第 十三 章 電解質 13-1 電解質 電解質定義:凡化合物溶於水能導電者 酸:硫酸、鹽酸、硝酸… 鹼:氫氧化鈉、氫氧化鈣… 鹽:氯化鈉、硝酸鉀… 電解質分類:以『導電(解離)程度 』為依據 強電解質:易導電 燈泡很亮 弱電解質:不易導電 燈泡較暗 水溶液分類:『化合物溶於水能否導電 』區分 電解質 能導電者
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Transcript 第 十三 章 電解質 13-1 電解質 電解質定義:凡化合物溶於水能導電者 酸:硫酸、鹽酸、硝酸… 鹼:氫氧化鈉、氫氧化鈣… 鹽:氯化鈉、硝酸鉀… 電解質分類:以『導電(解離)程度 』為依據 強電解質:易導電 燈泡很亮 弱電解質:不易導電 燈泡較暗 水溶液分類:『化合物溶於水能否導電 』區分 電解質 能導電者
第 十三 章
電解質
13-1
電解質
電解質定義:凡化合物溶於水能導電者
酸:硫酸、鹽酸、硝酸…
鹼:氫氧化鈉、氫氧化鈣…
鹽:氯化鈉、硝酸鉀…
電解質分類:以『導電(解離)程度 』為依據
強電解質:易導電 燈泡很亮
弱電解質:不易導電 燈泡較暗
水溶液分類:『化合物溶於水能否導電 』區分
電解質 能導電者
非電解質:不能導電者
eg. 酒精、蔗糖水溶液
13-1
電解質
電解質的判斷 水溶液狀態通電(非融熔態)
電極:碳棒(屬於『惰性不溶解性電極』)
槽電極標示:『導線上距電池正負極遠近』判斷
正極 導線上近電池正極的電極稱之
負極 導線上近電池負極的電極稱之
電源:直流電
電極反應
發生化學反應
(氣泡、金屬溶解或析出)
Q 小問題 1.電解質一定是化合物?汞是一種電解質?
2.找課文的電解質(分酸、鹼、鹽)與非電解質 ?
13-1
電解質
解離說:瑞典人阿瑞尼士提出
解釋電解質導電的原因
會解離:電解質分子會解離成陰陽離子
會移動:陰陽離子會自由移動
電中性:電解質仍維持電中性
解離說 會解離成帶電離子
NaCl Na++Cl-
NaCl
NaCl
NaCl
NaCl
Na+
Cl-
Cl+
Na
+
Cl
Na +
Na
Cl
鈉離子有4個,共帶4單位正電
氯離子有4個,共帶4單位負電
+4+(-4)=0 保持溶液電中性
13-1
電解質
解離說 會解離成帶電離子(例二)
H2SO4 2H++SO42-
SO42- H+
H+
SO4
2-
H+ H+
氫離子有4個,共帶4單位正電
硫酸根離子有2個,共帶4單位負電
+4+(-4)=0 保持溶液電中性
解離說 通電後,
離子向定向移動至槽電極
同性相斥,異性相吸
陽離子向負極,陰離子向正極
離子移動形成電流且在電極
發生化學反應
Cl
Q 小問題 簡單說明導體與電解質導電的原因 ?
Na+
13-1
電解質
解離說 電解質水溶液仍維持電中性
NaCl
鈉離子有4個,共帶4單位正電
氯離子有4個,共帶4單位負電
+4+(-4)=0 保持溶液電中性
H2SO4
氫離子有4個,共帶4單位正電
硫酸根離子有2個,共帶4單位負電
+4+(-4)=0 保持溶液電中性
電中性的意義
電解質中,陰、陽離子所帶有的電量相等
(總電量=總電量,即淨電量=0)
電解質中,陰、陽離子的數目不一定相等
(此關係只在1:1型電解質的解離才符合)
13-1
電解質
離子的形成 原子間的電子轉移(離子不單獨存在)
(中性原子與離子化學性質顯著不同)
陽離子:帶正電(因失電子) A n+
陰離子:帶負電(因得電子) B nA0
失2e
B0
A2+
吸引
得3e
B3-
二中性原子
化合物分子式 A3B2
常
用
陰
陽
離
子
表
13-2 酸與鹼
酸的性質:能解離出氫離子(H +)者
使石蕊試紙呈紅色;使廣用試紙呈紅、橙
或黃色;使酚太呈無色。
多數酸與活性大的金屬反應,產生氫氣
鐵、鎂、鋅(酸能去鏽)
酸與碳酸鈣反應,產生二氧化碳。
酸是電解質
酸有腐蝕性
依解離程度區分為『強酸』、『弱酸』
硫酸(H2SO4)【化學工業之母】
1.解離式: H2SO4 2H+ + SO42- (強酸)
2.溶於水放出熱量(稀釋應是硫酸加入水中)
3.濃硫酸有強脫水性(稀硫酸無脫水性)
13-2 酸與鹼
濃硫酸的強脫水性:能將成分中的H、O去除
H2SO4
蔗糖(C12H22O11) 12C(黑色) + 11H2O
鹽酸(HCl)
1.解離式: HCl H+ + Cl- (強酸)
2.學名:氯化氫,俗稱:鹽酸
3.氣態氯化氫易溶於水,比空氣重(分子量36.5)
4.無色,工業用不純(含鐵離子)呈黃色
Q 小問題 請說明硫酸稀釋的稀釋方法及原因為何 ?
13-2 酸與鹼
濃硫酸的稀釋圖示
※ 比熱:水的比熱大於硫酸比熱(0.339 cal/g. ℃),大量的
水可吸收硫酸稀釋放出的熱量。
沸點:反之,若以水加入濃硫酸(沸點300℃以上)中,
混合後溫度會迅速上升,且水的沸點低,會沸騰成水蒸氣
,將挾帶硫酸逸出。
13-2 酸與鹼
硝酸(HNO3)【國防工業之母】
1.解離式: HNO3 H+ + NO3-(強酸)
2.無色,但常含少量分解的二氧化氮(NO2)
故呈黃色( NO2氣體,紅棕色有毒氣體)
3.與大多數金屬作用,且可與銅作用
(鹽酸不與銅作用)
醋酸(CH3COOH)
1.解離式:CH3COOH H+ + CH3COO-(弱酸)
2.學名:乙酸,俗稱:醋酸、冰醋酸(純乙酸)
3.食用醋:含3 5 ﹪乙酸
影響反應速率的因素
溫度 濃度 表面積 催化劑
物質活性
13-2 酸與鹼
影響反應速率的因素 以『碰撞說』解釋之
溫度:溫度高,速率快
因分子運動快,碰撞機會高
濃度:濃度高,速率快
因分子多且密集,碰撞機會高
表面積(顆粒):表面積大,速率快
因顆粒愈小,表面積愈大,碰撞機會高
催化劑:有催化劑,速率快
物質活性:活性大,速率快
◎ 反應活性(活性大 小)
鉀鈉鈣鎂鋁碳鋅鐵鉛銅汞銀金
Q 小問題 以上五項因素,各舉些實例說明之 ?
13-2 酸與鹼
鹼的性質:能解離出氫氧根離子(OH -)者
使石蕊試紙呈藍色;使廣用試紙呈藍或紫
色;使酚太呈紅色。
鹼性水溶液可溶解油脂
鹼能去油;酸能去鏽
鹼性水溶液摸起來有滑膩感
鹼是電解質
鹼有腐蝕性
依解離程度區分為『強鹼』、『弱鹼』
氨(NH3)
1.解離式: NH3 +H2O NH4+ + OH - (弱鹼)
2.無色具臭味、比空氣輕(分子量17)
3.易溶於水,形成氨水,有殺菌作用
13-2 酸與鹼
石灰(CaO 氧化鈣)
1.解離式: CaO +H2O Ca(OH)2 (強鹼)
Ca(OH)2 Ca2++2OH2.石灰水:氫氧化鈣( Ca(OH)2 )水溶液
3.檳榔加入石灰,傷害口腔
4.二氧化碳的檢驗反應
石灰水+二氧化碳碳酸鈣+水
Ca(OH)2 +CO2 CaCO3 +H2O
氫氧化鈉(NaOH )
1.解離式: NaOH Na++OH- (強鹼)
2.白色固體,俗稱燒鹼或苛性鈉
3.溶於水,放熱反應
4.易吸收水氣及二氧化碳有潮解現象
13-3 酸鹼的濃度
體積百分濃度 溶質體積占全體體積的比例
酒類之酒精濃度使用此表示法(﹪v/v 或 ﹪vol)
部分 溶質體積
溶質體積
濃度%
100
100
全部 溶液體積
溶質 溶劑體積
eg.台灣啤酒的酒精度是 4.5﹪vol,表示每100毫升的啤
酒中,含酒精 4.5毫升。
重量百分濃度 溶質重量占全體重量的比例( ﹪)
部分 溶質克數
溶質克數
濃度%
100
100
全部 溶液克數
溶質 溶劑克數
範例:10克糖加入90克水求濃度 再加水100克水,濃度 ?
範例:20﹪的糖水溶液,其中糖
克,水
克。
範例:10﹪200克的糖水與10﹪100克的糖水混合,濃度?
範例:600毫升的高梁酒的酒精度 58 ﹪vol,換算成重量百分
濃度時,仍為58﹪?換算時需要哪些資料?
13-3 酸鹼的濃度
容積莫耳濃度(體積莫耳濃度、莫耳濃度)
1.每公升溶液中所含有的溶質莫耳數
部分 溶質莫耳數
莫耳濃度
全部 溶液公升數
分子重 分子數目
莫耳數
分子量 6 1023
mole
M
l
2.單位符號:M
eg. 5MHCl 水溶液表示:(HCl=36.5)
5M=5 mole/l
每公升溶液含純HCl 5莫耳
每公升溶液含 3 ×1024 個HCl分子
每公升溶液含純HCl 182.5公克
13-3 酸鹼的濃度
範例 ◎原子量:C=12,H=1,O=16,N=14,
Cl=35.5,Na=23,S=32
1.氫氧化鈉40克(NaOH)加水溶成500ml水溶液,莫耳濃度?
2.1公升0.1M的 鹽酸水溶液中,含HCl
莫耳,含HCl
克?
3.如何配置2M的NaCl水溶液?若需配置500ml溶液,如何配置?
4.通入3×1023個氯化氫分子於純水中,此溶液體積為500ml,則
氯化氫莫耳數=
,溶液濃度
M。
5.欲配置0.5M氫氧化鈉溶液250ml,需秤取氫氧化鈉
克。
6.甲杯2M、100ml NaOH與乙杯.0.5M、400ml NaOH混合,求:
甲杯溶質莫耳數=
;乙杯溶質莫耳數=
。
甲杯溶液=
公升;乙杯溶液=
公升。
混合後,溶液中溶質莫耳總數
,溶液升數
。
混合後濃度
,是否在二杯濃度之間?
。
7.18M的硫酸(H2SO4),密度1.84g/cm3,重量百分濃度?
13-3 酸鹼的濃度
酸鹼定義
1.水溶液中,氫離子與氫氧根離子共同存在
(酸中也有氫氧根離子,鹼中也有氫離子)
水溶液中氫離子與氫氧根離子濃度的相對大小比較
(何者性質多,就顯示出較多者的性質)
中性:[H+] = [OH-]
酸性:[H+] > [OH-]
鹼性:[H+] < [OH-]
2.溶液中氫離子與氫氧根離子濃度的乘積為定值
[H+] ×[OH-] =10-14 (at 25℃)
二濃度間是反比關係(一增加,另一就減少)
※符號:[] :中括號,表為莫耳濃度之意
13-3 酸鹼的濃度
酸鹼的定量化
1.純水的解離
H20 H++OH純水是中性的 中性:[H+] = [OH-]
25℃下, 因 [H+] ×[OH-] =10-14
[H+] = [OH-] =10-7M
中性:[H+] = [OH-] ;[H+] ×[OH-] =10-14
[H+] =10-7M = [OH-]
酸性:[H+] > [OH-] ;[H+] ×[OH-] =10-14
[H+] >10-7M > [OH-]
鹼性:[H+] < [OH-] ;[H+] ×[OH-] =10-14
[OH-] >10-7M > [H+]
13-3 酸鹼的濃度
酸鹼的定量化
2.酸鹼值(pH值)以 [H+] 濃度定義之
當 [H+] =10 -X 時,其 pH=X
範例
1.將HCl加入純水中,純水中[H+]
, [OH-]
。
溶液酸鹼性
。
2.將酒精加入純水中,純水中[H+]
, [OH-]
。
溶液酸鹼性
。
3.求以下各溶液之pH值?或[H+] 濃度?
[H+] = 10-5 pH=
,
性([OH-] =
)
[OH-] = 10-3 [H+] =
,pH=
,
性。
pH=8 [H+] =
, [OH-] =
,
性。
4.pH值有可能正值、負值或為零?
13-3 酸鹼的濃度
範例
5.甲液pH=3,乙液pH=3,氫離子濃度相差
6. HCl 0.001M水溶液,pH=?
7. NaOH 0.1M水溶液,pH=?
8. CH3COOH 0.001M水溶液,pH=?
強酸鹼的解離
強酸(鹼):強電解質
完全解離成氫離子或氫氧根離子者
弱酸(鹼):弱電解質
部分解離成氫離子或氫氧根離子者
倍。
13-3 酸鹼的濃度
酸鹼性的測定
中性:[H+] =10-7= [OH-] , pH=7
酸性:[H+] > 10-7> [OH-] , pH<7
鹼性:[H+] <10-7 < [OH-] , pH>7
常見物質酸鹼值表
[H+]愈大, [OH-]愈小
愈酸
pH<7
pH=7
[H+]愈小, [OH-]愈大
愈鹼
pH>7
13-3 酸鹼的濃度
酸鹼性測量:酸鹼指示劑 限水溶液狀態
石蕊試紙:酸中呈紅色;鹼中呈藍色
酚太指示劑:酸中呈無色;鹼中呈紅色
廣用試紙:以『標準色碼表』比對
酸中呈漸紅色;鹼中呈漸藍色;中性呈綠色
其他物質:紫甘藍、紅鳳菜..等
酸鹼性測量:使用電子儀器 pH 計
13-4 酸鹼中和
酸鹼中和
1.反應通式
酸 + 鹼 鹽 +水+熱
HA+BOH BA+H2O
2.離子方程式通式
氫離子+氫氧根離子 水
H++OH- H2O
3.混合後水溶液之酸鹼性視反應物酸及鹼抵銷中
和的程度而定,以酸鹼指示劑判斷反應終點。
4.酸鹼中和為放熱反應,混合後溫度上升
5.實例: 燒稻草(燒灰中之K2CO3 可中和酸性土壤)
胃酸過多(用NaHCO3中和過多之胃酸)
Q 小問題 請列舉一些常見的酸及鹼 ?並完成酸鹼中和反應?
13-4 酸鹼中和
酸鹼中和原理
酸
鹼
鹽、水
酸 + 鹼 鹽 +水+熱
HA+BOH BA+H2O
eg.
HCl+NaOH NaCl+H2O
H2CO3+2NaOH Na2CO3+2H2O
H2SO4+Ca(OH)2 CaSO4+2H2O
HNO3+KOH KNO3+H2O
13-4 酸鹼中和
離子方程式的改寫原則 H++OH- H2O
電解質拆開 左右相同者抵銷 重新整理
eg.
HCl+NaOH NaCl+H2O
H2CO3+2NaOH Na2CO3+2H2O
H2SO4+Ca(OH)2 CaSO4+2H2O
HNO3+KOH KNO3+H2O
Q 小問題 1.酸鹼中和的反應經改寫成離子方程式是否都相同?
2. 『酸鹼中和是形成水的反應』,這說法對嗎?
3.改寫原則中『左右相同者抵銷』代表了何種意義?
13-4 酸鹼中和
酸鹼中和(EXP-13-3)
1.此稱為酸鹼滴定,可求出未知酸或鹼的濃度
2.滴定管(如圖乙)中要裝已知濃度之酸或鹼
3.錐形瓶(如圖甲)中為未知濃度之鹼或酸,並滴
數滴適當之酸鹼指示劑
乙
4.指示劑變色即到達了滴定終點
5.將中和混合液移至蒸發皿加熱,
水蒸發後可得鹽類。
甲
13-4 酸鹼中和
酸鹼中和圖說(EXP-13-3)
13-4 酸鹼中和
酸鹼指示劑變色
0.1M HCl 滴定
0.1M、10ml NaOH
HCl
NaOH+酚太
未滴定前:甲只有NaOH及酚太
此時呈紅色(鹼性,pH=13)
開始滴入HCl 4ml,抵銷部份的鹼,
但鹼仍剩下
呈淡紅色(鹼性,pH 減小)
繼續滴入HCl 達10ml,抵銷全部的鹼
沒有鹼剩下(此時達滴定終點)
呈無色(中性,pH 近於 7)
繼續滴入HCl 達12ml,此時HCl的量
過多,為酸性
呈無色(酸性,pH 減小)
繼續滴入HCl,溶液愈酸,顏色不再
改變,仍為無色
13-4 酸鹼中和
酸鹼中和的定量運算【補充】
化學方程式中
係數比=反應之莫耳數比
※ 酸鹼中和反應式:
H++OH- H2O
H+ 莫耳數=OH-莫耳數
(酸的莫耳數不一定等於鹼的莫耳數)
範例:
1.0.1M HCl 滴定 0.1M、10ml NaOH ,需要多少毫升HCl?
2.將1莫耳H2SO4與鹼中和,需
莫耳NaoH;或
莫耳
Ca(OH)2才能完全中和?
3.以0.1M NaOH 滴定HCl水溶液50ml,當達滴定終點時,耗
去NaOH共25ml,則HCl濃度為
M?
13-4 酸鹼中和
想想看
此為口腔中唾液中的pH值在一天中的變化情形:
殘留在口腔中的食物會轉變為酸性或鹼性?
口腔常保持酸性,易蛀牙,所以牙膏應該帶有弱鹼性
或弱酸性?說明你的理由。
13-4 酸鹼中和
鹽類的製備
※ 鹽的組成
金屬離子或銨根離子與酸根或非金屬離子形成
1.酸鹼中和反應
NaOH+HCl NaCl+H2O
2CH3COOH+Mg(OH)2 (CH3COO)2Mg+2H2O
2.金屬與酸反應
Mg+2HCl MgCl2+H2
Zn +2HCl ZnCl2 +H2
3.碳酸鹽與酸反應
CaCO3+2HCl CaCl2+CO2+H2O
2NaHCO3+H2SO4 Na2SO4+2H2O+2CO2
13-4 酸鹼中和
常見的鹽類
(1)氯化鈉(NaCl)
俗稱食鹽 水溶液呈中性
(2)硫酸鈣(CaSO4)
白色固體,不易溶於水 石膏的主成分
(3)碳酸鈣(CaCO3)
白色固體,不易溶於水
方解石、大理石、貝殼的主要成分
遇酸或加熱,產生二氧化碳
CaCO3+2HCl CaCl2+CO2+H2O
CaCO3 CaO+CO2
(4)碳酸鈉(Na2CO3)
白色固體 又名洗滌鹼
13-4 酸鹼中和
常見的鹽類
(4)碳酸鈉(Na2CO3)
水溶液呈鹼性
Na2CO3 2Na++CO32-
CO32-+H2O HCO3-+OH-
遇酸,產生二氧化碳(加熱則否)
(5)碳酸氫鈉(NaHCO3)
白色固體 俗稱小蘇打
水溶液呈弱鹼性
是胃藥中的成分,可中和過多的胃酸
市售的發粉,含有碳酸氫鈉
遇酸或加熱,產生二氧化碳
2NaHCO3 Na2CO3+H2O+CO2
13-4 酸鹼中和
滅火器介紹
利用CO2不可燃、不助燃及比空氣重性質
構造設計:
酸鹼滅火器:內部產生化學反應以產生CO2
乾粉滅火器:外部產生化學反應以產生CO2
酸鹼滅火器 CO2是在內部產生的
2NaHCO3+H2SO4 Na2SO4+2H2O+2CO2
1. 使用時要倒置
以使反應物混合
2. 內部有濃硫酸瓶蓋及碳酸氫
鈉水溶液
3. 不可用於電線走火及油類起火
13-4 酸鹼中和
乾粉滅火器 CO2是在乾粉噴向火源才產生的
2NaHCO3 Na2CO3+H2O+CO2
( 表加熱)
這是指示內部氮
氣壓力的壓力表
1. 使用時不需要倒置
2. 內部有碳酸氫鈉乾粉和氮氣鋼瓶
(氮氣是不可燃不助燃的)
3. 可用於普通火災、電線走火及油
類起火
13-5 電流的化學效應
歷史 1800年英國人尼可爾生首次水電解實驗
電流的化學效應
電能轉變為化學能的反應(吸熱反應)
電解 電鍍(13-6)
電極反應與電解質種類及電極棒材料有關
※ 13-1 電解質
1.正極 導線上近電池正極的電極
2.負極 導線上近電池負極的電極
3.電源:限定直流電
4.電極反應
發生化學反應
(氣泡、金屬溶解或析出)
Q 小問題 電解反應是化學變化嗎?是屬於吸熱反應?
13-5 電流的化學效應
電解原理解析
1. 甲( AB)水溶液為例,解離式:
H2O H++OH-
AB A++B-
2. 通電流後,離子定向移動:
陽離子(H+及A+)向負極,
得到電子
陰離子(OH-及B-)向正極
,放出電子
3.電極材料區分可溶解與不溶性
銅棒 可溶解性
碳棒 不可溶解性
※ 離子競爭後可能的電極化學反應
正極 產生氧氣(O2)或正極溶解
負極 產生氫氣(H2)或金屬析出
13-5 電流的化學效應
水的電解
1.反應 2H2O 2H2+O2
2.電源:直流電
3.電極:碳棒(不溶性)
4.加入氫氧化鈉(幫助導電)
5.正極:產生氧氣(O2)
負極:產生氫氣(H2)
氫、氧體積比=2:1
氫、氧質量比=1:8
6.當兩極愈靠近,產生
氣體速率愈快
水
Q 小問題 1.水的電解能使用交流電嗎?與直流電的差異?
2. 二極的氣體如何檢驗其為氫氣或氧氣?
13-5 電流的化學效應
硫酸銅水溶液的電解
1.二電極:碳棒
2.電解後:
溶液顏色藍色漸淡
溶液呈漸酸性(pH)
溶液濃度減少
正極(碳)產生氧氣
正極棒質量不變
2H2O 4H++O2+4e-
負極(碳)有紅色銅析出
負極棒質量增加
Cu2++2e- Cu
13-5 電流的化學效應
硫酸銅水溶液的電解【補充】
1.二電極:銅棒
2.電解後:
溶液顏色不變
溶液酸鹼性不變
溶液濃度不變
正極(銅)溶解
正極棒質量減少
Cu Cu2+ +2e-
負極(銅)有紅色銅析出
負極棒質量增加
Cu2++2e- Cu
Q 小問題
請反覆思索二電極可能出現的電極反應?
13-5 電流的化學效應
電解硫酸銅水溶液圖說
正極使用(碳棒或銅棒)
電解液濃度或顏色的變化
二極的質量增減變化
-
甲
銅棒 +
Cu2+
CuSO4水溶液
-
乙
碳棒
Cu2+
CuSO4水溶液
+
13-6 電鍍
電鍍的目的
防止生鏽
增加美觀
電鍍的原理:電解原理
電鍍的流程
前處理:表面清潔
1.拋光 砂紙
2.去鏽 稀酸
3.脫脂 強鹼(氫氧化鈉)
電鍍:附著一層金屬
後處理:乾燥
1.水洗
2.溶劑洗 丙酮(揮發快,乾燥快)
13-6 電鍍
電鍍
將一金屬(擬鍍物)鍍上另一金屬(被鍍物)
電源:直流電
電鍍液:含有擬鍍物金屬的水溶液(eg.CuSO4)
負極(金屬析出):置放被鍍物(eg.鑰匙)
正極(正極溶解):置放擬鍍物金屬片(eg.銅片)
1.正極: Cu Cu2+ +2e-
正極溶解,質量減少
2.負極: Cu2++2e- Cu
金屬析出,質量增加
3.全反應:Cu(正) Cu(負)
4.電解液濃度不變,顏色不變
5.隨時間,析出金屬,愈厚
6.正極減少質量=負極增加質量
13-6 電鍍
電鍍廢水的污染
二仁溪綠牡蠣事件:銅離子污染
鍍銀廢水:含有劇毒氰化物(CN-)
硫酸銅電鍍液處理
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加入鋼絲絨,使其反應,銅會吸附析出