如何在 HSC 化學中進行溶液稀釋
學習如何使用容量吸管和容量瓶,準確配製稀釋溶液,並掌握正確的實驗操作步驟。了解常見的實驗誤差及其對溶液濃度和準確度的影響。
你需要配製 250.0 mL、濃度為 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的氯化鈉溶液,但實驗桌上的瓶子裝著濃度為 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaCl}\) 儲備溶液。一個看似合理的做法是量取 25.0 mL 的儲備溶液,再加入 225.0 mL 的水,然後就大功告成。
試著預測問題所在。是化學原理有誤,還是量度方法有誤?
主要問題在於量度方法。正確的稀釋並不取決於你量取了多少水,而是取決於你先轉移了多少準確量取的溶質,然後將整份溶液定容至準確的最終體積。這正是我們使用容量吸管和容量瓶的原因。
01稀釋實際上是在做甚麼?
想像一下濃縮果汁糖漿。你先準確量取一份濃縮液,將它倒進一個較大的瓶子,再加水,直到整份飲料達到指定體積。
吸管控制你量取的那一份濃縮液。容量瓶則控制最終體積。
這個比喻很有用,但也有其局限。在化學中,我們關注的是溶質的莫耳數,而不是液體看起來有多像果汁。我們也不應假設,25.0 mL 的一種液體加上 225.0 mL 的另一種液體,就一定會得到恰好 250.0 mL 的溶液。最終體積必須直接量度。
假設儲備溶液的濃度為 \(c_1\)。如果使用吸管轉移體積為 \(V_1\) 的溶液,轉移的溶質莫耳數為
\[ n = c_1V_1 \]
其中:
- \(n\) 是溶質的物質的量,以 mol 為單位;
- \(c_1\) 是儲備溶液的濃度,單位為 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\);
- \(V_1\) 是轉移的體積,以 L 為單位。
接著加入水。假設沒有溶質流失,也沒有發生化學反應,溶質的莫耳數就不會改變。
稀釋後,
\[ n = c_2V_2 \]
其中,\(c_2\) 是新的濃度,而 \(V_2\) 是溶液的最終體積。
由於等式兩邊的莫耳數相同,
\[ c_1V_1 = c_2V_2 \]
這個方程式並不是一條需要另外背誦的定律,而只是稀釋過程中溶質守恆的結果。
只要 \(V_1\) 和 \(V_2\) 使用相同的體積單位,這些單位就會在方程式中相消。例如,兩個體積都可以使用 mL。不過,如果你回到 \(c=n/V\) 這個公式,當濃度的單位是 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) 時,體積就必須以 L 表示。
如想進一步練習相關計算,請參閱 HSC 化學的溶液稀釋計算。
02每種玻璃器皿的用途
稀釋之所以能正確進行,是因為不同的器材各有不同的用途。
| 器材 | 在稀釋過程中的用途 | 它不能做到的事 |
|---|---|---|
| 容量吸管 | 轉移一份體積非常準確的儲備溶液 | 量度溶液的最終體積 |
| 容量瓶 | 設定準確的溶液最終體積 | 量度加入了多少水 |
| 燒杯 | 盛裝適量的儲備溶液,方便取用 | 提供準確量取的體積 |
| 滴管 | 在接近容量瓶刻度時逐滴加入最後幾滴液體 | 準確量取已知體積 |
| 吸管填充器 | 安全地將溶液吸入吸管 | 改變量取的體積 |
容量吸管通常只有一條校準刻度線。它的設計目的是非常準確地轉移某一個特定體積,例如 10.00 mL 或 25.00 mL。
容量瓶同樣只有一條校準刻度線。250.0 mL 容量瓶的設計,是在彎月面正確對準該刻度線時,瓶內所盛的液體體積恰好符合其校準容量。
這就是整個方法的核心:先準確量取並轉移一定體積的溶液,再準確設定最終體積。

03正確的稀釋步驟
假設計算結果顯示,你需要量取 25.00 mL 的儲備溶液,再將其稀釋至 250.0 mL。
1. 選擇正確的容量玻璃器皿
如果這些體積與計算結果相符,就使用 25.00 mL 容量吸管和 250.0 mL 容量瓶。
量筒並不是最合適的選擇,因為它的設計並非要以同樣的準確度量取這些體積。
2. 用蒸餾水或去離子水潤洗容量瓶
容量瓶不必保持乾燥。
起初,這可能讓你覺得不太合理。如果瓶內已經有一些蒸餾水,不就代表你加入了一個未知體積的水嗎?
沒錯,但這個未知體積並不重要。最後,你會繼續加水,直到整份溶液達到校準刻度線。控制最終體積的是容量瓶。
瓶內原本存在的乾淨蒸餾水,只會成為最終溶液的一部分。
3. 先清洗,再用儲備溶液潤洗吸管
如果需要,先用蒸餾水或去離子水清洗吸管。
然後,取少量儲備溶液潤洗吸管。這第二次潤洗稱為吸管的預潤洗。
為甚麼吸管需要用儲備溶液潤洗,而容量瓶卻不需要?
試著預測,如果吸管內壁殘留一層純水,會發生甚麼事。當儲備溶液進入吸管時,這些水就會將其稀釋。吸管仍可能轉移 25.00 mL 的液體,但這些液體所含的溶質莫耳數,會略少於原本 25.00 mL 儲備溶液應含的莫耳數。
因此:
- 容量瓶內殘留蒸餾水是可以接受的;
- 容量吸管內殘留蒸餾水則可能造成濃度偏低的誤差。
與其死記這個差異,不如真正理解它背後的實驗原理,這是非常有用的實驗技巧。
4. 從乾淨的小燒杯中取用儲備溶液
將適量儲備溶液倒入乾淨的燒杯,而不是反覆將吸管插入原本的儲備溶液瓶。
這樣可以降低污染儲備溶液的風險。
除非實驗室的操作程序明確允許,否則不要將燒杯中剩餘的溶液倒回儲備溶液瓶。
5. 使用吸管填充器吸取儲備溶液
絕對不要用口吸取溶液。
先將儲備溶液吸至校準刻度線以上,再小心地調低液面,直到凹形彎月面的最低點恰好對準刻度線。
你的眼睛應與彎月面保持同一水平。如果從上方或下方觀察,就會產生視差誤差。

6. 將定量分取液轉移至容量瓶
按照吸管的校準方式,讓吸管中的液體排入容量瓶。
對於標準容量吸管,應讓液體依靠重力自然流出。除非吸管特別標示為吹出式吸管,否則不要將尖端殘留的少量液體吹出。
這些殘留液體看起來可能像是被浪費了,但它們通常是吸管校準設計的一部分。吸管的設計已考慮到尖端會留下這層殘液,而仍能轉移標示的體積。
如果強行將殘液吹出,就會轉移過多的儲備溶液。
7. 加入蒸餾水,但一開始要停在刻度線以下一段距離
加入蒸餾水或去離子水,直到容量瓶大約達到三分之二至四分之三滿。
輕輕旋轉容量瓶,讓已轉移的溶液開始混合。
如果稀釋造成明顯的溫度變化,應先讓溶液恢復至接近玻璃器皿的校準溫度,再設定最終體積。容量量度會受到溫度的輕微影響。
8. 小心地接近校準刻度線
繼續加水,直到液面接近刻度線。然後使用滴管逐滴加入最後幾滴水。
將容量瓶放在水平表面上,並讓眼睛與校準刻度線處於同一高度。
對於具有凹形彎月面的透明水溶液,應讓彎月面的最低點對準刻度線。
不要急著完成最後一毫米的調整。洗瓶只要不小心擠出過多的水,就可能令原本準確的配製變成過量定容。
9. 塞好瓶塞並充分混合
當彎月面正確對準刻度線後,塞好容量瓶的瓶塞,再將容量瓶上下倒轉數次。
這個步驟並不是可有可無的裝飾。
剛加入水後,整個容量瓶內的溶液濃度可能尚未均勻。混合能使溶液達到均勻狀態,也就是從瓶內任何一個位置取樣,樣本的濃度都應與其他位置的樣本相同。
10. 標示溶液
記錄物質名稱、濃度,以及實驗室操作程序要求的其他資料。
04計算示例:配製十倍稀釋液
使用濃度為 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaCl}\) 儲備溶液,配製 250.0 mL、濃度為 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的溶液。求所需的儲備溶液體積,並說明應如何配製。
步驟 1
稀釋會改變體積和濃度,但從儲備溶液轉移到容量瓶中的溶質莫耳數保持不變。
使用
\[ c_1V_1=c_2V_2 \]
其中,\(c_1=1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)、\(c_2=0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而 \(V_2=250.0\ \mathrm{mL}\)。
步驟 2
\[ \begin{aligned} V_1 &= \frac{c_2V_2}{c_1}\\ &=\frac{(0.100)(250.0)}{1.00}\\ &=25.0\ \mathrm{mL} \end{aligned} \]
因此,使用 25.00 mL 容量吸管是合適的。
步驟 3
先用濃度為 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的儲備溶液潤洗吸管,再將 25.00 mL 溶液轉移至 250.0 mL 容量瓶。
步驟 4
先加入蒸餾水至接近校準刻度線,再使用滴管,讓彎月面的最低點恰好對準刻度線。
不要量取 225.0 mL 的水。重要的是讓溶液的最終體積達到 250.0 mL。
步驟 5
塞好瓶塞,再將容量瓶上下倒轉數次。
最後得到約 250.0 mL、濃度為 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaCl}\) 溶液。稀釋倍數為 10,因為最終濃度是原始濃度的十分之一。
05為甚麼容量瓶要用水潤洗,而不是用儲備溶液?
這個問題值得單獨舉例說明,因為它很容易令許多學生出錯。
假設你正確地將 25.00 mL 儲備溶液移入容量瓶。如果瓶內原本已有一些蒸餾水,溶質的莫耳數仍然不會改變。之後只需加入較少的水,就能讓液面到達刻度線。
現在,假設容量瓶是用儲備溶液潤洗的,而且瓶內仍有一些儲備溶液殘留。
這時,在你轉移定量分取液之前,瓶內就已經多了額外的溶質莫耳數。
容量瓶仍然可以準確地設定最終體積,但你已無法準確知道溶質的總量。
準確的體積無法彌補不準確的莫耳數。
計算示例:容量瓶錯誤地用儲備溶液潤洗
一名學生想使用濃度為 \(0.400\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的儲備溶液,配製 500.0 mL、濃度為 \(0.0200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{CuSO4}\) 溶液。
學生正確計算出需要 25.00 mL 的儲備溶液。然而,在轉移這份定量分取液之前,學生用儲備溶液潤洗容量瓶,並不小心讓 1.00 mL 的儲備溶液殘留在瓶內。
假設這些殘留的儲備溶液全部進入最終溶液。實際配製出的濃度是多少?
步驟 1
\[ \begin{aligned} V_1&=\frac{c_2V_2}{c_1}\\ &=\frac{(0.0200)(500.0)}{0.400}\\ &=25.0\ \mathrm{mL} \end{aligned} \]
因此,原本計劃轉移的 25.00 mL 定量分取液是正確的。
步驟 2
吸管轉移了 25.00 mL,另外還有潤洗時意外殘留的 1.00 mL。
因此,相當於儲備溶液的總體積為
\[ 25.00+1.00=26.00\ \mathrm{mL}=0.02600\ \mathrm{L} \]
步驟 3
\[ \begin{aligned} n&=cV\\ &=(0.400)(0.02600)\\ &=0.01040\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
步驟 4
容量瓶仍然正確地加水至 500.0 mL,即 0.5000 L。
\[ \begin{aligned} c&=\frac{n}{V}\\ &=\frac{0.01040}{0.5000}\\ &=0.02080\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
配製出的溶液濃度是 \(0.02080\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而不是 \(0.0200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
濃度高出了 4.0%。容量瓶的體積是準確的;誤差來自額外轉移了未經量度的溶質莫耳數。
06評估準確度:先問莫耳數和體積發生了甚麼變化
稀釋過程出現問題時,不要試圖死記一大張誤差表。
先問兩個問題:
- 轉移的溶質莫耳數是過多、過少,還是正確?
- 最終體積是過大、過小,還是正確?
然後運用以下概念:
\[ c=\frac{n}{V} \]
在體積不變的情況下,莫耳數越多,濃度越高。莫耳數相同而體積越大,濃度就越低。
| 誤差 | 對配製溶液濃度的影響 | 原因 |
|---|---|---|
| 容量瓶內殘留蒸餾水 | 理想情況下不會造成系統性變化 | 最終體積仍然會調整至校準刻度線 |
| 吸管內殘留蒸餾水,且沒有用儲備溶液潤洗 | 濃度偏低 | 吸管內的儲備溶液被稀釋,因此轉移的溶質莫耳數較少 |
| 容量瓶內殘留儲備溶液 | 濃度偏高 | 額外的未經量度的溶質莫耳數進入容量瓶 |
| 吸管中的液面低於校準刻度線 | 濃度偏低 | 轉移的儲備溶液過少 |
| 吸管尖端留有氣泡 | 通常濃度偏低 | 標稱吸管體積的一部分被空氣佔據,而不是儲備溶液 |
| 將標準容量吸管中的殘液吹出 | 濃度偏高 | 實際轉移的儲備溶液多於校準設計所預期的體積 |
| 容量瓶加水超過刻度線 | 濃度偏低 | 原本預期的溶質莫耳數分布在過大的體積中 |
| 容量瓶未加水至刻度線 | 濃度偏高 | 原本預期的溶質莫耳數佔據過小的體積 |
| 讀取彎月面時產生視差 | 濃度可能偏高或偏低 | 最終體積可能被高估或低估 |
| 稀釋後沒有混合溶液 | 濃度分布不均勻 | 從容量瓶不同位置取出的樣本,可能無法代表預期的濃度 |
最後一項比較微妙。溶質的平均總量除以總體積,結果仍可能正確;但由於液體尚未均勻,個別樣本的濃度可能不正確。
07最容易犯的錯誤:移除溶液來補救加水過量
假設你不小心將液面加到容量刻度線以上。
很多人的第一個反應,是用滴管移除一些液體,直到彎月面重新回到刻度線。
這樣能恢復原本的濃度嗎?
如果溶液已經充分混合,答案是否定的。
想像一鍋湯被加了過多的水。當湯完全混合後,舀走一匙,就會按照相同比例移除湯汁及所有溶解在其中的物質。剩下的湯,其濃度與之前相同。
均勻溶液的情況也是一樣。
如果一份加水過量的溶液濃度是 \(0.098\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),移除部分溶液並不會神奇地將剩下的溶液變成 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。你會同時移除溶質和溶劑。
進行準確的分析用配製時,如果液面明顯超過刻度線,通常應丟棄這份溶液,重新配製。
08準確度不只是仔細讀取彎月面
容量玻璃器皿本身也有公差。
例如,某支吸管可能標示為 \(25.00\pm0.03\ \mathrm{mL}\)。這表示在正確使用的情況下,其轉移體積預期會落在所標示的公差範圍內。
容量瓶的標稱容量同樣會有相應的公差。
對於稀釋,
\[ c_2=c_1\frac{V_1}{V_2} \]
因此,兩個量取體積的誤差都可能影響最終濃度。
一個簡單而保守的估算方法,是將兩個體積的百分比公差相加,以估算玻璃器皿造成的最大百分比影響:
\[ \text{百分比影響} \approx \frac{\Delta V_1}{V_1}\times100 + \frac{\Delta V_2}{V_2}\times100 \]
這是最壞情況的估算,並不代表實際誤差一定恰好達到這個數值。
操作技巧也可能造成系統性誤差,而且這些誤差可能遠大於器皿標示的公差。即使吸管的製造完全符合規格,如果吸管內有氣泡,或使用方法不正確,也無法確保稀釋結果準確。
09問題與解答
問題 1
一名學生將 20.00 mL、濃度為 \(0.750\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{KNO3}\) 溶液轉移至 250.0 mL 容量瓶,然後加水至刻度線。
計算最終濃度,並說明容量瓶的用途。
解答 1
最終濃度為 \(0.0600\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),而容量瓶的作用是設定準確的溶液最終體積。
使用
\[ c_1V_1=c_2V_2 \]
並重新整理公式,求出 \(c_2\):
\[ \begin{aligned} c_2&=\frac{c_1V_1}{V_2}\\ &=\frac{(0.750)(20.00)}{250.0}\\ &=0.0600\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
由於 \(V_1\) 和 \(V_2\) 都以 mL 表示,體積單位會相消。
一個容易令人誤解的說法是,容量瓶用來量度加入的水。事實並非如此。容量瓶的作用是設定 250.0 mL 的溶液總體積。
轉移的溶質莫耳數由吸管和儲備溶液的濃度決定,而容量瓶則決定這些莫耳數分布的體積。
問題 2
使用一支 \(25.00\pm0.03\ \mathrm{mL}\) 的容量吸管,將濃度為 \(0.500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的儲備溶液轉移至一個 \(250.0\pm0.12\ \mathrm{mL}\) 的容量瓶。
本題假設儲備溶液的濃度完全準確。
- 計算名義上的最終濃度。
- 求出僅由所標示的玻璃器皿公差造成的簡單最壞情況濃度範圍。
- 解釋為甚麼這個範圍不能告訴你實際實驗誤差的確切數值。
解答 2
名義濃度為 \(0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),僅考慮玻璃器皿公差時,簡單的最壞情況濃度範圍約為 \(0.04992\) 至 \(0.05008\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。
先計算名義濃度:
\[ \begin{aligned} c_2&=c_1\frac{V_1}{V_2}\\ &=(0.500)\frac{25.00}{250.0}\\ &=0.0500\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
要得到所標示公差範圍內可能出現的最高濃度,應使用最大吸管體積和最小容量瓶體積:
\[ \begin{aligned} c_{\text{最大}} &=(0.500)\frac{25.03}{249.88}\\ &=0.050084\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
要得到最低可能濃度,則使用最小吸管體積和最大容量瓶體積:
\[ \begin{aligned} c_{\text{最小}} &=(0.500)\frac{24.97}{250.12}\\ &=0.049916\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
因此,僅考慮這些公差時,合理的最壞情況範圍為
\[ 0.04992\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \lesssim c_2 \lesssim 0.05008\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
最大相對偏差約為 \(0.168\%\)。
這裡的陷阱,是將公差誤解為實際誤差。事實並非如此。我們不知道這兩件玻璃器皿是否恰好處於各自公差的極端,也不知道其微小的校準偏差究竟朝哪個方向。
這個計算也假設操作完全正確。吸管潤洗、彎月面讀取、氣泡、溫度、轉移技巧和混合,都可能引入額外誤差。
問題 3
一名學生打算將 10.00 mL、濃度為 \(1.00\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的 \(\ce{NaCl}\) 儲備溶液轉移至容量瓶,配製 100.0 mL、濃度為 \(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的溶液。
考慮以下三個獨立實驗。
- 實驗 A:轉移儲備溶液之前,容量瓶內仍有蒸餾水。
- 實驗 B:吸管內仍有蒸餾水,而且沒有使用儲備溶液潤洗吸管。
- 實驗 C:吸管的使用方法正確,但學生將容量瓶加水至 102.0 mL。充分混合溶液後,再移除 2.0 mL 溶液,使剩餘體積為 100.0 mL。
對每個實驗,判斷最終濃度是正確、過高還是過低。對實驗 C,計算最終濃度。
解答 3
實驗 A 的濃度應仍然正確;實驗 B 的濃度偏低;實驗 C 的濃度則為 \(0.0980\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),同樣偏低。
對於實驗 A,容量瓶內原本的水不會增加任何溶質。最終體積仍會調整至準確的 100.0 mL。容量瓶只需要再加入稍少一些的水即可。
因此,重要的量仍然是
\[ n=(1.00)(0.01000)=0.0100\ \mathrm{mol} \]
以及
\[ V=0.1000\ \mathrm{L} \]
兩者給出預期的濃度。
對於實驗 B,吸管內殘留的蒸餾水會與儲備溶液混合。吸管仍可能轉移其標稱的液體體積,但這些液體所含的 \(\ce{NaCl}\) 莫耳數,會少於未經稀釋的 10.00 mL 儲備溶液所含的莫耳數。
最終體積是正確的,但 \(n\) 太小。因此,根據 \(c=n/V\),濃度會偏低。
實驗 C 的錯誤更具迷惑性。
正確轉移的溶質莫耳數為
\[ n=(1.00)(0.01000)=0.0100\ \mathrm{mol} \]
但這些莫耳數最初被稀釋至 102.0 mL:
\[ \begin{aligned} c&=\frac{0.0100}{0.1020}\\ &=0.0980\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
溶液混合均勻後,每移除 1 mL 溶液,其中的溶質和水都會與容量瓶其餘部分保持相同比例。
因此,移除 2.0 mL 溶液會以相同比例減少莫耳數和體積,但不會改變濃度。
一個容易令人誤信的想法是:「體積已經恢復到 100.0 mL,所以配製結果現在一定正確。」這個想法忽略了另一個必要條件:多餘的液體被移除時,部分溶質也一併被移除了。
問題 4
實驗室需要使用濃度為 \(0.600\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的儲備溶液,配製濃度為 \(0.0120\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的溶液。
利用現有的玻璃器皿,可以採用以下兩種方法。
方法 A:
- 直接將 \(5.00\pm0.01\ \mathrm{mL}\) 的儲備溶液轉移至 \(250.0\pm0.12\ \mathrm{mL}\) 的容量瓶。
方法 B:
- 先將 \(25.00\pm0.03\ \mathrm{mL}\) 的儲備溶液轉移至 \(250.0\pm0.12\ \mathrm{mL}\) 的容量瓶;
- 再將這份稀釋溶液中的 \(20.00\pm0.03\ \mathrm{mL}\) 轉移至 \(100.0\pm0.08\ \mathrm{mL}\) 的容量瓶。
- 證明兩種方法都能得到所需的名義濃度。
- 使用相對體積公差之和作為簡單的最壞情況估算,判斷哪種方法的玻璃器皿不確定性影響較小。
- 解釋為甚麼不能單憑方法 B 使用了較大的吸管體積,就直接判斷哪種方法較好。
解答 4
兩種方法都能得到 \(0.0120\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的濃度,但方法 A 的玻璃器皿公差影響較小,約為 \(0.248\%\),而方法 B 約為 \(0.398\%\)。
對於方法 A,稀釋倍數為
\[ \frac{250.0}{5.00}=50.0 \]
因此,
\[ \begin{aligned} c_2&=\frac{0.600}{50.0}\\ &=0.0120\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
對於方法 B,第一個步驟的稀釋倍數為
\[ \frac{250.0}{25.00}=10.0 \]
而第二個步驟的稀釋倍數為
\[ \frac{100.0}{20.00}=5.00 \]
因此,總稀釋倍數為
\[ 10.0\times5.00=50.0 \]
所以方法 B 同樣會得到
\[ c=\frac{0.600}{50.0}=0.0120\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
接著比較相對公差。
對於方法 A,
\[ \begin{aligned} \text{相對影響} &\approx \frac{0.01}{5.00}\times100 + \frac{0.12}{250.0}\times100\\ &=0.200\%+0.048\%\\ &=0.248\% \end{aligned} \]
對於方法 B,四個經校準的體積都會帶來影響:
\[ \begin{aligned} \text{相對影響} &\approx \frac{0.03}{25.00}\times100 + \frac{0.12}{250.0}\times100\\ &\quad+ \frac{0.03}{20.00}\times100 + \frac{0.08}{100.0}\times100\\ &=0.120\%+0.048\%+0.150\%+0.080\%\\ &=0.398\% \end{aligned} \]
因此,在題目給定的假設下,方法 A 的最壞情況玻璃器皿公差影響較小。
支持方法 B 的一個看似合理的論點是,較大的吸管體積通常具有較小的百分比不確定性。這部分確實合理:相較於 \(0.01\ \mathrm{mL}\) 佔 5.00 mL 的比例,\(0.03\ \mathrm{mL}\) 佔 25.00 mL 的比例較小。
然而,方法 B 需要兩次獨立的吸管量度,以及兩次獨立的容量瓶定容。每次量度都會帶來不確定性。在這個例子中,額外的稀釋步驟所增加的不確定性,超過了使用較大吸管體積所帶來的優勢。
這個比較只考慮題目所列出的玻璃器皿公差。實際操作技巧可能會改變實驗結果。
問題 5
一名學生需要使用濃度為 \(1.000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的儲備溶液,配製 250.0 mL、濃度為 \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 的溶液。
學生正確地轉移了 25.00 mL 儲備溶液,但不小心將溶液稀釋至 260.0 mL,而不是 250.0 mL。學生充分混合溶液。
然後,學生移除 10.0 mL 混合均勻的溶液,使剩餘體積恰好為 250.0 mL。
- 計算移除 10.0 mL 溶液前後的濃度。
- 解釋為甚麼將體積恢復至 250.0 mL,並不能恢復預期的濃度。
- 一名學生提出一個理論上的補救方法:移除這份濃度不正確、體積為 250.0 mL 的溶液中的 \(x\) 體積,再以恰好相同體積 \(x\) 的 \(1.000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 儲備溶液取代。求出 \(x\),使最終的 250.0 mL 溶液達到目標濃度。
- 解釋為甚麼在實驗室中,重新配製溶液通常仍然是較好的做法。
計算時假設所有已列出的體積都是準確的,而且除了刻意移除溶液外,沒有任何溶質流失。
解答 5
在加水過量,以及第一次嘗試修正之後,濃度仍然是 \(0.09615\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)。理論上,以約 \(1.064\ \mathrm{mL}\) 的儲備溶液取代相同體積的原溶液,可以恢復目標濃度,但準確的溶液配製通常應重新進行。
首先,計算最初轉移的莫耳數:
\[ \begin{aligned} n&=cV\\ &=(1.000)(0.02500)\\ &=0.02500\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
這些莫耳數意外地被稀釋至 260.0 mL,即 0.2600 L:
\[ \begin{aligned} c&=\frac{0.02500}{0.2600}\\ &=0.0961538\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]
因此,在移除溶液之前,濃度約為
\[ 0.09615\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
接著,學生移除 10.0 mL 已充分混合的溶液。
由於溶液是均勻的,被移除的部分與剩餘溶液具有完全相同的濃度。因此,移除這部分溶液不會改變濃度。
剩餘的 250.0 mL 溶液仍然具有以下濃度:
\[ 0.09615\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \]
剩餘的溶質莫耳數為
\[ \begin{aligned} n&=cV\\ &=(0.0961538)(0.2500)\\ &=0.0240385\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
目標濃度的 250.0 mL 溶液需要
\[ \begin{aligned} n_{\text{目標}} &=(0.1000)(0.2500)\\ &=0.02500\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]
因此,容量瓶內的溶質莫耳數不足
\[ 0.02500-0.0240385=0.0009615\ \mathrm{mol} \]
關鍵在於,單純加入 \(0.0009615\) mol 的儲備溶液並不足以解決替換問題,因為在加入儲備溶液之前,先移除 \(x\) mL 的濃度不正確的溶液,也會移除部分溶質。
令 \(x\) 為被替換的體積,單位為 L。
移除 \(x\) L 溶液會移除
\[ (0.0961538)x \]
mol 的溶質。
以相同體積的 \(1.000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 儲備溶液取代,則會加入
\[ (1.000)x \]
mol 的溶質。
最終的溶質莫耳數必須為 \(0.02500\) mol:
\[ 0.0240385-(0.0961538)x+(1.000)x=0.02500 \]
因此,
\[ \begin{aligned} 0.9038462x&=0.0009615\\ x&=0.0010638\ \mathrm{L}\\ &=1.064\ \mathrm{mL} \end{aligned} \]
所以,在題目所列的假設下,以約 1.064 mL 的儲備溶液取代 1.064 mL 的濃度不正確的溶液,從數學上來說,確實可以恢復目標濃度。
第一個容易出現的錯誤想法是,只要容量瓶再次恰好裝有 250.0 mL 溶液,濃度就一定正確。真正重要的條件是,體積本身並不能決定濃度。容量瓶內必須同時具有正確的體積和正確的溶質莫耳數。
這種理論上的修正方法並不是一般實驗室中理想的配製方式。它需要再次準確量取一個較小的體積,增加額外的轉移不確定性,而且必須準確知道最初超出刻度的體積。在日常的定量實驗中,使用正確的容量吸管和容量瓶操作方法重新配製,能得到更直接、也更容易合理說明的結果。
一旦你真正理解了控制溶質莫耳數與控制最終體積之間的區別,就能將相同的推理直接應用於連續稀釋、校正標準液和定量分析。這也有助於理解相反的配製過程:當需要的濃度必須由固體而不是現有的儲備溶液配製時,關鍵工作就變成先準確確定溶質的莫耳數,再將溶液定容至最終體積,這正是 配製標準溶液 所採用的方法。