實 驗 五 溶 液 的 稀 釋 與 導 電 性

普 通 化 學 實 驗 講 義 < 上 >
實 驗 五
溶 液 的 稀 釋 與 導 電 性
一 、 目 的
藉 由 溶 液 的 稀 釋 學 習 各 式 吸 量 管 的 操 作 , 並 且 測 量 稀 釋 溶 液 及 未 知
濃 度 溶 液 的 導 電 度 , 以 求 得 待 測 液 的 濃 度 。
圖 5-1 使 用 吸 量 管 吸 取 溶 液
圖 5-2 Micropipet
圖 5-3 使 用 Micropipet 吸 取 溶 液
圖 5-4 使 用 電 導 度 計
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二 、 原 理
溶 液 的 稀 釋 為 由 濃 溶 液 中 吸 取 若 干 毫 升 後 , 加 入 去 離 子 水 稀 釋 以 擴
增 溶 液 的 體 積 , 稀 釋 前 所 取 的 濃 溶 液 中 溶 質 的 毫 莫 耳 數 與 稀 釋 液 中 溶 質
的 毫 莫 耳 數 相 等 。
濃 溶 液 體 積 莫 耳 濃 度 的 計 算 ..
F.W.
固 態 溶 質 秤 重 配 製 濃 溶 液 :
( 溶 質 克 數 每 莫 耳 )
= M( mol ) = M( mmol )
V
W
溶 質 克 數
( 溶 質 體 積 ,L )
濃 溶 液 的 稀 釋 與 稀 溶 液 體 積 莫 耳 濃 度 的 計 算 :
L
mL
M 濃 溶 液 × V 濃 溶 液 = M 稀 溶 液 × V 稀 溶 液
溶 液 依 其 導 電 與 否 分 為 電 解 質 (electrolyte) 與 非 電 解 質
(nonelectrolyte)。 非 電 解 質 溶 液 為 溶 質 (solute) 在 溶 劑 (solvent) 中 不 會 解 離
成 離 子 , 仍 然 以 分 子 形 式 存 在 , 所 以 不 導 電 。 電 解 質 溶 液 則 是 溶 質 在 溶
劑 中 會 解 離 成 陽 離 子 (cation) 和 陰 離 子 (anion); 溶 質 如 果 為 100% 解 離 ,
則 此 溶 液 為 強 電 解 質 (strong electrolyte), 溶 質 的 解 離 小 於 100%, 則 此 溶
液 為 弱 電 解 質 (weak electrolyte)。
電 解 質 的 導 電 性 係 溶 液 攜 帶 電 流 能 力 的 衡 量 。 電 解 質 溶 液 在 電 場 的
影 響 下 , 藉 離 子 的 移 動 而 傳 導 電 流 , 其 導 電 性 與 金 屬 導 體 一 樣 , 遵 循 歐
姆 定 律 (Ohm’s law), 德 國 物 理 學 家 歐 姆 (Georg Simon Ohm,1787~1854)
於 1862 年 提 出 如 下 的 歐 姆 定 律 (Ohm’s law),「 通 過 導 線 的 電 流 強 度 與 導
線 兩 端 的 電 壓 成 正 比 , 而 與 導 線 的 電 阻 成 反 比 。」
電 壓 (E)
即 電 流 (i)=
電 阻 (R)
單 位 : 電 流 - 庫 倫 (Coulomb,C), 電 壓 (Voltage,V),
電 阻 (Resistance, 歐 姆 ,Ω)
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電 解 液 中 施 與 電 壓 ( 電 動 勢 ,E) 則 與 電 解 質 中 兩 極 間 的 電 流 i 成 正 比 ,
與 電 解 質 溶 液 的 電 阻 R 成 反 比 。 電 阻 的 倒 數 1/R , 稱 為 電 導 (G ,
conductance), 其 單 位 以 Ω 的 倒 數 (Ω -1 ) 或 姆 歐 (mho) 表 示 之 ,G=1/R( Ω -1 ,
mho )。 溶 液 所 觀 察 的 電 導 (G) 與 兩 極 間 的 距 離 d 成 反 比 , 與 其 面 積 A 成
正 比 :
1 A
d
G= =κ⋅ ∴ κ = G × =
R d A
1 ×
R
d
A
溶 液 的 導 電 性 , 由 所 有 存 在 於 溶 液 中 的 離 子 所 共 同 提 供 , 決 定 於 每
單 位 容 量 溶 液 中 的 離 子 數 目 , 以 及 此 等 離 子 在 所 施 電 壓 影 響 下 移 動 的 速
度 。 當 電 解 質 溶 液 被 稀 釋 時 , 上 列 方 程 式 中 的 比 電 導 (κ,specific
conductance,conductivity) 將 降 低 , 在 每 cm 3 溶 液 中 攜 帶 電 流 的 離 子 較 少 。
電 導 係 數 K(cell constant) 與 兩 極 間 的 截 面 積 (A) 成 反 比 , 與 兩 電 極 間
的 距 離 (d) 成 正 比 。
K =
d (cm -1 ), 則 κ =
A
G × K ∴ G =
κ
K
本 實 驗 中 將 學 習 各 種 吸 量 管 (pipet) 的 認 識 與 操 作 , 有 容 積 型 吸 量 管
(Volumetric pipet), 莫 耳 型 吸 量 管 (Mohr pipet), 血 清 型 吸 量 管 (Serological
pipet) 與 微 量 型 吸 量 管 (Micropipet)。 藉 由 使 用 適 當 的 吸 量 管 吸 取 濃 溶 液
後 , 加 入 去 離 子 水 配 成 各 種 不 同 濃 度 的 稀 釋 液 , 這 些 稀 釋 液 待 測 的 物 理
性 質 為 比 電 導 值 κ(specific conductance,conductivity)。 因 此 , 需 學 習 電
導 度 計 的 正 確 操 作 步 驟 及 注 意 事 項 , 並 由 電 極 的 校 正 步 驟 ( 後 面 詳 述 ) 中
得 到 所 使 用 電 極 的 電 極 係 數 K, 將 所 測 得 稀 釋 液 的 比 電 導 值 κ 除 以 電 極
係 數 K 即 得 到 此 溶 液 的 電 導 值 G。 稀 釋 液 的 電 導 值 對 濃 度 作 圖 , 可 得 一
校 正 曲 線 (calibration curve), 再 測 未 知 濃 度 待 測 液 的 比 電 導 值 (κ) 除 以 電
極 係 數 k 換 算 成 電 導 值 後 , 利 用 內 插 原 理 即 可 得 此 待 測 液 的 濃 度 。
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三 、 藥 品
1. 氯 化 鉀 (Potassium chloride, KCl (aq) ): 每 組 配 1.5 M,50 mL, 秤 取 5.5875
g KCl (S) , 加 去 離 子 水 溶 解 後 稀 釋 到 50 mL 體 積 量 瓶 的 標 線 。
四 、 器 材
A. 抽 屜 拿 出 :
1. 燒 杯 :50 mL
2. 試 管 :10 支
3. 玻 璃 體 積 量 瓶 :50 mL
B. 助 教 發 配 , 實 驗 後 歸 還 :
1. 微 量 型 吸 量 管
2. 莫 耳 型 吸 量 管 :10 mL
3. 血 清 型 吸 量 管 :5 mL
4. 安 全 吸 球
5. 體 積 量 瓶 :10 mL,25 mL
C. 其 他 器 材 :
1. 電 導 度 計 ( conductivity meter )
2. 拭 鏡 紙
3. 試 管 架
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※Pipette 的 使 用 :
< 第 一 種 > 微 量 吸 量 管 ( Micropipet ):P1000
1. 適 用 體 積 為 200~1000 µL, 欲 設 定 之 體 積 切 勿 超 出 此 範 圍 。
2. 吸 取 溶 液 時 , 釋 放 按 鈕 不 可 過 快 , 以 免 溶 液 衝 入 吸 管 柱 內 而 腐 蝕 或 阻 塞
活 塞 。
3. 微 量 吸 量 管 每 次 注 出 溶 液 後 即 應 去 除 tip, 且 應 保 持 垂 直 , 不 可 橫 放 。
0
7
5
表 示 為 0.75 mL,
即 為 750 mL
Tip
排 放 氣 體 吸 取 溶 液 排 放 溶 液 排 掉 最 後 一 滴 溶 液
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< 第 二 種 > 各 式 吸 量 管 ( pipet ):
1. 使 用 吸 量 管 時 , 切 勿 將 溶 液 吸 入 安 全 吸 球 中 , 以 免 污 染 溶 液 。
2. 吸 取 不 同 溶 液 時 , 務 必 確 實 清 洗 吸 量 管 , 以 免 污 染 溶 液 而 導 致 實 驗 誤
差 。
3. 吸 取 溶 液 時 , 釋 放 按 鈕 不 可 過 快 , 以 免 溶 液 衝 入 安 全 吸 球 內 而 腐 蝕 或 阻
塞 安 全 吸 球 。
血 清 型 吸 量 管
容 積 型 吸 量 管
10
10
莫 耳 型 吸 量 管
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※ 儀 器 操 作 說 明
電 導 度 計 :SC−170
前 面 版 說 明 :
顯 示 數 值
TEMP.
COEFF.
˜
CELL.
CONST.
˜
AUTO
MANU
MODE
HOLD
1. 調 整 鈕 :TEMP. COEFF.: 溫 度 係 數 調 整 鈕
CELL. CONST.: 電 極 係 數 調 整 鈕
2. 按 鍵 :POWER: 電 源 開 關 , 開 啟 後 自 動 進 入 測 量 檔 。
MODE: 功 能 切 換 按 鍵 。 測 量 → 電 極 係 數 → 溫 度 → 溫 度 係 數 → 測 量
HOLD: 鎖 定 顯 示 螢 幕 數 值 按 鍵 , 按 下 時 顯 示 螢 幕 左 上 角 會 出 現 〝 HOLD〞
字 樣 , 數 值 鎖 定 不 變 , 再 按 一 次 則 恢 復 正 常 。
AUTO : 測 量 範 圍 切 換 鍵 。
MANU
AUTO→20.00μs/cm→200.0μs/cm→2000μs/cm→20.0 ms/cm
→200.0 ms/cm→2000 ms/cm→AUTO
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背 面 版 說 明 :
+ −
Power:9V DC
zero red black
Cell
A.T.C.
Recorder
Output
Power
battery×1 or 9V−12V
AC/DC Adaptor
1. Power:9 V~12 V AC/DC Adaptor 插 座
2. Recorder Output: 記 錄 輸 出 插 座 ,4mm pin
3. A.T.C.: 自 動 溫 度 補 償 探 棒 插 座
4. Cell: 電 極 插 座
5. Zero: 零 點 調 整 鈕
電 導 度 計 的 操 作 步 驟 與 注 意 事 項 :
1. 電 極 的 校 正 ( 即 校 正 電 極 係 數 ):
(1) 標 準 液 配 製 : 精 稱 0.7456 克 KCl 以 去 離 子 水 配 至 1 升 , 即 為 0.01 M 氯
化 鉀 標 準 溶 液 。( 亦 可 與 藥 品 商 購 買 標 準 液 !)
(2) 按 〝POWER〞 鍵 開 啟 電 源 , 不 使 用 A.T.C. 探 棒 。
(3) 零 點 的 調 整 : 乾 燥 電 極 置 於 空 氣 中 , 調 整 背 面 板 之 zero 鈕 , 至 螢 幕 顯
示 0.00。
AUTO
(4) 按 〝 〞 鍵 至 螢 幕 出 現 〝Auto〞, 將 電 極 放 入 標 準 液 中 。
MANU
(5) 測 量 此 標 準 液 的 溫 度 , 對 照 表 得 知 標 準 液 在 此 溫 度 的 比 電 導 值 ( κ )。 調
〝Cell Const.〞 鈕 至 該 值 。
(6) 按 〝MODE〞 鍵 至 顯 示 螢 幕 左 方 出 現 〝C=〞, 此 時 顯 示 數 字 即 為 電 極 係
數 。
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2. 溶 液 比 電 導 值 ( κ ) 之 測 量 :
(1) 將 已 校 正 後 之 電 極 以 去 離 子 水 沖 洗 , 並 以 拭 鏡 紙 擦 乾 。
(2) 按 〝MODE〞 鍵 至 顯 示 螢 幕 為 0.00。
(3) 將 乾 淨 電 極 放 入 待 測 溶 液 中 , 此 讀 數 即 為 溶 液 之 比 電 導 值 ( κ )。
3. 注 意 事 項 :
(1) 電 極 的 保 存 : 乾 燥 保 存 , 小 心 使 用 避 免 撞 擊 。
(2) 每 測 完 一 個 樣 品 需 用 去 離 子 水 清 洗 電 極 , 並 以 拭 鏡 紙 吸 乾 殘 餘 水 分 。
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※ 安 全 吸 球 使 用 方 法 :
安 全 吸 球
1. 2.
排 放 氣 體
吸 取 溶 液
3. 4.
排 放 溶 液
排 掉 最 後 一 滴 溶 液
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五 、 步 驟
A. 1.5 M KCl (aq) 50 mL 之 濃 溶 液 的 配 製
1. 將 秤 量 紙 置 於 天 平 上 , 再 度 歸 零 。
2. 精 秤 5.5875 g KCl 粉 末 ( 儘 量 吻 合 到 小 數 下 二 位 ), 記 錄 至 0.0001 g。
3. 將 此 粉 末 倒 入 50 mL 燒 杯 中 , 加 少 許 去 離 子 水 以 玻 棒 攪 拌 使 其 溶 解 。
4. 以 漏 斗 盛 接 , 將 此 溶 液 沿 著 玻 棒 倒 入 50 mL 體 積 量 瓶 , 以 少 許 去 離 子
水 潤 洗 燒 杯 與 玻 棒 , 再 將 此 沖 洗 液 倒 入 體 積 量 瓶 。
5. 加 去 離 子 水 , 直 到 溶 液 體 積 接 近 體 積 量 瓶 的 標 線 , 除 去 漏 斗 , 以 滴 管
加 入 去 離 子 水 至 體 積 量 瓶 的 標 線 , 蓋 上 瓶 蓋 搖 晃 均 勻 , 此 即 為 1.5 M
KCl 濃 溶 液 。
B. 稀 釋 液 的 配 製
1. 取 9 支 乾 淨 的 試 管 以 奇 異 筆 標 上 1~9。
2. 備 好 3 個 50 mL 的 乾 淨 燒 杯 , 標 上 10~12。
3. 將 微 量 吸 量 管 刻 度 調 於 260, 吸 取 260 μL 的 KCl 濃 溶 液 放 入 10 mL
體 積 量 瓶 , 以 滴 管 加 去 離 子 水 至 標 線 。
4. 溶 液 混 合 均 勻 後 , 將 此 溶 液 倒 入 標 號 1 的 試 管 中 。
5. 依 照 步 驟 Part B 的 步 驟 3~4, 分 別 吸 取 下 列 體 積 , 稀 釋 後 放 入 各 標 號
試 管 。
試 管 標 號 2 3 4 5 6
濃 溶 液 體
積 430 μL 580 μL 730 μL
730 μL×2
(730 μL 取 兩 次 )
(V 1 )
稀 釋 後 體
積
(V 2 )
730 μL×3
(730 μL 取 三 次 )
10 mL 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL
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6. 使 用 5 mL 或 10 mL 吸 量 管 吸 取 下 列 濃 溶 液 體 積 後 放 入 體 積 量 瓶 , 加
去 離 子 水 稀 釋 至 標 線 , 混 合 均 勻 後 再 倒 到 各 標 號 的 試 管 或 燒 杯 中 。
試 管 標 號 7 8 9 10 11 12
濃 溶 液 體 積
(V 1 )
3.4 mL 6.5 mL 9.6 mL
編 號 7 之 溶
液 取 5 mL
編 號 8 之 溶
液 取 5 mL
編 號 9 之 溶
液 取 5 mL
稀 釋 後 體 積
(V 2 )
10 mL 10 mL 10 mL 25 mL 25 mL 25 mL
7. 利 用 M 1 ( 1.5 ) × V 1 = M 2 × V 2 計 算 稀 釋 過 的 溶 液 標 號 1~12 的 濃 度 M 2 。
C. 測 量 各 稀 釋 液 的 比 電 導 值
1. 依 照 〝 電 導 度 計 的 操 作 步 驟 與 注 意 事 項 〞 中 電 極 的 校 正 過 程 , 讀 取 電
極 係 數 K 並 記 錄 之 。
2. 電 極 以 去 離 子 水 沖 洗 乾 淨 , 用 拭 鏡 紙 拭 乾 , 放 入 標 號 1 之 試 管 , 量 測
比 電 導 值 ( κ ), 記 錄 之 , 並 依 序 量 測 編 號 2~12 之 稀 釋 液 。
3. 將 比 電 導 值 ( κ ) 除 以 電 極 係 數 ( K ) 即 得 該 稀 釋 液 的 電 導 , 算 出 各 稀 釋
液 的 電 導 值 。
4. 各 稀 釋 液 的 電 導 值 對 各 稀 釋 液 的 濃 度 作 圖 , 利 用 Excel 得 到 線 性 迴 歸
線 , 以 y = mx+b 表 示 , 並 且 記 錄 Excel 作 圖 時 所 顯 示 的 R 2 值 。
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D. 決 定 KCl 待 測 液 的 濃 度
1. 記 錄 所 取 未 知 濃 度 KCl 溶 液 的 編 號 。
2. 以 量 筒 量 取 10 mL 待 測 液 放 入 已 洗 淨 之 試 管 中 。
3. 已 洗 淨 之 電 極 放 入 此 試 管 中 , 測 量 此 未 知 濃 度 KCl 溶 液 的 比 電 導 值 ,
再 算 出 其 電 導 。
4. 利 用 內 插 法 , 將 此 電 導 值 代 入 Excel 線 性 迴 歸 線 y = mx+b 的 y 值 , 得
到 此 待 測 溶 液 的 濃 度 。
5. 記 錄 待 測 溶 液 濃 度 實 驗 值 , 再 詢 問 助 教 該 編 號 溶 液 的 濃 度 理 論 值 , 計
算 相 對 誤 差 E R 。
實 驗 值 − 理 論 值
相 對 誤 差 E
0
R =
× 100 0
理 論 值
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六 、 數 據 與 結 果 ..
Part A:1.5 M KCl (aq) 50 mL 之 濃 溶 液 的 配 製
理 論 上 需 秤 取 KCl 克 數
g
實 際 秤 取 KCl 克 數 g ( 記 錄 到 小 數 點 下 第 四 位 )
所 配 KCl 濃 溶 液 的 濃 度
( M 1 )
( 算 式 )=
= ( M)
Part B&Part C: 溶 液 的 稀 釋 與 比 電 導 值
電 極 係 數 K = cm -1
標
號
取 M 1 溶 液 體 積
V 1
稀 釋 後 體
積 V 2
稀 釋 液 濃 度
M 2 (M 1 V 1 =M 2 V 2 )
比 電
導 κ
電 導 G
(
G = κ )
K
1 260 μL 10 mL
2 430 μL 10 mL
3 580 μL 10 mL
4 730 μL 10 mL
5 730 μL×2 10 mL
6 730 μL×3 10 mL
7 3.4 mL 10 mL
8 6.5 mL 10 mL
9 9.6 mL 10 mL
10 自 編 號 7 取 5 mL 25 mL
11 自 編 號 8 取 5 mL 25 mL
12 自 編 號 9 取 5 mL 25 mL
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※ 稀 釋 濃 度 M 2 ( X 軸 ) 對 電 導 G ( Y 軸 ) 作 Excel 圖
線 性 方 程 式 :y = x +
R 2 =
貼
圖
區
Part D: 決 定 KCl 未 知 濃 度 待 測 液 的 濃 度
KCl 未 知 濃 度 待 測 液 : 比 電 導 κ =
電 導 G =
將 電 導 G( Y 值 ) 代 入 線 性 方 程 式 y = x +
得 濃 度 ( x ) =
M
待 測
液
編 號
待 測 液 濃 度 實 驗 值
( M )
待 測 液 濃 度 理 論 值
( M )
相 對 誤 差
( % )
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七 、 問 題 與 討 論 ..
1. 說 明 如 何 操 作 電 導 度 計 以 取 得 電 極 係 數 的 過 程 。
2. 描 述 1.5 M KCl (aq) 50 mL 的 配 製 過 程 。( 含 使 用 器 材 及 詳 細 操 作
過 程 )
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3. 利 用 微 量 吸 管 吸 取 1.5 M KCl (aq) 濃 溶 液 , 描 述 配 製 0.024 M
KCl (aq) 50mL 稀 溶 液 的 過 程 。( 含 使 用 器 材 及 詳 細 操 作 過 程 )
4.
(a) 畫 出 10 mL 莫 耳 型 吸 量 管 及 10 mL 血 清 型 吸 量 管 。( 標 示 出 刻
度 )
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(b) 說 明 欲 吸 取 10 mL 溶 液 時 , 莫 耳 型 吸 量 管 及 血 清 型 吸 量 管 使 用
上 之 區 別 。
八 、 實 驗 心 得 與 討 論 ..
誤 差 討 論 ..
心 得 ..
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