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

[I]　　  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：

　　　　HNO_3(aq) + NaOH_(aq) ----> NaNO_3(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：

　　　　H₂CO_3(aq) + 2NaOH_(aq) ----> 2H₂O_(l) + CO₃^2-_(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：

H₂CO_3(aq) ----> H⁺_(aq) + HCO₃^-_(aq),　　　　 K_a1 = 4.3 x10^-7 　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

　　　　HCO₃^-_(aq) ----> H⁺_(aq) +　　　　CO₃^2-_(aq),　　　　　　K_a2 = 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：

　　　　CO₃^2-_(aq) +　 H₂O_(l) ----> HCO₃^-_(aq) + OH^-_(aq)，　　　K_b1 = 2.1 x10^-4　　　　　(5)

　　　　HCO₃^-_(aq) + H₂O_(l) ----> H₂CO_{3(aq) )} + OH^-_(aq)，　　　K_b2 = 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：

1.　　　　  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：_____________________。

2.　　  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：_____________________。

4.　　  於錐形瓶下襯入一張白紙，再將玻璃電極(pH儀)置入溶液內。

5.　　  逐滴加入鹽酸溶液；記錄刻度與pH值。

6.　　  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：

(1)　　　 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：_____________________。

(4)　  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）

(5)　  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：

(6)　 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