CH 5 化學計量與化學反應 Chemical Quantities and Reactions

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2 CH 5 化學計量與化學反應 Chemical Quantities and Reactions
5.1 莫耳 5.2 莫耳質量 5.3 化學反應與方程式 5.4 反應之類型 5.5 氧化-還原反應 5.6 化學方程式中之莫耳關係 5.7 反應之質量計算 5.8 化學反應中之能量

3 5.1 莫耳 亞佛加厥數（Avogadro's Number）
在化學方面，諸如原子、分子和離子等粒子則是以莫耳 （mole）計算，莫耳是一種包含 6.02 × 1023 個物項的單位。 這個極大的數字，稱為亞佛加厥數（Avogadro’s number）， 是為了紀念義大利的物理學家阿米迪歐．亞佛加厥 （Amedeo Avogadro）。 亞佛加厥數 = 6.02 × 1023 1 莫耳的某元素 = 6.02 × 1023 個某元素的原子 185

4 5.1 莫耳 亞佛加厥數告訴我們：1 莫耳的某化合物 含有 6.02 × 1023 個組成該化合物的某些特 定粒子。1 莫耳的某共價化合物含有亞佛 加厥數個分子，例如 1 莫耳的 CO2 含有 × 1023 個 CO2 分子。1 莫耳的某離子化 合物含有亞佛加厥數個化學式單元 （formula units），而化學式單元則是某種 離子化合物以其化學式所代表的離子團。 185

5 5.1 莫耳 184

6 5.1 莫耳 185

7 5.1 莫耳 我們可以將亞佛加厥數視為一種轉換因子， 用於物質的莫耳和它所含粒子數之間的轉換。 186

8 觀念評量 5.1 186

9 範例 5.1 187

10 範例 5.1 187

11 範例 5.1 187

12 5.1 莫耳 化學式中各元素的莫耳 （Moles of Elements in a Formula）
我們已經知道：化合物其化學式中的下標數字 係代表每種元素的原子總數。例如，在一分子 的阿斯匹靈（化學式為 C9H8O4）中，有 9 個碳 原子、8 個氫原子，以及 4 個氧原子。下標數字 也可以表示在 1 莫耳阿斯匹靈中，每種元素的 莫耳總數：9 莫耳的 C 原子、8 莫耳的 H 原子， 以及 4 莫耳的 O 原子。 188

13 5.1 莫耳 188

14 5.1 莫耳 188

15 5.1 莫耳 利用阿斯匹靈（C9H8O4）化學式中的下 標數字，我們可以寫出 1 莫耳阿斯匹靈 中各種元素的轉換因子，如下所示。 188

16 觀念評量 5.2 189

17 範例 5.2 189

18 範例 5.2 189

19 問題 莫耳 1. 計算下列各問題： a. 在 莫耳 C 中之 C 原子的個數 b. 在 1.28 莫耳 SO2 中之 SO2 分子的個數 c. 在 5.22 × 1022 個 Fe 中之 Fe 的莫耳 d. 在 8.50 × 1024 個 C2H6O 分子中之 C2H6O 的莫耳 2. 計算在 2.00 莫耳 H3PO4 中，下列各種原子的數量： a. H 的莫耳 b. O 的莫耳 c. P 的原子 d. O 的原子 190

20 5.2 莫耳質量 對任何的元素而言，所謂莫耳質量（molar mass） 是指某元素的克數與其原子量相等的質量。當我們 稱取某元素的克數等於其莫耳質量時，即我們取得 × 1023 個原子的該元素。 化合物的莫耳質量（Molar Mass of a Compound） 將每個元素的莫耳質量乘以化學式中該元素的下標 數字，並且將所有的結果相加，即可以計算出某一 化合物的莫耳質量，如範例 5.3 所示。在本書中， 莫耳質量的計算均四捨五入至十分之一位（0.1 g） 或至少以三位有效數字表示。 190

21 5.2 莫耳質量 191

22 範例 5.3 191

23 192

24 5.2 莫耳質量 利用莫耳質量之計算 （Calculations Using Molar Mass）
問：K2Cr2O7 的莫耳質量如何獲得？ 193

25 5.2 莫耳質量 193

26 範例 5.4 194

27 範例 5.4 194

28 範例 5.4 194

29 5.2 莫耳質量 某化合物的莫耳、質量（克）、分子數（或離子 化合物的化學式單元）和該化合物中各種元素的 原子數及莫耳數之間的計算，可歸納為下列的流 程圖： 194

30 問題 莫耳質量 3. 計算下列各化合物的莫耳質量： a. KC4H5O6（塔塔粉） b. Fe2O3（鐵鏽） c. C19H20FNO3（藥名 Paxil，一種抗抑鬱劑） d. Al2(SO4)3（止汗劑） e. Mg(OH)2（制酸劑） f. C16H19N3O5S（羥氨卞青黴素，一種抗生素） 4. 計算下列各化合物的莫耳質量： a. Cl2 b. C3H6O3 c. Mg3(PO4)2 d. AlF3 e. C2H4Cl2 f. SnF2 195

31 問題 莫耳質量 5. 計算下列各物質的質量（克）： a 莫耳的 Na b 莫耳的 Ca c 莫耳的 Sn d 莫耳的 Cu 6. 計算下列各物質的克數： a 莫耳的 NaCl b 莫耳的 Na2O c 莫耳的 H2O d 莫耳的 CO2 7. a. 化合物 MgSO4 稱為瀉鹽（Epsom salt）。如果要 準備含有 5.00 莫耳瀉鹽的鹽浴，則需要瀉鹽多少克？ b. 1 瓶蘇打水中有 0.25 莫耳 CO2，則此瓶中的 CO2 有多少克？ 195

32 問題 莫耳質量 8. 下列物質各含多少莫耳？ a 克的 Ag b 克的 C c 克的 NH3 d 克的 SO2 9. 下列 25.0 克的物質中，其莫耳數各為多少？ a. Ne b. O2 c. Al(OH)3 d.Ga2S3 195

33 問題 莫耳質量 10. 下列物質中，各含有 S 多少莫耳？ a. 25 克的 S b. 125 克的 SO2 c. 2.0 莫耳的 Al2S3 11. 丙烷（C3H8）是一種碳氫化合物，可用作 烤肉的燃料，則： a. 1.5 莫耳的丙烷化合物有多少克？ b 克的丙烷化合物有多少莫耳？ c 克的丙烷中，碳有多少克？ 195

34 5.3 化學反應與方程式 當某種物質轉變成一種或二種以上的新 物質，且此新物質具有不同的化學式及 不同的性質時，即發生了化學變化 （chemical change），這些新物質的性 質可能涉及顏色的變化，或是氣泡或固 體的形成。 196

35 5.3 化學反應與方程式 問：為什麼晦斑的形成是一種化學變化？ 196

36 5.3 化學反應與方程式 化學方程式描述化學反應 因為參與反應物質的原子重新組合且具有新性 質，所以化學反應一定會發生化學變化。
（A Chemical Equation Describes a Chemical Reaction） 因為參與反應物質的原子重新組合且具有新性 質，所以化學反應一定會發生化學變化。 當化學變化發生時，肉眼可以看見新物質的特 性，這些特性說明了化學反應已經發生（表 5.3）。 在化學的領域裡，化學方程式（chemical equation）可以告訴我們某種化學反應所需之物 質，以及其所形成之產物。 197

37 5.3 化學反應與方程式 問：在此反應中，化學變化的證據為何？ 197

38 觀念評量 5.3 197

39 5.3 化學反應與方程式 寫出化學方程式 （Writing a Chemical Equation）
在一個化學方程式（chemical eduation） 之中，反 應物（reactants）的化學式寫在箭號的左邊，而產 物（products）的化學式則寫在箭號的右邊。 一般來說，方程式中的每個化學式之後會跟著包含 英文字母的括號，這些字母說明了物質的物理狀態， 例如固態（s）、液態（l）或氣態（g）。 假如物質是溶解於水中，則以水溶液（aq）表示。 表 5.4 歸納了方程式中常用的一些符號。 198

40 5.3 化學反應與方程式 198

41 5.3 化學反應與方程式 198

42 5.3 化學反應與方程式 確認已平衡之化學方程式 （Identifying a Balanced Chemical Equation） 當反應發生時，反應物原子之間的化學鍵會被打斷，同時 形成新的化學鍵且生成產物。所有的原子均守恆，也就是 說在化學反應期間原子不會增加、消失或轉變成別種原子。 每一個化學反應均須以平衡的方程式（balanced equation） 表示，在此平衡的方程式中，反應物和產物中的每一種元 素在箭號兩邊的原子總數均相等。 為了平衡此方程式，我們必須在某些化學式之前寫上一些 整數，這些整數稱為平衡係數（coefficient）。 199

43 5.3 化學反應與方程式 199

44 範例 5.5 200

45 範例 5.5 200

46 範例 5.5 201

47 範例 5.5 201

48 範例 5.5 202

49 觀念評量 5.4 202

50 觀念評量 5.4 202

51 範例 5.6 202

52 範例 5.6 203

53 範例 5.6 203

54 範例 5.6 204

55 範例 5.6 204

56 問題 化學反應與方程式 12. 決定下列各方程式是已平衡或未平衡： a. S(s) ＋ O2(g) → SO3(g) b. 2Al(s) ＋ 3Cl2(g) → 2AlCl3(s) c. H2(g) ＋ O2(g) → H2O(g) d. C3H8(g) ＋ 5O2(g) → 3CO2(g) ＋ 4H2O(g) 13. 試平衡下列各方程式： a. N2(g) ＋ O2(g) → NO(g) b. HgO(s) → Hg(l) ＋ O2(g) c. Fe(s) ＋ O2(g) → Fe2O3(s) d. Na(s) ＋ Cl2(g) → NaCl(s) 204

57 問題 化學反應與方程式 14. 試平衡下列各方程式： a. Mg(s) ＋ AgNO3(aq) → Mg(NO3)2(aq) ＋ Ag(s) b. Al(s) ＋ CuSO4(aq) → Cu(s) ＋ Al2(SO4)3(aq) c. Pb(NO3)2(aq) ＋ NaCl(aq) → PbCl2(s) ＋ NaNO3(aq) d. Al(s) ＋ HCl(aq) → AlCl3(aq) ＋ H2(g) 205

58 5.4 反應之類型 結合反應（Combination Reactions）
舉例來說，硫和氧氣結合而成的產物為二氧化硫。 在圖 5.4 中，鎂元素和氧元素結合而成單一的產物， 即氧化鎂。 2Mg(s) ＋ O2(g) → 2MgO(s) 205

59 5.4 反應之類型 206 問：在結合反應中，反應物中的各種原子會發生怎樣的變化？

60 5.4 反應之類型 分解反應（Decomposition Reactions）
舉例而言，氧化汞（II）加熱之後會斷裂成汞 原子和氧氣（圖 5.5）。 206

61 5.4 反應之類型 207 問：反應物和產物有怎樣的差異，才可以將此反應歸類為分解反應？

62 5.4 反應之類型 置換反應（Replacement Reactions）
在置換反應中，化合物中的元素被其他的元 素所置換。在單置換反應（single replacement reaction）中，一種參與反應的元素與其他化 合物中的另一種元素交換位置。 207

63 5.4 反應之類型 208 問：反應物的化學式發生什麼變化，才可以將此反應歸類為單置換反應？

64 5.4 反應之類型 在雙置換反應（double replacement reaction） 中，參與反應之化合物中的正離子彼此交換位 置。
208

65 5.4 反應之類型 209 問：反應物的化學式如何變化，才可以將此反應歸類為雙置換反應？

66 5.4 反應之類型 燃燒反應（Combustion Reactions） 蠟燭的燃燒和汽車引擎內燃料的燃燒都是燃燒反應的實例。
在燃燒反應（combustion reaction）中，一種含碳化合物 （通常是一種燃料）在空氣中燃燒，即產生二氧化碳 （CO2）、水（H2O）和能量，而能量的形式為熱或火焰。 甲烷燃燒的方程式中，甲烷中的每一種元素均與氧氣形成 一種化合物。 丙烷（C3H8）燃燒的平衡方程式為： 210

67 觀念評量 5.5 210

68 5.4 反應之類型 211

69 問題 反應之類型 15. a. 為何下列反應稱為分解反應？ 2Al2O3(s) → 4Al(s) ＋ 3O2(g) b. 為何下列反應稱為單置換反應？ Br2(g) ＋ BaI2(s) → BaBr2(s) ＋ I2(g) △ 212

70 問題 反應之類型 16. 將下列各反應分類為結合、分解、單置換、 雙置換或燃燒反應： a. 4Fe(s) ＋ 3O2(g) → 2Fe2O3(s) b. Mg(s) ＋ 2AgNO3(aq) → Mg(NO3)2(aq) ＋ 2Ag(s) c. CuCO3(s) → CuO(s) ＋ CO2(g) d. NaOH(aq) ＋ HCl(aq) → NaCl(aq) ＋ H2O(l) e. ZnCO3(s) → CO2(g) ＋ ZnO(s) f. Al2(SO4)3(aq) ＋ 6KOH(aq) → 2Al(OH)3(s) ＋ 3K2SO4(aq) g. Pb(s) ＋ O2(g) → PbO2(s) h. C4H8(g) ＋ 6O2(g) → 4CO2(g) ＋ 4H2O(s) △ △ △ 212

71 5.5 氧化-還原反應 當你看到一根生鏽的釘子、銀湯匙上的晦斑或 金屬上的鏽蝕，這代表你觀察到氧化。
當我們開啟車上的燈，車子內的電池便進行氧 化－還原反應而產生電力。 在我們的細胞內，葡萄糖會被氧化而產生能量， 並且生成二氧化碳和水。我們每次呼吸時，氧 氣可以提供細胞進行氧化。 212

72 5.5 氧化-還原反應 氧化-還原反應（Oxidation-Reduction Reactions）
在一個氧化－還原反應（redox）中，電子從一個物 質轉移至另一個物質，假如有一個物質失去電子， 則必定有另一個物質獲得電子。 失去電子稱為氧化（oxidation），獲得電子稱為還 原（reduction）。 213

73 5.5 氧化-還原反應 利用下列方式來記憶這些定義： LEO GER Loss of Electrons is Oxidation：失去電子為氧化 Gain of Electrons is Reduction ：獲得電子為還原 OIL RIG Oxidation Is Loss of electrons：氧化為失去電子 Reduction Is Gain of electrons：還原為獲得電子 213

74 5.5 氧化-還原反應 氧化-還原（Oxidation-Reduction）
一般來說，金屬原子會失去電子而形成正離子， 非金屬原子則會獲得電子而形成負離子。因此， 我們說金屬被氧化，而非金屬被還原。 銅經風化作用出現在表面的綠色物質稱為銅綠， 它是一種 CuCO3 和 CuO 的混合物。當銅金屬 與空氣中的氧氣反應時，其產物是氧化銅(II)， 現在我們可以檢視此氧化及還原反應。 2Cu(s) ＋ O2(g) → 2CuO(s) 214

75 5.5 氧化-還原反應 因為 CuO 中的銅離子（Cu2＋）具有 2＋ 的 電荷，所以每個銅原子失去2 個電子。因 此，銅金屬（Cu）在本反應中是被氧化。 Cu(s) → Cu2＋(s) ＋ 2 e− 氧化：失去電子 因為 CuO 中的氧離子（O2− ）具有 2− 的 電荷，所以每個氧原子獲得 2 個電子。因 此，氧氣在本反應中是被還原。 O2(g) ＋ 4 e− → 2O2−(s) 還原：獲得電子 214

76 2Cu(s) ＋ O2(g) → 2CuO(s) 氧化─還原方程式
5.5 氧化-還原反應 形成 CuO 的方程式涉及二種同時發生的反應， 一種為氧化，另一種為還原。在每個氧化和還 原反應中，失去電子的數目與獲得電子的數目 必定相等。因此，我們將 Cu 的氧化反應乘以 2 倍。在反應二邊各消去 4e− 後，我們可以得到 形成 CuO 之氧化-還原全反應的方程式。 2Cu(s) → 2Cu2＋(s) ＋ 4e− 氧化 O2(g) ＋ 4e− → 2O2−(s) 還原 2Cu(s) ＋ O2(g) → 2CuO(s) 氧化─還原方程式 214

77 Zn(s) ＋ Cu2＋(aq) ＋ SO42−(aq)
5.5 氧化-還原反應 以下鋅與硫酸銅(II) 的反應亦然，有一個氧化一定 伴隨著一個還原（圖 5.8）。 將各原子與離子反應的方程式表示如下： Zn(s) ＋ Cu2＋(aq) ＋ SO42−(aq) → Zn2＋ (aq) ＋ SO42− (aq) ＋ Cu(s) 在此反應中，Zn 原子失去 2 個電子而形成 Zn2＋。 在此同時，Cu2＋ 獲得 2 個電子，而 SO42− 離子則是 沒有發生變化的旁觀離子（spectator ions）。 Zn(s) → Zn2＋(aq) ＋ 2 e− Zn 的氧化 Cu2＋ (aq) ＋ 2 e− → Cu(s) Cu2＋ 的還原 215

78 5.5 氧化-還原反應 215 問：在氧化反應中，Zn(s) 是失去電子或獲得電子？

79 觀念評量 5.6 215

80 觀念評量 5.6 216

81 5.5 氧化-還原反應 生物系統內的氧化與還原 （Oxidation and Reduction in Biological Systems） 216

82 5.5 氧化-還原反應 氧化可能也會涉及加入氧或失去氫，而還原可 能也會涉及失去氧或獲得氫。在身體的細胞內， 有機（碳）化合物的氧化會涉及氫原子（H）的 轉移，而氫原子是由電子和質子所組成。 舉例來說，典型生化分子的氧化與 2 個氫原子 （或 2H＋ 與 2e−）轉移至某種質子接受體有關， 其中的質子接受體可以是「輔酶」 （coenzyme），例如核黃素腺嘌呤二核苷酸 （flavin adenine dinucleotide；FAD），此輔酶 會被還原成 FADH2。 216

83 5.5 氧化-還原反應 在很多生化學的氧化－還原反應中，氫原子的 轉移對細胞內能量的產生是不可或缺的。
舉例而言，甲醇（CH3OH）是一種有毒的物質， 其在體內的代謝可以用下列反應表示。 甲醛可進一步地被氧化，亦即加入氧而產生甲 酸。 217

84 5.5 氧化-還原反應 最後，甲酸被氧化成二氧化碳和水。 甲醇氧化的中間產物非常毒，它會干擾身體細胞 內的關鍵反應，因而導致失明甚至死亡。
總而言之，我們發現氧化和還原所使用之特殊定 義，端視其反應發生的過程而定。所有的這些定 義歸納於表 5.6 中。氧化永遠涉及電子的失去， 但是也可以視為加入氧或失去氫原子。還原永遠 涉及電子的獲得，但是也可視為失去氧或獲得氫。 217

85 5.5 氧化-還原反應 217

86 問題 氧化-還原反應 17.在下列各敘述中，指出何者為氧化，何者為還原？ a. Na＋(aq) ＋ e− → Na(s) b. Ni(s) → Ni2＋ (aq) ＋ 2e − c. Cr3＋ (aq) ＋ 3 e − → Cr(s) d. 2H＋ (aq) ＋ 2 e − → H2(g) 18.在下列各反應中， 辨認各反應物何者被氧化，何者被還原？ a. Zn(s) ＋ Cl2(g) → ZnCl2(s) b. Cl2(g) ＋ 2NaBr(aq) → 2NaCl(aq) ＋ Br2(l) c. 2PbO(s) → 2Pb(s) ＋ O2(g) d. 2Fe3＋ (aq) ＋ Sn2＋ (aq) → 2Fe2＋ (aq) ＋ Sn4＋ (aq) 218

87 問題 氧化-還原反應 19.在人類細胞的粒腺體內，ATP 可以產生能量，而 ATP 則是 由位於電子傳遞鏈（electron transport chain）之細胞色素 （cytochromes）內的鐵離子，在其進行氧化反應與還原反 應後所提供。辨認下列各反應是氧化或還原。 a. Fe3＋＋e− → Fe2＋ b. Fe2＋ → Fe3＋＋e− 20.亞麻油酸（linoleic acid）是一種不飽和脂肪酸，它和氫氣 反應後會形成飽和脂肪酸。試問在氫化反應中， 亞麻油酸 被氧化或被還原？ C18H32O2 ＋ 2H2 → C18H36O2 亞麻油酸 219

88 5.6 化學方程式中之莫耳關係 質量守恆（Conservation of Mass）
在任何的化學反應裡，反應物中物質的總 量等於產物中物質的總量。假如所有反應 物都經秤重，則其總質量等於產物的總質 量，此即為著名之「質量守恆定律」（law of conservation of mass），其意義為：在一 個化學反應中，參與反應之物質總質量不 會有變化。因此，當原來的物質變化成新 的物質時，物質不會損失或是增加。 219

89 5.6 化學方程式中之莫耳關係 舉例來說，當銀和硫反應生成硫化銀時，則銀的表 面會形成晦斑。 2Ag(s) ＋ S(s) → Ag2S(s)
在此反應中，參與反應之銀原子數是硫原子數的二 倍。假如有 200 個銀原子參與反應，則需要 100 個 硫原子才能使反應完全。話雖如此，反應中會有很 多很多的原子存在，假使我們用莫耳的量來計算， 則方程式中的係數便可以詮釋莫耳。因此，2 莫耳 的銀會與 1 莫耳的硫反應。既然個別的莫耳質量可 以確定，故銀和硫的量也可以用個別的質量（克） 來陳述。 219

90 5.6 化學方程式中之莫耳關係 一個化學方程式可以有多種詮釋方式（表5.7）。 220

91 5.6 化學方程式中之莫耳關係 220

92 5.6 化學方程式中之莫耳關係 由方程式所得之莫耳2莫耳因子 （Mole－Mole Factors from an Equation）
當鐵和硫反應時，其產物為硫化鐵(Ⅲ)〔iron(Ⅲ) sulfide〕。 2Fe(s) ＋ 3S(s) → Fe2S3(s) 此方程式已經平衡，所以可得知此反應中鐵和硫的比例。 由方程式係數所得之比例關係，我們可以寫出反應物之 間，以及反應物和產物之間的莫耳-莫耳因子。 使用於莫耳-莫耳因子的係數為精確數值：無有效數字位 數的限制。 220

93 5.6 化學方程式中之莫耳關係 221

94 5.6 化學方程式中之莫耳關係 221

95 觀念評量 5.7 221

96 觀念評量 5.7 222

97 5.6 化學方程式中之莫耳關係 使用莫耳－莫耳因子的計算 （Using Mole－Mole Factors in Calculations）
無論是準備一道食譜，或調整引擎內燃料和空 氣合適的混合比，或是在藥物實驗室裡調製藥 品，我們都需要知道所使用之反應物的正確用 量，以及有多少產物會形成。利用前述已平衡 的方程式：2Fe(s) ＋ 3S(s) → Fe2S3(s)，我們可 以寫出所有可能的轉換因子，現在我們將利用 莫耳-莫耳因子應用於化學反應的計算。 222

98 範例 5.7 222

99 範例 5.7 223

100 問題 化學方程式中的莫耳關係 21. 寫出下列各方程式中所有的莫耳－ 莫耳因子： a. 2SO2(g) ＋ O2(g) → 2SO3(g) b. 4P(s) ＋ 5O2(g) → 2P2O5(s) 22. 氫氣與氧氣反應會產生水。 2H2(g) ＋ O2(g) → 2H2O(g) a. 若與 2.0 莫耳的 H2 反應，需要 O2 多少莫耳？ b. 假如與 5.0 莫耳的 O2 反應，則需要 H2 多少莫耳？ c. 當 2.5 莫耳的 O2 反應時，則會形成 H2O 多少莫耳？ 223

101 問題 化學方程式中的莫耳關係 23.當碳和二氧化硫一起加熱後，會產生二硫化碳和一 氧化碳。 5C(s) ＋ 2SO2(g) → CS2(l) ＋ 4CO(g) a. 若與 莫耳的 SO2 反應，則需要 C 多少莫耳？ b. 當 1.2 莫耳的 C 反應時，則會產生 CO 多少莫耳？ c. 欲產生 0.50 莫耳的 CS2，則需要 SO2 多少莫耳？ d. 當 2.5 莫耳的 C 反應時，則會產生 CS2 多少莫耳？ 224

102 5.7 反應之質量計算 當我們在實驗室裡進行化學實驗時，我們 會測量出反應物確實的質量。
由以克為單位的質量，我們可以決定反應 物的莫耳數。藉由利用莫耳-莫耳因子，我 們可以預測反應生成產物的莫耳數。 如此一來，產物的莫耳質量便可以用來將 莫耳轉換回以克為單位的質量，如範例 5.8 所示。 224

103 範例 5.8 224

104 範例 5.8 225

105 範例 5.8 225

106 範例 5.8 225

107 問題 反應的質量計算 24. 鈉與氧氣反應會產生氧化鈉。 4Na(s) ＋ O2(g) → 2Na2O(s) a. 當 57.5 克的 Na 反應時，則產生 Na2O 多少克？ b. 假如你有 18.0 克的 Na，則此反應需要 O2 多少克？ c. 欲產生 75.0 克的 Na2O，則此反應需要 O2 多少克？ 25. 氨氣與氧氣反應會形成氮氣和水。 4NH3(g) ＋ 3O2(g) → 2N2(g) ＋ 6H2O(g) a. 與 13.6 克的 NH3 反應，需要 O2 多少克？ b. 當 6.50 克的 O2 反應時，則可以產生 N2 多少克？ c. 當 34.0 克的 NH3 反應時，則會形成水多少克？ 226

108 問題 反應的質量計算 26. 二氧化氮與水反應會形成硝酸(HNO3)和一氧化氮。 3NO2(g) ＋ H2O(l) → 2HNO3(aq) ＋ NO(g) a. 與 28.0 克的 NO2 反應，需要 H2O 多少克？ b. 當 15.8 克的 NO2 反應時，則可以產生 NO 多少克？ c. 當 8.25 克的 NO2 反應時，則會形成 HNO3 多少克？ 226

109 5.8 化學反應中之能量 化學反應如果要能發生，則反應物的分子必須 彼此互相碰撞，且必須具有適當的位向及能量。
即便是碰撞具有適當的位向時，還必須具有足 以將反應物的化學鍵打斷的能量。 打斷反應物原子間的化學鍵所需之能量稱為活 化能（activation energy）。 假如分子碰撞的能量低於活化能，則分子會彈 開且無反應發生。雖然反應物發生了很多次碰 撞，但是只有少數能導致產物的形成。 226

110 5.8 化學反應中之能量 227

111 5.8 化學反應中之能量 發生反應所需之三種條件 1.碰撞：反應物必須碰撞。 2.位向：反應物必須適當排列以打斷化學 鍵，且形成新的化學鍵。
（Three Conditions Required for a Reaction to Occur） 1.碰撞：反應物必須碰撞。 2.位向：反應物必須適當排列以打斷化學 鍵，且形成新的化學鍵。 3.能量：碰撞必須提供活化能。 227

112 5.8 化學反應中之能量 放熱反應（Exothermic Reactions）
在每個化學反應中，隨著反應物轉變成產 物時，熱量會被吸收或釋放。反應物和產 物之間的能量差稱為「反應熱」（ heat of reaction）。在放熱反應中，反應物的能量 高於產物的能量，故熱量在放熱反應中被 釋放出來。 放熱反應，釋放熱量（發散） 227

113 5.8 化學反應中之能量 吸熱反應（Endothermic Reactions） 吸熱反應，吸收熱量（收斂）
在吸熱反應中，反應物的能量低於產物的能量， 故熱量在吸熱反應中會被吸收。舉例來說，當氫 氣與碘反應生成碘化氫時，其熱量會被吸收。對 吸熱反應而言，反應的熱量寫在反應物的同一側。 吸熱反應，吸收熱量（收斂） 227

114 觀念評量 5.8 229

115 5.8 化學反應中之能量 反應速率（Rate of Reaction）
反應速率是測量某段時間內，反應物用 掉的量或產物生成的量。活化能低的反 應，其反應速率較快；活化能高的反應， 其反應速率較慢。有些反應的反應速率 很快，有些則很慢。對任何的反應來說， 反應速率會受到溫度改變、反應物濃度 的改變和催化劑的加入等因素的影響。 229

116 5.8 化學反應中之能量 溫度 在較高溫度下，反應物的動能增加，使得 它們的移動速率變快，碰撞也更為頻繁， 並且提供更多達到活化能的碰撞。
溫度較高時，反應速率總是較快。 溫度每升高約 10 ℃，反應速率約增為二倍。 另一方面，降低溫度可以使反應速率變慢。 229

117 5.8 化學反應中之能量 反應物之濃度 當反應物的量增加時，反應速率也會增加。這是因 為反應物之間有更多的碰撞發生，故反應速率變快。
舉例來說，一個患有呼吸困難的病人，可給予氧含 量高於大氣之混合氣體。肺臟內氧分子的數目增加， 則會使氧氣與血紅素的結合速率增加。血液之氧合 作用（oxygenation）速率增加，則表示病人可以更 容易地呼吸。 230

118 5.8 化學反應中之能量 催化劑 另外一種使反應加速的方法為降低活化能，此 方法可藉由加入催化劑（catalyst）達成。
在工業界，催化劑有很多的用途。在人造奶油 的製程中，氫氣與蔬菜油的反應通常很慢，然 而，當鉑存在時，反應便能快速地進行。 存在人體內的生物催化劑稱為酵素，它們可以 使新陳代謝的反應在適合細胞活性所需的速率 下進行。 一些影響反應速率的因素列於表 5.8 中。 230

119 5.8 化學反應中之能量 230

120 問題 化學反應中的能量 27. a.為何化學反應進行時需要活化能？ b.催化劑的功能為何？ c.在放熱反應中，產物的能量比反應物的能量高或 低？ d.繪出一個放熱反應的能量圖。 28. 將下列各敘述分類成放熱反應或吸熱反應： a. 某反應釋放 550 kJ。 b. 反應物的能階比產物的能階低。 c. 身體代謝葡萄糖提供能量。 231

121 問題 化學反應中的能量 29. 將下列各反應分類為放熱反應或吸熱反應： a. CH4(g) ＋ 2O2(g) → CO2(g) ＋ 2H2O(g) ＋ 890 kJ b. Ca(OH)2(s) ＋ 65.3 kJ → CaO(s) ＋ H2O(l) c. 2Al(s) ＋ Fe2O3(s) → Al2O3(s) ＋ 2Fe(s) ＋ 850 kJ 30. a. 反應速率的意義為何？ b. 為何麵包在室溫下比在冰箱裡更快發霉？ 31. 以下各項變化對下列反應之速率會有何種影響？ 2SO2(g) ＋ O2(g) → 2SO3(g) a. 加入 SO2(g) b. 升高溫度 c. 加入催化劑 d. 移除一些 O2 △ 231