化学实验室实验：简易的滴定终点判定－两点电位法（Two-point Potentiometric Titration）〔I〕？

 

学生讲义之一（Student Handout I）

实验介绍

本实验採用简易型酸硷度计、PE滴管、10.00 mL的量筒、已标定的NaOH标準溶液及自製小型电磁搅拌器（图一的左图和右图），作为酸硷滴定的装置。并且透过两点电位法酸硷滴定，来测定食用醋中醋酸的浓度。

图一 简易型酸硷度计、PE滴管、量筒及自製小型电磁搅拌器

使用NaOH标準溶液测定食用醋中醋酸的浓度，是属于酸硷滴定中－强硷滴定弱酸－的类型，当量点pH ＞ 7。传统上，採用酸硷指示剂判定滴定终点。本实验採用两点电位法来判定滴定终点，与指示剂法不同。两点电位法是在滴定接近当量点前，记录两组滴定体积和pH值的数据（V₁，pH₁ 和V₂，pH₂ )，透过下面推导的最后式子[式9]，计算出在当量点所需要的NaOH标準溶液的真正体积，并藉由化学计量计算出食用醋中乙酸的浓度。

本实验以NaOH标準溶液测定食用醋中醋酸的浓度为例，说明两点电位法在当量点时推导所需NaOH标準溶液的体积之过程。在此，假设醋酸（CH₃COOH）的初浓度为C₀，待测液体积为V₀ ；而且假设NaOH标準溶液的初浓度为C。在当量点时，所消耗NaOH标準溶液的体积设为V_e，依酸硷中和公式，酸和硷的莫耳数相等，可得[式1]：

C₀×V₀ = C×V_e [式1]

在当量点前，加入NaOH标準溶液的体积设为V，此时溶液形成CH₃COOH－CH₃COONa的缓冲溶液。为了计算在当量点前缓冲溶液各物种的pH值，进而推导在当量点时所需要NaOH标準溶液的体积。首先，知道在当量点前缓冲溶液各物种的莫耳数。

CH₃COOH? ?+? ?NaOH? ?→? ?CH₃COONa? ?+? ?H₂O

起始时CH₃COOH莫耳数? ?? ?C₀×V₀
当量前使用NaOH莫耳数? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???C×V
当量前CH₃COOH莫耳数 (C₀×V₀) – (C×V)
当量前CH₃COONa莫耳数? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?C×V

然后，确定在当量点前缓冲溶液CH₃COOH和CH₃COONa的浓度，分别如[式2]和[式3]所示。

接下来，计算缓冲溶液的pH值，如下所述。先利用缓冲溶液的Henderson–Hasselbalch equation，如[式4]所示。再代入[式2]和[式3]到[式4]，求得此时溶液的pH值，如[式5]所示。

在接近当量点前，记录两组滴定体积和pH值的数据（V₁，pH₁ 和V₂，pH₂ )，代入[式5]中，分别得下列[式6]及[式7]：

此时[式7]减[式6]，可得下列[式8]：

最后，整理[式8]，可得在当量点时所需要NaOH标準溶液的体积（V_e），得到[式9]。

自製小型电磁搅拌器

A. 使用器材

1. 电脑散热风扇??1个/组
2. LM317(三端子可调整稳压IC)??1个/组
3. 220欧姆电阻??1个/组
4. 1000欧姆可变电阻??1个/组
5. 9伏特电池盒（附开关，含9V乾电池）??1套/组
6. 快乾胶??2条/班
7. 小型麵包板??1个 /组
8. 跳线??数条/组
9. 小磁铁 2枚/组
10. 扁平纸盒或塑胶盒（如1号滤纸空盒）??1个/组
11. 塑胶容器（小型）??1个/组
12. 小磁石??1个/组

B. 组装过程

1. 依照图二的线路图，布线相关电子零件于麵包板上，完成电磁搅拌器的控制电路。

图二 电磁搅拌器的控制电路

2. 以快乾胶对称黏贴两块小磁铁在电脑散热风扇的背面上。黏贴时，一块小磁铁的S极朝上与另一块N极对称朝上放置，如图三所示。

图三 黏贴两块小磁铁在电脑散热风扇的背面上

3. 在扁平纸盒或塑胶盒（如1号滤纸空盒）的一边割出一个小洞以导出电线，再黏贴散热风扇组在扁平盒内。连接散热风扇电源排线至电磁搅拌器的控制电路上，并且连接控制电路到一个9伏特电池盒（附开关，含9V乾电池），形成一个自製小型电磁搅拌器，如图四所示。

图四 自製小型电磁搅拌器

C. 操作说明

1. 放置一个小磁石到一个含有待测液的塑胶容器中，并放置于自製小型电磁搅拌器的正上方，如图五所示。

图五 待测液在塑胶容器中

2. 调整控制电路中的可变电阻，以调整适当的搅拌速率，如图六所示。

图六 调整可变电阻以控制搅拌速率

3. 準备一支PE滴管、一支10.00 mL的量筒、待测液的塑胶容器及自製小型电磁搅拌器，完成滴定实验的準备工作，如图七所示。

图七 滴定实验的装置

连结：简易的滴定终点判定－两点电位法（Two-point Potentiometric Titration）〔II〕