酸鹼滴定模擬

原始設計者：彰師大

酸鹼滴定涉及酸鹼中和，當量點，以及緩衝溶液等概念。藉由模擬酸鹼滴定，我們可以讓同學經由改變實驗條件，了解酸鹼滴定的內涵。                  

1.現象說明

在學習酸鹼滴定的過程中，我們將已知濃度的酸或鹼，逐漸滴入已知體積而濃度未知的鹼或酸，藉由指示計顯示「滴定終點」，再經過判斷滴定圖中的「當量點」計算出待測溶液的濃度。在實驗室中我們操作過酸鹼滴定反應之後，可以利用Excel程式模擬酸鹼滴定過程，模擬可以讓同學改變實驗條件，包括酸鹼強度、濃度，也可以加入共軛酸或共軛鹼觀察溶液pH值的穩定性。

2.探究問題

利用Excel模擬，改變酸鹼滴定的實驗條件，包括酸鹼強度、濃度，加入共軛酸或共軛鹼等，讓學習者深入了解酸鹼滴定所涉現象。

• 2.1 我們知道弱酸的共軛鹼可以在滴定初期維持溶液pH的穩定，不過共軛鹼的濃度與這種穩定的關係如何? 濃度越高越好嗎?
• 2.2 讓同學先猜測答案，再從模擬中得到答案。同學的答案與模擬一致或不一致，都應再重新檢視一遍他們的理由，做出修正或確認。

3.實作項目

• 3.1設定「基準」反應條件，計算當量點並從模擬滴定圖指出當量點

以強鹼(1 M NaOH)滴定弱酸 (0.5 M, 50 ml 醋酸, Ka = 1.8×10-5)為例

其當量點之鹼體積為25 ml，「待測溶液」濃度為:

當量點之pH值約為9，因為酸根是弱鹼:

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• 3.2強鹼濃度加倍，或弱酸濃度加倍

相對於基準，強鹼濃度加倍時滴定體積減半(12.5 ml，紅色曲線)，弱酸濃度加倍時滴定體積加倍(50 ml，紅色曲線) ，然三組滴定之當量點之pH值非常接近，約為9。

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• 3.3將弱酸Ka值增大一千倍 (Ka = 1.8×10-2，紅色曲線)

滴定初期溶液pH值偏低，滴定體積相同，滴定當量點之pH值亦略低。

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• 3.4加入相同濃度(0.5 M)的弱酸的共軛鹼(紅色曲線):

滴定初期溶液pH值偏高，且相對不受加入強鹼影響，滴定體積相同，滴定當量點之pH值幾乎不變。此外，我們可以計算出滴定過程中之pH值增加率，即

以pH值增加率對滴定體積作圖，從下圖我們看到緩衝溶液在滴定初期之pH值增加率明顯地低於基準。對於基準溶液，在滴定體積為12.5 ml，也就是當量點滴定體積的二分之一時溶液之pH值增加率最低，緩衝的效果最為明顯。

4.分析與結論

• 4.1在這個實驗中，你學到了甚麼? 如果假設性地改變反應條件(如共軛鹼的濃度)，你能先猜出可能的滴定曲線，並指出與基準滴定曲線之差異並說明你的判斷理由嗎?
• 4.2從下圖中，基準(無共軛鹼)之pH值隨滴定體積改變最為明顯，共軛鹼的濃度分別為 0.2 M(棕色曲線)、0.5 M(紅色曲線)、3.0 M(黃色曲線)時其起始pH值由低到高，然而三種條件下pH值隨滴定體積改變都很緩慢。共軛鹼的確可以在滴定初期維持溶液酸鹼度的恆定。

5.教學目標與評量

• 5.1能實際撰寫Excel程式、從數據、繪製圖表 。
• 5.2能從圖形做出合理解釋 。
• 5.3能從結論做出預測，例如不同共軛鹼濃度時，pH值與滴定體積關係 。
• 5.4將反應改成「強酸低定弱鹼」，在弱鹼的共軛酸影響下，同學應能繪出大致的滴定圖。

6.參考資料：

• 6.1 參考文獻

1. 滴定: http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=18914
2. 緩衝溶液: http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=31122
3. Excel滴定程式下載: https://drive.google.com/open?id=1Z4IMXuNtpdn5DezG7VcELhn-wtOLJp4B