實 驗 九 水 的 硬 度 及 牛 奶 中 鈣 的 定 量

分 析 化 學 實 驗
實 驗 九
水 的 硬 度 及 牛 奶 中 鈣 的 定 量
一 、 目 的
測 。
學 習 EDTA 的 配 製 、 標 定 及 應 用 於 水 的 硬 度 及 牛 奶 中 鈣 含 量 的 檢
圖 9-1 滴 定 裝 置 與 器 材
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二 、 原 理
A. EDTA 配 位 根 :
許 多 金 屬 離 子 和 提 供 電 子 對 的 物 質 形 成 配 位 化 合 物 (coordination
compounds) 或 稱 為 錯 合 離 子 (complex ions)。 提 供 電 子 對 的 物 質 稱 為 配
位 根 (ligand) , 需 具 有 一 對 或 一 對 以 上 的 未 分 享 電 子 對 (unshared
electron-pair)。 例 如 :H 2 O、NH 3 、Cl − 、Br − 、I − 等 都 是 無 機 配 位 根 (inorganic
ligand)。
當 配 位 根 與 金 屬 離 子 形 成 五 員 環 或 六 員 環 (five or six membered
heterocyclic ring) 時 稱 為 鉗 合 物 (chelates)。EDTA 是 使 用 相 當 廣 泛 的 鉗 合
劑 。EDTA(ethylenediamine-tetraacetic acid), 乙 二 胺 四 醋 酸 的 簡 稱 , 分
子 量 292.25 g/mole, 構 造 式 為
HOOC CH2 CH2 COOH
:N CH2 CH2 N :
HOOC CH2
CH2 COOH
EDTA 是 弱 酸 性 有 機 物 , 為 一 種 四 質 子 酸 , 以 H 4 Y 表 示 。 除 去 四
個 酸 性 氫 及 二 個 氮 原 子 都 各 有 一 對 未 共 用 電 子 對 , 故 此 分 子 有 6 對 未
共 用 電 子 對 , 是 為 六 芽 團 (hexadentate) 的 鉗 合 劑 (chelating agent), 可 與
金 屬 離 子 形 成 穩 定 的 錯 離 子 , 在 不 同 pH 值 下 ,H 4 Y,H 3 Y − ,H 2 Y − 2 ,
HY − 3 ,Y 4− 分 別 以 不 同 比 例 存 在 於 溶 液 中 。 滴 定 時 , 使 用 二 鈉 鹽 , 因 為
Na 2 H 2 Y 易 溶 於 水 , 其 與 金 屬 離 子 的 反 應 如 下 :
Mg 2+ + H 2 Y 2− MgY 2− + 2H + K MgY = 4.9×10 8
Ca 2+ + H 2 Y 2− CaY 2− + 2H + K CaY = 5.0×10 10
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B. EBT 指 示 劑
EBT( Eriochrome Black T, 羊 毛 鉻 黑 T ) 是 EDTA 滴 定 法 常 用 的 指
示 劑 , 其 結 構 為 :
OH
HO
N
N
SO3H
NO2
以 H 3 In 表 示 EBT 分 子 式 , 在 水 中 完 全 解 離 成 紅 色 的 H 2 In − 。 在 pH
7~11, 指 示 劑 以 藍 色 的 HIn 2− 形 成 較 多 , 其 易 與 Ca 2+ 、Mg 2+ 、Zn 2+ 、Hg 2+
等 生 成 紅 色 錯 合 物 ,pH>11 時 ,HIn 2− 會 進 一 步 解 離 成 橘 色 In 3− 。
H 2 O + H 2 In − HIn 2− + H 3 O + K 1 = 5×10 −7
Red
Blue
H 2 O + HIn 2− In 3− + H 3 O + K 2 = 2.8×10 −12
Bule
Orange
MIn − + HY 3− HIn 2− + MY 2−
Red
Blue
EBT 不 適 用 於 Ca 2+ −EDTA 滴 定 , 可 由 下 列 二 曲 線 圖 的 比 較 而 了
解 。 下 列 圖 形 之 左 圖 為 EDTA 滴 定 Mg 2+ , 由 pMg 對 EDTA 的 滴 定 體
積 作 的 滴 定 曲 線 圖 ,EBT 當 Mg 2+ 的 指 示 劑 時 ,EBT 的 變 色 範 圍 為 4.4 ~
6.4,Mg 2+ 的 滴 定 當 量 點 約 為 5.8, 因 此 EBT 很 適 合 當 Mg 2+ 的 指 示 劑 。
下 列 圖 形 之 右 圖 則 是 EDTA 滴 定 Ca 2+ , 由 pCa 對 V EDTA 作 圖 。 如 以 EBT
當 Ca 2+ 的 指 示 劑 時 ,EBT 的 變 色 範 圍 為 2.8 ~ 4.8,Ca 2+ 的 滴 定 當 量 點 約
為 6.36。 顯 然 滴 定 Ca 2+ 時 , 並 不 適 合 以 EBT 當 指 示 劑 。 因 此 進 行
Ca 2+ −EDTA 滴 定 時 , 以 EBT 當 指 示 劑 需 有 少 量 Mg 2+ 存 在 , 才 能 正 確
觀 察 到 滴 定 終 點 。
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pMg
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
EBT 變 色 範 圍
0 5 10 15 20 25 30
V EDTA
pMg pCa
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
EBT 變 色 範 圍
0 5 10 15 20 25 30
V EDTA
C. 緩 衝 溶 液 ( Buffer Solution )
緩 衝 溶 液 的 組 成 是 共 軛 酸 鹼 對 (acid-base conjugate pair), 例 如 : 醋
酸 和 醋 酸 鈉 ( CH 3 COOH+CH 3 COONa ), 氨 和 氯 化 銨 ( NH 3 +NH 4 Cl ) 等 。
它 的 功 用 是 稀 釋 或 加 入 少 量 的 酸 或 鹼 ,pH 值 不 會 有 太 大 的 改 變 , 通 常
以 HA 和 NaA 表 示 ,pH 值 求 法 如 下 :
HA + H 2 O A − + H 3 O +
[ HA]
[ A−]
⎡
H O
+ ⎤
⎢⎣ 3 ⎥⎦
K
a
=
或 pH=
pK
a
+ log
[ base]
[ acid]
D. EDTA 的 滴 定 法
1. 直 接 滴 定 法 (Direct titration method)
EBT 先 與 溶 液 中 待 檢 測 的 Mg 2+ 形 成 紅 色 的 MgIn − , 以 EDTA 滴 定 ,
EDTA 與 Mg 2+ 形 成 MgY 2− , 再 與 MgIn − 形 成 更 安 定 的 MgY 2− 及 HIn 2− ,
所 以 溶 液 轉 變 為 藍 色 。
−
+
− +
+ H Y2
Mg2
⎯EBT
⎯⎯
→MgIn
Free Mg2
⎯⎯2
⎯⎯ →MgY2
−
+ HIn2
−
(aq)
Red
Bule
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2. 反 滴 定 (Back titration method)
過 量 的 EDTA 與 溶 液 中 待 檢 測 的 Ca 2+ 作 用 成 CaY 2− , 多 餘 的 EDTA
以 H 2 Y 2− 存 在 , 加 入 EBT 溶 液 呈 藍 色 , 以 Mg 2+ 標 準 溶 液 滴 定 , 直 到
Mg 2+ 將 多 餘 的 H 2 Y 2− 都 作 用 完 ,Mg 2+ 即 與 EBT 反 應 成 MgIn − , 溶 液 轉
變 成 紅 色 , 表 示 到 達 滴 定 終 點 。
Ca
2+
(aq)
⎯⎯
過 量
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
EDTA標 準 溶 液
→CaY
2−
+ excess
H
2
Y
2−
⎯⎯
EBT
⎯→
CaY
2−
2+
2 − 2 − Mg 標 準 溶 液 2−
2−
+ H Y + HIn ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→
CaY + MgY + MgIn
−
2
(excess) blue red
3. 取 代 滴 定 (Displacement Method)
當 Ca 2+ 與 EDTA 形 成 的 錯 合 物 比 Mg 2+ 與 EDTA 所 形 成 的 更 安 定
時 , 將 過 量 的 Mg−EDTA 溶 液 加 入 待 檢 測 的 Ca 2+ 溶 液 中 , 加 入 EBT,
時 溶 液 為 紅 色 , 與 Ca 2+ 等 莫 耳 數 的 Mg 2+ 和 MgIn − 形 成 。 以 EDTA 標 準
溶 液 滴 定 Mg 2+ 離 子 , 直 到 溶 液 轉 變 成 藍 色 , 表 示 到 達 滴 定 終 點 。
2−
MgY
excess
+
Ca
2+
→ CaY
2−
+
Mg
EBT
2+
⎯⎯⎯→
CaY 2 − +
MgIn− +
red
Mg
2+
EDTA titration
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→
CaY2
−
+
MgY
2−
+
HIn
blue
2−
本 實 驗 採 取 較 為 方 便 的 方 式 是 在 EDTA 標 準 溶 液 滴 定 劑 中 加 入 少
量 的 MgCl 2 ‧2H 2 O,Mg 2+ 與 EDTA 形 成 MgY 2− , 以 此 標 準 液 滴 定 加 有
EBT 當 指 示 劑 的 待 檢 測 的 Ca 2+ 時 ,Ca 2+ 會 取 代 較 不 穩 定 的 MgY 2− 中 的
Mg 2+ 形 成 較 穩 定 的 CaY 2− ,Mg 2+ 被 取 代 出 來 形 成 MgIn − 和 游 離 Mg 2+ ,
待 檢 測 液 呈 紅 色 , 當 Ca 2+ 完 全 與 EDTA 錯 合 時 ,EDTA 與 MgIn − 形 成
MgY 2− 和 HIn 2− , 此 時 溶 液 呈 藍 色 到 達 滴 定 終 點 , 過 程 中 EDTA 的 標 準
液 需 以 一 級 標 準 碳 酸 鈣 來 標 定 。
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MgY
2−
EBT
⎯⎯⎯
→
Ca
2+
+
−
CaIn
→ CaY
2−
+
−
MgIn
+
Mg
2+
red
EDTA
⎯⎯ ⎯⎯ →
CaY
2−
+
MgY
2−
+
2 -
HIn
blue
本 實 驗 中 標 定 EDTA, 水 的 硬 度 測 定 及 牛 奶 中 鈣 的 含 量 , 皆 是 應 用
上 述 原 理 進 行 滴 定 終 點 的 判 定 。
E. 本 實 驗 數 據 計 算 :
1. EDTA 的 標 定 濃 度 以 M EDTA 表 示
M
EDTA
⋅ V
EDTA
WCaCO
(mL) =
100.0 M.W.
25.0
3 3
× 10 ⎜ ⎟×
( ) 莫 耳 100.0 mL
CaCO
2. 水 的 硬 度 測 定 一 律 以 一 升 水 中 所 含 CaCO 3 的 毫 克 數 表 示 , 亦 即 為
ppm CaCO 3
M
100.0 (
毫 克
EDTA
⋅ VEDTA
× CaCO3
)
毫 莫 耳
ppm
CaCO 3
=
−3
升
100.0 ( 水 樣 體 積 ) × 10 ( )
毫 升
3. 牛 奶 中 的 鈣 含 量 以 每 升 牛 奶 中 所 含 Ca 的 毫 克 數 表 示 , 即 為 ppm Ca
3
⎛毫 莫 耳 ⎞
⎝
⎠
mL
ppm
Ca
=
10
M
EDTA
mL牛 奶 原 液 ×
⋅
VEDTA
⋅ 40.0(Ca毫 克 )
毫 莫 耳
25.0 mL牛 奶 稀 釋 實 驗 量
×
100.0 mL牛 奶 稀 釋 液
10
−3
升
( )
毫 升
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三 、 藥 品
A、 自 行 配 製 取 用
1. 0.01 M 乙 二 胺 四 醋 酸 (Ethylenediamine-tetraacetic acid, EDTA,
Na 2 H 2 Y‧2H 2 O),250 mL: 粗 秤 0.93 g Na 2 H 2 Y‧ 2H 2 O (S) 溶 解 配 製
250 mL。( 助 教 事 先 於 80℃ 烘 箱 中 烘 乾 1 小 時 )
2. 氯 化 鎂 (Magnesium chloride hexahydrate, MgCl 2 ‧6H 2 O): 粗 秤
0.125 g 加 去 離 子 水 溶 解 後 與 EDTA 一 起 配 製 至 250 mL。
3. 氯 化 銨 (Ammonium chloride, NH 4 Cl): 精 秤 1.4 g。
4. 濃 氨 水 (Ammonia aqua, NH 3(aq) ): 取 用 10 mL。
5. 碳 酸 鈣 (Calcium carbonate, CaCO 3 ): 精 稱 0.072~0.088 g。
B、 助 教 配 製
1. 羊 毛 鉻 黑 (Eriochrome Black T indicator, C 20 H 12 N 3 NaO 7 S): 粗 秤 0.1
g C 20 H 12 N 3 NaO 7 S (S) +5 mL 95 % 酒 精 +15 mL 乙 醇 胺 (C 2 H 7 NO) 溶
解 即 可 , 每 組 每 次 使 用 2~3 滴 。
2. 0.5 M 氫 氧 化 鈉 (Sodium hydroxide, NaOH): 粗 秤 4 g NaOH (S) 溶 解
配 製 200 mL, 每 組 用 2.5 mL。
3. 6 M 鹽 酸 (Hydrochloric acid, HCl (aq) ): 取 50 mL 濃 鹽 酸 稀 釋 至 100
mL, 每 組 用 1 mL × 1,0.3 mL × 1。
四 、 器 材
1. 體 積 量 瓶 :100 mL,250 mL
2. 體 積 型 吸 量 管 :10 mL,25 mL
3. 滴 定 管
4. 濾 紙
5. 玻 璃 漏 斗
6. 血 清 瓶 :25 mL
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分 析 化 學 實 驗
五 、 步 驟
A、0.01 M EDTA 配 製
稱 0.93 g 的 Na 2 H 2 Y‧2H 2 O 和 0.125 g MgCl 2 ‧2H 2 O 分 別 於 燒 杯 中
完 全 溶 解 後 , 移 至 250 mL 體 積 量 瓶 中 , 充 分 混 合 均 勻 後 , 加 去 離 子 水
至 標 線 。
B、pH = 10 緩 衝 溶 液 (Buffer) 的 配 製
1. 精 秤 1.4 g NH 4 Cl (S) 直 接 倒 入 25 mL 血 清 瓶 中 。
2. 再 加 入 10 mL 濃 氨 水 , 加 去 離 子 水 至 血 清 瓶 20 mL 的 標 線 , 搖
晃 至 完 全 溶 解 即 可 。
C、 標 定 EDTA 溶 液
1. 精 稱 0.072~0.088 g CaCO 3 , 加 入 6 M HCl (aq) 1 mL 溶 解 之 , 待
CaCO 3 全 溶 後 移 至 100 mL 體 積 量 瓶 , 加 去 離 子 水 至 標 線 , 混
合 均 勻 。
2. 以 吸 量 管 量 取 25 mL 的 CaCO 3(aq) 於 錐 形 瓶 內 , 加 pH = 10 的 緩
衝 溶 液 1 mL, 再 加 2 滴 EBT 指 示 劑 , 此 時 溶 液 呈 紫 紅 色 。
3. 用 EDTA 溶 液 滴 定 直 到 溶 液 變 為 藍 色 , 計 算 EDTA 濃 度 。
4. 重 複 2、3 步 驟 。
D、 水 的 硬 度 測 定
1. 用 吸 量 管 吸 取 100 mL 的 檢 驗 水 , 放 入 錐 形 瓶 中 。
2. 加 入 pH = 10 的 緩 衝 溶 液 4 mL,2 滴 EBT 指 示 劑 。
3. 以 EDTA 標 準 溶 液 滴 定 至 溶 液 由 紫 紅 色 變 藍 色 。
4. 計 算 水 的 硬 度 , 以 ppm CaCO 3 表 示 。
5. 重 複 步 驟 1~4。
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E、 牛 奶 中 鈣 的 定 量
1. 於 100 mL 體 積 量 瓶 加 入 10 mL 牛 奶 、20 mL 去 離 子 水 及 6 M
HCl 0.3 mL 振 盪 混 合 後 再 靜 置 10 分 鐘 。
2. 加 入 0.5 M NaOH (aq) 2.5 mL, 加 去 離 子 水 稀 釋 至 標 線 。
3. 以 重 力 過 濾 法 過 濾 ( 花 形 濾 紙 )。
4. 錐 形 瓶 中 放 入 25 mL 濾 液 、pH = 10 buffer 2 mL 及 3 滴 EBT 指
示 劑 , 以 0.01 M EDTA 標 準 液 滴 定 溶 液 由 紫 紅 色 轉 變 成 藍 色 。
記 錄 EDTA 所 滴 定 的 體 積 。
5. 重 複 步 驟 4, 求 EDTA 平 均 滴 定 體 積 。
6. 計 算 牛 奶 的 ppm Ca。
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分 析 化 學 實 驗
六 、 實 驗 數 據 處 理
A、0.01 M EDTA 配 製
Na 2 H 2 Y‧ 2H 2 O = __________________ g
MgCl 2 ‧2H 2 O
= __________________ g
B、 標 定 EDTA 溶 液
☆ 緩 衝 溶 液 配 製
(A) NH 4 Cl:___________ g
(B) NH 3 :____________ mL
「(A) + (B)」→ 加 去 離 子 水 稀 釋 到 __________ mL
W CaCO3
:_______________ g
1 2
V EDTA _____________ mL _____________ mL
M EDTA _______________ M _______________ M
M ave. EDTA
_______________ M
C、 水 的 硬 度 測 定
1 2
V EDTA _____________ mL _____________ mL
(1)( 算 式 )
_________________________________________
水 的 硬 度
=_____________ ppm
(2)( 算 式 )
_________________________________________
=_____________ ppm
水 的 硬 度 平 均 值
______________ ppm
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分 析 化 學 實 驗
D、 牛 奶 中 鈣 的 含 量
1 2
V EDTA _____________ mL _____________ mL
(1)( 算 式 )
_________________________________________
=_____________ ppm
牛 奶 的 鈣 含 量
ppm Ca (2)( 算 式 )
_________________________________________
=_____________ ppm
牛 奶 的 鈣 含 量
平 均 值 ppm Ca
______________ ppm
E、 所 測 牛 奶 品 牌 :_________________________
鈣 含 量 理 論 值 :___________ ppm
鈣 含 量 實 驗 值 :___________ ppm
相 對 誤 差 : = _____________ %
技 術 試 評 分 : ( 由 助 教 評 定 )
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分 析 化 學 實 驗
七 、 實 驗 問 題 ..
1. 計 算 本 實 驗 中 NH 4 Cl−NH 3 buffer 的 pH 值 。
2. 請 寫 出 100 mL Eriochrom Black T indicator 的 配 製 方 法 。
3. 為 何 使 用 EDTA 加 MgCl 2 的 標 準 溶 液 來 進 行 滴 定 ?
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4. 配 製 EDTA 溶 液 時 ,MgCl 2 的 量 是 否 會 影 響 實 驗 ? 說 明 之 。
分 析 化 學 實 驗
八 、 實 驗 廢 ( 固 ) 液 處 理 ..
九 、 實 驗 心 得 與 討 論 ..
誤 差 討 論 :
心 得 ..
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