1 宣道中學
化學測驗 能學和化學鍵
S.6S 21/4/2009
1. (a) 寫出化合物的標準生成焓變 (standard enthalpy of formation) 定義。用 CH3OH(ℓ) 來
闡明你的答案。
(b) 以下是在 298 K 時的熱化學數據 (thermochemical data)：
CH3OH(ℓ) 的標準燃燒焓變 (standard enthalpy of combustion) -726.6 kJ mol-1
CO2(g) 的標準生成焓變 -393.5 kJ mol-1 H2O(ℓ) 的標準生成焓變 -285.9 kJ mol-1 計算 CH3OH(ℓ) 在 298 K 時的標準生成焓變。 2. 試解釋下列各離子半徑 (ionic radii) 的數值大小。 離 子 Na+ Mg2+ Al3+ H- O2- F- 離子半徑 / nm 0.095 0.065 0.05 0.154 0.140 0.136
3. 利用衍射方法 (X-ray diffraction method) 測定出氣態硝(V) 酸分子 (gaseous nitric(V) acid molecules) 有兩種不同類型的 NO 鍵，鍵長分別是 0.141 nm 和 0.122 nm。
(a) 試畫出硝(V) 酸分子的結構，並在結構中指出各種 NO 鍵的鍵長 (bond length) 及 估計鍵角 (bond angle) 大約是多少？
(b) 試解釋為何在硝(V) 酸分子中會有兩種不同的 NO 鍵鍵長。 (c) 試預測在硝(V) 酸根離子 (nitrate(V) ion) 中 NO 鍵的鍵長。
4. 下列哪些分子是極性分子 (polar molecules)？試畫出它們的立體形狀 (3-dimensional shape) 以協助解釋。
(a) NF3 (b) BCl3 (c) SiCl4 (d) H2S (e) CO2 (f) SO2
(g) SO3 (h) HCN (i) PF3
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5. 下圖顯示氮 (nitrogen) 的相繼電離焓 (successive ionization enthalpy) 的圖線：
(a) 寫出一條方程式以表示與氮的第三電離焓 (3rd
ionization enthalpy) 相關的變化。 (b) 從上圖中，可獲得哪些與氮原子的電子組態 (electronic configuration) 有關的資料？
請解釋。
(c) 利用「格中電子」(electron-in-boxes) 示意圖，寫出氮原子在基態 (ground state) 時 的電子結構 (electronic structure)。
(d) 為甚麼氮的第一電離焓 (1st ionization enthalpy) 分別大於碳 (carbon) 和氧 (oxygen) 的第一電離焓？
6. (a) 試 以 溴 化 鈉 (sodium bromide) 為 例 ， 解 釋 如 何 可 從 適 當 的 熱 化 學 數 據 值 (thermochemical data) 導出 NaBr 晶格焓 (lattice enthalpy) 的數值。
(b) NaBr 的晶格焓理論值 (theoretical value) 亦可根據完全離子化模型 (complete ionization model) 計算出來。 (i) 甚麼是完全離子化模型？ (ii) 試根據以下資料 晶格焓 / kJ mol-1 NaBr(s) AgBr(s) 理論值 -730.5 -758.5 實驗值 -735.9 -907.9 評論為何 NaBr(s) 晶格焓的理論值和實驗值很相近，但溴化銀的則相差很 遠。試解釋為何如此。
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1. (a) 在標準狀態下（298 K 和 1 atm），由元素單質生成 1 摩爾化合物的焓變。 C(s) + 2H2(g) + ½O2(g) → CH3OH(ℓ)
(b) CH3OH(ℓ) + 1½O2(g) → 2H2O(ℓ) + CO2(g) ∆Ho = -726.6 kJ mol-1
∆Ho = ∆Hfo(CO2(g)) + 2∆Hfo(H2O(ℓ)) - ∆Hfo(CH3OH(ℓ))
-726.6 = (-393.5) + 2(-285.9) - ∆Hfo(CH3OH(ℓ)) ∆Hfo(CH3OH(ℓ)) = -237.9 kJ mol-1 2. 陰離子的體積（或半徑）較它相應的原子體積為大。因為形成陰離子時，原子會獲得 一粒或多粒電子。因此最外層的電子所感受的有效核電荷減少，令半徑增加。 在以上數值中，陰離子的半徑普遍是隨着核電荷的增加而有所減少的。H 離子只有一 粒質子吸引着兩粒電子，因此核電荷與電子間的吸力較弱，而未能有效地將兩粒電子 間存在的顯著斥力抵消，令到電子雲向外擴展的程度較大。另外雖然O 的電子數目較 H- 為多，但它有較高的核電荷（8粒質子對10粒電子），令電子雲向內收縮。F- 的p/e 比 值最高（9粒質子對10粒電子），故其最外層電子所感受的有效核電荷較高，令F- 的電 子雲向內靠攏。所以F 的陰離子半徑最小。 在陽離子方面，陽離子的體積（或半徑）會較它相應的原子體積為小。因為形成陽離 子時，原子會失去一粒或多粒電子，電子層數亦減少了一層。由於有效核電荷增加， 電子雲便會向內收縮。雖然Na+、Mg2+ 和 Al3+ 都是等電子數的離子，即它們含有相同 的電子數目。但是Al3+ 有最大的核電荷（+13），與外層電子間吸力最大，因此它的半 徑最小。而Na+ 的核電荷在三者當中是最小的（+11），因此它的半徑最大。另外亦應 注意O 及 F- 也是和三種陽離子等電子數的。在這些等電子數之離子中，O2- 有最低的 核電荷（+8），因此它的體積最大。 3. (a) 硝(V) 酸分子的共振結構 所以 (b) H 有一個NO鍵是與氫原子相連的NO 。 而另外有兩個NO鍵，由於共振結構或電子的離域作用。因此具有部分雙鍵的性 質。 (c) 所有的NO鍵均有相同的長度，這是由於電子的離域作用或共振作用所造成的。
4 4. (a) 極性分子 (b) 非極性分子 (c) 非極性分子 (d) 極性分子 (e) O═C═O 非極性分子 (f) 極性分子 (g) 非極性分子 (h) HC≡ N 極性分子 (i) 極性分子 (j) 非極性分子 (k) 極性分子 (l) 極性分子 5. (a) N2+ (g) → N3+(g) + e- (b) 氮的最外層電子數 = 5。因為當第六粒電子被電離時，電離焓急劇增加，說明第六 粒電子是內層電子。 (c) (d) 氮 > 碳： 氮的質子數 > 碳的質子數，最外層電子所感受的有效核電荷較高。而且氮的半滿 電子亞層（2p3）有穩定作用，所以電離焓較高。 氮 > 氧： 氧雖然有多一粒的質子，但由於氮的半滿電子亞層（2p3）有額外的穩定作用，使 氮的電離焓較高。
5 6. (a)
∆H晶格o = ∆Hfo - ∆H1 - ∆H2 -∆H3 - ∆H4
(b) (i) 完全離子化模型：陰陽離子均為完全球形。
(ii) NaBr(s) 晶格焓的理論值和實驗值很相近，說明 NaBr(s) 為離子化合物，符 合完全離子化模型的假設。Na+
離子和 Br- 離子並沒有變形。溴化銀的晶格 焓的理論值和實驗值相差很遠，因為溴離子受銀離子的吸引而變形，使其 離子帶有部分共價性質。
