氫氣

化學實驗室實驗：氫氣與氯氣的光化學反應（Photochemical Reactions of Chlorine with Hydrogen）〔III〕
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

連結：氫氣與氯氣的光化學反應〔II〕

教師手冊（Teacher’s Guide）

教學提示

● 上課時間：教師實驗解說：約20分鐘，學生實驗操作：約40分鐘，實驗觀察記錄：約10分鐘。學生回答問題（師生問題討論或家庭作業）：約20分鐘。

● 本實驗若使用鹽酸濃度太高，則反應過於激烈，溶液易發生噴濺而危險。若使用鹽酸濃度太低，則反應過於緩慢，產生的氣體不易收集。

● 在進行本實驗時，特別注意通風問題。實驗過程中有鳴爆聲，必要時可戴上耳塞。

● 本實驗雖定性分析為主，觀察氫氣與氯氣的光化學反應現象，並檢驗反應產生的氣體。雖然定性觀察，但量的取捨也應留意，勿差異太大，以免影響觀察。

藥品配製

● 約1.0 M HCl：取一個500 mL的錐形瓶，裝入約200 mL的蒸餾水。再取41.6 mL的濃鹽酸（12 M），緩緩地加入錐形瓶中，搖勻後再加水至500 mL的體積為止，用橡皮塞塞住。

● 約3% NaOCl：取約10 mL的12% NaOCl在一個小燒杯中，加水至體積為40 mL，用保鮮膜蓋住。另類地，直接取用含氯的漂白水。

觀察記錄樣本

1. 在實驗A中，記錄鎂帶與稀鹽酸之使用量。
鎂帶重(g)： 0.050 ；使用稀鹽酸體積(mL)： 20 ；產生氣體體積(mL)： 30 。

2. 在實驗B中，記錄次氯酸鈉與稀鹽酸之使用量。
次氯酸鈉體積(mL)： 5.0 ；使用稀鹽酸體積(mL)： 20 ；產生氣體體積(mL)： 30 。

3. 在實驗C中，注射筒C內氫氣與氯氣混合氣體之照光，觀察變化情形。
照光前混合氣體的體積(mL)： 30.0 ；照光後氣體的體積(mL)： 大於30.0 。
照光前混合氣體顏色： 綠色 ；照光後氣體顏色： 顏色變淡 。
照光前有無爆鳴聲： 無 ；照光時有無爆鳴聲： 有 。
照光前橡皮塞是否彈出： 否 ；照光時橡皮塞是否彈出： 是 。

4. 在實驗D中，試管氣體與注射筒C產生氣體之混合，觀察變化情形。
注射筒C內的氣體： HCl ；試管內的氣體： NH₃ 。
混合後的變化情形： 產生白色煙霧 。

化學實驗室實驗：氫氣與氯氣的光化學反應（Photochemical Reactions of Chlorine with Hydrogen）〔II〕
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

連結：氫氣與氯氣的光化學反應〔I〕

學生講義之二（Student Handout II）

實驗步驟

C：氫氣與氯氣的光化學反應

1. 緊密地連接注射筒A與含有橡皮管的注射筒B在一起，如圖十三所示。

圖十三 連接注射筒A和注射筒B

2. 連續地推拉針筒推桿（活塞）多次，使兩支注射筒內的氣體儘可能完全混合均勻。然後推進或拉出針筒推桿，使兩支注射筒內的混合氣體體積大約相等。

3. 取下橡皮管，立即分別套上橡皮塞到兩支注射筒開口處。原來注射筒A重新編號為注射筒C，原來注射筒B重新編號為注射筒D。

4. 緊緊地架設注射筒C在鐵架上，以鎳子夾住鎂帶，距離注射筒C的前方約20公分處，如圖十四所示。

圖十四 架設注射筒於鐵架上

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]