實驗十三 實驗十三 目的 利用 EDTA 的強螯合力以測定水中之 Ca 2+ 及 Mg 2+ 含量, 藉以鑑定水 的硬度 原理 水的硬度檢測是鑑定一般供水系統水品質的因素之一, 水硬度的定義是以水中所含的鈣離子和鎂離子的量而定 但分析時, 並不特別區分 Ca 2+ 與 Mg 2+, 而且大部分硬度的造成是由於土壤中碳酸鹽的沉澱物所引起, 因此硬度通常是以碳酸鈣的重量百萬分比 (parts per million, ppm) 表之 若硬度為 1 ppm 之供應水, 即表示一百萬克的水中含有 1 克的 CaCO3 或表示 1 公升的水中含有 1 毫克的 CaCO3 1 ppm CaCO3 = 1mg CaCO 1L H2O 3 以前用肥皂洗衣服或浴盆洗澡時, 硬水的影響較為明顯, 因 Ca 2+ 和 Mg 2+ 與肥皂形成不溶的鹽類, 而黏在衣服或浴盆上形成浮渣, 非常容易觀察 使用清潔劑最明顯的好處, 就是不受硬水影響, 這也是現在洗衣服已經使用清潔劑取代肥皂的理由 水的硬度可利用 EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid, 縮寫為 H4Y) 的滴定而測定之 EDTA 是ㄧ種螯合劑, 為弱酸, 在完全中和時可放出四個氫離子, 其結構如下 : HOOC CH2 CH2 COOH N CH2 CH2 N HOOC CH2 CH2 COOH (13.1) 由於四個酸的 H 失去和兩個氮原子上, 皆含有未鍵結電子對, 所以 Y 4 能與中心金屬陽離子形成高至六配位的錯合物 此錯合物相當穩定, 而且它與金屬離子形成錯合離子的條件, 通常可控制在兩者的莫耳比為 1:1 因此, 在測定一種金屬陽離子濃度的滴定中, 可藉由滴入的 EDTA 與金屬離子作用達滴定終點時所的用量, 來決定金屬離子的濃度 在本實驗中, 可先用碳酸鈣配製標準 Ca 2+ 離子溶液, 來標定 EDTA 溶液的濃度, 再用此 EDTA 溶液來測未知的水樣品 因 EDTA 和 Ca 2+ 的水溶液均為無色, 所以用一種特殊藍色指示劑羊毛絡黑 T(Eriochrome 201
普通化學實驗 black T, 縮寫 E.B.T, 以 H2In 表示 ), 來偵測滴定終點, 此指示劑可與鎂離子形成穩定的紅色錯合物,MgIn 硬水中如有微量的 MgIn 存在時, 當 EDTA 開始加入時, 先與游離的 Ca 2+ 和 Mg 2+ 結合, 直到溶液中 Ca 2+ 與 Mg 2+ 均與 EDTA 形成螯合物時, 此時再加入的 EDTA 立刻將 MgIn 解離, 而與 Mg 2+ 螯合, 使得指示劑回復到藍色, 表示達到滴定終點 - O 3 S OH N N OH (13.2) O 2 N Eriochrome black T 在硬水滴定過程中使用氨水的緩衝液 (NH3 NH4 + ), 控制溶液在 ph=10 的環境下進行, 此時 EDTA 成 HY 3 的型式, 此型式僅能與第二族元素離子形成良好的錯合物, 而不會與經常存在水中的其他離子 ( 如 Fe 3+ ) 反應, 滴定的反應方程式如下 : 主反應 : HY 3 (aq) + Ca 2+ (aq) CaY 2 (aq) + H + (aq) (13.3) HY 3 (aq) + Mg 2+ (aq) MgY 2 (aq) + H + (aq) (13.4) 終 點 : HY 3 (aq) + MgIn (aq) MgY 2 (aq) + HIn 2 (aq) (13.5) 紅色 藍色 器材滴定管,100 量瓶, 燒杯, 攪拌器, 磁石 ( 攪拌子 ),250 錐形瓶, 漏斗, 蝴蝶夾, 量筒 藥品 CaCO3,EDTA,NH4Cl,NH4OH,Eriochrome black T(E.B.T),HCl, 水 樣品 ( 自行攜帶至少 500 ) 注意事項 : 1. 量瓶內的溶液必須與室溫接近, 不可直接將量瓶用來加熱或低溫冷卻 2. 量瓶配完標準溶液後, 就將溶液倒入燒杯中備用 ; 量瓶不用來保存溶 液 3. 量瓶使用完後, 洗淨交回, 瓶蓋勿蓋上 4. 將放置標準溶液的燒杯蓋上保鮮膜 貼上標籤, 避免污染 5. 依組別編號取用滴定管! 202
實驗十三 6. 滴定管使用完後, 旋栓要拆下來洗 ; 然後依序裝回旋栓 7. 記得先將燒杯中的磁石取出, 方可倒棄溶液 8. 使用完攪拌器後, 關掉電源, 拔掉插頭 實驗步驟 A. 配製標準 Ca 2+ 溶液 1. 稱 0.16 g 左右的 CaCO3, 重量精確記錄到 1 mg, 置入一 100 的燒杯中 加入 5 的蒸餾水, 再慢慢加入 16 滴 6 M HCl, 用錶玻璃蓋住燒杯, 讓杯內反應進行使固體溶解, 若尚有殘留未能溶解的固體, 可再加 6 M HCl, 直至所有的 CaCO3 固體溶解, 用少許蒸餾水潤洗杯壁, 然後加熱至沸騰 ( 不要與釋出的 CO 2 氣泡混淆,CO 2 的釋出與加熱沸騰過程同時進行 ) 2. 加入 20 蒸餾水, 攪拌冷卻後將溶液倒入 100 量瓶內, 再用少量蒸餾水潤洗燒杯並再倒入量瓶內, 如此重複幾次, 以確定所有 Ca 2+ 全部倒入瓶內 3. 用滴管緩慢加蒸餾水至標線, 蓋上瓶蓋, 來回顛倒量瓶數次, 使之充分混合 滴定前的準備 1. 取 0.1 M EDTA 溶液 20, 加蒸餾水稀釋至總體積為 200, 混合均勻, 備用 2. 將滴定管徹底洗淨, 用約 5 的 EDTA 溶液潤洗滴定管, 至少重複二次 打開開關放出潤洗的 EDTA 溶液, 再關開關, 然後以漏斗輔助, 將 EDTA 溶液加入滴定管至 50 高度, 確定滴定管內及滴定管下方尖端處沒有任何氣泡 3. 滴定前, 將漏斗取下 B. 空白滴定 1. 參考溶液的製備 : 取 25 蒸餾水和 5 ph = 10 的緩衝液放入 250 錐形瓶中 加入 8 滴的 Eriochrome black T(E.B.T) 指示劑, 此時溶液應為天藍色, 就用此溶液當作滴定終點的參考 203
普通化學實驗 2. 如果參考溶液的顏色為藍紫色, 則使用 EDTA 溶液滴定至天藍色, 將所需的 EDTA 體積記錄下來, 此即稱為空白滴定 在計算 EDTA 溶液濃度時, 須將空白滴定所使用的 EDTA 溶液體積扣除 C. EDTA 溶液的標準化 1. 取 25 的標準 Ca 2+ 溶液放入 250 錐形瓶內, 加入 5 ph = 10 的緩衝液, 和 8 滴的 E.B.T 指示劑, 此時溶液應為紅色 2. 取 EDTA 溶液裝滿滴定管, 記錄開始時滴定管的刻度後, 開始滴入 EDTA 溶液於錐形瓶中並攪拌之 在接近終點時, 顏色開始淡褪且變成紫色, 直到紅色消失而溶液顏色變天藍色 ( 較淡於參考溶液的顏色 ), 就是達到滴定終點, 記錄終點時滴定管的刻度, 算出滴定所需體積 * 保留此滴定液當作下一個滴定的參考 * 接近終點的反應相當緩慢 ( 約 1 秒 ), 所以不必著急 * 如果你對滴定終點的顏色有懷疑, 可加幾滴 Ca 2+ 離子於溶液內, 再以 EDTA 滴定, 重複此過程, 但不需記錄所需 EDTA 體積, 直至你能以一滴 EDTA 溶液控制滴定終點 3. 重複第 1~2 步驟一次 D. 水樣品的硬度測定 1. 助教提供的水樣品之硬度測定 (2 次 ) 取 25 的未知水樣品放入 250 錐形瓶內, 記下未知水樣品編號, 加入 5 ph = 10 的緩衝液, 和 8 滴的 E.B.T 指示劑, 此時溶液應為紅 色 重複 C 部分第 2 步驟 2. 自己帶來的水樣品之硬度測定 (1 次 ) 取 500 自己帶來的未知水樣品倒入 1000 燒杯內, 加入 25 ph = 10 的緩衝液, 和 20 滴的 E.B.T 指示劑, 此時溶液應為紅色 重複 C 部分第 2 步驟 204
實驗十三 實驗十三 實驗前問題 學系學號姓名組別日期 1. 將 0.488 g 的 CaCO3 溶解於 6 M HCl 中, 再稀釋至 250, 回答下列問題 : 問題答案計算過程 a. 溶液中 CaCO3 的莫耳數是多 少?(CaCO3 式量 100.1) b.ca 2+ 在 250 溶液中的濃度 (M) 是多少? c. 取 25 的 Ca 2+ 溶液當作被滴 定液, 則此溶液含有多少 mol 的 Ca 2+? 2. 上題中的 25 被滴定液, 用 EDTA 溶液滴定到終點時, 共用了 EDTA 22.38, 回答下列問題 : 問題答案計算過程 a. 共用了 EDTA 多少 mol? b. EDTA 的濃度 (M) 是多少? 205
普通化學實驗 3. 用問題 2. 中的 EDTA 溶液滴定 100 的未知水樣品, 到達滴定終點時, 共 用去了 EDTA 31.62, 回答下列問題 : 問題答案計算過程 a. 滴定所用去 EDTA 的莫耳數 (mol) 是多少? b. 100 的水樣品中, 含有多少 mol 的 Ca 2+? c. 若 Ca 2+ 都由 CaCO3 解離出, 則 1 公升的硬水中, 含有多少 mol 的 CaCO3? d. 若 Ca 2+ 都由 CaCO3 解離出, 則 1 公升的硬水中, 含有多少克的 CaCO3? 1 mg CaCO3 e. 若 1 ppm CaCO3=, 1 L H2O 則該水的硬度是多少 ppm CaCO3? 4. 何謂硬水? 硬水的使用可能造成何種問題? 5. 何謂螯合劑? 其功用為何? 206
實驗十三 207
普通化學實驗 實驗十三 實驗報告 學系學號姓名組別日期 結果 ( 網底的空格為觀察或記錄之數據, 其餘則填入計算數據 ) A. 配製標準 Ca 2+ 溶液 CaCO3 的重量 g 製備 Ca 2+ 溶液的總體積 100 mol 樣品中 CaCO3 的莫耳數 (CaCO3 式量為 100.1) Ca 2+ 溶液的濃度 CaCO 3的莫耳數 = 溶液的體積 (L) M 每次滴定 25 Ca 2+ 溶液的莫耳數 mol =Ca 2+ 溶液的濃度 溶液的體積 (0.025 L) B. 空白滴定 滴定管中的初讀數 滴定管中的末讀數 滴定參考溶液所需 EDTA 的體積 208
C. EDTA 溶液的標準化 實驗十三 滴定次數第一次第二次 滴定管初讀數 滴定管末讀數 滴定 Ca 2+ 溶液所需 EDTA 的體積 = 滴定管末讀數 - 滴定管初讀數 滴定 Ca 2+ 溶液所需 EDTA 的平均體積 空白滴定所需 EDTA 的體積 ( 由 B 部份得知 ) 滴定 Ca 2+ 溶液所需 EDTA 的平均體積 ( 須扣除空白滴定的體積 ) M EDTA 的濃度 參考公式 : M EDTA V EDTA (L) = 25 Ca 2+ 溶液的莫耳數 209
普通化學實驗 D. 水樣品的硬度測定 1. 助教提供的水樣品的硬度測定 未知編號 : 滴定次數 第一次 第二次 水樣品的體積 滴定管初讀數 滴定管末讀數 滴定水樣品的 EDTA 體積 = 滴定管末讀數 - 滴定管初讀數 滴定水樣品的 EDTA 平均體積 扣除空白滴定的 EDTA 平均體積 滴定 1L 水樣品所需 EDTA 的平均體積 1000 =V 扣除空白滴定的 EDTA 體積 () 水樣品的體積 () 每公升的水樣品所需 EDTA 的莫耳數 ( 即 CaCO3 的莫耳數 / 公升 H2O) mol =M EDTA V 1L 水樣品所需 EDTA 的平均體積 (L) 每公升的水樣品所含 CaCO3 的克數 (CaCO3 式量為 100.1) = 每公升的水樣品所需 EDTA 的莫耳數 CaCO3 的式量 水樣品的硬度 (CaCO3) 1 mg CaCO (1 ppm CaCO3= 1 L H2O 3 ) = 每公升的水樣品所含 CaCO3 的克數 1000 g ppm 210
2. 自己帶來的水樣品的硬度測定 實驗十三 滴定次數 第一次 水樣品的體積滴定管初讀數滴定管末讀數滴定水樣品所需 EDTA 的體積 = 滴定管末讀數 - 滴定管初讀數扣除空白滴定的 EDTA 體積 滴定 1 L 水樣品所需 EDTA 的體積 1000 =V 扣除空白滴定的 EDTA 體積 () 水樣品的體積 () 每公升的水樣品所需 EDTA 的莫耳數 ( 即 CaCO3 的莫耳數 / 公升 H2O) mol =M EDTA V 1L 水樣品所需 EDTA 的體積 (L) 每公升的水樣品所含 CaCO3 的克數 (CaCO3 式量為 100.1) = 每公升的水樣品所需 EDTA 的莫耳數 CaCO3 的式量 g 水樣品的硬度 (CaCO3) 1 mg CaCO (1 ppm CaCO3= 1 L H2O 3 ) = 每公升的水樣品所含 CaCO3 的克數 1000 ppm 211
普通化學實驗 212
問題 實驗十三 1. (1) 本實驗的指示劑為何? (2) 為何滴定時要加入此指示劑? 2. 本實驗中只測硬水的 Ca 2+ 及 Mg 2+, 可否應用此滴定方法測量其他金屬離 子, 如 Cd 2+ Pb 2+ Mn 2+ 等? 3. 為何一般水中含有 Ca 2+ 或 Mg 2+? 請詳述之 4. 本實驗中之緩衝液是選用 NH3 NH4 +, 是否可改用其他緩衝溶液? 為什麼? 213
普通化學實驗 5. 本實驗中之指示劑 E.B.T 可換為其他的指示劑嗎? 其理由是什麼? 6. 本實驗中所測的是 Ca 2+ 與 Mg 2+, 可否分別測量 Ca 2+ 或 Mg 2+? 請述之 討論 214