Required practical activities 1-6 and practical skills

4. RP3：探究溫度對反應速率的影響 (Investigating Rate of Reaction with Temperature)

本實驗採用硫代硫酸鈉與稀鹽酸之間經典的「消失的十字」反應：

\) \text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3\text{(aq)} + 2\text{HCl(aq)} \rightarrow 2\text{NaCl(aq)} + \text{SO}_2\text{(g)} + \text{S(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} \)

實驗方法：
1. 將錐形瓶放在畫有清晰黑色十字的白紙上。
2. 使用水浴將各溶液預熱至目標溫度。
3. 將反應物混合並立即啟動秒錶。
4. 從錐形瓶口由上往下觀察，當黃色固體硫沉澱（\( \text{S(s)} \)）剛好遮蓋黑色十字的瞬間，立即停止秒錶。
5. 在不同溫度下重複實驗，期間必須保持所有溶液的體積和濃度恆定不變。

數據處理：
• 由於遮蓋十字所需的硫生成量是固定的，因此初始反應速率與 \( \frac{1}{t} \) 成正比（其中 \( t \) 為時間，單位為秒）。
• 以 \( \frac{1}{t} \) 對溫度（\( T \)）作圖，會呈現指數曲線。
• 以 \( \ln(\text{rate}) \) 或 \( \ln\left(\frac{1}{t}\right) \) 對 \( \frac{1}{T} \)（\( T \) 必須以開氏度 Kelvin 為單位）作圖，可得出阿倫尼烏斯直線圖（Arrhenius plot）。

5. RP4：利用簡易試管反應鑑定無機離子 (Identifying Inorganic Ions)

熟記以下定性測試，以鑑定未知樣本中的陽離子和陰離子：

甲、陽離子（正離子）測試

• 鎂離子（\( \text{Mg}^{2+} \)): 逐滴加入稀 \( \text{NaOH}\text{(aq)} \) 直至過量 \( \rightarrow \) 產生 \( \text{Mg(OH)}_2 \) 白色厚沉澱（微溶）。加入稀 \( \text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \) \( \rightarrow \) 保持無色（無沉澱生成）。
• 鋇離子（\( \text{Ba}^{2+} \)): 加入稀 \( \text{NaOH}\text{(aq)} \) \( \rightarrow \) 保持無色（無沉澱生成）。加入稀 \( \text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \) \( \rightarrow \) 產生 \( \text{BaSO}_4 \) 白色厚沉澱（不溶）。
• 銨離子（\( \text{NH}_4^+ \)): 加入稀 \( \text{NaOH}\text{(aq)} \) 並在水浴中溫熱 \( \rightarrow \) 釋出具刺激性氣味的氨氣（\( \text{NH}_3\text{(g)} \)），能使潮濕紅色石蕊試紙變藍。

乙、陰離子（負離子）測試

• 鹵素離子（\( \text{Cl}^- \)、\( \text{Br}^- \)、\( \text{I}^- \)): 先加入稀硝酸（\( \text{HNO}_3 \)）酸化以酸化消除碳酸根離子的干擾，然後加入硝酸銀溶液（\( \text{AgNO}_3\text{(aq)} \)）：
- 氯離子（\( \text{Cl}^- \)）\( \rightarrow \) 白色沉澱（\( \text{AgCl} \)）；可溶於稀 \( \text{NH}_3\text{(aq)} \)。
- 溴離子（\( \text{Br}^- \)）\( \rightarrow \) 淡黃色／忌廉色沉澱（\( \text{AgBr} \)）；不溶於稀 \( \text{NH}_3 \)，但可溶於濃 \( \text{NH}_3\text{(aq)} \)。
- 碘離子（\( \text{I}^- \)）\( \rightarrow \) 黃色沉澱（\( \text{AgI} \)）；在稀及濃 \( \text{NH}_3\text{(aq)} \) 中均不溶。
記憶口訣： White（白）、Cream（忌廉）、Yellow（黃）對應 Chloride、Bromide、Iodide（鹵素名稱按字母順序排列，沉澱顏色深淺順序亦剛好對應：C \(\rightarrow\) B \(\rightarrow\) I 對應 W \(\rightarrow\) C \(\rightarrow\) Y）。

• 碳酸根離子（\( \text{CO}_3^{2-} \)): 加入稀鹽酸（\( \text{HCl} \)）或稀硝酸（\( \text{HNO}_3 \)）\( \rightarrow \) 產生氣泡（泡騰現象 effervescence）。將氣體通入石灰水中會變渾濁，證實生成了 \( \text{CO}_2 \)。
• 硫酸根離子（\( \text{SO}_4^{2-} \)): 加入稀 \( \text{HCl} \) 酸化（消除碳酸根干擾），然後加入氯化鋇溶液（\( \text{BaCl}_2\text{(aq)} \)）\( \rightarrow \) 產生 \( \text{BaSO}_4 \) 白色濃密沉澱。
• 氫氧根離子（\( \text{OH}^- \)): 鹼性溶液使紅色石蕊試紙變藍，或使通用指示劑溶液變為紫色。

6. RP5：有機產物的蒸餾——乙醇的氧化 (Distillation of an Organic Product)

在此實驗中，一級醇（乙醇）在酸化重鉻酸鉀（\( \text{VI} \)）的作用下被部分氧化為乙醛（醛類）：

\( \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} + [\text{O}] \rightarrow \text{CH}_3\text{CHO} + \text{H}_2\text{O} \)

實驗裝置核心規則

• 儀器裝置：梨形瓶或圓底燒瓶、蒸餾頭（still head）、溫度計、李比希冷凝管（Liebig condenser）、接收接頭（receiver adapter）及收集容器。
• 防沸石（Anti-bumping granules）：加熱前加入燒瓶中。它們能提供晶核形成點以促進液體平穩沸騰，防止劇烈暴沸或液體濺出。
• 溫度計位置：溫度計水銀球／感溫包必須正好置於蒸餾頭側管開口的水平位置，以準確測量進入冷凝管的蒸汽之真實沸點。
• 冷凝管水流方向：冷卻水必須下進上出（底部流入，頂部流出）。這能確保冷凝管水套完全充滿水，從而發揮最大的冷卻效能。
• 開放系統：整個裝置切勿完全密閉；密封系統在加熱時會積聚高壓，造成爆炸危險。
• 冰浴收集：將接收瓶置於冰浴中，以迅速冷凝並保留極易揮發的乙醛蒸汽（沸點為 \( 21^\circ\text{C} \)），防止其揮發散失。

7. RP6：有機官能團的檢驗 (Tests for Organic Functional Groups)

• 烯烴（Alkene）：與溴水（\( \text{Br}_2\text{(aq)} \)）搖勻 \( \rightarrow \) 顏色由橙／棕色變為無色（褪色 decolourisation）。
• 醛與酮的鑑別（Aldehyde vs. Ketone）：
- 多倫試劑／銀氨溶液（Tollens' Reagent，溫熱）： 醛會在試管內壁形成一層反光的銀鏡；酮則沒有反應。
- 斐林試劑／本氏液（Fehling's / Benedict's Solution，溫熱）： 醛會將深藍色的銅（\( \text{II} \)）溶液轉化為 \( \text{Cu}_2\text{O} \) 磚紅色沉澱；酮則沒有反應（保持藍色）。
• 羧酸（Carboxylic Acid）：加入碳酸氫鈉固體（\( \text{NaHCO}_3 \)）或碳酸鈉溶液（\( \text{Na}_2\text{CO}_3 \)）\( \rightarrow \) 產生氣泡（泡騰現象）（釋出的 \( \text{CO}_2 \) 氣體使石灰水變渾濁）。
• 醇類（一級醇、二級醇 與 三級醇的鑑別）：與酸化重鉻酸鉀（\( \text{VI} \)）（\( \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 / \text{H}_2\text{SO}_4 \)）共熱 \( \rightarrow \) 對於一級醇和二級醇，橙色溶液（\( \text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} \)）會轉變為綠色（\( \text{Cr}^{3+} \)）。三級醇不能被氧化，溶液維持橙色不變。

8. 測量不確定度與數據處理 (Measurement Uncertainty & Data Handling)

計算百分比不確定度（Percentage Uncertainty）

實驗室中的每項測量都帶有相應的絕對不確定度（absolute uncertainty）：

• 指針／刻度讀數儀器（Analogue scale）：最小分度值的 \(\pm \frac{1}{2}\)（例如，刻度為 \( 1\text{ cm}^3 \) 的量筒，其不確定度為 \( \pm 0.5\text{ cm}^3 \)）。
• 數碼儀器（Digital scale）：\(\pm\) 最後一位小數（例如，小數點後兩位的天平，其不確定度為 \( \pm 0.01\text{ g} \)）。

計算公式如下：

\( \text{百分比不確定度} = \left(\frac{\text{絕對不確定度}}{\text{測量值}}\right) \times 100 \)

差值測量法（Measurements by Difference）

當一個數值需要通過初讀數和末讀數相減得出時（如滴定管滴定體積或減重稱量法），不確定度適用於兩次讀數：

\( \text{總絕對不確定度} = 2 \times (\text{單次讀數的不確定度}) \)

例子：若滴定管的單次讀數不確定度為 \( \pm 0.05\text{ cm}^3 \)，則滴定體積為 \( 20.00\text{ cm}^3 \) 時的總不確定度為 \( \pm 0.10\text{ cm}^3 \)：

\( \text{百分比不確定度} = \left(\frac{0.10}{20.00}\right) \times 100 = 0.50\% \)

如何降低百分比不確定度

在不更換昂貴設備的前提下，若要降低百分比不確定度，可以增大被測物理量的數值（即增大分母）：
• 滴定實驗中：稱取更大質量的固體，或降低滴定劑濃度，從而獲得更大的滴定體積。
• 量熱實驗中：設法產生更大的溫度變化。

作圖與有效數字規則

• 有效數字（Significant Figures）：最終計算結果的有效數字位數，應與原始測量數據中有效數字位數最少者保持一致。
• 圖表繪製：自變量（independent variable）放在 \( x \) 軸，應變量（dependent variable）放在 \( y \) 軸。繪製的數據點必須佔據坐標紙至少 50% 的空間。數據點應以小十字（\( + \) 或 \( \times \)）清晰標記。在繪製平滑的最佳擬合線或曲線時，應找出並忽略異常值（anomalous points）。

9. 應試常見陷阱與扣分位

1. 滴定數據處理：將不相符的滴定值計入平均值。記住一定要剔除粗滴定（rough trial），且只平均彼此相差在 \( 0.10\text{ cm}^3 \) 之內的相符數值。
2. 儀器潤洗錯誤：用去離子水而不是即將盛裝的試劑來潤洗滴定管或移液管。這會稀釋溶液並產生系統誤差（systematic error）。
3. 量熱法正負號：在計算放熱反應的焓變（\( \Delta H \)）時忘記加上負號（\( - \)）。
4. 蒸餾裝置繪圖錯誤：將李比希冷凝管的水流方向畫成「上進下出」，或者將溫度計水銀球畫在浸入沸騰液體中的位置。
5. 定性檢驗酸化錯誤：在進行鹵素離子檢驗時使用了鹽酸（\( \text{HCl} \)）或硫酸（\( \text{H}_2\text{SO}_4 \)）進行酸化。這樣會引入氯離子或硫酸根離子，從而產生假陽性沉澱！務必使用硝酸（\( \text{HNO}_3 \)）酸化。