實驗九 水的硬度及牛奶中鈣的定量 一 目的 測 學習 EDTA 的配製 標定及應用於水的硬度及牛奶中鈣含量的檢 圖 9-1 滴定裝置與器材 - 1 -
二 原理 A. EDTA 配位根 : 許多金屬離子和提供電子對的物質形成配位化合物 (coordination compounds) 或稱為錯合離子 (complex ions) 提供電子對的物質稱為配位根 (ligand), 需具有一對或一對以上的未分享電子對 (unshared electron-pair) 例如:H 2 O NH 3 Cl Br I 等都是無機配位根 (inorganic ligand) 當配位根與金屬離子形成五員環或六員環 (five or six membered heterocyclic ring) 時稱為鉗合物 (chelates) EDTA 是使用相當廣泛的鉗合劑 EDTA(ethylenediamine-tetraacetic acid), 乙二胺四醋酸的簡稱, 分子量 292.25 g/mole, 構造式為 HOOC CH2 CH2 COOH :N CH2 CH2 N : HOOC CH2 CH2 COOH EDTA 是弱酸性有機物, 為一種四質子酸, 以 H 4 Y 表示 除去四個酸性氫及二個氮原子都各有一對未共用電子對, 故此分子有 6 對未共用電子對, 是為六芽團 (hexadentate) 的鉗合劑 (chelating agent), 可與金屬離子形成穩定的錯離子, 在不同 ph 值下,H 4 Y,H 3 Y,H 2 Y 2, HY 3,Y 4 分別以不同比例存在於溶液中 滴定時, 使用二鈉鹽, 因為 Na 2 H 2 Y 易溶於水, 其與金屬離子的反應如下 : Mg 2 H 2 Y MgY 2H K MgY = 4.9 10 8 Ca 2 H 2 Y CaY 2H K CaY = 5.0 10 10-2 -
B. EBT 指示劑 EBT( Eriochrome Black T, 羊毛鉻黑 T ) 是 EDTA 滴定法常用的指 示劑, 其結構為 : OH HO N N SO3H NO2 以 H 3 In 表示 EBT 分子式, 在水中完全解離成紅色的 H 2 In 在 ph 7~11, 指示劑以藍色的 HIn 形成較多, 其易與 Ca 2 Mg 2 Zn 2 Hg 2 等生成紅色錯合物,pH>11 時,HIn 會進一步解離成橘色 In 3 H 2 O H 2 In HIn H 3 O K 1 = 5 10 7 Red Blue H 2 O HIn In 3 H 3 O K 2 = 2.8 10 12 Bule Orange MIn HY 3 HIn MY Red Blue EBT 不適用於 Ca 2 EDTA 滴定, 可由下列二曲線圖的比較而了 解 下列圖形之左圖為 EDTA 滴定 Mg 2, 由 pmg 對 EDTA 的滴定體 積作的滴定曲線圖,EBT 當 Mg 2 的指示劑時,EBT 的變色範圍為 4.4 ~ 6.4,Mg 2 的滴定當量點約為 5.8, 因此 EBT 很適合當 Mg 2 的指示劑 下列圖形之右圖則是 EDTA 滴定 Ca 2, 由 pca 對 V EDTA 作圖 如以 EBT 當 Ca 2 的指示劑時,EBT 的變色範圍為 2.8 ~ 4.8,Ca 2 的滴定當量點約 為 6.36 顯然滴定 Ca 2 時, 並不適合以 EBT 當指示劑 因此進行 Ca 2 EDTA 滴定時, 以 EBT 當指示劑需有少量 Mg 2 存在, 才能正確 觀察到滴定終點 - 3 -
pmg 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 EBT 變色範圍 0 5 10 15 20 25 30 V EDTA pmg pca 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 EBT 變色範圍 0 5 10 15 20 25 30 V EDTA C. 緩衝溶液 ( Buffer Solution ) 緩衝溶液的組成是共軛酸鹼對 (acid-base conjugate pair), 例如 : 醋酸和醋酸鈉 ( CH 3 COOHCH 3 COONa ), 氨和氯化銨 ( NH 3 NH 4 Cl ) 等 它的功用是稀釋或加入少量的酸或鹼,pH 值不會有太大的改變, 通常以 HA 和 NaA 表示,pH 值求法如下 : HA H 2 O A H 3 O [ HA] [ A] H O 3 K a = 或 ph= pk a log [ base] [ acid] D. EDTA 的滴定法 1. 直接滴定法 (Direct titration method) EBT 先與溶液中待檢測的 Mg 2 形成紅色的 MgIn, 以 EDTA 滴定, EDTA 與 Mg 2 形成 MgY, 再與 MgIn 形成更安定的 MgY 及 HIn, 所以溶液轉變為藍色 H Y2 Mg2 EBT MgIn Free Mg2 2 MgY2 HIn2 (aq) Red Bule - 4 -
2. 反滴定 (Back titration method) 過量的 EDTA 與溶液中待檢測的 Ca 2 作用成 CaY, 多餘的 EDTA 以 H 2 Y 存在, 加入 EBT 溶液呈藍色, 以 Mg 2 標準溶液滴定, 直到 Mg 2 將多餘的 H 2 Y 都作用完,Mg 2 即與 EBT 反應成 MgIn, 溶液轉 變成紅色, 表示到達滴定終點 Ca 2 (aq) 過量 EDTA標準溶液 CaY excess H 2 Y EBT CaY 2 2 2 Mg 標準溶液 H Y HIn CaY MgY MgIn 2 (excess) blue red 3. 取代滴定 (Displacement Method) 當 Ca 2 與 EDTA 形成的錯合物比 Mg 2 與 EDTA 所形成的更安定 時, 將過量的 MgEDTA 溶液加入待檢測的 Ca 2 溶液中, 加入 EBT, 時溶液為紅色, 與 Ca 2 等莫耳數的 Mg 2 和 MgIn 形成 以 EDTA 標準 溶液滴定 Mg 2 離子, 直到溶液轉變成藍色, 表示到達滴定終點 MgY excess Ca 2 CaY Mg EBT 2 CaY 2 MgIn red Mg 2 EDTA titration CaY2 MgY HIn blue 本實驗採取較為方便的方式是在 EDTA 標準溶液滴定劑中加入少 量的 MgCl 2 2H 2 O,Mg 2 與 EDTA 形成 MgY, 以此標準液滴定加有 EBT 當指示劑的待檢測的 Ca 2 時,Ca 2 會取代較不穩定的 MgY 中的 Mg 2 形成較穩定的 CaY,Mg 2 被取代出來形成 MgIn 和游離 Mg 2, 待檢測液呈紅色, 當 Ca 2 完全與 EDTA 錯合時,EDTA 與 MgIn 形成 MgY 和 HIn, 此時溶液呈藍色到達滴定終點, 過程中 EDTA 的標準 液需以一級標準碳酸鈣來標定 - 5 -
MgY EBT Ca 2 CaIn CaY MgIn Mg 2 red EDTA CaY MgY 2 - HIn blue 本實驗中標定 EDTA, 水的硬度測定及牛奶中鈣的含量, 皆是應用 上述原理進行滴定終點的判定 E. 本實驗數據計算 : 1. EDTA 的標定濃度以 M EDTA 表示 M EDTA V EDTA WCaCO (ml) = 100.0 M.W. 25.0 3 3 10 ( ) 莫耳 100.0 ml CaCO 2. 水的硬度測定一律以一升水中所含 CaCO 3 的毫克數表示, 亦即為 ppm CaCO 3 M 100.0 ( 毫克 EDTA VEDTA CaCO3 ) 毫莫耳 ppm CaCO 3 = 3 升 100.0 ( 水樣體積 ) 10 ( ) 毫升 3. 牛奶中的鈣含量以每升牛奶中所含 Ca 的毫克數表示, 即為 ppm Ca 3 毫莫耳 ml ppm Ca = 10 M EDTA ml牛奶原液 VEDTA 40.0(Ca毫克 ) 毫莫耳 25.0 ml牛奶稀釋實驗量 100.0 ml牛奶稀釋液 10 3 升 ( ) 毫升 - 6 -
三 藥品 A 自行配製取用 1. 0.01 M 乙二胺四醋酸 (Ethylenediamine-tetraacetic acid, EDTA, Na 2 H 2 Y 2H 2 O),250 ml: 粗秤 0.93 g Na 2 H 2 Y 2H 2 O (S) 溶解配製 250 ml ( 助教事先於 80 烘箱中烘乾 1 小時 ) 2. 氯化鎂 (Magnesium chloride hexahydrate, MgCl 2 6H 2 O): 粗秤 0.125 g 加去離子水溶解後與 EDTA 一起配製至 250 ml 3. 氯化銨 (Ammonium chloride, NH 4 Cl): 精秤 1.4 g 4. 濃氨水 (Ammonia aqua, NH 3(aq) ): 取用 10 ml 5. 碳酸鈣 (Calcium carbonate, CaCO 3 ): 精稱 0.072~0.088 g B 助教配製 1. 羊毛鉻黑 (Eriochrome Black T indicator, C 20 H 12 N 3 NaO 7 S): 粗秤 0.1 g C 20 H 12 N 3 NaO 7 S (S) 5 ml 95 % 酒精 15 ml 乙醇胺 (C 2 H 7 NO) 溶解即可, 每組每次使用 2~3 滴 2. 0.5 M 氫氧化鈉 (Sodium hydroxide, NaOH): 粗秤 4 g NaOH (S) 溶解配製 200 ml, 每組用 2.5 ml 3. 6 M 鹽酸 (Hydrochloric acid, HCl (aq) ): 取 50 ml 濃鹽酸稀釋至 100 ml, 每組用 1 ml 1,0.3 ml 1 四 器材 1. 體積量瓶 :100 ml,250 ml 2. 體積型吸量管 :10 ml,25 ml 3. 滴定管 4. 濾紙 5. 玻璃漏斗 6. 血清瓶 :25 ml - 7 -
五 步驟 A 0.01 M EDTA 配製稱 0.93 g 的 Na 2 H 2 Y 2H 2 O 和 0.125 g MgCl 2 2H 2 O 分別於燒杯中完全溶解後, 移至 250 ml 體積量瓶中, 充分混合均勻後, 加去離子水至標線 B ph = 10 緩衝溶液 (Buffer) 的配製 1. 精秤 1.4 g NH 4 Cl (S) 直接倒入 25 ml 血清瓶中 2. 再加入 10 ml 濃氨水, 加去離子水至血清瓶 20 ml 的標線, 搖晃至完全溶解即可 C 標定 EDTA 溶液 1. 精稱 0.072~0.088 g CaCO 3, 加入 6 M HCl (aq) 1 ml 溶解之, 待 CaCO 3 全溶後移至 100 ml 體積量瓶, 加去離子水至標線, 混合均勻 2. 以吸量管量取 25 ml 的 CaCO 3(aq) 於錐形瓶內, 加 ph = 10 的緩衝溶液 1 ml, 再加 2 滴 EBT 指示劑, 此時溶液呈紫紅色 3. 用 EDTA 溶液滴定直到溶液變為藍色, 計算 EDTA 濃度 4. 重複 2 3 步驟 D 水的硬度測定 1. 用吸量管吸取 100 ml 的檢驗水, 放入錐形瓶中 2. 加入 ph = 10 的緩衝溶液 4 ml,2 滴 EBT 指示劑 3. 以 EDTA 標準溶液滴定至溶液由紫紅色變藍色 4. 計算水的硬度, 以 ppm CaCO 3 表示 5. 重複步驟 1~4-8 -
E 牛奶中鈣的定量 1. 於 100 ml 體積量瓶加入 10 ml 牛奶 20 ml 去離子水及 6 M HCl 0.3 ml 振盪混合後再靜置 10 分鐘 2. 加入 0.5 M NaOH (aq) 2.5 ml, 加去離子水稀釋至標線 3. 以重力過濾法過濾 ( 花形濾紙 ) 4. 錐形瓶中放入 25 ml 濾液 ph = 10 buffer 2 ml 及 3 滴 EBT 指示劑, 以 0.01 M EDTA 標準液滴定溶液由紫紅色轉變成藍色 記錄 EDTA 所滴定的體積 5. 重複步驟 4, 求 EDTA 平均滴定體積 6. 計算牛奶的 ppm Ca - 9 -
六 實驗數據處理 A 0.01 M EDTA 配製 Na 2 H 2 Y 2H 2 O = g MgCl 2 2H 2 O = g B 標定 EDTA 溶液 緩衝溶液配製 (A) NH 4 Cl: g (B) NH 3 : ml (A) (B) 加去離子水稀釋到 ml W CaCO3 : g 1 2 V EDTA ml ml M EDTA M M M ave. EDTA M C 水的硬度測定 1 2 V EDTA ml ml (1)( 算式 ) 水的硬度 = ppm (2)( 算式 ) = ppm 水的硬度平均值 ppm - 10 -
D 牛奶中鈣的含量 1 2 V EDTA ml ml (1)( 算式 ) = ppm 牛奶的鈣含量 ppm Ca (2)( 算式 ) = ppm 牛奶的鈣含量平均值 ppm Ca ppm E 所測牛奶品牌 : 鈣含量理論值 : ppm 鈣含量實驗值 : ppm 相對誤差 : = % 技術試評分 : ( 由助教評定 ) - 11 -
七 實驗問題.. 1. 計算本實驗中 NH 4 ClNH 3 buffer 的 ph 值 2. 請寫出 100 ml Eriochrom Black T indicator 的配製方法 3. 為何使用 EDTA 加 MgCl 2 的標準溶液來進行滴定? - 12 -
4. 配製 EDTA 溶液時,MgCl 2 的量是否會影響實驗? 說明之 分析化學實驗 八 實驗廢 ( 固 ) 液處理.. 九 實驗心得與討論.. 誤差討論 : 心得.. - 13 -