化學實驗室實驗：過氧化氫分解焓的測定（Determination of the Decomposition Enthalpy of Hydrogen Peroxide）〔I〕

化學實驗室實驗：過氧化氫分解焓的測定（Determination of the Decomposition Enthalpy of Hydrogen Peroxide）〔I〕
國立彰化師範大學化學系碩士生陳少軍和陳永祥 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一（Student Handout I）

化學示範

老師示範「阿拉丁神燈」，學生觀察變化的現象，老師與學生互動討論變化現象的化學原理。

實驗介紹

本實驗的目的是利用自制的熱卡計（calorimeter）來測定過氧化氫分解成為液態水和氧氣的分解焓。

熱化學（Thermochemistry）是研究能量和熱量與化學反應和/或物理變化的科學。一個反應可能釋放或吸收能量，相的變化亦同，如熔化和沸騰。熱化學聚焦在能量的變化，特別是對系統與其周遭環境的能量交換。化學反應的能量變化包括酸鹼中和熱、燃燒熱、形成熱、分解熱和各式各樣的反應熱。若以特定的1莫耳反應物或產物的能量變化，則熱化學上以焓（enthalpy）表示，如酸鹼反應生成1莫耳的水所放出的熱，稱為酸鹼中和焓，1莫耳的過氧化氫分解成為液態水和氧氣所放出的熱，稱為過氧化氫的分解焓。

熱卡計是一種用於測量化學反應或物理變化的熱量變化之裝置，是一個很好的絕熱裝置，可以有效地避免反應跟它的周遭環境的熱交換。當反應在熱卡計中以熱釋放 時，熱卡計內的內容物之溫度也會改變，此溫度的變化是可以被測量的，而且與反應的熱量變化有關。在實驗室內，使用的簡單熱卡計並非完全的絕熱裝置，因此， 反應的熱量變化也會被熱卡計吸收或放出。

熱卡計必須測定其熱容量（heat capacity）來校正。亦即，藉由熱卡計上升或下降攝氏1度所吸收或放出的熱量來校正。本實驗利用熱水和室溫水來測定熱卡計的熱容量。

由於沒有任何一個熱卡計不會洩漏熱量，因此在觀察溫度的變化過程中，某些熱損失到外界是可能的。圖一顯示在一個放熱反應的過程中，利用熱卡計得到的溫度與時間之關係圖，設在反應物混合之時間為t_m。在反應之前（t_m之前），溫度保持恆定，藉由趨勢線可正推到開始混合或開始反應時（t_m之時）的溫度（T_i）。在反應之後（t_m之後），由於混合或反應後放出熱量，溫度急遽的上升。然後，由於熱卡計的熱損失，溫度開始下降。當溫度達到平衡時，熱損失逐漸穩定，溫度的下降呈現線性。藉由此線性，可以倒推到t_m的時間點而得到最大值的溫度（T_f），進而推知反應發生平衡的瞬間溫度。圖一的趨勢線倒推而得到瞬間溫度為39.9 ℃。一旦Ti和Tf兩溫度由趨勢線推知，混合或反應的前後溫度差就可以得知，因此測定熱卡計的熱容量是可能的。

圖一  從溫度與時間的趨勢線倒推而得知T_f值

化學反應後，混合物（反應的溶液）所吸收的熱等於質量(m) × 比熱(S) × 溫度差(△T)，此處m為混合物的質量（g），S為混合物的比熱（J/℃‧g），△T為混合物反應前後的溫度差（℃）。在本次實驗中，假設純水和所有反應的水溶液之比熱（specific heat capacity）均為0.00418 kJ/℃‧g。

藥品和器材

1. 發泡保利龍杯（Styrofoam cups，容量360 mL） 2個/組
2. 剪刀（小支） 1支/組
3. 塑膠直尺（15 cm）1支/組
4. 衛生筷 1支/組
5. 溫度計（100 ℃） 2支/組
6. 燒杯（100 mL、250 mL和500 mL） 各1個/組
7. 量筒（25 mL和50 mL）各1個/組
8. 塑膠PE滴管（3 mL） 1支/組
9. 蒸餾水  20 mL/組
10. 電子天平（0.001 g或更精確） 1台
11. 碘化鉀（Potassium iodide, KI） 4.0 g
12. 碳酸鈉（Sodium carbonate, Na₂CO₃） 4.0 g
13. 手錶（有秒針）或碼表  1支/組

自製熱卡計

1. 取一個發泡保利龍杯，距離杯底2.0 cm處用小刀裁剪成小型平底盤狀。注意：剪裁處必須剪齊，不可凹凸不平。用一支衛生筷施力重壓此平底盤的中央處，戳成一個直徑約0.5 cm的小孔洞（稍小於溫度計直徑0.7 cm），如圖二所示。

圖二 用一支衛生筷戳成一個小孔洞

2. 然後，手持一支溫度計從平底盤的背面慢慢地以旋轉方式插入，形成一個熱卡計的杯蓋，如圖三所示。

圖三 一個連接溫度計的杯蓋

3. 取二個發泡保利龍杯並且重疊在一起，形成一個熱卡計的容器（杯身）。固定此容器在一個500 mL的燒杯中，如圖四所示。

圖四 一個熱卡計的容器（杯身）固定在燒杯中

4. 放置杯蓋在熱卡計的容器（杯身）中，調整溫度計的球徑高度恰好接觸到熱卡計的杯底。然後，測試杯蓋是否可以與容器緊密接觸，若不緊密，則施以小力輕輕壓下杯蓋，使杯蓋與容器緊密接觸，形成一個接近絕熱的自製熱卡計，如圖五所示。

圖五 自製熱卡計

實驗步驟

A. 測定熱卡計的熱容量

1. 用量筒量取25.0 mL的室溫水，然後用一支溫度計測量溫度，每30秒讀取一次，直到溫度差不大於±0.1 ℃（溫度大致維持恆溫）。然後，與第3步驟同時開始計時（t₀），每30秒讀取溫度一次，並紀錄其溫度3分鐘於表一。在第4分鐘開始（第180秒，t_m）時，倒入第3步驟的熱卡計中。

2. 取一個自製熱卡計，以衛生紙擦乾水分，用另一支量筒量取25.0 mL的熱水（水溫約高於室溫約40-45℃），倒入熱卡計中，緊密地蓋上一個連接溫度計的杯蓋。【注意：必須蓋緊，否則熱量易流失。】然後，手持燒杯以每 秒來回一次的方式，在桌上搖晃約兩分鐘，促使水與熱卡計達到熱平衡（溫度維持穩定緩慢下降）。

3. 當熱水的水溫穩定緩慢下降時，開始計時（t₀），每30秒讀取溫度一次，並紀錄其溫度3分鐘。然後，在第4分鐘開始（第180秒，t_m）時，倒入步驟1的室溫水，並且立即緊密地蓋上杯蓋。【注意：必須蓋緊，否則熱量易流失。】然後，手握燒杯以每秒來回一次的方式在桌上搖晃約三分鐘，促使混合均勻。在混合後，每30秒讀取溫度一次，並紀錄其溫度5分鐘（或直到溫度維持穩定地緩慢下降為止）於表一。

4. 計算熱卡計的熱容量。

B. 測定二固體的溶解熱

1. 精確地稱取2.0 g的碘化鉀和2.0 g的碳酸鈉，紀錄重量。此二固體置入一個小燒杯中並混合均勻。

2. 取一個自製熱卡計，以衛生紙擦乾水分，用一支量筒量取50.0 mL室溫的蒸餾水並倒入熱卡計中，緊密地蓋上一個連接溫度計的杯蓋。然後，用溫度計測量溫度，直到溫度差不大於±0.1℃，開始計時（t₀），每30秒讀取溫度一次，並紀錄其溫度3分鐘於表二。

3. 在第4分鐘開始（第180秒，t_m）時，倒入混合的固體到熱卡計中，並且立即緊密地蓋上杯蓋。【注意：必須蓋緊，否則熱量易 散失。】然後，手握燒杯以每秒來回一次的方式，在桌上搖晃約三分鐘，促使固體快速溶解且混合溶液均勻。在混合後，每30秒讀取溫度一次，並紀錄其溫度5分 鐘（或直到溫度維持穩定地緩慢下降為止）於表二。

4. 計算碘化鉀和碳酸鈉固體的溶解熱。

C. 測定過氧化氫的分解熱和固體的溶解熱

1. 精確地秤取2.0 g的碘化鉀和2.0 g的碳酸鈉，紀錄重量。此二固體置入一個小燒杯中並混合均勻。

2. 先取一支100 mL的量筒並扣除毛重，再量取50.0 mL的外用雙氧水，秤重此雙氧水。紀錄重量和體積以及此的雙氧水廠牌和含量。

3. 取一個自製熱卡計，以衛生紙擦乾水分。倒入50.0 mL的外用雙氧水於熱卡計中，緊密地蓋上一個連接溫度計的杯蓋。等待溫度差不大於±0.1 ℃後，開始計時（t₀），每30秒讀取溫度一次，並紀錄其溫度3分鐘於表三。

4. 在第4分鐘開始（第180秒，t_m）時，倒入混合的固體到熱卡計中，並且立即緊密地蓋上杯蓋。【注意：必須蓋緊，否則熱量易 流失。】然後，手握燒杯以每秒來回一次的方式，在桌上搖晃約五分鐘，促使固體快速溶解且混合溶液均勻。在混合後，每30秒讀取溫度一次，並紀錄其溫度10 分鐘（或直到溫度維持穩定地緩慢下降為止）於表三。

5. 計算過氧化氫的分解熱與固體的溶解熱之和、過氧化氫的分解熱，以及過氧化氫的分解焓。

安全和注意

● 進行實驗操作時，應該戴安全眼鏡及可丟棄的手套，也應該穿實驗衣。
● 若對實驗的安全問題有任何質疑，請勿猶豫，立刻詢問老師。
● 不慎接觸藥品，應該用大量水沖洗，必要時報告老師。

廢棄物處理

● 剪裁不用的發泡保利龍杯：集中於標示「廢棄塑膠」的大塑膠袋中。
● 溶解和反應後的混合溶液：集中於標示「無機物」的大塑膠桶中。

連結：過氧化氫分解焓的測定〔II〕