能學和化學鍵-2

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1 宣道中學化學測驗能學和化學鍵 S.6S 30/3/2009 1. 將相同溫度的 25 cm3

0.5 M 的氫氧化鈉溶液（sodium hydroxide solution）與 25 cm3 0.5 M 的氫氯酸（hydrochloric acid）混合於一可忽略其熱容量（heat capacity）的熱量計（calorimeter）中。經實驗後，發現溫度上升了3.4°C。在第二個類似的實驗中，用 25 cm3 0.5 M 的乙酸（ethanoic acid）代替氫氯酸進行實驗，發現溫度上升了2.6°C。（已知：生成溶液的比熱容（specific heat） = 4.2 J g-1 K-1；生成溶液的密度（density）= 1.0 g cm-3_；

相對原子質量（relative atomic mass）： H = 1.0， C = 12.0， 0 = 16.0， Cl = 35.5， Na = 23.0）

(a) 試計算氫氯酸和乙酸被氫氯化鈉中和的中和熱（heat of neutralisation）。 (b) 試比較 (a) 部的計算結果，並解釋兩者之間的差別。

2. 下列反應的 ∆H 數值已由實驗直接測定。

Mg(s) + 2H+(aq)→ Mg2+(aq) + H2(g) ∆H1 = -433.8 kJ mol-1

H2(g) + ½O2(g) → H2O(ℓ) ∆H2 = -285.8 kJ mol-1

C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆H3 = -393.5 kJ mol-1

MgCO3(s) + 2H+(aq) → Mg2+(aq) + H2O(ℓ) + CO2(g) ∆H4 = -43.5 kJ mol-1

試建立一能量循環圖（enthalpy cycle）；並由此計算碳酸鎂（magnesium carbonagte）的生成焓（enthalpy of formation）：

Mg(s) + C(s) + 1½O2(g) → MgCO3(s)

為何碳酸鎂的生成焓並不能由實驗直接測定？

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試寫出 A 至 G 焓變（enthalpy change）的名稱。

4. 下圖是氯化鈉（sodium chloride）單位立方晶胞（unit cell ）的其中一面，氯化鈉是以 6： 6 配位形式結晶。 (a) 在圖中標示出下列離子（ion）的位置： (i) 用 Na+ 標示所有鈉離子的位置；和 (ii) 用 Cl 標示所有氯離子的位置。 (b) 在單位晶胞中，有多少氯化鈉離子對？ (c) 下圖是由陽離子（cation） Am+_{及陰離子（anion） B}n-_{所組成的晶體的單位晶胞。} (i) Am+ 及 Bn- 離子的配位數分別是多少？ (ii) 試計算出該單位晶胞中實際含有多少個 Am+_{及 B}n- _{離子。並由此推導出這化} 合物的化學式。

5. (a) 試由下列的數據，計算出 HBr 的鍵能（bond energy）。

½H2(g) → H(g) ∆H = +220 kJ mol-1

Br2(ℓ) → Br2(g) ∆H = +30.6 kJ mol-1

½Br2(g) → Br(g) ∆H = +96.4 kJ mol-1

½H2(g) + ½Br2(ℓ) → HBr(g) ∆H = -36.3 kJ mol-1

(b) 由 (a) 部所計算到的 HBr的鍵焓（bond enthalpy），是否相等於分子 HH（鍵焓 = 440 kJ mol-1_{）和 BrBr（鍵焓 = 193 kJ mol}-1_{）的鍵焓平均值（average bond}

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6. (a) (i) CH4 和 NH3 的形狀均是以四面體（tetrahedral）為基礎推導出來的，試說明

這事實。

(ii) 為甚麼 CH4 的鍵角（bond angle）較 NH3 的鍵角為大？

(b) BF3 分子是平面三角形（trigonal planar）的幾何構型，但 NF3 分子卻是三角錐形

（trigonal pyramidal）。試利用電子對排斥理論（VSEPR）來加以說明。

7. (a) 解釋在 CO、CO2 和 CO32- 中的碳氧鍵長（carbon oxygen bond lenght）分別是 0.113、

0.116和 0.129 nm 這一事實。

(b) 下圖是金剛石（diamond）的晶胞結構圖

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4 1. (a) ₂₅ 酸 / 鹼的摩爾數 = 0.5 × 1000 = 0.0125 mol 溶液的總體積 = (25 + 25) cm3 = 50 cm3 在第一個實驗中： 0.0125 摩爾HCl(aq) 與0.0125 摩爾NaOH(aq) 之間的反應所放出的熱量 = 比熱容 × 溶液的質量 × 上升的溫度 = -50 × 4.2 × 3.4 = -714 J 1 1 中和反應的焓變（∆H1）= -714 × 0.0125 × 1000 = -57.1 kJ mol-1（其中的負號是表示中和反應為放熱反應）同理，在第二個實驗中： 0.0125 摩爾 CH3COOH(aq) 與0.0125 摩爾NaOH(aq) 之間的反應所放出的熱量 = -50 × 4.2 × 2.6 = -546 J 1 1 中和反應的焓變（∆H2）= -546 × 0.0125 × 1000 = -43.7 kJ mol-1 (b) 在上述的兩個中和反應中，均涉及反應 H+(aq)+ OH-(aq) → H2O(ℓ)

由於乙酸通常只能部分離解，溶液中的H+ (aq) 離子數目較少。因此在中和過程中 需要吸收一些能量以離解出H+ (aq)，才可令上述的中和反應繼續進行。 由能量守恆定律或根據赫斯定律，乙酸分子離解的焓變為 = ∆H2 - ∆H1 = -43.7 – (-57.1) = +13.4 kJ mol-1

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5 2. 開始時，首先留意該待求反應中的反應物和生成物 ∆H1 → Mg(s) + C(s) + 1½O2(g) 元素反應物 MgCO3(s) 生成物 ∆H1和 ∆H3的反應物與上述方程式相同，因此可直接使用這反應方程式。 ∆H4反應的反應物為MgCO3(s)，因此要將此反應與待求方程式的生成物聯繫起來，成為下列的關係圖：我們可以進一步將這些間接反應的生成物聯繫起來，便可將這循環完成，而所涉及的 ∆H剛好就是∆H2：根據赫斯定律： ∆Hf + ∆H4 = ∆H1 + ∆H3 + ∆H2 ∆Hf = (-433.8) + (-393.5) + (-285.8) - (-43.5) = -1069.6 kJ mol-1 ∆Hf [MgCO3(s)] 並不能根據反應方程式而由量熱學實驗直接測定，因為  並不能控制反應的程度；  可能有其他副反應；  鎂條的直接燃燒會太劇烈。 3. A 氯的鍵離解焓 B 鈣的第二電離焓 C 鈣的第一電離焓 D 鈣的原子化焓變 E 氯化鈣的生成焓變 F 氯的電子親合勢 G 氯化鈣的晶格焓

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6 4. (a) (i) (ii)

(b) 在單位晶胞內，有四粒 Na+ _{和四粒 Cl}-_{，所以有四對離子對。} (c) (i) Am+ 的配位數 = 4 Bn- 的配位數 = 8 (ii) 含Am+ _{的個數 = 8×}_⅛_{+ 12×¼ + 6×½ + 1 = 8} 含 Bn- _{的個數 = 4} 所以這化合物的化學式是 A2B。 5. (a) 我們可以利用波恩哈柏循環圖顯示出各反應相互之間的關係。 1 由赫斯定律 -36.3 = 2 × 30.6 + 96.4 + 220 - 鍵焓(HBr) 1 鍵焓(HBr) = 2 × 30.6 + 96.4 + 220 + 36.3 = +368.0 kJ mol -1 (b) 不是。這是由於H和Br兩者的負電性並不相同，因此在HBr中的共價鍵為一極性共價鍵。這與在HH和BrBr分子中的共價鍵的平均共用電子情況並不相同。因此同類原子分子（如HH，BrBr）的鍵焓，不能用作預測異類原子分子（如 HBr）的鍵焓。

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7 6. (a) (i) 在CH4 和 NH3 的中央原子周圍都有四對電子：根據電子對排斥理論，這四對電子是以四面體形分佈的。 (ii) 甲烷是四面體形，而氨是三角錐形。因為NH3 的孤偶電子鍵合電子對間的斥力李大於鍵合電子對鍵合電子對間的斥力，所以鍵角縮小。 (b) BF3 的中央原子周圍只有三對鍵合電子對。根據電子對排斥理論，這三對鍵合電子對會以平面三角形分佈。但 NF3 的中央原子周圍有三對鍵合電子對和一對孤偶電子。根據電子對排斥理論，這四對電子對會以正四面體形分佈。其分子形狀是三角錐形。 7. (a) _CO：碳氧鍵是三鍵，所以是最短。 CO2： O═C═O 碳氧鍵是雙鍵，鍵級 = 2。 CO32-： CO32- 的 π 電子離域作用 ∴ 碳氧鍵是介乎單鍵和雙鍵之間，鍵級 = 1.5。 (b) 碳原子數目 = 8×⅛ + 6×½ + 4

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8 = 8