化學實驗室實驗：氫氣與氯氣的光化學反應（Photochemical Reactions of Chlorine with Hydrogen）〔I〕

化學實驗室實驗：氫氣與氯氣的光化學反應（Photochemical Reactions of Chlorine with Hydrogen）〔I〕
國立彰化女子高級中學化學科張文平老師 / 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）

實驗介紹

本實驗的目的是以注射筒進行氫氣與氯氣的微量製備，並利用燃燒鎂帶產生紫外光當作光化學反應的光源，照射裝在注射筒中的氫氣與氯氣之混合氣體，觀察反應的變化情形並檢驗反應後產生氣體的性質。

氫氣和氯氣在室溫下並不發生反應，就像氫氣和氧氣一樣。然而，若氫氣在空氣中被點燃，則會達到活化能而發生快速反應並產生火焰。由於此反應為放熱反應，因 此溫度急速上升，局部區域的氣體快速膨脹，而造成爆炸。若在紫外光的照射下，則氫氣和氯氣也可以達到活化能而發生光化學反應，如反應式[1]所示：

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)    [1]

紫外光加速氫氣和氯氣的光化學反應是自由基的鏈鎖反應，起始步驟是氯分子吸收紫外光，導致Cl－Cl鍵斷裂，而形成氯原子自由基，每個氯原子有一個未成對電子，如反應式[2]所示。

Cl₂(g) → Cl•(g) + Cl•(g)    [2]

Cl－Cl的鍵能有243千焦/莫耳，其能量相當於波長約500 nm，亦即在藍綠區域的可見光區，此鍵能可以被紫外光打斷。

在紫外光下，氫氣與氯氣的鏈鎖反應之反應機構，如反應式[2]～[4]所示：

Cl₂(g) → Cl•(g) + Cl•(g)    [2] Cl•(g) + H₂(g) → HCl(g) + H•(g)    [3] H•(g) + Cl₂(g) → HCl(g) + Cl•(g)    [4]

氫氣與氯氣的結束鏈鎖反應，如反應式[5]～[9]所示：

2Cl•(g) → Cl₂(g)    [5] 2H•(g) → H₂(g)    [6] H•(g) + Cl•(g) → HCl(g)    [7] H•(g) + O₂(g) → HO₂•(g)  (含有空氣時)    [8] Cl•(g) + O₂(g) → ClO₂•(g)  (含有空氣時)    [9]

雖然在整體的光反應中，反應物（氫氣和氯氣）與產物（氯化氫）的莫耳數變化並沒有增減，但是由於此反應為放熱（93 kJ/mol HCl）反應，因此導致產物氣體和混合氣體的溫度快速上身而造成膨漲，使得注射針橡皮塞向外噴出。

氫氣與氯氣反應產生的產物為氯化氫氣體，若氯化氫氣體與氨氣混合，則有白色煙霧產生，因此可以用氨氣來檢驗氯化氫氣體，其反應如反應式[10]所示。

HCl(g) + NH₃(g) → NH₄Cl(s)    [10]

藥品和器材

1. 注射筒（容量50 mL）並附注射筒橡皮塞  3個/組
2. 剪刀（小支）  1支/組
3. 燒杯（100 mL）  3個/組
4. 直尺  1支/組
5. 量筒（10 mL）  1支/組
6. PE滴管（3 mL）  1支/組
7. 電子天平（0.01 g或更精確）  2台/班
8. 保特瓶（1000 mL）  1個/組
9. 護目鏡  1副/組
10. 鐵架及鐵夾  1組/組
11. 乳膠手套  1副/組
12. 鎂帶（Magnesium, Mg）  5 cm/組
13. 鎂帶（Magnesium, Mg） 10 cm/組
14. 打火機  1個/組
15. 太陽眼鏡  1副/組
16. 耳塞  1副/組
17. 3% 次氯酸鈉溶液（sodium hypochlorite, NaOCl, solution）  10 mL/組
18. 1.0 M鹽酸（Hydrochloric acid, HCl(aq)）  100 mL/組
19. 濃氨水（Conc. ammonia water, NH₃(aq)）  5 mL/組

實驗步驟

A：氫氣的製備

1. 用剪刀取約5公分（約0.050克）的鎂帶，備用。

2. 取一個注射筒橡皮塞緊密地套住一支塑膠注射筒（編號A）的前端出口處，並在注射筒內裝約20 mL的自來水，如圖一所示。

圖一 注射筒內裝自來水

3. 放置步驟1的鎂帶於注射針筒內，使其沉於底部，如圖二所示。

圖二 放置鎂帶於注射針筒內

4. 插入針筒推桿（活塞）到注射筒內，先手持注射筒使開口朝上，取下注射筒橡皮塞，推進針筒推桿，以排除空氣。然後放置於一個保特瓶的瓶口，推進針筒推桿，以排除大部分的水，避免殘留空氣，如圖三所示。

圖三 排除空氣及大部分水

5. 拉起注射筒的針筒推桿，吸取約20 mL的1.0 M HCl，如圖四所示，並迅速套住橡皮塞。此時開始發生反應而產生氣泡，立即手持注射筒橡皮塞朝下並壓住桌面，使之緊密連接在一起，以避免氣體從注射筒的開口處逸出。隨後反應快速發生，針筒推桿會往外推開。

圖四 注射筒吸取稀鹽酸

6. 在反應完全後，卸下橡皮塞。放置此注射筒於一個保特瓶的瓶口上，排除未反應的稀鹽酸，保留氫氣在注射筒中，如圖五所示。

圖五 在反應完全後，排除未反應的稀鹽酸

7. 在完全排除未反應的稀鹽酸後，套上注射筒橡皮塞，收集約30 mL的氫氣備用，如圖六所示。

圖六 注射筒A收集約30 mL的氫氣

B：氯氣的製備

1. 取另一支注射筒（編號B），先在開口前端處連接一小段的橡皮管，於橡皮管的一端套上橡皮塞。然後倒入約20 mL的自來水到注射筒內，如圖七所示。

圖七 注射筒倒入自來水

2. 插入針筒推桿（活塞）到注射筒內，先手持注射筒使開口朝上，取下注射筒橡皮塞，推進針筒推桿，以排除空氣。然後放置於一個保特瓶的瓶口，推進針筒推桿，以排除大部分的水，避免殘留空氣，如圖八所示。

圖八 排除空氣及大部分水

3. 手戴乳膠手套，以避免接觸次氯酸鈉漂白水（NaOCl溶液）。先吸取約5.0 mL的3%次氯酸鈉漂白水，如圖九所示。

圖九 吸取次氯酸鈉溶液

4. 再吸取約20 mL的1.0 M HCl，如圖十所示。套上注射筒橡皮塞，此時開始發生反應而產生氣泡，立即手持注射筒橡皮塞朝下並壓住桌面，使之緊密連接在一起，以避免氣體從注射筒的開口處逸出。隨後反應快速發生，針筒推桿會往外推開。

圖十 吸取稀鹽酸

5. 在反應完全後，卸下注射筒橡皮塞。放置此注射筒於保特瓶瓶口上，排除未反應的稀鹽酸，保留氯氣在注射筒中，如圖十一所示。

圖十一 排除未反應的稀鹽酸

6. 在完全排除未反應的稀鹽酸後，套上注射筒橡皮塞，收集約30 mL的氯氣備用，如圖十二所示。

圖十二 注射筒B收集約30 mL的氯氣

連結：氫氣與氯氣的光化學反應〔II〕