化學反應和能量 / 子課題
焓變與量熱法
Enthalpy Change and Calorimetry
各類焓變定義、量熱法計算及實驗誤差分析
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 焓變定義
考評提示：標準生成焓及標準燃燒焓定義
- 放熱反應 (Exothermic)：ΔH < 0，系統釋放能量。吸熱反應 (Endothermic)：ΔH > 0，系統吸收能量。
常見題型 · scoring points
利用簡單量熱法計算酸鹼中和反應的標準中和焓變 ΔH°neut
- 假設：稀溶液密度與比熱容等同水，即 ρ = 1.00 g cm⁻³，c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹；忽略熱損失及量熱杯熱容。
- 公式：q = mcΔT，其中 m 為溶液總質量（取酸 + 鹼總體積×1 g cm⁻³），ΔT 為最高溫度減初溫。
- 計算中和焓變：ΔH°neut = −q ÷ n（水生成的摩爾數），放熱故加負號，單位為 kJ mol⁻¹。
- 典型值：強酸+強鹼（如 HCl + NaOH）ΔH°neut ≈ −57 kJ mol⁻¹；與陰陽離子種類無關，實質為 H⁺ + OH⁻ → H₂O。
定義並區分 ΔH°f、ΔH°c 和 ΔH°neut 三種標準焓變
- ΔH°f（標準生成焓變）：在標準狀況下（298 K, 100 kPa），由最穩定元素形態生成 1 mol 化合物時的焓變。
- ΔH°c（標準燃燒焓變）：在標準狀況下，1 mol 物質與過量 O₂ 完全燃燒時放出的焓變，數值永遠為負。
- ΔH°neut（標準中和焓變）：在標準狀況下，酸鹼反應生成 1 mol H₂O(l) 時的焓變。
- 注意：最穩定單質 ΔH°f = 0（如 O₂(g)、C(石墨)），而 C(鑽石) ΔH°f ≠ 0 因非最穩定態。
利用赫斯定律從生成焓變計算反應焓變
- 赫斯定律：反應的焓變只取決於起始物與生成物的狀態，與反應途徑無關。
- 公式：ΔH°r = Σ ΔH°f(生成物) − Σ ΔH°f(反應物)，注意須乘上方程式的化學計量係數。
- 繪畫焓變循環：反應物 → 生成物（直接路徑 ΔH°r），反應物 → 元素 → 生成物（經元素的間接路徑）。
- 示例：CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g)，ΔH°r = ΔH°f(CaO) + ΔH°f(CO₂) − ΔH°f(CaCO₃)。
用赫斯定律計算不能直接測量的焓變（如 C → CO 的 ΔH）
- 問題：C(s) + ½O₂(g) → CO(g) 的焓變無法直接測定，因碳燃燒難以控制只生成 CO。
- 策略：利用可直接測量的 ΔH°c(C) 和 ΔH°c(CO) 構建焓變循環。
- 路徑 1：C + O₂ → CO₂（ΔH₁ = ΔH°c(C)）。路徑 2：C + ½O₂ → CO（ΔH₂，目標）；然後 CO + ½O₂ → CO₂（ΔH₃ = ΔH°c(CO)）。
- 結論：ΔH₁ = ΔH₂ + ΔH₃，故 ΔH₂ = ΔH°c(C) − ΔH°c(CO)。
解釋簡單量熱法的實驗誤差來源及改進方法
- 熱散失至周圍：使用發泡膠杯（聚苯乙烯杯）代替玻璃燒杯作絕緣層。
- 量熱杯吸熱：杯的比熱容在計算中被忽略；可用較大體積溶液以減少相對誤差。
- 溫度測量誤差：使用刻度更細的數字溫度計（±0.1 K），並連續記錄溫度-時間圖取外推最大ΔT。
- 反應不完全：確保充分攪拌，快速加入並加蓋減少熱量散失和蒸發損失。
計算乙醇的燃燒焓變實驗（火焰量熱法）
- 裝置：乙醇精量燈加熱銅量熱杯中一定質量的水，量度乙醇燃燒前後質量差及水溫升高。
- 計算放熱量：q = mwater × 4.18 × ΔT（水吸熱，單位 J）。
- 計算燃燒的乙醇摩爾數：n = Δm(ethanol) ÷ 46.0 g mol⁻¹。
- ΔH°c(C₂H₅OH) = −q ÷ n（kJ mol⁻¹）；實驗值（約 −900 kJ mol⁻¹）比數據手冊值（−1367 kJ mol⁻¹）為低，因熱散失及不完全燃燒（煤煙）。
以能量圖解釋放熱反應與吸熱反應及鍵的斷裂與生成
- 放熱反應：生成物總能量低於反應物；化學鍵生成釋放的能量 > 斷裂反應物鍵所需能量，ΔH < 0。
- 吸熱反應：生成物總能量高於反應物；斷裂反應物鍵所需能量 > 生成新鍵釋放的能量，ΔH > 0。
- 能量圖（放熱）：反應物（較高平台）→ 過渡態（頂點）→ 生成物（較低平台）；ΔH 為縱軸向下之箭。
- 能量守恆：能量既不會被創造，也不會被消滅；化學能轉化為熱能（放熱）或從環境吸收熱能（吸熱）。
測定金屬氧化物的生成焓變（MgO 為例）
- 困難：Mg + ½O₂ → MgO 無法直接量熱（燃燒激烈、高溫）。
- 策略：用赫斯定律間接法，測量 Mg 及 MgO 分別與稀 HCl(aq) 反應的焓變。
- 反應 1：Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g)，ΔH₁（放熱，容易量度）；反應 2：MgO(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂O(l)，ΔH₂。
- 加上 H₂ + ½O₂ → H₂O(l)，ΔH°f(H₂O) = −286 kJ mol⁻¹：ΔH°f(MgO) = ΔH₁ + ΔH°f(H₂O) − ΔH₂。
化學反應和能量 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
