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Chapter 1

Chapter 1. 物質的變化與化學反應式. 本章目錄. 1-1 構成物質的基石－原子及分子 1-1A 定比定律與道耳吞原子說 1-1B 分子及亞佛加厥定律 1-2 化學反應式與化學計量 1-2A 化學式 1-2B 化學反應式與化學計量 1-2C 化學反應與能量的關係 1-3 物質的狀態變化 1-3A 物質的三態變化 1-3B 相圖 1-3C 粒子的運動模型. 1-1 A 定比定律與道耳吞原子說. 古代化學. 近代化學. 原子概念的演進. 距今 400 多年前： 德謨克利特 ( 希臘哲學家 )

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  1. Chapter 1 物質的變化與化學反應式

  2. 本章目錄 1-1 構成物質的基石－原子及分子 1-1A 定比定律與道耳吞原子說 1-1B 分子及亞佛加厥定律 1-2 化學反應式與化學計量 1-2A 化學式 1-2B 化學反應式與化學計量 1-2C 化學反應與能量的關係 1-3 物質的狀態變化 1-3A 物質的三態變化 1-3B 相圖 1-3C 粒子的運動模型

  3. 1-1A 定比定律與道耳吞原子說 古代化學 近代化學 • 原子概念的演進 • 距今400多年前： • 德謨克利特(希臘哲學家) • 提出原子(atom)概念 • 1785年： • 拉瓦節(法國科學家) •  質量守恆定律 • 1799年： • 普勞斯特(法國科學家) •  定比定律 • 1803年： • 道耳吞(英國科學家) •  倍比定律 •  原子說

  4. 1-1B 分子及亞佛加厥定律 • 分子概念的演進 • 1811年： • 亞佛加厥(義大利科學家) •  亞佛加厥定律(分子說) • 1803年： • 道耳吞(英國科學家) •  原子說 矛盾 合理 • 1808年： • 給呂薩克(法國科學家) •  氣體化合體積定律

  5. 1-2 化學反應式與化學計量 純物質 寫法與平衡 元素 符號 反應物&生成物 化學式 化學反應式 化學計量 熱化學反應式 實驗式 分子式 結構式 示性式 元素重量百分比 燃燒分析法 定義、化學式求法

  6. 1-3 物質的狀態變化 溫度-時間 圖 加熱曲線圖 物質的狀態 三態變化 常見 溫度-壓力 圖 三 相 圖 模型 粒子運動模型

  7. 參考資料 • http://library.hwai.edu.tw/science/content/1987/00120216/0003.htm，高溫超導體的基本性質，科學月刊(1987)

  8. The End Thanks for Your Listening

  9. 質量守恆定律 • 定義： 物質發生化學變化時，反應前後的總質量相等 ＋ Na：0.46 g Cl2：0.71 g NaCl：1.17 g

  10. 1-1A 例題1-1 • 依據質量守恆定律，計算理想狀況下，鈉(Na)與氯氣(Cl2)生成氯化鈉(NaCl)的質量，完成下列表格： (原子量 Na = 23，Cl = 35.5) Ans：(a) 0.585 g (b) 無 (c) 0.585 g (d) Cl2 , 0.10 g (e) 1.170 g (f) Na , 0.05 g

  11. 1-1A 定比定律 • 定義： • 同一化合物中，各組成元素間的質量恆成固定比例 • 說明：以水(H2O)為例 • 不論水的來源為何，其組成元素的質量比 H：O = 12：161 = 1：8 • 練習： • 葡萄糖(C6H12O6)的組成元素質量比 C：H：O = ? Ans：質量比 C：H：O = 6：1：8

  12. 倍比定律 • 定義： 兩元素生成兩種或兩種以上化合物時，若一種元素的質量固定，另一元素的質量比恆為簡單整數比 • 說明：以氮氧化物(NOx)為例

  13. 1-1A 例題1-2 • 下列何組物質可用來說明道耳吞的倍比定律？ (A) O2、O3 (B) 12C、13C (C) N2O、NO (D) CO、NO2 Ans：(C)

  14. 原子說(1) • 所有物質均由極微小且不可再分割的粒子所組成，此粒子稱為原子 • 同一元素的原子 相同質量及化學性質 不同元素的原子 不同質量及化學性質 • 化合物是由整數個原子依簡單及固定的比例組合而成 • 化學反應中，原子不會被創造或消滅，只是重新排列組合 可解釋 質量守恆、定比、倍比 定律

  15. 1-1B 1-1A 原子說(2) : 觀念修正 • 原子並非最微小粒子，可再分成質子、中子、電子 • 同位素 質量未必相同，例：1H、2H 、3H 同量素  原子未必相同，例： 14C、14N 同素異形體  性質未必相同，例： 金剛石、石墨 • 超導體  原子化合比例不一定是簡單整數比 例：釔鋇銅氧1-2-3化合物 (YBa2Cu3O7-x) ，x值可為小數或整數，且隨製備方式不同， x值亦不同 • 核反應/放射性蛻變  原子種類及數目改變

  16. 1-1B 氣體化合體積定律 • 定義： 同溫同壓下，氣體間的反應，其消耗或生成的各種氣體體積恆成簡單整數比 氮氣 氫氣 氨氣  同溫同壓下，氮氣和氫氣反應生成氨氣，其體積比恆為1：3：2

  17. 亞佛加厥定律(分子說) • 定義： • 同溫同壓下，相同體積的氣體含有相同數目的分子 • 分子由整數個相同或相異的原子構成，具有物質原有特性的最小單位 • 氣體：體積比 = 分子數比 = 莫耳數比 1N2(g) 3H2(g) 2NH3(g)  若氮氣為單原子組成，構成氨氣時變會形成半個氮原子，這嚴重違反原子說。實際上，氮氣與氫氣為雙原子分子，而氨氣則是1個N原子與3個H原子所組成

  18. 1-2 1-1B 例題1-3 • 甲、乙、丙均為氣體，在同溫同壓下，2體積甲與1體積乙化合成2體積丙。若甲之化學式為A2，則乙之化學式可能為： (A) A2B (B) AB2 (C) A2B2 (D) A2B5 Ans：(C) 2甲+1乙2丙  2A2 + 1AxBy 2AmBn ∴ 4 + x = 2m，y = 2n 故x，y皆為偶數， (C)符合答案！

  19. 化學式(1)：實驗式(簡式) • 定義： • 利用實驗求出物質的原子種類及最簡單整數比 • 實驗式表示：非分子結構物質 • 金屬 • 離子化合物 • 共價網狀固體 • 分子結構/分子量 未定的物質  高分子聚合物

  20. ※以化合物 AmBnCp 為例  求最簡整數比 WA WB WC m：n：p = ： ： MA MB MC A% B% C% = ： ： MA MB MC WA：元素A的重量， MA：元素A的原子量A%：元素A的重量百分比，於皆類推… 實驗式求法 • ※ 式量 = MAm + MBn + MCp • = 實驗式中原子量的總和 • 練習：實驗式CH2O的式量為多少？ • Ans：121 + 12 + 161 = 30

  21. 醋酸與葡萄糖的性質比較(1) 【N0：亞佛加厥常數= 6.02×1023】

  22. 1-2 醋酸與葡萄糖的性質比較(2) • 醋酸(CH3COOH)與葡萄糖(C6H12O6)為例： • 實驗式皆為CH2O • 相同處： • 實驗式，式量 • 原子化合比 • 元素重量百分比 • 等重時原子總數 • 相異處： • 物性 • 化性 • 分子式，分子量 • 等重時分子總數

  23. 1-2 化學式(2)：分子式 • 定義： • 純物質一分子中所含原子種類及實際數目 • 分子是原子集合而成的集團，可各自分離、獨立存在 • 分子式表示：分子化合物，依原子個數多寡可分為  • 單原子分子：惰性氣體氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)… • 雙原子分子：氮氣(N2)、氧氣(O2)、氫氣(H2)… • 多原子分子：水(H2O)、葡萄糖(C6H12O6)… • 分子量： • 分子式中原子量的總和 • 分子量 = 式量n  分子式 = (實驗式)n

  24. 化學式(3)：結構式 • 定義： • 分子中原子的種類、數目及原子間鍵結情況 • 結構式表示法： • 以短線表示原子間鍵結，依數目多寡可分為： • 單鍵：例如  CC (碳碳單鍵) • 雙鍵：例如  CC (碳碳双鍵) • 參鍵：例如  CC (碳碳叁鍵)

  25. 結構式：原子間排列情況，但並非真正立體結構，而是經過適度簡化，以甲烷(CH4)為例  簡化 3D立體結構 結構式

  26. 1-2 同分異構物 • 定義：化合物中分子式相同，結構式不同者，以丙醛及丙酮為例 

  27. 化學式(4)：示性式 • 定義： • 表示分子中原子的種類、數目及該分子所具有的特性結構 (根或官能基) • 示性式： • 結構式的簡化  示性式 • 示性式大多用於有機化合物 • 根：帶有靜電荷的原子團，例：NO3－(硝酸根)、OH－(氫氧根)、NH4+(銨根)… • 官能基：表現物質特性的原子或原子團，例：OH(羥基)、NH2(胺基)…

  28. 常見有機化合物及其官能基

  29. H H H C O C H H H H H H C C O H H H 1-2 例題1-4 • 乙醇與二甲醚為同分異構物，其分子式為C2H6O，試寫出：(1)結構式？ (2)示性式？ Ans：

  30. 元素重量百分比 • 亦稱為元素重量百分組成 • 化合物中各成分元素的重量百分比為定值 • 計算方法：以H2O為例 計算H2O分子量 H2O = 12 + 16 =18 H% = (2/18)  100% = 11.1% O% = (16/18)  100% = 88.9%

  31. 1-2 例題1-5 • 試求碳酸鈣(CaCO3)中，各原子的重量百分比，依此試求123克的碳酸鈣中，含鈣多少克？(原子量：Ca = 40、C = 12、O = 16) Ans： CaCO3 = 40 + 12 + 163 = 100 Ca% = (40/100)  100% = 40% C % = (12/100)  100% = 12% O % = (48/100)  100% = 48% 鈣重 = 123  40% = 49.2 克

  32. 燃燒分析法 (1) • 定義： 將樣品置入火爐中燃燒，並收集產物，藉以分析化合物中所含各成分元素重量百分比的方法 • 實驗裝置示意圖： 氧化銅 多餘氧氣出口 氧氣 樣品 火爐 乾燥劑： Mg(ClO4)2 CaCl2 氫氧化鈉(NaOH) 依此示意圖，可測出化合物中碳(C)及氫(H)的含量

  33. 燃燒分析法 (2) • 根據上述實驗裝置，以有機物CxHyOz為例 秤量m克CxHyOz 置入 火爐 通入 O2 燃燒反應 碳的氧化物 水、氧氣 生成 通過 CuO 二氧化碳 水、氧氣 通過 乾燥劑 二氧化碳 氧氣 通過 NaOH 氧氣 排出 完全燃燒 吸收H2O 吸收CO2 H2O中H重：n克 CO2中C重：p克 推算 計算 O重：(m-n-p)克 原子 莫耳數比 分子量 求得 C : H : O 實驗式 分子式

  34. 化學式求法 

  35. 1-2 例題1-6 • 維他命C重1.000 g，內含C、H、O等元素，經過燃燒後產生1.500 g的CO2及0.405 g的H2O，試求出：(1)維他命C的實驗式？ (2)若其分子量為176 g/mol，求其分子式？ Ans： CO2中C% = 12/44， H2O中H% = 2/18 1.500 g CO2中C的重量：1.500  (12/44) = 0.409 g 0.405 g H2O中H的重量：0.405  (2/18) = 0.045 g O的重量：1.000  0.409  0.045 = 0.546 g 原子莫耳數比 C：H：O = (0.409/12) : (0.045/1) : (0.546/16) ≈ 3：4：3  實驗式：C3H4O3  式量：88 ∵176/88 = 2 = n  維他命C分子式：(C3H4O3)2 = C6H8O6

  36. 1-2B 化學反應式 • 定義： • 根據實驗結果，以化學式及數字描述化學反應的式子 • 特色： • 依據事實表示，不可臆測 • 遵守質量守恆定律 • 僅表示最初反應物及最終產物 • 無法計算反應速率快慢 • 無法得知反應物如何轉變成產物 • 相同反應物，不同反應條件 產物不同

  37. 化學反應式寫法(1) • 左邊：反應物 • 右邊：產物 • 中間以””連接兩邊 • 反應條件：如溫度、壓力、催化劑寫在””的上方或下方 • 物質狀態：以縮寫代號寫在化學式右下角 • 固態： (s) • 液態： (l) • 氣態： (g) • 水溶液： (aq)

  38. 化學反應式寫法(2)：係數平衡 • 原理： • 原子不滅 • 電荷不滅 • 氧化數不滅 • 平衡方法： • 觀察法：以元素在方程式兩邊各出現1次，且數目不相等者先平衡之 • 代數法： • 先以觀察法決定可平衡之元素係數 • 不能決定之元素係數，設未知數x、y、z… • 依據上述3大原理，列出聯立方程式 • 解方程式，求出未知數

  39. 1-2 例題1-7 • 利用觀察法或代數法，平衡下列反應式？ • CaCO3 + HCl  CaCl2 + CO2 + H2O • N2H4 + N2O4  N2 + H2O • Cu + HNO3(稀)  Cu(NO3)2 + NO + H2O • Cu + HNO3(濃)  Cu(NO3)2 + NO2 + H2O • Ans： • CaCO3 + 2HCl  CaCl2 + CO2 + H2O • 2N2H4 + N2O4  3N2 + 4H2O • 3Cu + 8HNO3  3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O • Cu + 4HNO3  Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

  40. 化學計量(1)：流程圖

  41. 化學計量(2)：莫耳數 • 莫耳數求法： 莫耳(mole) = W (g) ÷ M = 粒子數 ÷ N0 = V(g) (L) ÷ 22.4 【0℃,1atm】 = V(g) (L) ÷ 24.5 【25℃,1atm】 = CM (mol/L)  V(aq) (L) 其中 W：重量，M：分子量或原子量 N0： 6.021023，V(g)：氣體體積 CM：體積莫耳濃度，V(aq)：溶液體積

  42. 反應式係數/莫耳數 的關係式 • 係數比 = 莫耳數比 = 分子數比 = 氣體體積比 ≠ 質量比 ≠ 原子數比

  43. 例題1-8 • 赤鐵礦(Fe2O3)是煉鐵的重要原料，當赤鐵礦在鼓風爐中和焦碳一起加熱時，會產生一系列反應，其中最主要的步驟是與CO反應生成Fe及CO2的反應。試問31.94 g的赤鐵礦，最多可以生成多少g的鐵(Fe)？(Fe2O3 = 159.7, Fe = 55.85) • Ans： • 依據題意，寫出正確化學反應式並均衡之 • 1Fe2O3(s) + 3CO(g)  2Fe(l) + 3CO2(g) • 求出赤鐵礦(Fe2O3)的莫耳數 • 31.94  159.7 = 0.2 (mole) • 按照Fe2O3與Fe的係數比，求出鐵的莫耳數 x • 1：0.2 = 2：x x = 0.4 (mole) • 將鐵的莫耳數換算成重量 • Fe重 = 0.4  55.85 = 22.34 (g)

  44. Ans： • 計算硝酸銀及氯化鈉的莫耳數 • AgNO3莫耳數 = 0.4  (25/1000) = 0.01 (mole) • NaCl莫耳數 = 1.0  (50/1000) = 0.05 (mole) • 依題意寫出正確化學反應式，觀察物質間莫耳數的關係： • AgNO3(aq) + NaCl(aq)  AgCl(s) + NaNO3(aq) • 初始mole 0.01 0.05 0 0 • 反應mole -0.01 -0.01 +0.01 +0.01 • 剩餘mole 0 0.04 0.01 0.01 • 氯化銀沈澱的重量 • AgCl重 = 0.01  143.5 = 1.435 (g) 例題1-9 • 若將25 mL、0.4 M的硝酸銀溶液，加入50 mL、1.0 M的氯化鈉溶液中，試計算最多能生成氯化銀的沈澱多少g？(AgCl = 143.5)

  45. 化學計量(3)：限量試劑及產率 • 限量試劑： • 化學反應中，最先被用盡的反應物 • 限量試劑將限制生成物的產量 • 如何判斷限量試劑？ 反應物莫耳數 係數 • 產率： • 依據化學反應式，某生成物實際產量與理論產量的百分比值 • 公式：產率 = • 理論產量：限量試劑完全反應後，依據化學反應式該生成物應產生的最大產量  最小者為限量試劑 】 【 實際產量  100% 理論產量

  46. Ans： • 計算原有CO2及H2O的莫耳數 • CO2莫耳數 = 22  44 = 0.50 (mole) • H2O莫耳數 = 36  18 = 2.0 (mole) • 寫出化學反應式，觀察反應物完全反應時物質間莫耳數的關係： • 6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2 • 初始mole 0.50 2.0 0 0 • 反應mole -0.50 -0.50 +(0.506) +0.50 • 剩餘mole 0 1.50 (0.506) 0.50 • 葡萄糖的理論產量：180  (0.506) = 15 (g) • 產率 = (4.5/15)  100% = 30% 例題1-10 • 二氧化碳和水經光合作用能生成葡萄糖(C6H12O6)，若22 g的二氧化碳與36 g的水生成4.5 g的葡萄糖，試估算此反應的產率？(C6H12O6 = 180)

  47. 4 (HNO3) 4 (NO) 2 (NO2) 4 (NO2) 4 (NH3) 2 (NO) • Ans：N2莫耳數 = 56  28 = 2.0 (mole) • 第一步驟生成NH3莫耳數= 2.0   50% = 2.0 (mole) • 第二步驟生成NO莫耳數= 2.0   90% = 1.8 (mole) • 第三步驟生成NO2莫耳數= 1.8   95% = 1.7 (mole) • 第四步驟生成HNO3莫耳數= 1.7   70% = 1.2 (mole) • HNO3重 = 1.2  63 = 75.6 (g) 2 (NH3) 1 (N2) 1-2 例題1-11 • 利用奧士華法製備硝酸，需依序經過下列反應：(1) 1N2 + 3H2 2NH3 (2) 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O (3) 2NO + 1O2  2NO2 (4) 4NO2 + 2H2O + 1O2 4HNO3 假設第一步驟反應的產率為50%，第二~四步驟的產率分別為90%、95%、70%，試問56 g的氮氣能產出多少g的硝酸？(HNO3 = 63)

  48. 熱化學反應式(1)：熱含量與反應熱 • 熱含量(焓)： • 定溫定壓下，物質生成時，儲存於其中的能量，以”H”表示之 • 物質的絕對熱含量無法單獨測出，僅能測得反應前後的差值”H (反應熱)” • 熱含量會受溫度、壓力及相態的影響 • 反應熱(H)： • 公式： H = ∑生成物熱含量  ∑反應物熱含量 • H＞0 吸熱反應 • H＜0 放熱反應

  49. 吸熱反應 • 定義： • 反應物形成生成物時會向環境四周吸收熱量的反應 • ∑生成物熱含量 ＞ ∑反應物熱含量  H＞0 Ba(OH)28H2O + 2NH4Cl  BaCl2 + 2NH3 + 10H2O H = +80.3 kJ 八水合氫氧化鋇和氯化銨的反應是吸熱反應，會使燒杯中的水溫降至0.06℃

  50. 放熱反應 • 定義： • 反應物形成生成物時會釋出熱量的反應 • ∑生成物熱含量 ＜ ∑反應物熱含量  H＜0 2Mg(s) + O2(g)  2MgO(s)H = 1204 kJ 鎂帶燃燒生成氧化鎂，會產生強光及釋放出熱量

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