性 ) 9. 甲 :PbCl ; 乙 :CuS; 丙 :Mg(OH) 10. 甲 :Ba (NO 3 ) ; 乙 :BaCO 3 ; 丙 :Mg(NO 3 ) ; 丁 :Mg(OH) ; 戊 :Cu(NO 3 ) 己 :CuS 11.(D) 先加入 CrO, 有乳黃色的沉澱即含有 Ba, 將沉澱物過濾 濾液中加入 4 ( aq) SO 4 - (aq), 有白色沉澱即含有 Sr + (aq), 將沉澱物過濾, 濾液中加入 C O 4 - (aq), 有白色 沉澱即含有 Ca + (aq), 將沉澱物過濾, 濾液中加入 NH 3(aq), 有白色沉澱即含有 Mg + (aq) ( aq)
張鑽銘編授 ch.4-34 基礎化學 ( 一 ) 1. 甲 :(E) 1 M H SO 4 (aq) ; 乙 :(C) 1 M NaOH (aq) ; 丙 :(A) 1 M B(a OH)) (aq) ; 丁 :(B) 1 M CuSO 4(aq) 4 13. 10000 升 14.(1)0.1M() 4.8 10 公斤 15. 正常雨水的 ph 值為 5.6, 即 [H + ]=.5 10-6 M, 湖水 ph 值為 4.6, 即 [H + ]=.5 10-5 M, 可加鹼性物質如碳酸鈣提升水溶液的酸鹼度值, 需中和 H + 6 10 (.5 10 5.510 6 ).5莫耳, 3 x 10 欲加入 x 公斤的碳酸鈣 (C aco 3 =100), 可提供 =0 x 莫耳的 OH - 100 H + 莫耳數 = OH - 莫耳數, 故.5=0 x x 1.15公斤 16. (1) Ba(OH) (aq) +K SO 4 (aq) KOH (aq) \+BaSO 4(s), () HCl (aq) +AgNO 3(aq) HNO 3(aq) +AgCl (s) 17. (1) Pb + (aq)+ I - (aq) PbI (s),() 46.1 g 18. 化合反應 19. 5.0 10-1 M,11~1 之間 0. 5.0 ml 1. 正極, 負極. C H 8 N (l) + N O 4 (l) 3 N (g) + CO (g) +4 H O (l),n O 4 失去氧, 被還原, 為氧化劑 3. 軟化 : 暫時硬水可用煮沸法軟化 ; 硬水可用石灰蘇打法或離子交換法來軟化 淨化 : 可用沉澱 過濾 曝氣等方法來達成 4. 酸雨產生的原因為工廠或汽機車排放的硫和氮的氧化物, 會造成樹木枯萎 土壤酸化 不適耕種 湖水及河水變酸而使河中生物死亡等災害 防止方法為 : 先除去化石燃料中的含硫成分再予使用, 或先除去廢氣中的硫和氮的氧化物後, 再予以排放 筆記欄