道爾頓與原子
原始設計者:彰師大
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1.現象說明
1799年，法國科學家約瑟夫·路易·普魯斯特（Joseph Louis Proust, 1754-1826）提出了「定比定律」（law of definite proportions），定比定律的內容是：
- 化合物的組成元素的質量比為定值。
英國科學家約翰·道爾頓（John Dalton, 1766-1844）（見圖一）在十九世紀初（1801年）發表了「分壓定律」（law of partial pressures）：
- 氣體混合物的總壓力等於組成氣體的分壓的和。
1804年，他又發表了「倍比定律」（law of multiple proportions），倍比定律的內容是：
- 如果兩元素可以形成不只一種化合物，化合物中相對於等重的第一種元素，另一種元素的質量成簡單整數比。
2.探究問題
- 2.1 原子學說的原子與現今認知的原子差異?
- 2.2 原子學說對化學界的影響?
3.實作項目
- 3.1 試著閱讀以下文字:
- “1808年，道爾頓發表了《化學哲學的新系統》（A New System of Chemical Philosophy）的第一冊，書中他描述了他的原子學說。簡要地說，道爾頓的原子學說內容是：
- 各種元素由其特定的、完全相同的且不可分割的原子所組成，化合物由原子組成，原子的組成數目固定，化學反應是化合物原子的分裂及重新排列。
- 原子假說可以協助我們確認化合物的組成，以及依據實驗數據訂定原子的相對質量。在化學中，很重要的一項任務就是決定粒子的相對質量。不過物質中粒子的相對質量常常必須從另一物質中他們的相對質量推測而得，並根據後續的研究結果而更正。道爾頓認為他找到一個方法，這個方法可以確定「基本粒子」（elementary particle）及「化合粒子」（compound particle）的相對質量，這個方法的首要之務就是決定化合物的化合規則，知道化合粒子中基本粒子的數目。”[1]
- (註: 道爾頓也使用了「基本原子」（elementary atom）及「化合原子」（compound atom）這兩個名詞，意義和「基本粒子」（elementary particle）及「化合粒子」相同)
- “1808年，道爾頓發表了《化學哲學的新系統》（A New System of Chemical Philosophy）的第一冊，書中他描述了他的原子學說。簡要地說，道爾頓的原子學說內容是：
- 3.2 閱讀參考文獻[1] ，整理出道爾頓假設的兩種原子(A、B)結合時的組合方式。如果兩種原子(A、B)組合方式有2種， 你是否可以推論出其結合形式是? 這些形式與現代化學的描述相符嗎?
- 參考答案:
- 如果有兩種「原子」A和B（原文：two bodies, A and B），其可能之結合有：
- 1原子A＋1原子B，二元化合物（binary）
- 1原子A＋2原子B，三元化合物（ternary）
- 2原子A＋1原子B，三元化合物（ternary）
- 1原子A＋3原子B，四元化合物（quarternary）
- 3原子A＋1原子B，四元化合物（quarternary）
- 等等…
- 3.3 燃燒熱與碳排量(每獲得一度電)的比較:
- 試計算(假設沒有能量損失)每個物質燃燒每獲得一度電之二氧化碳排放公斤數
- 參考答案:
- 1度電 = 1 kWh = 1×10 3 Js-1 ×3600 s = 3.6 × 103 kJ
- CH4 產生一莫耳的CO2 釋放出來的可用能量為1436.8 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為 0.110 kg。
- C2H6 產生一莫耳的CO2 釋放出來的可用能量為780.3 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為0.203 kg。
- C3H8 產生一莫耳的CO2 釋放出來的可用能量為740.5 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為0.213 kg。
- C 產生一莫耳的CO2 釋放出來的可用能量為393.8 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為0.402 kg。
- H2 不產生任何二氧化碳，就可釋放出可用熱量為 286.0 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為0.0 kg。
- C2H5OH產生一莫耳的CO2 釋放出來的可用能量為683.8 kJ，每一度電所排放出的二氧化碳重量為 0.232 kg。
- 因此每一度電所排放的二氧化碳公斤數(由小至大)
- 氫氣(H2) < 甲烷(CH4) < 乙烷(C2H6) < 丙烷(C3H8) < 乙醇(C2H5OH) < 煤(C)
4.分析與結論
- 4.1 試比較前述分子之氫碳比例，觀察並說明這個比例與二氧化碳排放率之關係。
- 參考答案:
- 氫氣(H2) :氫比例100% 、碳比例 0%。
- 甲烷(CH4) :氫比例80% 、碳比例 20%。
- 乙烷(C2H6) :氫比例75% 、碳比例 25%。
- 丙烷(C3H8) :氫比例72.7% 、碳比例 27.3%。
- 乙醇(C2H5OH) :氫比例66.7% 、碳比例 22.2%。
- 煤(C) :氫比例0% 、碳比例 100%。
- 由上面數據可得知，當氫比例於化學物質中較高，碳比例較低，就可以減少碳排放量。
- 4.2 想想看，為何現階段能源不以氫氣為主要能源呢?試著比較其優劣。
5.教學目標與評量
- 5.1 了解燃燒熱意義與計算。
- 5.2 認識化學物質與碳排量的關係。
- 5.3 找出碳氫比例與碳排量和燃燒熱交互關係。。
6.參考資料
- 6.1 參考文獻
- [1] Standard heat of formation :https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%87%E5%87%86%E6%91%A9%E5%B0%94%E7%94%9F%E6%88%90%E7%84%93
- [2] 天然氣簡介 : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A9%E7%84%B6%E6%B0%94
