6. 主题 (3) 至 (5) 之建议实验

实验 (1) : 制备2-氯-2-甲基丙烷

(i) 实验目的

从2-甲基丙-2-醇和浓氢氯酸制备2-氯-2-甲基丙烷及测定其百分产率。

(ii) 安全措施

应在通风良好的实验室内进行此实验。为了避免引发哮喘病，学生患有慢性呼吸气道疾病绝不应吸入气体。佩戴安全措施眼镜。避免让皮肤沾上化学品

有关实验使用之化学物品数据可参考Material Safety Data Sheet (MSDS)。

(iii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
** 浓氢氯酸	5 cm³	冷冻「冻棒」	1
* 2-甲基丙-2-醇	5 cm³	微型低压加热器	1
		「馏液杯」	1
		试管	1
		小试管	1
		铁架及铁夹	1
		10 cm³量筒	1
		微型胶滴管 (或3 cm³针筒)	1
		塑料移液管	1
		微型刮勺	1
		电子天秤 (± 0.01g)	1
		漰沸小粒	少量
		针形数字温度计	1

* **

(iv) 实验步骤

1. 置0.280克2-甲基丙-2-醇 (一般为液态，熔点 = 26^oC) 于一试管内。

2. 利用塑料移液管，加入约2毫升浓氢氯酸。同时加入少许防漰沸小粒。

3. 把试管放入微型低压加热器之电阻组内。接上12V电源。夹紧「冻棒」，并放入试管内。下降「冻棒」直至黄铜棒的一端高于反应混合物溶液约1厘米。回流10分钟 (图 31，第12页)。

4. 移去「冻棒」，把黄铜棒的一端套上「馏液杯」。再次放入试管内和开始蒸馏 (图 182)。

5. 等候获取适量馏液。用微型胶滴管或针筒移馏液至一已称量之小试管。

6. 重复步骤 (5) 二或三次，视乎收集到馏液之体积。

7. 测定馏液之质量。

8. 利用 ”针形” 数字温度计和「冻环」去测定馏液之沸点 (图 33，第 12 页)。

(v) 实验结果

馏液 (2-氯-2-甲基丙烷) 质量= 0.143克

用去2-甲基丙-2-醇之摩尓数 = 0.28/74 = 0.00378

生成2-氯-2-甲基丙烷之摩尓数 = 0.143/92.6 = 0.00154

2-氯-2-甲基丙烷百分比产率 = (0.00154/0.00378) x 100 = 40.7%

制备2-氯-2-甲基丙烷之沸点 = 51.0^oC (文献数据：50.8^oC)

(图185) 微型蒸馏

(vi) 总结

由2-甲基丙-2-醇和浓氢氯酸制备之2-氯-2-甲基丙烷百分产率测定为40.7%。沸点检视产物相当纯正。

(vii) 增润

从短片制备2-氯-2-甲基丙烷可见2-氯-2-甲基丙烷不溶于水溶液而密度也低于水，所以浮在回流后之产物上。一快捷方法是不用蒸馏杯微型蒸馏法收集上层之馏液而是用针筒针咀直接吸取上层之2-氯-2-甲基丙烷产物。

制备2-氯-2-甲基丙烷

实验 (2) : 制备甲酸乙酯

酯制备选择

以浓硫酸为催化剂，烷醇和烷酸反应生成酯。下表 (图 186) 列出低分子量酯沸点：

低分子量酯制备
乙酸乙酯	Equation:	C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2O
乙酸乙酯	B. Pt.:	78 oC 118 oC 77 oC 　 100 oC
甲酸乙酯	Equation:	C2H5OH + HCOOH HCOOC2H5 + H2O
甲酸乙酯	B. Pt.:	78 oC 101 oC 54 oC 100 oC
甲酸甲酯	Equation:	CH3OH + HCOOH HCOOCH3 + H2O
甲酸甲酯	B. Pt.:	65 oC 101oC 32 oC 100 oC
乙酸甲酯	Equation:	CH3OH + CH3COOH CH3COOCH3 + H2O
乙酸甲酯	B. Pt.:	65 oC 118 oC 57 oC 100 oC

(Fig. 186) 低分子量酯制备和沸点

中学化学有机实验多采用制备乙酸乙酯作为酯主题之学生实验。不过，若检视图 183 之各酯类沸点，发现产物乙酸乙酯之沸点 (77^oC) 和反应物乙醇之沸点 (78^oC) 非常接近，不利实时把回流步骤改为蒸馏步骤，因馏液不会是纯产物乙酸乙酯而是大比例伴随反应物乙醇，导致产率甚低。

选择沸点低产物为生成酯显然是个好主意。考虑到甲酸乙酯之沸点只有 54^oC，明显地低于反应物乙醇 (78^oC) 、甲酸 (101^oC) 和另一产物水分子 (100^oC) 。因此选择甲酸和乙醇之酯化反应远较乙酸和乙醇之酯化反应为好。再者，甲酸甲酯沸点太低 (32^oC)，不宜制备。

(i) 实验目的

从甲酸和乙醇酯化反应卒取甲酸乙酯并测定百分率纯度。

(ii) 安全措施

应在通风良好的实验室内进行此实验。为了避免引发哮喘病，学生患有慢性呼吸气道疾病绝不应吸入气体。佩戴安全措施眼镜。避免让皮肤沾上化学品。

有关实验使用之化学物品数据可参考Material Safety Data Sheet (MSDS)。

(iii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
** 浓硫酸	3滴	冷冻「冻棒」	1
* 甲酸	5 cm³	微型低压加热器	1
* 乙醇	5 cm³	「馏液杯」	1
		试管	1
		小试管	1
		铁架及铁夹	1
		10 cm³量筒	1
		微型胶滴管 (或3 cm³针筒)	1
		塑料移液管	1
		微型刮勺	1
		电子天秤 (± 0.01g)	1
		漰沸小粒	少量
		针形Ｔ数字温度计	1

* **

(iv) 实验步骤

1.	利用塑料移液管，置40滴乙醇和60滴甲酸于一试管内。跟着加入3滴浓硫酸。最后放入少许防漰沸小粒。
2.	把试管放入微型低压加热器之电阻井形组合内。接上12V电源。夹紧「冻棒」，并放入试管内。下降「冻棒」直至黄铜棒的一端高于反应混合物溶液约1厘米。回流30分钟。
3.	移离「冻棒」，接着套上「馏液杯」，转回流装置为蒸馏装置。蒸馏至「馏液杯」满载。移出「冻棒」组合。用微型塑料移液管或针筒吸取「馏液杯」内所有之馏液，移至一小试管并测定其沸点。

(v) 实验结果

蒸馏产物之沸点 = 54.0^oC

(文献数据：甲酸乙酯沸点 = 54.0^oC)

(vii) 备注

这套微型蒸馏装置对小规模有机反应非常有效。不采用自来水冷却不但可节省水源，整个设计可启发学生对环境保护认知，加强「绿色意识」。设备既可缩短装置时间，其无火加热方法也令实验更安全措施。组件用活性颇低之铜和黄铜制造，腐蚀程度不大。金属长时间和有机溶液接触会产生钝性，不再腐蚀。

装置非常适用于对沸点低于100^oC之有机产物。加大微型加热器之电流可增加发热器之温度，可用于沸点高于100^oC之有机产物。若回流少于一小时，「冻棒」可预先放入电冰箱下格。如果放入上格 (冰格)，冷却之「冻棒」可维持回流三小时。

酯化反应是可逆反应。甲酸乙酯溶解度为9%。回流后接着蒸馏不是个好方法制备酯。此实验旨在获取产物酯和测定其纯度，不是求百分产率。

(vi) 网页搜寻

大自然有丰厚氧气储备。获取大自然氧气是用蒸馏法。首先是把空气变为液态空气，然后蒸馏得氧气。试从网页寻找如何把空气液化，基于什么理论？又如何提取氧气？

液化空气基于焦耳–汤姆孙效应（Joule-Thomson effect）：当气体膨胀，分子之间的平均距离上升。因为分子间吸引力，气体的位能上升。因为这是等焓 (绝热) 过程，系统的总能量守恒，所以位能上升必然会令动能下降，故此温度下降。

威廉汉普逊和卡尔·冯林德基于焦耳–汤姆孙效应设计了第一套设施冷却空气至其液态化。

威廉汉普逊和卡尔·冯林德 循环示意图

冷却循环工作突要点：

液态氧之沸点为 – 183^oC，液态氮之沸点为 −196 °C。分馏可独立分离两者。

「反应碟」实验

目的：按下列每项作微型测试二氧化硫、氯和氨气：

(i) 酸/盐特性

(ii) 氧化/还原特性

(iii) 沉淀之形成

(iv) 络离子之产生

实验 (3) : 测试二氧化硫之酸性和还原反应

(i) 实验目的

用「「反应碟」」同时进行四个测试二氧化硫之酸性和还原反应实验。

(ii) 安全措施

生成之二氧化硫有毒，切勿在実验过程中直接嗅闻，并应在通风良好的实验室内进行此実验。为了避免引发哮喘病，学生患有慢性呼吸气道疾病绝不应吸入气体。避免让皮肤沾上化学品。

有关实验使用之化学物品数据可参考Material Safety Data Sheet (MSDS)。

(iii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
*2 M H₂SO₄(aq)	5 cm³	「反应碟」	1
0.02 M KMnO₄(aq)	5 cm³	白瓷砖或白纸	1
0.2 M K₂Cr₂O₇(aq)	5 cm³	Combo井穴板	1
碘溶液	5 cm³	放大镜	1
固体硫代硫酸钠	0.5g	微型胶滴管	4
通用指示剂	1 cm³	塑料移液管	4
去离子水	10 cm3	微型刮勺	1
		50 cm3 烧杯 (清洗用)	1

(iv) 实验步骤

1.	置二小粒硫代硫酸钠晶体于「反应碟」之中央井穴。
2.	制备稀KMnO₄溶液如下：利用一微型胶滴管，加1滴酸化0.02 M KMnO₄(aq)入孔井于Combo井穴板之大井穴内。用塑料移液管加入40滴去离子水并用微型刮勺搅拌。移取10小滴至「反应碟」其中一个周边井穴。
3.	制备稀K₂Cr₂O₇溶液如下：利用一微型胶滴管，加3滴酸化0.2 M K₂Cr₂O₇(aq)入孔井于Combo井穴板之大井穴内。用塑料移液管加入20滴去离子水并用微型刮勺搅拌。移取10小滴至「反应碟」其中一个周边井穴。
4.	制备稀通用指示剂溶液如下：加3小滴通用指示剂溶液入「反应碟」其中一个周边井穴，跟着加7小滴去离子水。
5.	制备碘溶液如下：加10小滴碘溶液入「反应碟」其中一个周边井穴。
6.	利用塑料移液管，加8滴2 M H₂SO₄(aq)入「反应碟」之中央井穴。置「反应碟」于一皮氏培养皿内，盖上上盖。置整个组合于白瓷砖上或亮之灯箱上。用一面放大镜观察。
7.	实验完毕后，「反应碟」之各井穴都要用棉花棒和小量清洁剂洗涤。

(v) 实验结果

完成下表：

(vi) 思考题

试从实验结果推断二氧化硫之化学特性。

二氧化硫气体溶于水呈酸。二氧化硫水溶液接收电子，为还原剂。二氧化硫水溶液也是一款漂白剂。

实验 (4)：测试氯气之酸性，漂白和氧化反应

(i) 实验目的

用「反应碟」同时进行四个测试氯气酸性和还原反应实验

(ii) 安全措施

生成之氯气有剧毒和强烈刺激性。切勿在实验过程中直接嗅闻，并应在通风良好的实验室内进行此実验。为了避免引发哮喘病，学生患有慢性呼吸气道疾病绝不应吸入气体。避免让皮肤沾上化学品。

有关实验使用之化学物品数据可参考Material Safety Data Sheet (MSDS)。

(iii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 2 M H₂SO₄(aq)	5 cm³	「反应碟」	1
* 漂白水 (bleach)	5 cm³	白瓷砖或白纸	1
0.6 M KI(aq)	5 cm³	Combo井穴板	1
0.5 M FeSO₄(aq)	5 cm³	放大镜	1
0.02 M KMnO₄(aq)	5 cm³	微型胶滴管	4
通用指示剂	1 cm³	塑料移液管	4
去离子水	10 cm³	微型刮勺	1
		50 cm³ 烧杯 (清洗用)	1

**

(iv) 实验步骤

1.	置3大滴漂白水于「反应碟」中央之井穴。
2.	制备稀KMnO₄溶液如下：利用一微型胶滴管，加1滴酸化02 M KMnO₄ (aq) 入Combo井穴板之大井穴内。用塑料移液管加入40滴去离子水并用微型刮勺搅拌。移取10小滴至「反应碟」其中一个周边井穴。
3.	制备稀通用指示剂溶液如下：加3小滴通用指示剂溶液入「反应碟」其中一个周边井穴，跟着加7小滴去离子水。
4.	制备KI(aq) 溶液如下：加10小滴6 M KI(aq) 溶液入「反应碟」其中一个周边井穴。
5.	制备FeSO₄(aq) 溶液如下：加10小滴5 M FeSO₄(aq ) 溶液入「反应碟」其中一个周边井穴。
6.	利用塑料移液管，加7滴2 M H₂SO₄(aq)入「反应碟」之中央井穴。置「反应碟」于一皮氏培养皿内，盖上上盖。放整个组合于白瓷砖上或照亮之灯箱上。用一面放大镜观察。
7.	实验完毕后，「反应碟」之各井穴都要用棉花棒和小量清洁剂洗涤。

(v) 实验结果

(vi) 思考题

试从实验结果推断氯之化学特性。

氯气溶于水呈酸性。氯气水溶液供应电子，为氧化剂。氯气水溶液也是一款漂白剂。

实验 (5)：测试氨气之碱性，氧化反应和沉淀反应 (增润：络离子，complex ions)

(i) 实验目的

用「反应碟」同时进行六个测试氨气之碱性，氧化反应和沉淀反应实验

(ii) 安全措施

氨气有毒和强烈刺激性。切勿在实验过程中直接嗅闻，并应在通风良好的实验室内进行此実验。为了避免引发哮喘病，学生患有慢性呼吸气道疾病绝不应吸入气体。避免让皮肤沾上化学品。

有关实验使用之化学物品数据可参考Material Safety Data Sheet (MSDS)。

(iii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
** 浓氨水	5 cm³	「反应碟」	1
0.5 M ZnSO₄	5 cm³	白瓷砖或白纸	1
0.5 M AgNO	5 cm³	Combo井穴板	1
0.5 M FeSO₄	5 cm³	放大镜	1
0.5 M Fe(NO₃)₃	5 cm³	微型胶滴管	6
1 M CuSO₄	1 cm³	塑料移液管	6
通用指示剂	1 cm³	微型刮勺	1
去离子水	10 cm³	50 cm³ 烧杯 (清洗用)	1

(iv) 实验步骤

1.	制备稀ZnSO₄(aq) 溶液如下：加1小滴0.5 M ZnSO₄(aq)入「反应碟」其中一个周边井穴，跟着加9小滴去离子水。
2.	制备稀CuSO₄(aq) 溶液如下：加1小滴1 M CuSO₄(aq)入「反应碟」其中一个周边井穴，跟着加9小滴去离子水。
3.	制备稀AgNO₃(aq) 溶液如下：加1小滴0.5 M AgNO₃(aq)入「反应碟」其中一个周边井穴，跟着加9小滴去离子水。
4.	制备稀FeSO₄(aq) 溶液如下：加1小滴0.5 M FeSO₄(aq)入「反应碟」其中一个周边井穴，跟着加9小滴去离子水。
5.	制备稀Fe(NO₃)₃溶液如下：加1小滴0.5 Fe(NO₃)₃入「反应碟」其中一个周边井穴，跟着加9小滴去离子水。
6.	制备稀通用指示剂溶液如下：加1小滴通用指示剂溶液入「反应碟」其中一个周边井穴，跟着加9小滴去离子水。
7.	烟厨内置8大滴浓氨水于「反应碟」中央之井穴。安放「反应碟」于一皮氏培养皿内，盖上上盖。置整个组合于白瓷砖上或照亮之灯箱上。用一面放大镜观察。
8.	实验完毕后，「反应碟」之各井穴都要用棉花棒和小量清洁剂洗涤。

(v) 实验结果

完成下表：

(vi) 思考题

试从实验结果推断氨之化学特性。

氨气溶于水呈碱性。氨溶液为沉淀剂，也和Zn²⁺(aq) 或 Ag⁺(aq) 生成络离子。

实验 (6) : 分馏紫色酒精 (增润实验)

蒸气压和分馏

(DSE课程没有理想溶液和蒸气压主题，可视为有关石油分馏和分析化学课题之增润数据)

(i) 实验目的

1. 制作理想溶液（甲醇/水）沸点/组成百分比图

2. 进行工业木精微型蒸馏

(ii) 理论和引入

因溶剂/溶剂、溶质/溶质和溶质/溶剂分子间之相若引力导致理想溶液之蒸气压和组成百分比有线性关系（图187）。一般来说，较易挥发组成（即沸点较低的）有较高之蒸气压。当理想溶液沸腾时，溶液和上面蒸气之温度并不一样。因蒸气内有较多易挥发组成，所以蒸气温度较溶液温度低一些。因为这个原因，沸点和组成百分比作图并不成一直线，液态曲线在下面而蒸气曲线在上面（图188）和 (图189)。


(图187) 蒸气压/组成百分比图	(图188) 沸点/组成百分比图

理想溶液进行第一次蒸馏时，生成之蒸气有较多之易挥发组成。当这份蒸气冷却后再蒸馏时（第二次蒸馏），再次生成之蒸气会有更多之易挥发组成（图189）。

(图189) 完全沸点/组成百分比图

实验之甲醇/水混合物为一理想溶液。.

传统水冷分馏

(iii) 安全措施

佩带安全措施眼镜，避免化学物品接触皮肤，使用最少的所需药品，在老师的指示下弃置化学废料及多余药品。

有关实验使用之化学物品数据可参考Material Safety Data Sheet (MSDS)。

(iv) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
工业用紫色木精	10 cm³	防漰沸小粒	1
蒸馏水/去离子水	适量	数字温度计(-50至150)^oC	1
甲醇	10 cm³	试管	1
防漰沸小粒	1g	试管架	1
		250 cm³烧杯	1
		胶滴管	1
		内有蒸馏水之洗涤瓶	1

(v) 实验步骤

(A) 甲醇/水混合物之沸点/组成百分比图

1. 置20滴甲醇于一小试管并放入少许防漰沸小粒。用热水浴测试甲醇之沸点。

2. 用水代替甲醇，用本生灯加热至热水浴沸点。

3. 按以下表格之混合方法，测试每次甲醇/水混合物之沸点。

小试管	1	2	3	4	5	6	7	8	9
甲醇滴数	2	4	6	8	10	12	14	16	18
蒸馏水滴数	18	16	14	12	10	8	6	4	2

4. 每一甲醇/水混合物之沸点和组成百分比作图。若以X为甲醇而Y为水，则所作之图应像 (图184)。

(B) 紫色工业木精之微型蒸馏

1. 测定紫色工业木精样本之沸点。

2. 依 (图191) 装备微型分馏柱。置约5 cm³木精样本于小锥形瓶并加入少许防漰小粒。


(图190) 微型分馏柱	(图191) 微型分馏柱	(图192) 装置照片


(图193) DMM/热敏电阻/温度测定	(图194) 分馏柱内反复蒸发/凝结

3. 置准备好之装置于水浴或砂浴。等候至沸腾并延迟些少时间达致热平衡。测定微型分馏柱顶部液体之沸点。

(vi) 实验结果

甲醇/水混合物之沸点/组成百分比图

甲醇沸点 = 65^oC

水沸点 = 100 ^oC

小試管		1	2	3	4	5	6	7	8	9
組成百分比	甲醇
組成百分比	水
沸點 /^oC

沸点/组成百分比图:

紫色工业木精之微型蒸馏

紫色木精样本之沸点 = ____________ ^oC

微型分馏柱顶液体之沸点 = ______________ ^oC

(vii) 讨论

1. 为什么沸点/组成百分比图不是一直线图？

因为溶液之组成和由溶液生成蒸气之组成并不一样。

2. 试阐释分馏柱长度和分离组成效能之关系。

分馏柱越长，组成分离越好。

3. 若不停地移走凝结在分馏柱顶部之液体，留在锥形瓶里将会是甚么？

水

4. 如何改良实验装置令沸腾平稳些？

小锥形瓶改为小试管

5. 除提炼原油外，另列一利用分馏原理作工业用途之名称。.

液化空气之分馏，生产液化氧和液化氮

(viii) 网页搜索

连上互联网并搜索有关以下题目之资料：蒸发潜热

(i) 为什么沸腾时温度不变？

因为提供之热能全部转为蒸发潜热，没有余热令溶液升温。

(ii) 简释为什么蒸发汗水可带走人体过量热能。

蒸发需要克服蒸发潜热。在外面加热情况下，人体体温上升，随之流汗。蒸发汗水需要之潜热带走人体过量热能而令身体而降温，保持原有体温。

(ix) 总结

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实验 (7) : 测试二氧化碳气体

(i) 实验目的

用「S」管 (图 195) 测试二氧化碳气体

(ii) 安全措施

配戴安全眼镜,避免接触化学品,尽量使用最少量的化学品,遵循老师的指示弃置化学物品。

(iii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 1M 盐酸溶液	10 cm³	「S」管	1
蒸馏水	适量	试管	1
固态碳酸钙	1 g	试管架	1
防漰沸小粒	0.5g	胶滴管	1
石灰水试剂溶液	5 cm³	内有蒸馏水之洗涤瓶	1
		250 cm³ 烧杯	1
		试管木夹	1
		刮勺	1

(iv) 实验步骤

1. 置小许石灰水试剂溶液于「S」管 ‘U’ 形部份。用刮勺放小量固态碳酸钙入试管，移约20滴1M 盐酸。把「S」管内装石灰水试剂套上试管，试管底平均加热至气体释放。小心观察。反应产生之气体进入石灰水只会进入小球但不会溢出。若停止加热，冷却后空气「返吸」使石灰水只可以进入另外小球，而不会进入仍然处于高温之试管，消除「返吸现象」。

观察：石灰水很快变乳白色。

2. 若产生之氧体令石灰水变色后继续进行实验，最后会有什么观察？试以一化学方程简释之。

观察：石灰水最后变回无色。

CaCO3(s) + 2HCl(aq) → CO2(g) + CaCl2(aq) + H2O(l)
CO2(g) + Ca(OH)2(aq) → CaCO3(s) + H2O(l)
白色沉淀
CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l) → Ca(HCO3)2(aq)
无色溶液

实验 (8) : 测试二氧化硫气体

(i) 实验目的

用「S」管测试二氧化硫气体

(ii) 安全措施

生成之二氧化硫有毒，切勿在実验过程中直接嗅闻，并应在通风良好的实验室内进行此実验。为了避免引发哮喘病，学生患有慢性呼吸气道疾病绝不应吸入气体。避免让皮肤沾上化学品。有关实验使用之化学物品数据可参考Material Safety Data Sheet (MSDS)。

(iii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 1M硫酸	10 cm³	「S」管	1
蒸馏水/去离子水	适量	试管	1
固态亚硫酸钠	1 g	试管架	1
防漰沸小粒	0.5g	胶滴管	1
高锰酸钾测试剂	5 cm³	内有蒸馏水之洗涤瓶	1
		250 cm³ 烧杯	1
		试管木夹	1
		刮勺	1


(图195) 「S」管	(图196) 制备和测试气体

(iv) 实验步骤

置小许紫色高锰酸钾测试剂于「S」管 ‘U’ 形部份 (图196) 。用刮勺放小量固态亚硫酸钠入试管，移约20滴1M硫酸。把「S」管内装高锰酸钾测试剂套上试管，试管底平均加热至气体释放。小心观察并以氧化还原化学方程帮助解释。

观察：紫色KMnO₄(aq) 溶液变为接近无色。

2MnO4-(aq) + 5SO2(g) + 2H2O(l) → 2Mn2+(aq) + 5SO42-(aq) + 4H+(aq)
紫色淺粉紅色

实验 (9) : 离子迁移和用「电解棒」电解稀氯化钠溶液加入通用指示剂

(i) 实验目的

测试电解稀NaCl 溶液释出酸性和碱性离子。

(ii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
0.1M NaCl(aq)	1 cm³	「电解棒」	1
通用指示剂	1 cm³	滤纸	1
		剪刀	1
		9 V 电池	1
		塑料滴管	1
		一小片垫底塑料	1
		放大镜	1

(iii) 实验步骤

置二滴 0.1M 氯化钠溶液于一小块滤纸上，跟着加入一滴通用指示剂。把「电解棒」9V 电池组合轻轻按上并透过一面放大镜观察 (图197) 。

(图 197)

(iv) 实验结果

阳极 (+) 和阴极 (-) 区域分别变为_____色和_____色

(v) 总结

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__________________________________________________________________________________________________

(vi) 讨论

观察间接显示呈酸性H⁺(aq) 和呈碱性OH^–(aq) 离子存在，同时释放看不见之氢气和氧气。试以氧化/还原方程式解释现象。

还原半方程式 : 2H⁺(aq) + e^– → H₂(g) (H⁺(aq) 离子迁移至负极)

氧化半方程式 : 4OH^–(aq) – 4e^– → O₂(g) + 2H₂O(l) (OH^–(aq) 离子迁移至正极)

整体氧化还原反应 : 2H⁺(aq) + 2OH^–(aq) → 2H₂(g) + O₂(g)

(阴极) (阳极)

H⁺(aq) 离子, 不是 Na⁺(aq) 离子, 选择性地接收电子。H⁺(aq) 离子迁移至负极令通用指示剂变红，同时间释放H₂，但气体看不见。稀 NaCl溶液Cl^–(aq) 离子浓度低，不会释放电子。代替释放电子的是OH^–(aq) 离子。因此OH^–(aq) 离子迁移至正极令通用指示剂变深蓝，同时间释放O₂，但气体看不见。

实验 (10): 离子迁移和用「电解棒」电解稀碘化钾溶液

(i) 实验目的

电解检查稀KI 溶液存在负离子。

(ii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
0.5M KI(aq)	1 cm³	「电解棒」	1
通用指示剂	1 cm³	滤纸	1
		剪刀	1
		9 V 电池	1
		塑料滴管	1
		一小片垫底塑料	1
		放大镜	1

(iii) 实验步骤

置二滴 0.5M 碘化钾溶液于一小块滤纸上，跟着加入一滴通用指示剂。把「电解棒」9V电池组合轻轻按上并透过一面放大镜观察 (图 198) 。

(图198)

(iv) 实验结果

阳极 (+) 和阴极 (-) 区域分别变为_____色和_____色。观察到有像金属般 ______ 沉积。

(v) 总结

(vi) 讨论

细心观察实验 (10) 阳极区域会发现有光亮灰点附在棕色圆点上 (图 198) 。试解释光亮灰点之生成，并以方程显示。

还原半方程式 : 2H⁺(aq) + e^– → H₂(g) (H⁺(aq) 离子迁移至负极)

氧化半方程式 : 2I^–(aq) – 2e^– → I₂(s) (I^–(aq) 离子迁移至正极)

I₂(s) + I^–(aq) → I₃(aq)^–

整体氧化还原反应 : 2H⁺(aq) + 3I^–(aq) → I₃^–(aq) + H₂(g)

(深棕色)

H⁺(aq) 离子, 不是 K⁺(aq) 离子, 选择性地接收电子。 H⁺(aq) 离子迁移至负极释放H₂，因没有通用指示剂，不见有颜色出现，也看不见气体。I^–(aq) 离子迁移至正极，释放电子，生成I₂(s) 。 I₂(s)有光泽，看似金属。I₂(s) 溶于 KI溶液，生成深棕色络合离子I₃^–(aq) 。8

实验 (11) : 微型过氧化氢与碘离子在酸性溶液中的反应总级数（碘时钟反应）

(i) 背景资料

以下反应的速率可藉加入分量固定而少的S₂O₃^2-(aq)和淀粉指示剂来研习，

2O2(aq) + 2I-(aq) + 2H+(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)

H2O2(aq) + 2I-(aq) + 2H+(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)	……主反应
S2O32-(aq) + I2(aq) → S4O62-(aq) + 2I-(aq)	…… 监控反应
starch + I2(aq) → deep blue complex	…… 指示剂的反应

从上面的反应方程式可知，只要溶液混合物中有S₂O₃^2-(aq)，从主反应生成的I₂(aq) 会实时被用去，而不能使淀粉指示剂变色。不过，一旦所加入的少量S₂O₃^2-(aq) 耗尽，新生成的I₂(aq) 便会立即使淀粉指示剂变为深蓝色。

因此，在 H₂O₂(aq), I^–(aq), H⁺(aq), S₂O₃^2-(aq) 和淀粉指示剂混合的初期，不会有任何可见变化，但在一段时间后，反应混合物会突然变为深蓝色。从溶液混合至出现蓝色所需的时间，取决于所加入的 S₂O₃^2-(aq) 分量，即加入的 S₂O₃^2-(aq) 愈多，溶液出现蓝色所需的时间便愈长。因此，I₂(aq) 与S₂O₃^2-(aq) 的反应称为监控反应，因为它控制着溶液出现蓝色所需的时间。

凡可以运用上述原理来研习的化学反应，称为「时钟反应」。若用碘来作指示的，称为「碘时钟反应」；同理，若用溴离子和甲基橙指示剂进行的，称为「溴时钟反应」。

时钟反应动力学

溶液出现蓝色所需的时间（t）反映了从主反应生成一定量碘所需的时间，因此1/t与I₂(aq) 的生成速率成正比，而与 I^–(aq) 或 H₂O₂(aq) 的浓度减少速率也成正比。若所加入的 S₂O₃^2-(aq) 愈少，则 (1/t) 值就会愈接近主反应的起始速率，因此实验中必须使用少量的S₂O₃^2-(aq)。

在测定 I^–(aq) 的反应级数时，可保持 H₂O₂(aq) 和 H⁺(aq) 的浓度不变，而按1：2：4：8 比例来改变 I^–(aq) 的浓度。比较各次实验所得的 (1/t) 值，若每次该值均加倍，则 I^–(aq) 的反应级数是 1；若该值保持不变，则 I^–(aq) 的反应级数是0。

用同样的实验方法，可分别测定出 H₂O₂(aq) 和H⁺(aq) 的反应级数。

(ii) 实验目的

测定H₂O₂(aq) 与 I^–(aq) 在酸性溶液的反应中，各反应物的反应级数。

a. I-(aq),
b. H2O2(aq) 和
c. H+(aq).

(iii) 安全措施

必须配戴安全措施眼镜和不要让皮肤沾上化学物品。跟随老师指示弃置过量材料和化学废料。

有关实验使用之化学物品数据可参考Material Safety Data Sheet (MSDS)。

(iv) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
0.60M H₂SO₄	5 cm³	八孔井穴条	2
0.60M KI	5 cm³	微型胶滴管	1
1.50% H₂O₂	5 cm³	计时器	1
0.08M Na₂S₂O₃	5 cm³	胶滴管	1
淀粉指示剂	5 cm³	微型搅拌器或竹签。	1
去离子水	10 cm³	250 cm³ 烧杯内有去离子水作清洗用	1

* 多数牙签经过漂白，沾有还原/氧化剂，不宜采用。竹签多数没有漂白。

(v) 实验步骤

(A) 碘离子反应级数

1.	用干净的微量胶滴管，在一个八孔井穴条（A）的前四个井穴中，分别加入以下溶液各一滴：1.5%H₂O₂(aq)、0.6M H₂SO₄(aq)和淀粉溶液，因此每个井穴都有三滴溶液。
2.	取另一八孔井穴条（B），在前四个井穴中，用干净的微量胶滴管各加入一滴0.08M Na₂S₂O₃(aq)。
3.	在八孔井穴条 (B) 的第一个井穴中再加入1滴0.6M KI(aq)，在第二个井穴加入2滴0.6M KI(aq)，在第三个井穴加入4滴0.6M KI(aq)，而在第四个井穴加入8滴0.6M KI(aq) 。又把7滴去离子水加入第一个井穴中，6滴去离子水加入第二个井穴中，4滴去离子水加入第三个井穴中，使每个井穴内均混合有9滴溶液。
4.	用微型搅拌器或竹签把每个井穴内的溶液混合物搅匀。
5.	覆置B于A之上，并须使两者的前四个井穴都互相对准。
6.	用橡皮圈把A和B的两端缚紧固定，单手握住两端，然后猛力把井穴条向下一摇，以使B的溶液落入A内，确保溶液彻底混合（单手「下摇」技巧)，同时启动定时器 (图199)。也可以不用橡皮圈，双手握住两端，进行（双手「下摇」技巧)，(图200) 。
7.	不断地把A和B上下摇动，并注意观察溶液何时转为深蓝色，记录各个井穴内溶液转为深蓝色所需的时间。
8.	用去离子水彻底清洗井穴条，并须把井穴内的水份去除。


(图199) 橡皮圈把A和B的两端缚紧单手「下摇」技巧	(图200) 不用橡皮圈之双「下摇」技巧

表（一）

	溶液份量 (滴)
	井穴條 A			井穴條 B
井穴	H2O2(aq)	H2SO4(aq)	淀粉指示剂	I-(aq)	H2O(l)	0.08M S2O32-(aq)
1	1	1	1	1	7	1
2				2	6
3				4	4
4				8	0

(B) H₂O₂反应级数

根据表（二），重复实验步骤1。

表（二）

	溶液份量 (滴)
	井穴條 A			井穴條 B
井穴	I-(aq)	0.08M S2O32-(aq)	淀粉指示剂	H2O2(aq)	H2O(l)	H2SO4(aq)
1	1	1	1	1	7	1
2				2	6
3				4	4
4				8	0

(C) H⁺ 反应级数

根据表 (三) 重复实验步骤 (1) 至 (8) 。

表（三）

	溶液份量 (滴)
	井穴條 A			井穴條 B
井穴	I-(aq)	0.08M S2O32-(aq)	淀粉指示剂	H2SO4(aq)	H2O(l)	H2O2(aq)
1	1	1	1	1	7	1
2				2	6
3				4	4
4				8	0

(vi) 实验结果

变项	相对浓度	t (s)	相对起始速率1/t (s^-1)	推测反应级数
[I-(aq)]	1	104	0.96 x 10-2	1
	2	55	1.8 x 10-2
	4	28	3.6 x 10-2
	8	14	7.1 x 10-2
[H2O2(aq)]	1	115	0.87 x 10-2	1
	2	58	1.7 x 10-2
	4	29	3.4 x 10-2
	8	14	7.1 x 10-2
[H+(aq)]	1	102	0.98 x 10-2	– – –
	2	72	1.4 x 10-2
	4	51	2.0 x 10-2
	8	26	3.8 x 10-2

注意：

(1) 若起始速率因某反应物的浓度加倍而加倍，则这反应物的反应级数是1。

(2) 因微型仪器误差率颇大，实验要重复数次，取平均结果数据。

(vii) 结论

(viii) 思考题

1. 深蓝色突然出现之时问是否反应完成之时间？

不是。深蓝色突然出现之时问只是代表某份量反应产物，I₂(aq)，之产生时间。深蓝色出现后反应继续。

2. 利用图线辅助，说明「起始速率」的意义。

根据主反应：

H₂O₂(aq) + 2I^–(aq) + 2H⁺(aq) → I₂(aq) + 2H₂O(l)

下图为碘离子浓度的衰变曲线。三名词需要阐述：(i) 平均速率 = 消耗之[I^–]/需要时间t，(ii) 于时间 t之瞬时速率 = 衰变曲线于时间 t之斜率和 (iii) 起始速率 = 衰变曲线于零时间之斜率。三者不一样，以起始速率最快 (图 201) 。

(Fig. 201) 碘离子浓度的衰变曲线

3. 为甚么说：要获得起始速率，t的值便必须小？

从上述图线，要获得较准确的起始速率，必须在反应开始后短时间内可以测量碘离子浓度的变化。若时间延长，引起之副反应机率越大，所得的平均速率便不能视为起始时的纯反应速率，方程式中的「起始速率」是反应起始时的瞬时速率。

4. 为甚么要选用反应的起始速率而非其它时段的速率（即瞬时速率）来进行测定？

测量反应速率有两种方法： (i) 从图表推算 (graphical)和 (ii) 从实验数据算 (non-graphical) 。平均速率和起始速率都可以从实验数据算，但瞬时速率必须从衰变图之斜率推算，即作图后才可以测定。若反应速率不采用图表推算法，则只可用实验数据提供作平均速率计算。从图198可见若t趋向 0，平均速率可视作起始速率。

5. 为甚么加于反应混合物中的S₂O₃^2-(aq)分量必须少？

加入的S₂O₃^2-(aq) 作用如同一道闸 ，限制多少H₂O₂(aq)或 I^–(aq) 作起始反应。S₂O₃^2-(aq) 作用是把生成的碘消耗 ，阻止淀粉变色，S₂O₃^2-(aq) 耗完后溶液混合反应物实时变蓝 ，显示实验终点 (但主反应还继续，直至完成)。S₂O₃^2-(aq) 越少，用作测量速率之H₂O₂(aq)或 I^–(aq) 越少，这样才能缩短蓝色出现所需的时间来达到测量起始速率的目的 。为了获得较准确H₂O₂(aq)或 I^–(aq)浓度减少的起始速率，加入的S₂O₃^2-(aq)必须要少。但t不可以小于5秒，否则计时有困难。

6. 根据各反应物的反应级数，写出反应的速率方程式。

= k[I-(aq)][H2O2(aq)]

速率常数k是某一溫度 (多以 298 K)下之常數。以「碘時鐘反應」為例，[I^–(aq)] 和 [H₂O₂(aq)] 皆為1 mol dm^-3情況下測量之反應速率。

7. 根据主反应： H₂O₂(aq) + 2I^–(aq) + 2H⁺(aq) → I₂(aq) + 2H₂O(l)

反应的速率方程式为什么不是 = k[I^–(aq)]²[H₂O₂(aq)][H⁺(aq)]²？

= k[I-(aq)]2[H2O2(aq)][H+(aq)]2？

反应方程式主要功能是计量参与反应之反应物。按主反应方程式各计量系数 (stoichiometric coefficient)，在过量酸化下，一摩尔 H₂O₂和两摩尔KI反应生成一摩尔 I₂(aq)。提供之数据和速率没有直接关系。反应的速率方程式基于基元反应 (elementary reaction)，不是总反应 (overall reaction)。下题阐述如何达至速率方程式。

8, 主反应的反应机理包含以下三个基元步骤：

H2O2(aq) + I-(aq) → X + H2O(l)	…… (慢)
H+(aq) + X → Y	…….(快)
Y + H+(aq) + I‑(aq) → I2(aq) + H2O(l)	…….(快)

为使上述速率决定步骤的速率表示式与实验所得的速率方程式相吻合，X和Y应是甚么？

X = OI^–(aq) Y = HOI(aq)

慢基元反应控制整个反应速率，是速率决定之步骤，其他两个快基元反应可以不考虑。结果：反应的速率方程式：

= k[I-(aq)][H2O2(aq)]

上式和从实验数据计算之速率方程式相同。

(ix) 备注

1. 使用微型仪器的优点

使用微型器材来进行实验除了具备一般优点外，还有以下三项优点是传统方法所没有的：

(a) 以试剂溶液的滴数来衡量其相对浓度，可省却使用真实浓度（mol dm^-3），大大简化了计算过程。

(b) 能够同时进行多组试验，而无须逐一进行，这可把某反应物的级数测定缩短在1分钟内完成。

2. 「1 2 4 8」方法

这是研习反应动力学是一种非图像化方法。顾名思义，就是把某反应物的浓度按1：2：4：8比例递增，而其它反应物浓度不变。若反应速率亦同样以1：2：4：8递增，即表示此反应物的级数是1；但若反应速率是按照(1)²: (2)²: (4)²: (8)²的比例递增，则表示此反应物的级数是2；若反应速率并没有因让反应物浓度增加而增加，则表示此反应物的级数是零。有关DSE化学科课题，反应物不是一级反应就零级反应。

3.「碘时钟反应」不是一个独立化学反应。它其实只是一种方法研习于适量硫代硫酸离子和淀粉指示剂情况下，酸化过氧化氢氧化碘离子之反应速率。这氧化/还原反应伴随颜色改变 (由无色变棕色) ，亦可以用比色计进行动力学调研。本课程实验 (25) 描述测定这反应之反应级数。

「碘时钟反应」

实验 (12) : 微型定量测定酸化硫代硫酸钠之反应速率 – “消失交叉” 实验

(i) 实验目的

1. 研究S₂O₃^2-(aq) 和H⁺(aq) 反应的反应速率和浓度之间的关系。

2. 建立S₂O₃^2-(aq) 和H⁺(aq) 反应的反应速率方程式。

(ii) 简介

硫代硫酸钠和稀硫酸的反应方程式：

S2O32-(aq) + 2H+(aq) → S(s) + SO2(g) + H2O(l)

上述反应的反应速率方程式：

Rate = k([S2O32-(aq)] n) ([H+(aq)]m)

反应进行时，保持 [S₂O₃^2-(aq)] 的量不变，能够找出 [H⁺(aq)] 的反应级数m。同样地保持 [H⁺(aq)] 的量不变，可以找出 [S₂O₃^2-(aq)] 的反应级数n。这方法称「伪级数」(pseudo-order) 反应。

本次实验追踪测量的可变量是硫化产物，而考虑的条件就是形成一定硫沉淀所需要的时间。采用这种方法能令我们更为方便地记录因为沉淀物的形成而令一个符号 (画在纸上) 变得看不到时所需要的时间。

在这个实验，为了令反应快速进行，会利用8孔井穴板，「连续变化」和「下摇」技朽。

(iii) 安全指引

上安全眼镜，避免皮肤与化学药品直接接触。请根据实验室辅导员的指示倾倒及弃置废物和多余药品。

(iv) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 0.25M Na₂S₂O₃ (aq)	5 cm³	8孔井穴倏	2
* 1M H₂SO₄(aq)	5 cm³	微型胶移液管	4
去离子水	5 cm³	50cm³烧杯	4
		灯箱(Light table) [如果有]	1
		秒表	1
		微波搅拌器或竹签	5
		棉花棒	5
		白纸、笔	1@

(v) 实验步骤

(A) 不同浓度S₂O₃^2-(aq) 的影响

1. 根据下列数据，用干净的微型胶移液管将25M Na₂S₂O₃ (aq) 和去离子水移到已清洁过的8孔井穴条 (A) 中。

A条号码	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8
Na₂S₂O₃ (aq) 容积/ (滴)	1	2	3	4	5	6	7	8
去离子水容积/ (滴)	7	6	5	4	3	2	1	0

2. 如下表所示，用干净的微型胶移液管将1M H₂SO₄(aq) 和去离子水移到另一8孔井穴条中 (B)。

B条号码	B1	B2	B3	B4	B5	B6	B7	B8
1M H₂SO₄(aq)容积/ (滴)	7	7	7	7	7	7	7	7
去离子水容积/ (滴)	2	2	2	2	2	2	2	2

3. 置8孔井穴条于白纸上，用笔画出井穴条的轮廓，并且标上一个交叉 (X) 在7个孔的位置。(如果有灯箱[Light table]，将纸放在灯箱上)。

4. 反转井穴条 (A)，放在井穴条(B)上，令井穴条 (A) 的孔能够确实地置于井穴条 (B) 的孔上(两个孔相连)。

5. 将两个井穴条缓缓向上拿稳并用力向下坠 (「下摇」技巧)，令两个孔的液体能够均匀地混和，并同时开始启动秒表。

6. 将井穴条B分开，将井穴条 (B) 对应放在交叉上。

7. 记录每一个交叉消失分别需要的时间 (图202)。

8. 为了防止胶体硫磺沉淀黏附井穴孔，实验完成后必须立即用移液管移除生成物，并依老师指示适当处理。用湿棉花棒和清洁剂清洁井孔，最后用水冲洗井孔。

(图202) 观测 “X” 的消失

(B) 不同浓度H⁺(aq) 的影响

9. 根据下列数据，用干净的微型胶移液管将1M H₂SO₄(aq)和去离子水移到已清洁过的8孔井穴条 (A) 中。

A条号码	A1	A2	A3	A4	A5	A6	A7	A8
1M H₂SO₄(aq)容积/ (滴)	1	2	3	4	5	6	7	8
去离子水容积/ (滴)	7	6	5	4	3	2	1	0

10. 如下表所示，用干净的微型胶移液管将25M Na₂S₂O₃ (aq)和去离子移到另一个8孔井穴条 (B) 中。

B条号码	B1	B2	B3	B4	B5	B6	B7	B8
Na₂S₂O₃ (aq) 容积/ (滴)	7	7	7	7	7	7	7	7
去离子水容积/ (滴)	2	2	2	2	2	2	2	2

11. 重复步骤 (4) 至 (8)。

(vi) 结果

完成下列表格。

实验A			实验B
S₂O₃^2-(aq)浓度的比例	t(s)	1/t(s^-1)	H₂SO₄(aq)浓度比例	t(s)	1/t(s^-1)
1			1
2			2
3			3
4			4
5			5
6			6
7			7
8			8

(vii) 数据处理

将以上表格的数据输入至Excel并完成上述表格，并特别注明t和1/t各栏的数值和制作一个图表。选择「带有数据的X-Y散布图」，绘制一个流线图，并建立一个标题及将X,Y轴标签。

(viii) 讨论和总结

1, 什么是「连续变化」(continuous variation) 技巧？

「连续变化」技巧是一种特别稀释技巧。参考实验 (A) 第一步骤，当试剂 8: 7: 6: 5: 4: 3: 2: 1比例滴入井穴跟着用清水以0: 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7比例滴注入相关井穴。这样，最终各井穴浓度便以 比例减少。若各井穴液体容积不保持一样，那么各井穴液体浓度便要每加一滴清水计算一次。

2. 列出两种可以测量反应速率的方法。

测量反应时pH值改变。

(注意：不宜考虑收集SO₂，因这气体之溶解度相当大。)

3. 简单地描述反应速率随着S₂O₃^2-(aq)和H⁺(aq)浓度改变时的规律。

反应速率与浓度成正比例。

反应速率与H⁺(aq)浓度无关。

4. 从图表中，找出S₂O₃^2-(aq)和H⁺(aq)和反应级数。

对S₂O₃^2-(aq)为一级反应；对H⁺(aq)为零级反应

5. 写出反应速率方程式。

反应速率 = k[S₂O₃^2-(aq)]

(ix) 网页搜寻

从其他网页中找出一个最慢和最快的化学反应。核反应为核自身的放射性衰变，不涉及电子重整，不视作化学反应。化学反应涉及电子重整，最终会化合或分解反应物的反应。

慢反应：钟乳石和石笋之形成 /石之形成 / 铁生锈

快反应：汽车猛烈相撞瞬间气袋产生之化学反应 / 爆炸

(x) 总结

汽車防撞氣袋原理

实验 (13) : 过氧化碘时钟反应活化能

(i) 实验目的

测定酸化过氧化氢溶液和碘化物溶液反应之活化能。

(ii) 简介

传统「碘时钟反应」是用酸化过氧化氢溶液氧化碘化物溶液并以硫代硫酸盐作监测元素。

2I-(aq) + 2H+(aq) + H2O2(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)	……主反应
I2 (aq) + 2S2O32-(aq) → 2I-(aq) + S4O62-(aq)	……监测反应
I2(aq) + starch → deep blue complex	……指示剂反应

主反应生成之碘立刻和硫代硫酸盐反应而被抵消，淀粉指示剂不受影响。过一段时间后，当少量的硫代硫酸盐全部被消耗后，随后产生之碘会影响淀粉指示剂，并突然呈现深蓝色。记录主反应生成一固定质量碘所需的时间。

这类实验通常采用混合两组溶液混合物之方法。一组由 I^–(aq) 和淀粉指示剂组成而另一组则为酸化 H₂O₂溶液和硫代硫酸盐溶液之混合物。反应要于四个不同温度进行：即 30^oC、 40℃、 50^oC 和 60^oC。记录突然出现深蓝色需要之时间。根据阿列纽斯方程式：k = 或 ln(k) = ln(A) –, 以 ln() vs () 作图应为一直线。从直线斜率可得活化能， ΔHact。

(iii) 安全措施

配戴安全护镜，不要让皮肤接触任何化学药物。尽量用最少份量反应物料。按老师指示处理过量物料和反应剩余物。

(iv) 试剂和仪器

试剂	份量	仪器	份量
FA 1*: (10 cm³ 0.6M H₂SO₄ + 2.5 cm³ 6.5% H₂O₂) 稀释至 90 cm³	90 cm³	小型加热器	1
FA 2^*: (10 cm³ 0.6M KI + 10 cm³ 0.08M S₂O₃^2- + 20 cm³ 0.2% starch) 稀释至 90 cm³	90 cm³	12V DC 电源	1
		大试管	2
		600 cm³ beaker	1
		25 cm³ 量筒	1
		0-110^oC 温度计	2
		秒表	1

(v) 实验步骤

1.	转移10 cm³ FA 1 至一标记为 A 之大试管。
2.	转移10 cm³ FA 2 至一标记为 B 之大试管。
3.	置两大试管 A 和 B 于一充当热绝缘体之 250 cm³烧杯。把一个小型加热器探测器放入大试管 A，另一个小型加热器探测器放入大试管 B，确保探测器探头完全浸没。分别把一支温度计放入每支大试管 (图 204)。
4.	启动小型加热器操作台之切换开关 (toggle switch) (图 203) 。观察两溶液温度上升。用玻璃温度计搅拌溶液。
5.	当温度达到约 57^oC 时，关掉切换开关。重复地按红色 Push-on ON/OFF开关，直至稳定和精确之 60^oC 温度维持一分钟。
6.	把FA 1 溶液倒入 FA 2 溶液。当一半的溶液完成转移后开始计时。
7.	以 0.01 秒精确度，记录深蓝色突然出现的时间。
8.	反应完成后实时再次量度溶液温度。
9.	分别于 50^oC、40^oC 和 30^oC 温度重复三次实验。


(图 203) 小型加热器操作台和匹配之加热探测器A和B	(图 204) 大试管/烧杯/加热探/测器隔热装置

特别注意：一如所有家用电水壶，加热器若不在水(或水溶液)中便不可以通电。

(图 205) 加热器线路图

(vi) 数据显示

实验之反应速率可以下式表示：

「速率」= 1/反应时间

分别以每次实验结果完成下表。

实验	起始温度/ K	终止温度/ K	平均温度/ K	反应时间 t / s	‘速率’ = / s^-1
1	333.0	331.0	332.0	16	0.0625
2	323.0	322.0	322.5	29	0.0345
3	313.0	312.3	312.7	51	0.0196
4	303.0	302.7	302.9	94	0.0106

(vii) 数据处理和计算

实验	平均溫度/ K	1/T	()	(ln)
1	332.0	0.003012	0.0625	-2.7726
2	322.5	0.003101	0.0345	-3.3673
3	312.7	0.003199	0.0196	-3.9332
4	302.9	0.003302	0.0106	-4.5433

以 (ln ) vs 1/T 作图并从直线斜率计算活化能， (即E_a)。

(viii) 讨论

(a) 解释是否正值或负值。

ΔHact为正值，表示反应要吸取热能去克服 D ΔHact才可以进行反应。

(b) 以计算之 ΔHact数据来考虑，反应是快还是慢？突然出现之深蓝色只是和反应时间有关系吗？实验实质测量了什么时间？

_ΔHact= 50.4 kJ mol^-1之反应不算快速。突然出现之深蓝色和主反应有间接关系。出现深蓝色反应和主反应不是同一反应，但同时间进行。深蓝色出现显示硫代硫酸盐耗尽由反应起始碘离子生成之碘。深蓝色出现之时间实质是主反应生成一定质量碘 (由硫代硫酸盐控制)之时间。

温度不影响反应之DH_act数据

(d) 何种因素影响活化能？

催化剂。利用适当催化剂可降低反应之活化能。

(e) 反应速率和速率常数有什么分别？

按： 反应速率 = 速率常数 [反应物] ⁿ。若反物浓度为 1 mol dm^-3，n = 1，测定之反应速率就是速率常数。

(f) 一个实用定量估算方法 (经验法则，rule of thumb) 是反应每增加10^oC，速率便会增加一倍。这方法可在实验反映出来吗？试解释。

(i) 实验结果验证了 (经验法则)：

*平均溫度/ K*	()
332.0	0.0625
322.5	0.0345
312.7	0.0196
302.9	0.0106

(g) 概述三个决定实验反应速率之条件。(不包括反应物形态)

浓度，温度 和催化剂

(h) 陈述二个步骤误差和二个仪器误差。提议减少这些误差来源方法。

来源

减少方法

步骤误差

1. A溶液和B溶液并不同步混合

2. 突然变蓝反应时间慢

1. 重复实验

2. 由反应时间快同学主持实验

仪器误差

1. 温度计不准确

2. A溶液和B溶液温度不一样

1. 选择校正率相同之温度计

2. 选择电阻一样之探头A和探头B

(ix) 结论

(x) 网页搜索

每提升温度10^oC，反应速度增加约一倍。但若化应加入无机催化剂 (catalyst) 降低反应活化能，则可以大幅度提升反应速度。酶 (enzyme，酵素) 可以视作人体生理机能之有机催化剂，酶如可控制人体生理机能效能？上网寻根究底。

酶，或称酵素 (Enzyme)，是一类大分子生物 催化剂。酶能加快化学反应的速度（即具有催化作用）。由酶催化的反应中，反应物称为基质，生成的物质称为产物。几乎所有细胞内的代谢过程都离不开酶。酶能大大加快这些过程中各化学反应进行的速率，使代谢产生的物质和能量能满足生物体的需求。细胞中酶的类型对可在该细胞中发生的代谢途径的类型起决定作用。

酶抑制剂（Enzyme inhibitor）是一类可以与酶结合并降低其活性的分子。 由于阻断酶的活性可以杀死病原体或纠正代谢失衡，许多药物都是酶抑制剂。 它们也用于杀虫剂。

酶抑制剂最常见的用途是作为治疗疾病的药物。例如细菌被称为肽聚糖(Peptidoglycan) 的网状聚合物制成的厚细胞壁包围。 许多抗生素如青霉素 (penicillin) 和万古霉素 (Vancomycin) 可以抑制产生这种聚合物链的酶，然后将这些聚合物交联在一起。 这导致细胞壁失去强度并令细菌破裂。

氨甲蝶呤（Methotrexate，又称甲氨喋呤、甲氨蝶呤、氨甲喋呤）氨甲蝶呤是一种化疗药物和免疫抑制剂，被用来治疗癌症、药物为叶酸拮抗剂 (Folic acid antagonist)，与叶酸差竞争同一酵素。

很多酶抑制剂都是手性蛋白质 (chiral protein inhibitor)。其光学左/右旋对影体 (R/S enantiomer) 有相同分子质量，但两者可以具相同、不同和极端不一样药性。手性药物是近年发展非常重要之药物系列。2

实验 (14) : 测定常温常压 (r.t.p.)下之气体常数R

(i) 实验目的

测定丁烷的摩尔体积以取得气体常数。

(ii) 实验前资料收集 (互联网连接)

1. 寻找于一大气压，25⁰C (r.t.p.)下氮气和氯气之密度。

互联网资科：

氮气密度 = 1.15 g dm^-3; 氯气密度 =2.95 g dm^-3

2. 以作图方法找出两种气体质量和容积之关系。

气体体积vs气体质量

3. 从图推导以上两种气体一摩尔之容积。

一摩尔氮 (28 g) 容积 = 24 dm³

一摩尔氯 (71 g) 容积 = 24 dm³

一摩尔氮容积 =一摩尔氯容积 = 24 dm³

4. 若想进一步推导结果，假设所有一摩尔气容积都是 24 dm³，你需要做些甚么？

用其他气体如二氧化碳或打火机之丁烷气体重复实验。

(iii) 仪器简介

微型气体RMM测定套件 (图206) 是用来快捷测定丁烷 (butane，C₄H₁₀) 在室温和1气压的条件下，相应分子质量的创新仪器。用AA胶将一个填满丁烷的打火机喷嘴连接皮下注射器的尖端，而皮下注射器的顶端则套上一小节胶管。胶管连接一个60 cm³的塑料注射器。按着打火机的板柄将丁烷气体从打火机释放进入塑料注射器 (图207)。丁烷的体积可以通过测量实验前后打火机的质量而得知。获得相关数据后我们便可计算出丁烷气体的摩尔体积或气体常数，假设已知丁烷的RMM，室温和气压。


(图 206) 测定分子量之微型仪器套件	(图 207) 释出丁烷

(iv) 物料和仪器

RMM套件包括:

1. 一个60 容量一次性塑料注射器，

2. 一个充满丁烷气体的打火机连接皮下注射针嘴和一小节硅氧脂塑料管，

3. 一支备用的皮下注射针，

4. 一小节硅氧脂塑料管，

全部放置于吸塑料盘中 (图203)。

(v) 实验步骤

1. 量称打火机及注射器的重量，准确到至少01g (图208)。

2. 释出丁烷气体到60毫升的塑料注射器直至收集到60毫升的丁烷 (图209)。

3. 放出丁烷气体后，再量称打火机的重量 (图210)。

4. 假设丁烷的摩尔质量是58g mol^-1，计算丁烷气体在t.p.状态下的摩尔体积，并与标准值相比。

5. 假设室温是25⁰C，大气压为101325Pa，计算气体常数R，并与标准值相比。


(图 208)	(图 209)	(图 210)

䆁放丁烷

(vi) 结果和计算

丁烷气体打火机的初始质量 = 12.89 g

丁烷气体打火机的最终质量 = 12.75 g

已释出的丁烷气体的质量 = 0.14 g

丁烷气体的摩尔数 = 0.14/58 = 0.002414

收集到的丁烷气体体积 = 60

1摩尔丁烷气体的体积 = [60 x ] cm³ = 24855 cm³

(R.T.P状态下摩尔体积的标准值 = 24000 )

实验错误率 = = 3.6%

所有根据标准值的实验错误率小于5%为可忽略的误差。

根据理想气体方程式 PV = nRT

现有:

P = 101325 N/m^-2 ；V = 60 cm³= 6×10^-5 m³；T = (25+273)K = 298K

n = 0.00241mol

代入理想气体方程式 PV = nRT:

(101325N/m^-2)(6 x 10^-5m³) = (0.00241mol) R (298K)

R = 8.465 Nm K^-1mol^-1(4 sig. figures) = 8.465 J K^-1 mol^-1

(标准值；R = 8.314 J mol^-1)，误差 +1.8%

s.t.p. 摩尔体积计算：V₁/T₁ = V₂/T₂；V₁ = 24855 cm³，T₁ = 298 K，V₂ =？cm³T₂ = 273K

(24855 cm³)/(298 K) = (？cm³)/(273 K)

？ = 22770 cm³= 22.77 dm³

s.t.p. 摩尔体积计算为22.77 dm³

(v) 讨论

1. 为甚么气体方程式叫「理想｣? 「真实｣的情况是怎样?

理想气体方程式假设：(i)没有分子间引力和 (ii)分子没有体积。「真实」情况是：(i)分子间有引力和 (ii)分子有体积2.

2. 简释甚么情况下真实气体可当作「理想｣气体。

在极高温度和极低气压下会出现「理想」情况。因为在这个情况下气体分子互相距离很远。

3. 如何量计「真实｣气体？

「理想」情况偏差可以 PV = nRT作修正，令数据接近真实。修正方程式称作范德华方程式：[P + a(n/V)²] (V – nb) = nRT，a和b分别为分子间引力和分子体积之修正常数。

(vi) 网页搜索

连接网络，然后搜寻合适的网页，找出室温 (r.t.p.)下的摩尔体积与标准状况 (s.t.p.) 下的摩尔体积的分别为多少。

r.t.p.下的摩尔体积	s.t.p.下的摩尔体积
24.47 dm³

(vii) 总结

实验 (15) : 定性和定量小型电解仪器 –「电解管」

(i) 实验目的

1. 收集电解氢氧化钠溶液释放之气体。

2. 测试收集之气体。

3. 测量产生之碱性氢氧燃料电池电动势。

(ii) 简介

直流电电解电解质溶液为一分解反应。过程为一氧化还原反应。稀氢氧化钠溶液在阴极 (负极) 释放氢气，而在阳极 (正极) 则释放氧气。前者容积和后者容积的比例为 2：1。

阴極： 4H+（aq） + 4e → 2H2（g）
阳極： 4OH-（aq） – 4e → O2（g） +2H2O（l）

总氧化还原反应：2H⁺(aq) + 2OH^–(aq) → 2H₂(g) + O₂(g)

释放之氧气会重燃暗红木条 (或香枝)，而氢气和空气混合后遇火种便会爆炸，产生 “爆鸣” 现象。

(iii) 安全措施

配戴安全护镜，不要让皮肤接触任何化学药物。尽量用最少份量反应物料。按老师指示处理过量物料和反应剩余物。

(iv) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 0.5 M NaOH(aq)	100 cm³	「电解管」	1
		9V 电池	2
		DMM	1
		胶滴管	1
		少许 “Blu Tack” 泥胶	2份
		丁烷打火机	1
		一次性胶手套	1对
		9V 电池盖连接线	1
		木条或香枝	1
		100 cm³ 烧杯	1
		鳄鱼夹连电线	1

(v) 实验步骤

(A) 氢气与氧气之容积比例

1. 注适量5 M NaOH溶液入100 cm³烧杯。置「电解管」 (图 211) 于烧杯上 (图 212) ，校正溶液水位于「电解管」之 2 cm³ 刻度处。

2. 用少 “Blu Tack” 泥胶封闭「电解管」之两小孔 (图 212)。轻轻提起「电解管」，看看水位是否还位于2 cm³刻度处 (图 213)。这步骤肯定小孔没有漏气。

3. 将两枚 9V 电池电线鳄鱼夹连接「电解管」引导柱，开始电解 (图 214)。

4. 进行实验至约5 cm³气体收集于阳极管。量度收集于阴极管气体之容积。若烧杯之NaOH溶液因满溢而排走转移，可用一皮氏培养皿盖回收 (图 216) 。


(图 211)	(图 212)	(图 213)	(图 214)

准备和开始电解

H2：O2 容积比


(图 215)	(图 216)

(B) 测量生成之碱性氢氧燃料电池电动势

5. 移除电池，实时用 DMM 测量「电解管」两引导柱之间之电压。测量之电压可视作碱性氢氧燃料电池之电动势 (图 213) 。测量之电压会快速下降，因为形成之燃料电池内阻甚高，电动势很快耗尽。

生成之碱性氢氧燃料电池

6. 配戴一次性胶套。提升「电解管」离开电解溶液，用手指封闭阴极管，倒转管组合。丁烷打火机点火，组合移近火种，实时放开手指。观察现象 (图 214)，留意声响。

「爆鸣」测试

(D) 测试氢氧混合气体

7. 重复实验步骤 (1) 至 (4) 。当实验进行一半时，把「电解管」(+) (-) 电极反转，令阴极变阳极，阳极变阴极。

8. 继续实验至「电解管」两管内混合气体容积皆为 3 cm³。

9. 丁烷打火机点火，提升「电解管」离开电解溶液，倒转管组合令管内混合气体溢出并实时移近火种，观察现象并留意更大的声响 (图 214)。

(E) 测试氧气


(图 217)	(图 218)

10. 由头再开始实验，不过这次移走封闭「电解管」阴极管之 “Blu-Tack”。结果是解管阳极管内不停储存释放之气体，直至管内填满气体。准备一枝暗红香枝。移走电池，快速提升「电解管」并实时放入暗红香枝 (图 215)。小心观察。

测试氧气

(vi) 实验结果

(A) 直流电电解稀电解质溶液如 NaOH，NaCl，H₂SO₄ 等会释出 _____ 气

(正极) 和______ 气 (负极)。结果是把水分裂为 _________和 ________。

完整电解水氧化还原方程式：

__________________________________________________________________

(B) 网上数据列出碱性氢氧燃料电池电动势为 + 1.23 V 。实验 (15) 之简单碱性

氢氧燃料电池电动势 = ______________ V

(D) 氧气和氢气之混合气体其破坏力远比单一氢气大。

(E) 氧气可重燃半熄灭火种，是燃烧需要之 _____ 大因素之一。

(vii) 备注

1. 稀NaOH溶液为这实验之电解质溶液，因为其他电解质溶液如稀NaCl、H₂SO₄等溶液会氧化和腐蚀金属正电极。

2. 发热线 (Nichrome wire) 作为电极是因为它有很强抗拒空气氧化特性。即使加热至发红，冷却回室温后没有丝毫变化，还原原来外表。

3. 气体释放产生气泡，令以溶液表面位置作标准之半月弯液面难以观察。可取的方法是移走电池，停止电解一会儿。半月弯液面随后会变得明显。

4. 测量电池电动势不可以用普通指针式电压表，要用高输入阻抗电压表。一般万用数字电表，DMM (digital multi-meter)，输入电阻有10 MΩ (10⁷Ω)。量度取用少许讯号源电流，DMM 显示之电压可视作电动势。

5. 设计提供一简易和可携带性工具进行定性和定量电解。没有地点限制，是介绍电解课题一个很好的开始实验

(viii) 讨论

为甚么实验 (B) 测量氢氧燃料电池电动势时量度电压之数据急速下降？

碱性氧标准还原电极电位：O₂(g) +2H₂O(l) + 4e^–→ 4OH(aq) ^ΦE /V = +1.23 V

氢标准还原电极电位：2H⁺(aq) + 2e^–→ H₂(g) ^ΦE /V = 0.00 V

由两半电池组成之碱性氢氧燃料电池图：

理论上碱性氢氧燃料电池之电动势为1.23 V。

实验 (B) 得到的起始数据只有 1.02 V，远低于期望之 1.23 V。原因很多，主要是(i) 电极不是使用惰性金属铂，(ii) 设施并不是由两个独立半电池组成，(iii) 电解后除了产生氢和氧，也产生其他杂质等。

实验 (B) 产生之原始碱性氢氧燃料电池内阻极高。按公式 V = iR 考虑，原始碱性氢氧燃料电池只可以提供微弱电流。一旦由外界仪器 (DMM) 测量其电动势，测量仪器会取走电讯源电流，负荷电讯源 (课程 (1) 主题 8.2 简易公式计算第 65-66页 instrument loads the source signal)，令量度电压数据急速下降。

(ix) 互联网搜寻

上世纪80年代有化学家声称在室温电解重水 (D₂O) 可观察到核聚变，公布震惊科学界，因为核聚变 (nuclear fusion) 公认的理解认为只可以在极高温度和气压下才可以进行一如太阳的核聚变才可以产生巨大能量，把氘 (deuterium，²H) 和氚 (tritium，³H) 聚变成氦 (helium，⁴He) 和中子(neutron，¹n) 。

D + T → He + n.

一段时间有很大回响和反对声音，尤其是实验不具复核性。试从网站寻找这次争议之来龙去脉，并评论冷核聚变之可能性和应用之局限性。

冷核聚变 (Cold fusion）是指理论上在接近常温（1000K以下），常压和相对简单的设备条件下发生核聚变反应。核聚变反应中，多个轻原子核被强行聚合形成一个重原子核，并伴随能量释放。

1989年弗莱希曼（Martin Fleischmann）和庞斯（Pons，Stanley）公布了在室温条件下，他们用简单的重水 (D₂O) 电解装置，在钯电极上实现了持续的核聚变。他们所使用的电解装置极为普通，电解液由99.5%的重水和0.5%的普通水加入少量的氘氢化锂 (LiD) 制成。电解液装在长20.32cm的试管中，温度为27℃。重水中插入两根电极，阴极为钯 (palladium) 极，阳极为铂 (platinum)极。通电流后，氘离子在钯极聚集、融合，并释放出核聚变的典型物质：氚、中子和γ射线，并有热量释放。所释放的热量比实验耗用的能量多出4倍，他们一致认为，这是种 “冷聚变” 。不过多人经多次实验都不能复制这项实验 ，被认为是一场骗局 。但近年再有人重拾这议题，并以小规模应用为目标，积极尝试为冷核聚变寻找一条出路，尤其发展为小型移动能源。

实验 (16) : 测定propan-1-ol的燃烧摩尔焓变

(i) 实验目的

测定propan-1-ol的标准燃烧摩尔焓变，ΔH^Φ_comb 。

(ii) 方法簡介

(ii) 简介

燃烧烷醇释放热和生成二氧化碳和水。Propan-1-ol完全燃烧：

2C3H7OH (l) + 9O2(g) –> 6CO2(g) + 8H2O (g) ΔHΦcomb = -2020 kJ mol-1

测定propan-1-ol的燃烧摩尔焓变只需一台简单的热量计。方法是燃烧小量已知质量之酒精并令其火熖加热一小块铝块。记录金属块的温度增加 (即ΔT) 和以ΔH = (ms) ΔT程序计算propan-1-ol的燃烧摩尔焓变。

传统热量计用水和酒精进行实验，方法是以燃烧定量烷醇令水温上升。燃烧热计算基于公式ΔH = (ms) ΔT。这「单实验校正」处理，即只用一次实验，代入文献数据 s 常数进行计算，是有很多缺点的。主要误差是由环境热流失引起的，即实验数据 ΔT并不可靠，需要修正。理论上可以牛顿冷却定律 (上网搜寻) 作图求得修正之 ΔT’ ，代入公式即可。或改善环境绝热程度，令燃烧热不流失。两者都花时间，得到之结果也未必理想。

本实验采用「双实验校正」处理，较「单实验校正」优胜。顾名思义，「双实验校正」要用两次实验处理。燃烧两种烷醇而不是壹种烷醇。方法令不用修正 ΔT和消除环境热量流失。步骤要点如下：弃用加热水和容器，改为加热一小块铝柱体；代入其中一烷醇之燃烧热文献数据和量度温度变化。

若代入实验数据m₁_、 m₂_、 ΔT₁ 和 ΔT₂而M₁, 和M₂为常数，则已知 ΔH₁便可计算 ΔH₂，反之亦然。

「单实验校正」处理考虑铝比热 (s) 文献数据。「双实验校正」处理则代入烷醇燃烧热文献数据 ΔH_comb(本实验为乙醇之燃烧热) 。

(iii) 安全措施

佩带安全眼镜并避免化学制品与皮肤接触. 根据老师的指示去处理化学制品废料和剩余材料。

(iv) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* Ethanol，propan-1-ol	1 cm³ @	有脚园柱形小铝块热量计	1
		小圆柱形玻璃盛载器皿	1
		数位体温计	1
		塑料移液管	1
		电子天平 (分析度 ± 0.00克)。	1
		丁烷打火机	1

(v) 实验步骤

(A) 燃烧乙醇

1.	用塑料移液管移5滴乙醇至小型玻璃圆柱形盛器。称量乙醇质量。
2.	记录铝块的开始温度。
3.	用丁烷打火机燃着乙醇，置于铝块下。保持乙醇继续燃烧直至全部乙醇烧完为止。记录铝块的最高温度。
4.	用水冷却铝块至室温。。

(B) 燃烧丙醇 (propan-1-ol)

5.	用丙醇重复步骤 (1) 至 (4) 。


(图219) 铝块热量计器和小型圆柱形玻璃盛器	(图220) 铝块热量计器、数字温度计和小型圆柱形玻璃盛器的相对大小	(图221) 实验装置

(v) 实验结果

实验 (A): 乙醇质量 (m₁) = 0.0875 g

热量计开始温度 = 28.9 ^oC

热量计最高温度 = 40.0 ^oC

ΔT₁ = (40.0 – 28.9) = 11.1^oC

实验 (B): 丙醇质量 (m₂) = 0.0925 g

热量计开始温度 = 28.8 ^oC

热量计最高温度 = 43.7 ^oC

ΔT₂ = (43.7 – 28.8) = 14.9^oC

(vi) 计算

文献数据：

乙醇燃烧标准焓变 ΔH^Φ_comb, ΔH₁= -1300 kJ mol^-1

乙醇相对分子质量 = 46 g mol^-1，丙醇Propan-1-ol相对分子质量 = 60 g mol^-1

(vii) 总结

(viii) 备注

* 仪器微型化没有使用地点的局限。

* 热流失是实验误差一个主要原因。因此应在没有气流的地方做实验。

* 不完全燃烧构成实验误差。小心观察没黄色火焰。

(ix) 讨论

1. 试陈述一理论考虑消除环境热流失。

若考虑「单实验校正」处理，加热铝块和记录上升最高温度，移走烷醇火焰并继续实验。加热曲线会一升一慢降，因热流失去四周环境 (下图) 。应用牛顿冷却定律：环境热流失与过量温度成正比例，计算某温度之流失热，从而推算应有之上升值。整个原来加热曲线作此修正便得出一理想加热曲线，呈较大斜率上升至最高温度后变平坦，显示没有热流失。因此从实验得出之最高温度 ΔT要修正为 ΔT’(高于ΔT) 。

由此可见，计算燃烧标准焓变公式ΔH = (ms)ΔT应修正为 ΔH = (ms) ΔT’ 。

2. 因「双实验校正」处理不考虑热容量 (ms) ，所以由量称铝块引起之误差不存在。方法需要两烷醇其中之一的燃烧标准焓变文献数值。+ 6.6% 实验误差仍存在。试列一方法减少误差。

调校燃烧乙醇和甲醇质量，尽量令两者之实验上升温度升幅达致一样。这情况下可视作两实验处于相同环境，若有热流失也互相抵销。

(x) 网页搜寻

大家有没有留意长征3系列火箭起飞时喷出火焰外还有大量棕色气体。这些棕色气体究竟是什么？火箭之液态燃料又是什么？燃烧时为什么会产生棕色气体？有毒的吗？有更好的燃料吗？上网找个答案。

二氧氮烷，肼 (hydrazine)是一种良好的火箭燃料。虽然燃烧热 ΔH^Φ_comb只有 – 621 kJ mol^-1，但与适当的氧化剂配合，如四氧化氮 (N₂O₄) 可组成比冲很高的可贮存液体推进剂，广为用作送卫星上太空之火箭液态推进剂。总燃烧方程：

2N₂H₄ (l) + N₂O₄(l) → 3N₂(g) + 4H₂O(g)

过程产生NO(g) 中介物，而NO极快被氧化为棕色NO₂(g)。N₂O₄(l) 又和NO₂(g) 达成化学平多衡： N₂O₄(l) 2NO₂(g) 因此长征3系列火箭点火时有大量棕色NO₂气体溢出。NO₂(g) 为有毒气体，是引起酸雨的一个来源，并不环保。改良的长征5系列火箭液体推进剂采用液态氧和煤油 (kerosene)，推力更大，燃料无毒，符合环保要求。

美国NASA伙同民间企业于十年前已着手研究液态甲烷/液态氧火箭发动机。目的是人类殖民火星。前往火星燃料可在地球制造，但从火星返回地球之燃料必须在火星制造。火星大气层约有 95% CO₂。CO₂和 H₂ (从燃烧产物电解水) 以 Sabatier process 反应生成 CH₄。上网搜寻有关 Raptor rocket engine、SpaceX 和 Starship资料。

实验 (17): 组合锑电极酸度计 「壹点校正」

(i) 简介

量测量水溶液 pH 基本上是量度由放进水溶液之电极所产生之电动势。现今一般都采用对 H⁺(aq) 灵敏之玻璃和银/氯化银参考电极来量度H⁺(aq) 浓度。不过，现在制造玻璃电极仍然昂贵，对要购买多台玻璃电极pH 计作学生实验之中学来说也是一项财政负担，不用说玻璃电极也有短寿命缺点。事实上，早于上世纪初已发现锑金属作为半电池电极于水溶液中会产生电动势，其数值与溶液中之 H⁺(aq) 浓度相关。这发现提供了定量测量 pH 另一种方法。近期，因为可以微型化和准确地量度pH 6 至 8范围 (血液为一pH 7.4 之缓冲溶液)，锑电极再被发现用于医学仪器方面 (回顾主题5.1「锑电极酸度计」。

(ii) 实验目的

1. 制备金属锑和铜/硫酸铜组合电极

2. 采用主题1 设计之pH 传感器，利用pH 7 「壹点校正」步骤校正锑电极pH计

(iii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 1M CuSO₄溶液	1 cm³	金属锑和铜/硫酸铜参考电极	1对
pH 2 , 4, 7, 10, 13 缓冲溶液	10 cm³	pH传感器	1
通用指示剂	1 cm³	塑料移液管	5
		微型塑料移液管	1
		24井穴板	1
		250 cm³烧杯内有去离子水	1
		DMM和接线	1
		「盐栓」	3
		砂纸	1小块

(iv) 实验步骤

制备金属锑和铜/硫酸铜组合电极：

1. 制备铜/硫酸铜参考电极：如 (图222) 显示，用微型塑料移液管滴 1 M CuSO₄溶液入玻璃管小空格至全满，表面现半月湾形 (图223)。用一「盐栓」牢牢封闭管口 (图224)。要注意小空格不可以有气泡，否则会影响溶液电导，令输出讯号电压不稳定。(图225) 显示完成金属锑和铜/硫酸铜组合电极。


(图 222)	(图 223)	(图 224)	(图 225)

2. 用砂纸清洁金属锑电极一端。

3. 用塑料移液管移约20滴pH 2, 4, 7, 10, 13缓冲溶液于24井穴板其中5井穴，每一井穴加3滴通用指示剂。

4. 接连金属锑和铜/硫酸铜组合电极电缆线至传感器输入香蕉形插座，传感器输出DC插座连接至DMM，选择2000 mV 满度显示。启动传感器。

5. 置金属锑和铜/硫酸铜组合电极于pH 7井穴。稍后一刻令氧化还原达至平衡。

6. 调校传感器旋钮至DMM显示 70 mV，固定旋钮，不再转动。锑电极pH计已作pH 7 「壹点校正」了，可以量度其他溶液之pH值。

7. 若金属锑和铜/硫酸铜组合电极置于pH 2缓冲溶液，DMM会显示约20 mV，若用pH 4缓冲溶液，DMM会显示约40 mV，如此类推。这就是「DMM显示技巧」。DMM以数字显示实验结果，但不带单位。

8. DMM 在 (图 226) 显示之70 mV视作 pH = 7.0。

(图226) “壹点” pH 7校正

实验 (18) : 强酸vs强碱滴定曲线 (0.1M HCl vs 0.1M NaOH)

(i) 实验目的

以校正之金属锑组合电极pH计和「DMM显示技巧」，制作强酸vs强碱滴定曲线图

(ii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 1M CuSO₄溶液	1 cm³	金属锑和铜/硫酸铜参考电极	1对
0.1 M HCl 溶液	10 cm³	pH传感器	1
0.1 M NaOH 溶液	10 cm³	巴斯德移液管 (Pasteur pipette)	5
pH 7 缓冲溶液	10 cm³	塑料移液管	1
通用指示剂	1 cm³	微型塑料移液管	1
酚酞指示剂	1 cm³	24井穴板	1
		250 cm³烧杯内有去离子水	1
		DMM	1
		「盐栓」	3
		砂纸	1小块
		计算机安装软件试算表「Excel」	—

(iii) 实验步骤

(A) 制备金属锑和铜/硫酸铜组合电极和「壹点校正」锑电极pH计

重复实验 (17) 步骤1 – 6 制备金属锑和铜/硫酸铜组合电极。以pH 7缓冲溶「壹点校正」锑电极pH计。

(B) 滴定曲线图

1.	利用巴斯德移液管加25滴0.1 M HCl于24井穴板其中一井穴，跟随再用塑料移液管加1大滴酚酞指示剂。
2.	连接锑组合电极电缆线至传感器输入，传感器输出接DMM。DMM 选择2000 mV 满度档。启动传感器。
3.	置锑组合电极于24井穴板内装25滴0.1 M HCl之反应穴。
4.	摇晃锑组合电极一会，停30秒，记录 DMM显示之稳定pH值。
5.	彻底清冼原先巴斯德移液管。再用同一巴斯德移液管装入0.1 M NaOH，逐滴加入反应井穴。DMM显示数字不停变化。记录每加一滴后之稳定DMM显示。观察反应井穴之颜色变化。
6.	继续定滴实验，直至加入40滴0.1 M NaOH。

(iv) 实验结果

0.1 M NaOH 滴数	pH	0.1 M NaOH 滴数	pH
0	2.3	21	4.8
1	2.7
2	2.9	23	5.2
3	3.1	24	5.7
		25	9.5
5	3.4	26	11.0
		27	11 .0
7	3.6	28	11.1
9	3.8	30	11.5
11	4.0	32	11.6
13	4.1	34	11.8
15	4.3	36	11.8
17	4.5	38	12.0
19	4.7	40	12.0

(v) 数据处理

3. 启动微软「Excel」软件。建立数据栏和pH栏，分别输入滴数和pH值。

4. 从主菜单单击「插入」，再选择「图表」图标。

5. 选择「XY 散点图」。

6. 整理各轴和各坐标，建造一适宜pH 滴定图表 (下图)。

(vi) 0.1 M HCl vs 0.1 M NaOH 滴定曲线

(vii) 思考题

为什么滴定要用巴斯德移液管而不用塑料移液管？


巴斯德移液管	塑料移液管

巴斯德移液管管身由玻璃制造，有瘦长直径平均尾咀，每次滴出液体容积误差不大。塑料移液管管身短，手指压力影响塑料管身直径，每次滴出液体容积有较大误差。

实验 (19) : 弱酸vs强碱滴定曲线 (0.1M CH₃COOH vs 0.1M NaOH)

(i) 实验目的

以校正之金属锑组合电极pH计和「DMM显示技巧」，制作弱酸vs强碱滴定曲线图

(ii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 1M CuSO₄溶液	1 cm³	金属锑和铜/硫酸铜参考电极	1对
0.1 M CH₃COOH 溶液	10 cm³	pH传感器	1
0.1 M NaOH 溶液	10 cm³	巴斯德移液管 (Pasteur pipette)	5
pH 7 缓冲溶液	10 cm³	塑料移液管	1
通用指示剂	1 cm³	微型塑料移液管	1
甲基橙指示剂	1 cm³	24井穴板	1
		250 cm³烧杯内有去离子水	1
		DMM	1
		「盐栓」	3
		砂纸	1小块
		计算机安装软件试算表「Excel」	—

(iii) 实验步骤

(A) 制备金属锑和铜/硫酸铜组合电极和「壹点校正」锑电极pH计

重复实验 (17) 步骤1 – 6 制备金属锑和铜/硫酸铜组合电极。以pH 7缓冲溶液「壹点校正」锑电极pH计。

(B) 制作滴定曲线图

1.	利用巴斯德移液管加25滴0.1 M CH₃COOH于24井穴板其中一井穴，跟随再用塑料移液管加1大滴酚酞指示剂。
2.	连接锑组合电极电缆线至传感器输入，传感器输出接DMM。DMM 选择2000 mV 满度档。启动传感器。
3.	置锑组合电极于24井穴板内装25滴0.1 M CH₃COOH之反应穴。
4.	摇晃锑组合电极一会，停30秒，记录 DMM显示之稳定pH值。
5.	彻底清冼原先巴斯德移液管。再用同一巴斯德移液管装入0.1 M NaOH，逐滴加入反应井穴。DMM显示数字不停变化。记录每加一滴后之稳定DMM显示。观察反应井穴之颜色变化。
6.	继续定滴实验，直至加入40滴0.1 M NaOH。

(iv) 实验结果

0.1 M NaOH 滴数	pH	0.1 M NaOH滴数	pH
0	2.3	21	4.8
1	2.7
2	2.9	23	5.2
3	3.1	24	5.7
		25	9.5
5	3.4	26	11.0
		27	11 .0
7	3.6	28	11.1
9	3.8	30	11.5
11	4.0	32	11.6
13	4.1	34	11.8
15	4.3	36	11.8
17	4.5	38	12.0
19	4.7	40	12.0

(v) 数据处理

7. 启动微软「Excel」软件。建立数据栏和pH栏，分别输入滴数和pH值。

8. 从主菜单单击「插入」，再选择「图表」图标。

9. 选择「XY 散点图」。

10. 整理各轴和各坐标，建造一适宜pH 滴定图表 (下图)。

(vi) 0.1 M CH3COOH vs 0.1 M NaOH 滴定曲线

(vii) 思考题

为什么滴定要用巴斯德移液管而不用塑料移液管？


巴斯德移液管	塑料移液管

实验 (20) : 组合锑电极酸度计基本校正 (不用传感器)

(i) 实验目的

1. 进行锑组合电极pH 计基本校正

2. 制作 (i) 强酸vs强碱和 (ii) 弱酸vs强碱滴定曲线图

(ii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 1M CuSO₄溶液	1 cm³	金属锑和铜/硫酸铜参考电极	1对
* 1M HCl 溶液	1 cm³	巴斯德移液管 (Pasteur pipette)	5
0.1 M CH₃COOH 溶液	10 cm³	塑料移液管	1
0.1 M NaOH 溶液	10 cm³	微型塑料移液管	1
pH 2, 4, 7 10 和13 缓冲溶液	10 cm³	24井穴板	1
通用指示剂	1 cm³	250 cm³烧杯内有去离子水	1
酚酞指示剂/甲基橙指示剂	1 cm³@	DMM	1
		「盐栓」	3
		砂纸	1小块

(iii) 实验步骤

(A) 锑组合电极 pH 直线图表基本校正

1. 如 (图227)，所示，用微型塑料移液管滴 1 M CuSO₄溶液入玻璃管小空格至全满，表面现半月湾形 (图228)。用一「盐栓」牢牢封闭管口 (图229) 。注意小空格不可以有气泡，否则会影响溶液电导，令输出讯号电压不稳定。用砂纸清洁金属锑电极一端。(图 230) 显示完成金属锑和铜/硫酸铜组合电极，准备实验。


(图 227)	(图 228)	(图 229)	(图 230)

2. 分别置pH 2, 4, 7 10 和13 (即0.1M NaOH(aq)) 缓冲溶液于24井穴板5个井穴内。各井穴加 3滴通用指示剂溶液。

3. 锑组合电极电缆线香蕉插连接 DMM 正负输入插座 (DMM旋钮转至 2000 mV 檔)。启动传感器。锑组合电极首先放入pH 2缓冲溶液井穴内，稍作晃动令穴内溶液浓度平均分布和达至氧化还原平衡。记录电压数据 (图 231)。

4. 清洗锑组合电极，再放入pH 4缓冲溶液井穴内，稍作晃动令穴内溶液浓度平均分布和达至氧化还原平衡。记录电压数据 (图 232)。

5. 清洗锑组合电极，再分别放入pH 7, 10 和 13 缓冲溶液井穴内，稍作晃动令穴内溶液浓度平均分布和达至氧化还原平衡。记录电压数据 (图 233, 234, 235)。


(图 231)	(图 232)	(图 233)


(图 234)	(图 235)

6. 开启微软「Excel」试算表软件。

7. 设一2列6栏表格，列之数值各为pH值和锑组合电极电动势。

8. 输入pH和电动势数据m.f. 。

9. 选择图表精灵跟着X-Y散布。

10. 右击显示之m.f. vs pH 直线图，从趋势线格式取得图表上显示公式： e.m.f. = 斜率 (pH) + 截距。

11. 按校对方程式m.f. = (0.0529) pH + 0.0968，输入指令转换方程式 = PRODUCT(18.90,SUM(e.m.f.,-0.0968)) 。

12. 在Raw e.m.f. 数据栏小格输入任何m.f. 值，实时在pH栏小格出现相关 pH值。例如在B10小格输入raw e.m.f. = 0.66 V便立刻从A10小格得 pHHH = 10.7。

(iv) 实验结果

pH	2	4	7	10	13
锑铜组合电极电动势 / V	0.21	0.31	0.46	0.61	0.80

相关直线方程式：	y = 0.0529x + 0.0968
校正方程式：	e.m.f. = (0.0529) pH + 0.0968

不用传感器取得 pH 值方法：

(i)	从校正方程式计算：若测量电电动势 = 66 mV，代入公式得66 = (0.0529) pH + 0.0968，pH 值为10.65。
(ii)	于「Excel」页，raw e.m.f. 栏一空小格输入66 V，傍边 pH小格便实时显示 10.7。

(B) 制作 (i) 强酸vs强碱和 (ii) 弱酸vs强碱滴定曲线图

(i) 制作0.1 M HCl vs 0.1 M NaOH滴定曲线图

实验步骤

1.	利用巴斯德移液管加25滴1 M HCl于24井穴板其中一井穴，跟随再用塑料移液管加1大滴酚酞指示剂。
2.	连接锑组合电极电缆线香蕉插至DMM输入插座。DMM 选择2000 mV 满度档。
3.	置锑组合电极于24井穴板内装25滴1 M HCl之反应穴。
4.	摇晃锑组合电极一会，停30秒，记录 DMM显示之电压值 (Raw e.m.f.)。
5.	彻底清冼原先巴斯德移液管。再用同一巴斯德移液管装入0.1 M NaOH，逐滴加入反应井穴。DMM显示数字不停变化。记录每加一滴后之稳定DMM显示。观察反应井穴之颜色变化。
6.	继续定滴实验，直至加入40滴1 M NaOH。
7.	利用实验 (A) 之 Excel试算表，输入Raw e.m.f.，记录显示之 pH值。

实验结果

0.1 M NaOH 滴数	pH	0.1 M NaOH 滴数	pH
0	1.5	21	2.2
1	1.5
2	1.5	23	2.3
3	1.5	24	2.7
		25	3.3
5	1.5	26	9.3
		27	10.6
7	1.6	28	10.9
9	1.6	30	11.3
11	1.6	32	11.3
13	1.8	34	11.5
15	1.8	36	11.5
17	1.8	38	11.6
19	2.0	40	11.6

数据处理

1. 启动微软「Excel」软件。建立数据栏和pH栏，分别输入滴数和pH值。

2. 从主菜单单击「插入」，再选择「图表」图标。

3. 选择「XY 散点图」。

4. 整理各轴和各坐标，建造一适宜pH 滴定图表 (下图)。

0.1 M HCl vs 0.1 M NaOH滴定曲线图

(ii) 制作0.1 M CH₃COOH vs 0.1 M NaOH滴定曲线图

实验步骤

1. 重复实验 (i) 实验步骤1至7，以1 M CH₃COOH取代0.1 M HCl。下表显示结果。

0.1 M NaOH 滴数	pH	0.1 M NaOH 滴数	pH
0	2.3	21	4.9
1	2.7
2	2.9	23	5.2
3	3.1	24	5.7
		25	9.5
5	3.4	26	10.6
		27	10.9
7	3.6	28	11.1
9	3.8	30	11.5
11	4.0	32	11.6
13	4.1	34	11.8
15	4.3	36	11.8
17	4.5	38	12.0
19	4.7	40	12.0

2. 启动微软「Excel」软件。建立数据栏和pH栏，分别输入滴数和pH值。

3. 从主菜单单击「插入」，再选择「图表」图标。

4. 选择「XY 散点图」。

5. 整理各轴和各坐标，建造一适宜pH 滴定图表 (下图) 。

0.1 M CH₃COOH vs 0.1 M NaOH滴定曲线图

备注

虽然不用传感器方法而只用软件去计算 pH 值可达致小数两位数，但锑电极电动势准确性不足以有此位数。这方法计算 pH 值只可以小数壹位数显示。

实验 (21) : 微型电解质溶液电导率探究

(i) 实验目的

1. 鉴定电解质溶液和非电解质溶液

2. 鉴定强或弱电解质溶液

3. (i) 强电电解质和 (ii) 弱电电解质之电导率与稀释关系

(ii) 简介

游离离子令溶液电导。离子键化合物溶于水，生成游离离子因而电导。强极性共价键化合物 (covalent compounds with ionic character)，如乙酸，也会电导，不过弱一点。纯共价键化合物如糖溶液或弱极性共价键化合物如乙醇则不电导。

(iii) 安全措施

配戴安全护镜，不要让皮肤接触任何化学药物。氨水和冰醋酸有强烈气味和刺激性，要配适当口罩。对这此些气体敏感学生要先咨询医生。尽量用最少份量反应物料。按老师指示处理实验步骤，化学药物，过量物料和反应剩余物。

(iv) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
** 冰(100%)乙酸	50 cm³	微型电导探头	1
* 1 M H₂SO₄	100 cm³	电导传感器	1
* 1 M CH₃COOH	100 cm³	巴斯德移液管 (Pasteur pipette)	5
1 M NaCl	100 cm³	医学用口罩	1
* 1M NH₃(aq)	100cm³	有机Combo井穴板	1
Sat. NaCl (aq)	100 cm³	100 cm³烧杯	5
20% 葡萄糖溶液	10 cm³	DMM	1
95% C₂H₅OH	10 cm³	微型搅拌棒	1
去离子水	适量	砂纸	1小块

(v) 实验步骤和结果

(A) 鉴定电解质溶液和非电解质溶液

1. 标签有机Combo 井穴板之小穴 1 – 8 (Combo 井穴板共有 6 x 2 大穴和 12 x 4 小穴) 。每次用一清洁巴斯德滴管，以下表方法于 8 个小井穴放入各种溶液：

(表1)

小井穴排名	1	2	3	4	5	6	7	8
溶液	10 drops of deionized water	10 drops of 20% glucose solution	10 drops of 95% ethanol	10 drops of 1M ethanoic acid	10 drops of 1M sulphuric acid	10 drops of 1M sodium hydroxide	10 drops of 1M ammonia	10 drops of 1M sodium chloride

2. 连接 DMM (2000 mV 选择档)，电导传感器，微型电导探头。开启传感器，稍候1分钟热身。用一小节金属条「短路校正」仪器。首先转动传感器旋钮调校输出为 100 mV，作100 满度校正 (图 236)。跟着再转动传感器旋钮调校输出为 300 mV为满度，作300 满度校正 (图 237)。这步骤强化数据显示。增加3倍令小数据有较大变化之显示。传感器旋钮调校幅度要顾及这方面要求。


(图236) 100 mV「短路校正」	(图237) 300 mV 「短路校正」

3. 采用100 满度校正：置探头于井穴1，少许摇晃。探头尖处于井穴底。停止摇动，等候显示稳定。记录 DMM 数据。

4. 用去离子水清洗探头。置探头于井穴2，少许摇晃。探头尖处于井穴底。停止摇动，等候显示稳定。记录 DMM 数据。

5. 重复步骤 (4) ，直至井穴 3， 4， 5， 6， 7，和 8都完成实验。

6. 改用300 满度校正，重复步骤 (3) 至 (5) ，完成下表：

(表2)

小井穴排名		1	2	3	4	5	6	7	8
溶液		10 drops of deionized water	10 drops of 20% glucose solution	10 drops of 95% ethanol	10 drops of 1M ethanoic acid	10 drops of 1M sulphuric acid	10 drops of 1M sodium hydroxide	10 drops of 1M ammonia	10 drops of 1M sodium chloride
DMM显示 / mV	300FS	2	2	2	15	243	222	14	184
DMM显示 / mV	100FS	1	1	1	5	81	74	5	61

(B) 定强或弱电解质溶液

按 (表2) 所示之相对电导率，完成下 (表3)，分成三大类。

(表3)

	非电解质	弱电解质	强电解质
溶液

(C) (i) 强电电解质和 (ii) 弱电电解质之电导率与稀释关系

据 (表2) 结果及使用已有之反应物，探究稀释作用与以下，溶液电导率之影响： (i) sat. NaCl，(ii) 1 M NaCl， (iii) 100% CH₃COOH和 (iv) 1 M CH₃COOH。

首先如 (图238) 矩阵式标签有机Combo全部井穴板以利分析。板面分为列和栏，各井穴可给予一编号。

(图 238) 矩阵式标签有机Combo 井穴板

(i) sat. NaCl溶液

1. 准备一100 cm³烧杯半载sat. NaCl溶液，另外三个100 cm³烧杯各装半满去离子水 (一个用来调移去离子水，三个实验后作清洗用)。

2. 这部份实验使用Combo井穴板之大井穴以利搅拌作用，小井穴不适宜搅拌用途。探头同时用作搅拌棒。开启电导传感器，DMM选择2000 mV檔，300 mV 「短路校正」。

3. 在井穴阵A/1穴用一干净巴斯德移液管注入40滴sat. NaCl溶液，A/ 2穴35滴，A/ 3穴30滴，A/ 4穴25滴，A/ 5穴20滴，A/ 6穴15滴，B/6穴10滴，B/5穴5滴。

4. 用一干净巴斯德移液管向A/2穴注入5滴去离子水，A/3穴10滴，A/4穴15滴，A/5穴20滴，A/6穴25滴，B/6穴30滴，B/5穴35滴。

5. 以上方法称作「连续变化法」(continuous variation method) 。方法之特点是有目的地保持总容积不变，即40滴。加入之去离子水令浓度以 7/8：6/8：5/8： 4/8：3/8：2/8：1/8 遞递减。若总容积有变，浓度不会以线性下降，每次都要计算一次。

6. 放探头入A/1井穴，稍作搅拌，停止搅拌，置探头于井穴底。等候至DMM显示稳定，记录数据。以去离子水清洗探头三次。

7. 重复步骤 6，测量A/2，A/3，A/4，A/5，A/6，B/6，B/5井穴溶液电导率。

8. 以100 mV 「短路校正」，重复步骤 1 – 7并记录各井穴溶液电导率 (表4)。完成 (表4)

(表4)：

大井穴排名		A/1	A/2	A/3	A/4	A/5	A/6	B/6	B/5
溶液	sat. NaCl 滴数	40	35	30	25	20	15	10	5
溶液	去离子水滴数	0	5	10	15	20	25	30	35
DMM 显示/mV	300 FS	185	190	188	186	182	179	169	146
DMM 显示/mV	100 FS	62	63	63	62	61	60	56	49

(ii) 1 M NaCl溶液

1. 重复 (i) sat. NaCl溶液实验所有步骤，以1 M NaCl溶液取代sat. NaCl溶液。

2. 完成下表 (表5) ：

(表5) ：

大井穴排名		A/1	A/2	A/3	A/4	A/5	A/6	B/6	B/5
溶液	1 M NaCl 滴数	40	35	30	25	20	15	10	5
溶液	去离子水滴数	0	5	10	15	20	25	30	35
DMM 显示/mV	300 FS	157	149	142	135	128	116	92	73
DMM 显示/mV	100 FS	52	50	47	45	43	39	31	24

(iii) 100% CH₃COOH

重复 (ii) 1 M NaCl溶液实验所有步骤，以100% CH₃COOH取代1 M NaCl溶液。特别注意：100% CH₃COOH发出极强烈刺激气味，一定要戴上医疗用口罩。不能让有气管敏感学生进行这实验 。实验 (iii) 涉及共价键化合物，电导率远小于离子键电解质，传感器输出要调校至 300 mV 「短路校正」。

完成 (表6) ：

大井穴排名		A/1	A/2	A/3	A/4	A/5	A/6	B/6	B/5
溶液	100% CH₃COOH 滴数	40	35	30	25	20	15	10	5
溶液	去离子水滴数	0	5	10	15	20	25	30	35
DMM 显示/mV	300 FS	2	2	10	14	21	22	22	18

(iv) 1 M CH₃COOH

重复 (iii) 100% CH₃COOH实验所有步骤，以1M CH₃COOH取代100% CH₃COOH。1M CH₃COOH会挥发食用醋气味，仍要配戴口罩。实验 (iv) 也涉及共价键化合物，电导率也小于离子键电解质，传感器输出仍需调校至 300 mV 「短路校正」。

完成 (表7) ：

大井穴排名		A/1	A/2	A/3	A/4	A/5	A/6	B/6	B/5
溶液	1 M CH₃COOH 滴数	40	35	30	25	20	15	10	5
溶液	去离子水滴数	0	5	10	15	20	25	30	35
DMM 显示/mV	300 FS	18	17	16	15	14	12	9	8

(vi) 图解结果

实验 (i) 至 (iv) 之表格数据可以图表形式表达。首先启动微软「Excel」。分别建立1M NaCl、 sat. NaCl、 1 M ethanoic acid 和 100% ethanoic acid各栏。从主菜单单击「Insert」，跟着「Graph」。选择「X-Y scattered diagram」。整理各轴和各坐标，建强电电解质和弱电电解质之电导率与稀释关系图表 (下图) 。

(vii) 总结

1. 电解质能于水中离子化 (ionize) 。例如氯化钠、硫酸，乙酸、氨水等。

2. 非电解质溶液不会离子化 (non-ionizable) 。例如去离子水、葡萄糖，乙醇等。

3. 在同一条件下，强电解质水溶液电导率较弱电解质水溶液电导率为大。

4. 一般情况下，稀释令电导率下降。但有些可溶于水之非电解质共价键化合物如100%乙酸，电导率随稀释而上升 (表6) 。这是因为有些可溶共价键化合物于水中离子化。

5. 游离离子令溶液电导。

(viii) 讨论

(1) 试列两因素决定溶液电导。

离子和交/直流电

(2) 两因素之动态应如何？

游离和移动中

(3) 自由电子令固态电导体电导。游离离子令水溶液电导。试列固态电导和溶液电导两重要工业应用。

电动机和电解

(ix) 网页搜寻

1. 连接互联网，试找一合理解释为什么溶液电导不靠一串移动电子。

网址：

Current and resistance (article) | Khan Academy

资料

基本概念

(1) 透过移动离子，直流电通过电解质溶液令电解质分解和使离子释出或接收电子。

(2) 交流电通过电解质溶液不需要移动离子，没有伴随任可反应。

(3) 电解质溶液交流电通电运作相当一「推–挽」式机制。因两电极受交流电电场 (正半周 /负半周电压以一定频率交替变动) 影响，电解质溶液之 (+)和 (-)离子于两电极间不停振动。当一电极处于正半周时，另一电极处于负半周，以电压频率通电。设处于正半周一电极释放 (push) 电子，另一电极处于负半周则接收 (pull) 电子，电子透过振动之不迁移 (+)和 (-)离子链通行。

(4) 电解质溶液通电不可以由移动电子 (即水合电子，hydrated electrons) 完成，因水合电子不可能产生。

2. 试解释浓度和「有效浓度」或「活度」”activity”, a, 之差别。

「活度」(activity, a) 变数用于量度非理溶液 (non-ideal solution) 之有效浓度。当浓度为稀释时，溶液浓度可作为量化溶液溶质之密度。高溶液浓度情况不一样，溶液之溶质 (或电解质之离子) 自由度减少，只有一部份溶质可依反应方程式以化学计量 (stoichiometric) 计算。电解质溶液之有效浓度十分敏感，因溶液有 (+)和 (-)离子，高溶液浓度往往不能依反应化学计量计算。因此高浓度电解质溶液应以「活度」计算相关反应变量。

我们习惯用方程式 pH = – log [H⁺] 计算 pH值。但pH计是量度H⁺离子之有效浓度，因此严格地考虑，计算pH值应用方程式 pH = – log [a_H⁺]。不过中学化学科程度计算pH值以pH = – log [H⁺] 计算也可接受。

「活度」概念涉及高阶热化学热力学参数如化学位能 (chemical potential)、离子强度 (ionic strength)、吉布斯自由能 (Gibbs free energy)。简而言之，就是针对非理想环境中之实体变数。

实验 (22): 微型电导滴定

(i) 实验目的

1. 进行微型酸/碱电导滴定

2. H₂SO₄(aq) vs Ba(OH)₂(aq) 电导滴定测定硫酸溶液样本浓度

(ii) 简介

电导滴定是一种化学容量分析方法测定溶液浓度。共价水份子是酸碱滴定反应一个产物，因此滴定起始时总离子浓度下降，当一方反应物用罄时，不再产生水份子，加入之另一离子反应物使电导率上升。整个滴定曲线为一落一上，产生之转折点称作「当量点」(equivalence point) 或「终点」，代表酸碱中和反应计量完成 (stoichiometrically completed)。若锥瓶内反应物浓度已知，滴管内未知浓度反应物可从当量点和反应方程式计算其浓度。

有一点要注意：稀释电解质溶液令电导率下降。加滴定剂 (titrant) 除了进行酸碱反应之余也起了稀释作用，因此实验完毕后之容积和实验前之容积不应有太大差别。基于此原因，一般电导滴定都把滴定剂浓度和被滴定剂浓度比例定为10：1，使容积变化不会过大。不过这做法是有条件的：即反应方程式反应物计量系数为1：1。

(iii) 安全措施

配戴安全护镜，不要让皮肤接触任何化学药物。尽量用最少份量反应物料。按老师指示处理实验步骤，化学药物，过量物料和反应剩余物。

(iv) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* ~ 1 M H₂SO₄	100 cm³	微型电导探头	1
* 0.01 M Ba (OH)₂	100 cm³	电导传感器	1
酚酞指示剂	5 cm³	10 cm³移液管	1
去离子水	适量	50 cm³滴定管	1
		150 cm³ 锥形瓶	2
		24井穴板或 combo 井穴板	1
		巴斯德移液管	2
		100 cm³烧杯	5
		DMM	1
		100 cm³ 容量瓶	1
		微型塑料移液管	1
		搅拌玻璃棒	1
		砂纸	1小块

(v) 实验步骤

1. 准备三个干净100 cm³烧杯，各装半满去离子水，作清洗用。

2. 利用100 cm³容量瓶，把10 cm³样本 ~ 1 M H₂SO₄制成100 cm³~ 0.1M H₂SO₄。用一100 cm³烧杯储备稀释之~ 0.1M H₂SO₄。

3. 准备一干净24井穴板，用一清洁巴斯德移液管注50滴0.01M Ba(OH)₂(aq) 于其中一个井穴，随着加2滴酚酞指示剂。

4. 开启电导传感器，连接DMM，选择 2000 mV满档。以一金属线「短路校正」，传感器旋钮调校至 DMM显示 200 mV，跟着固定下来 (图239)。

5. 置微型探头于反应井穴，搅拌一会儿。停止搅拌并让探头尖置于井穴底 (图240)。重复操作直至DMM显示稳定，并记录数据 (表1)。细看电解是否发生 (图241)。

6. 用一清洁巴斯德移液管，加一滴 ~ 0.1 M H₂SO₄于反应井穴。搅拌一会儿，停止搅拌并让探头尖置于井穴底。重复操作直至DMM显示稳定 (图242)，并记录数据。

7. 用同一巴斯德移液管，加第二滴 ~ 0.1 M H₂SO₄。重复步骤 (6)。

8. 重复实验直至加至10滴 ~ 0.1 M H₂SO₄。留意过「当量点」时颜色之突变。

9. 完成 (表1)。

(表 1)：

大约0.1M H₂SO₄滴数	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
电导率 (FS 200 mV)	27	24	20	16	12	9	20	28	35	40	45

Ba(OH)2(aq) + H2SO4(aq) → BaSO4(s) + 2H2O(l)

达致「当量点」时，井穴颜色由 ___________ 变为 ______________。


(图239) 200 mV 「短路校正」	(图240) 置探头尖于井穴底

(图241) 探头尖没有电解现象	(图242) 滴定进行中，相对电导率为34%

(vi) 数据处理

启动「Excel」试算表软件。建立 Rel. Conductance 和No. of drops of ~ 0.1M H₂SO₄ 栏格。主页菜单单击「插入」，跟着「图表」图标。选择「X-Y scattered diagram」。理顺各坐标轴并建立电导滴定图表。

(vii) 电导滴定曲线

检视上图，「当量点」为5.0 滴硫酸。

(viii) 计算

按反应计量计算，从反应方程式显示，一摩尔酸中和一摩尔碱。设x cm³= 每滴容积，C mol dm^-3 = 硫酸浓度。C之值计算如下：

(ix) 讨论

1. 简释滴定初时有白色沉淀物产生。

巴斯德移液管加入之硫酸和井穴之Ba(OH)₂溶液反应产生白色不溶于水之BaSO₄(s) 。

Ba2+(aq) + SO42-(aq) → BaSO4(s)

2. 简释滴定曲线前段之斜率较过当量点后之斜率为小。

以200 mV FSD短路校正，0.01 M Ba(OH)₂相对电导率为27而0.01 M H₂SO₄ 相对电导率为 58。H₂SO₄(aq) 电导率较Ba(OH)₂(aq) 为大。滴定开始时只有Ba²⁺(aq) 和 OH^–(aq) 离子导电。加入每滴H₂SO₄(aq) 全部变为不电导之BaSO₄(s) 和 H₂O(l)。反应井穴内Ba²⁺(aq) 和 OH^–(aq) 离子减少，电导率因此下降。达到当量点时，井穴内再没有Ba²⁺(aq) 和 OH^–(aq) 离子，而继续加入之高电离度H₂SO₄(aq) 令电导率攀升。

3. 简释滴定曲线不是两直线。

参考第51页 (图 145和 146) 可见微型探测器两端建立之电场不是平行直线形而是曲线形。因此当离子浓度改变时，电导率不是作比例性地线性改变。再者，过当量点后稀释效应也影响线性改变。

4. 最精准容量分析方法可以测定最小溶液浓度达至何种程度？若要测定更小溶液浓度有什么方法？

滴定法 (Titration) 测定溶液浓度精准度可达至10^-4M，库伦法（Coulometry）可测至10^-5M等。要测定10^-6– 10^-8M溶液浓度要用精密仪器如原子吸光仪 (Atomic Absorption Spectrometer)。

5. 对比传统用滴管和锥形瓶之滴定法，试列两个使用井穴板和巴斯德移液管微型滴定法主要优点。

(i) 反应量少和 (ii) 以整数滴数代替有小数字之容积数据，即以计数代替量度。

6. 建议两个主要实验误差。提议解决方法。

*实验误差*	*解决方法*
(i) 滴与滴之容量误差	用同一巴斯德移液管和同一倾斜角度，手指压力要均匀。
(ii) 当量点容易被超越	要靠图解曲线定转折点，不应只计滴数。

(x) 结论

提供之硫酸样本经微型电导滴定测定为1.00 mol dm^-3

实验 (23) : 比色计测量 KMnO₄浓度

(i) 实验目的

1. 目视估测KMnO₄溶液样本度浓度

2. 用比色计则定KMnO₄溶液样本浓度

(ii) 简介

(A) 人类双眼是一台天然比色计

人类双眼视觉可分辨物体距离和立体程度 (对光波相位差敏感) 和有色液体颜色之深浅 (对光波波幅敏感)。因此眼睛是一台优良天然比色计，若有一顺列试管1，2，3…至10，内装颜色溶液其浓度有递减作为一测试板，那么我们依靠双眼可以估算未知浓度有同样颜色之溶液。只要用它来对照测试板，如果它的颜色深浅近似试管4，那么它的浓度可视作是试管4之浓度。

这方法缺点甚多。虽然如此，方法代表了最基本的比色法。若要准确量化测试亮度就要使用仪器 – 比色计 (colorimeter)。

(B) 用比色计则定有色溶液样本度浓度

(A) 之情况可以用比色计得到准确定量数据。比色计图解校正法可测量任何有颜色溶液样本度浓度。比色计量度溶液之透光率 (回顾主题 5.3) 。只要用已知浓度溶液之透光率与浓度作一校正曲线 (图240)，未知溶液X之浓度可从透光率校正曲线推断出来。校正曲线不会是一直线。

(图243) 比色计校正曲线

(iii) 安全措施

配戴安全护镜，不要让皮肤接触任何化学药物。尽量用最少份量反应物料。按老师指示处理实验步骤，化学药物，过量物料和反应剩余物。

(iv) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
4 x 10^-3M KMnO₄	25 cm³	自制比色计连插线	1
Solution X	15 cm³	DMM	1
去离子水	适量	大塑料移液管	4
		10 cm³ 移液管	2
		试管	10
		250 cm³烧杯	1
		玻璃棒	1
		洗涤瓶内装去离子水	1
		镊子	1

(v) 实验步骤

(A) 目视法估算KMnO₄ 溶液样本浓度

1. 用10 cm³ 移液管注20 cm³ 4 x 10^-3 M KMnO₄ 入试管从试管1移10 cm³ 4 x 10^-3 M KMnO₄入试管2，加相同容量去离子水入试管2，彻底搅拌。

2. 从试管2移10 cm³溶液入试管3，加相同容量去离子水，彻底搅拌。

3. 从试管3移10 cm³溶液入试管4，加相同容量去离子水，彻底搅拌。

4. 重复步骤3四次直至制备试管5，6，7和8。下表显示制备溶液之浓度：

试管	KMnO₄ 溶液浓度 / x 10^-4mol dm^-3
1	40.00
2	20.00
3	10.00
4	5.00
5	2.5
6	1.25
7	0.625
8	0.3125

5. 把8试管排列成一排，以透明胶贴纸固定成一测试板 (图244)。置溶液X靠近测试板，目测测试板中颜色深浅最匹配X的试管。溶液X之浓度就估算为测试板那试管之浓度。

(图244) 试管测试板

(B) 比色计则定KMnO₄溶液样本浓度

(i) 100%透光率空白校正

1.	DMM连接比色计，选择DC 2000 mV 满档。
2.	开启比色计。选择LED绿色光源 (520 nm)。
3.	注去离子水入一清洁比色杯至3/4满。
4.	用镊子把比色杯放入比色计杯槽。注意比色计杯之光面要对正光源和LDR。盖上盖子。
5.	调校比色计旋钮至DMM显示100 mV。固定旋钮，校正步骤完毕，仪器可以进行实验。

(ii) 浓度测量

1.	用胶移液管注40滴试管1溶液入一清洁比色杯。用干净纸巾清洁比色杯两光面，放入比色杯槽至槽底。盖上盖子。记录稳定数据。
2.	用镊子拿走比色杯，倒去溶液，完全清洗比色杯。注40滴试管2溶液入这比色杯。用干净纸巾清洁比色杯两光面，放入比色杯槽至槽底。盖上盖子。记录稳定数据。
3.	重复步骤 (2) 直至试管3，4，5，6，7和8之溶液都完成实验。

(iii) 实验结果 (校正曲线)

试管	KMnO₄溶液浓度/ x 10^-4mol dm^-3	DMM显示(100 mV空白校正)
1	40.00	4.7
2	20.00	9.5
3	10.00	17.4
4	5.00	39.5
5	2.5	68.1
6	1.25	85.3
7	0.625	93.1
8	0.3125	96.4

(图245) 校正曲线数据

溶液X之DMM显示 = ________________

(iv) 数据处理

启动「Excel」试算表软件。建立 Rel. Conductance 和No. of drops of ~ 0.1M H₂SO₄ 栏格。主页菜单单击「插入」，跟着「图表」图标。选择「X-Y scattered diagram」。理顺各坐标轴并建立校正图表。

(图246) 校正曲线

从校正曲线推断，以DMM显示 _____，溶液X之浓度为 __________ mol dm^-3

(vi) 讨论

1. 对比色测试浓度而然，简释目测法是否科学？

若缺少定量仪器，目测法是科学方法之实用「尝试错误法」 (trial-and-error method)

2. 除用比色计外，说出另一定量实验方法测量有颜色溶液浓度。两者准确度差别如何？

3. 以下讨论有关比尔定律 (Beer’s law)

(a) 可否用计算方法而不用校正曲线推断结果？

可以

(b) 如何作计算？

需要建立浓度与亮度一方程式。

(d) 试以比尔方程式按吸光度和溶液浓度作一图解。从线性作图推断一直线方程，代入吸光度数据计算溶液浓度。

比尔定律不适用于高浓度和极低浓度溶液。(图245)表格改写为：

试管	KMnO₄溶液浓度/ x 10^-4mol dm^-3	DMM显示(100 mV空白校正)
3	10.00	17.4
4	5.00	39.5
5	2.5	68.1
6	1.25	85.3
7	0.625	93.1

建立吸光度数据，浓度数据表格：

试管	KMnO₄溶液浓度/ x 10^-4mol dm^-3	DMM显示 (100 mV空白校正)	T (透光度，Transmittance)	1/T	Absorbance Log (1/T)
3	10.00	17.4	0.174	5.75	0.76
4	5.00	39.5	0.395	2.53	0.40
5	2.5	68.1	0.681	1.47	0.17
6	1.25	85.3	0.853	1.17	0.07
7	0.625	93.1	0.931	1.07	0.03

启动 “Excel”试算表。输入溶液浓度和吸光度数据，绘制 XY 散射图。

线性公式： 吸光度 = 0.079 (浓度 x 10⁴mol dm^-3) – 0.02

上式代入吸光度可计算出浓度。

「DMM显示技巧」只显示透光度 (T)，需要改写上式为：

(e) 试以 “Excel” 试算表函数指令建立一计算方程，输入未知吸光度 (T) 实时可得需求之浓度数据。

(图247) “Excel” 试算表吸光度 (T) 和浓度对换函数指令公式和图解

(vii) 结论

1. 从建立之校正曲线图 (图246)，推断溶液X之浓度为 __________________。

2. 从建立之 “Excel” 试算表函数公式(图247)，溶液X之浓度计算为 __________________。

实验 (24) : 比色计测定不含酒精饮料的食物色素的含量

(i) 实验目的

以「DMM 显示技巧」测量不含酒精 “芬X”橙味饮品食物色素日落黄 (Sunset Yellow，E110) 的 ppm含量。

(ii) 简介

食物色素往往加入包装食物令其外表吸引消费者。如红曲素(monascin)涂上叉烧便由烧烤式叉烧样子变为鲜艳红色。不过这些食用色素有严格监管和国际标准。卷标字母为E，如 (E 133) 食用蓝色一号 (Brilliant Blue) 用于化妆品， (E110) 日落黄 (Sunset Yellow) 用于饮料等。

这些色素 (人工或天然) 水溶解度很高，少许溶于水便有强烈透明颜色，非常适合用比色计测量其溶液浓度。本实验用 (E110) 日落黄色素作校正药物，测试 “芬X” 橙味饮品含日落黄色素之浓度，以 ppm 单位显示。1 ppm = 1 part per million, 若是溶液，1 ppm = 1 mg dm^–3 。

(iii) 安全措施

本实验之药物和仪器全部都很安全。但要老师指导下在实验室进行实验。小心每一步骤。紧记「黄金规则」：先停2秒才开始。

(iv) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
200 ppm日落黄色(E 110) 溶液	25 cm³	自制比色计连插线	1
“芬X”橙味饮品，去二氧化碳	15 cm³	DMM	1
去离子水	适量	塑料比色杯	3
		巴斯德移液管	4
		100 cm³，250 cm³烧杯	各1
		500 cm³ 容量瓶	1
		玻璃棒	1
		微型玻璃棒	1
		镊子	1把
		洗涤瓶内装去离子水	1
		刮勺	1
		电子天秤 (±0.001克)	1

(iv) 实验步骤

(A) 制备日落黄 (E 110) 200 ppm 校正溶液

称量0.100克日落黄色素，置入100 cm³烧杯，加去离子水并搅拌至全部溶解。移溶液入500 cm³容量瓶，加去离子水至半月湾面至刻线。上下倒转反摇五次。制备之浓度为 200 ppm。取约100 cm³ 200 ppm日落黄色素溶液作校正实验储备。

(B) 制备 “芬X” 橙味饮品样本

“芬X” 橙味饮品内含二氧化碳气体，不可以开瓶后实时用作实验。以巴斯德移液管提取约10 cm³，置室内20分钟，期间不时搅拌。

(C) 比色计蓝色LED校正

1. 启动比色计，连接DMM，选择2000 mV满档。调校旋钮至DMM显示100mV。注约50滴 “芬X” 橙味饮品入比色杯 (图248)，用镊子把它全部放入比色槽仓，盖上盖子(图249)。留意比色杯之透明面要对着三色LED光源和LDR光感电阻。用纸手巾清洁比色杯两透明面。光源选择旋钮分别测试溶液对红，绿和蓝三种单色光之相对吸光度。决定蓝光之吸光度最为优胜。

2. 跟着要用蓝光校正比计。取另一清洁比色杯，注入50滴去离子水，用镊子把它全部放入比色槽仓，盖上盖子。谨记做足留意事项。调校旋钮至DMM显示100 mV (图250)。校正步骤完毕，比色计可进行实验。


(图 248)	(图 249)	(图 250)

(D) 比色计实验

(i) 建立校正曲线推断“芬X”橙味饮品日落黄色素浓度

(a) 取一清洁比色杯，注入50滴200 ppm日落黄色素溶液 (图248)，用镊子把它全部放入比色槽仓，盖上盖子。谨记做足留意事项。记录稳定DMM数据。

(b) 取另一清洁比色杯，注入40滴200 ppm日落黄色素溶液，跟着注10滴去离子水，用微型玻璃棒搅拌数圈。用镊子把它全部放入比色槽仓，盖上盖子。谨记做足留意事项。记录稳定DMM数据。

(d) 重复步骤 (b)，日落黄色素溶液滴数：去离子滴数 20：30。

(e) 重复步骤 (b)，日落黄色素溶液滴数：去离子滴数 10：40。

(f) 完成以下表格。

日落黄色素溶液滴数	50	40	30	20	10
去离子水滴数	0	10	20	30	40
日落黄色素溶液浓度/ppm	200	160	120	80	40
DMM显示 /2000 mV
透光度 (T)

(g) 完成以下表格。

“芬X”橙味饮品滴数	50
DMM显示 /2000 mV
透光度 (T)

(h) 启动 “Excel” 软件，输入步骤 (f) 表格数据，绘制XY散射图 (浓度数据 vs 透光度(T) 数据，完成校正曲线图 (图 251) 。

(i) 按校正曲线，以步骤 (g) “芬X” 橙味饮品样本之透光度数据，推断 “芬X”橙味饮品含日落黄色素之 ppm 浓度。

(ii) 建立比尔定律校正线性图，计算“芬X”橙味饮品日落黄色素浓度

a. 按 (i) 步骤改写 (f) 表格，输入(1/T) 和 log(1/T) 数据。新表格如下：

日落黄色素溶液滴数	50	40	30	20	10
去离子水滴数	0	10	20	30	40
日落黄色素溶液浓度/ppm	200	160	120	80	40
DMM显示 /2000 mV
透光度 (T)
1/T
Log (1/T)

b. 利用 “Excel” 试算表绘制浓度vs log(1/T) 图解，取得趋势直线和相关线性公式。跟着用指示令编写简单程序。输入透光度 (T) 和日落黄色素溶液ppm浓度。输入未知透光度 (T) 可实时显示其ppm浓度。

c. 输入 “芬X” 橙味饮品透光度 (T)，实时以编写程序求得 “芬X” 之日落黄色素ppm浓度。

(v) 实验计算和结果

(i) 建立校正曲线推断“芬X”橙味饮品日落黄色素浓度。

a. 实验结果：

日落黄色素溶液滴数	50	40	30	20	10
去离子水滴数	0	10	20	30	40
日落黄色素溶液浓度/ppm	200	160	120	80	40
DMM显示 /2000 mV	13	15	20	27	36
透光度 (T)	0.13	0.15	0.20	0.27	0.36

“芬X”橙味饮品滴数	50
DMM显示 /2000 mV	22
透光度 (T)	0.22

b. 以 “Excel” 试算表取得日落黄色素ppm浓度 vs 透光度 (T) XY散射图如下：

(图251) 浓度 vs 透光度 (T) 校正曲线

c. 已知 “芬X” 橙味饮品透光度 (T) 为0.22，从上图可推断日落黄色素ppm浓度为 105 ppm。

(ii) 建立比尔定律校正线性图，计算“芬X”橙味饮品日落黄色素浓度

a. 建立一新「Excel」试算表和 (T) 、1/T及log(1/T) 栏并输入相关数据。因比尔定律不适用太稀释溶液，所以除去40 ppm日落黄色素浓度之相关数据。建立浓度vs 吸光度 (T) XY散射曲线和趋势 (图252)，取得线性公式。

b. 实验结果：

日落黄色素溶液滴数	50	40	30	20	10
去离子水滴数	0	10	20	30	40
日落黄色素溶液浓度/ppm	200	160	120	80	40
DMM显示 /2000 mV	13	15	20	27	36
透光度 (T)	0.13	0.15	0.20	0.27	0.36
1/T	7.69	6.67	5.00	3.70	2.78
Log (1/T)	0.89	0.82	0.70	0.57	0.44

c. 取得之线性方程式：

浓度 (ppm) = 363.03 log (1/T) – 130.34

Conc/ppm一栏对应 (T) 栏为 A 10之 D 10空格建立以 “Excel” 指令编写程序：

=SUM(-130.24,363.03*(PRODUCT(LOG10(1/A10))))

(图252) 浓度 vs 吸光度XY散射曲线和趋势直线

d. A 10空格输入 0.22便得 D 10空格显示108 ppm。

“芬X”橙味饮品日落黄色素浓度计算为108 ppm。

(vi) 结论

1. 以校正曲线推断 “芬X” 橙味饮品日落黄色素浓度为 105 ppm。

2. 以 “Excel” 试算表线性计算 “芬X” 橙味饮品日落黄色素浓度为 108 ppm。

实验 (25) : 测试 (酸化过氧化物氧化碘离子之化学反应) 碘离子之反应级数

(i) 实验目的

验证假设酸化过氧化氢氧化碘离子反应对碘离子应为一级反应。

(ii) 资料简介

(A) 理论角度考虑

(i) 酸化过氧化氢氧化碘离子反应方程式：
H2O2(aq) + 3I-(aq) + 2H+(aq) → I3-(aq) + 2H2O(l)

通常以简化式表达：

H2O2(aq) + 2I-(aq) + 2H+(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)

选作测量用的反应物是深棕色I₃^–(aq) 离子产物。有色溶液产物十分适宜以比色计测量其浓度。全部I^–(aq) 离子反应生成I₃^–(aq)，但不能用过量H₂O₂(aq) 。因为生成之I₃^–(aq) 会氧化为灰黑色I₂沉淀，令比色计不能进行实验。

反应机理预测为一单分子反应：

总反应速率决定于速率控制步骤 (rate determining step)，即慢反应之第一基元反应 (elementary reaction)。以计量系数考虑第一基元反应，总反应对碘离子和过氧化氢之反应级数都为1。

实验之化学反应方程碘离子计量系数为2，不是1。因此有需要测定碘离子之反应数。

(ii) 实验方法是检视反应衰变曲线 (decay curve) 之半衰期 (half-life) 。按积分式一级反应速率方程：

[A] = [A]o e-kt

当碘离子反应物被消耗，即衰变，至其浓度一半时： [A] = [A]_o 反应速率方程半衰期， [A]/[A]o = e-kt1/2,
– ln 2 = – k t1/2
t1/2 = ln 2/k ，为一常数。

(图253) 显示连续半衰期之一级反应衰变曲线图

(圖250) 顯示各半衰期非常近似一常數，所以上圖之反應物反應級數為1。

(B) 实验角度考虑

实验仪器采用本课程设计之比色计结合「DMM显示技巧」。仪器只显示透光度 (Transmittance, T)。空白校正 DMM显示 100% 透光，或 T = 1.00。当有I₂(aq) 或I₃^–(aq) 离子生成时，比色杯内透明溶液开始变浅棕色，跟着变深棕色。DMM显示 100 mV开始下降，初时下降速率快，跟着慢下来。反应物浓度不会用作计算，只要浓度能起吸光作用便可以了，不能太浓，也不可以太稀。目的是绘制反应物碘离子之衰变曲线，从而求得数个半衰期时间。

(iii) 安全措施

配戴安全护镜，不要让皮肤接触任何化学药物。尽量用最少份量反应物料。按老师指示处理实验步骤，化学药物，过量物料和反应剩余物。

(iv) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 0.6 M KI	10 cm³	自制比色计连插线	1
* 1 M H₂SO₄	10 cm³	DMM	1
3% H₂O₂	10 cm³	塑料比色杯	3
去离子水	适量	巴斯德移液管	4
		100 cm³ 和250 cm³烧杯	各1
		微型玻璃棒	1
		洗涤瓶内装去离子水	1
		秒表	1
		镊子	1把
		保护胶手套	1对

(v) 实验步骤

(A) 置满度 (即 100 mV) 空白校正

1. 启动比色计，连接 DMM，选择 2000 mV 满档。

2. 选择绿色单色LED光源。

3. 装填清洁比色杯去离子水至3/4满。用纸巾抹干两面透明面。

4. 用镊子夹着比色杯，放下比色杯槽仓至底部，留意单色光要穿过透明面，盖上盖子。

5. 调校旋钮至DMM显示 100 mV。固定旋钮，校正步骤完毕，可以进行实验。

(B) 动力学测试一级反应

1.	分别用清洁巴斯德移液管滴 4滴 0.6M KI溶液入一清洁比色杯，跟着再滴 5滴 1M H₂SO₄溶液和35滴去离子水，用微型玻离棒搅伴数圈。
2.	戴上保护胶手套。小心加1滴3% H₂O₂溶液，用手覆盖比色杯口，上下摇动三次。用纸巾抹干两面透明面，快速放入比色杯槽仓，盖上盖子。同一时间用秒表计时。
3.	记录DMM电压数据，完成表)。

各溶液混合一览表：(表 1)

反应物	滴数	备注
0.6 M KI	4	不一定是4滴，只要令半衰期时间不太短或过长。适宜t_1/2约200s
1 M H₂SO₄	5	质量要过量
3% H₂O₂	1	滴数不能太多，否则过量会产生碘沉淀，影响透光度。
去离子水	35	可调校至一合适反应速率。

(vi) 实验数据：(表 2)

时间 / s	DMM显示 /2000 mV	时间 / s	DMM显示 /2000 mV
0	100	660	34
15	97	720	32.5
30	94	780	31.5
45	91	840	30.5
60	88	900	29.5
75	85.5	960	29
90	83	1020	28
105	81	1080	27.5
120	78	1140	27
150	73.5	1200	26
180	69	1260	26
210	65	1320	25.5
240	62	1380	25
270	58	1440	25
300	55	1500	24.5
360	49.5	1560	24
420	45	1620	24
480	41.5	1680	24
540	38.5	1740	24
600	36	1800	24

(vii) 数据处理

启动 “Excel” 试算表软件，输入时间和透光率数据。绘制XY散射曲线。估算第1、2、3和4半衰期之时间。

实验全程透光率幅度 = (100 – 24) = 76

第一半衰期透光率由100下降至 [100 – (76/2)] = 62。所需时间为 230 s

第二半衰期透光率由62下降至 [62 – (62 – 24)/2] = 43。所需时间为 460 s

第三半衰期透光率由43下降至 [43 – (43 – 24)/2] = 35。所需时间为 690 s

第四半衰期透光率由35下降至 [35 – (35 – 24)/2] = 29。所需时间为 970 s

半衰期	时间 / s	连续半衰期之间时间差别 / s
第1	230	230
第2	460	(460 – 230) = 230
第3	690	(690 – 460) = 230
第4	960	(960 – 680) = 280

第一、二和三半衰期时间平均为230 s。自第四半衰期开始，第五和第六半衰期时间数据误差大，不可接受。

(viii) 结论

透过半衰期验视法，假设酸化过氧化氢氧化碘离子反应对碘离子应为一级反应是对的。

(ix) 讨论

1. 实验测量之变数反应物是消耗之碘离子或是生成之碘？

碘离子无色，对比色计不起作用。生成之碘会实时变为棕色络离子(complex ion) I₃^–(aq) 令溶液由无色变为棕色。实验测量之变数反应物是生成之碘。

2. 简释不用测量实质生成碘之浓度。

不论起始反应物浓度多少，衰变曲线都会形成。.所以不需知道起始碘离子浓度，也不需知道生成碘之浓度。

3. 测量结果之半衰期是否一个常数？

实验结果得出量度之头三个半衰期时间都是一样，反应半衰期是一个常数。

4. 试解析反应是否对碘离子是一级反应。

因消耗碘离子半衰期为一常数，所以反应物碘离子之反应级数是1。

5. 简单陈述另一实验方法验证本实验目的。

除了用比色计，也可用这一方：限制反应生成一固定份量之碘，并测研改变反应物浓度对生成此份量碘之影响。这方法就是有名之「碘时钟反应」。这方法之关键反物是加少量一定份量硫代硫酸钠 (消耗碘) 和淀指示剂 (显示碘出现)。当溶液突然出现深蓝色时即表示那一定份量硫代硫酸钠耗尽，开始产生之碘令淀指示剂变深蓝。若碘离子浓度增加一倍而出现深蓝时间则减半，便证明碘离子对反应级数为1，参阅实验 (11)。

6. 按反应方程式H₂O₂(aq) + 2I^–(aq) + 2H⁺(aq) → I₂(aq) + 2H₂O(l)，碘离子计量系数为2，为什么反应物碘离子之反应级数不是2而是1呢？

化学反应方程之各反应物计量系数 (stoichiometric coefficient) 是用作计算需要多少反应物和产生多少产物。上式表示1摩尔H₂O₂(aq)，2摩尔I^–(aq) 和2摩尔H⁺(aq) 反应，产生1摩尔I₂(aq) 和2摩尔H₂O(l)。计量系数纯粹用作计算反应产生多少产物。计量系数和反应速率没有关系。

反应级数则和反应速率相关，不可以从反应方程式得知，一定要从实验测定。上式从实验得知增加I₂(aq) 浓度一倍，反应速率也增加一倍，所以反应物碘离子之反应级数是1，不是2。

计量系数 (stoichiometric coefficient) 和反应级数 (kinetic order) 是两回事。

7. 不用衰变曲线法，可否另一方法，证明反应物碘离子之反应级数是1。

按积分式一级反应速率方程式：

[A] = [A]_o e^-kt

ln [A] = ln[A]_o – kt

ln([A]_o/[A]) = kt

以 ln([A]_o/[A]) 对 t作图，应得一斜率直线。

以「DMM显示技巧」，本实验之 [A]_o 为100，[A] 为DMM显示。因此直线通过XY轴 (0, 0) 点。因第一，二和三半衰期时间接近常数，即 230 s，而后来之半衰期时间误差大，所以碘离子衰变180秒后数据弃用。

[A]	[A]_o	[A]_o/[A]	ln([A]_o/[A])	时间 / s
100	100	1.00	0.00	0
97	100	1.03	0.03	15
94	100	1.06	0.06	30
91	100	1.10	0.10	45
88	100	1.14	0.13	60
85.5	100	1.17	0.16	75
83	100	1.20	0.18	90
81	100	1.23	0.21	105
78	100	1.28	0.25	120
73.5	100	1.36	0.31	150
69	100	1.45	0.37	180

ln([A]_o/[A]) 对 t作图，得一斜率直线，通过XY轴 (0, 0) 点。反应物碘离子之反应级数是 1。

实验 (26) : 强碱溶液酚酞退色之反应级数

(i) 实验目的

1. 据酚酞和过量氢氧化钠溶液反应，测定酚酞之反应级数。

2. 显示酚酞于过量氢氧化钠溶液退色之总反应级数为2。

(ii) 资料简介

酚酞为一常用之酸/碱指示剂，多用作酸/碱滴定实验测试终点。若过终点后继续滴下碱性反应物，令完成实验之溶液为强碱性，过了一段时间深粉红色会慢慢退色。

酚酞为一弱酸，于水溶液进行如下电离：

H2P(aq) 2H+(aq) + Ph2-(aq)

无色粉紅色

加入碱溶液OH^–(aq) 消耗酸离子，令电离平衡往右移，无色溶液呈现粉红色。反之加入酸溶液令电离平衡往左移，溶液变回无色。当溶液之pH 为8时，无色溶液变为粉红色。若pH 持续增加粉红色转为深粉红色。pH达致10或更高时，粉红色慢慢退色，因Ph^2-和OH^–反应，生成无色络离子P(OH)^3-，如下方程序所示：

Ph2-(aq) + OH-(aq) → P(OH)3-(aq)

粉紅色无色

反应之速率定律式 (rate law) 用此方程式表达：Rate = k [Ph^2-]ⁿ[OH^–]^m，n为Ph^2-之级数而m 为OH^–之级数。

(i) 应对实验目的 (1)，反应物OH^–(aq) 刻意地过量使用。因如此OH^–(aq) 浓度才可以反应前后变动不大，也可视为无变动，即为常数，m = 0。这情况下求得之对酚酞反应级数称作动力学「假 (伪) 级数」“pseudo-order” 。

[Ph^2-] 之减少速率 = 反应速率 = k [Ph^2-]ⁿ[OH^–]^m

过量NaOH 情况下，反应速率 = k_n[Ph^2-]ⁿ, 而k_n = k [OH^–]^m

对一级反应，n = 1，反应速率 = k_n[Ph^2-]

或 ln [Ph^2-] = – k_nt + ln [Ph^2-]_o

Expt. (25) 之透光率 (T) 递减，本实验之透光率递增，或吸光度 (absorbance, A) 递减。[Ph^2-] 和A，ln(1/T) ，成正比例。因此 (A) vs t 显示 [Ph^2-] 之衰变。验视 [Ph^2-] 之衰变图，若连续t_1/2是一个常数，对Ph^2-而言是一级反应。另一方法是图解ln (A) vs t，若得到一通过 (0 0) 点直线，斜率为负k_n，也可验证为一级反应。

(ii) 不可以用方法 (i) 应对另一反应物NaOH。不应用过量酚酞。针对方法 (ii)，采纳方法是改变NaOH浓度。因反应涉及Ph^2-和OH^–两负电荷离子接近，静电排斥不利反应。直接用水稀释 NaOH加强这方面之缺点。因此稀释时保持溶液全部离子浓度 (total ionic strength，离子强度) 不变是关键要素。针对这点，不是用水而是用惰性离子(spectator ion, 旁观离子) 刻意地加入稀释，令离子强度不变 (网上搜寻)。基于这点，加NaCl 溶液作稀释。

反应： Ph^2- + OH^–→ P(OH)^3-

速率定律：Rate = k [Ph^2-]ⁿ[OH^–]^m

Rate = k_n[Ph^2-]ⁿ, 其中 k_n = k [OH^–]^m

考虑稀释 n次之 (NaOH + NaCl) 混合溶液，图解 ln (1/T) vs t之直线求得k_n. 图解k_nvs [OH^–] 应成一直线，因反应条件符合对OH^–动力级数为「假级数」一级之准则。另一图解方法测定级数是以ln k_n vs ln [OH^–] 作图，求直线之斜率 m。从相关方程式ln k_n = ln k + m ln [OH^–]，斜率m就是对OH^–之反应级数。

(iii) 安全措施

配戴安全护镜，不要让皮肤接触任何化学药物。尽量用最少份量反应物料。按老师指示处理实验步骤，化学药物，过量物料和反应剩余物。

(iii) 试剂和仪器

试剂	数量	仪器	数量
* 0.4 M NaOH	25 cm³	自制比色计连接线	1
0.3 M NaCl	15 cm³	DMM	1
酚酞指示剂	0.1% 溶液	胶比色杯	1
去离子水	适量	巴斯德移液管	3
		10 cm³有刻度移液管	2
		100 cm³烧杯	2
		秒表	1
		搅拌玻璃棒	1
		洗涤瓶内装去离子水	1
		镊子	1把
		保护胶手套	1对

(iv) 实验步骤

(A) 测定反应对酚酞之动力「假级数」

1. DMM连接比色计，选择 DC 2000 mV 檔。启动比色计。

2. 用清洁巴斯德移液管，置50 滴4 M NaOH 于一清洁比色杯。用纸巾抹干两面透明面。放比色杯入比色杯槽仓至底部，盖上盖子。选择绿色LED光源。调校旋钮至显示100 mV。对绿色LED光源校正步骤完成。保持旋钮位置。

3. 戴上保护胶手套。用镊子取出比色杯，小心加2滴酚酞指示剂。用手 (戴上胶手套) 覆盖比色杯口，上下摇动三次。用纸巾抹干两面透明面，快速放入比色杯槽仓，盖上盖子，同一时间用秒表计时。

4. 每隔15 秒纪录 DMM 读数，为时8分钟或读数没有变化。完成表(2)。

(B) 测定反应酚酞退色对 OH^–(aq) 之动力级数

1. 制备储备溶液 (i) 至 (v) 如下：据表 (1) 方案，彻底混合4 M NaOH 和 0.3 M NaCl 。

完成表 (1)

溶液	0.4 M NaOH/ cm³	0.3 M NaCl/ cm³	Molarity (OH)^–(aq)/ M
(i)	10	0	0.40
(ii)	9	1	0.36
(iii)	8	2	0.32
(iv)	7	3	0.28
(v)	6	4	0.24

用溶液 (ii)、(iii)、(iv) 和 (v) 重复实验 (A) 步骤 1 至 4。分别完成表 (3) 、(4)、(5) 和 (6) 。

(v) 实验结果和数据处理

1. 测定酚酞级数

温度 = 22 ^oC

这部份和溶液 (i) 有关。完成表 (2)：

表 (2)：

t / s	DMM 读数 /mV	T	1/T	ln (1/T) 或 (A)	ln (A)
0	36	0.36	2.78	1.02	0.02
15	40	0.40	2.50	0.92	-0.09
30	45	0.45	2.22	0.80	-0.23
45	51	0.51	1.96	0.67	-0.40
60	57	0.57	1.75	0.56	-0.58
75	62	0.62	1.61	0.48	-0.74
90	67	0.67	1.49	0.40	-0.92
105	71	0.71	1.41	0.34	-1.07
120	75	0.75	1.33	0.29	-1.25
135	78	0.78	1.28	0.25	-1.40
150	81	0.81	1.23	0.21	-1.57
165	84	0.84	1.19	0.17	-1.75
180	86	0.86	1.160	0.148	-1.91
195	88	0.88	1.14	0.13	-2.03
210	89	0.89	1.12	0.11	-2.18
225	91	0.91	1.10	0.10	-2.35
240	92	0.92	1.09	0.09	-2.45
255	93	0.93	1.07	0.07	-2.69
270	93	0.93	1.06	0.06	-2.84
285	95	0.95	1.05	0.05	-3.02
300	95	0.95	1.04	0.04	-3.24
330	97	0.97	1.03	0.03	-3.52
360	97	0.97	1.03	0.03	-3.52
390	98	0.98	1.02	0.02	-3.92
420	98	0.98	1.02	0.02	-3.92
450	99	0.99	1.01	0.01	-4.61
480	99	0.99	1.01	0.01	-4.61
510	99	0.99	1.01	0.01	-4.61
540	99	0.99	1.01	0.01	-4.61

1. (A) vs t 作图，测定首三个连续半衰期。

第一衰期 (A) 由 1.02下降至 0.01：(1.02 – 0.01)/2) = 0.50 需时 = 65 s

第二衰期 (A) 由 0.50下降至 0.01：(0.50 – 0.01)/2) = 0.25 需时 = 130 s

第三衰期 (A) 由 0.25下降至 0.01：[(0.25 – 0.01)/2] = 0.12 需时 = 190 s

半衰期	时间/ s	连续半衰期相差 / s
第一	65	65
第二	130	(130 – 65) =65
第三	190	(190 – 130) = 60

首两个半衰期一样。第三个半衰期开始有偏差，因为颜色强度变得太弱。一般而言，对酚酞为一级反应。

2. 由t = 0s 至 t = 180s以ln (A) vs t作图。测定直线之斜率k₁_。

趋势线为一直线显示一级反应。斜率k₁= -0.01

过量 OH-(aq)离子酚酞退色

b. 测定OH^–(aq) 级数

温度 = 22^oC

这部份和溶液 (ii)、(iii)、(iv) 和 (v) 有关。完成表 (3)、(4)、(5) 和 (6)

Table (3), [OH^–] = 0.36 M

Table (4), [OH^–] = 0.32 M

t/s	T	1/T	ln (1/T)	ln (A)
0	0.40	2.5	0.92	-0.09
60	0.60	1.67	0.51	-0.67
120	0.77	1.33	0.29	-1.25
180	0.86	1.19	0.17	-1.75
240	0.92	1.12	0.11	-2.18

t/s	T	1/T	ln (1/T)	ln (A)
0	0.40	2.5	0.92	-0.09
60	0.56	1.79	0.58	-0.54
120	0.70	1.43	0.36	-1.03
180	0.80	1.25	0.22	-1.50
240	0.87	1.15	0.14	-1.97

Table (5), [OH^–] = 0.28 M

Table (6), [OH^–] = 0.24 M

t/s	T	1/T	ln (1/T)	ln (A)
0	0.40	2.5	0.92	-0.09
60	0.51	1.96	0.67	-0.40
120	0.62	1.61	0.48	-0.74
180	0.71	1.41	0.34	-1.07
240	0.78	1.28	0.25	-1.40

t/s	T	1/T	ln (1/T)	ln (A)
0	0.40	2.5	0.92	-0.09
60	0.51	1.96	0.67	-0.40
120	0.62	1.61	0.48	-0.74
180	0.71	1.41	0.34	-1.07
240	0.78	1.28	0.25	-1.40