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, 7 月 2016 編輯助理本期專題, 第14期 / 2016年7月留言功能已關閉

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。