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]