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雙胞胎姊妹花---水與冰的不同命運
by yangsp, 2011-09-25 08:43:01, 人氣(3513)

中學化學示範實驗

Chemical Demonstrations for High School


國立彰化師範大學理學院化學系 提供

【策劃者:楊水平】  【製作者:陳琬菁 E524008


雙胞胎姊妹花---水與冰的不同命運

簡介

0°C 的冰與 0°C 的水是一對雙胞胎姊妹花,雖然體內皆流著相同的血液---H2O分子,但分別遇到 H2SO4,卻擁有不同的命運,0°C 的水溫度上升 30-35°C,而 0°C 的水反而下降 10-15°C。

示範步驟

1. 取一 250 mL 燒杯內裝 100 mL 0°C 的水並放入一支溫度計,如圖一所示。
2. 另取一 250 mL 燒杯內裝 100 g 0°C 的冰並放入一支溫度計測量溫度,如圖二所示。
3. 分別於此兩燒杯各倒入 100 mL 9 M 的硫酸,並攪拌均勻。
4. 注意觀察此兩燒杯的溫度變化,如圖三和圖四所示。
圖一  0°C的水 圖二   0°C的冰
圖三   0°C的水加入硫酸 圖四    0°C的冰加入硫酸

溶液和器材

1.
兩個 250 mL 的燒杯。
2.
0°C 的冰與水各 100 g。
3.
溫度計兩支。
4.
9 M 的硫酸水溶液:取一裝 100 mL 的水,慢慢地加入濃硫酸至整個溶液為 200 mL。

原理和概念

1. 由於硫酸加入水中進行水解,以及硫酸根和水會進行水合作用,因此為放熱反應,所以溫度會上升。其水解的反應式如下:
 
HSO4-(aq) + H2O(l) →  H3O+(aq) + SO42-(aq) + heat
2. 硫酸加入冰中溫度會下降的原因有二:(1) 會使溶液的凝固點下降,而且(2)以熵(entropy)的觀點來看,較秩序(order)的固態H2O,溶化產生較亂度(disorder)的液態H2O,需要吸收外界的能量來改變phase(相),因此會發現溶液的溫度下降囉!

教學提示

1. 稀釋硫酸時,注意要將濃硫酸加入大量水中,同時以玻棒攪拌溶液,使熱分散。因為:(1)水的比熱較大,大量的水可吸收稀釋硫酸時所放出的熱量,比較安全。(2)若以水加入濃硫酸,由於硫酸比熱小 (約 0.329 卡/g °C),混合後溶液的溫度會迅速上升,加上水的沸點低會沸騰成水蒸氣,而挾帶硫酸噴出,造成溶液飛濺,亦發生危險。
2. 由於稀釋為 9 M 的硫酸的過程為放熱過程,溫度會升高,因此應將其冷卻至室溫方可使用。
3. 在示範前,可要求學生先觀察未加入 9 M 硫酸前的溫度,並要求學生先預測加入硫酸後,冰與水的溫度變化分別為如何及敘述其理由。

問題和參考答案

1. 加入9 M硫酸後,兩燒杯內的溫度有何明顯的變化?
答: 水加入硫酸後溫度會迅速上升,上升溫度約為30-35°C;而冰那一杯則溫度會先上升約10 °C再下降至零下10-15°C。
2.  為何水那一杯溫度會上升? 
答: 由於硫酸與水發生水解和水合作用而放熱,因此溫度會升高。
3. 為何冰那一杯溫度先升後降,且降至 -12°C?
答: 溫度上升的原因乃是冰中有少許已溶化的水,而水與硫酸作用產生放熱現象,所以溫度先上升;至於溫度會下降的原因有二:(1)加入硫酸已經改變整個溶液的凝固點,造成凝固點下降;(2)以熵(entropy)的觀點來看,較秩序(order)的固態H2O,溶化產生較亂度(disorder)的液態H2O,需要吸收外界的能量來改變phase(相),因此會發現溶液的溫度下降囉!
4. 何謂 entropy(熵)?
答: 表明一化學反應或物理變化於一孤立系統內是否能自然發生的量稱之為 entropy(熵)。

參考資料

1. Summerlin, Lee R. and Ealy, Jr., James L., Chemical Demonstrations: a Sourcebook for Teachers, 2nd Ed., 1988, Volume 2, p 103, Washington, D.C.,  American Chemical Society.
2. Atkins, P.W. Physical Chemistry, Sixth Edition,, 1998, p 99, Oxford University Press.
3. 林麗霞, 十萬個為什麼(II) , 國際少年出版社 ,台北市 , 1991, 頁83-84。

適用程度

國民小學 國民中學 ˇ高級中學 ˇ大學普通化學

安全

 示範這個實驗必須戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

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