投稿類別 : 化學類 篇名 : 強鹼滴定檸檬酸的實驗 結果與其實際的酸鹼值 作者 : 林家民 光復高中 高三 2 班王力瑋 光復高中 高三 2 班王家瑜 光復高中 高三 1 班 指導老師 : 林恩瑋老師
壹 前言 一 研究動機 生活中常常都可以在許多地方看到檸檬酸的蹤影, 無論是添加於飲料 餐廳擺盤 廁所除臭 甚至是菜餚的調味, 都是不可或缺的重要角色 然而也不妨聽到有許多人怕酸, 對檸檬避之而唯恐不及 也因如此, 不禁讓人好奇究竟這一顆小小的青檸中 到底隱藏什麼神奇的秘密? 而我們又是否能利用簡單的實驗檢測檸檬酸的酸度? 二 研究目的 希望藉由簡單的方式探索實驗結果, 並探討其實際酸鹼值 ph 與理論數值的落差 計算 出最接近實際值的結果, 並以科學的方法解釋差異的原因 三 研究方法 詢問化學老師 讀熟課本內容, 擁有先備知識 上網收尋有用的資料 參考化學類書 籍 進行酸鹼滴定實驗 最後經過詳細的歸納和整理, 找出欲探討事物的內容 貳 正文 一 進行實驗 ( 一 ) 所需用品 : 200mL 燒杯兩個 酚酞指示劑適量 乳膠手套一雙 氫氧化鈉 滴定管 滴定管架 錐形瓶 青檸檬原汁(已過濾) ( 二 ) 過程 : 戴上手套, 將滴定管架在滴定管架上, 並配置 0.2M 氫氧化鈉 10mL, 滴入酚酞指示劑後放入錐形瓶中 再將足量且過濾後的青檸原汁放入滴定管中, 一切都準備好後便可開始滴定 酸鹼滴定時, 當酸所消耗氫離子莫耳數等於鹼所消耗氫氧根離子莫耳數, 此時稱為當量點 ( 高瞻自然科學教學資源平台,2011) ( 三 ) 公式 : C1V1=C2V2 其中 c 為溶液濃度,V 為溶液濃度 1
ph=-log10[h + ] ( 四 ) 計算 : 濃度 x 體積 = 濃度 x 體積 氫氧化鈉濃度( M ) 氫氧化鈉體積( ml ) 檸檬原汁體積( ml ) 檸檬原汁濃度( M ) 第一次 0.2 10 4.6 0.43 第二次 0.2 10 4.3 0.46 第三次 0.2 10 3.9 0.51 第四次 0.2 10 4.0 0.50 平均 0.2 10 4.2 0.48 圖一 : 實驗數據 ( 圖一資料來源 : 研究者繪製 ) 0.2 ( M ) x 10 ( ml ) = M x 4.2 ( ml ) M 0.48 ( M ) 即, 檸檬酸中的 [H + ]=0.48 ( M ) ph=-log 0.48 0.32 ( 五 ) 實驗過程 圖二 : 實驗材料 圖三 : 實驗過程 ( 圖二資料來源 : 研究者拍攝 ) ( 圖三資料來源 : 研究者拍攝 ( 六 ) 實驗結果 : 青檸檬的酸度為 ph 0.32 (胃酸 ph 2 ) 2
圖四 : 各種物質的酸鹼比較 (圖四資料來源 :google 圖片 ) 二 理論 根據資料, 多質子酸中的各個氫離子是逐步游離出來的 (陳義忠選修化學 ( 上 ) 講義), 若某酸可解離出二個以上之氫離子, 則稱為多質子酸或多元酸 (選修化學課本上冊) 一顆青檸檬的檸檬酸濃度約為 0.006 莫耳 / 公升, 檸檬酸為多質子酸, 需分三次討論 圖三 : 檸檬酸結構 C6H8O7 (圖三資料來源 :google 圖片) 第一次 H3C6H5O7 H2C6H5O7 1- + H + 第二次 H2C6H5O7 - HC6H5O7 2- + H + 第三次 HC6H5O7 2- C6H5O7 3- + H + Ka1= 8.7 x 10-4 Ka1= 1.8 x 10-5 Ka1= 4.0 x 10-6 其中 Ka 為解離常數 3
若化學方程式為 HA ( aq ) H + ( aq ) + A ( aq )則解離常數 Ka = H + A / HA 第一段 H3C6H5O7 H2C6H5O7 1- + H + 初濃度 0.006 變化量 AX + X +X 末濃度 0.006 X + X + X 第二段 H2C6H5O7 1- HC6H5O7 2- + H + 初濃度 X X 變化量 Y +Y + Y 末濃度 X Y +Y X + Y 第三段 HC6H5O7 2- C6H5O7 3- + H + 初濃度 Y X + Y 變化量 - Z + Z + Z 末濃度 Y Z + Z X + Y+ Z 相同的離子達到平衡時, 濃度相同, 而且濃度需同時符合下列式子 Ka1= 8.7 x 10-4 = H + H2C6H5O7 1 / H3C6H5O7 Ka2= 1.8 x 10-5 = H + HC6H5O7 2- / H2C6H5O7 - Ka3= 4.0 x 10-6 = H + C6H5O7 3- / HC6H5O7 2-4
由於 0.006» X, 且 Ka1» Ka2» Ka3, 所以 H3C6H5O7 解離出的 [H + ] 幾乎都是由第一段 供應, 即 X» Y» Z [H3C6H5O7]= 0.006 X 0.006 ( M ) [H + ] = X + Y + Z X Ka1 = 8.7 x 10-4 = ( X + Y+ Z )( X Y ) / ( 0.006 X ) X 2 / 0.006 = 8.7 x 10-4 X 0.002 ( M ) ph= log 0.002 即,pH=2.7 參 結論 透過實驗得知, 我們是無法從一般的酸鹼滴定實驗求得檸檬的實際酸鹼值 這是因為檸檬酸屬於弱酸, 為三質子酸, 在水中會解離出三個氫離子, 又因弱酸在水中解離程度低, 只會有部分的 [H + ] 解離 若使用酸鹼中和滴定法卻會將弱酸中全數的 [H + ] 完全用盡 如文中數據得知, 若使用滴定法, 計算出的 [H + ] 濃度必定會有嚴重的誤差, 甚至會較實際值多出數倍 檢測弱酸的酸鹼度時, 我們反覆實驗以減少誤差, 並且仔細分析和探討實驗結果 而這 些方法雖然繁瑣, 但卻更加的精確, 雖然複雜, 但卻更貼近真實 透過這次的實驗, 我們也 對檸檬酸有更進一步的了解, 希望在未來能運用在生活上, 將它的功用發揮到最大 肆 引註資料 圖二資料來源 2018 年 11 月 01 日, 取自 https://www.google.com.tw/search?hl=zh-tw&biw=1600&bih=758&tbm=isch&sa=1&ei=6j_vw9t3h8 jz8qx-xjcwdw&q=%e6%aa%b8%e6%aa%ac%e9%85%b8%e7%b5%90%e6%a7%8b&oq=%e 6%AA%B8%E6%AA%AC%E9%85%B8&gs_l=img.1.0.35i39k1j0l9.122685.131231.0.132827.11.9.2.0. 0.0.71.367.9.9.0...0...1c.1j4.64.img..0.3.162...0i24k1.0.46cXtJJ28gA 圖三資料來源 2018 年 11 月 01 日, 取自 https://www.google.com.tw/search?q=%e9%85%b8%e9%b9%bc%e5%80%bc&hl=zh-tw&source=l nms&tbm=isch&sa=x&sqi=2&ved=0ahukewjgzvq4hqneahurw1qkhejhbxwq_auidigb&biw=160 0&bih=758 陳義忠選修化學 ( 上 ) 講義 2018 年 11 月 01 日, 取自 http://www.mingdao.edu.tw/physics/pdf/optional_03.pdf 5
普通高級中學選修化學上冊 龍騰文化事業股份有限公司( 2017 年 2 月三版二刷) 高瞻自然科學教學資源平台 (2011) 2018 年 11 月 01 日, 取自 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=18914 6