Calorimetry 卡計 2-1 - 加百列的部落格

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Calorimetry 卡計 2-1

2011/07/05 08:48

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我們可以利用一種叫做卡計／熱量計 calorimeter的東西來測量一個化學反應的熱量；測量熱量的科學基礎在，觀察物質吸收或釋放熱造成的溫度變化。

化學原理啟迪218

1. 我們可以利用一種叫做卡計／熱量計 calorimeter的東西來測量一個化學反應的熱量；測量熱量的科學基礎在，觀察物質吸收或釋放熱造成的溫度變化。

2. 每一種物質對加熱的反應都不同。一般而言，物質的熱含量 heat capacity定義（C）是每增加一度需要吸收的熱能：

C＝吸收的熱／增加的溫度

3. 元素或化合物被加熱後，溫度提高到某個水準需要多少能量，與這些物質的數量有關，舉例來說，讓「2g的水提高1℃」需要的能量是「1g水提高1℃」的2倍。因此，對物質的熱含量下定義時，一定要弄清楚物質的份量。

4. 如果熱含量的單位是每公克per gram的物質，這稱為比熱specific heat capacity，單位是每1公克物質，提高K絕對溫度1度，需要J焦耳單位的能量，寫成「J K^－¹g^－¹」；或每1公克物質，提高攝氏溫度1℃，需要的J焦耳單位的能量，寫成「J ℃^－¹g^－¹」。

5. 如果熱含量指每莫耳per mole的物質，這稱為莫耳熱含量molar heat capacity，單位是每1莫耳物質，提高K絕對溫度1度，需要J焦耳單位的能量，，寫成「J K^－¹mol^－¹」；或每1莫耳物質，提高攝氏溫度1℃，需要的J焦耳單位的能量，寫成「J ℃^－¹mol^－¹」。常見物質的比熱如下：

6. 雖然用來檢驗重大實驗的高精確度卡計，是非常精密的測量儀器，但是如果只是要做基礎的測量，我們可以使用一種簡單的卡計：咖啡杯卡計coffee cup calorimeter。

7. 我們需要2個保麗龍咖啡杯（像麥當勞冬天提供的有蓋保麗龍杯），其中一個咖啡杯上頭有蓋子密封，插入攪拌器與熱量計，然後再把另一個咖啡杯套在這組咖啡杯底下，當成隔溫、保溫的外罩，裡頭的咖啡杯裝要測量的溶液，反應就在內層咖啡杯的溶液中進行，這就是咖啡杯卡計coffee cup calorimeter。

8. 下圖是簡單的恆壓卡計constant-pressure calorimetry，因為杯子外面的壓力在反應過程中都是保持恆定不變的。恆壓卡計可測量出溶液的焓變化。特別留意在恆壓下，焓變化等於流入或流出的熱。

9. 舉例來說，假設在25℃下，我們在卡計裡面，混合50.0ml的1.0M HCl 和50.0ml的1.0M NaOH。在反應物混合之後，觀察到溫度上升到31.9℃。淨離子反應方程式是

H⁺(aq)+OH^－(aq)→H2O(l)

10. 混合這二種反應物（原本溫度都一樣）後，混合溶液的溫度上升。所以這個化學反應以熱的形式釋放能量。混合，增加了溶液內化合物的隨機運動，因此提高了溫度。

11. 釋放的能量多寡可以從增加的溫度、溶液的質量、溶液的比熱衡量出來。在求取近似值的時候，我們會假設卡計沒有釋放或流失任何溶液的能量，而且溶液視為純水，濃度是1.0g/mL。

12. 我們也必須知道一定份量的水溫度提高1℃需要的熱是多少。上表列舉水的比熱是4.18 J℃^－¹g^－¹。意思是，要提高1g水的溫度1℃需要4.18 J的能量。

13. 依據假設條件與定義，我們計算出這個中和反應的熱（焓變化）：

反應釋放的能量

＝溶液吸收的能量

＝比熱×溶液質量×增加的溫度

14. 這份溶液增加的溫度＝31.9℃－25.0℃＝6.9℃，並且

溶液的質量＝100.0mL×1.0g/mL＝1.0×10²g

15. 因此

釋放的能量＝(4.18 J/℃ g)(1.0×10²g)(6.9℃)＝2.9×10³J

16. 反應的焓，常用的單位是反應物質的莫耳數。以上實驗中消耗掉的H⁺離子莫耳數

50.0mL×(1L／1000mL) ×(1.0 mol／L H⁺)＝5.0×10^－²mol H⁺

17. 當5.0×10^－²mol的H⁺離子進行中和反應，溶液釋放出2.9×10³J的熱，因此

（2.9×10³J）／（5.0×10^－²mol H⁺）＝5.8×10⁴J

就是每1.0mole的H⁺離子中和釋放出來的熱。

18. H⁺(aq)+ OH^－(aq)→H2O(l)中和反應，每莫耳per mole焓的強度是58kJ/mole。因為這個反應與熱的流出有關，ΔH＝－58kJ/mol。

19. 【例題】25℃下1.00M Ba(NO3)2的溶液 1.00L，與25℃下1.00M Na2SO4的溶液1.00L在卡計中混合，產生白色固體BaSO4，混合溶液的溫度上升28.1℃。假設卡計吸收的熱能少到可以忽略，並且這個溶液的比熱是4.18J℃^－¹g^－¹，溶液最後的濃度是1.0g/mL，計算製造出1莫耳BaSO4的焓變化。