化學與社會

化學實驗室實驗：過氧化氫分解焓的測定（Determination of the Decomposition Enthalpy of Hydrogen Peroxide）〔IV〕
國立彰化師範大學化學系碩士生陳少軍和陳永祥 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：過氧化氫分解焓的測定〔III〕

教師手冊之二（Teacher’s Guide II）

實驗紀錄樣本

一、 化學示範

1. 寫出此示範實驗的變化現象。

老師輕輕地打開水壺的壺蓋並且立即蓋上，隨即在壺嘴快速地冒出大量的白色煙霧，並且發出鳴叫聲。用手觸摸一下水壺感覺很燙。

2. 說明變化現象的化學原理。

這些變化現象是因為雙氧水分解放出大量的熱量，造成溶液內的水沸騰而冒出大量的白色煙霧，並且溫度高達100 ℃，用手觸摸一下水壺感覺很燙。

二、 過氧化氫的分解焓

A. 測定熱卡計的熱容量

● 熱水的體積： 25.0 mL，質量： 25.0 g
● 室溫水的體積： 25.0 mL，質量： 25.0 g

表一-A  熱水的時間與溫度之數據
表一-B  室溫水的時間與溫度之數據

化學實驗室實驗：過氧化氫分解焓的測定（Determination of the Decomposition Enthalpy of Hydrogen Peroxide）〔III〕
國立彰化師範大學化學系碩士生陳少軍和陳永祥 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：過氧化氫分解焓的測定〔II〕

教師手冊之一（Teacher’s Guide I）

化學示範

在學生進行實驗之前，老師示範「阿拉丁神燈」的主要目的是，藉由觀察驚奇有趣的歧異事件，引起學生對於測定過氧化氫分解焓的興趣。

A. 器材和溶液

● 不鏽鋼水壺（約1 L容量，瓶蓋與壺口之間必須非常緊密，水煮沸時有鳴叫聲） 1個
● 30% 過氧化氫（30% hydrogen peroxide, H₂O₂） 1瓶
● 量筒（100 mL） 1支
● 衛生紙 1張
● 碘化鉀（Potassium iodide, KI） 少許
● 碳酸鈉（Sodium carbonate, Na₂CO₃） 少許
● 縫衣線 1小包（稍粗的線，不可太細）
● 刮勺 2支
● 乳膠手套 1雙

化學實驗室實驗：過氧化氫分解焓的測定（Determination of the Decomposition Enthalpy of Hydrogen Peroxide）〔II〕
國立彰化師範大學化學系碩士生陳少軍和陳永祥 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：過氧化氫分解焓的測定〔I〕

學生講義之二（Student Handout II）

觀察紀錄

一、 化學示範

1. 寫出此示範實驗的變化現象。

2. 說明變化現象的化學原理。

二、 過氧化氫的分解焓

A. 測定熱卡計的熱容量

● 熱水的體積：_____ mL，質量：_____ g
● 室溫水的體積：_____ mL，質量：_____ g

表一-A  熱水的時間與溫度之數據
表一-B  室溫水的時間與溫度之數據

化學實驗室實驗：過氧化氫分解焓的測定（Determination of the Decomposition Enthalpy of Hydrogen Peroxide）〔I〕
國立彰化師範大學化學系碩士生陳少軍和陳永祥 / 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）

化學示範

老師示範「阿拉丁神燈」，學生觀察變化的現象，老師與學生互動討論變化現象的化學原理。

實驗介紹

本實驗的目的是利用自制的熱卡計（calorimeter）來測定過氧化氫分解成為液態水和氧氣的分解焓。

熱化學（Thermochemistry）是研究能量和熱量與化學反應和/或物理變化的科學。一個反應可能釋放或吸收能量，相的變化亦同，如熔化和沸騰。熱化學聚焦在能量的變化，特別是對系統與其周遭環境的能量交換。化學反應的能量變化包括酸鹼中和熱、燃燒熱、形成熱、分解熱和各式各樣的反應熱。若以特定的1莫耳反應物或產物的能量變化，則熱化學上以焓（enthalpy）表示，如酸鹼反應生成1莫耳的水所放出的熱，稱為酸鹼中和焓，1莫耳的過氧化氫分解成為液態水和氧氣所放出的熱，稱為過氧化氫的分解焓。

熱卡計是一種用於測量化學反應或物理變化的熱量變化之裝置，是一個很好的絕熱裝置，可以有效地避免反應跟它的周遭環境的熱交換。當反應在熱卡計中以熱釋放 時，熱卡計內的內容物之溫度也會改變，此溫度的變化是可以被測量的，而且與反應的熱量變化有關。在實驗室內，使用的簡單熱卡計並非完全的絕熱裝置，因此， 反應的熱量變化也會被熱卡計吸收或放出。

熱卡計必須測定其熱容量（heat capacity）來校正。亦即，藉由熱卡計上升或下降攝氏1度所吸收或放出的熱量來校正。本實驗利用熱水和室溫水來測定熱卡計的熱容量。

由於沒有任何一個熱卡計不會洩漏熱量，因此在觀察溫度的變化過程中，某些熱損失到外界是可能的。圖一顯示在一個放熱反應的過程中，利用熱卡計得到的溫度與時間之關係圖，設在反應物混合之時間為t_m。在反應之前（t_m之前），溫度保持恆定，藉由趨勢線可正推到開始混合或開始反應時（t_m之時）的溫度（T_i）。在反應之後（t_m之後），由於混合或反應後放出熱量，溫度急遽的上升。然後，由於熱卡計的熱損失，溫度開始下降。當溫度達到平衡時，熱損失逐漸穩定，溫度的下降呈現線性。藉由此線性，可以倒推到t_m的時間點而得到最大值的溫度（T_f），進而推知反應發生平衡的瞬間溫度。圖一的趨勢線倒推而得到瞬間溫度為39.9 ℃。一旦Ti和Tf兩溫度由趨勢線推知，混合或反應的前後溫度差就可以得知，因此測定熱卡計的熱容量是可能的。

圖一  從溫度與時間的趨勢線倒推而得知T_f值

化學示範實驗：吹不熄蠟燭的製作（How to Make Magic Relighting Candles）［II］
國立大甲高級中學化學科廖旭茂老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

請按此連結，參閱「吹不熄蠟燭的製作［I］」

原理和概念

● 蠟燭燃燒與熄滅：火柴燃燒的熱，熔化少量的固體蠟而形成液體的蠟油，然後藉由毛細作用，沿著棉芯上升。接著蠟油氣化，蠟蒸氣與上方的氧氣發生燃燒反應，產 生火燄。當對蠟燭大力地吹氣時，由於溫度瞬間降低（溫度是燃燒的三要素之一），並且吹散可燃物（蠟蒸氣），因此蠟燭的火焰熄滅了。

● 「吹不熄的蠟燭」復燃的原理：當此蠟燭燃燒時，蠟蒸氣與氧氣發生燃燒反應，而且鎂金屬與氧氣亦發生氧化還原反應，此二反應都是大量放熱反應。當吹熄蠟燭時，雖然蠟燭熄滅了，但是燭芯上的鎂粉仍處於高溫的狀態，造成鎂金屬發生氧化反應而放出熱與光（有火花出現），此熱足以使固體蠟燭熔化和氣化，並且提供蠟燭燃燒的活化能，接著蠟燭再度復燃。

● 蠟燭由石蠟（paraffin wax）製造而成，石蠟是指烷烴（alkanes）的混合物，其通式為C_nH_2n+2，20 ≤ n ≤ 40。石蠟為白色、無臭、無味、蠟狀固體，具有典型的熔點約47-64℃。石蠟完全燃燒的反應如反應式[1]、[2]和[3]所示：

2C₂₀H₄₂ + 61O₂ → 40CO₂ + 42H₂O + heat    [1]

C₂₅H₅₂ + 38O₂ → 25CO₂ + 26H₂O + heat    [2]

2C₃₆H₇₄ + 109O₂ → 72CO₂ + 74H₂O + heat    [3]

化學示範實驗：吹不熄蠟燭的製作（How to Make Magic Relighting Candles）［I］
國立大甲高級中學化學科廖旭茂老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

前言

最近利用化學原理製 作的整人道具越來越流行，比如「吹不熄的蠟燭」這項道具，就常出現在歡樂的生日場合中，在youtube也上傳了非常多類似的影片。其實它的原理與製作過 程都很簡單，老師們只要對蠟燭的燭芯稍作改造，再帶到課堂上演示，學生肯定驚喜連連，大受歡迎。那「吹不熄的蠟燭」要如何製作呢？可能遭遇的困難是什麼？ 要如何克服困難呢？在本示範實驗裡，提出個人的看法，希望對有興趣的老師有所幫助。

示範實驗影片

請按此連結：吹不熄蠟燭的製作（How to Make Magic Relighting Candles），YouTube。