化學實驗室實驗：結晶水的測定 – III

化學實驗室實驗：結晶水的測定 (Determination of the Water of Crystallization)〔III〕
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

連結：結晶水的測定 – II

教師手冊 (Teacher’s Guide)

化學示範

1. 教師準備含結晶水的硫酸銅晶體（CuSO₄•5H₂O），展示讓學生知道為藍色晶體，如圖一所示。

圖一 含結晶水的硫酸銅晶體呈藍色。

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，如圖二所示。

圖二 失去結晶水的硫酸銅晶體逐漸變白色。

3. 讓學生觀察到加熱硫酸銅晶體釋放出水蒸氣，並且凝結於表玻璃上，呈現霧狀，如圖三所示。最後藍色晶體會變成白色晶體，此即為無水硫酸銅晶體（CuSO₄），如圖四所示。

圖三 加熱後硫酸銅晶體釋放出水蒸氣。

圖四 不含結晶水的硫酸銅晶體。

藥品配製

1. 0.0200 M碘酸鉀標準溶液：精稱4.28克的KIO₃（莫耳質量214.001 g/mol），在定量瓶中用蒸餾水配成1.00公升。
2. 1 M硫酸溶液：用量筒取55.6 mL的濃硫酸，慢慢地倒入含約500 mL蒸餾水的燒杯中，再用蒸餾水稀釋成1升。
3. 澱粉指示劑：取3克的可溶性澱粉，加水25 mL攪勻後，緩緩地傾入500 mL的沸水中，並隨時攪拌，繼續煮沸2分鐘，靜置冷卻後，傾析取得上層澄清液，即為澱粉指示劑，本指示劑應新鮮配製，以免變質。

實驗記錄

莫耳質量：Na₂S₂O₃：158.108 g/mol，Na₂S₂O₃•5H₂O：248.17 g/mol，KI：166.003 g/mol，Cu：63.546 g/mol，CuSO₄：159.62 g/mol，H₂O：18.015 g/mol。

A. 標定硫代硫酸鈉溶液

KIO₃標準液的濃度：  0.0200   M（由老師公佈該數值）

表一  標定硫代硫酸鈉溶液的數據

【註：本次實驗滴定管刻度僅初略地讀到毫升的小數點一位，未精準地讀到第二位。如此僅可得三位有效數字的Na₂S₂O₃溶液之濃度。】

● 以測試1為例，用該數據算出硫代硫酸鈉溶液的濃度。

根據反應式[1]和[3]，為了去除碘分子，反應式[1] × 1 與[3] × 3相加，得反應式[5]，如下所示。

B. 測定硫酸銅粉末的結晶水含量

Na₂S₂O₃溶液之平均濃度： 0.0100  M

表二  測定硫酸銅粉末的結晶水含量的數據

【註：本次實驗滴定管刻度僅初略地讀到毫升的小數點一位，未精準地讀到第二位。如此僅可得三位有效數字的Na₂S₂O₃溶液之濃度。】

● 以試驗1為例，用該數據算出樣品中含無水硫酸銅的莫耳數、樣品中結晶水的莫耳數以及無水硫酸銅與結晶水的莫耳數比值。

根據反應式[3]和[4]，為了去除碘分子，兩反應式相加，得反應式[6]，如下所示。

參考答案

1. 一開始含有I₃^－錯離子，其顏色為黃褐色，易於判斷，待濃度降低後，才需要指示劑協助判別，且又因為澱粉指示劑為受到硫酸的催化而分解，故較慢加入錐形瓶中。

2. 硫酸作為酸的來源，只提供H⁺，而硫酸根（SO₄^2-）為非氧化劑，不會參與反應。若使用硝酸當作酸的來源，因為硝酸根（NO₃^–）為氧化劑，則會與還原劑硫代硫酸鈉反應，而造成硫代硫酸鈉的滴定量過高，計算得到的硫代硫酸鈉溶液的濃度值將會比實際值過低。

3. 在「標定硫代硫酸鈉溶液」的實驗中，碘化鉀為過量試劑、碘酸鉀為限量試劑。

在「標定硫代硫酸鈉溶液」的實驗中，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。
KIO₃的毫莫耳數 = 25.00 mL × 0.0200 mmol/mL = 0.500 mmol
KI的毫莫耳數 = 1 g / (166.003 g/mol) = 0.006 mol = 6 mmol
實驗使用的毫莫耳數比 = KI : KIO₃ = 6 mmol : 0.500 mmol = 6 : 0.5 = 12 : 1
根據反應式[1]：5I^–(aq) + IO₃^–(aq) + 6H⁺(aq) → 3I₂(s) + 3H₂O(l)
平衡式的毫莫耳數比 = KI : KIO₃ = 5 : 1
因此，碘化鉀為過量試劑、碘酸鉀為限量試劑。

4. 因為此自身氧化還原反應速率較氧化還原滴定慢很多，故滴入的硫代硫酸鈉會先與碘反應，而無法在酸性中進行自身氧化還原反應。

5. 結晶水的n值不一定為整數，這是因為在不同溫度下，硫酸銅含結晶水的數目不同，含結晶水的硫酸銅化學式為CuSO₄．nH₂O之n = 1～5。含五結晶水硫酸銅在融化之前，在63℃時失去二結晶水，接著109℃時又失去二結晶水，在109℃時失去最後一結晶水。在前面兩溫度值之間，結晶水的數目可能為非整數。實驗所測得的n值為一各測量的平均值，因此n值可為小數。

參考資料和延伸閱讀

1. Copper(II) sulfate, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate.
2. Water of crystallization, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Water_of_crystallization.
3. Experiment to determine the number of waters of crystallisation in hydrated copper(II) sulphate, http://www.lgschemistry.org.uk/P … copper_sulphate.pdf.
4. Determining Waters of Crystallisation by Titration, http://mathsforchemistry.info/wo … ation-by-titration/.
5. Determination of the amount of water of crystallisation in hydrated sodium carbonate, http://mccscience.yolasite.com/resources/EXP 4.4.pdf.
6. Experiment 10 Hydrates, http://spot.pcc.edu/~gbackes/CH2 … Exp.10.Hydrates.htm.