实验：测定置换热

测定置换热是热化学一章里的一个中五实验。它把活动性顺序里的置换反应与每摩尔能量变化的测量结合起来，再次显示如何把温度变化转化为反应热。

本指南列出目的、仪器、编号步骤、应预期的观察，以及实验试卷所看重的科学过程技能。观察是定性的；任何计算都要用你自己测得的读数。

目的

在绝热容器中测量温度变化，从而测定较活泼金属把较不活泼金属从其盐溶液中置换出来时的置换热。

仪器与材料

• 聚苯乙烯杯（带盖），作绝热量热器
• 温度计
• 量筒
• 药匙与天平
• 已知浓度的硫酸铜(II)溶液
• 锌粉（较活泼的金属，过量使用）
• 搅拌棒

步骤

1. 用量筒量取已知体积的硫酸铜(II)溶液，倒入聚苯乙烯杯。
2. 用温度计测量并记录硫酸铜(II)溶液的初温。
3. 称取过量的锌粉，使溶液中的铜离子都能被置换。
4. 把锌粉一次性加入杯中的硫酸铜(II)溶液，轻轻搅拌混合物。
5. 注视温度计，记录混合物所达到的最高（最大）温度。
6. 观察反应过程中溶液的颜色以及生成的任何固体。
7. 计算温度变化，然后用它求出放出的热量，再除以参加反应的盐的摩尔数，得到每摩尔的置换热。

预期观察

把锌粉加入蓝色的硫酸铜(II)溶液时，混合物的温度在混合后不久升到最高，随后随热量散失而缓慢下降。随着铜离子从溶液中被除去，溶液的蓝色褪去，并沉积出红棕色固体（铜）。

由于使用了过量的锌，会有部分灰色锌粉未反应剩下。从起始值到最高值的温度升高，是计算的关键测量。

推断与结论

温度上升是因为置换是放热反应：较活泼的锌把较不活泼的铜从硫酸铜(II)溶液中置换出来、放出热量。蓝色褪去与红棕色沉积显示铜已从溶液中被置换，而剩余的锌显示活泼金属过量、反应已完全。

用温度变化，放出的热量由「放出的热量 = 溶液质量 x 比热容 x 温度变化」（mc-theta）算出，再除以参加反应的盐的摩尔数即得每摩尔的置换热。结论是：较活泼金属置换较不活泼金属是放热的。

科学过程技能（试卷三风格）

作出推断。 从蓝色褪去、生成棕色固体这些观察，推断铜已被锌从溶液中置换出来。

辨认变量。 若探究比较不同金属置换铜，则操纵变量是所加的金属，反应变量是温度变化，固定变量是硫酸铜(II)溶液的体积与浓度以及绝热杯。

操作性定义。 用操作方式把反应定义为完全：当有过量金属剩余、且继续搅拌时蓝色不再褪去，置换即为完全。

列表与计算。 记录初温、最高温度与温度变化，然后写出放出热量以及每摩尔置换热的计算，并带单位。

安全须知

• 戴安全护目镜，因为硫酸铜(II)溶液有害且具刺激性。
• 小心加入锌粉，以免混合物从杯中迸溅出来。
• 皮肤上若溅到溶液，立即用大量水冲洗，以减轻刺激。
• 轻拿温度计、不要用它用力搅拌，以免它破裂。
• 把混合物与金属残渣按指示处置，而不是倒进水槽。

常见错误

• 不用过量金属。 若加的锌太少，铜离子不会全部被置换、反应不完全；用过量使盐溶液成为限量反应物。
• 读温度太迟。 混合后热量散失很快，所以要密切注视并记录最高温度。
• 用玻璃烧杯。 玻璃把热导走、使测得的温度变化偏低；用带盖的绝热聚苯乙烯杯。
• 慢慢加入金属。 分次少量加锌会把温度升高摊开、降低最高值；一次性加入并搅拌。
• 编造读数。 计算中用你实际测得的温度；不要从别的来源抄数值。

我们的老师如何使用这个实验

在一对一的 SPM化学课堂里，以英文授课、每小时 RM50 起，我们确保学生能把观察与活动性顺序联系起来、解释为什么用过量金属，并把每摩尔热量的计算写清楚。置换热把金属的活泼性与 SPM化学 中的能量变化系在一起，而同样的「测量温度变化」方法会在中和热与燃烧热、以及试卷三实验考试（试卷三为实验考试，评估科学过程技能）中再次出现。