水的硬度測定 水的硬度測定 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的品質的標準之一, 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 CaCO 3 或表示 1 公升的水中含有 1 毫克的 CaCO 3 1 ppm CaCO 3 = 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 水的硬度可利用四乙酸乙二胺 (EDTA,ethylenediaminetetraacetic acid, 以 H 4 Y 為縮寫表示 ) 的滴定而測定之 四乙酸乙二胺是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 (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需要的用量, 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 溶液來測量未知的水樣品 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 1
black T, 簡稱 E.B.T, 以 H 2 In 為縮寫表示 ), 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 立刻會將 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 OH OH - O 3 S N N (2) O 2 N Eriochrome black T 在硬水滴定過程中使用氨水的緩衝液 (NH 3 NH + 4 ), 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) (3) HY 3 (aq) + Mg 2+ (aq) MgY 2 (aq) + H + (aq) (4) 終 點 : HY 3 (aq) + MgIn (aq) MgY 2 (aq) + HIn 2 (aq) (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 CaCO 3,EDTA,NH 4 Cl,NH 4 OH,Eriochrome black T(E.B.T),HCl, 水 樣品 ( 自行攜帶至少 200 ), 未知溶液, 鮮乳樣品數種, 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, 就將溶液倒入一乾淨且乾燥的燒杯中備用 ; 量瓶不用來保存溶液 3. 量瓶使用完後, 洗淨交回原處, 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 2
水的硬度測定 5. 依組別編號取用滴定管! 6. 滴定管使用完後, 旋栓部分要拆下來清洗 ; 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 CaCO 3, 精確記錄重量, 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, 搖動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 CaCO 3 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 的釋出與沸騰現象可能同時出現 ) 2. 再加入 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+ 全部倒入量瓶內 3. 用滴管緩慢滴加蒸餾水至量瓶標線, 蓋上瓶蓋, 來回顛倒搖動量瓶數次, 使之充分混合備用 滴定前的準備 1. 取 0.1 M EDTA 溶液 15 於 250 燒杯中, 加 135 蒸餾水稀釋至總體積為 150, 攪拌混合均勻, 使濃度成為大約 0.01 M, 備用 2. 將滴定管徹底洗淨, 用約 5 的 0.01 M EDTA 溶液潤洗滴定管, 至少重複二次 先關好滴定管開關, 再將約 0.01 M EDTA 溶液加入滴定管至約 50 高度, 快速打開開關, 使 EDTA 溶液快速流下並充滿下方尖端 3. 滴定前, 將漏斗取下 B. 空白滴定 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, 若此時 溶液呈天藍色, 就可用此溶液的顏色當作滴定終點的參考, 空白滴定為 0 3
但如果參考溶液的顏色為藍紫色, 則需使用上述之 0.01 M EDTA 溶液滴定至天藍色, 將所需的 EDTA 體積記錄下來, 此即稱為空白滴定所需的體積 在計算 EDTA 溶液濃度時, 必須將此空白滴定所使用的 EDTA 溶液體積扣除 C. EDTA 溶液濃度的標定 (2 次 ) 1. 取 10 的標準 Ca 2+ 溶液放入 250 錐形瓶內, 加入 2 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 0.01 M EDTA 溶液裝滿滴定管, 記錄滴定管溶液的刻度後, 開始滴入 EDTA 溶液於錐形瓶中, 滴加溶液時同時搖動錐形瓶, 使溶液混合均勻 在接近終點時, 顏色開始變成紫色, 直到紅色消失而溶液顏色變天藍色 ( 可能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 * 可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 ), 若無耐心, 容易造成過量 D. 水樣品的硬度測定 1. 助教提供的水樣品之硬度測定 (1 次 ) 取 10 的未知水樣品放入 250 錐形瓶內, 記下未知水樣品編號, 加入 2 ph = 10 的緩衝液, 和 8 滴的 E.B.T 指示劑, 此時溶液應為紅 色 操作 C.2 步驟 2. 鮮乳樣品之硬度測定 (1 次 ) 取 5.0 的鮮乳樣品放入 250 錐形瓶內, 記下品名及編號, 加入 45.0 蒸餾水攪拌均勻, 再加入 5 ph = 10 的緩衝液, 和 8 滴的 E.B.T 指示劑, 此時溶液應為紫紅色 操作 C.2 步驟 3. 自己帶來的飲用水樣品之硬度測定 (1 次 ) 取 100 自己帶來的飲用水樣品倒入 400 燒杯內, 加入 8 ph = 10 的緩衝液, 和 10 滴的 E.B.T 指示劑 操作 C.2 步驟 4
水的硬度測定 水的硬度測定 實驗報告 學系學號姓名組別日期 結果 A. 配製標準 Ca 2+ 溶液 CaCO 3 的重量 g 製備 Ca 2+ 溶液的總體積 100.0 mol 樣品中 CaCO 3 的莫耳數 (CaCO 3 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 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 5
C. EDTA 溶液濃度的標定 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) =Ca 2+ 溶液的濃度 溶液的體積 (0.025 L) 6
D. 水樣品的硬度測定 水的硬度測定 1. 助教提供的水樣品之硬度測定編號 : 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 滴定 1L 水樣品所需 EDTA 的平均體積 =V 滴定水樣品所需 EDTA 的體積 () 1000 水樣品的體積 () 每公升的水樣品所需 EDTA 的莫耳數 ( 即 CaCO 3 的莫耳數 / 公升 H 2 O) 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 CaCO 3 的克數 (CaCO 3 式量為 100.1) = 每公升的水樣品所需 EDTA 的莫耳數 CaCO 3 的式量 水樣品的硬度 (CaCO 3 ) 1 mg CaCO (1 ppm CaCO 3 = 1 L H2O 3 ) = 每公升的水樣品所含 CaCO 3 的克數 1000 g ppm 7
D. 水樣品的硬度測定 2. 鮮乳樣品之硬度測定編號與品名 : 號 鮮乳取樣的體積 滴定管初讀數 滴定管末讀數 滴定鮮乳樣品所需 EDTA 的體積 = 滴定管末讀數 - 滴定管初讀數 滴定 1L 鮮乳樣品所需 EDTA 的平均體積 =V 滴定鮮乳樣品所需 EDTA 的體積 () 1000 鮮乳樣品的體積 () 每公升的鮮乳樣品所需 EDTA 的莫耳數 ( 即 CaCO 3 的莫耳數 / 公升 H 2 O) mol =M EDTA V 1L 鮮乳樣品所需 EDTA 的平均體積 (L) 每公升的鮮乳樣品所含 CaCO 3 的克數 (CaCO 3 式量為 100.1) = 每公升的鮮乳樣品所需 EDTA 的莫耳數 CaCO 3 的式量 鮮乳樣品的硬度 (CaCO 3 ) mg CaCO (1 ppm CaCO 3 = 1 L 鮮乳 1 3 = 每公升的鮮乳樣品所含 CaCO 3 的克數 1000 ) g ppm 8
水的硬度測定 D. 水樣品的硬度測定 3. 自己帶來的飲用水樣品之硬度測定 飲用水樣品採樣地點 : 時間 : 年月日 : 飲用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 滴定 1 L 飲用水樣品所需 EDTA 的體積 1000 =V 滴定所需 EDTA 的體積 () 飲用水樣品的體積 () 每公升的飲用水樣品所需 EDTA 的莫耳數 ( 即 CaCO 3 的莫耳數 / 公升 H 2 O) mol =M EDTA V 1L 飲用水樣品所需 EDTA 的體積 (L) 每公升的飲用水樣品所含 CaCO 3 的克數 (CaCO 3 式量為 100.1) = 每公升的飲用水樣品所需 EDTA 的莫耳數 CaCO 3 的式量 g 飲用水樣品的硬度 (CaCO 3 ) 1 mg CaCO3 (1 ppm CaCO 3 = ) 1 L H2O = 每公升的飲用水樣品所含 CaCO 3 的克數 1000 ppm 9
問題 ( 選擇其中一題回答 ) 1. 請問你測得的鮮乳樣品的硬度是多少 ppm CaCO 3? 其含有的鈣質又是多少 ppm? 若小明日常一天大概喝此鮮乳 500, 那麼小明一天透過鮮乳大約攝取了多少鈣質? 基於健康的考量, 請為小明日常鈣質的攝取, 做一個簡單的評估! 2. 請問你自己所帶來的飲用水試樣的硬度是多少 ppm CaCO 3? 其含有的鈣質又是多少 ppm? 此飲用水試樣是否為合格的飲用水? 若大華日常一天大概喝此水 2.0 L, 那麼大華一天透過飲用水大約攝取了多少鈣質? 基於健康的考量, 請為大華日常鈣質的攝取, 做一個簡單的評估! 討論 10