大學學科能力測驗 化學・高一 化學

化學反應與計量

莫耳、化學計量、氧化還原與酸鹼反應

內容概述

莫耳是化學的計數單位:1 莫耳=6.02×10²³ 個粒子(亞佛加厥數),1 莫耳物質的質量(克)在數值上等於其分子量。化學反應遵守質量守恆(拉瓦節),以平衡化學方程式表示,係數比=莫耳數比。例如 2H₂+O₂→2H₂O,2 莫耳氫與 1 莫耳氧恰好反應生成 2 莫耳水。限量試劑決定產物的量。氧化還原:狹義為得失氧,廣義為電子轉移——失電子者被氧化(還原劑)、得電子者被還原(氧化劑),兩者必同時發生。常見放熱反應(燃燒、中和)使溫度上升,吸熱反應(光合作用、硝酸銨溶解)使溫度下降。

學習重點

  1. 11 莫耳=6.02×10²³ 個粒子;莫耳數=質量/分子量
  2. 2平衡方程式係數比=莫耳數比=(氣體同溫壓下)體積比,但『不等於』質量比
  3. 3限量試劑:先用完的反應物,決定產物最大生成量
  4. 4氧化還原必成對發生:失電子=被氧化=還原劑;得電子=被還原=氧化劑
  5. 5活性大的金屬(如鋅)可將活性小的金屬離子(如銅離子)還原析出
  6. 6放熱反應:燃燒、中和、鐵生鏽;吸熱反應:光合作用、電解、硝酸銨溶於水

大學學科能力測驗出題趨勢:學測重點:莫耳數與質量、粒子數的換算,方程式平衡與係數比計算,限量試劑判斷,氧化劑還原劑的辨識,金屬活性順序的應用。常見陷阱:係數比是莫耳比而非質量比;氧化與還原必同時發生,還原『劑』是自己被氧化的一方。

108 課綱對應

進階探究・深度解析

莫耳概念的本質是『以巨觀質量計數微觀粒子』:原子太小無法逐個秤量,於是定義 12 克碳-12 所含的原子數為 1 莫耳。於是分子量 18 的水,18 克即 1 莫耳、含 6.02×10²³ 個分子。學測計算的萬用起手式:先把所有已知量換成莫耳數,再依係數比推算。

限量試劑的思維如同做三明治:2 片麵包+1 片火腿做 1 份三明治,若有 10 片麵包與 3 片火腿,火腿用完只能做 3 份——火腿就是限量試劑。化學題中將各反應物質量除以分子量得莫耳數,再除以各自係數,商最小者即限量試劑。

氧化還原貫穿生活與科技:電池放電是自發的氧化還原(鋅銅電池中鋅極氧化、銅極還原);鐵生鏽是鐵被氧氣緩慢氧化;維生素 C 是抗氧化劑(還原劑),犧牲自己保護細胞;鎂條在二氧化碳中仍能燃燒(2Mg+CO₂→2MgO+C),證明燃燒不一定需要氧氣——此為學測經典的概念翻轉題。

章節試題(4 題・附詳解)

1.基礎水的分子量為 18,則 36 克的水約含有多少個水分子?(亞佛加厥數=6×10²³)

測驗重點:莫耳換算

  1. (A) 6×10²³ 個
  2. (B) 1.2×10²⁴ 個
  3. (C) 3×10²³ 個
  4. (D) 36×10²³ 個
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正確答案:(B) 1.2×10²⁴ 個

莫耳數=質量/分子量=36/18=2 莫耳;分子數=2×6×10²³=1.2×10²⁴ 個,故選(B)。『質量→莫耳數→粒子數』的兩步換算是化學計量的基本功。

2.中等氫氣燃燒的平衡方程式為 2H₂+O₂→2H₂O。今有 4 莫耳氫氣與 3 莫耳氧氣混合點燃,完全反應後的結果為何?

測驗重點:方程式係數比

  1. (A) 生成 4 莫耳水,剩餘 1 莫耳氧氣
  2. (B) 生成 3 莫耳水,剩餘 1 莫耳氫氣
  3. (C) 生成 6 莫耳水,兩者恰好用完
  4. (D) 生成 4 莫耳水,剩餘 2 莫耳氧氣
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正確答案:(A) 生成 4 莫耳水,剩餘 1 莫耳氧氣

係數比 H₂:O₂:H₂O=2:1:2。4 莫耳氫氣需 2 莫耳氧氣,氧氣有 3 莫耳足夠,故氫氣為限量試劑:生成水 4 莫耳,氧氣消耗 2 莫耳、剩餘 3−2=1 莫耳,選(A)。判斷限量試劑:各反應物莫耳數除以自身係數,商小者先用完。

3.中等將鋅片放入硫酸銅水溶液中,發生反應 Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu。關於此反應,下列敘述何者正確?

測驗重點:氧化還原辨識

  1. (A) 鋅獲得電子,被還原
  2. (B) 銅離子失去電子,被氧化
  3. (C) 鋅失去電子被氧化,是還原劑
  4. (D) 此反應不屬於氧化還原反應
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正確答案:(C) 鋅失去電子被氧化,是還原劑

Zn→Zn²⁺ 失去 2 個電子,被氧化,同時使 Cu²⁺ 還原,故鋅是還原劑,選(C)。Cu²⁺ 得電子被還原(是氧化劑),析出紅棕色銅、藍色溶液漸淡。記法:失電子=被氧化=還原劑;氧化與還原必同時發生。此反應也證明鋅的金屬活性大於銅。

4.進階碳酸鈣受熱分解:CaCO₃→CaO+CO₂。取 100 克碳酸鈣(分子量 100)完全分解後,測得固體剩餘 56 克,則逸散的二氧化碳質量與莫耳數為何?(CO₂ 分子量 44)

測驗重點:質量守恆與計量

  1. (A) 44 克、1 莫耳
  2. (B) 44 克、2 莫耳
  3. (C) 56 克、1 莫耳
  4. (D) 22 克、0.5 莫耳
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正確答案:(A) 44 克、1 莫耳

依質量守恆,逸散的 CO₂=100−56=44 克;莫耳數=44/44=1 莫耳,故選(A)。驗算:100 克 CaCO₃ 為 1 莫耳,依係數比 1:1:1 應生成 1 莫耳 CaO(分子量 56,即 56 克)與 1 莫耳 CO₂,完全吻合。『固體減少量=氣體逸散量』是實驗計量題的常用突破口。