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化學測量

分析化學. 第二章. 化學測量. Chemical Measurements ASC097127 黃智鴻. 2-1 SI 單位與字首. SI 基本單位的定義. 長度 : 光現在真空中一秒鐘所行進距離的 1/299792458 。 質量 : 一個放在法國 Sevres 的一公斤模型的質量。 時間 : 同位素 133 Cs 放射 9192631770 個輻射所需要的時間。 電流 : 一安培電流可以讓兩條在真空中相距 1 公尺平行無限長的直線導體產生 2x10 -7 N/m 的力。

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化學測量

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  1. 分析化學 第二章 化學測量 Chemical Measurements ASC097127 黃智鴻

  2. 2-1SI單位與字首

  3. SI基本單位的定義 • 長度:光現在真空中一秒鐘所行進距離的1/299792458 。 • 質量:一個放在法國Sevres的一公斤模型的質量。 • 時間:同位素133Cs放射9192631770個輻射所需要的時間。 • 電流:一安培電流可以讓兩條在真空中相距1公尺平行無限長的直線導體產生2x10-7 N/m的力。 • 溫度:將水的三項點（固態、液態、氣態共存時）溫度定義為273.16K，絕對零度為0K。 • 光的強度:一燭光是指頻率540X1012赫茲的單色光源在特定方向上，當輻射功率為1/683瓦特時，在一單位立體角之內的光強度。 • 物質的量:0.012kg12C中碳原子數目為一莫耳(6.022x1023) • 平面角:一個圓周的弳角為2π • 立體角:一個球形體的立體弧度為4π

  4. 字首

  5. 自我評量2-1 • (a)10-24到1024的字首與縮寫分別是哪些?其中哪些縮寫是大寫? • (b)請寫出10-19g、107g與104W加上字首時的表示法。 Page.22

  6. 2-2不同單位間的轉換 • 怎麼轉換 • 單位的不同 • 重要的SI制單位

  7. 轉換單位最重要的關鍵是寫出恰當的轉換因子。轉換單位最重要的關鍵是寫出恰當的轉換因子。 表 2-4轉換因子

  8. 範例2 單位轉換 • 試以每小時每公斤消耗多少千焦耳的方式，表達一個步行者每小時的能量消耗率(每100磅每小時需46+45=91大卡)。Page.23 • 自我測試:當人以每小時2英哩速度游泳時，每小時每100磅體重需要消耗360+46仟卡的能量。將這個數值以每公斤體重kJ/h表示。(答案:37kJ/h)Page.24

  9. 自我評量2-2 • 一位120磅的婦女在辦公室工作消耗約2.2x103kcal/天，而她若去爬山則消耗3.4x103kcal/天。 • (a) 這位女士的每項活動每天消耗多少焦耳? • (b) 一天有多少秒? • (c) 這位女士的每一種活動每秒消耗多少焦耳(=瓦特)? • (d) 與100瓦特燈泡比較，這位女士或燈泡何者會消耗較多功率?Page.24

  10. 2-3化學上所使用的濃度 一般在溶液中較少的物質稱為溶質，較多的物質稱為溶劑。 溶液的濃度是指在特定的體積或質量中所含的溶質量。 體積莫耳濃度與重量莫耳濃度: • 體積莫耳濃度（molarity ; M）：指一公升的溶液中溶質的莫耳數。

  11. 重量莫耳濃度（molality；ｍ）：每公斤溶劑所溶解溶質的莫耳數。重量莫耳濃度（molality；ｍ）：每公斤溶劑所溶解溶質的莫耳數。 • 體積莫耳濃度會隨著溫度改變而改變，重量莫耳濃度則不會。

  12. 圖2-1 在北亞特蘭大與北太平洋不同深度的海水溶解的矽酸鹽與鋅離子濃度。由結果可知海洋是不均勻的混合物。在 200 公尺或 1000 公尺深所收集到的樣品中，兩者濃度隨深度不同而不同。海洋表層的生物會消耗這兩種物質。

  13. 範例4 海洋中鹽的體積莫耳濃度 • (a) 典型的海水每分公升(=dL=0.1L)中含有2.7g的鹽(NaCl)。請問海洋中的NaCl的體積莫耳濃度為多少? • (b) MgCl2在海洋中的濃度為0.054M。請計算25mL的海水中含多少克的MgCl2?(答案:0.37g/100mL)Page.26

  14. 原子量（atommic mass）：某種元素含有相當於亞佛加厥常數的質量。 • 分子量（molecular mass）：一化合物中所有原子的原子量總合，也是指該分子含有相當相當於亞佛加厥常數的分子數目時的質量。

  15. 百分組成 • 我們常以重量百分率（weight percent ; wt%）來表示某物質在溶液或是混何物中的百分比 • 另一個常用來表示組成濃度的是體積百分率（volume percent；vol%）

  16. 範例5 將溶液的重量百分率轉換為體積莫耳濃度 • 有一瓶市售鹽酸藥品，瓶身上標示「37.0 wt% HCl，密度=1.188g/mL」。密度(density)是指物質單位體積中的質量。請求出此瓶鹽酸的體積莫耳濃度。Page.27 • 密度=質量/體積=g/mL • 比重=物質的密度/4°C時水的密度

  17. 百萬分率與十億分率 • 樣品中微量物質的濃度可用百萬分率與十億分率來表示。1 ppm 是指單位重量的百萬分之一，1 ppb 則是指單位重量的十億分之一。 • 1ppm也被視為1μg/mL(=1mg/Ld) • 1ppb也被視為1ng/mL(=1μg/L)

  18. 範例6 將百萬分率濃度轉換為體積莫耳濃度 • 碳氫化合物中只含碳與氫兩種元素。植物製造碳氫化合物們假設這些曾作為細胞膜的成分之一。這些經由生化合成途徑產生的碳氫化合物以含奇數碳數為主。圖2-3分別是在冬天與夏天從雨水中所測定的碳氫化合物濃度。夏天時，奇數碳的碳氫化合物大幅增加，我們假設這些增加的量是來自於植物，而冬天時，奇數與偶數碳的碳氫化合物有相同的趨勢，我們假設都是由人類所製造。C26H60在夏天雨中的含量為34ppb。請求出此化合物的體積莫耳濃度[以每公升中多少奈莫耳(Nm)表示]。Page.28

  19. 自我評量2-3 • 有一罐過氯酸水溶液標示為70.5wt%，密度為1.67g/mL。 • (a) 1.00L的溶液相當於多少質量? • (b) 1.00L的溶液中有幾克HClO4? • (c)1.00L的溶液中HClO4的莫耳數有多少?所得的答案就是體積莫耳濃度。

  20. 2-4配置溶液 1.稱得正確的重量 2.把適量的溶質溶劑倒入定量瓶中 3.加入溶劑至定量瓶上的刻度 4.塞好瓶蓋，上下顛倒數次，使之充分混合

  21. 範例7 市售硫酸銅一般含有五個結晶水（CuSO4．5H2O），也就是說在固體中每一莫耳的硫酸銅接著五莫耳的水。 CuSO4．5H2O的式量為249.69g/mol。如果以250ml的定量瓶配製8.00mM的Cu2＋的溶液，請問需要溶解多少克的CuSO4．5H2O？Page.30 自我測試:陰離子EDTA4-與電荷數2以上的金屬有很好的結合能力，0.500L水溶液中溶解多少克的Na2H2(EDTA) ．2H2O (FM=372.24g/mol) 會得到20.0mM EDTA溶液?Na+的體積莫耳濃度是多少? (答案:3.72g 40.0mM)

  22. 範例8 製備 0.1M 鹽酸 • 市面上所販售的「濃」鹽酸濃度~12.1M，如果今天要配置1.00L的0.100MHCl溶液，需要取多少毫升的濃鹽酸?Page.31 • 稀釋公式:Mconc ．Vconc = Mdil ．Vdil • 自我測試:濃硝酸的體積莫耳濃度~15.8M。要準備1.00M HNO3 1.00L溶液時需要多少毫升的濃硝酸?

  23. 範例9 比較複雜的稀釋過程計算 • 氨溶在水中所形成的溶液稱為「氫氧化銨水溶液」，因為氨與水會形成解離平衡 • NH3+H2O<=>NH4++OH- • 市面上所販售的濃氫氧化銨水溶液濃度為28.0wt%NH3，而此溶液的密度為0.899g/mL。如果要配置500mL0.250M的NH3溶液，需要取多少體積的濃氫氧化銨水溶液?Page.31 • 自我測試:配置1.00MNH3溶液1.00L時，需要取28.0wt%NH3多少體積?

  24. 範例10 製備百萬分率濃度之溶液 • 一般飲用水含有1.6ppm的氟離子以預防蛀牙。現有一個飲用水的原型儲存槽直徑為450m，深度為10m。 • (a) 請問需要加入多少體積的0.1M NaF ，才會使水槽中的氟離子濃度變為1.6ppm? • (b) 如果加入的是NaF固體，則需要加入多少公克? • 自我測試:如果儲存槽的直徑變成原來的兩倍大900m時，需要加入多少公噸的NaF使得溶液中F-的濃度為1.6ppm。 Page.33

  25. 自我評量2-4 • 有一個HBr水溶液的重量百分率濃度為48.0wt%，密度為1.50g/mL。 • (a) 1.00L溶液質量為多少? • (b)1.00L溶液中HBr的質量有多少? • (c) HBr的體積莫耳濃度為多少? • (d) 想要製備0.250L的0.160M HBr溶液，需多少體積的上述溶液?

  26. 對於一個反應的類型： 2-5 平衡常數 The Equilibrium Constant 此處的 A、B、C 和 D 代表化學種類， 而 a、b、c 和 d 是它們在平衡方程式中的係數。 平衡時，正逆方向的反應速率是相等的。

  27. 質量反應定律以下列平衡表示式（equilibrium expression）表示： 中括號指出化學物種在平衡時的濃度 （單位為mol/L），K 是常數，稱為平衡常數（equilibrium constant）。 平衡常數是沒有單位的，但在溶液中溶質的濃度必須使用體積莫耳濃度(M)，而對於氣體則必須以巴(bar)為單位。 純液體、純固體或溶劑可以省略，因為它們的值為1。

  28. 範例11 寫出平衡常數 • 試著寫出以下反應的平衡常數式 Zn(s) + 2NH4+ Zn2+ + H2 +2NH3(aq) (在化學方程式中，s代表固體，aq代表水溶液，g代表氣體，l代表液體。)Page.35

  29. 範例12 平衡常數的結合 • 請從下列的平衡常數式 • H2O  H+ + OH-Kw=[H+][OH-]=1.0x10-14 • NH3(aq)+H2O  NH4+ + OH-KNH3=[NH4+][OH-]/[ • NH3(aq)]=1.8x10-5 • 得到以下反應的平衡常數 • NH4+  NH3(aq) + H+

  30. 勒沙特列原理 • 勒沙特列原理（Le Châtelier’s principle）可以預測濃度、壓力與溫度在系統平衡中的變化。 • 勒沙特列原理的描述是當系統在平衡中有變化，則平衡的位置朝一個方向移動以減少變化的影響。

  31. 濃度變化的影響 • 讓我們考慮氨合成反應。假設用這些濃度來描述平衡位置： • 在這個例子中的變化是加入氮氣，勒沙特列原理預測系統將移動到消耗氮氣的方向，如此傾向補償原來的變化──增加 N2。因此勒沙特列原理正確地預測增加氮氣後，當一些加入的氮氣被消耗，造成平衡向右移動。

  32. 體積變化的影響 • 當氣體反應系統在平衡時的體積突然被減少，將導致壓力突然增加。藉由勒沙特列原理，此系統將往壓力減少的方向移動。 • 相反方向的推導也是正確的。當容器體積增加（降低系統壓力），系統向增加壓力的方向移動。

  33. 溫度變化的影響 • 溫度對平衡的影響是不同的，因為K 值將隨溫度變化而改變。可用勒沙特列原理來預測K 值的改變方向。 • 將反應依據產生熱或吸收熱來分類。 • 一反應產生熱（熱是「生成物」），稱為放熱反應。 • 另一反應吸收熱則稱吸熱反應。

  34. 熱對吸熱反應來說是需要的，能量（熱）可視為「反應物」。熱對吸熱反應來說是需要的，能量（熱）可視為「反應物」。 • 在放熱反應中，熱被視為生成物。例如，氨從氮和氫的合成是放熱反應（產生熱），我們可以將能量視為生成物： • 勒沙特列原理預測，當藉由熱加入能量到此平衡時的系統，移動方向將朝向消耗能量的方向──也就是向左移動。

  35. 應用勒沙特列原理描述溫度變化對平衡系統的影響，即簡單地將能量視為反應物（在吸熱反應過程）或生成物（在放熱反應過程），且預測移動方向的方法就如同實際的反應物或生成物被加入或移除。應用勒沙特列原理描述溫度變化對平衡系統的影響，即簡單地將能量視為反應物（在吸熱反應過程）或生成物（在放熱反應過程），且預測移動方向的方法就如同實際的反應物或生成物被加入或移除。

  36. 自我評量2-5 • 請從下列方程式重新組合並相加成HOBr  H+ + OBr- : • HOCl  H+ +OCl- K=3.0x10-8 • HOCl + OBr- HOBr + OCl- K=15 • 請求出HOBr  H+ + OBr-的平衡常數。 • 如果對一個已經平衡的特定系統HOBr  H+ + OBr-加入物質而將H+消耗，請問反應會朝哪個方向進行?

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