Transcript 高中基礎化學實驗

實驗篇
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示範實驗 常見化學反應的型態
實驗一 物質的分離
實驗二 硝酸鉀的溶解與結晶
實驗三 化學反應熱
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示範實驗
常見化學反應的型態
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1.目的：
利用沉澱反應以及酸鹼指示劑的顏色變化，觀察
一些常見的化學反應。
2. 原理：
(1) 離子沉澱反應：
 碘化鉀在水中會解離出碘離子，與硝酸鉛
溶液中的鉛離子結合，生成黃色的碘化鉛
沉澱。
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化學反應式：Pb(NO3)2(aq)＋2KI(aq) → PbI2(s)＋2KNO3(aq)
離子反應式：Pb2＋(aq)＋2I－(aq) → PbI2(s)
離子反應式：將不參與反應的離子去除，僅寫出
主要反應物的反應式。
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 硝酸鉛溶液與鹽酸混合，產生白色的氯化鉛
沉澱，其反應式為：
Pb(NO3)2(aq)＋2HCl(aq) → PbCl2(s)＋2HNO3(aq)
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(2) 酸鹼中和反應：
 等濃度且等體積的氫氧化鈉溶液與鹽酸混合，
生成中性的食鹽水溶液。
酸鹼中和會放出大量的熱能，因此實驗
時需採用稀薄的溶液，以免發生危險。
 指示劑的變色範圍：
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 酸鹼物質在指示劑下之顏色變化：
1 以酚紅當指示劑：
●
、
●
2 以酚酞當指示劑：
、
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●
3 以溴瑞香草酚藍當指示劑：
、
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 中性的食鹽水溶液，用酚紅檢驗，呈紅、黃混
合的橙色；用溴瑞香草酚藍檢驗，呈黃、藍混
合的草綠色。
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範例 1 酸鹼指示劑
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小安在超市買了洗面皂、洗髮精、肥皂、洗衣乳等用
品，欲以下表之指示劑來測試上述物品之酸鹼性，下
列敘述何者正確？
酸鹼指示劑
甲基橙
甲基紅
石 蕊
酚 酞
變色範圍（pH 值）
（紅）3.2～4.4（黃）
（紅）4.2～6.3（黃）
（紅）4.5～8.3（藍）
（無）8.2～10（深紅）
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範例 1 酸鹼指示劑
(A) 若洗髮精中滴入甲基橙，呈黃色；滴入甲基紅，
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呈紅色，則洗髮精的 [H＋] 可能為 3 × 10－5 M
(B) 若洗面皂的 pH 值為 7，則滴入甲基紅會呈黃色，
滴入酚酞會呈深紅色
(C) 若洗衣乳中滴入酚酞呈無色，則洗衣乳必為酸性
(D) 酸鹼指示劑本身皆為中性物質。
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範例 1 酸鹼指示劑
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解： (A) 洗髮精的 pH 值介於 4.5～5.5 之間，
■
而 [H＋]＝3 × 10－5 M
 pH＝5－log3＝5－0.48＝4.52，
介於 4.5 ～ 5.5 之間。
(B) 由指示劑的變色範圍知，pH＝7 的洗面皂滴
入甲基紅呈黃色，滴入酚酞為無色。
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範例 1 酸鹼指示劑
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解： (C) 洗衣乳滴入酚酞呈無色，僅表示洗衣乳的
■
pH 值小於 8.2，並不代表洗衣乳必為酸性，
亦有可能是中性或鹼性。
(D) 酸鹼指示劑本身為有機弱鹼或有機弱酸。
答：(A)
■
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範例 2 酸鹼指示劑
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已知甲基紅的變色範圍 4.2～6.3，酸性呈紅色，鹼性
呈黃色；石蕊的變色範圍為 4.5～8.3，酸性呈紅色，
鹼性呈藍色。[H＋]＝2 × 10－6 M 的溶液對兩種指示劑
（甲基紅，石蕊）分別呈何種顏色？
(A)（中間色，中間色） (B)（中間色，紅色） (C)
（紅色，紅色） (D)（紅色，中間色） (E)（黃色，
中間色）。
解： [H＋]＝2 × 10－6 M  pH＝6－0.3＝5.7
■
∴甲基紅、石蕊皆呈中間色
答：(A)
■
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範例 3 天然指示劑
【學測】
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紫甘藍又稱紫色高麗菜，可作沙拉冷盤生食。其所含
的多種天然色素，可用沸騰的熱水浸泡萃取。由此所
得的紫甘藍汁會隨環境不同，呈現多種顏色，隨 pH
值改變的顏色如下表。
pH 值
顏 色
2
紅
4
粉紫
6
藍紫
8
綠青
10
草綠
12
黃
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範例 3 天然指示劑
【學測】
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(1) 若將紫甘藍汁加入與胃液的 pH 值相當的溶液中，
呈現的顏色為何？
(A)紅
(B)粉紫
(C)藍紫
(D)綠青
(E)黃。
(2) 烹炒青菜時，常希望看到一盤綠意盎然的青菜。
紫甘藍的色素遇到下列哪一種物質最有可能顯出
綠色？
(A)白砂糖 (B)食醋
(C)沙拉油
(D)食鹽
(E)小蘇打粉。
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範例 3 天然指示劑
【學測】
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解：(1) 人類胃液 pH 值約為 2 左右，故顏色為紅色。
■
(2) 紫甘藍色素需在鹼性的環境下才能顯出綠色。
(A) 白砂糖為中性。
(B) 食醋為酸性。
(C) 沙拉油為中性。
(D) 食鹽為中性。
(E) 小蘇打粉為鹼性。
答：(1) (A) (2) (E)
■
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實驗一
物質的分離
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1.目的：學習分離物質的技能。
2. 原理及步驟 ：
(1) 傾析：以溶劑將物質溶解後，傾倒溶液，使之
與殘渣（密度較大）分離。
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(2) 過濾： 利用物質顆粒大小的差異，使顆粒較濾
紙孔洞小的物質流過，而與沉澱物分離。
濾紙摺疊法
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 四摺濾紙摺疊法：
●
1 把濾紙對摺
●
2 再對摺成扇形
●
3 展開使成錐形，並依漏斗口徑大小，
調整濾紙形狀，使之與漏斗密合。
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●
4 在第三層濾紙處，撕去外兩層的一小角。
●
5
把濾紙按在漏斗內壁上，濾紙邊緣應低於
漏斗邊緣，用少量蒸餾水潤溼濾紙，再用
玻棒輕壓濾紙四周，趕走濾紙與漏斗壁間
的氣泡，使濾紙緊貼在漏斗壁上。
 菊花形（如右圖所示）。
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(3) 濾紙層析：
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小實驗：濾紙色層分析—誰跑的較快？
 以濾紙為固定相（不移動的介質），酒精為
移動相（帶著物質移動的溶劑）。
 酒精在濾紙上擴散，並帶走墨水的某些成分，
因為不同成分對濾紙之吸附力不同，因此移
動速率不同，故能彼此分離。
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(4) 集氣法：
分類
排水集氣法
氣體
特色
難溶於水
N2、O2、H2、
範例
CO、NO
➊
備註
向下排氣法
向上排氣法
易溶於水
易溶於水
密度較空氣小 密度較空氣大
NH3
CO2、HCl、
NO2、SO2
分子量＞28.8 的氣體，密度較空氣大，反之
則較小
➋
欲收集較純的二氧化碳，可用排水集氣法
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 用排水集氣法收集 O2：
MnO2 ( s )
反應式：2H2O2(aq)   2H2O()＋O2(g)
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 用向下排氣法收集 NH3：
反應式：
△
2NH4Cl(s)＋Ca(OH)2(s) 
CaCl2(s)＋2NH3(g)＋2H2O()
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 用向上排氣法收集 CO2：
反應式：
CaCO3(s)＋2HCl(aq) → CaCl2(aq)＋H2O()＋CO2(g)
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(5) 蒸餾：
利用揮發性之差異，加熱溶液使沸點較低之物
質揮發而出，再將其蒸氣冷凝後收集。
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範例 4 物質的分離
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下列有關濾紙色層分析法，分離彩色筆顏料實驗之相
關敘述，何者正確？
(A)層析法是利用混合物中各成分物質之吸附力不同而
分離 (B)移動相為濾紙，而固定相為燒杯中的酒精
(C)濾紙是藉由毛細現象將燒杯內的酒精吸附至濾紙上
方
(D)取出實驗後的濾紙，則移動至濾紙愈上方的色
素，與酒精的溶解度較差
(E)利用有機溶劑進行層析
實驗時燒杯需密閉，以免溶劑揮發影響實驗結果。
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範例 4 物質的分離
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解：(B) 移動相為酒精，而固定相為濾紙。
■
(D) 展開速率愈快之色素與濾紙間的附著力愈
差，但與展開液（酒精）間的作用力愈大。
答： (A) (C) (E)
■
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範例 5 物質的分離──蒸餾裝置
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如下圖裝置，以蒸餾法分離糖水。下列敘述何者正
確？
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範例 5 物質的分離──蒸餾裝置
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(A) 蒸餾法是利用各成分物質間沸點差異來分離混合物
(B) 成分物質中，沸點高者先蒸餾出
(C) 冷卻水由乙處流入，由甲處流出
(D) 丙處溫度計位置錯誤，應置於燒瓶底部
(E) 丁處所流出的液體為水，而圓底燒瓶中最後將剩
下糖。
解：(B) 沸點低的物質先蒸餾出。
■
答： (A) (C) (E)
■
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範例 6 氣體製備與收集
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四種收集氣體裝置如圖(甲)～(丁)。下列敘述，何者正
確？
(A) 以濃鹽酸和大理石製備 CO2 時，採用(丙)圖裝置最
佳，可製得純度較高的 CO2
(B) 以雙氧水製備 O2 時，可採用(甲)圖裝置
(C) 若實驗採用(乙)圖裝置，則實驗完後先熄滅酒精
燈，待溫度下降後再處理硬試管及導管
(D) 以亞硝酸鈉和氯化銨製 N2(g) 時，採用(丁)圖裝置。
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範例 6 氣體製備與收集
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(甲)
(乙)
(丙)
(丁)
解：(B) 不需加熱，且不可加熱，以避免大量氧氣快
■
速產生，造成危險。
(C) 應先移去導管。
(D) 氮氣難溶於水，故採用(乙)圖裝置。
答： (A) 上一頁
■
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實驗二
硝酸鉀的溶解與結晶
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1.目的：
熟悉溶解度的測定方法及結晶的技巧。
2. 原理：
溫度升高，硝酸鉀對水的溶解度明顯愈大；降溫
時，溶解度明顯下降，故硝酸鉀結晶析出，形成
飽和溶液。
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3. 步驟：
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4. 結果 ：
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範例 7 硝酸鉀溶解與結晶
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下列有關「硝酸鉀的溶解與結晶」實驗的敘述，何
者正確？
(A) 硝酸鉀晶體呈藍色
(B) 硝酸鉀溶於水後，溶液的溫度下降
(C) 硝酸鉀的溶解度與溫度成正比
(D) 硝酸鉀的未飽和溶液在冷卻時，用攪拌棒攪拌可
誘導結晶生成
(E) 承(D)，當結晶生成時，該溶液為飽和溶液。
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範例 7 硝酸鉀溶解與結晶
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解：(A) 呈無色。
■
(B) 硝酸鉀溶於水為吸熱反應。
(C) 溫度愈高，溶解度愈大，但不成正比。
答： (B) (D) (E)
■
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範例 8 硝酸鉀溶解與結晶實驗
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下列有關硝酸鉀溶解與結晶實驗之相關操作，何者正
確？
(A)硝酸鉀固體溶於水為吸熱反應，故溫度愈高，溶解
度愈大 (B)以溫度計測量溶液溫度時，溫度計可同時
作為攪拌用途 (C)加熱溶液時，需搖動試管，使熱量
分布均勻，避免突沸現象 (D)過濾硝酸鉀固體時，必
須以熱水沖洗濾紙上的晶體，以洗去附著在晶體表面
的離子 (E)硝酸鉀飽和溶液的配製，為定溫下取定量
的水加入硝酸鉀至飽和。
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範例 8 硝酸鉀溶解與結晶實驗
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解：(B) 溫度計不可以用來攪拌。
■
(D) 以冰水沖洗濾紙上的晶體。
(E) 取定量水加入硝酸鉀加熱再冷卻成飽和溶液。
答： (A) (C)
■
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實驗三
化學反應熱
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1.目的：
使用自製的卡計，測量酸鹼中和的反應熱及硝酸鉀溶
解於水的熱量變化。
2. 原理：
(1) 在一般化學實驗過程中，可將卡計吸收或放出的
微量熱量忽略掉，因此吸熱反應所吸收的熱量等
於放熱反應所放出的熱量。也就是說，溫度的變
化量，可視為反應過程中熱量傳遞所造成的溫度
差。
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(2) 本實驗是利用保麗龍杯，組裝成簡單的卡計，來
測量反應的熱量變化。將卡計當作絕熱體，不考
慮系統熱容量概念。
(3) 不管強酸和強鹼為何，強酸和強鹼反應產生 1 莫
耳水，釋出同量的熱量（約 56.0 kJ）。所以，以
NaOH 中和 1 莫耳硫酸產生 2 莫耳水，約釋出 112
kJ 的熱量（鹽酸的兩倍）。
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■
例： 0.1 M 鹽酸 100 毫升與 0.1 M 氫氧化鋇 50 毫
升中和
反應式：
2HCl(aq)＋Ba(OH)2(aq) → BaCl2(aq)＋2H2O()
鹽酸 0.01 莫耳與氫氧化鋇 0.005 莫耳中和，
可產生水 0.01 莫耳，釋出 56 kJ / mol ×
0.01mol＝560 J
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 0.1 M 硫酸 100 毫升與 0.1 M 氫氧化鈉 100 毫升中和
反應式： H2SO4(aq)＋2NaOH(aq) → Na2SO4(aq)＋2H2O()
 硫酸 0.01 莫耳與氫氧化鈉 0.01 莫耳中和，硫酸過
量，可產生水 0.01 莫耳，釋出 56 kJ / mol × 0.01 mol
＝560 J
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3. 步驟：
(1) 中和熱的測定：
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(2) 溶解熱的測定：
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範例 9 反應熱測量
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燃燒 3 g 乙烷（C2H6）可使 1 L 水的水溫由 20 °C 高
到 57 °C（卡計損失的熱量可忽略，水的密度為 1
g / cm3），回答下列問題：
(1) 乙烷的莫耳燃燒熱為何？
(2) 寫出熱化學反應式。（需註明各物質的狀態，
ΔH 以 kcal / mol 為單位）
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範例 9 反應熱測量
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7 O → 2CO ＋3H O
C
H
＋
解： 2 6(g)
■
2(g)
2 ()
2 2(g)
熱量＝1000 × 1 × 37＝37000（cal）＝37（kcal）
 ΔH＝－37 × 30＝－370（kcal / mol）
3
答：(1) 370 kcal / mol
■
(2) C2H6(g)＋ 7 O2(g) → 2CO2(g)＋3H2O()
2
ΔH＝－370 kcal / mol
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範例 10 中和熱
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已知強酸、強鹼的莫耳中和熱為 13.33 kcal / mol，某
生用 100 mL 量筒量取 1.0 M 鹽酸 50.0 mL 置於保麗
龍杯中，另用 100 mL 量筒，量取 1.0 M 氫氧化鈉溶
液 50.0 mL，加入強鹼溶液前，酸於保麗龍杯中的溫
度為 20°C，若無熱量散失，酸、鹼開始混合反應後
之最高溫度應為多少°C？（假設此混合水溶液的質
量為 100 g，比熱為 1 cal / g°C）
(A) 23.3
(B) 26.6 (C) 30.0
(D) 33.3
(E) 40。
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範例 10 中和熱
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＋
－3
H
＝1.0
×
50
×
10
＝0.05（mol）
解：
■
OH－＝1.0 × 50 × 10－3＝0.05（mol）
ΔH＝0.05 × 13.33＝0.6665（kcal）＝666.5（cal）
666.5＝（50＋50）× 1 × ΔT ΔT＝6.665（°C）
 最後溫度約為 20＋6.665＝26.665（°C）
答： (B)
■
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範例 11 反應熱的測量
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魯夫利用保麗龍製成的簡便型卡計，在常溫下進行
「化學反應熱」實驗。步驟如下：
卡計熱容量的測定：
(1) 魯夫將 25°C 的 40 g 水倒入卡計中，等待溫度平衡
後為 25°C。
(2) 將 90°C 的 70 g 水倒入卡計中，等待溫度平衡後為
60°C。
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範例 11 反應熱的測量
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硝酸鉀溶解熱的測定：
(1) 魯夫將 25°C 89.9 g 的水倒入卡計中，等待溫度平
衡後為 25°C。
(2) 將常溫下 10.1 g 硝酸鉀倒入卡計中，待完全溶解
後，該平衡溫度為 20°C。
假設上述各個溶液的比熱皆為 1cal / g°C，且卡計的
絕熱功能相當好，不會與外界產生熱量的交換。下列
敘述，何者正確？（KNO3＝101）
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範例 11 反應熱的測量
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(A) 該卡計的熱容量為 10 cal / °C (B) 硝酸鉀的莫耳
溶解熱為 6 kcal / mol
(C) 在實驗中，可以用溫度計進
行攪拌，以減少過多器材對溫度造成的干擾
(D) 從實
驗結果可以推斷，提高水溫可使硝酸鉀的溶解度增加
(E) 將 KOH(aq) 與 HNO3(aq) 形成 KNO3(aq) 為吸熱反應。
解：(A) 70 × 1 ×（90－60）＝40 × 1 ×（60－25）＋x ×
■
（60－25） x＝20（cal /°C）
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範例 11 反應熱的測量
53/53
10.1 × y＝（89.9＋10.1）× 1 × 5＋20 × 5
(B)
解：
■
101
 y＝6000（cal / mol）＝6（kcal / mol）
(C) 不可用溫度計進行攪拌。
(D) 硝酸鉀的溶解溫度下降  溶解吸熱，故提高
水溫可使硝酸鉀的溶解度增加。
(E) KOH(aq) 與 HNO3(aq) 形成 KNO3(aq) 為酸鹼反
應，故為放熱反應。
答： (B) (D)
■
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