滴定究竟在測量甚麼?
一瓶鹽酸的濃度標籤脫落了。你可以量取 25.00 mL 的鹽酸,但這只能告訴你它的體積。你還需要知道它的濃度。 假設你慢慢加入已知濃度的氫氧化鈉,直到鹽酸恰好被完全中和。如果需要加入 18.60 mL 的氫氧化鈉,這個體積究竟告訴了你甚麼? 繼續閱讀之前,先作出預測:你能否直接說,25.00 mL 鹽酸所含的莫耳數,與 18.60 mL 鹼液所含的莫耳數相同? 有時可以,但並非總是如此。 這就是滴
一瓶鹽酸的濃度標籤脫落了。你可以量取 25.00 mL 的鹽酸,但這只能告訴你它的體積。你還需要知道它的濃度。
假設你慢慢加入已知濃度的氫氧化鈉,直到鹽酸恰好被完全中和。如果需要加入 18.60 mL 的氫氧化鈉,這個體積究竟告訴了你甚麼?
繼續閱讀之前,先作出預測:你能否直接說,25.00 mL 鹽酸所含的莫耳數,與 18.60 mL 鹼液所含的莫耳數相同?
有時可以,但並非總是如此。
這就是滴定計算的核心概念。測量所得的體積讓你計算莫耳數,但酸與鹼之間的莫耳數關係,必須由配平的化學方程式決定。
01滴定究竟在測量甚麼?
想像有兩組人參加一場規則非常嚴格的派對。
一組代表酸,另一組代表鹼。它們按照化學方程式所決定的固定比例發生反應。當其中一組到場的人數恰好足以與另一組所有人配對時,就達到了當量點(equivalence point)。
酸鹼滴定的目的,就是找出這個當量點。
以簡單的強酸與強鹼反應為例:
\[
\ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)}
\]
化學計量係數的比例為 1:1。一莫耳 \(\ce{HCl}\) 與一莫耳 \(\ce{NaOH}\) 反應。
對於硫酸與氫氧化鈉:
\[
\ce{H2SO4(aq) + 2NaOH(aq) -> Na2SO4(aq) + 2H2O(l)}
\]
現在比例變成 1:2。一莫耳 \(\ce{H2SO4}\) 與兩莫耳 \(\ce{NaOH}\) 反應。
因此,在當量點時,酸與鹼的莫耳數相等並不是普遍適用的規則。真正的依據是配平的化學方程式。
派對的比喻很有用,因為它讓配對過程容易想像。不過,這個比喻也有其局限:離子並不是逐一選擇反應對象,而酸鹼反應是透過溶液各處的粒子碰撞與質子轉移進行的。
02滴定計算的四個步驟
幾乎所有 HSC 滴定計算都可以整理成四個步驟:
- 寫出配平的化學方程式。
- 計算已知濃度溶液的莫耳數。
- 利用莫耳比求出未知物質的莫耳數。
- 利用該莫耳數及未知溶液的體積,計算其濃度。
最常用的兩個公式是:
\[
n = cV
\]
以及
\[
c = \frac{n}{V}
\]
其中:
- \(n\) 是物質的量,以莫耳(mol)為單位
- \(c\) 是濃度,以 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) 為單位
- \(V\) 是體積,以公升(L)為單位
最容易出錯的細節是體積單位。滴定體積通常以毫升(mL)記錄,但使用 \(n=cV\) 時,體積必須以公升表示。
因此:
\[
18.60\text{ mL} = 0.01860\text{ L}
\]
可靠的換算方法是將毫升數除以 1000。
03為甚麼必須先寫出配平的化學方程式?
有些學生會背誦以下捷徑公式:
\[
c_\text{酸}V_\text{酸}=c_\text{鹼}V_\text{鹼}
\]
但這個公式只適用於酸與鹼以 1:1 莫耳比反應的情況。
它適用於:
\[
\ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O}
\]
但不適用於:
\[
\ce{H2SO4 + 2NaOH -> Na2SO4 + 2H2O}
\]
更安全的方法是每次都先計算莫耳數。這只需要多寫一行,卻能避免非常常見的化學計量錯誤。
計算範例:求鹽酸的濃度
取 25.00 mL 鹽酸樣本,以 \(0.1500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氫氧化鈉進行滴定。相互吻合的滴定值平均為 18.60 mL。計算鹽酸的濃度。
反應方程式為:
\[
\ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)}
\]
步驟 1:計算已知濃度氫氧化鈉的莫耳數。
氫氧化鈉的濃度已知,其滴定體積也已測得。
\[
\begin{aligned}
n(\ce{NaOH}) &= cV\\
&=(0.1500)(0.01860)\\
&=2.790\times10^{-3}\text{ mol}
\end{aligned}
\]
步驟 2:利用莫耳比。
根據配平的化學方程式:
\[
\ce{HCl}:\ce{NaOH}=1:1
\]
因此:
\[
n(\ce{HCl})=2.790\times10^{-3}\text{ mol}
\]
步驟 3:計算鹽酸濃度。
鹽酸體積為 25.00 mL,即 \(0.02500\) L。
\[
\begin{aligned}
c(\ce{HCl})&=\frac{n}{V}\\
&=\frac{2.790\times10^{-3}}{0.02500}\\
&=0.1116\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
因此,鹽酸濃度為 \(0.1116\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
這個結果表示,每公升這種鹽酸溶液含有 0.1116 mol 的 \(\ce{HCl}\)。
04當量點與終點並不完全相同
在計算背後,還有一個重要的實驗概念需要區分。
**當量點(equivalence point)**是指酸與鹼恰好按照化學計量比完全反應的理論位置。
**終點(endpoint)**則是實驗中觀察到、用來停止滴定的位置。使用指示劑時,通常以顏色變化判斷終點。
理想情況下,終點應非常接近當量點。

想像當量點出現在 20.00 mL,但因為你一直等待明顯的顏色變化,所以繼續加入滴定劑,直到 20.80 mL 才停止。你的計算便會把 20.80 mL 當成反應所需的化學計量體積。
但實際上並非如此。
你已經滴定過量,因此計算所得的濃度會受到影響。
誤差的方向取決於哪一種溶液的濃度未知。你應該根據計算過程推理,而不是死記答案會「偏高」還是「偏低」。
05滴定管內究竟裝甚麼?
在標準滴定實驗中,一種溶液的濃度已知,另一種溶液的濃度則未知。
從滴定管流出的溶液稱為滴定劑(titrant)。其使用體積由滴定管的最終讀數減去初始讀數得出。
被分析的溶液通常稱為待測液(analyte)。
例如:
- 待測液:25.00 mL 濃度未知的 \(\ce{HCl}\)
- 滴定劑:\(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaOH}\)
- 滴定體積:達到終點所需的 \(\ce{NaOH}\) 體積
計算方法本質上並不取決於哪一種溶液是酸、哪一種是鹼。重要的是知道其中一種溶液的濃度、測量參與反應的體積,並使用正確的莫耳比。
061:2 的反應比例會徹底改變結果
現在試著預測以下情況。
一份 20.00 mL 的硫酸樣本,需要 30.00 mL、濃度為 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氫氧化鈉才能完成滴定。硫酸的濃度是否為 \(0.1500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)?
這個結果是把反應錯誤地當成 1:1 而得到的:
\[
c_\text{酸}V_\text{酸}=c_\text{鹼}V_\text{鹼}
\]
但在硫酸與氫氧化鈉的完全反應中,每個硫酸化學式單位可以提供兩個酸性質子。
配平的化學方程式為:
\[
\ce{H2SO4(aq) + 2NaOH(aq) -> Na2SO4(aq) + 2H2O(l)}
\]
因此,所需 \(\ce{NaOH}\) 的莫耳數是 \(\ce{H2SO4}\) 的兩倍。
計算範例:硫酸滴定
取 20.00 mL 硫酸樣本,以 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氫氧化鈉滴定。平均滴定體積為 30.00 mL。計算硫酸的濃度。
步驟 1:計算氫氧化鈉的莫耳數。
\[
\begin{aligned}
n(\ce{NaOH})&=cV\\
&=(0.1000)(0.03000)\\
&=3.000\times10^{-3}\text{ mol}
\end{aligned}
\]
步驟 2:應用化學計量比。
根據:
\[
\ce{H2SO4 + 2NaOH -> Na2SO4 + 2H2O}
\]
莫耳比為:
\[
\ce{H2SO4}:\ce{NaOH}=1:2
\]
因此:
\[
n(\ce{H2SO4})=\frac{3.000\times10^{-3}}{2}
=1.500\times10^{-3}\text{ mol}
\]
步驟 3:計算酸的濃度。
\[
\begin{aligned}
c(\ce{H2SO4})
&=\frac{1.500\times10^{-3}}{0.02000}\\
&=0.07500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
硫酸濃度為 \(0.07500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
看似合理的 \(0.1500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 結果,實際上剛好大了兩倍,因為它忽略了 1:2 的反應比例。
07適用於任何化學計量比的簡潔方法
假設反應的一般形式為:
\[
aA+bB\rightarrow\text{產物}
\]
其中 \(a\) 和 \(b\) 是化學計量係數。
在當量點:
\[
\frac{n(A)}{a}=\frac{n(B)}{b}
\]
由於 \(n=cV\):
\[
\frac{c_AV_A}{a}=\frac{c_BV_B}{b}
\]
當配平方程式所表示的反應進行完全,而且測得的終點能適當對應該反應時,這個公式便成立。
它可以節省時間,但前提是你理解公式的由來。如果莫耳比讓你感到猶豫,改為逐步計算莫耳數會更穩妥。
08弱酸不代表「只有部分會反應」
假設使用氫氧化鈉滴定乙酸:
\[
\ce{CH3COOH(aq) + OH^-(aq) -> CH3COO^-(aq) + H2O(l)}
\]
有學生可能會這樣推理:
「乙酸是弱酸,所以只有一部分乙酸會電離。因此,只有已電離的部分會與氫氧根離子反應。」
這個說法聽起來合理,但其實是錯誤的。
當 \(\mathrm{H}^{+}\) 被 \(\mathrm{OH}^{-}\) 消耗時,更多乙酸會電離。平衡發生移動,使更多酸分子釋放質子。因此,在適當的滴定條件下,弱酸仍然可以按照化學計量比與強鹼反應。
重要的區別是:
- **酸的強弱(acid strength)**描述酸在平衡狀態下的電離程度
- **酸的濃度(acid concentration)**描述每公升溶液中含有多少酸
稀的強酸,其濃度可以低於濃的弱酸。
對於乙酸這類一元弱酸,在完全中和時,一莫耳酸仍然會與一莫耳氫氧根離子反應。
它的滴定曲線會與強酸不同,尤其是當量點之前及當量點時的 pH,但莫耳數之間的關係仍然由配平的反應方程式決定。
如果使用 pH 探針而非視覺指示劑,滴定曲線的形狀可以幫助你更直接地找出當量點。相關的酸鹼分析數位探針指南會進一步探討這個概念。
09相互吻合的滴定值:應使用哪些讀數?
實際滴定通常不會每次都得到完全相同的體積。
假設你得到以下結果:
| 試驗 | 滴定體積 |
|---|---|
| 粗滴定 | 24.80 mL |
| 1 | 24.32 mL |
| 2 | 24.28 mL |
| 3 | 24.30 mL |
一般應使用相互吻合的滴定值(concordant titres)計算平均值,而不是自動將所有收集到的數據都納入平均。
這裡,第 1、2、3 次試驗的結果非常接近:
\[
\begin{aligned}
\text{平均滴定體積}
&=\frac{24.32+24.28+24.30}{3}\\
&=24.30\text{ mL}
\end{aligned}
\]
粗滴定有不同的用途。它能幫助你找出終點的大約位置,讓之後的滴定可以更仔細地進行。
盲目平均全部四個數值,反而會令結果表現出的精密度變差,而不是改善。
你所在班級對「相互吻合」的具體判準,應以所教授的實驗程序為準。重要的化學概念是:與明顯的粗滴定結果或異常值相比,多次一致的測量通常能更準確地估計真正的滴定體積。
10稀釋不會改變所取樣本中的莫耳數
以下是另一個常見陷阱。
你用移液管將 25.00 mL 酸液加入錐形瓶,然後在滴定前加入 50 mL 蒸餾水。
這樣會改變中和酸液所需的鹼量嗎?
不會。
你改變了錐形瓶內酸液的濃度,但沒有改變原本由移液管轉移的酸的莫耳數。
如果加入水之前,所取的樣本含有 \(2.50\times10^{-3}\) mol 的酸,加入水之後,它仍然含有 \(2.50\times10^{-3}\) mol 的酸。
水只是讓酸粒子分散在更大的體積中,並不會產生或消滅這些粒子。
因此,假設加入的水沒有帶入任何酸或鹼,向錐形瓶加入蒸餾水不會改變符合化學計量關係的滴定體積。
11甚麼時候必須考慮稀釋?
另一種情況則不同,稀釋會對計算產生很大影響。
假設原始酸液濃度太高,不方便直接滴定。你取出其中 10.00 mL,在容量瓶中稀釋至 250.0 mL,然後取 25.00 mL 稀釋後的溶液進行滴定。
此時,滴定測得的是稀釋後溶液的濃度。
接著,你必須反向計算原始溶液的濃度。
對於稀釋:
\[
c_1V_1=c_2V_2
\]
其中:
- \(c_1\) 是稀釋前的濃度
- \(V_1\) 是稀釋前取出的體積
- \(c_2\) 是稀釋後的濃度
- \(V_2\) 是稀釋後的總體積
這個公式成立,是因為加入水不會改變轉移到容量瓶中的溶質莫耳數。
計算範例:稀釋後進行滴定
取 10.00 mL 濃度未知的鹽酸溶液,在容量瓶中稀釋至 250.0 mL。取 25.00 mL 稀釋後的鹽酸,需要 20.40 mL、濃度為 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氫氧化鈉才能中和。
計算原始鹽酸的濃度。
反應方程式為:
\[
\ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)}
\]
步驟 1:求出使用的氫氧化鈉莫耳數。
\[
\begin{aligned}
n(\ce{NaOH})
&=(0.1000)(0.02040)\\
&=2.040\times10^{-3}\text{ mol}
\end{aligned}
\]
步驟 2:求出 25.00 mL 所取樣本中的鹽酸莫耳數。
反應比例為 1:1,因此:
\[
n(\ce{HCl})=2.040\times10^{-3}\text{ mol}
\]
步驟 3:求出稀釋後鹽酸的濃度。
\[
\begin{aligned}
c_\text{稀釋後}
&=\frac{2.040\times10^{-3}}{0.02500}\\
&=0.08160\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
步驟 4:反向計算原始稀釋過程。
使用 \(c_1V_1=c_2V_2\):
\[
\begin{aligned}
c_\text{原始}(0.01000)
&=(0.08160)(0.2500)\\
c_\text{原始}
&=2.040\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
原始鹽酸的濃度為 \(2.040\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
這個較大的最終數值是合理的。因為只有 10.00 mL 原始溶液被稀釋至 250.0 mL,所以用於滴定的溶液濃度是原始溶液的二十五分之一。
12一個能避免大部分錯誤的判斷流程
看到滴定數據時,不要立即把頁面上的所有數字相乘。
依照以下順序提出問題:
| 問題 | 為甚麼重要 |
|---|---|
| 發生了甚麼反應? | 決定化學計量比 |
| 哪一種溶液的濃度已知? | 確定哪裡可以直接使用 \(n=cV\) |
| 在當量點時,有多少體積參與了反應? | 得出已知溶液參與反應的物質的量 |
| 哪個莫耳比連結這些物質? | 將已知莫耳數換算成未知莫耳數 |
| 這些未知莫耳數存在於多少體積中? | 計算濃度所必需的資料 |
| 之前是否進行過稀釋? | 可能需要換算回原始樣本的濃度 |
這個順序很重要,因為它將化學原理與算術運算清楚分開。
13常見錯誤及其原因
在 \(n=cV\) 中直接使用毫升
如果你計算:
\[
n=(0.100)(25.0)
\]
你便是把 25.0 mL 當成 25.0 L。
應改為使用:
\[
25.0\text{ mL}=0.0250\text{ L}
\]
假設酸的莫耳數等於鹼的莫耳數
只有在 1:1 反應中,兩者才相等。
對於:
\[
\ce{H2SO4 + 2NaOH -> Na2SO4 + 2H2O}
\]
在當量點時,氫氧化鈉的莫耳數是硫酸的兩倍。
將滴定管的最終讀數當成滴定體積
滴定體積為:
\[
V_\text{滴定體積}=V_\text{最終讀數}-V_\text{初始讀數}
\]
如果滴定管的初始讀數為 1.15 mL,最終讀數為 23.70 mL,則滴定體積為:
\[
23.70-1.15=22.55\text{ mL}
\]
而不是 23.70 mL。
認為加入蒸餾水會改變滴定體積
直接向錐形瓶加入水會改變濃度,但不會改變瓶中原有待測物的莫耳數。
當量條件由莫耳數決定。
認為終點與當量點在定義上完全相同
兩者有關聯,但並不是同一個概念。
當量點由化學計量關係決定,終點則是透過實驗觀察得出的。
選擇合適的指示劑,是為了讓顏色變化發生在接近當量點的位置。
14題目與解答
題目 1
取 25.00 mL 硝酸樣本,以 \(0.1200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氫氧化鉀進行滴定。平均滴定體積為 21.35 mL。
計算硝酸的濃度。
解答 1
硝酸濃度為 \(0.1025\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
反應方程式為:
\[
\ce{HNO3(aq) + KOH(aq) -> KNO3(aq) + H2O(l)}
\]
這是 1:1 的反應。
首先計算 \(\ce{KOH}\) 的物質的量:
\[
\begin{aligned}
n(\ce{KOH})
&=cV\\
&=(0.1200)(0.02135)\\
&=2.562\times10^{-3}\text{ mol}
\end{aligned}
\]
因此:
\[
n(\ce{HNO3})=2.562\times10^{-3}\text{ mol}
\]
酸的體積為 25.00 mL,即 \(0.02500\) L:
\[
\begin{aligned}
c(\ce{HNO3})
&=\frac{n}{V}\\
&=\frac{2.562\times10^{-3}}{0.02500}\\
&=0.10248\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
保留四位有效數字:
\[
c(\ce{HNO3})=0.1025\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\]
容易犯的錯誤是直接把 21.35 代入 \(n=cV\)。必須先將體積從 mL 轉換為 L。
題目 2
取 20.00 mL 磷酸(\(\ce{H3PO4}\))樣本,在三個酸性質子都會被氫氧化鈉完全中和的條件下進行滴定。
反應方程式為:
\[
\ce{H3PO4(aq) + 3NaOH(aq) -> Na3PO4(aq) + 3H2O(l)}
\]
使用 \(0.1500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氫氧化鈉,記錄以下滴定體積:
| 試驗 | 滴定體積 |
|---|---|
| 粗滴定 | 28.60 mL |
| 1 | 27.82 mL |
| 2 | 27.76 mL |
| 3 | 27.80 mL |
使用相互吻合的滴定值,計算磷酸的濃度。
解答 2
磷酸濃度為 \(0.06948\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
第 1、2、3 次試驗的結果非常接近,因此其平均值為:
\[
\begin{aligned}
V_\text{平均}
&=\frac{27.82+27.76+27.80}{3}\\
&=27.793\ldots\text{ mL}\\
&\approx27.79\text{ mL}
\end{aligned}
\]
不應自動將粗滴定值納入計算,因為它的目的是找出終點的大約位置。
氫氧化鈉的莫耳數為:
\[
\begin{aligned}
n(\ce{NaOH})
&=(0.1500)(0.02779)\\
&=4.1685\times10^{-3}\text{ mol}
\end{aligned}
\]
根據方程式:
\[
\ce{H3PO4}:\ce{NaOH}=1:3
\]
因此:
\[
\begin{aligned}
n(\ce{H3PO4})
&=\frac{4.1685\times10^{-3}}{3}\\
&=1.3895\times10^{-3}\text{ mol}
\end{aligned}
\]
酸的體積為 \(0.02000\) L:
\[
\begin{aligned}
c(\ce{H3PO4})
&=\frac{1.3895\times10^{-3}}{0.02000}\\
&=0.069475\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
因此:
\[
c(\ce{H3PO4})=0.06948\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\]
容易誤入的計算途徑,是假設酸與鹼的莫耳數相等。這樣會忽略 1:3 的化學計量比,令計算所得的酸濃度大了三倍。
題目 3
一名學生使用 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氫氧化鈉,測定濃度未知的乙酸溶液。
取 25.00 mL 乙酸樣本,需要 18.40 mL 氫氧化鈉才能完成滴定。
學生隨後重複滴定,但這次用移液管將另一份 25.00 mL 乙酸樣本加入錐形瓶後,先加入 75 mL 蒸餾水,再加入指示劑並進行滴定。
假設加入的水不含任何會參與反應的雜質:
- 預測第二次滴定的體積。
- 計算乙酸的濃度。
- 解釋為甚麼加入水會或不會影響滴定體積。
解答 3
第二次滴定體積仍然是 18.40 mL,而乙酸濃度為 \(0.07360\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
中和反應為:
\[
\ce{CH3COOH(aq) + NaOH(aq) -> CH3COONa(aq) + H2O(l)}
\]
反應比例為 1:1。
對於第一次滴定:
\[
\begin{aligned}
n(\ce{NaOH})
&=(0.1000)(0.01840)\\
&=1.840\times10^{-3}\text{ mol}
\end{aligned}
\]
因此,原本 25.00 mL 的乙酸樣本含有:
\[
n(\ce{CH3COOH})=1.840\times10^{-3}\text{ mol}
\]
其濃度為:
\[
\begin{aligned}
c(\ce{CH3COOH})
&=\frac{1.840\times10^{-3}}{0.02500}\\
&=0.07360\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
對於第二次滴定,加入 75 mL 蒸餾水會增加錐形瓶內的總體積,因此乙酸被進一步稀釋。然而,乙酸的莫耳數仍然是 \(1.840\times10^{-3}\) mol。
因此,仍然需要相同莫耳數的 \(\ce{NaOH}\):
\[
V(\ce{NaOH})
=\frac{1.840\times10^{-3}}{0.1000}
=0.01840\text{ L}
=18.40\text{ mL}
\]
容易出現的錯誤預測是:由於錐形瓶內的酸濃度降低,稀釋必然會減少滴定體積。這種推理忽略了當量條件取決於酸的物質的量,而不是加入額外的水之後的濃度。兩次試驗中,移液管都轉移了相同莫耳數的酸。
題目 4
一種未知的二元酸以 \(\ce{H2A}\) 表示。在滴定條件下,兩個酸性質子都會與氫氧化鈉完全反應:
\[
\ce{H2A(aq) + 2NaOH(aq) -> Na2A(aq) + 2H2O(l)}
\]
一名學生將 20.00 mL 原始酸液轉移至 250.0 mL 容量瓶,再加入蒸餾水至刻度線,配製稀釋溶液。
取 25.00 mL 稀釋後的溶液,需要 16.00 mL、濃度為 \(0.1250\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaOH}\)。
另一名學生聲稱:
「原始酸液的濃度是 \(0.0800\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),因為用於滴定的樣本含有 \(0.00200\) mol 的酸。」
求出原始酸液的濃度,並準確指出這名學生的推理在哪裡出錯。
解答 4
原始 \(\ce{H2A}\) 的濃度為 \(0.5000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而這名學生的第一個錯誤,是將 1:2 的反應當成 1:1。
滴定中使用的氫氧化鈉莫耳數為:
\[
\begin{aligned}
n(\ce{NaOH})
&=(0.1250)(0.01600)\\
&=2.000\times10^{-3}\text{ mol}
\end{aligned}
\]
但反應方程式為:
\[
\ce{H2A + 2NaOH -> Na2A + 2H2O}
\]
因此:
\[
n(\ce{H2A})
=\frac{2.000\times10^{-3}}{2}
=1.000\times10^{-3}\text{ mol}
\]
這些莫耳數存在於 25.00 mL 稀釋後的溶液樣本中。因此:
\[
\begin{aligned}
c_\text{稀釋後}
&=\frac{1.000\times10^{-3}}{0.02500}\\
&=0.04000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
現在反向計算稀釋過程。
原始的 20.00 mL 樣本被稀釋至 250.0 mL:
\[
c_\text{原始}V_\text{原始}
=c_\text{稀釋後}V_\text{稀釋後}
\]
因此:
\[
\begin{aligned}
c_\text{原始}(0.02000)
&=(0.04000)(0.2500)\\
c_\text{原始}
&=0.5000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
這裡實際上有兩個相互關聯的陷阱。
第一,\(2.000\times10^{-3}\) mol 是 \(\ce{NaOH}\) 的物質的量,而不是 \(\ce{H2A}\) 的物質的量。由於反應比例為 1:2,酸的莫耳數只有它的一半。
第二,即使求得 \(0.04000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),這個數值描述的仍然是稀釋後的溶液,而不是原始樣本。原始溶液的濃度是稀釋後溶液的 \(250.0/20.00=12.50\) 倍。
因此,這道題目考查兩個不同的守恆概念:反應的化學計量關係控制中和過程中的莫耳比,而溶質的物質的量守恆則控制稀釋計算。
題目 5
實驗室有一瓶未知溶液,已知其中含有以下兩種酸的其中一種:
- 鹽酸,\(\ce{HCl}\),或
- 硫酸,\(\ce{H2SO4}\)。
一名技術員用移液管量取 25.00 mL 未知溶液,發現恰好需要 20.00 mL、濃度為 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氫氧化鈉,才能達到適當的當量點。
一名學生提出以下論點:
「滴定數據足以計算酸的濃度,所以這些數據也一定能告訴我們瓶中是哪一種酸。」
只根據已提供的資料:
- 假設溶液是 \(\ce{HCl}\),求出其濃度。
- 假設溶液是 \(\ce{H2SO4}\),求出其濃度。
- 判斷單靠滴定結果,能否辨認出溶液中是哪一種酸。
- 解釋還需要哪一類額外證據,才能區分這兩種可能性。
解答 5
單靠滴定結果無法辨認酸的種類。結果既符合濃度為 \(0.08000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{HCl}\),也符合濃度為 \(0.04000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{H2SO4}\)。
首先計算氫氧化鈉的物質的量:
\[
\begin{aligned}
n(\ce{NaOH})
&=(0.1000)(0.02000)\\
&=2.000\times10^{-3}\text{ mol}
\end{aligned}
\]
如果酸是鹽酸:
\[
\ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O}
\]
反應比例為 1:1,因此:
\[
n(\ce{HCl})=2.000\times10^{-3}\text{ mol}
\]
所以:
\[
\begin{aligned}
c(\ce{HCl})
&=\frac{2.000\times10^{-3}}{0.02500}\\
&=0.08000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
如果酸是硫酸:
\[
\ce{H2SO4 + 2NaOH -> Na2SO4 + 2H2O}
\]
反應比例為 1:2,因此:
\[
n(\ce{H2SO4})
=\frac{2.000\times10^{-3}}{2}
=1.000\times10^{-3}\text{ mol}
\]
所以:
\[
\begin{aligned}
c(\ce{H2SO4})
&=\frac{1.000\times10^{-3}}{0.02500}\\
&=0.04000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}
\end{aligned}
\]
這兩種可能性,都恰好需要 \(2.000\times10^{-3}\) mol 的 \(\mathrm{OH}^{-}\),才能中和 25.00 mL 的酸液樣本。
這正是題目的關鍵。滴定可以非常精確地測定酸的中和能力,卻不一定能揭示酸的身分。
容易出現的錯誤推理是:一個精確的實驗結果必然對應一種確定的化學組成。但相同的滴定體積,可以由不同濃度與不同反應化學計量關係的組合產生。
要區分這兩種酸,需要額外的觀察證據,而且該證據必須取決於化學物質的身分,而不只是總中和能力。例如,適當的硫酸根離子定性測試,可以提供支持 \(\ce{H2SO4}\) 存在的獨立證據。在某些化學系統中,一組合適的酸鹼滴定曲線觀察結果也可能提供額外資訊,但任何用於鑑別的方法,都必須確實能對這兩種候選物質產生可區分的預測結果。
這反映了化學分析中一個更廣泛的道理:單一測量結果可以限制可能的答案範圍,卻未必能唯一確定答案。因此,工業酸鹼分析不僅依賴仔細的滴定計算,也必須選擇能回答特定化學問題的測量方法。工業酸鹼分析與滴定指南將進一步探討這個層面。