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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
*[email protected]
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1:6,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+與I–不易進行氧化還原反應,而生成Cu+和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,I–與Cu+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CuI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]
若白色沉澱的CuI繼續與硫代硫酸鈉反應,溶液中Cu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() 0.022克、0.2 M五水硫酸銅(
) 25 mL、1 M碘化鉀(
) 25 mL、0.1 M硫代硫酸鈉(
) 100 mL、1% 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支、針筒(12 mL) 2支、針筒(20 mL) 2支、錐形瓶(50 mL) 4支、燒杯(50 mL) 4支、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 g的 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() 0.088克、0.2 M五水硫酸銅(
) 100 mL、1 M碘化鉀(
) 100 mL、0.1 M硫代硫酸鈉(
) 250 mL、1% 澱粉試液、1 M 硫酸 100 mL。
B. 器材每組用量:吸量管(5 mL、10 mL、20 mL) 各2支、錐形瓶(250 mL) 4支、燒杯(100 mL) 4個、滴定管 1支、容量瓶(100 mL)3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 mol)的式量248.19)至100 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)五水硫酸銅式量250.0)至100 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 CuSO4、4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 = 1:2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)
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 mL,4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,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 mL的1 M KI和1.2 mL的1 M H2SO4(見圖二)。
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。
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(左);再加澱粉指示劑,溶液變為藍黑色(中);直至當量點溶液變為無色(右)。
(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 mL的1 M KI和4.8 mL的1 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. 以5 mL的針筒3支,分別吸取0.2 M、2.0 mL的CuSO4,5 mL的蒸餾水,1 M、2.4 mL的KI於50 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)。
圖四:靜置使沉澱物沉降
2. 以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)。
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。)
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。)
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(右)。
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)。
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)。
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)》〕