臺灣化學教育

草酸鎂溶解度積常數測定的改良實驗

陳欣怡*、李晨君、戴珮玲

新北市立中和高級中學
*[email protected]

 

n  前言

本實驗試圖改良草酸鎂溶解度積常數測定的實驗方法，先以三碘離子代替過錳酸鉀滴定草酸根離子，測量草酸根離子的濃度，求出草酸鎂濃度積常數；再利用滴定過的溶液以氫氧化鈉滴定，測量鎂離子濃度，求出草酸鎂的溶解度積常數。藉由此兩個實驗，可雙重確認其實驗數據的準確性，且符合綠色化學的定義，把對人體和環境危害較大的藥品，替換成較無危害的藥品，既能測定草酸鎂濃度，又不會對環境造成太大影響，真是一舉兩得。

n  原理和概念

一、課本原設計實驗

在基礎化學（三）課本中，草酸鎂的溶解反應如式[1]所示，其溶解度積常數的表示如[2]所示。

MgC₂O₄(s)⇌Mg²⁺(aq)+C₂O₄^2‒(aq)[1]

K_sp=[Mg²⁺][C₂O₄^2‒][2]

課本原設計實驗有兩個部分：第一部分為先將草酸鎂溶解，過濾溶液，秤未溶的草酸鎂的量，求草酸鎂溶解度，再求其溶解度積，但此法因實驗過程中容易因過濾與乾燥等問題造成大誤差。第二部分是利用過錳酸鉀滴定草酸根離子，紀錄滴定過程中消耗的過錳酸鉀莫耳數，可推算草酸鎂溶液中草酸根離子的濃度，藉此求草酸鎂的溶解度積常數，其反應如式[3]所示。

2MnO₄(aq)+5C₂O₄^2‒(aq)+16H⁺(aq)→2Mn²⁺(aq)+10CO₂(g)+8H₂O(l)[2]

草酸鎂溶解度積常數的使用藥品，如表一所示。過錳酸鉀和硫酸的害處，如下所示。

表一：草酸鎂溶解度積常數的使用藥品

(一)   過錳酸鉀的害處

1.        其誤食有害。

2.        接觸過量稀溶液可能造成嚴重皮膚灼傷和眼睛損傷；濃溶液具強腐蝕性，長期暴露會影響中樞神經系統，記憶及判斷會有困難、情緒不穩。400mg/Kg影響生育力。

3.        對水生生物毒性非常大並具有長期持續影響。

(二)   硫酸的害處

1.        健康危害：對皮膚、粘膜等組織有強烈的刺激和腐蝕作用。蒸氣或霧可引起呼吸道刺激，重者發生呼吸困難和肺水腫；對眼睛可引起結膜炎、水腫等，以致失明。慢性影響：牙齒酸蝕症、慢性支氣管炎、肺氣腫和肺硬化。含硫酸的無機酸霧滴具致癌性。

2.        環境危害：對環境有危害，對水體和土壤可造成酸化污染。

二、改良實驗

圖一：改良實驗的概要圖

(一)      原課本設計實驗A：以碘直接滴定草酸根離子

在此氧化還原滴定中，利用草酸根離與三碘離子的氧化還原反應（見式[4]），以澱粉為指示劑，當滴定達到終點時，澱粉的螺旋結構的內部空間，恰能容入碘分子加上碘分子與澱粉間以凡得瓦力固定為一複合物，因此溶液呈現紫藍色，如圖二所示。再利用三碘離子濃度×體積 = 草酸根離子濃度×體積，求草酸根離子濃度，帶入式[5]，求得草酸鎂溶解度積常數。

C₂O₄^2‒(aq)+I₃^‒(aq)→2CO₂(g)+3I^‒(aq)[4]

K_sp＝[Mg²⁺][C₂O₄^2‒]＝[C₂O₄^2‒]²[5]

圖二：澱粉與三碘錯離子形成錯合物

（圖片來源：StarchandIodine,http://goo.gl/0YHlQ7.）

(二)      改良實驗A：以碘直接滴定改為以硫代硫酸鈉間接滴定

因為課本原設計實驗A的變色速率過快，無法準確的判讀使用量，所以作此修正。改良方式：加入過量的三碘離子到飽和的草酸鎂溶液中，使碘分子與草酸根離子充分反應，此時溶液呈黃褐色。過多的三碘離子以硫代硫酸鈉滴定，其反應如式[6]所示。當溶液的紫藍色消失時，意味著碘單質已反應完畢，即到達滴定終點。草酸根離子的濃度計算如[7]所示。草酸鎂溶解度積常數的計算式[8]所示。

I₃^‒(aq)+2S₂O₃^2‒(aq)→S₄O₆^2‒(aq)+3I^‒(aq)[6]

草酸根離子濃度×體積 =三碘離子濃度×體積×2‒硫代硫酸鈉濃度×體積[7]

K_sp=[Mg²⁺][C₂O₄^2‒]= [C₂O₄^2‒]²[8]

(三)           改良實驗B：再以氫氧化鈉滴定鎂離子

氫氧根離子會與鎂離子產生氫氧化鎂溶液，其反應如[9]所示。而氫氧化鎂溶液是一種膠體溶液。當一束光線透過膠體，從入射光的垂直方向可觀察到一條直線光亮的光束，這種現象稱為廷得耳效應。因此滴定達到終點時，會產生一條明顯的光束。鎂離子的濃度計算如[10]所示。草酸鎂溶解度積常數的計算式[11]所示。

Mg²⁺(aq)+2OH^‒(aq)→Mg(OH)₂(g)[9]

氫氧化鈉濃度×體積= 2×鎂離子濃度×體積[10]

K_sp=[Mg²⁺][C₂O₄^2‒]= [Mg²⁺]²[11]

n  實驗器材與試劑

表二：改良草酸鎂溶解度積常數實驗的藥品

表三：改良草酸鎂溶解度積常數實驗的儀器

n  實驗步驟

一、   原課本設計實驗A：以碘直接滴定草酸根離子

1.        取2g的草酸鎂，加入500mL的蒸餾水，並用濾紙過濾取得飽和草酸鎂溶液。

2.        取0.12g的碘，加入50mL蒸餾水，加入KI以讓碘溶解於水中，倒入100.00mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度線並混合均勻，配置濃度為4.72 × 10^‒3M。

3.        取步驟2配好的溶液先潤洗滴定管，再把滴定管裝滿。

4.        取10.00 mL飽和草酸鎂，倒入錐形瓶，加入少許澱粉後，浸入熱水中加熱至60℃。

5.        趁熱滴定，並記錄其用量。此時溶液顏色呈藍色，如圖三所示。

6.        重複步驟4~5，並記錄其用量。

圖三：原課本設計實驗A滴定結束時的情況

二、   改良實驗A：以碘直接滴定改為以硫代硫酸鈉間接滴定

1.        取2.00g的草酸鎂，加入500mL的蒸餾水，並用濾紙過濾取得飽和草酸鎂溶液。

2.        取0.12g的碘，加入50mL蒸餾水，加入KI以讓碘溶解於水中，倒入100mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度線並混合均勻，配置濃度為4.72 × 10^‒3M。

3.        取1.24g硫代硫酸鈉，加少量蒸餾水溶解，倒入100.00mL容量瓶中，加入蒸餾水至刻度線。

4.        先以硫代硫酸鈉溶液潤洗滴定管，再置入其中。

5.        取10.00mL的飽和草酸鎂，倒入錐形瓶，浸入熱水中加熱至60℃。

6.        加入10.00mL的三碘離子於草酸鎂中，此時溶液呈黃褐色。

7.        以硫代硫酸鈉滴定之，滴定達到終點時，呈現透明，如圖四所示。

8.        重複上述5~8並記錄，算出草酸鎂溶解度積常數。

圖四：改良實驗A以硫代酸鈉滴定

三、   改良實驗B：再以氫氧化鈉滴定鎂離子

1.        取0.4g氫氧化鈉，加入少量蒸餾水使溶解，倒入100mL容量瓶，加蒸餾水至刻度。

2.        以氫氧化鈉溶液潤洗滴定管

3.        取改良實驗A以硫代硫酸鈉間接滴定後的10mL澄清溶液，加10mL的蒸餾水。

4.        用重物壓住紅外線比的開關，使其一直照著溶液，如圖五左所示。

5.        滴定過程不斷搖晃錐形瓶，達終點時，成一條紅線，如圖五右所示。

6.        重複上述3~5，紀錄並算出鎂離子濃度並算出草酸鎂溶解度積常數。

 

圖五：以氫氧化鈉滴定前的照光（左）；達滴定終點時的光束（右）

n  結果與討論

一、   實驗結果

(一)      原課本設計實驗A（以碘直接滴定草酸根離子）：顏色變化迅速，不易觀察。無法準確判斷滴定終點。

(二)      改良實驗A（以硫代硫酸鈉間接滴定，測定草酸根濃度）：實驗結果如表四所示。

表四：以硫代硫酸鈉間接滴定的實驗結果

(三)   改良實驗B（再以氫氧化鈉滴定硫代硫酸鈉間接滴定後的澄清溶液，測定鎂離子濃度）：實驗結果如表五所示。

表五：以氫氧化鈉滴定的實驗結果

二、   實驗討論

(一)以碘取代過錳酸鉀，達成綠色化學12項原則：設計更有效，使用低毒或無毒的化合物、降低危險和思危。

1.        原課本的實驗使用過錳酸鉀溶液，雖然用量不大，但是因廢棄物與生成物的毒性較強，而選擇改用污染小的碘來滴定。其原因有：碘分子毒性較弱；再者，其生成物為碘離子，不會造成汙染，符合降低危險的原則。

2.        若不需使用過錳酸鉀，就不須擔心其強氧化性與自燃的現象，可以達到避免存放危險物使達思危的效果。

3.        原課本的實驗時需使用20mL 的2M硫酸，若改用碘分子就不需要，可以達到減毒的效果，使實驗過程更加安全。

4.        原實驗配製100mL 的0.02M過錳酸鉀溶液，需要用到0.36g。改良的設計，只要使用0.12g的碘當作反應物，此用量是原實驗的1/3而已，達到減毒減量的功效。

5.        利用氫氧化鈉滴定實驗，取原來硫代硫酸根離子的間接滴定實驗後的澄清溶液，再以氫氧根離子滴定，求鎂離子濃度。如此一來，一杯樣品同時進行兩階段的實驗，分別得兩組數據除了可互相驗證，還可以達到減量的效果。

(二)   實驗誤差

直接滴定較不易判定滴定終點，間接滴定比較好觀察。根據實驗結果，改良的兩階段實際測得的溶解度積常數分別為6.56×10^‒5和6.4×10^‒5，與理論的8.1×10^‒5並沒有造成大的誤差。

n  廢棄物處理和安全注意事項

本實驗中使用的碘、氫氧化鈉及硫代硫酸鈉的濃度皆很低。若是實驗操作時接觸到皮膚，以大量清水沖洗即可。若擔心氫氧化鈉濃度過高，則可以以稀釋使用。

n  教學提示

l  本實驗教學時間可彈性調整，可以只執行其中一種或兩階段的實驗皆進行。

l  本實驗使用的指示劑用量極少，因此汙染性極低。

n  結語

本實驗設計希望引入生活常見的物質到化學實驗設計中，原理涉及包含認識廷得耳效應、膠體溶液及碘的顏色變化等。從綠色化學創意競賽起，深覺這活動意義甚大，於是著手改良課本的實驗並鼓勵學生參與競賽活動。藉由這項活動，漸漸植入本校學生的心中化學不一定等於有毒或環境汙染的概念，其中校內課程實驗或活動設計均採取主要是融入綠色化學的十二項原則為主，使用微量或少量的藥品，成本低廉，準備方便，且對環境影響小。

而這實驗的改良也許不是最佳，仍須持續努力，期待完成效果更好、節能與生活處處是化學的目標。圖六為本校學生在綠色化學創意競賽頒獎典禮。

圖六：綠色化學創意競賽頒獎典禮

n  參考資料

1.        翰林版，基礎化學（三），第三章化學平衡。

2.        過錳酸鉀物質安全資料，http://web.thu.edu.tw/joie/www/MSDS/054.PDF。

3.        硫酸物質安全資料，http://www.nfc.nctu.edu.tw/safety/MSDM/MSDS-H2SO4_cht.pdf。

4.        翰林版，選修化學（上），第三章溶液─廷得耳溶液。

5.        翰林版，選修化學（上），第五章氧化還原。

6.        科學Online，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress。

7.        綠色化學十二項原則，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=49978。

8.        StarchandIodine,http://goo.gl/0YHlQ7.