微量化學實驗:碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定(上)/ 黎渝秀、簡菀萱、范祺展

星期日 , 3, 七月 2016 Leave a comment

微量化學實驗:碘化亞銅的微量檢驗
和硫酸銅的微量滴定(上)

黎渝秀*、簡菀萱、范祺展

國立中央大學附屬中壢高級中學
*candy@clhs.tyc.edu.tw

n  前言

在實施國立中央大學附屬中壢高級中學的彈修課程「化學發想與實作」時,學生進行硫酸銅與碘化鉀的反應。剛開始,他們以為產物是硫酸鉀與碘化銅,他們沒想到加入過量的碘化鉀時,卻產生灰白色沉澱物和像碘酒般的溶液,這特殊的反應引起學生的好奇。經文獻探討,灰白色沉澱是碘化亞銅沉澱,而像碘酒般的溶液為三碘錯離子。

為呼應綠色化學實驗減量和減廢的原則,以及落實環境保護和永續經營的理念,我們參考微量滴定的實驗,改善滴定管不易攜帶且價格昂貴的缺點。我們設計的實驗改用注射針筒進行微量氧化還原滴定,並比較其與傳統滴定管實驗的準確值。此外,產生碘化亞銅的沉澱以針筒進行簡單過濾和減壓抽濾,以進行三碘錯離子的微量檢驗。

n  原理

還原劑是一類具有還原性的物質,亦即失去電子的物質;反之,氧化劑是一類具有氧化性的物質,亦即接受電子者。在硫代硫酸鈉與三碘離子(或碘分子)的反應中,硫代硫酸鈉為還原劑,而三碘離子(或碘分子)氧化劑。利用此特性,我們分成兩部分,首先是硫代硫酸鈉溶液的標定,另一部分是以標定過的硫代硫酸鈉溶液測定未知濃度的硫酸銅溶液。

(一)   硫代硫酸鈉溶液的標定

精秤碘酸鉀固體與過量碘化鉀溶液混合,再加入強酸使氧化產生碘分子,如式[1]所示。

IO3(aq) + 5 I(aq) + 6H+(aq) → 3I2(s) +3H2O(l)    [1]

而過量的碘化鉀溶液會與產生的碘分子形成三碘錯離子,如式[2]所示。

I(aq) + I2(s) → I3(aq)  K1 = 770    [2]

再以硫代硫酸鈉溶液滴定產生的三碘錯離子至溶液變為淡黃色時,加入澱粉指示劑,溶液呈藍色,直至達當量點時,藍色消失,其反應如式[3]所示:

I3(aq) + 2S2O32(aq) → 3I(aq) + S4O62(aq)    [3]

由式[1]~ [3]得知碘化鉀(KIO3)與硫代硫酸鈉的莫耳數比為16,因而硫代碘酸鈉的濃度可以用碘化鉀來標定。

(二)   測定未知濃度的硫酸銅溶液

理論上,Cu2+I不易進行氧化還原反應,而生成Cu+I2,如式[4]所示。

2Cu2+(aq) + 2I(aq) 2Cu+(aq) + I2(s)    [4]

然而,若存在過量的I,會與生成的I2進行反應,生成I3,如式[2]所示。

I(aq) + I2(s) → I3(aq)  K1 = 7 70    [2]

接著,ICu+反應,生成灰色的CuI沉澱,此反應的平衡常數很大,如式[4]所示。

I(aq) + Cu+(aq) CuI(s)  K2 = 1 × 1012    [5]

綜合反應式[2][4][5]得知Cu2+可與I進行氧化還原反應,產生clip_image002CuI沉澱與紅棕色的I3,此反應幾乎完全,如式[6]所示。

2Cu2+(aq) +5I(aq) 2CuI(s) + I3(aq)    [6]

對於生成clip_image004的定量分析,通常以標定的硫代硫酸鈉進行氧化還原滴定來完成,其反應可視為完全反應,如式[3]所示

I3(aq) + 2 S2O32(aq) → 3I(aq) + S4O62(aq)    [3]

白色沉澱的CuI繼續與硫代硫酸鈉反應,溶液中Cuclip_image006會逐漸變少,最後整個溶液澄清透明,而形成Cu(S2O3)23錯離子,如式[7]所示

CuI(s) + 2S2O32(aq) → Cu(S2O3)23(aq) + I(aq)    [7]

n  藥品與器材

(一)   微量實驗方面

A.    藥品每組用量:碘酸鉀(clip_image008 0.0220.2 M五水硫酸銅(clip_image010 25 mL1 M碘化鉀(clip_image012 25 mL0.1 M硫代硫酸鈉(clip_image014 100 mL1% 澱粉試液1 M 硫酸 25 mL寬版麵條1條(寬約0.5cm)。

B.     器材每組用量:針筒(5 mL 3針筒(12 mL 2針筒(20 mL 2錐形瓶(50 mL 4燒杯(50 mL 4棉花 若干容量瓶(25 mL 3個、容量瓶(100 mL 1個、試管3個。

C.     配製0.1 M硫代硫酸鈉:秤取2.482 gclip_image016 50 mL燒杯中,加入5 mL蒸餾水使之溶解,並倒入25 mL的量瓶內,再以蒸餾水約5 mL清洗燒杯三次,將洗液倒入量瓶內,最後加蒸餾水至量瓶內100 mL刻度。(真正濃度將進行標定)

D.    配製0.2 M硫酸銅:秤取1.250克(0.005 mol)的五水硫酸銅(式量250.0)至50 mL燒杯中,加入5 mL蒸餾水使之溶解,並倒入25 mL的量瓶內,再以蒸餾水約3 mL清洗燒杯三次,將洗液倒入量瓶內,最後加蒸餾水至量瓶內25 mL刻度即可。

(二)   傳統實驗方面

A.    藥品每組用量:碘酸鉀(clip_image008 0.0880.2 M五水硫酸銅(clip_image010 100 mL1 M碘化鉀(clip_image012 100 mL0.1 M硫代硫酸鈉(clip_image014 250 mL1% 澱粉試液1 M 硫酸 100 mL

B.     器材每組用量:吸量管(5 mL10 mL20 mL 2錐形瓶(250 mL 4燒杯(100 mL 4滴定管 1容量瓶(100 mL3個、容量瓶(250 mL 1個、濾紙若干、漏斗2個、試管3個。

C.     配製硫代硫酸鈉溶液:秤取6.205克(0.025 molclip_image018式量248.19100 mL燒杯中,加入20 mL蒸餾水使之溶解,並倒入250 mL的量瓶內,再以蒸餾水約5 mL清洗燒杯三次,將洗液倒入量瓶內,最後加蒸餾水至量瓶內250 mL刻度即可。(真正濃度將進行標定)

D.    配製硫酸銅溶液:秤取5.0克(0.020 g)五水硫酸銅clip_image020式量250.0100 mL燒杯中,加入30 mL蒸餾水使之溶解,並倒入100 mL的量瓶內,再以蒸餾水約10 mL清洗燒杯三次,將洗液倒入量瓶內,最後加蒸餾水至量瓶內100 mL刻度即可。

n  研究目的

1.        以自製過濾筒取代漏斗進行簡單過濾及減壓抽濾。

2.        以針筒取代滴定管進行微量滴定,並比較其準確度。

3.        比較「微量實驗」與「傳統實驗」在微量檢驗方面的差異。

4.        比較「微量實驗」與「傳統實驗」在微量滴定方面的差異。

n  研究過程與方法

一、  檢驗碘化亞銅

(一)   微量檢驗

1.        準備兩支試管,先以5 mL的針筒吸取1 mL的蒸餾水,然後分別滴加2滴的0.2 M CuSO44滴的1 M KI,使其充分反應,記錄顏色變化。(註:若滴數不易控制,以CuSO4溶液:KI溶液 = 12的體積比例加入)

2.        在試管甲中,加入2 mL的乙酸乙酯,使其充分搖盪,觀察並記錄顏色變化。

3.        在試管乙中,以滴管吸取Na2S2O3溶液,逐滴地滴入,一邊滴一邊攪拌。若沈澱呈灰白色或灰黑色,表示其中仍有碘晶體(黑色)存在,持續加入Na2S2O3溶液,直到沉澱物呈白色,繼續滴加直至溶液澄清透明。記錄加入滴數並觀察變化現象。(見圖一)

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圖一:碘化亞銅的微量檢驗流程

(二)   傳統檢驗

1.        在微量檢驗的步驟1中,2滴的0.2 M硫酸銅的用量改為0.2 mL4滴的1 M KI改為4 mL

2.        重覆微量檢驗的2~3步驟,記錄滴數並觀察變化現象。

二、  標定硫代硫酸鈉溶液

(一)   以針筒微量滴定

1.        取一支10 mL的針筒,盛裝0.1 M Na2S2O3作為微量滴定管,記錄起始刻度V1

2.        秤取約0.022克(依實際數值記錄)的clip_image024,放入50 mL的錐形瓶中,加入約5 mL蒸餾水,使之溶解。然後加入1.0 mL1 M KI1.2 mL1 M H2SO4(見圖二)。

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圖二:精秤碘酸鉀過量碘化鉀及硫酸加入錐形瓶中形成三碘錯離子紅棕色溶液

3.        將上述溶液移至針筒下方,以0.1 M Na2S2O3滴定至淡黃色(見圖三左),此時再加入0.5 mL的澱粉指示劑(見圖三中),繼續滴定至藍色消失為止,記錄最後刻度V2(見圖三右)。
註:澱粉指示劑不先加入係因澱粉碘錯合物的分離慢且澱粉在酸中不穩定,開始標定時,碘分子的濃度太高,可逆性反應差,因此先用一些Na2S2O3溶液,消耗一些碘分子。

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圖三:三碘錯離子與硫代硫酸鈉反應:溶液顏色逐漸變淡黃色();再加澱粉指示劑,溶液變為藍黑色();直至當量點溶液變為無色()

(二)   以滴定管傳統滴定

1.        以上述微量實驗的用量放大4倍量,KI的用量改為0.088克(依實際數值記錄),放入250 mL的錐形瓶中。加入20 mL蒸餾水,使之溶解。然後添加4.0 mL1 M KI4.8 mL1 M H2SO4

2.        移至盛裝Na2S2O3的滴定管下方,記錄起始刻度V1。以0.1 M Na2S2O3滴定至淡黃色,此時再加入2.0 mL的澱粉指示劑,繼續滴定至藍色消失為止,記錄最後刻度V2

三、  測定未知濃度硫酸銅

(一)   以針筒微量滴定

1.        5 mL的針筒3支,分別吸取0.2 M2.0 mLCuSO45 mL的蒸餾水,1 M2.4 mLKI50 mL燒杯中,使其充分反應。靜置混合液1分鐘,使沉澱物沉降至容器底部(見圖四)。

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圖四:靜置使沉澱物沉降

2.        20 mL的針筒,製作過濾筒。製作方式:針筒中塞入棉花約至10 mL處,加一些蒸餾水,使棉花潤溼,再以活塞壓實,使之緊密(見圖五)。

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圖五:簡易過濾筒

3.        將上述溶液倒入過濾筒中,以少量蒸餾水沖洗至濾液為無色為止。收集約20 mL的濾液至錐形瓶(見圖六)。(註:若流速較慢時,可塞入針筒活塞以減壓抽氣原理,慢慢推壓進行過濾,若濾液有混濁現象,則進行第二次過濾。)

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圖六:微量過濾時,瓶內為紅棕色濾液,而棉花上為灰白色沉澱

4.        上述溶液移至盛裝0.1 M Na2S2O3的針頭開口下方,記錄起始刻度V1。以Na2S2O3溶液滴定至呈現淡黃色,此時加入0.5 mL的澱粉指示劑,繼續滴定至藍色消失為止,記錄最後刻度V2。(註:澱粉碘錯合物反應可逆性佳,故需靜置1分鐘觀察是否褪色,確定不再變色,即達滴定終點。)

5.        重覆1~4,將步驟4中的澱粉改為約2 cm長的寬版麵條,繼續滴定至寬麵條藍色消失為止,記錄體積(見圖七)。(註寬版麵條會呈藍黑色,當溶液變透明時,寬版麵條仍未褪色,請繼續緩慢滴加,並充分攪勻至寬版麵條褪色為止。)

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圖七:滴定紅棕色濾液:首先滴定至濾液為淡黃色(左);加入麵條,麵條呈藍黑色(中);繼續滴加至麵條褪色為止()

6.        計算Na2S2O3溶液滴定所消耗的莫耳數,由平衡方程式中,求得濾液中I3的莫耳數,因而求得未知濃度硫酸銅的濃度。

(二)   以滴定管傳統滴定

1.          將步驟1中的試劑放大5倍量,放置於100 mL的燒杯中,使其充分反應。混合液靜置1分鐘,以漏斗進行簡單重力過濾(見圖八)。

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圖八:簡單重力過濾

2.          移至盛裝裝0.1 M Na2S2O3的滴定管尖口下方,記錄起始刻度V1。以Na2S2O3溶液滴定至溶液為淡黃色,此時加入2.0 mL的澱粉指示劑,繼續滴定至藍色消失為止,記錄最後刻度V2(見圖九)。

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圖九:硫代硫酸鈉溶液滴加紅棕色濾液(左);直到呈現淡黃色(中);添加澱粉使之呈藍黑色,繼續滴加至濾液藍色消失為止(右)。

 

〔續《微量化學實驗:碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定(下)》

 

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