壹、實驗目的
酸鹼中和反應的性質，掌握定量測定的變因，達成棈確度高的定量測定目的。
貳、實驗原理
一、中和反應的定義：酸和鹼作用產生鹽和水的化學反應稱為酸鹼中和反應註1。
例1：HCl + NaOH → NaCl + H2O
例2：CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
說明：例1的產物NaCl和例2的產物CH3COONa都是鹽，鹽的種類很多，溶於水後酸鹼度(pH值)不一定相同。(要了解反應的基本計量，請作練習題1~5)
二、酸鹼中和反應的當量點
（一）酸鹼中和反應耗用酸、鹼數量正好是酸產生的氫根離子等於鹼產生的氫氧根時，稱為中和反應達到當量點。
（二）酸鹼中和反應達到當量點時，酸、鹼產生的氫根離子的數量計算方法：
1.使用1莫耳NaOH進行HCl + NaOH → NaCl + H2O反應恰好達到當量點時NaOH產生氫氧根離子(OH─)1莫耳，和它反應的HCl需要產生1莫耳氫根離子(H+)，HCl分子需要1莫耳才正好產生1莫耳的氫根離子。達到當量點耗用NaOH 1莫耳(40克)，40是NaOH的式量也是當量；對HCl而言，達到當量點耗用1莫耳(36.5克)，36.5是HCl的式量(分子量)也是當量。
2.使用1莫耳NaOH進行H2SO4 +2NaOH → Na2SO4+ 2H2O反應恰好達到當量點時NaOH產生氫氧根離子(OH─)1莫耳，和它反應的H2SO4需要產生1莫耳氫根離子(H+)，但是H2SO4分子只要0.5莫耳就能產生1莫耳的氫根離子。在此反應達到當量點耗用NaOH 1莫耳(40克)，40是NaOH的式量也是當量；對H2SO4而言，達到當量點耗用0.5莫耳(49克)，49是H2SO4的式量(分子量)98的1/2，49是H2SO4進行酸鹼中和反應的當量。
3.歸納1.2.內容可知：酸鹼中和反應耗用酸鹼的數量(稱為當量數En)可以從反應耗用莫耳數(n)及每莫耳試劑能產生H+(或OH─)莫耳數量(稱為當量價a)算出；即 (練習6~7、了解1~3出現的幾個重要名詞) 4.水溶液中氫根離子多寡決定溶液酸鹼度，當水中氫根離子濃度愈高溶液的酸度愈高，只是科學領域常將氫根離子的體積莫耳濃度(CM)值做數學運算變成常人易懂的數字，一般稱為pH值。換句話說，水溶液的pH值就是氫根離子的體積莫耳濃度(CM)值取倒數之後再取以10為底的對數。因此氫根離子濃度愈高酸性愈強但pH值愈小，見下列例題。(練習8)
三、
酸鹼指示劑：酸鹼反應達到酸、鹼當量數相等(稱為當量點或完全中和)恰能改變顏色的試劑稱為酸鹼指示劑註2。
1. 利用酸鹼中和反應測溶液濃度的操作稱為滴定，滴定過程溶液酸鹼度(稱pH值)不斷改變，到逹當量點時溶液有特定酸鹼度。(下一次實驗內容)
2. 有些化合物在溶液酸鹼度(pH值)改變時吸光顏色(能量)也跟著變，若它變色的酸鹼度正是酸鹼中和達到當量點的溶液pH值，它就能指示滴定停止(滴定終點)的正確時刻，有這種性質的化合物稱為酸鹼指示劑，常見的有酚酞、甲基紅等，甚至有些天然植物的色素也具有酸鹼指示劑的性質。
四、不同類型酸鹼反應達到當量點溶液pH值不同，適用的指示劑各異
叄、儀器與試藥
編號 | 試藥名稱 | 編號 | 儀器名稱 | 規格 | 數量 |
1 | NaOH(S) | 1 | 錐形瓶 | 250mL | 3 |
2 | 濃HCl(aq) | 2 | 燒杯 | 250mL | 4 |
3 | KHP鄰苯二甲酸氫鉀 | 3 | 漏斗 |
| 1 |
4 | 酚酞 | 4 | 酸型滴定管 |
|
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5 | 甲基紅 | 5 | 鹼型滴定管 |
|
|
肆、實驗步驟
一、配製0.1M NaOH(aq)、0.1MHCl(aq)各250mL。
二、將一、溶液填入洗淨且經沖潤註1的滴定管。調整液面並使滴定管尾段填滿溶液註3。
三、秤取0.6克鄰苯二甲酸氫鉀(KHP)放入洗淨錐形瓶中，加60mL蒸餾水充分溶解。
四、用錐形瓶盛20mLKHP(aq)並且加2~3滴酚酞之後，拿到已記錄初讀數的滴定管下方滴加NaOH(aq)，一直到錐形瓶溶液顏色變成淡桃紅色註4的滴定終點出現為止。
五、上述四、步驟重覆測量3次，測量值記錄於表1，求出NaOH(aq)濃度註5。
六、從滴定管取約8mL HCl(aq)裝在錐形瓶裡。並且在表2記錄滴定管初讀數與末讀數。
七、裝HCl(aq)錐形瓶溶液裡加15mL蒸餾水及2~3滴酚酞，然後用已標定濃度的NaOH(aq)滴入錐形瓶(錐形瓶下方墊一張白紙，有益於觀察溶液顏色變化)，一直到溶液呈桃紅色為止註6；這個步驟的測量要再重覆2次。總共3次的測量值記錄在表2。
八、改由錐形瓶盛已標定濃度的NaOH(aq)，用未知濃度HCl(aq)滴定到溶液桃紅色消失為止。(此步驟的操作恰好與步驟七顚倒)，測量值記錄在表3。求出HCl(aq)濃度。
九、指示劑改用甲基紅，重覆步驟六~九，測量值記錄在表4、表5。
伍、實驗記錄
一、配製250mL 0.1M NaOH(aq)：秤 克NaOH(S)
二、配製250mL 0.1M HCl(aq)：量取 mL濃HCl(aq)
表1 KHP重量 克溶解液分三次標定NaOH(aq) |
次數 | NaOH(aq)讀數 | 耗NaOH(aq)體積 | 耗NaOH(aq)總體積 | 計算NaOH(aq)濃度 | 備註 |
1 | 初讀數 |
|
| 方法1.(平均值) | 本實驗只要利用酸鹼莫耳數相等就可以求出答案 |
末讀數 |
2 | 初讀數 |
|
末讀數 |
3 | 初讀數 |
| 方法2.(總量/總體積) |
末讀數 |
三次測量平均值 |
|
表2 指示劑：酚酞 已標定濃度的NaOH(aq)滴定未知瀤度的HCl(aq) |
試劑名稱 實驗次數 | HCl(aq | NaOH(aq |
滴定管讀數 | 反應耗用體積 | 滴定管讀數 | 反應耗用體積 |
1 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
2 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
3 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
每次反應耗用溶液體積平均值 |
|
|
三次操作耗用溶液總體積 |
|
|
表3 指示劑：酚酞 未知濃度HCl(aq)滴定已標定濃度的NaOH(aq) |
試劑名稱 實驗次數 | NaOH(aq | HCl(aq |
滴定管讀數 | 反應耗用體積 | 滴定管讀數 | 反應耗用體積 |
1 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
2 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
3 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
每次反應耗用溶液體積平均值 |
|
|
三次操作耗用溶液總體積 |
|
|
表4 指示劑：甲基紅 已標定濃度的NaOH(aq)滴定未知瀤度的HCl(aq) |
試劑名稱 實驗次數 | HCl(aq | NaOH(aq |
滴定管讀數 | 反應耗用體積 | 滴定管讀數 | 反應耗用體積 |
1 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
2 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
3 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
每次反應耗用溶液體積平均值 |
|
|
三次操作耗用溶液總體積 |
|
|
表5 指示劑：甲基紅 未知濃度HCl(aq)滴定已標定濃度的NaOH(aq) |
試劑名稱 實驗次數 | NaOH(aq | HCl(aq |
滴定管讀數 | 反應耗用體積 | 滴定管讀數 | 反應耗用體積 |
1 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
2 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
3 | 初讀數 |
| 初讀數 |
|
末讀數 | 末讀數 |
每次反應耗用溶液體積平均值 |
|
|
三次操作耗用溶液總體積 |
|
|
陸、討論(以下所列提醒您本研究存在的基本比較，您若能想到其它狀況列入討論會更好)
一、整理表1、表2、表3、表4、表5記錄值，
二、同樣用酚酞作指示劑但滴定運作模式顚倒的測量記錄表2、表3，求得HCl(aq)濃度值有無差異？換句話說，表2、表3算出的HCl(aq)濃度值是否相同？若是不相等，何者較大？可以與它組比較與討論，是不是每一組同學操作結果都這樣？
三、是不是表4、表5求出HCl(aq)濃度的比較也有上述二、的現像？
四、表2、表3和表4、表5兩組的比較有哪些異同？
五、請問您：在本次實驗測定HCl(aq)濃度結果，是不是表2、表5算出HCl(aq)濃度值比表1、表2算出的值相近？同樣的現象是不是也發生在表3、表4？如果是，這是啥原因造成的呢？【提示：指示劑的變色性質使實驗操作的滴定終點經常不等於當量點，以致相同酸鹼反應在滴定操作方式不同時適用的指示劑也不同。2.明瞭滴定過程溶液酸鹼度變化與加入滴定液數量的關係─化學專有名詞(滴定曲線)，就能解釋滴定終點視同當量點的原因。】
柒、結論
本研究發現酸鹼滴定測未知溶液濃度的精準度的主要影響因素是指示種類和滴定運作模式的配合適當與否，和計算時採用的模式無關。換句話說，計算使用每次測量值的平均值或使用多次測量的總量計算結果相同，但是NaOH(aq)─HCl(aq)的滴定，指示劑使用酚酞時操作應該用NaOH(aq)滴入HCl(aq)模式，若指示劑用甲基紅則相反，操作應該用HCl(aq)滴入NaOH(aq)模式。
捌、展望(後續研究)
一、不同種類的酸(或鹼)溶液初始pH值與滴定過程待測液在當量點附近的pH值相近時，它們同時進行酸鹼中和反應耗用的滴定液數量相同嗎？例：甲液是NaOH(aq)滴定HCl(aq)反應pH值=4混合液 乙液是pH值等於4的稀薄HCl(aq)，丙液是pH值等於4的檸檬酸溶液，使甲、乙、丙三溶液pH值變為8需加入的鹼液數量相等嗎？
玖、參考資料(略)
拾、註解
1. 2.
3. 4.
5. 6..
練習題(可到舊書攤買高二下的化學參考書自學及練習，不懂再問老師，能快速提昇思考力)
1. H2SO4 +2 NaOH → Na2SO4 + 2H2O →反應產生的鹽中文名字是 式量若干？
2. HNO3+ NaOH → + H2O →寫出劃線處的產物化學式 式量 。
3. 承2題，若反應使用酸126克，恰為 莫耳，完全中和需要鹼 莫耳恰 克。
4. 酸 +鹼 → NH4NO3+H2O→在劃線處寫出本反應使用的酸、鹼正確化學式。
5. 已學過莫耳數算法有二種，1重量/式量，2.體積莫耳濃度×溶液體積(以升為單位)，例2的反應3莫耳HNO3必需3莫耳NaOH才能完全中和，15M濃HNO3 公升才含有3莫耳的HNO3。最多可中和 克NaOH。
6. 在下表的空格或劃線處填入正確值
| A | B(量價a) | C(當量E) | D當量數En) | E |
|
化合物式量 | 每莫耳產生H+ (OH-)莫耳數 | 產生1莫耳H+ (或OH-)的重量 | 下列指定重量之下能產生H+(或OH-)的莫耳數 | 酸鹼性 |
甲 | HCl：36.5 |
|
| 73克： |
酸 |
乙 | H2SO4：98 |
|
| 98克： |
丙 | H3PO4：158 |
|
| 316克： |
丁 | CH3COOH：60 |
|
| 30克： |
戊 | NaOH：40 |
|
| 20克： | 鹼 |
已 | Ca(OH)2：74 |
|
| 74克： |
7. 承6題，在D欄的數量之下哪幾組的酸鹼反應可達到完全中和當量點？(多選)(A)甲─戊 (B)乙─已 (C)丁─戊 (D)丙─戊 (E)甲─已
8. 下表中空格處填入正確，並寫出數值變化存在的規律
25ºC 水溶液 [H+ ]×[OH-]=10-14 |
酸鹼度 溶液種類 | pH值(A) | pOH值(B) |
A+B |
[H+] | 1/[H+] | log1/[H+] | | | |
0.5M HCl | 0.5M | 2 | 0.3010 | 2×10-14M |
| 13.6990 |
|
0.3M HCl | 0.3M | 10/3 | 0.5229 | 1×10-13M | 10/3×10-13 | 13.4771 |
|
0.1M HCl | 0.1M | 10 |
| 1×10-13M | 10-13 | 13 |
|
0.01M HCl | 0.01M | 100 |
|
|
|
| 14 |
2×10-4M HCl | 2×10-4M | 5000 | 3.6990 |
|
|
| 14 |
1×10-4M HCl | 1×10-4M | 10000 |
|
|
|
| 14 |
4×10-5M HCl | 4×10-5M | 25000 | 4.3980 |
|
|
| 14 |
1×10-5M HCl | 1×10-5M |
|
|
|
|
| 14 |
25ºC 水溶液 [H+ ]×[OH-]=10-14 |
酸鹼度 溶液種類 | pH值(A) | pOH值(B) |
A+B |
[H+] | 1/[H+] | log1/[H+] | | | |
0.5M NaOH |
|
|
| 0.5M | 2 | 0.3010 | 14 |
0.3M NaOH |
|
|
| 0.3M | 10/3 | 0.5329 | 14 |
0.1M NaOH |
|
|
| 0.1M | 10 |
| 14 |
0.01MNaOH |
|
|
| 0.01M | 100 |
| 14 |
2×10-4M NaOH |
|
|
| 2×10-4M | 5000 | 3.6990 | 14 |
1×10-4M NaOH |
|
|
| 1×10-4M | 10000 |
| 14 |
4×10-5M NaOH |
|
|
| 4×10-5M | 25000 | 4.3980 | 14 |
1×10-5M NaOH |
|
|
| 1×10-5M | 100000 |
| 14 |
| | | | | | | | | | | | |
