作69醫學系b101099101-普通化學實驗-吳瑞裕-Chemical Equilibrium (化學平衡)

科目：普通化學實驗

題目：Chemical Equilibrium (化學平衡)

系級：醫學系一年級

組別：第 28 組

作者：曾士剛 B101099101

實驗日期：2010 年 11 月 04 日

目錄：

一、實驗動機與目標：... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...P1

二、實驗原理與原則：... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...P1

三、實驗材料與步驟：... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...P2

四、實驗數據紀錄表：... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...P3

五、實驗問題與討論：... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...P5

六、參考資料與文獻：... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...P6

一、實驗動機與目標：

在高中的時候，大部分的同學都一定做過「FeSCN2+的比色管實驗」，將光源 放在比色管下方，當顏色一樣時測量它們的高度並計算濃度，並計算反應平衡常 數。由於比色的過程都是由肉眼判斷，大家意見十分分歧，而且「濃度越高」越 是「難以判斷」，所以最後老師在打成績時，告訴我們：「只要實驗結果的『數量 級』在正負一之內，都可以接受！」 然而藥品在人體內，有時些微誤差就會造成效果的偏離，應該控制在正負 0.1%才對，為了有較精準的濃度判斷，必須借助機器與一些濃度變化相關定律 的幫助，而此實驗選用的分光光度計與比爾氏定律，就是其中最有名的方法。 最後，在此次的實驗，我們也希望能達到以下的目標： (1) 學習此次實驗中的相關化學錯合反應。 (2) 熟悉分光光度計的原理與其操作的方法。 (3) 了解比爾氏定律的內容及其用途上的限制。 (4) 序列稀釋的注意事項與檢量線的製作方法。

二、實驗原理與原則：

(1) 相關的化學方程式： 𝐹𝑒3+_{+ 𝑆𝐶𝑁}− _{𝐹𝑒𝑆𝐶𝑁}2+ _{K =} [𝐹𝑒𝑆𝐶𝑁2+] [𝐹𝑒3+_{][𝑆𝐶𝑁}−_] (2) 分光光度計原理、比爾氏定律與檢量線： a. 當某一單色光射入某一均質溶液時，若溶液的濃度越高，則透射光的 強度與原光源的強度比值就越低。 b. percent transmittance = 透光百分率 = %T ≡ 透光強度P 源光強度p₀× 100%

c. Absorbance = 吸光率 = Abs ≡ − log T = kM = ϵbc

→ 符號解釋：ϵ 莫耳吸光系數 b 光徑長 (cm) c 液體濃度(M) e. 分光光度計原理如 右圖一，矩形為裝 填溶液的Cuvette， 而右邊的感知器則 可以將光源訊號轉為電子訊號，並將吸光率顯現於面板。 d. 以濃度為 x 軸 Abs 為 y 軸，可以繪製出一濃度對應吸光率的「檢量線」， 對於未知濃度的樣品，可以藉由測量其吸光率，回推算其濃度。 ※此方法僅適用於一定的濃度範圍，在高濃度的溶液之中，分子之間 吸引力過強，可能會使檢量線不成線性關係。或是在測量螢光的分 光光度計實驗時，過多的分子會吸收掉部分的螢光，以致由數值回 推的濃度比實際濃度低。 所以在 %T=28%~90% 或 Abs=0.050~0.550 的數據有高可信度，超 過則須修正或稀釋樣品濃度使其落在有效範圍。 (圖一) 分光光度計簡圖

(3) 分光光度計的使用： a. 需熱機至少二十分鐘，光源輸出才會穩定。 b. 第一次校正需使用黑色 Cuvette，光線完全無透射，完成歸零。 c. 第二次校正，則在測定樣品前，放入只含溶劑與共同溶質的空白溶液， 完成歸零。 (空白溶液雖然看起來是透明的，但 是仍會少許吸收光線，故須扣除。) (4) 此次實驗序列稀釋方式類似右圖： (5) 本實驗中所做的假設： 此實驗中假設在高濃度過量的鐵離 子水溶液中，所有的 SCN-會完全反 應，而根據反應方程式，當此假設 成立時，[FeSCN2+]≈[SCN-]原始

三、實驗材料與步驟：

(1) 實驗準備與藥品配置： a. 0.100 M HNO3 100 mL：取用 (老師準備的) 1 M HNO3 10.00mL 置於 100 mL 的容量瓶，加水至標線並均勻混和。 (0.1 M 的硝酸仍是有腐蝕性的， 沾到必須沖以大量清水) b. 2.00 mM Fe(NO3)3 27 mL：取 27.00 mL 0.1 M HNO3加入 (老師會在準備適 中使用 micropipette 加入) 0.27 mL 2 M Fe(NO3)3。 (該物質對環境有危害， 在地下水中有蓄積作用，必須回收廢液。) c. 2.00 mM NH4SCN 16.00 mL：由老師準備，統一使用。 d. NaF 粗秤約 0.1 g (此為定性實驗用) e. 重要實驗器材：安全吸球+移液管、分光光度計、Cuvette。 (2) 定性實驗 (Ionic Equilibrium)： a. 於試管中加入 12.00 mL 水，並加入「一滴」0.200 M Fe(NO3)3和「一滴」 0.200 M NH4SCN。 (※看的到顏色即可，不要加多！) b. 將步驟 a.中配置的溶液均勻混和後，平分於試管 I.II.III.IV.，並至一張白 紙於四支試管之後，確定顏色一樣深。 c. 在試管 II.加入 2 滴 0.200 M Fe(NO3)3。 c. 在試管 III.加入 2 滴 0.200 M NH4SCN。 c. 在試管 IV.加入 0.1 g NaF。 d.混和均勻後，比較四支試管與先前顏色的差異。 (3) 標準溶液製備： a. 取五支乾淨的試管及一個乾淨的錐形瓶，分別標為 I.II.III.IV.V 和 Stock。 b. 將 8.00 mL 0.200 M Fe(NO3)3移液至標為 Stock 的錐形瓶中。 c. 於瓶中再加入 2.00 mL 2.00 mM NH4SCN 和 5 mL 0.100 M HNO3，均勻混 和。 (置一張白紙於瓶後，必須確定完全混和) (圖二) 序列稀釋示意圖

d. 試管 I~V 依照以下配方置入藥品： 藥品 試管 _{I II III IV V} Stock (mL) 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 0.100 M HNO3 (mL) 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 總體積 (mL) 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 (4) 平衡反應溶液： a. 選定五支試管，標上 A.B.C.D.E。 b. 試管 A~E 依照以下配方置入藥品： 藥品 試管 _{A B C D E} 2.00 mM Fe(NO3)3 (mL) 5.00 5.00 5.00 5.00 5.00 2.00 mM NH4SCN (mL) 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 H2O (mL) 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 (5) 分光光度計使用： a. 將輸出光的波長設定於 460 nm → 此為實驗值，由老師設定 b. 第一次校正需使用黑色 Cuvette，完成歸零，由老師完成。

c. 第二次校，於 Cuvette 裝入 0.100 M HNO3為空白溶液Blank，按下功能

鍵中的0 Abs 鍵，以完成歸零。

d. 將 Blank 取出，置入裝有待測液體的 Cuvette (包含 I~V 和 A~E)，直接記 錄數值，不須再按任何按鍵！ ※Cuvette 使用注意事項： -Cuvette 外側務必擦拭乾淨，不得留下指紋或水紋。 -只能拿 Cuvette 霧面一側的上部分，以防刮傷。 -裝入待側液時不宜過快，避免氣泡產生。 -Cuvette 有標記的一側需朝向有白色標記的一面。 -在裝溶液時由低濃度測往高濃度可以減少誤差。 (6) 將數值紀錄於紀錄表中，以 I~V 的數據製作檢量線，並分別在(表六)中算 出各試管中物質的濃度，以計算平衡常數 K。

四、實驗數據紀錄表：

Chemical Equilibrium 實驗結果

定性實驗觀察 (Ionic Equilibrium)：

SYSTEM OBSERVATIONS (color changes)

Fe / SCN¯ reaction +++ → (紅) Fe /SCN¯ mixture + additional Fe ++++ → (變深) Fe / SCN¯ mixture + additional SCN¯ ++++ → (變深) Fe / SCN¯ mixture + NaF(s) 000 → (無色) (表一) I~V 配方表 (表二) A~E 配方表 (表三) 定性實驗觀察表

A460 of Standard solutions

Standard solution [FeSCN2+] (mM) –x A460--y

Standard solution I (2 × 2 ÷ 15 × 0.1 =) 0.0267 0.061 Standard solution II (2 × 2 ÷ 15 × 0.2 =) 0.0533 0.157 Standard solution III (2 × 2 ÷ 15 × 0.3 =) 0.0800 0.260 Standard solution IV (2 × 2 ÷ 15 × 0.4 =) 0.107 0.364 Standard solution V (2 × 2 ÷ 15 × 0.5 =) 0.133 0.462 Standard curve: ___ = 3.789 − 0.0423____ r = __0.9999__ Sample A460 [FeSCN2+]eq A 0.066 0.0286 B 0.151 0.0510 C 0.257 0.0790 D 0.427 0.126 E 0.456 0.132

Calculate the values of [Fe3+]eq, [SCN–]eq, and the value of Kc, the equilibrium

constant of sample A ~ E

(表六)平衡常數計算 Kc = [ e 2+] eq [ e3+] eq [ −] eq

Initial concentrations Equilibrium concentrations

K [Fe3+]i (M) [SCN–]i (M) [FeSCN2+]eq (M) [Fe3+] eq (M) [SCN–] eq (M)

A 1.00 × 10−3 _{2.00 × 10}−4 _{2.86 × 10}−5 _{9.70 × 10}−4 _{1.71 × 10}−4 ₁₇₂

B 1.00 × 10−3 4.00 × 10−4 5.10 × 10−5 _{9.49 × 10}−4 _{3.49 × 10}−4 ₁₅₄

C 1.00 × 10−3 6.00 × 10−4 7.90 × 10−5 9.21 × 10−4 5.21 × 10−4 165 D 1.00 × 10−3 8.00 × 10−4 1.26 × 10−4 8.74 × 10−4 6.74 × 10−4 214 E 1.00 × 10−3 _{1.00 × 10}−3 _{1.32 × 10}−4 _{8.68 × 10}−4 _{8.68 × 10}−4 ₁₇₅

※[Fe3+] eq = [Fe3+]i - [FeSCN2+]eq [SCN–] eq = [SCN–]i - [FeSCN2+]eq = 176 = 22.7

Ab

s

4 6 0 [FeSCN2+] (mM) (表四) 標準溶液與其吸光率表 (圖三) 檢量線 (表五) A~E 與 其吸光率表

五、實驗問題與討論：

(1) 問題討論： a. Q：在此次的實驗中有那些假設？ A：①此實驗中假設在高濃度過量的鐵離子水溶液中，所有的SCN-會完 全反應，而根據反應方程式，當此假設成立時，[FeSCN2+]≈[SCN-]原始 ②在配置2.00 mM Fe(NO₃)₃ 27 mL 時，假設加入0.27 mL 2 M Fe(NO3)3時，體積變化量可以忽略。 b. Q：為什麼無法確定標準溶液中，反應平衡常數K的值？ A：因為我們假設[SCN-]反應後 = 0，在計算K值時分母會是 0。 c. Q：用K的平均值去回算標準溶液中的[SCN-]，並說明反應是否完全？ A：K = [𝐹𝑒𝑆𝐶𝑁2+] [𝐹𝑒3+_{][𝑆𝐶𝑁}−_] 所以在 I 管中176 = 2.67 × 10−5 0.107 × [𝑆𝐶𝑁−_] 得[𝑆𝐶𝑁−] = 1.42 × 10−6 M I 管誤差為：5.31% 以此類推得五管誤差都為：5.31% 由此可知反應是「不完全」的。 d. Q：說明 Transmittance 和 Absorbance 之間的關係？ A：Abs ≡ − log T e. Q：說明分光光度計的使用細節。 A：①需熱機至少二十分鐘，光源輸出才會穩定。 ②第一次校正需使用黑色 Cuvette，光線完全無透射，完成歸零。 ③第二次校正，則在測定樣品前，放入只含溶劑與共同溶質的空 白溶液，完成歸零。 (空白溶液雖然看起來是透明的，但是仍 會少許吸收光線，故須扣除。) ④將空白溶液取出，置入裝有待測液體的 Cuvette，直接記錄數值， 不須再按任何按鍵！ f. Q：如果吸光率的讀值超出了我們所做的檢量線，可以直接帶入嗎？ A：不行！因為檢量線的有效範圍僅止於我們所取的最低與最高濃度， 超出的範圍可能就已經不是此線性關係，甚至不成線性，例如在螢 光分析時，高濃度的溶液會產生「消光效應」，因為有些分子反射的 光被其他基態分子吸收，濃度上升與光強度上升的不成正比。 g. Q：為什麼化學分析和生化分析常用的序列稀釋會不同？ A：右上圖為化學分析(尤其是微量分析)常用之稀釋 方法，因為微量分析在溶液稀釋的過程中，如果 產生誤差，右下圖的方法則會使每一個標準溶液 都產生誤差。而在生化分析時，通常反應要有數 量級的差距才會明顯，例如原菌濃度為 108/ mL， 則 107/ mL 會比 5×107/ mL 的反應有較明顯的差距，而且在稀釋過 (圖三) 序列稀釋

程中，也較可以容忍小範圍的誤差。 h. Q：為什麼 Cuvette 要裝 3/4 滿？ A：超過容易灑出來，而且沒有其必要性，只要溶液高度有在光線射入 的範圍之內即可。 (2) 實驗誤差可能產生的原因： a. 序列稀釋的操作不確實，或是在尚未混合均勻時就進行下一個步驟。 b. 未混合均勻就放入分光光度計測量讀數，或分光光度計本身的誤差。 c. Cuvette 上有指紋、不乾淨或內有氣泡都會影響吸光值。 d. 在第二次校正中，放入的不是0.100 M HNO3。 e. 在使用 Cuvette 測量樣品時，不是由低濃度往高濃度，又沒有清洗和潤 洗，會有明顯的誤差。 f. 在此次實驗中，在試管 D 中，不小心多加了一些硝酸鐵，[Fe3+] eq應該 比紀錄值高，造成試管 D 的平衡常數偏高。 (3) 實驗的感想與建議： a. 在做實驗時，取一張白紙，在放到分光光度計之前先用肉眼比色一下， 是最簡單降低誤差的方法，但是很多人都跳過了……。 b. 或許我們可以嚴苛地把分光光度計的操作列為現場評分，這樣速度就 會迅速很多了……，就不需要等那麼久，也不會如此混亂了。 c. 我希望試管、安全吸球和移液管可以多一點，實驗起來會比較方便。 d. 標準溶液的濃度希望可以由我們自己決定，順便從中學習。

六、參考資料與文獻：

(1) Sandra Kiselica：Fundamentals of Analytical Chemistry。USA：THOMSON。 Douglas A. Skoog、Donald M. West、F. James Holler、Stanley R.Crouch。 (2) Rendina, George：Experimental Methods in Modern Biochemistry。W. B. Saunders Company。pp. 46-55

(3) Guy, R. G.：Syntheses and Preparative Applications of Thiocyanates in