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）〔IV〕

Posted on 2011/08/04 in 化學, 化學教育, 化學與社會 with 沒有迴響 9,335 views

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）〔IV〕
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

連結：過氧化氫分解焓的測定〔III〕

教師手冊之二（Teacher’s Guide II）

實驗紀錄樣本

一、化學示範

1. 寫出此示範實驗的變化現象。

老師輕輕地打開水壺的壺蓋並且立即蓋上，隨即在壺嘴快速地冒出大量的白色煙霧，並且發出鳴叫聲。用手觸摸一下水壺感覺很燙。

2. 說明變化現象的化學原理。

這些變化現象是因為雙氧水分解放出大量的熱量，造成溶液內的水沸騰而冒出大量的白色煙霧，並且溫度高達100 ℃，用手觸摸一下水壺感覺很燙。

二、過氧化氫的分解焓

A. 測定熱卡計的熱容量

● 熱水的體積： 25.0 mL，質量： 25.0 g
● 室溫水的體積： 25.0 mL，質量： 25.0 g

表一-A 熱水的時間與溫度之數據
表一-B 室溫水的時間與溫度之數據

● 轉化表一-A和表一-B的實驗數據成為圖六，並且寫出橫軸和縱軸的變因和單位，標示刻度，以及畫出趨勢線，讀出T_i和T_f。可用MS-Excel製作圖表，列印後貼在圖六上。

圖六熱水、室溫水和混合過程的時間與溫度之趨勢線

在混合時（t_m）熱水的溫度（T_ih）： 49.9 ℃（由趨勢線的正推而得知）
在混合時（t_m）室溫水的溫度（T_ir）： 19.3 ℃（由趨勢線的正推而得知）
在混合時（t_m）溫水的溫度（T_f）： 35.2 ℃（由趨勢線的倒推而得知）
在混合時（t_m）熱水與溫水的溫度差（T_ih – T_f）： 14.7 ℃
在混合時（t_m）室溫水與溫水的溫度差（T_f – T_ir）： 15.9 ℃

熱水所放出的熱量：比熱 × 質量 × 溫度差 = 0.00418 kJ/g℃ × 25.0 g × 14.7℃ = 1.54 kJ
室溫水所吸收的熱量：比熱 × 質量 × 溫度差 = 0.00418 kJ/g℃ × 25.0 g × 15.9℃ = 1.66 kJ
卡熱計放出的熱量：室溫水所吸收的熱 – 熱水所放出的熱 = 1.66 kJ – 1.54 kJ = 0.12 kJ
卡熱計的熱容：卡熱計放出的熱量 / 卡熱計下降的溫度 = 0.12 kJ / 14.7℃ = 0.0082 kJ/℃

B. 測定二固體的溶解熱

● 碘化鉀的質量： 2.0198 g，碳酸鈉的質量： 2.0370 g
● 室溫水的體積： 50.0 mL，質量： 50.0 g

表二室溫水和溶液混合過程的時間與溫度之數據

● 轉化表二的實驗數據成為圖七，並且寫出橫軸和縱軸的變因和單位，標示刻度，以及畫出趨勢線，讀出T_i和T_f。可用MS-Excel製作圖表，列印後貼在圖七上。

圖七室溫水和溶液混合過程的時間與溫度之趨勢線

在混合時（t_m）室溫水的溫度（T_i）： 18.2 ℃（由趨勢線的正推而得知）
在混合時（t_m）溶液的溫度（T_f）： 18.9 ℃（由趨勢線的倒推而得知）
在混合時（t_m）室溫水與溶液的溫度差（T_f – T_i）： 0.7 ℃

溶液總質量：水的質量 + 二固體的質量 = 50.0 g + 2.0198 g + 2.0370 g = 54.1 g
溶液所吸收的熱量：比熱 × 質量 × 溫度差 = 0.00418 kJ/g℃ × 54.1 g × 0.7℃ = 0.2 kJ
卡熱計所吸收的熱量：卡熱計的熱容 × 溫度差 = 0.0082 kJ/℃ × 0.7℃ = 0.006 kJ
二固體的溶解熱：-(溶液吸收的熱量 + 熱計吸收的熱量) = -(0.2 kJ + 0.006 kJ) = -0.2 kJ

C. 測定過氧化氫的分解熱和二固體的溶解熱

● 雙氧水的廠牌：天乾牌，用途：傷口消毒用，雙氧水的含量： 30 mg H₂O₂/mL
● 雙氧水的體積： 50.0 mL ，質量： 50.8383 g
● 過氧化氫的莫耳質量： 34.0147 g/mol（請到網路搜尋或向老師詢問）
● 過氧化氫的分解焓（文獻值）： -98.1 kJ/mol（請到網路搜尋或向老師詢問）
● 碘化鉀的質量： 2.0948 g，碳酸鈉的質量： 2.0263 g

表三雙氧水和溶液混合過程的時間與溫度之數據

● 轉化表三的實驗數據成為圖八，並且寫出橫軸和縱軸的變因和單位，標示刻度，以及畫出趨勢線，讀出T_i和T_f。可用MS-Excel製作圖表，列印後貼在圖八上。

圖八雙氧水和溶液混合過程的時間與溫度之趨勢線

在混合時（t_m）雙氧水的溫度（T_i）： 18.9 ℃（由趨勢線的正推而得知）
在混合時（t_m）溶液的溫度（T_f）： 38.6 ℃（由趨勢線的倒推而得知）
在混合時（t_m）雙氧水與溶液的溫度差（T_f – T_i）： 19.7 ℃

溶液總質量：雙氧水的質量 + 二固體的質量 = 50.8383 g + 2.0948 g + 2.0263 g = 54.9594 g
溶液所吸收的熱量：比熱 × 質量 × 溫度差 = 0.00418 kJ/g℃ × 54.9594 g × 19.7℃ = 4.53 kJ
卡熱計所吸收的熱量：卡熱計的熱容 × 溫度差 = 0.0082 kJ/℃ × 19.7℃ = 0.16 kJ
雙氧水的分解熱與二固體的溶解熱之和：
-(溶液所吸收的熱量 + 卡熱計所吸收的熱) = -(4.53 kJ + 0.16 kJ) = -4.69 kJ
雙氧水的分解熱：
雙氧水的分解熱與二固體的溶解熱之和 – 二固體的溶解熱 = -4.69 kJ – (-0.2 kJ) = -4.5 kJ
過氧化氫的莫耳數：
(體積 × 含量) / 莫耳質量 = [50.0 mL × (30. mg/mL) × (1 g/1000 mg)] / 34.0147 g/mol = 0.044 mol
過氧化氫的分解焓（測量值）：
雙氧水的分解熱 / 過氧化氫的莫耳數 = -4.5 kJ / 0.044 mol = -100 kJ/ mol
過氧化氫的分解焓（文獻值）： -98.1 kJ/mol（請到網路搜尋或向老師詢問）
實驗誤差：
(測量值 – 文獻值) / 文獻值 × 100% = [-100 kJ/ mol – (-98.1 kJ/mol) / -98.1 kJ/mol] × 100% = -2%

參考答案

1. 從熱化學式告訴我們，1 mole的過氧化氫分解焓是-98.1 kJ，而且1 mol H₂O₂ = 34.0 g H₂O₂。因此，1.00 g的過氧化氫的分解熱 = 1.00 g H₂O₂ × (1 mol H₂O₂ / 34.0 g H₂O₂) × -98.2 kJ / 1 mol H₂O₂ = -2.89 kJ

2. 根據我的實驗結果，一次實驗使用過氧化氫的體積為50.0 mL，其分解熱為-4.5 kJ。因此，一瓶400 mL的3.0%外用雙氧水分解後可放出熱量為4.5 kJ × (400 mL / 50.0 mL) = 36 kJ

3. 根據我的實驗結果，一次實驗使用50.0 mL的3.0%外用雙氧水，其分解熱為-4.5 kJ。因此，65 mL的30%過氧化氫可放出熱量為4.5 kJ × (65 mL / 50.0 mL) × (30% / 3.0%) = 59 kJ。

65 mL的水從20℃到100℃需要的能量為65 mL × (1.00 g/mL) × 0.00418 kJ/g℃ × (100℃ – 20℃) = 27.0 kJ。

100℃水可以沸騰的體積為(59 kJ – 27.0 kJ) / [(1.00 g/mL) × 2,26 J/g] = 32 kJ / (2.26 kJ/mL) = 12 mL。

4. 根據題意，液體水和過氧化氫的標準形成焓之兩反應式如下所示：

H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(l) △H⁰_f = -285.8 kJ [反應式1] H₂(g) + O₂(g) → H₂O₂(l) △H⁰_f = -187.8 kJ [反應式2]

先翻轉[反應式2]，然後兩反應式相加，即得過氧化氫的分解焓。

H₂(g) + 1/2O₂(g) → H2O(l) △H⁰_f = -285.8 kJ [反應式1] H₂O₂(l) → H₂(g) + O₂(g) △H⁰_f = -187.8 kJ [反應式2]（翻轉）
———————————————————————
H₂O₂(l) → H₂O(l) + 1/2O₂(g) △H = -98.0 kJ

因此，過氧化氫分解成為液體水和氧氣的分解焓為-98.0 kJ/mol。

5. 根據我的測量值，氧化氫的分解焓為-100 kJ/ mol，文獻值為-98.1 kJ/mol，測量值比文獻值為低，實驗誤差為-2%。誤差的可能主要來源為假設3.0%外用雙氧水以及固體混合物溶液的比熱與純水相同，皆用 0.00418 kJ/g℃。實際上，3.0%外用雙氧水以及固體混合物溶液的比熱應該比純水為低。

參考資料和延伸閱讀