九十学年度台湾省高中化学实验能力竞赛实作I[下学期]

九十學年度臺灣省高中化學實驗能力競賽實作I
編號
雙質子酸衍生鹽混合物：含量分析
實驗說明
高中化學課程曾介紹單質子酸與多質子酸的異同。以硝酸與碳酸為例，每莫耳
硝酸僅能與一莫耳氫氧化鈉反應：
HNO3(aq) + NaOH(aq) ----> NaNO3(aq) + H2O(l) (1)
因此硝酸為單質子酸；若如碳酸，因具有兩個可游離的質子，每莫耳碳酸可與兩莫耳氫氧化鈉進行反應，所以屬於雙質子酸：
H2CO3(aq) + 2NaOH(aq) ----> 2H2O(l) + CO32-(aq) + 2Na+(aq) (2)
雙質子酸雖然具有兩個可游離的質子，卻不意味每個氫離子的解離難易完全一致，例如碳酸的兩個質子，其解離常數則為4.3 x10-7與4.8 x10-11：
H2CO3(aq) ----> H+(aq) + HCO3-(aq), Ka1 = 4.3 x10-7 (3)
HCO3-(aq) ----> H+(aq) + CO32-(aq), Ka2 = 4.8 x10-11 (4)
也由於此一緣故，碳酸根與碳酸氫根離子水解時，產生氫氧根離子的難易度也有所差異：
CO32-(aq) + H2O(l) ----> HCO3-(aq) + OH-(aq)， Kb1 = 2.1 x10-4 (5)
HCO3-(aq) + H2O(l) ----> H2CO3(aq) ) + OH-(aq)， Kb2 = 2.3 x10-8 (6)
因此，若以0.1 M鹽酸滴定二質子酸的共軛鹼(Na2X，0.1 M)時，便會呈現如下圖所示的滴定曲線：
一般而言，若欲分析溶液中H2X或其共軛鹼的濃度，可利用酸鹼滴定及適當指示劑施行之。然而，若缺乏適當指示劑時，亦可藉由pH儀（或稱氫離子電極）進行分析。本實驗即是利用pH儀進行虛擬實驗，探討某雙質子酸的共軛鹼混合物：NaHX與Na2X之含量。
[II] 試藥與設備：
1.Na2X與NaHX混合物，0.360 g
2.標準鹽酸溶液(0.1 ~ 0.2 M)，200 mL
3.標準Na2X溶液(0.1 ~ 0.2 M)，200 mL
4.滴定管(50 mL)兩支含固定架，一組
5.錐形瓶(100 mL), 兩支
6.玻璃漏斗, 一支
7.量筒(50 mL), 一支
8.容量瓶(50 mL) , 一支
9.燒杯(100, 50 mL) , 各一支
10.拭紙，若干張
11.滴管（1 mL，含橡皮套），一支
12.原子筆(紅、藍)，各一支
13.作圖紙 (方格紙)，兩張
[III] 實驗步驟：
請依下列虛擬實驗步驟，對Na2X與NaHX混合物含量進行分析，無須真正操作：
Na2X與NaHX混合物溶液製備：
領取0.360 g的Na2X與NaHX混合物。將之倒入燒杯中後，先以少許標準的
Na2X溶液溶解之。迨完全溶解後，再以足量的Na2X標準溶液將之製備成50.0 mL的溶液。此時你需要哪一種器具，始能確實製備出50.0 mL的上述溶液？請根據桌上所陳列的器皿，選出一種，寫出其名稱：_____________________。
取出25.00 mL的上述溶液，將之置於一只100-mL的錐形瓶中，準備以鹽酸
定之。如何準確量取25.00 mL的上述混合溶液？請根據桌上所陳列的器皿，選出一種，寫出其名稱：_____________________。
3. 領取50 mL的標準鹽酸溶液，將之傾入滴定管中。先以數滴潤濕滴定管，再填滿滴定管。勿使滴定管內含有氣泡。記錄刻度。此時你需要哪一種器具，始能有效地將鹽酸溶液傾入滴定管中？根據桌上所陳列的器皿，選出一種，並寫出其名稱：_____________________。
於錐形瓶下襯入一張白紙，再將玻璃電極(pH儀)置入溶液內。
逐滴加入鹽酸溶液；記錄刻度與pH值。
所得數據紀錄於表（一）。
7. 利用繪圖紙，以紅原子筆將pH值對鹽酸添加體積作圖，並於圖上指出滴定終點。
8. 依照相似步驟，對25.00 mL的標準Na2X溶液進行滴定。紀錄數據於表（二）。
9. 於同一張繪圖紙上，以藍原子筆繪出pH值對鹽酸體積的滴定曲線，並指出滴定終點。
10. 實驗完畢後，依指示清理桌面與廢溶液。
11. 以清水清洗、潤溼玻璃器皿；打開滴定管活拴，並以自來水及蒸餾水沖洗，再將倒掛於鐵架上。再以清水潤溼玻璃電極，並套上保護套。
[IV] 問題回答：
對於步驟 (1)，你需要哪一種器具，始能確實製備出50.0 mL的溶液？
器皿名稱：_____________________。
(2) 對於步驟(2)，如何準確量取25.00 mL的上述混合溶液？請根據桌上所陳列的器皿，選出一種，其名稱為：_____________________。
(3) 對於步驟(3)，你需要哪一種器具，始能有效地將鹽酸溶液傾入滴定管中？
其名稱：_____________________。
試問此雙質子酸(H2X)的第一及第二游離常數值為何？試估計其pKa1與pKa2
答： pKa1 (pKa1 = -logKa1）：_________；pKa2 (pKa2 = -logKa2）：_____________。
（上述答案的有效數字至小數點第一位即可）
滴定曲線中多出現兩段轉折，試問第一段轉折意義為何？第二段轉折又有何意義？
答：
試根據所得滴定曲線，判斷混合物中Na2X與NaHX的含量。已知Na2X與NaHX的式量分別為：100.0 g與78.0 g。
答：Na2X：_______ g；NaHX：_______ g。
(7) 試問標準Na2X溶液之濃度為何？
答： [Na2X]：_______ M。
(8) 試問鹽酸溶液之濃度為何？
答：[HCl]：_______ M。
表（一）以HCl滴定Na2X與NaHX混合物之數據
欄位 鹽酸體積/mL pH 欄位 鹽酸體積/mL pH
1 0.00 11.00 24 45.45 6.42
2 4.55 10.50 25 50.00 6.32
3 9.10 10.20 26 52.25 6.24
4 13.65 9.70 27 54.55 6.17
5 18.20 9.30 28 56.80 6.07
6 21.60 8.76 29 59.10 5.99
7 22.75 8.55 30 61.35 5.88
8 23.85 8.28 31 63.65 5.76
9 25.00 7.99 32 65.90 5.61
10 26.15 7.75 33 68.20 5.40
11 27.25 7.59 34 69.30 5.22
12 28.40 7.42 35 70.45 4.98
13 29.55 7.31 36 72.75 3.34
14 30.70 7.21 37 73.85 3.00
15 31.80 7.11 38 75.00 2.85
16 32.95 7.04 39 76.15 2.73
17 35.25 6.96 40 77.25 2.65
18 36.35 6.90 41 79.55 2.53
19 37.50 6.84 42 84.10 2.37
20 38.65 6.74 43 88.65 2.27
21 39.75 6.69 44 95.45 2.15
22 40.90 6.64
23 43.20 6.51
表（二）以HCl滴定Na2X標準溶液之數據
欄位 鹽酸體積/mL pH 欄位 鹽酸體積/mL pH
1 0.00 11.33 26 38.65 6.27
2 4.55 10.70 27 40.90 6.13
3 9.10 10.27 28 43.20 5.95
4 13.65 9.93 29 45.45 5.71
5 18.20 9.58 30 46.60 5.57
6 22.75 9.00 31 47.15 5.44
7 23.85 8.62 32 47.75 5.36
8 24.45 8.35 33 47.95 5.30
9 25.00 8.14 34 48.30 5.19
10 26.15 7.94 35 48.65 5.00
11 26.70 7.61 36 48.85 4.91
12 27.25 7.47 37 49.10 4.80
13 27.85 7.34 38 49.45 4.33
14 28.40 7.24 39 50.00 3.39
15 29.00 7.14 40 50.60 3.09
16 29.55 7.06 41 51.15 2.96
17 30.10 6.98 42 52.25 2.76
18 30.70 6.91 43 53.40 2.63
19 31.25 6.85 44 55.70 2.46
20 31.80 6.85 45 59.10 2.31
21 32.40 6.74 46 63.65 2.17
22 32.95 6.69 47 68.20 2.08
23 33.50 6.64 48 72.75 2.02
24 34.10 6.59 49 77.30 1.96
25 36.35 6.43 50 81.80 1.96
1
1