電位測量法之應用 酸鹼滴定 國立臺灣大學化學系, 大學普通化學實驗, 第十二版, 國立臺灣大學出版中心 : 台北, 民國九十七年 版權所有, 若需轉載請先徵得同意 ; 疏漏之處, 敬請指正 臺大化學系普化教學組羅聲晴助教 (2007.03.08) 林哲仁助教 (20107.28) 一 目的 : 學習配製及標定二級標準鹼溶液, 並利用電位測量法決定食醋的及酸解離常數 二 實驗技能 : 學習藥品稱量與配製 體積量測 分度吸量管 滴定管 酸鹼度測定計之使用及作圖以決定等實驗技能 三 原理 : 進行酸鹼中和滴定時, 需先配製固定濃度的標準鹼或酸溶液, 並標定其精確濃度, 再利用此已知濃度之標準鹼 ( 酸 ) 來滴定未知物溶液中酸或鹼之含量 ( 一 ) 標準酸或鹼的選取在標定酸或鹼的濃度時, 常選用一些分子量較大純度高的酸或鹼來做為滴定的標準品, 如鄰苯二甲酸氫鉀 (potassium hydrogen phthalate, 簡記為 KHP) 等, 稱之為一級標準品, 可用以定量我們所配製鹼 ( 酸 ) 液之精確濃度 而經滴定測得精確濃度的標準鹼 ( 酸 ) 溶液, 稱之為二級標準鹼 ( 酸 ) 本實驗利用鄰苯二甲酸氫鉀以標定所配製之氫氧化鈉溶液濃度 因 KHP 為單質子酸 (monoprotic acid), 與氫氧化鈉為 1:1 中和 ( 如式 1), 故利用此化學計量關係可求出氫氧化鈉溶液的濃度 HOOCC 6 H 4 COOK (aq) + NaOH (aq) C 6 H 4 (COO - ) 2(aq) + K + (aq) + Na + (aq) + H 2 O (l) (1) ( 二 ) 酸鹼中和之決定酸鹼滴定過程中, 接近時,pH 值的變化非常顯著, 如圖 1 所示 以酸鹼度測定計測量 ph 值變化 ( 電位滴定法 ) 或以指示劑的顏色變化得知溶液滴定終點 ( 三 ) 酸鹼指示劑之選用酸鹼指示劑通常為有機弱酸或鹼, 會因氫離子濃度的變化而產生化學結構變化, 進而導致顏色改變 所以必須要預知前後的氫離子濃度變化範圍, 以選用正確的指示劑, 得到正確之滴定終點 ( 四 ) 電位滴定法利用電位對於滴定劑 (titrant) 體積之變化曲線以決定該次滴定的 一般決定的方法有三種 : E15-1
直接將 ph 讀值 ( 或電位 ) 對所加入的試劑體積作圖 ( 如圖 1), 所得曲線中斜率最大的點即是, 此方法最為簡單, 但誤差也較大 10 ph 8 6 4 2 20 22 24 26 NaOH(aq) 體積 (ml) 圖 1 酸鹼滴定曲線 一次微分 : 計算滴定劑單位體積的 ph 值變化 ( 即 ph/ V 值 ), 再以 ph/ V 對所加入的滴定劑體積作圖 ( 如圖 2), 在曲線極大值之點即為 25 20 ph/ V 15 10 5 0 20 22 24 26 NaOH(aq) 體積 (ml) 圖 2 一次微分曲線 3. 更精確的方法, 是將 ph 值對體積二次微分作圖 ( 如圖 3), 當 2 ph/ V 2 = 0 之點即為 ( 即圖中 A B 二點所連接之直線的 x 截距 ) 2 ph/ V 2 150 100 A 50 0-50 20 22 24 26-100 -150 B NaOH (aq) 體積 (ml) 圖 3 二次微分曲線 E15-2
( 五 ) 弱酸之酸解離平衡常數測定弱酸 (HA) 在水溶液中僅部分解離, 並與其共軛鹼 (A - ) 以平衡狀態存在 ( 式 2) 其酸解離平衡常數 (K a ) 之表示式, 如式 3 所示 : HA+ H 2 O H 3 O + + A - (2) [H 3O ][A ] Ka (3) [HA] 當以強鹼 ( 如 NaOH) 滴定弱酸進行酸鹼中和反應 : HA + OH - A - + H 2 O (4) 達到半 (half-equivalence point) 時, 溶液中之 [HA]=[A - ], 而 [H 3 O + ]=K a 因此, 由弱酸 - 強鹼滴定曲線半之 ph 值, 即可得知此弱酸之 pk a 值, 如圖 4 所示 100 10.00 8.00 ph 值 6.00 4.00 00 0.00 半 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 NaOH ( aq ) 體積 ( ml ) 圖 4 弱酸 - 強鹼之滴定曲線 四 儀器與材料 : 酸鹼度測定計 電磁加熱攪拌器 磁攪拌子 分度吸量管 (10 ml) 安全吸球 滴定管 (50 ml) 容量瓶(100 ml) 錐形瓶(250 ml,2 個 ) 五 藥品 : 食醋 標準 ph 7.00 緩衝溶液 標準 ph 4.00 緩衝溶液 0.1% 酚酞指示劑 (phenolphthalein) 1 M 氫氧化鈉溶液 (sodium hydroxide,naoh) 鄰苯二甲酸氫鉀 (potassium hydrogen phthalate,hoocc 6 H 4 COOK; 簡記為 KHP) 註 :KHP 需先於 110 加熱烘乾 2 小時, 並置於乾燥皿中冷卻後再行取用 實驗流程 : 配製二級標準鹼 以鄰苯二甲酸氫鉀標定氫氧化鈉 食醋之滴定以及 ph 值之測量 E15-3
六 實驗步驟 : ( 一 ) 二級標準鹼的配製 步驟 示範 使用準備室配製之 1 M NaOH 溶液, 以 100 ml 容量瓶稀釋配製濃度為 0.1 M NaOH 溶液 100 ml, 並倒入燒杯中備用 註 : 於預習報告中寫下稀釋配方 取一支 50 ml 滴定管沖洗乾淨, 並以約 5 ml 的 0.1 M NaOH 溶液潤洗滴定管數次後加滿之, 讀取滴定管初體積 (V i ) 至 0.01 ml 註 : 所配製之 0.1 M NaOH 溶液需節約使用, 以免不夠作完全程實驗 滴定管之使用, 請參考實驗技能與示範影片 ( 二 ) 以鄰苯二甲酸氫鉀標定氫氧化鈉 秤約 0.2~0.22 g 鄰苯二甲酸氫鉀於 250 ml 錐形瓶中, 記錄精確重量, 並加 50 ml 蒸餾水溶解之 註 :KHP 使用分析天平精確秤重到 0.1 mg 加入 2 滴酚酞指示劑, 以 0.1 M NaOH (aq) 滴定至溶液呈粉紅色且 30 秒不褪色, 即達滴定終點, 停止滴定 記錄滴定終體積 (V f ) 至 0.01 ml 註 : 由 KHP 之莫耳數, 可先約略估算所需 NaOH 溶液之滴定體積 E15-4
3. 利用 NaOH (aq) 之滴定體積 (V NaOH =V f - V i ), 計算氫氧化鈉之精確濃度 (M NaOH ) n KHP = C NaOH V NaOH 4. 重複步驟 1 3, 進行二次重複 (duplicate) 試驗 ( 三 ) 食醋之滴定 打開酸鹼度測定計電源熱機 10 分鐘, 並以 ph 7.00 及 ph 4.00 之標準緩衝溶液校正之 註 : 酸鹼度測定計之使用, 請參考實驗技能與示範影片 以分度吸量管準確量取 3.0 ml 食醋置於 100 ml 燒杯中, 並加入約 40 ml 蒸餾水及 2 滴酚酞指示劑 3. 將 ph 電極及溫度補償探棒浸於待測食醋溶液中, 並加入一顆磁攪拌子以攪拌混合溶液 註 : 電磁加熱攪拌器, 參考實驗技能示範影片 4. 以 0.1 M NaOH 滴定食醋水溶液, 每滴加 1 ml 之 NaOH, 讀記其 ph 值, 至附近 ph 值變化大時 ( 在本實驗中當 ph 值達到 6 時 ), 改為每滴加 0.2 ml 讀記其 ph 值, 至 ph 值超過 9 時改為每滴加 1 ml 讀記其 ph 值, 至 ph 值為 12 時停止滴定 滴定過程中應同時觀察記錄溶液顏色之變化 5. 滴定後溶液為醋酸鈉鹽類水溶液, 可直接倒入水槽排放 剩餘未污染之 NaOH (aq) 應倒入回收瓶中, 供其他實驗使用 電極應套上電極套 E15-5