單元貳:化學反應的現象

一、 化學反應與能的轉變

()化學反應與能的變化:

1.當物質在發生化學反應或物理反應的同時,必定伴隨著能量的變化,此種現象可以由反應前、後的溫度變化觀察得到。

2.有些化學反應需要吸收能量才會持續反應,而有些化學反應進行中會由物質釋出能量,因此化學反應可以分為:吸熱反應和放熱反應。

(1)吸熱反應:需要吸收能量才能持續發生的化學反應,一旦停止供應能量則反應會停止,且吸熱反應所指的「熱」不限定是熱能的形式,例例如:電解水的反應是吸收電能才能發生的化學反應,又如:光合作用是吸收光能,將二氧化碳和水化合成葡萄糖的化學反應。

(2)放熱反應:反應進行時會釋出能量,使系統的溫度上升,例如:氧化反應、酸鹼中和反應、酸或鹼加水稀釋的反應皆屬之,反應後系統因獲得物質所釋放的熱,故溫度會較反應前為高。

3.在物質發生化學反應的過程中,若物質釋出能量則稱為:放熱反應,但這些能量是哪裡來的呢?而吸熱反應中物質所吸收的能量又跑到哪裡去了呢?以下的敘述可以解答這個疑問。

()化學反應與能量守恆:

1.化學反應時物質的結構發生改變,而原子結構中儲存著一種能的形式,稱為:化學能,不同原子的組合會有不同的化學能,這些能量在平時不會表現出來,只有在結構發生變化時才會發生改變。

2.吸熱反應:吸熱反應的能量變化是將外界的能量轉換為原子間的化學能,吸熱反應所指的「熱」不限定是熱能的形式,例如:電解水的反應是吸收電能才能發生的化學反應,而光合作用是吸收光能的化學反應。

3.放熱反應:反應進行時會釋出能量,使系統的溫度上升,例如:氧化反應、酸鹼中和反應,反應後系統因獲得物質所釋放的熱,故溫度會較反應前為高。而放熱反應則是將儲存在原子鍵結之間的化學能被釋放出來;並將這化學能轉換成熱能或其他能量形式的過程。

4.能量守恆定律:在化學反應發生的同時,化學能的形式亦同時發生轉變,吸熱反應使原子間的化學能增加了,放熱反應則是化學能減少了,但是自然界的能量總值是不變的,只是能量的形式會發生轉換而已,這種關係稱為:能量守恆定律

5.例如:電解水的反應中,水吸收了電能後產生了氫氣和氧氣,被吸收的電能只是暫時以化學能的形式儲存起來,當氫、氧混合燃燒後,又會釋放出這些化學能成為熱能,對物質而言能量有增有減,但就整個自然界而言,所有不同型式的能量總值是恆保持不變的。

 

二、 能量變化與實驗觀察

1.物質發生化學反應時必伴隨能量的變化,即放熱和吸熱的能量進出,以「酸、鹼中和」反應為例,觀察反應前後物質的溫度變化可以看出反應時的能量變化,並據以判斷酸鹼中和是屬於放熱或吸熱反應。

                    i.     「酸、鹼中和」實驗:裝置如圖一所示。

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(1)取一根試管裝入鹼性的氫氧化鈉水溶液,並以溫度計測量氫氧化鈉溶液的溫度;紀錄為:T1

(2)以滴管吸取少量的稀鹽酸滴入試管中,並以玻璃棒均勻攪拌;以使氫氧化鈉溶液與稀鹽酸發生酸鹼中和化學反應。

(3)測量中和反應後溶液的溫度,發現水溶液溫度逐漸上升,將上升至最高的溫度紀錄下來:T2

(4)結果發現T2T1,亦即水溶液因獲得酸、鹼中和反應釋出的熱能而使溫度上升,故酸鹼中和反應是放熱的化學反應

 

三、 化學反應與質量守恆

()質量守恆定律:

1.質量守恆定律:物質在發生化學反應的同時,雖然物質結構發生改變,但反應前後物質的總質量是不變的,稱為:質量守恆定律,此關係最早由俄國科學家羅蒙諾索夫提出。

2.質量守恆定律亦適用於物理反應,但發生原子核反應時則不適用

3.原子核反應的前後:原子的種類、總質量皆發生改變,並釋出大量的能量,這與物理反應及化學反應遵守質量守恆定律不同,核反應不遵守質量守恆定律,此點將在「功與能」主題中敘述。

()能量守恆的實驗觀察:

1.已知氯化鈣鹽類水溶液遇到碳酸鈉水溶液會產生白色沈澱,因為反應前兩者皆為無色水溶液,反應之後則產生白色沈澱,故此為化學反應。

2.為證實化學反應前、後,質量是一定值;可將碳酸鈉水溶液裝於試管中,並直立放入錐形瓶的氯化鈣溶液中使試管浮於水溶液,要小心不使試管中的碳酸鈉溶液不要溢出到錐形瓶中。(裝置如圖二所示

3.質量守恆的實驗觀察:

(1)反應前先將整個錐形瓶置於天平上測量,並紀錄總質量為M1

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(2)然後將錐形瓶倒轉讓碳酸鈉溶液及氯化鈣溶液混合,見錐形瓶內的水溶混合並產生白色的沈澱,此白色沈澱為碳酸鈣固體,因對水的溶解度極小而難溶於水,故有白色的沈澱產生。

(3)碳酸鈉溶液與氯化鈣溶液的化學反應式如下:

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(4)待錐形瓶內的化學反應進行後,再將錐形瓶置於天平上測量,紀錄質量為:M2,(如圖三所示)

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(5)比較反應前後質量的大小,結果M1M2,亦即化學反應前物質的總質量等於反應後物質的總質量

4.上述實驗尚包含了一項重要概念;即碳酸根遇到第二族金屬離子,會產生難溶於水的鹼土金屬鹽類,其離子反應方程式如下:

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5.上述碳酸根與第Ⅱ族金屬離子發生白色沈澱的化學性質,亦適用於硫酸根的反應,其離子反應方程式如下:

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6.承上述性質,碳酸鈣和硫酸鈣皆為白色固體,對水的溶解度極小,故在水中呈白色沈澱。

7.整理上述化學反應的關係,可得到如下列化學反應式:

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族金屬為:鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鐳等元素。

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