標準生成熱Standard Enthalpies of Formation(二)

化學原理啟迪224

1.     【例題】利用下表標準生成熱的資訊

計算，氨在空氣中燃燒產生二氧化氮和水，整個反應的標準生成熱（焓變化）。這個反應是工廠製造硝酸的第一步。

4NH3(g)+7O2(g)→4NO2(g)+6H2O(l)

2.     【解題】我們將會畫出反應物碎裂成元素的標準狀態，並且元素再形成產物的反應路徑，利用各個路徑上的生成熱，計算出結果。

3.     〈步驟一〉氨分解成元素[反應(a)]。4mol的NH3分解成N2和H2：

4NH3(g)→2N2(g)+6H2(g)

以上這個反應是元素形成NH3的逆反應，再乘上4倍：

1/2N2(s)+3/2H2(g)→NH3(g)  ΔH⁰f＝－46kJ/mol

因此

ΔH⁰(a)＝4mol[－(－46kJ/mol)]＝184kJ

4.     〈步驟二〉元素氧[反應(b)]。因為O2(g)是元素，這已經是標準狀態，所以生成熱是0，ΔH⁰(b)＝0。

5.     〈步驟三〉從元素合成NO2(g)[反應(c)]整個反應形成4mol的NO2。所以要把元素形成NO2的反應與標準生成熱乘上4倍：

4×[1/2N2(g) +O2(g)→NO2(g)]

並且ΔH⁰(c)＝4×ΔH⁰f [ for NO2(g)]

ΔH⁰f [ for NO2(g)]＝34kJ/mol，因此

ΔH⁰(c)＝4mol×34kJ/mol＝136kJ

6.     〈步驟四〉從元素合成H2O(l)[反應(d)]因為整個反應方程式有6mol的H2O(l)，所以要把形成水的反應乘上6倍

6×[H2(g) +1/2O2(g)→H2O(g)]

並且ΔH⁰(d)＝6×ΔH⁰f [ for H2O(g)]

ΔH⁰f [ for H2O(g)]＝－286kJ/mol，所以

ΔH⁰(d)＝6mol（－286kJ/mol）＝－1716kJ

7.     摘要如下

8.     現在我們可以把每一步驟得到的ΔH⁰相加，得到整個反應的ΔH：

ΔH⁰＝ΔH⁰(a) + ΔH⁰(b) +ΔH⁰(c) +ΔH⁰(d)

＝4×－ΔH⁰f[for NH3(g)]+0+4×ΔH⁰f[ for NO2(g)] +6×ΔH⁰f[for H2O(l)]

＝4×ΔH⁰f[ for NO2(g)] +6×ΔH⁰f[for H2O(l)] －4ΔH⁰f[for NH3(g)]

＝ΔH⁰f(products)_－ΔH⁰f(reactants)

9.     特別留意，元素狀態的反應物與產物沒有涵蓋在生成熱的計算中，元素在標準狀態下的生成熱ΔH⁰f是0。

10. 整個反應的焓變化是

ΔH⁰

＝6×(－286kJ)+4×(34kJ)－4×(－46kJ)

＝－1396kJ

11. 【例題】有些高性能的引擎用甲醇（CH3OH）當成燃料。利用下表的數據

比較每公克甲醇和汽油燃燒的標準熱含量。汽油其實是一種混合物，不過我們假設在這裡所使用的汽油是純辛烷（C8H18）溶液。

12. 【解題】甲醇的燃燒反應：

2CH3OH(l)+3O2(g)→2CO2(g)+4H2O(l)

13. 利用上表的標準生成熱數據和方程式

ΔH⁰reaction ＝ΣΔH⁰f (products)－ΣΔH⁰f (reactant)

我們得到

ΔH⁰reaction

＝2×ΔH⁰f[for CO2(g)]+4×ΔH⁰f[for H2O(l)]－2×ΔH⁰f[for CH3OH(l)]

＝2×（－394kJ）+4×（－286kJ）－2(－239kJ)

＝－1454kJ

14. 2mol的甲醇燃燒會釋放1454kJ的熱。甲醇的莫耳量是32.0g/mol。這代表64.0g的甲醇燃燒會產生1454kJ的能量。甲醇每公克燃燒的熱含量是

－1454kJ/64.0g＝－22.7kJ/g

15. 辛烷的燃燒反應是

2C8H18(l)+25O2(g)→16CO2(g)+18H2O(l)

16. 利用上表標準熱含量的數據和方程式

ΔH⁰reaction ＝ΣΔH⁰f (products)－ΣΔH⁰f (reactant)

我們得到

ΔH⁰reaction

＝16×ΔH⁰f[for CO2(g)]+18×ΔH⁰f[for H2O(l)]－2×ΔH⁰f[for C8H18(l)]

＝16×（－394kJ）+18×（－286kJ）－2(－269kJ)

＝－1.09×10⁴kJ

17. 這就是2mol的辛烷燃燒會釋放的熱含量。因為辛烷的莫耳量是114.2g/mol，辛烷每公克燃燒的熱含量是

－1.09×10⁴kJ/2（114.2g）＝－47.7kJ/g

18. 每公克辛烷燃燒的熱含量大約是甲醇每公克燃燒的2倍。從這一點來看，賽車用汽油會比用甲醇還好，因為這樣可以減輕重量，而減輕重量對賽車來說是非常重要的。那麼，賽車為什麼要用甲醇？答案是在高性能的引擎用甲醇燃燒得比汽油順暢，這個優點的價值彌補它在重量方面的缺點。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》

n   圖片來源：Inmagine.com、Superstock.com、Formula1blog.com

徐弘毅：

1.     汽車燃料用酒精（甲醇）跟用汽油（辛烷）有什麼不同？

2.     甲醇的分子比較小，只有1個碳，比較容易燃燒瓦解，釋放化學鍵的能量，所以甲醇沸點比較低，沸點64.5℃；但是因為分子小，斷裂的化學鍵少，所以每公克釋放的熱含量少，每公克釋放22.7kJ。

3.     辛烷的分子比較大，由8個碳組成，燃燒的時候不容易完全瓦解，可能先斷裂部份的碳骨架化學鍵，然後再燃燒斷裂其他的分子碎片，所以，辛烷沸點比較高，是126℃；辛烷分子比較大，斷裂的化學鍵較多，所以每公克釋放的熱含量多，每公克釋放47.7kJ。

4.     一般汽車如果用酒精做燃料，引擎溫度可能會太高；賽車如果用一般的汽油，則容易積碳，會降低引擎的效率。

5.     政治學有一個最基本的原則叫做「選賢與能」，意思就是我們要把人才放在適當的位置，才能夠發揮他最大的效能，讓他可以穩定地發揮功能，有超高的行政效率，並且能夠盡本分。

6.     基本上，所有的政治人物都應該是好人，絕對沒有百姓故意選擇壞人當政客，還給他權力，對不對？問題是這個好人，他的能力是當里長，還是鄉鎮市長？或是總統？不同職權大小的人，他應該具備不同的專業能力。

7.     所以要擔任總統的人跟長相無關、性別也無關，也必須都是好人。第一、他的學問夠不夠，有沒有國際學術地位？第二、他的專業能力是不是那個領域的頂尖人物？第三、他有沒有行政效率通過國際ISO認證的經驗？第四、他過去的爛政績比較多，還是影響歷史的好政績比較多？

8.     沒有人能夠否認，蔣介石、蔣經國經常大興文字獄、凍結憲法、干預司法，因此是不折不扣的台灣民主史上的大敗類。而獨裁者統治時期，有許多雞犬跟在身邊，他們也都是獨裁者踐踏人權的共犯。

9.     會當獨裁者雞犬的人，一定沒有國際學術地位，一定沒有真才實學，一定無法實踐《憲法》，一定有踐踏人權的習慣，施政一定沒有效率卻要求特權與紅包，一定有情色爛交的問題。