實驗十三、電位滴定法之應用-酸鹼滴定

全文

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實驗十三、電位滴定法之應用-酸鹼滴定

一 、 目 的 : 學 習 配 製 及 標 定 二 級 標 準 鹼 溶 液 , 並 利 用 電 位 滴 定 法

(potentiometric titration )測 定食 醋中 的醋 酸濃度 及酸 解離 常數 (acid dissociation constant,K

a

)。

二、實驗技能:學習藥品稱量與配製、刻度吸量管、滴定管、酸鹼度測定計之 使用及作圖等實驗技能。

三、原理:

(一)標準酸或鹼溶液濃度之標定

進行酸鹼中和滴定時,一般需先配製固定濃度的標準鹼或酸溶液並標 定其精確濃度,再利用此已知濃度溶液來滴定未知溶液中酸或鹼之含量。

在標定酸或鹼的濃度時,常選用一些純度高、穩定性佳、不含結晶水、溶 解度好、化學式量較大的酸或鹼來做為一級標準品(primary standard),利 用一級標準酸(鹼)可定量我們所配製鹼(酸)液之精確濃度。經滴定測 得精確濃度的標準鹼(酸)溶液,稱之為副標準鹼(酸),或是二級標準 鹼 ( 酸 ) 。 常 用 的 一 級 標 準 酸 為 鄰 苯 二 甲 酸 氫 鉀 ( potassium hydrogen phthalate,簡記為 KHP),一級標準鹼是碳酸鈉(sodium carbonate)。本 實驗利用鄰苯二甲酸氫鉀標定所配製之氫氧化鈉溶液濃度。因 KHP 為單質 子酸(monoprotic acid),與氫氧化鈉為 1:1 中和(如式 13-1),故利用 此化學計量關係可求出氫氧化鈉溶液的濃度。

HOOCC

6

H

4

COOK(aq) + NaOH(aq) 

C

6

H

4

(COO

)

2

(aq) + K

+

(aq) + Na

+

(aq) + H

2

O(l) (13-1)

(二)酸鹼中和當量點之決定

由於在酸鹼滴定過程中,接近當量點時 pH 值的變化非常顯著,如圖

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13-1 所示,因此,可用酸鹼度測定計(pH-meter)測量 pH 值變化(電位 滴定法)或以酸鹼指示劑的顏色變化得知溶液滴定終點。

圖 13-1 酸鹼滴定曲線

(三)酸鹼指示劑的選用

酸鹼指示劑本身為一種弱的有機酸(具酸解離常數 K

a

)或弱的有機 鹼。隨著溶液的 pH 值變化而產生化學結構改變,進而導致顏色變化。由 於不同的酸鹼指示劑顏色變化的 pH 範圍不同(pK

a1),因此我們必須預

知當量點前後的 pH 變化範圍,以選用正確的指示劑,得到正確之滴定終 點。例如:以 KHP 為一級標準品標定 NaOH 溶液時,使用為指示劑。由 於酸鹼指示劑本身亦為弱的有機酸或鹼,為減少指示劑所造成之滴定誤差,

滴定時僅加數滴,或有時必須做空白滴定(blank titration)來消除此一誤 差。

(四)電位滴定法

電位滴定法常應用於酸鹼滴定、氧化還原滴定或沉澱滴定實驗。針對 不同性質之待測溶液,選取一個適當的指示電極量測滴定過程中電位的變 化,並於每滴加一次試劑後測量記錄其電位,最後利用此電位對於滴定劑

(titrant)體積之變化曲線以決定該次滴定的當量點。以酸鹼滴定為例:當 接近當量點時溶液 pH 值會大幅度的變化,利用此特性將溶液 pH 值對滴定 劑體積(V)作圖(圖 13-1),所得曲線中斜率最大的點即是當量點。

(五)弱酸之酸解離常數測定

2 4 6 8 10

20 22 24 26

pH

NaOH(aq) 體積 (mL)

當量點

(3)

弱酸(HA)在水溶液中僅部分解離,與其共軛鹼(A

)以平衡狀態 存在(式 13-2)。其酸解離平衡常數之表示式,如式 13-3 所示:

HA(aq) + H

2

O(l) H

3

O

+

(aq) + A

(aq) (13-2)

[HA]

] ][A O K

a

[H

3

(13-3)

當以強鹼(如 NaOH)滴定弱酸進行酸鹼中和反應(式 13-4):

HA(aq) + OH

(aq)  A

(aq) + H

2

O(l) (13-4) 達到半當量點(half-equivalence point )時,溶液中之[HA]=[A

] ,故 [H

3

O

+

] = K

a

。因此,強鹼/弱酸滴定曲線半當量點之 pH 值,即為此弱酸 之 pK

a

值(圖 13-2),這常應用於測定弱酸的 pK

a

值。

圖 13-2 弱酸-強鹼之滴定曲線與半當量點

四、 儀器與材料:

酸鹼度測定計、標準 pH 7.0 緩衝溶液、標準 pH 4.0 緩衝溶液、電磁加熱 攪拌器、磁攪拌子、容量瓶(100 mL)、滴定管(50 mL)、漏斗、錐形 瓶(125 mL,2 個)、刻度吸量管(5 mL,共用)、安全吸球、分析天平、

面紙。

五、藥品:

食醋

1% 酚酞指示劑(phenolphthalein)

0 2 4 6 8 10 12

0 10 20 30 40 50

pH

NaOH(aq)體積(mL)

半當量點

當量點

pK

a

(4)

1 M 氫氧化鈉溶液(sodium hydroxide,NaOH)

鄰苯二甲酸氫鉀(potassium hydrogen phthalate,HOOCC

6

H

4

COOK,簡記 為 KHP。KHP 需於 110

o

C 加熱烘乾 2 小時並置乾燥皿中冷卻後再取用)

六、實驗步驟:

(一)二級標準鹼的配製

1. 以 100 mL 容量瓶稀釋 1 M 之 NaOH 溶液,配製濃度為 0.1 M 之 NaOH 溶液 100 mL,並倒入燒杯中備用。

註:於預習報告中寫下稀釋配方。

2. 將一支 55 mL 滴定管沖洗乾淨,以約 5 mL 之 0.1 M NaOH 溶液潤洗滴 定管數次後加滿之,讀取滴定管初體積(V

i

)至 0.01 mL。

註:節約使用 0.1 M NaOH 溶液,以免不夠作完全程實驗。清洗及使 用滴定管時須小心,以避免折斷,操作方法參考實驗技能與示範 影片。

(二)標定氫氧化鈉

3. 稱約 0.2~0.22 g 鄰苯二甲酸氫鉀於 125 mL 錐形瓶中,記錄精確重量,

並加 50 mL 蒸餾水溶解之。

註:使用分析天平精確稱量 KHP 之重量到 0.1 mg。

4. 滴加 2 滴酚酞指示劑,以 0.1 M NaOH 滴定至溶液呈粉紅色且 30 秒不 褪色,達滴定終點停止滴定。記錄滴定終體積(V

f

)至 0.01 mL。

註:可先由 KHP 之莫耳數,約略估算 NaOH 溶液之滴定體積。

5. 重複步驟 3、4,進行第二次重複試驗。

6. 利用 NaOH 滴定體積(V

NaOH

= V

f

V

i

)計算精確濃度(C

NaOH

),以 平均值作為 NaOH 溶液之標定濃度。

(三)校正酸鹼度測定計

7. 接好主機電源,壓按"POWER"鍵打開電源,熱機 10 分鐘。

8. 壓按"MODE"鍵至螢幕右下顯示『

o

C』確認溶液溫度並記錄數值;再壓

按"MODE"鍵至螢幕右上顯示『pH』功能,進行儀器校正。

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9. 壓按"HOLD"鍵鎖住螢幕數值,清洗電極與測溫棒並沾拭乾後,放入 pH 7.0 緩衝溶液中,再次壓按"HOLD"鍵以解除鎖定。

10. 調整"CALIB."鈕至測量值顯示為「7.00」。

11. 清洗電極並改為置放於 pH 4.0 緩衝溶液,調整"SLOPE"鈕至測量值顯 示為「4.00」,完成儀器校正。

註:酸鹼度測定計之校正與使用,參考實驗技能與示範影片。

(四)食醋之滴定

12. 以 5 mL 刻度吸量管精確量取 2.5 mL 食醋置於 100 mL 燒杯中,並加入 約 40 mL 蒸餾水及 2 滴酚酞指示劑。

13. 參考圖 13-3,將 pH 電極及測溫棒置於待測食醋溶液中,並加入一顆磁 攪拌子以攪拌混合溶液。

註:pH 電極之前端應充分浸入於待測溶液中以維持穩定測量,攪拌子 與電極之位置應錯開避免撞擊。電磁加熱攪拌器之操作,參考實 驗技能與示範影片。

14. 以 0.1 M NaOH 滴定食醋水溶液,每滴加 1 mL 之 NaOH 溶液,讀記一 次 pH 值,當快達到當量點時,pH 值變化較大(約為 pH 6),改為每 滴加 0.2~0.3 mL 讀記一次。pH 值超過 10 時改為每滴加 1 mL 讀記一次 pH 值,至 pH 值超過 11 時停止滴定。滴定過程中應同時觀察記錄溶液 顏色之變化。

圖 13-3 酸鹼度測定計與滴定裝置

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七、參考資料:

1. Skoog, D. A.; West, D. M.; Holler, F. J. Fundamentals of Analytical

Chemistry, 5th ed.; Saunders College Publishing: New York, 1988.

2. Harris, D. C. Quantitative Chemical Analysis, 5th ed.; W. H. Freeman and Co.:

New York, 1999.

3. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 3rd ed.; Houghton Mifflin Co.: New

York, 1998; p.286.

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姓名 _______________ 系別 _______________ 組別 ______________

學號 _______________ 日期 _______________

實驗十三、電位滴定法之應用-酸鹼滴定

一、實驗數據與結果

(一)二級標準鹼 0.1 M NaOH 之配製方法(含工具的使用操作):

(二)以鄰苯二甲酸氫鉀標定氫氧化鈉溶液的濃度 試驗 KHP

重量 (g)

V

i

(mL)

V

f

(mL)

V

NaOH

= V

f

- V

i

(mL)

C

NaOH

(M) 1

2

NaOH 平均濃度:______________

計算式

(三)食醋之滴定

1. 食醋品牌:

2. 食醋酸度標示:

3. 食醋滴定取量: mL

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4. NaOH 標準溶液滴定食醋之 pH 測定值

V

讀值

pH 顏色 V

讀值

pH 顏色

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5. 以 pH 值為 y 軸,NaOH(aq)滴定體積(V)為 x 軸作酸鹼滴定曲線圖,

決定當量點與當量體積。

6. 若假設食醋中所含之酸只有醋酸(CH

3

COOH),利用當量體積,計算 食醋中醋酸的體積莫耳濃度(mol/L)及重量百分濃度(%,w/w),並 與包裝上所標示之含量比較,設食醋之密度為 1.0 g/cm

3

7. 藉由當量體積計算半當量體積;並利用滴定曲線實驗數據決定醋酸之

pK

a

值,以與文獻值比較。

數據

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參考文獻

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