在1761年 約瑟夫．布拉克提出了物質內有熱含量的概念 1780年近代化學之父拉瓦節觀察到豚鼠呼吸的熱量 融化了裝置周圍的雪 發現呼出的氣體會放出熱量 類似於蠟燭燃燒 於是在1782年設計了第一個實驗器具 將豚鼠放在內室 冰塊放在外室 依靠將冰融化成水所需的熱量 來測量化學反應釋放的熱量 此器具後來被稱為卡計 或是熱量計 根據他所留下來的科學筆記 可以看到卡計有層層疊疊的設計 以防止熱量的散失 增進實驗的準確度 早期卡計的材質都是金屬或是玻璃 但是熱量容易進出 保麗龍的發明則解決了這個問題 但是保麗龍因為不環保 所以目前已經被禁用 取而代之的是雙層紙杯 利用夾層空氣導熱性差的特性 而能防止熱量進入或散失 本實驗就是利用這個材料進行簡易卡計的設計 並測量常見反應的反應熱 實驗室常見的化學實驗之一為酸鹼中和反應 兩者中和後生成鹽類和水 如果生成的水是1莫耳 則稱反應的熱量為莫耳中和熱 酸鹼中和是放熱反應 所以系統溫度會上升 另外一種常見的反應是溶解 一莫耳溶質溶解時的反應熱稱為莫耳溶解熱 可以表示如畫面 部分物質溶解時系統溫度會降低 為吸熱反應 溶解熱大於零 溫度越高時 此物質通常越容易溶解 例如硝酸鉀溶於水 部分物質溶於水則是放熱反應 溫度越高 物質溶解度會下降 例如氯化氫氣體 所以莫耳溶解熱可以是吸熱 也可以是放熱 現在就讓我們設計簡易卡計 來測量中和熱和溶解熱吧！ 此實驗的目的為使用自製的簡易卡計 測量酸鹼中和的反應熱與硝酸鉀溶於水的溶解熱 實驗原理為 利用自製卡計 可測量反應時水溶液的溫度變化 再利用 H = m × s × ΔT 計算反應造成的能量變化 進而求出莫耳中和熱和莫耳溶解熱 所需要的器材包括 含杯蓋的 250 mL 雙層紙杯2個 杯蓋請預先於中央戳一小洞 可以插入溫度計 並於旁邊再戳一小洞 可以插入攪拌器 電子天平1個 溫度計1支 攪拌器或玻棒1支 可裝入雙層紙杯的燒杯1個 50 mL 量筒2個 所需要的藥品包括 1M 鹽酸溶液50 mL 1M 氫氧化鈉溶液50 mL 蒸餾水 50 mL 硝酸鉀粉末5公克 第一步 進行簡易卡計的組裝 將雙層杯的塑膠杯蓋先戳兩小洞 分別插入溫度計（或是電子式溫度計） 和攪拌器（或玻棒） 再將紙杯放入大小合適的燒杯中 第二步 本反應所採用的強酸是鹽酸 強鹼為氫氧化鈉 取 1 M 鹽酸溶液 50 mL 置入簡易卡計中 蓋上杯蓋 插入溫度計及攪拌器 待溫度計讀數不再變化時 測量並記錄此時的溫度 再用 50 mL 量筒量取 1 M 氫氧化鈉溶液 並靜置使溶液和室溫達熱平衡 測量並記錄此時的溫度 此溫度應和鹽酸溶液溫度相同 此時的平衡溫度 才能代表系統的起始溫度 並可以繼續進行實驗 接下來將氫氧化鈉溶液倒入裝有鹽酸溶液的簡易卡計中 以攪拌器攪動溶液 使溶液混合均勻 並觀察溫度變化 每隔5秒鐘記錄一次溫度 當溫度不再改變後 即可停止記錄 得到的實驗結果為 鹽酸和氫氧化鈉的平衡溫度 27℃ 而混合後每隔五秒的溫度紀錄如畫面表格所示 根據所記錄的溫度變化 溫度最高可達 33.2℃ 上升了 6.2℃ 為放熱反應 假設溶液的密度為 1 g/mL 所以 100 mL 的水溶液質量為 100 公克 所以可以計算出中和熱為 2604 J 若要將此反應熱換算為莫耳中和熱 就必須求出反應物莫耳數 莫耳數為體積莫耳濃度乘上體積 所以鹽酸的莫耳數為0.05莫耳 氫氧化鈉的莫耳數也是0.05莫耳 可生成0.05莫耳的水 因此莫耳反應熱為 2604 J 除以 0.05 莫耳等於 52.08 kJ 第二個實驗為硝酸鉀溶解熱的測定 在簡易卡計中加入 50 mL 的蒸餾水 並靜置數分鐘 待溫度不再變化後 記錄此溫度 再秤取約5公克的硝酸鉀粉末 需精確記錄至小數第二位 並加入蒸餾水中 蓋上杯蓋、插入溫度計與攪拌器 攪拌讓硝酸鉀固體粉末完全溶解 每隔5秒記錄一次溫度 待溫度不再改變時 即可停止記錄 得到的實驗結果為 蒸餾水的平衡溫度為 27℃ 而每隔五秒的溫度記錄 如畫面表格所示 根據實驗結果可發現 溫度逐漸下降 最低可達 20.1℃ 為吸熱反應 最後共下降 6.9℃ 溶解所吸收熱量為 1593.9 J 5克硝酸鉀的莫耳數為0.0495莫耳 可以吸收1,593.9焦耳的熱量 故1莫耳硝酸鉀溶於水大約吸收32,200焦耳的熱量 約為32.2千焦耳 實驗結束後藥品的處理如表格所示 這次的藥品都可以利用大量清水稀釋後排放 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 卡計是用來測量化學反應熱量變化的實驗設備 保麗龍杯、雙層紙杯等可以絕熱的材料 都可製作簡易卡計 但實驗上容易有誤差 市售卡計絕熱效果更好 可以提高精準度 酸鹼中和為放熱反應 若反應生成1莫耳的水 若反應生成1莫耳的水 稱為莫耳中和熱 一莫耳溶質溶解時的反應熱稱為莫耳溶解熱 可能是吸熱 也可能是放熱 進行反應熱測量實驗時 溶液的溫度要先和環境、溫度計達成平衡 以避免初始溫度判斷錯誤 造成實驗誤差 吸熱反應 會以反應過程中最低溫計算溫度變化 反之 放熱反應則以最高溫計算溫度變化 反應時熱量變化的計算所用的公式是 「H等於質量乘以比熱乘以溫度變化」 同學 關於這個單元反應熱的測量 你都學會了嗎？ 歡迎與我們分享你的學習心得 下次見！