化學實驗室實驗：結晶水的測定 – I

化學實驗室實驗：結晶水的測定 (Determination of the Water of Crystallization)〔I〕
國立臺中第一高級中學化學科楊勝凱老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一 (Student Handout I)

化學示範

1. 教師準備含結晶水的硫酸銅晶體，展示讓學生知道為藍色晶體。
2. 放置該晶體於蒸發皿中，並且以表玻璃覆蓋，用酒精燈加熱之。
3. 讓學生觀察到硫酸銅晶體釋放出水蒸氣，並且凝結於表玻璃上，呈現霧狀；最後藍色晶體會變成白色晶體，此即為無水硫酸銅晶體。

實驗介紹

傳統上，測定晶體所含結晶水的大多以加熱方式除去結晶水，再從失去的質量去求得原晶體所含結晶水的含量。然而，有些含結晶水晶體受熱時，除了去除結晶水之外，亦可能產生熱分解。因此，本實驗企圖利用氧化還原反應，來測定含結晶水的硫酸銅晶體中結晶水的分子數。

在許多的檢驗中，碘常常被拿來當作是電子轉移過程中的介質。本次實驗是利用碘分子及其化合物作為氧化還原反應中的反應試劑。

在酸性環境下，碘離子與碘酸根離子會反應生成碘分子，如反應式[1]所示：

5I^–(aq) + IO₃^–(aq) + 6H⁺(aq) → 3I₂(s) + 3H₂O(l)    [1]

其中碘分子可以與澱粉反應，生成深藍色的錯化合物。然而，碘分子不易溶於水中，但是能溶在含有碘離子的水溶液中，形成黃褐色的錯離子，如反應式[2]所示：

I₂(s) + I^–(aq) → I₃^–(aq)    [2]

再者，碘分子能與硫代硫酸根離子進行氧化還原反應，生成碘離子與四硫磺酸根離子，如反應式[3]所示：

I₂(s) + 2S₂O₃^2-(aq) → 2I^–(aq) + S₄O₆^2-(aq)    [3]

碘離子還有一個特別的反應，它能與銅離子進行氧化還原反應，生成碘分子與碘化亞銅的白色沉澱物，如反應式[4]所示：

2Cu²⁺(aq) + 4I^–(aq) → 2CuI(s) + I₂(s)    [4]

本實驗就是利用上述所提到的氧化還原反應，使用滴定求得含結晶水的硫酸銅晶體中結晶水的分子數。

器材與藥品

1. 滴定管（50 mL） 1支
2. 滴定管架 1座
3. 錐形瓶（250 mL） 3個
4. 容量瓶（250 mL） 1個
5. 安全吸球 1個
6. 移液管（25 mL） 2支
7. 漏斗 1個
8. 量筒（25 mL） 1支
9. 碘化鉀（Potassium iodide, KI）
10. 五結晶水硫代硫酸鈉（Sodium thiosulfate pentahydrate, Na₂S₂O₃•5H₂O）
11. 含結晶水硫酸銅粉末（Cupric sulfate with hydrate, CuSO₄•nH₂O）
12. 0.020 M碘酸鉀（Potassium iodate, KIO₃）
13. 1 M硫酸（Sulfuric acid, H₂SO₄）
14. 澱粉指示劑（Starch indicator）

實驗步驟

A. 標定硫代硫酸鈉溶液

1. 稱取約6.2 g的五結晶水硫代硫酸鈉，在錐形瓶中用蒸餾水配成250 mL的溶液，此溶液的濃度趨近於0.1 M。

2. 使用移液管吸取25.00 mL的0.0200 M KIO₃標準液，置於錐形瓶中，再加入約1 g 的碘化鉀與25 mL的1 M H₂SO₄，如圖一所示。

圖一 未滴定前的碘標準液，呈現紅褐色。

3. 清洗並潤濕滴定管，用代硫酸鈉溶液填充滴定管，並記錄起始刻度於表一。

4. 利用硫代硫酸鈉溶液滴定碘溶液，待溶液的黃褐色變淡之後，如圖二所示。再加入1～2 mL的澱粉指示劑，如圖三所示。繼續用硫代硫酸鈉溶液滴定至終點，此時溶液呈無色，如圖四所示。記錄最後刻度於表一。

圖二 滴加部分滴定液的碘標準液，呈現黃褐色。

圖三 加入澱粉指示劑後的顏色，成紫黑色。

圖四 達滴定終點，溶液呈無色。

5. 計算硫代硫酸鈉溶液的濃度。

6. 重複步驟2～4兩次，並計算硫代硫酸鈉溶液的平均濃度。

B. 測定硫酸銅粉末的結晶水含量

1. 精稱約1 g 的含結晶水硫酸銅粉末，置於一個錐形瓶中，再加入約50 mL的蒸餾水溶解之，如圖五所示

圖五 未加入碘化鉀的硫酸銅溶液，呈現淡藍色。

2. 稱取約3 g 的碘化鉀，加入上述的錐形瓶中，如圖六所示。

圖六 加入碘化鉀之後，有沉澱且溶液呈現紅褐色。

3. 清洗並潤濕滴定管，用代硫酸鈉溶液填充滴定管，並記錄起始刻度於表二。

4. 利用已標定的硫代硫酸鈉溶液滴定之，待溶液的黃褐色變淡之後，如圖七所示。再加入1～2 mL的澱粉指示劑，如圖八所示。繼續用硫代硫酸鈉溶液滴定至終點，溶液呈白色混濁，如圖九所示。記錄最後刻度於表二。

圖七 加入部分硫代硫酸鈉溶液後，呈現黃褐色。

圖八 再加入澱粉指示劑後，呈現紫黑色。

圖九 達滴定終點，溶液呈白色混濁。

5. 計算硫酸銅粉末中銅離子所佔的重量百分比。

6. 重複步驟1～4兩次，並計算銅離子所佔重量百分比的平均值。

7. 假設硫酸銅粉末只含有硫酸銅與結晶水，試估算硫酸銅含有多少的結晶水。亦即粉末化學式為CuSO₄•nH₂O，求其n值。

安全和注意

1. 進行實驗操作時，應該戴安全眼鏡及可丟棄的手套，也應該穿實驗衣。
2. 若對實驗的安全問題有任何質疑，請勿猶豫，立刻詢問教師。
3. 不慎接觸藥品，應該用大量水沖洗，必要時報告教師。

廢棄物處理

1. 實驗後的廢液，請集中於教學桌上的廢液桶，最後再倒入標示「重金屬」的大塑膠桶中。
2. 若有不慎打破的玻璃器材，請放置損壞的器材於玻璃回收桶中。

連結：結晶水的測定 – II