2010年1月15日 星期五

計算化學的份量:反應物和產物的數量

化學原理啟迪31


1.      複習一下,化學反應方程式的「係數」代表每種分子的「數量」,而不是分子的「質量」。


2.      然而,在實驗室或化學工廠,執行一個化學反應的時候,沒辦法用一一去數分子幾顆的方法,來確定物質數量多寡,所以,通常採用的計量方式是稱重。


3.      接下來的段落我們將思考,怎麼用化學反應物質的質量,來寫出反應方程式。


4.      為了了解在計算化學反應數量的原則,我們將用「丙烷(C3H8)」的燃燒為例子進行討論;「丙烷」是一種碳氫化合物,是野外烤肉常用的氣體燃料,也是沒有辦法接瓦斯管線的鄉村地區的燃料。


5.      「丙烷C3H8」會跟「氧O2」反應產生「二氧化碳CO2」和「水H2O」。讓我們來思考一個問題,「96.1g的『丙烷』,需要多少質量的『氧』進行燃燒反應?」


6.      在進行化學反應的計算的時候,我們第一件要做的事情就是,寫下平衡的化學反應方程式:


C3H8(g)+5O2(g)→3CO2(g)+4H2O(g)


7.      複習一下,這個反應式的意思是,1mole的「丙烷C3H8」和5mole的「氧O2」,化學反應後產生,3mole的「二氧化碳CO2」和4mole的「水H2O」。


8.      要用這個反應式去找「反應物」和「產物」的質量,我們必須能夠轉換這些物質的「質量mass」與「莫耳mole


9.      所以,第二步,我們接著必須問:到底96.1g的「丙烷C3H8」有幾莫耳mole的丙烷?


10.  丙烷的「莫耳量」是44.1g/mole()96.1g丙烷的莫耳數計算如下:


96.1gC3H8 ×( 1mol C3H8/44.1gC3H8 ) =2.18mol C3H8


注:每個丙烷分子的質量,稱為「莫耳量」:


碳原子量12.01amu ×3+ 氫原子量1.008×8 =44.09444.1amu


丙烷分子量44.1加上g單位,就是丙烷1莫耳的質量44.1g


11.  第三步,把每莫耳「丙烷C3H8」會消耗多少莫耳「氧O2」的比例,計算出來。我們利用平衡式可以知道「丙烷」和「氧」的莫耳比例mole ratio,每1莫耳的「丙烷C3H8」需要5莫耳的「氧O2」:


5mol O2/1mol C3H8


12.  這個比例可以用來計算「氧O2」的莫耳數:


2.18mol C3H8 × (5mol O2/1mol C3H8) = 10.9 mol O2


13.  因為原本的問題,是問「96.1g的丙烷需要多少質量的氧?」,所以,10.9mol氧,要轉換成質量單位g,我們可以用「氧」的「莫耳量」求得答案:


10.9mol O2 × (32.0g O2/1molO2) = 349g


14.  所以答案就是,96.1g的「丙烷」需要349g的「氧」。


15.  我們可以再繼續問這個問題:「當96.1g的丙烷完全燃燒,會產生多少質量的二氧化碳CO2?」


16.  在這個例子,我們必須要轉換「丙烷」和「二氧化碳」的莫耳數。這個轉換可以透過之前建立的平衡反應式求取,平衡的反應式顯示,每1莫耳的「C3H8」反應之後,會產生3莫耳的「CO2」;已知96.1gC3H8」是2.18mole,所以:


2.18mol C3H8 × (3mol CO2/1mol C3H8) = 6.54 mol CO2


17.  接著,我們用CO2的莫耳重量(44.0g/mol)去計算,CO2的質量:


6.54molCO2 × (44.0g CO2/1mol CO2) = 288g CO2


18.  以上過程的摘要如下:


 (翻譯編寫Steven S. Zumdahl 的《化學原理Chemical Principles)


徐弘毅:


1.          上面圖表的4個方框說明「丙烷」和「二氧化碳」的「質量」與「莫耳數」關係。從橫排來看,上面那一列是「質量」,下面那一列是「莫耳數」;從直行來看,左邊是「丙烷」,右邊是「二氧化碳」。


2.          上列與下列之間箭頭旁的「數值」指出,「質量」與「莫耳數」轉換的關鍵是「莫耳量」;


3.          左行與右行之間箭頭旁的「數值」指出,「丙烷」會產生多少「二氧化碳」的轉換關鍵是,在平衡方程式中,這二種化合物的「莫耳數比例」,也就是「係數比例」。


4.          對有些人來說,詳細地描述的步驟比較容易理解;對有些人來說,清楚的圖形比較容易理解,這是因為每個人天生的思考習慣不同,雖然入門的途徑不同,但是最後抵達的終點都是一樣的,那就是透過科學理性的訓練,來改善自己的缺點,讓自己變得理性、成熟、有修養,能夠抓住重點來做事。


5.          《中庸》天命之謂性﹐率性之謂道﹐修道之謂教。EQ性格和IQ智商」是天生的,這二者就是人的最大潛力。「智慧的道理」是用來訓練我們的EQ性格和IQ智商的,「教育訓練」的目的,就是要人逐漸能夠實現智慧道理,充分的來發揮潛能。


6.          道也者不可須臾離也﹐可離非道也。是故君子戒慎乎其所不睹﹐恐懼乎其所不聞。莫見乎隱﹐莫顯乎微﹐故君子慎其獨也。


7.          人接受「智慧道理」的訓練不能半途而廢,一旦中斷,「潛能訓練」就會徒勞無功,所以,一個受過嚴格訓練的領導人,他會非常謹慎地面對自己的「弱點」,他會非常小心害怕自己能力的「盲點」,他會擔心自己很多事情不知道;因為人的弱點,一不注意就會爆發出來,人的無知,一不小心就會壞了大事


8.          所以,優秀的領導人,必須透過不斷地「自我鍛鍊」,來修補個性上的弱點與知識上的無知,他會很重視自我學習、訓練的機會。所謂的弱點,就是EQ性格和IQ智商還沒有訓練到的部分。(:自我學習)


9.          喜怒哀樂之未發﹐謂之中;發而皆中節﹐謂之和。中也者﹐天下之大本也;和也者﹐天下之達道也。致中和﹐天地位焉﹐萬物育焉。


10.      喜怒哀樂等情緒不隨便發作,這叫做「自制力」,情緒的表現都很有節制、很恰當這就是「和平」;「情緒的掌控」是天底下最重要的事情,而和平的人,了解所有人的心理狀況,而且知道如何處理好;當一個人能夠完全掌控人的情緒,就能達到和平的目的,個人、家庭、社會都會非常有秩序,運作會很順暢。


11.      仲尼曰:君子中庸﹐小人反中庸。孔老師說:優秀的領導人,他絕對理性,他可以掌控自己跟別人的情緒;幼稚的人相反,他們不理性,情緒容易失控。


12.      君子之中庸也﹐君子而時中;優秀的領導人,每天都在「情緒掌控」這件事情上下工夫,絲毫不敢鬆懈,優秀的領導人每一分每一秒都在努力掌控住自己的情緒;對別人的刺激可以很有效地化解,讓自己心靜如冰,持續專注在該做的事情上;當別人情緒失控的時候,也知道用什麼方法去解除危機。


13.      小人之中庸也﹐小人而無忌憚也。幼稚的人,對自己與別人的情緒都無法控制或約束,他們自己的情緒容易失控;別人稍微刺激一下,他也會失控;當別人失控的時候,他一點辦法都沒有。


14.      為什麼人會變得這麼幼稚呢?因為在EQ性格和IQ智商都沒有受到嚴格的訓練。


15.      子曰:中庸其至矣乎﹐民鮮能久矣。孔老師說:「掌控情緒」這件事實在太重要了,但是一般人要做到不容易,為什麼呢?因為沒有受到「智慧的道理」嚴格的訓練,也就是說雖然有好的道理,但是沒有人逼我們把它做到,或者自己沒有逼自己做到,人就沒有被道理嚴格約束住,那人就沒有能力控制住自己各種壞脾氣的發作,控制不住說話和行為


16.      子曰:道之不行也﹐我知之矣;知者過之﹐愚者不及也。孔老師說:有智慧的道理,沒有辦法運作在人的身上,我很清楚。因為聰明的人會賣弄聰明過頭,投機取巧,可是愚魯的人不懂得變通,成不了大事。


17.      道之不明也,我知之矣;賢者過之﹐不肖者不及也。人莫不飲食也,鮮能知味也。智慧的道理,有時候無法受到高度重視,我也很清楚這個狀況。有能力的人不重視智慧的道理,沒有能力的人也不在乎它。其實有智慧的道理,就好像人不吃飯就不知道滋味;實踐過道理的人才知道,智慧的滋味是多麼地美好,智慧的道理可以讓人情緒穩定,智商變高,可以讓人有判斷力,可以讓人靈活有創造力


 

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