分析 [第五版] 化學 Chemical Exploring Analysis [5E] 原著 Daniel C. Harris 分析 [第五版] 化學 Exploring Chemical Analysis [5E] 原著　Daniel C. Harris 譯者　林維炤‧李淵博 歐亞書局

CH 2 化學測量 2-1 SI 單位與字首 2-2 不同單位之間的轉換 2-3 化學上所使用的濃度 2-4 配製溶液 2-5 平衡常數

2-1 SI 單位與字首 測量上所使用的 SI 單位（SI unit）是由法文 Système Internationald’Unitès 衍生而來。表 2-1 列出了 SI 單位中的基本單位（fundamental unit）。 長度、質量與時間的標準單位分別是公尺（m）、公斤（kg）與秒（s）。 溫度以凱氏溫標（K）表示，而物質的量與電流的單位則分別是莫耳（mol）與安培（A）。 表 2-2 列出了由基本單位所衍生定義的其他單位。 對於一個極大或極小的數值，使用字首來表達將會非常方便，表 2-3 列出了這些字首的名稱與縮寫。 P.13

圖1-1 圖 2-1　在表 2-1 中的基本物理量中，只有公斤是人為定義的物理量， 而不是由具「可再現」的物理量定義。在法國的公斤國際標準件，是由 Pt-Ir 合金在 1885 年所製造。曾分別在 1 8 9 0、1948、1992 年打開保護罩製備複件。該標準件的質量可能會因為壓力或磨擦反應而改變，因此，有一個研究正嘗試以別種不會隨著時間改變的量測方式定義質量。 P.13

表2-1 P.14

表2-2 P.14

表2-3 P.15

範例 1 利用電極計算神經傳導物質的分子數 在本章首頁的 (c) 部分中第一個脈衝電量是 0.27 pC（ 10－12C），1 庫侖（C）的電量相當於 6.24 × 1018 個 電子，請問在第一個脈衝中有多少電子？ 解 P.15

2-2 不同單位之間的轉換 雖然 SI 單位是國際間通用的測量系統，不過還是有其他的單位表示法，表 2-4 列出了這些單位間的轉換因子。 舉例來說，（cal）與大卡（Cal；相當於 1000 卡或 1 kcal）是常用的非 SI 能量單位。表 2-4 說明了 1 cal 相當於 4.184 J（焦耳）。 1 卡（cal）是加熱 1 克水由 14.5˚ C上升到 15.5 ˚ C所需要的熱量。 P.16-17

表2-4 P.17

解 範例 2 試以每小時每公斤消耗多少千焦耳的方式，表達一個步行者每小時的能量消耗率（每 100 磅每小時需 46 ＋ 45＝91 大卡）。 單位轉換 試以每小時每公斤消耗多少千焦耳的方式，表達一個步行者每小時的能量消耗率（每 100 磅每小時需 46 ＋ 45＝91 大卡）。 解 P.17-18

範例 3 功率 一瓦特相當於每秒 1 焦耳的能量消耗。範例 2 中，一個步行者每公斤體重每小時消耗 8.4 千焦耳的能量。(a) 此人每公斤體重消耗多少瓦特？ (b) 如果此人體重 50 kg，則會消耗多少瓦特？ 解 P.18

2-3 化學上所使用的濃度 體積與重量莫耳濃度 當原子、分子或是離子含有一個亞佛加厥常數（6.022 ×1023 mol－1）時稱為一莫耳（mole）。 一公升（liter；L）的定義則是一個邊長 10 cm 正立方體的體積。 原子量（atomic mass）是指某元素含有相當於亞佛加厥常數的原子時之質量，單位為公克（g）。 分子量（molecular mass）則是一個化合物中所有原子的原子量總和。 體積莫耳濃度（M）＝溶質莫耳數／溶液體積 P.19-20

圖2-2 圖 2-2　在北亞特蘭大與北太平洋不同深度的海洋裡所溶解的矽酸鹽與鋅離子濃度。由結果可以看出來：海洋是不均勻混合物。在 200 公尺或 1000 公尺深處所收集到的樣品中，兩者的濃度隨著深度不同而不同。海洋表層的生物會消耗這兩種物質。 P.19

範例 4 海洋中鹽的體積莫耳濃度 (a) 典型的海水每分公升（＝dL＝0.1 L）中含有 2.7 g 的鹽（氯化鈉；NaCl）。請問海洋中 NaCl 的體積莫耳濃度為多少？ (b) MgCl2 在海洋中的濃度為 0.054 M。請計算 25 mL 的海水中含多少克的 MgCl2？ 解 P.20

氯化鎂是一種強電解質（strong electrolyte），這意味其在水溶液中幾乎完全解離成離子。 在水中只有部分解離的化合物稱為弱電解質（weak electrolyte），如下圖的醋酸（CH3CO2H）： 強電解質在溶液中幾乎完全解離成離子。 P.20-21

重量莫耳濃度（molality；m）是指每公斤溶劑（注意不是溶液）所溶解溶質的莫耳數。 容易混淆的縮寫： mol＝moles（莫耳數） M＝體積莫耳濃度 ＝溶質莫耳數／公升（溶液） m＝重量莫耳濃度 ＝溶質莫耳數／公斤（溶劑） P.21

百分組成 我們常常以重量百分率（weight percent；wt%）來表示某物質在溶液或是混合物中的百分比。 另一個經常使用來表示組成濃度的是體積百分率（volume percent；vol%）。 P.21

將溶液的重量百分率轉換為體積莫耳濃度 範例 5 有一瓶市售鹽酸藥品，瓶身上標示「37.0 wt% HCl，密度＝1.188 g/mL」。密度（density）是指物質單位體積中的質量。請求出此瓶鹽酸的體積莫耳濃度。 解 P.22

百萬分率與十億分率 樣品中微量物質的濃度可用百萬分率（parts per million；ppm）與十億分率（parts per billion；ppb）來表示。 P.22

範例 6 將百萬分率濃度轉換為體積莫耳濃度 碳氫化合物中只含碳與氫兩種元素。植物製造碳氫化合物作為細胞膜的成分之一。這些經由生化合成途徑產生的碳氫化合物以含奇數碳數為主。圖 2-3 分別是在冬天與夏天從雨水中測定的碳氫化合物濃度。 夏天時，奇數碳的碳氫化合物大幅增加，我們假設這些增加的量是來自於植物；而冬天時，奇數與偶數碳的碳氫化合物有相同的趨勢，我們假設都是由人類所製造。 C29H60 在夏天雨水中含量為 34 ppb。請求出此化合物的體積莫耳濃度〔以每公升中多少奈莫耳（nM）表示〕。 解 P.23

圖2-3 圖 2-3 　1989 年在德國漢諾威夏天與冬天的雨水中所測得不同碳數的烷類（碳氫化合物，通式為 CnH2n+2）濃度，所使用的濃度單位為十億分率（ppb；相當於每公升雨水中有多少μg 的碳氫化合物）。夏天的濃度比冬天高，而且含有奇數碳原子的烷類化合物比含偶數碳原子的烷類高出許多。 P.23

圖2-4 對於氣體來說，ppm 一般是指體積而非質量。圖 2-4 顯示我們在近 200 年來燃燒石化燃料（煤、油和天然氣）與破壞森林的後果。 圖 2-4 一千年以來空氣中二氧化碳濃度，數據分別來自南極洲冰層裏被捕捉的二氧化碳（方塊圖示）與直接在大氣層中測量所得。 P.23-24

2-4 配製溶液 要配製所需的體積莫耳濃度溶液，須以天平秤得正確質量的高純度溶質，以適當溶劑將溶質溶解後倒入定量瓶（volumetric flask）中（圖 2-5）。 圖 2-5 　特定體積的量瓶所盛裝的液體（在 20˚C）高度到達瓶頸上的標線，即為該體積。 P.24

範例 7 配製適量體積莫耳濃度的溶液 市售的硫酸銅一般含有五個結晶水（CuSO4．5H2O），也就是說在固體中每一莫耳的硫酸銅接著五莫耳的水。CuSO4．5H2O（= CuSO9H10）的式量為 249.69 g/mol。如果要以 250 mL 的定量瓶配製 8.00 mM 的 Cu 2+ 溶液，請問需要溶解多少克的 CuSO4．5H2O？ 解 P.24-25

範例 8 製備 0.1 M HCl 溶液 市面上所販售的「濃」鹽酸濃度∼12.1 M，如果今天要配製 1.00 L 的 0.100 M HCl 溶液，需要取多少毫升的濃鹽酸？ 解 P.25

解 範例 9 氨溶在水中所形成的溶液稱為「氫氧化銨水溶液」，因為氨與水會 比較複雜的稀釋過程計算 氨溶在水中所形成的溶液稱為「氫氧化銨水溶液」，因為氨與水會 　市面上販售的濃氫氧化銨水溶液濃度為 28.0 wt% NH3，而此溶液的密度為 0.899 g / mL。若要配製 500 mL 0.250 M 的 NH3 溶液，需要取多少體積的濃氫氧化銨水溶液？ 解 P.26

範例 10 製備百萬分率濃度之溶液 一般飲用水含有 1.6 ppm 的氟離子以預防蛀牙。現有一個飲用水的圓形儲存槽直徑為 450 m，深度為 10 m。 (a) 請問需加入多少體積的 0.10 M NaF，才會使水槽中的氟離子濃度變成 1.6 ppm？ (b) 如果加入的是 NaF 固體，則需要加入多少克？ 解 P.27

2-5 平衡常數 對於一個由反應物 A 與 B 生成 C 與 D 的可逆反應 我們可將平衡時的濃度關係寫成以下的平衡常數（equilibrium constant），K P.28

解 範例 11 試寫出以下反應的平衡常數式 （在化學方程式中，s 代表固體，aq 代表水溶液，q 代表氣體，l 代表液體。） 寫出平衡常數 P.29

平衡常數的處理 如果我們以逆反應的方式來表達，新的平衡常數 K' 會是原來平衡常數的倒數： 逆反應的平衡常數： P.29-30

如果我們要將兩個以上的平衡方程式相加成一個新的方程式，新的平衡常數是原來各方程式的平衡常數相乘。如下例，欲得到與 HA 及 CH＋ 相關的平衡常數，可由以下兩個平衡方程式相加求得： 相加後的平衡常數： P.30

範例 12 平衡常數的結合 請從以下的平衡常數式 　得到以下反應的平衡常數： 解 P.30

勒沙特列原理 勒沙特列原理（Le Châtelier's Principle）陳述一個在平衡狀態的反應系統若被某些因素所打擾，系統會朝向盡量抵銷此因素的方向進行反應以達新的平衡。 平衡常數為 P.31

依照勒沙特列原理，反應會朝反方向進行，如此可抵銷部分增加的重鉻酸根離子。 . 依照勒沙特列原理，反應會朝反方向進行，如此可抵銷部分增加的重鉻酸根離子。 當系統處於平衡狀態時，Q ＝ K，而對於反應 2-8 來說： P.31

當 Q＞K 時，表示方程式右邊的量較多，反應必須由右邊至左邊，此過程中分子逐漸減少而分母逐漸增加，直到 Q ＝ K 時就達到新平衡狀態。 P.31