微量化學實驗 : 碘化亞銅的微量檢驗 和硫酸銅的微量滴定 前言 還原劑是一類具有還原性的物質, 亦即失去電子的物質 ; 反之, 氧化劑是一類具有氧化性的物質, 亦即接受電子者 在硫代硫酸鈉與三碘離子 ( 或碘分子 ) 的反應中, 硫代硫酸鈉為還原劑, 而三碘離子 ( 或碘分子 ) 氧化劑 利用此特性, 我們分成兩部分, 首先是硫代硫酸鈉溶液的標定, 另一部分是以標定過的硫代硫酸鈉溶液測定未知濃度的硫酸銅溶液 ( 一 ) 硫代硫酸鈉溶液的標定精秤碘酸鉀固體與過量碘化鉀溶液混合, 再加入強酸使氧化產生碘分子, 如式 [1] 所示 IO3 (aq) + 5 I (aq) + 6H + (aq) 3I2(s) +3H2O(l) [1] 而過量的碘化鉀溶液會與產生的碘分子形成三碘錯離子, 如式 [2] 所示 I (aq) + I2(s) I3 (aq) K1 = 770 [2] 再以硫代硫酸鈉溶液滴定產生的三碘錯離子至溶液變為淡黃色時, 加入澱粉指示劑, 溶液呈藍色, 直至達當量點時, 藍色消失, 其反應如式 [3] 所示 : I3 (aq) + 2S2O3 2 (aq) 3I (aq) + S4O6 2 (aq) [3] 由式 [1]~ [3] 得知碘化鉀 (KIO3) 與硫代硫酸鈉的莫耳數比為 1:6, 因而硫代碘酸鈉的濃度可以用碘化鉀來標定 ( 二 ) 測定未知濃度的硫酸銅溶液理論上,Cu 2+ 與 I 不易進行氧化還原反應, 而生成 Cu + 和 I2, 如式 [4] 所示 2Cu 2+ (aq) + 2I (aq) 2Cu + (aq) + I2(s) [4] 然而, 若存在過量的 I, 會與生成的 I2 進行反應, 生成 I3, 如式 [2] 所示 I (aq) + I2(s) I3 (aq) K1 = 7 70 [2] 接著,I 與 Cu + 反應, 生成灰色的 CuI 沉澱, 此反應的平衡常數很大, 如式 [4] 所示 I (aq) + Cu + (aq) CuI(s) K2 = 1 10 12 [5] 1
綜合反應式 [2] [4] [5], 得知 Cu 2+ 可與 I 進行氧化還原反應, 產生灰色的 CuI 沉澱與紅棕色的 I3, 此反應幾乎完全, 如式 [6] 所示 2Cu 2+ (aq) +5I (aq) 2CuI(s) + I3 (aq) [6] 對於生成的 I 3 的定量分析, 通常以標定的硫代硫酸鈉進行氧化還原滴定來完成, 其反應可視為完全反應, 如式 [3] 所示 I3 (aq) + 2 S2O3 2 (aq) 3I (aq) + S4O6 2 (aq) [3] 若白色沉澱的 CuI 繼續與硫代硫酸鈉反應, 溶液中 CuI 會逐漸變少, 最後整個溶液澄清透明, 而形成 Cu(S2O3)2 3 錯離子, 如式 [7] 所示 CuI(s) + 2S2O3 2 (aq) Cu(S2O3)2 3 (aq) + I (aq) [7] 藥品與器材 A. 藥品每組用量 : 碘酸鉀 (KIO 3 = 214.19) 0.022 克 0.2 M 五水硫酸銅 (CuSO 4 5H 2 O = 249.69) 25 ml 1 M 碘化鉀 (KI = 166.1) 25 ml 0.1 M 硫代硫酸鈉 (Na 2 S 2 O 3 5H 2 O = 248.19) 100 ml 1% 澱粉試液 1 M 硫酸 25 ml 寬版麵條 1 條 ( 寬約 0.5cm) B. 器材每組用量 : 針筒 (5 ml) 3 支 針筒 (12 ml) 2 支 針筒 (20 ml) 2 支 錐形瓶 (50 ml) 4 支 燒杯 (50 ml) 4 支 棉花若干 容量瓶 (25 ml) 3 個 容量瓶 (100 ml) 1 個 試管 3 個 C. 配製 0.1 M 硫代硫酸鈉 : 秤取 2.482 g 的 Na 2 S 2 O 3 5H 2 O 至 50 ml 燒杯中, 加入 5 ml 蒸餾水使之溶解, 並倒入 25 ml 的量瓶內, 再以蒸餾水約 5 ml 清洗燒杯三次, 將洗液倒入量瓶內, 最後加蒸餾水至量瓶內 100 ml 刻度 ( 真正濃度將進行標定 ) D. 配製 0.2 M 硫酸銅 : 秤取 1.250 克 (0.005 mol) 的五水硫酸銅 ( 式量 250.0) 至 50 ml 燒杯中, 加入 5 ml 蒸餾水使之溶解, 並倒入 25 ml 的量瓶內, 再以蒸餾水約 3 ml 清洗燒杯三次, 將洗液倒入量瓶內, 最後加蒸餾水至量瓶內 25 ml 刻度即可 實驗步驟一 檢驗碘化亞銅 1. 準備兩支試管, 先以 5 ml 的針筒吸取 1 ml 的蒸餾水, 然後分別滴加 2 滴的 0.2 M CuSO4 4 滴的 1 M KI, 使其充分反應, 記錄顏色變化 ( 註 : 若滴數不易控制, 以 CuSO4 溶液 : KI 溶液 = 1:2 的體積比例加入 ) 2
2. 在試管甲中, 加入 2 ml 的乙酸乙酯, 使其充分搖盪, 觀察並記錄顏色變化 3. 在試管乙中, 以滴管吸取 Na2S2O3 溶液, 逐滴地滴入, 一邊滴一邊攪拌 若沈澱呈灰白色或灰黑色, 表示其中仍有碘晶體 ( 黑色 ) 存在, 持續加入 Na2S2O3 溶液, 直到沉澱物呈白色, 繼續滴加直至溶液澄清透明 記錄加入滴數並觀察變化現象 ( 見圖一 ) 圖一 : 碘化亞銅的微量檢驗流程二 標定硫代硫酸鈉溶液 1. 取一支 10 ml 的針筒, 盛裝 0.1 M Na2S2O3 作為微量滴定管, 記錄起始刻度 V1 2. 秤取約 0.022 克 ( 依實際數值記錄 ) 的 KIO 3, 放入 50 ml 的錐形瓶中, 加入約 5 ml 蒸餾水, 使之溶解 然後加入 1.0 ml 的 1 M KI 和 1.2 ml 的 1 M H2SO4( 見圖二 ) 圖二 : 精秤碘酸鉀 過量碘化鉀及硫酸加入錐形瓶中形成三碘錯離子紅棕色溶液 3. 將上述溶液移至針筒下方, 以 0.1 M Na2S2O3 滴定至淡黃色 ( 見圖三左 ), 此時再加入 0.5 ml 的澱粉指示劑 ( 見圖三中 ), 繼續滴定至藍色消失為止, 記錄最後刻度 V2( 見圖三右 ) 3
註 : 澱粉指示劑不先加入係因澱粉 - 碘錯合物的分離慢且澱粉在酸中不穩定, 開始標定時, 碘分子的濃度太高, 可逆性反應差, 因此先用一些 Na2S2O3 溶液, 消耗一些碘分子 圖三 : 三碘錯離子與硫代硫酸鈉反應 : 溶液顏色逐漸變淡黃色 ( 左 ); 再加澱粉指示劑, 溶液變為藍黑色 ( 中 ); 直至當量點溶液變為無色 ( 右 ) ( 一 ) 測定未知濃度硫酸銅 4. 以 5 ml 的針筒 3 支, 分別吸取 0.2 M 2.0 ml 的 CuSO4,5 ml 的蒸餾水,1 M 2.4 ml 的 KI 於 50 ml 燒杯中, 使其充分反應 靜置混合液 1 分鐘, 使沉澱物沉降至容器底部 ( 見圖四 ) 圖四 : 靜置使沉澱物沉降 5. 以 20 ml 的針筒, 製作過濾筒 製作方式 : 針筒中塞入棉花約至 10 ml 處, 加一些蒸餾 水, 使棉花潤溼, 再以活塞壓實, 使之緊密 ( 見圖五 ) 4
圖五 : 簡易過濾筒 6. 將上述溶液倒入過濾筒中, 以少量蒸餾水沖洗至濾液為無色為止 收集約 20 ml 的濾液至錐形瓶 ( 見圖六 ) ( 註 : 若流速較慢時, 可塞入針筒活塞以減壓抽氣原理, 慢慢推壓進行過濾, 若濾液有混濁現象, 則進行第二次過濾 ) 圖六 : 微量過濾時, 瓶內為紅棕色濾液, 而棉花上為灰白色沉澱 7. 上述溶液移至盛裝 0.1 M Na2S2O3 的針頭開口下方, 記錄起始刻度 V1 以 Na2S2O3 溶液滴定至呈現淡黃色, 此時加入 0.5 ml 的澱粉指示劑, 繼續滴定至藍色消失為止, 記錄最後刻度 V2 ( 註 : 澱粉 - 碘錯合物反應可逆性佳, 故需靜置 1 分鐘觀察是否褪色, 確定不再變色, 即達滴定終點 ) 8. 重覆 1~4, 將步驟 4 中的澱粉改為約 2 cm 長的寬版麵條, 繼續滴定至寬麵條藍色消失為止, 記錄體積 ( 見圖七 ) ( 註 : 寬版麵條會呈藍黑色, 當溶液變透明時, 寬版麵條仍未褪色, 請繼續緩慢滴加, 並充分攪勻至寬版麵條褪色為止 ) 5
圖七 : 滴定紅棕色濾液 : 首先滴定至濾液為淡黃色 ( 左 ); 加入麵條, 麵條呈藍黑色 ( 中 ); 繼續滴加至麵條褪色為止 ( 右 ) 9. 計算 Na2S2O3 溶液滴定所消耗的莫耳數, 由平衡方程式中, 求得濾液中 I3 的莫耳數, 因而求得未知濃度硫酸銅的濃度 結果與討論 日期 : ; 時間 : ; 組別 : ; 學號 : ; 姓名 : 一 檢驗碘化亞銅表一 : 碘化亞銅的微量檢驗 ( 請記錄或圖示變化現象 ) 性質檢測 0.2 M 硫酸 銅,2 滴 1 M 碘化鉀,4 滴 2 ml 乙酸乙酯 逐滴加入硫代硫酸鈉溶液 ( 記錄滴數 ) 試管甲 略 試管乙 略 ( 在此處描述實驗結果與討論 ) 6
二 標定硫代硫酸鈉溶液指示劑為澱粉, 測試次數 第一次 第二次 第三次 KIO 3 重量 (g) Na 2 S 2 O 3 溶液滴定起始刻度 V 1(mL) Na 2 S 2 O 3 溶液滴定最後刻度 V 2(mL) Na 2 S 2 O 3 溶液使用體積 V Na 2 S 2 O 3 溶液濃度 (M) Na 2 S 2 O 3 溶液濃度平均值 (M) 註 1 W KIO3 註 1: 6 = M 214.19 g/mol Na 2 S 2 O 3 V Na2 S 2 O 3, 計算硫代硫酸鈉的濃度 (M) 以第一次測試為例, ( 在此處描述實驗討論 ) 三 測定未知濃度硫酸銅指示劑為澱粉 ( 測試次數 ) 第一次 第二次 第三次 Na 2 S 2 O 3 溶液濃度 (M) Na 2 S 2 O 3 溶液滴定起始刻度 V 1(mL) Na 2 S 2 O 3 溶液滴定最後刻度 V 2(mL) Na 2 S 2 O 3 溶液使用體積 V Na 2 S 2 O 3 毫莫耳 n Na2 S 2 O 3 (mmol) Cu 2+ 毫莫耳 n Cu 2+(mmol) 硫酸銅濃度 M Cu 2+(M) 註 4 硫酸銅濃度平均值 (M) 相對誤差百分比 (%) 註 4: 利用 [Cu 2+ ] = n Cu 2+ (mmol) V Cu 2+(mL), 計算硫酸銅的濃度 (M) 7
以第一次測試為例, 相對誤差百分比 = ( 在此處描述實驗討論 ) 問題 Q1: 當硫酸銅溶液加入碘化鉀溶液時會產生沉澱, 請以化學反應式表示, 並詳加敘述 Q2: 試管甲加入乙酸乙酯, 其目的為何? Q3: 試管乙逐滴加入硫代硫酸鈉溶液, 若發生沉澱消失, 其原因為何, 試以反應式說明? Q4: 高中化學實驗室為何很少看到甚或看不到亞銅離子的相關鹽類? 請以電位說明 Q5: 由標定的硫代硫酸鈉測定硫酸銅溶液實際的濃度為多少 M?( 請列出方程式討論及其計 算過程 ) 8
實驗設計 : 黎渝秀 簡菀萱 范祺展, 國立中央大學附屬中壢高中 資料來源 : 臺灣化學教育 (http://chemed.chemistry.org.tw/), 第十四期 9