HSC 化學:工業酸鹼分析與滴定
了解酸鹼滴定如何應用於工業品質控制與製程分析,涵蓋濃度檢測、可滴定酸度、終點判定、稀釋及常見誤差來源。
兩座製程槽的 pH 讀值都可能是 3.20,但其中所含的酸量仍可能大不相同。想像從每座槽中取出等量樣品,再用相同的氫氧化鈉溶液進行滴定。A 槽加入 4.0 mL 的 \(\ce{NaOH}\) 後便達到終點,而 B 槽則需要 18.0 mL。
繼續閱讀之前,先預測一下:如果兩座槽的 pH 相同,為什麼 B 槽需要的鹼量會超過四倍?
pH 告訴我們當下存在多少 \(\ce{H3O+}\)。但它不一定能告訴我們,在中和反應進行時,還有多少酸可以繼續產生 \(\ce{H3O+}\)。B 槽的酸儲量大得多。
這就是工業化學家會同時使用酸鹼滴定與 pH 測量的原因。pH 探針可以告訴操作人員製程目前的狀態,而滴定則能告訴他們樣品實際含有多少酸或鹼。
01酸鹼分析能解決什麼問題?
工業產品與製程溶液通常必須維持在規定的組成範圍內。
製造商可能需要檢查:
- 食品是否含有規定量的酸,
- 鹼性清潔溶液的濃度是否仍足以發揮作用,
- 酸性製程槽液是否已被稀釋得過頭,
- 反應過程中消耗了多少酸或鹼,
- 某一批產品的組成是否與先前批次一致,或
- 中和步驟是否確實達到要求的條件。
pH 測量有助於做出其中一些判斷,但無法回答所有問題。
在 HSC 的學習範圍內,我們通常使用以下公式:
\[ \mathrm{pH}=-\log_{10}[\ce{H3O+}] \]
其中,\([\ce{H3O+}]\) 是水合氫離子的濃度,單位為 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\)。更精確地說,pH 取決於水合氫離子的活度,但在 HSC 計算中,使用濃度模型通常就很實用。
滴定回答的是另一個問題:根據已知的化學計量方程式,需要多少標準酸或標準鹼才能與樣品反應?
這讓我們能計算待分析物質的物質的量、濃度或可滴定酸度。
02為什麼 pH 和酸濃度不是同一回事?
假設有兩種溶液,各自含有一種以 \(\ce{HA}\) 表示的一元酸。
強酸幾乎會完全將質子轉移給水:
\[ \ce{HA + H2O -> H3O+ + A^-} \]
弱酸則會建立平衡:
\[ \ce{HA + H2O <=> H3O+ + A^-} \]
在任何一個瞬間,都只有部分弱酸發生電離。
我們可以用一個有點傻氣的比喻來理解這件事:想像 \(\ce{HA}\) 是一個不太情願與自己的質子分手的人。pH 主要注意的是那些已經「單身」的質子。但是,當 \(\mathrm{OH}^{-}\) 到來並移除這些質子時,更多的 \(\ce{HA}\) 就會解離。因此,滴定能揭示原本沒有直接貢獻於初始 \([\ce{H3O+}]\) 的那部分酸。
這個比喻到此為止。分子並不會有承諾恐懼;電離比例是由平衡、\(K_a\) 和濃度所控制的。
這帶出一個重要的工業分析區別:
| 測量方式 | 主要告訴我們什麼 | 典型用途 |
|---|---|---|
| pH | 溶液目前的酸性或鹼性 | 快速監測製程 |
| 酸鹼滴定 | 直到指定終點為止,能與樣品反應的酸或鹼的量 | 組成分析與品質控制 |
| 滴定曲線 | 隨著加入滴定液,pH 如何變化 | 判斷當量點附近的行為並選擇終點 |
因此,兩個樣品可能具有相近的 pH 值,卻有截然不同的可滴定酸度。
03工業滴定實際上是如何進行的?
基本的實驗室概念大家都很熟悉:用已知濃度的溶液與未知樣品反應。
但工業分析只有在整個過程的每個階段都受到控制時,才能得到可靠的結果。

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1. 取得具有代表性的樣品
這聽起來很簡單,實際上卻不然。
假設剛剛才向一座容量為 10 000 L 的槽中加入酸,而槽內的物料尚未充分混合。此時若在加酸位置附近取樣,樣品的酸性可能遠高於整座槽的平均組成。
即使滴定操作完美無缺,只要樣品本身不具代表性,結果仍然會是錯的。
因此,工業品質控制不只仰賴分析化學,也仰賴正確的取樣方式。樣品必須真正代表將要據此做出判斷的物料。
2. 量取已知量的樣品
可以使用容量吸管,量取準確且已知體積的分取樣品。
如果工業溶液的濃度太高,不適合直接進行滴定,可以先量取一定體積的樣品,再用容量瓶稀釋。稀釋會改變濃度,但不會改變最初量取的溶質物質的量。
如果 \(C_1\) 和 \(V_1\) 分別代表稀釋前的濃度與體積,而 \(C_2\) 和 \(V_2\) 分別代表稀釋後的濃度與體積,則對於同一種溶解物質:
\[ C_1V_1=C_2V_2 \]
3. 與標準溶液反應
滴定液的濃度必須準確已知。
例如:
\[ \ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O} \]
這個反應的莫耳比為 1:1。
在當量點:
\[ n(\ce{HCl})=n(\ce{NaOH}) \]
因為一莫耳的 \(\ce{HCl}\) 會與一莫耳的 \(\ce{NaOH}\) 反應。
接著使用熟悉的關係式:
\[ n=cV \]
這個公式將物質的量 \(n\)(單位為莫耳)、濃度 \(c\)(單位為 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\))與體積 \(V\)(單位為公升)連結起來。
如果反應中的化學計量係數不同,就必須依據配平後的化學方程式決定莫耳比。不能一律假設莫耳比為 1:1。
例如:
\[ \ce{H2SO4 + 2NaOH -> Na2SO4 + 2H2O} \]
這表示一莫耳的硫酸完全中和時,需要兩莫耳的氫氧化鈉。
4. 判定終點
當量點是理論上的一個點,此時反應物的物質的量恰好符合化學計量比。
終點則是實驗中實際判定並停止滴定的位置。
兩者不一定完全相同。
指示劑會在特定的 pH 範圍內變色,因此必須選擇合適的指示劑,使其變色發生在當量點附近、滴定曲線斜率很大的區域。自動滴定儀則可以使用經過校正的 pH 電極,以電子方式追蹤滴定曲線。
當反應涉及弱酸或弱鹼時,這一點尤其重要。
以強鹼滴定弱酸時,當量點的 pH 會高於 7。酚酞通常是合適的選擇,因為它的變色範圍位於鹼性一側。如果使用在更早階段就變色的指示劑,便可能系統性地低估酸的含量。
04範例題:檢驗工業氫氧化鈉溶液
某清潔溶液的規格要求 \(\ce{NaOH}\) 濃度介於 \(1.80\) 與 \(2.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 之間。取 \(5.00\ \mathrm{mL}\) 樣品並稀釋至 \(100.0\ \mathrm{mL}\)。接著取稀釋後溶液的 \(20.00\ \mathrm{mL}\) 分取樣品,使用 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{HCl}\) 滴定,發現需要 \(18.60\ \mathrm{mL}\) 才能完全中和。求原始 \(\ce{NaOH}\) 溶液的濃度,並判斷它是否符合規格。
反應式為:
\[ \ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O} \]
步驟 1
將 \(18.60\ \mathrm{mL}\) 換算成 \(0.01860\ \mathrm{L}\)。
\[ \begin{aligned} n(\ce{HCl})&=cV\\ &=(0.1000)(0.01860)\\ &=1.860\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
步驟 2
莫耳比為 1:1,因此 \(20.00\ \mathrm{mL}\) 的分取樣品中含有:
\[ n(\ce{NaOH})=1.860\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
步驟 3
\[ \begin{aligned} c(\ce{NaOH})&=\frac{n}{V}\\ &=\frac{1.860\times10^{-3}}{0.02000}\\ &=0.09300\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
步驟 4
原先的 \(5.00\ \mathrm{mL}\) 樣品被稀釋至 \(100.0\ \mathrm{mL}\),因此稀釋倍數為:
\[ \frac{100.0}{5.00}=20.0 \]
因此:
\[ c_{\text{original}}=(0.09300)(20.0)=1.86\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
步驟 5
原始清潔溶液含有 \(1.86\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaOH}\),落在規定的 \(1.80\) 至 \(2.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 範圍內。
請注意,這次滴定不只是為練習題算出一個濃度。它還能支援實際的品質控制決策:這一批產品符合規定的濃度要求。
05可滴定酸度:當有用的答案不只是 pH
含有弱酸的產品是特別重要的一種情況。
想像一種主要含有乙酸的食品。測量其 pH,可以了解水合氫離子的濃度;以氫氧化鈉滴定,則可以測出直到指定終點為止,能夠被中和的酸量。
對於乙酸:
\[ \ce{CH3COOH + OH^- -> CH3COO^- + H2O} \]
當 \(\mathrm{OH}^{-}\) 移除酸時,平衡會隨之移動,更多弱酸會轉變成 \(\mathrm{CH_{3}COO}^{-}\)。因此,滴定能測量幾乎全部可被中和的酸量,而不只是滴定開始前已經電離的那一小部分。
這個結果通常稱為可滴定酸度。
但有一項重要的限定條件。如果產品含有多種酸,滴定測得的可能是它們合計的中和能力。例如,將結果報告為「以乙酸計」,並不能證明每一莫耳的酸度實際上都來自乙酸。這表示已按照指定的方法,將測得的中和能力換算成相當於某個量的乙酸。
因此,工業規格不應只列出一個數字,也必須明確規定分析方法。
06範例題:測量食品的可滴定酸度
某製造商分析一種酸性食品,並將其酸度視為乙酸 \(\ce{CH3COOH}\) 的酸度。取 \(10.00\ \mathrm{mL}\) 樣品並稀釋至 \(100.0\ \mathrm{mL}\)。接著取稀釋後樣品的 \(25.00\ \mathrm{mL}\) 分取樣品,以 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaOH}\) 滴定,達到指定終點時共需 \(18.50\ \mathrm{mL}\)。
計算原始產品的可滴定酸度,以 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) 及 \(\mathrm{g\,L^{-1}}\) 表示,並以乙酸為計算基準。使用 \(M(\ce{CH3COOH})=60.05\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。
中和反應為:
\[ \ce{CH3COOH + NaOH -> CH3COONa + H2O} \]
步驟 1
\[ \begin{aligned} n(\ce{NaOH})&=cV\\ &=(0.1000)(0.01850)\\ &=1.850\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
步驟 2
因此,該分取樣品所含的酸量相當於:
\[ n(\ce{CH3COOH})=1.850\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
步驟 3
分取樣品的體積為 \(25.00\ \mathrm{mL}=0.02500\ \mathrm{L}\)。
\[ \begin{aligned} c_{\text{diluted}} &=\frac{1.850\times10^{-3}}{0.02500}\\ &=0.07400\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
步驟 4
稀釋倍數為:
\[ \frac{100.0}{10.00}=10.00 \]
因此:
\[ c_{\text{original}}=(0.07400)(10.00) =0.7400\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
步驟 5
\[ \begin{aligned} \text{mass concentration} &=cM\\ &=(0.7400)(60.05)\\ &=44.4\ \mathrm{g\,L^{-1}} \end{aligned} \]
因此,以乙酸為計算基準,該產品的可滴定酸度為 \(0.7400\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),或 \(44.4\ \mathrm{g\,L^{-1}}\)。
如果產品還含有其他酸,就不應將 \(44.4\ \mathrm{g\,L^{-1}}\) 解讀為產品每公升確實含有恰好 \(44.4\ \mathrm{g}\) 的乙酸。這是按照指定滴定方法得到的酸當量結果。
07為什麼工業上經常同時使用 pH 測量與滴定?
一個合理的直覺是:既然自動 pH 探針能在幾秒內提供結果,為什麼還要取樣並進行滴定?
因為這兩種測量回答的是不同的問題。
考慮一種同時含有弱酸及其共軛鹼的製程溶液。這種溶液可以抵抗 pH 的變化,因為它具有緩衝作用。即使酸與共軛鹼的總量大幅改變,pH 仍可能相當穩定。
滴定則能檢測其中和能力的變化。
反過來說,也可能有兩個樣品在滴定時需要幾乎相同的鹼量,卻因為酸鹼平衡不同,而具有不同的初始 pH 值。

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因此,在工業應用中,可以採用以下分工:
- 使用 pH 進行快速的化學環境監測,
- 當酸或鹼的含量很重要時,使用滴定,
- 當兩種條件都很重要時,同時使用兩種方法。
例如,pH 可能影響反應速率或產品的性質,而可滴定酸度則可能決定配方的一致性。一種測量方式不能自動取代另一種。
08工業分析中最大的誤差,不一定來自計算錯誤
學生通常會特別注意滴定管讀數與有效數字。這些確實很重要,但工業分析還多了一個層面:樣品與分析方法必須能代表真實的製程情況。
| 問題 | 發生的情況 | 可能造成的結果 |
|---|---|---|
| 從混合不均勻的槽中取樣 | 樣品組成與整槽物料不同 | 滴定結果準確,對製程的判斷卻錯誤 |
| 滴定液的濃度不正確 | 所有計算出的樣品濃度都會產生偏差 | 多次分析都出現系統性誤差 |
| 每次都過量滴定,超過終點 | 記錄的滴定液用量過多 | 通常會高估待測物的含量 |
| 使用錯誤的指示劑 | 變色發生在距離當量點太遠的位置 | 產生系統性的終點誤差 |
| 容量吸管內殘留沖洗用水 | 量取的樣品被意外稀釋 | 轉移的待測物莫耳數減少 |
| 量取樣品後,才向錐形瓶加入蒸餾水 | 瓶內濃度降低,但待測物的物質的量不變 | 理想情況下,滴定體積不變 |
| 在容量瓶中準確稀釋樣品 | 濃度依已知倍數降低 | 只要在計算中納入稀釋因素,就不會有問題 |
加入蒸餾水的情況,是一個很容易令人混淆的例子。
假設錐形瓶中恰好含有 \(2.00\ \mathrm{mmol}\) 的酸。加入 \(50\ \mathrm{mL}\) 的水會降低酸的濃度,但瓶中仍然有 \(2.00\ \mathrm{mmol}\) 的酸。要將它完全中和,仍然需要相同莫耳數的鹼。
相較之下,如果在量取原始樣品之前,容量吸管內就已經有水,那麼吸入吸管的液體便已經被稀釋。此時,實際轉移到錐形瓶中的待測物莫耳數會減少。
稀釋發生的位置很重要。
09從品質控制到製程控制
利用滴定確定製程樣品的組成後,就可以將結果與規格比較,或用來判斷製程中發生了什麼事。
假設某種鹼性製程溶液正逐漸與酸性物質反應。重複進行滴定可能會顯示,其中的 \(\mathrm{OH}^{-}\) 濃度隨時間逐漸下降。這種趨勢能告訴操作人員一些單次 pH 讀值無法提供的資訊。
因此,工業酸鹼分析可以用於:
- 根據組成規格決定接受或拒收某一批產品,
- 監測酸或鹼的消耗情況,
- 在使用原料前進行檢驗,
- 確認配方中是否含有預定量的酸或鹼,
- 調查異常的 pH 讀值,以及
- 提供數據,以調整後續的製程步驟。
核心概念是:滴定將一個可測量的反應轉化為物料衡算。滴定管中的液體體積,成為測量樣品中存在多少反應性酸或鹼粒子的依據。
10問題與解答
問題 1
某工業製程取出 \(25.00\ \mathrm{mL}\) 的鹽酸樣品,完全中和時需要 \(21.40\ \mathrm{mL}\) 的 \(0.1500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) \(\ce{NaOH}\)。
計算 \(\ce{HCl}\) 的濃度。
解答 1
\(\ce{HCl}\) 的濃度為 \(0.1284\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
反應式為:
\[ \ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O} \]
因此,莫耳比為 1:1。
首先求 \(\ce{NaOH}\) 的物質的量:
\[ \begin{aligned} n(\ce{NaOH})&=cV\\ &=(0.1500)(0.02140)\\ &=3.210\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
因此:
\[ n(\ce{HCl})=3.210\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
這些鹽酸存在於 \(25.00\ \mathrm{mL}=0.02500\ \mathrm{L}\) 的樣品中。
所以:
\[ \begin{aligned} c(\ce{HCl}) &=\frac{n}{V}\\ &=\frac{3.210\times10^{-3}}{0.02500}\\ &=0.1284\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
一個容易令人心動的捷徑,是不檢查反應莫耳比,直接使用滴定液與樣品的體積進行計算。這個簡化方法在此題恰好可行,因為化學計量比是 1:1。但如果是像 \(\ce{H2SO4}\) 這樣需要完全中和的酸,這個方法就會失效。
問題 2
某工業硫酸溶液的分析方法,是將 \(10.00\ \mathrm{mL}\) 的原始溶液稀釋至 \(250.0\ \mathrm{mL}\)。
取稀釋後溶液的 \(20.00\ \mathrm{mL}\) 分取樣品,完全中和時需要 \(16.80\ \mathrm{mL}\) 的 \(0.2000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) \(\ce{NaOH}\)。
計算原始溶液中 \(\ce{H2SO4}\) 的濃度。
解答 2
原始溶液中 \(\ce{H2SO4}\) 的濃度為 \(2.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
配平後的化學方程式為:
\[ \ce{H2SO4 + 2NaOH -> Na2SO4 + 2H2O} \]
因此,兩莫耳的 \(\ce{NaOH}\) 會與一莫耳的 \(\ce{H2SO4}\) 反應。
首先計算 \(\ce{NaOH}\) 的物質的量:
\[ \begin{aligned} n(\ce{NaOH}) &=(0.2000)(0.01680)\\ &=3.360\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
因此,該分取樣品中的硫酸物質的量為:
\[ n(\ce{H2SO4}) =\frac{3.360\times10^{-3}}{2} =1.680\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
稀釋後的硫酸濃度為:
\[ \begin{aligned} c_{\text{diluted}} &=\frac{1.680\times10^{-3}}{0.02000}\\ &=0.08400\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
原始的 \(10.00\ \mathrm{mL}\) 溶液被稀釋至 \(250.0\ \mathrm{mL}\),因此稀釋倍數為:
\[ \frac{250.0}{10.00}=25.00 \]
所以:
\[ c_{\text{original}} =(0.08400)(25.00) =2.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
依照適當的有效數字表示,答案為 \(2.10\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
一個容易犯的錯誤,是將酸鹼反應視為 1:1。這樣會得到正確硫酸濃度的兩倍。決定莫耳關係的是配平後的化學方程式,而不是某種物質被稱為「酸」、另一種被稱為「鹼」。
問題 3
兩份食品生產樣品 A 和 B 的測量 pH 都是 3.40。
分別取出等量的 \(10.00\ \mathrm{mL}\) 樣品,使用 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaOH}\) 滴定至相同的指定終點。
樣品 A 需要 \(6.20\ \mathrm{mL}\)。
樣品 B 需要 \(24.80\ \mathrm{mL}\)。
一位技術人員聲稱,由於兩份樣品的 pH 相同,它們所含的酸量也必須相同,因此其中一次滴定一定出了錯。
請說明這個結論是否合理,並指出這些測量結果實際上顯示了什麼。
解答 3
這個結論並不合理:兩份樣品可以具有相同的 pH,卻有非常不同的可滴定酸度。
對樣品 A:
\[ \begin{aligned} n(\mathrm{OH}^{-}) &=(0.1000)(0.00620)\\ &=6.20\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
對樣品 B:
\[ \begin{aligned} n(\mathrm{OH}^{-}) &=(0.1000)(0.02480)\\ &=2.480\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
因此,樣品 B 需要四倍的氫氧根離子莫耳數,才能達到相同的終點。
pH 測量顯示,兩份樣品在滴定開始時具有相近的水合氫離子活度。但這並不能證明兩份樣品含有相同總量的可中和酸。
一種可能的解釋是,樣品 B 含有更多弱酸,也可能同時含有共軛鹼或其他緩衝物種。即使樣品 B 的平衡狀態產生與樣品 A 相同的初始 pH,它仍可能保有大得多的酸儲量,可供中和反應使用。
容易令人誤入的思路,是把 pH 當成總酸濃度的另一種單位。只有在某些有限的情況下,例如組成已知且濃度適當稀的強酸溶液,這種想法才可能成立。對於含有弱酸或緩衝物質的工業混合溶液,pH 和可滴定酸度是不同的性質。
在品質控制中,哪一種測量比較重要,取決於規格的要求。如果規定關注初始 pH,就應重視 pH 結果;如果規定關注總可中和酸度,就應重視滴定結果。產品可能需要同時符合這兩項要求。
問題 4
某工業氫氧化鈉溶液從空氣中吸收了二氧化碳,因此產生了部分碳酸鈉。假設樣品中的鹼性物種只有 \(\mathrm{OH}^{-}\) 和 \(\mathrm{CO_{3}}^{2-}\),且初始時的 \(\mathrm{HCO_{3}}^{-}\) 含量可忽略不計。
取 \(25.00\ \mathrm{mL}\) 樣品,使用 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{HCl}\) 滴定。
在第一個終點,加入 \(18.00\ \mathrm{mL}\) 酸後,所有的 \(\mathrm{OH}^{-}\) 都已中和,而所有的 \(\mathrm{CO_{3}}^{2-}\) 都已轉化成 \(\mathrm{HCO_{3}}^{-}\)。
在第二個終點,加入的酸總體積為 \(28.00\ \mathrm{mL}\),此時碳酸氫根已完全中和。
求原始溶液中 \(\mathrm{OH}^{-}\) 和 \(\mathrm{CO_{3}}^{2-}\) 的濃度。
解答 4
原始溶液中 \(\mathrm{OH}^{-}\) 的濃度為 \(0.0320\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而 \(\mathrm{CO_{3}}^{2-}\) 的濃度為 \(0.0400\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
關鍵在於,這兩個終點並不是對同一個反應進行兩次測量。
在第一個終點之前,酸會參與以下反應:
\[ \ce{OH^- + H+ -> H2O} \]
以及
\[ \ce{CO3^2- + H+ -> HCO3^-} \]
每一莫耳原始的 \(\mathrm{OH}^{-}\) 會消耗一莫耳的 \(\mathrm{H}^{+}\),而每一莫耳原始的 \(\mathrm{CO_{3}}^{2-}\) 也會在第一個終點之前,透過第一次質子化消耗一莫耳的 \(\mathrm{H}^{+}\)。
從第一個終點到第二個終點之間,會發生:
\[ \ce{HCO3^- + H+ -> H2CO3} \]
在實驗條件下,\(\ce{H2CO3}\) 最終會與 \(\ce{CO2}\) 和水的形成相關聯。
第一個終點之後額外使用的酸為:
\[ 28.00-18.00=10.00\ \mathrm{mL} \]
因此:
\[ \begin{aligned} n(\mathrm{H}^{+})_{\text{second stage}} &=(0.1000)(0.01000)\\ &=1.000\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
每一莫耳初始存在的碳酸根,在第一個終點都會形成一莫耳的碳酸氫根。因此:
\[ n(\mathrm{CO_{3}}^{2-})=1.000\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
達到第一個終點時所使用的酸總量為:
\[ \begin{aligned} n(\mathrm{H}^{+})_{\text{first}} &=(0.1000)(0.01800)\\ &=1.800\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
其中,\(1.000\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\) 用於碳酸根的第一次質子化。
剩餘的酸則用於中和氫氧根:
\[ \begin{aligned} n(\mathrm{OH}^{-}) &=1.800\times10^{-3}-1.000\times10^{-3}\\ &=8.00\times10^{-4}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
現在,將每一種物質的量除以樣品體積 \(0.02500\ \mathrm{L}\):
\[ \begin{aligned} [\mathrm{CO_{3}}^{2-}] &=\frac{1.000\times10^{-3}}{0.02500}\\ &=0.0400\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
以及:
\[ \begin{aligned} [\mathrm{OH}^{-}] &=\frac{8.00\times10^{-4}}{0.02500}\\ &=0.0320\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
一個容易犯的錯誤,是將總共 \(28.00\ \mathrm{mL}\) 的滴定體積視為全部來自氫氧根。這忽略了碳酸根分兩個階段反應的特性。
這是一個很有用的工業分析教訓。標示為「氫氧化鈉」的溶液,接觸二氧化碳後可能會改變組成。單一的總酸度或總鹼度數值可能掩蓋這種變化,而正確解讀的不同終點則可能揭示溶液中存在哪些鹼性物種。
問題 5
某製程使用一種一元弱酸 \(\ce{HA}\),其
\[ K_a=1.8\times10^{-5} \]
因此 \(pK_a\approx4.74\)。
分別取兩份 \(25.00\ \mathrm{mL}\) 的樣品 A 和 B,使用 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaOH}\) 滴定。兩份樣品都恰好需要 \(25.00\ \mathrm{mL}\),才能到達相同的當量終點。
滴定前,樣品 A 的 pH 為 2.88,而樣品 B 的 pH 為 3.35。
pH 計已經過獨立校正,而且可以忽略溫度與活度的影響。
一位操作人員認為,樣品 B 的 pH 較高,因此它一定只是樣品 A 的較稀版本。
請評估這個解釋是否合理。接著,提出一個符合化學原理的理由,說明為什麼兩份樣品具有相同的滴定體積,卻有不同的初始 pH。
解答 5
樣品 B 不可能只是樣品 A 的較稀版本;相同的滴定體積顯示,等體積的兩份樣品含有相同的可滴定 \(\ce{HA}\) 量。一個符合化學原理的解釋是,樣品 B 額外含有共軛鹼 \(\mathrm{A}^{-}\),它能提高 pH,卻不會減少可滴定的 \(\ce{HA}\) 量。
先從滴定結果開始分析。
每份樣品都需要:
\[ \begin{aligned} n(\ce{NaOH}) &=(0.1000)(0.02500)\\ &=2.500\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
對於一元酸的反應:
\[ \ce{HA + OH^- -> A^- + H2O} \]
莫耳比為 1:1。
因此,每份 \(25.00\ \mathrm{mL}\) 樣品都含有:
\[ 2.500\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
的可滴定酸量,相當於:
\[ \begin{aligned} c(\ce{HA})_{\text{titratable}} &=\frac{2.500\times10^{-3}}{0.02500}\\ &=0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
如果樣品 B 真的只是經過稀釋,那麼等量的 \(25.00\ \mathrm{mL}\) 樣品就會含有較少莫耳數的酸,因而需要較少體積的 \(\ce{NaOH}\)。但實際上並非如此。因此,稀釋的解釋與滴定證據相矛盾。
現在來看樣品 A。
對於濃度為 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的弱酸溶液,使用近似式:
\[ [\ce{H3O+}]\approx\sqrt{K_a c} \]
可得:
\[ \begin{aligned} [\ce{H3O+}] &\approx\sqrt{(1.8\times10^{-5})(0.1000)}\\ &\approx1.34\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
因此:
\[ \mathrm{pH}\approx-\log_{10}(1.34\times10^{-3})\approx2.87 \]
這與測得的 pH 2.88 非常接近。因此,樣品 A 的結果與一種主要由弱酸構成、濃度約為滴定結果所顯示的溶液相符。
樣品 B 具有相同的可滴定酸量,但 pH 明顯較高。
如果樣品中存在額外的 \(\mathrm{A}^{-}\),平衡:
\[ \ce{HA + H2O <=> H3O+ + A^-} \]
就會向 \(\ce{HA}\) 一側移動。額外的共軛鹼會抑制酸的電離,降低 \([\ce{H3O+}]\),因此提高 pH。
使用亨德森-哈塞爾巴爾赫關係式:
\[ \mathrm{pH}=pK_a+\log_{10}\left(\frac{[\mathrm{A}^{-}]}{[\ce{HA}]}\right) \]
對樣品 B,可得近似結果:
\[ \begin{aligned} 3.35 &=4.74+\log_{10}\left(\frac{[\mathrm{A}^{-}]}{[\ce{HA}]}\right)\\ \frac{[\mathrm{A}^{-}]}{[\ce{HA}]} &=10^{-1.39}\\ &\approx0.041 \end{aligned} \]
因此,只要共軛鹼相對於酸的含量不多,就足以解釋較高的 pH。
這道題的陷阱,是假設 pH 越高,酸的莫耳數就一定越少。這種情況確實可能發生,但並非必然。酸的濃度、酸的強弱、共軛鹼的濃度,以及緩衝作用,都會影響 pH。
將兩種測量結果放在一起,就能揭示任何一種測量單獨使用時無法確定的資訊。滴定顯示兩份樣品含有相同的可滴定弱酸量,而不同的 pH 值則顯示它們的酸鹼平衡狀態並不相同。
這正是工業酸鹼分析更深層的目的:不只是求出滴定體積,而是選擇能夠區分不同化學解釋的測量方法。當我們弄清楚這些區別後,下一個有用的步驟就是分析完整的滴定曲線。在曲線中,初始 pH、緩衝區域、當量點與指示劑的變色範圍,都能提供更多有關未知製程樣品組成的資訊。