第一節 涉及酸鹼滴定的計算
涉及酸鹼滴定的計算

根據酸鹼滴定的結果可以計算待測溶液中酸或鹼的濃度。需要注意的是:雖然滴定終點和當量點不完全相同,但我們通常假設滴定終點就是酸鹼中和的當量點。下面,我們會舉例介紹五種與酸鹼滴定相關的計算。

  1. 計算待測溶液的濃度
  2. 計算中和作用所需溶液的體積
  3. 計算酸的鹽基度
  4. 計算水合化合物中結晶水的數目
  5. 計算中和作用生成晶體的質量

右側的表格中,總結了涉及酸鹼滴定計算的一般步驟,請參照一般步驟完成相應的例題。

處理涉及酸鹼滴定題目的一般步驟
第一步 書寫涉及反應的化學方程式
第二步 在方程式中相應的化學式下方寫出題目已提供的量
第三步 利用化學方程式的計量關係計算待求物質的摩爾數
第四步 將求出的物質的摩爾數轉化為題目要求的量(質量、體積或其它)
例題一:計算溶液的濃度

一名同學想測定超市購買的一款食醋中乙酸的含量,為此他將 \(\text{10}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\) 的醋樣本稀釋至 \(\text{100}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\),然後把其中 \(\text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\) 的稀釋後的醋樣本與氫氧化鈉標準溶液進行滴定。已知氫氧化鈉標準溶液的濃度為 \(\text{0}\text{.102}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\),而達至滴定終點時共加入了 \(\text{16}\text{.2}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\) 的氫氧化鈉溶液。計算原食醋樣本中乙酸的摩爾濃度(答案保留至小數點後第三位)。

題解:

假設食醋樣本的稀釋液濃度為 \(x\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\)。

\[\begin{align} & \ \ \ \text{NaOH}\left( \text{aq} \right)\ \ \ \ \text{+}\ \ \ \ \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{COOH}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{COONa}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ {{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right) \\ & \text{0}\text{.102}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ x\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}} \\ & \ \ \ \ \text{16}\text{.2}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{3}} \\ \end{align}\]

反應過程中,氫氧化鈉與乙酸的摩爾數相同,

\[\text{0}\text{.102}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \times \ \text{16}\text{.2}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\ =\ x\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \times \ \text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{3}}\]

食醋樣本的稀釋液濃度:

\[x\ =\ \frac{\text{0}\text{.102}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \times \ \text{16}\text{.2}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}}{\text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{3}}}\ =\ 0.0661\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\]

由於稀釋前後乙酸的摩爾數保持不變,可計算食醋中乙酸的濃度為:

\[\frac{\text{0}\text{.0661}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \text{ }\!\!\times\!\!\text{ }\ \text{100}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}}{\text{10}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}}\ =\ 0.661\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\]

所以,食醋中乙酸的摩爾濃度為 \(0.661\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\)。

例題二:計算中和作用所需溶液的體積

實驗室中,將 \(6.3\ \text{g}\) 純淨的乙二酸晶體(\({{\left( \text{COOH} \right)}_{\text{2}}}\centerdot \text{2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\))溶於水,製備成 \(\text{250}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\) 的標準溶液。然後取 \(\text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\) 的乙二酸溶液與氫氧化鈉溶液進行滴定,已知氫氧化鈉溶液的濃度為 \(0.350\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\),計算達至滴定終點時,所需氫氧化鈉溶液的體積(答案保留至小數點後第一位;乙二酸晶體的摩爾質量為 \(\text{126}\text{.0}\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}\))。

題解:

乙二酸樣本的摩爾數為:

\[\ \frac{\text{6}\text{.3}\ \text{g}}{\text{126}\text{.0}\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-\text{1}}}}\ \text{=}\ \text{0}\text{.05}\ \text{mol}\]

製備的乙二酸溶液的摩爾濃度為:

\[\frac{\text{0}\text{.05}\ \text{mol}}{\text{250}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}}\ \text{=}\ \text{0}\text{.2}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\]

假设达至滴定终点时需要氢氧化钠溶液的体积为 \(x\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\)。

\[\begin{align} & \ \ \text{2NaOH}\left( \text{aq} \right)\ \ \ \text{+}\ \ \ {{\left( \text{COOH} \right)}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ {{\left( \text{COONa} \right)}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ 2{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right) \\ & \text{0}\text{.350}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \ \ \ \ \ \ 0.2\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}} \\ & \ \ \ \ x\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{3}} \\ \end{align}\]

反應過程中氫氧化鈉與乙二酸的摩爾比為 \(2\),所以,

\[0.350\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \text{ }\!\!\times\!\!\text{ }\ x\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\ \text{=}\ \text{2}\ \text{ }\!\!\times\!\!\text{ }\ \text{0}\text{.2}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \text{ }\!\!\times\!\!\text{ }\ \text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\]

達至滴定終點時,需要氫氧化鈉溶液的體積為:

\[x\ \text{=}\ \frac{\text{2}\ \text{ }\!\!\times\!\!\text{ }\ \text{0}\text{.2}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \text{ }\!\!\times\!\!\text{ }\ \text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}}{0.350\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}}\ \text{=}\ \text{28}\text{.6}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\]

所以,達至滴定終點時需要氫氧化鈉溶液的體積是 \(28.6\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\)。

例題三:計算酸的鹽基度

柑橘類水果中都含有檸檬酸(\({{\text{C}}_{\text{6}}}{{\text{H}}_{\text{8}}}{{\text{O}}_{\text{7}}}\)),其摩爾質量為 \(\text{192}\text{.1}\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}\)。將 \(2.88\ \text{g}\) 檸檬酸固體溶解於蒸餾水中製成溶液,然後用濃度為 \(\text{1}\text{.25 mol d}{{\text{m}}^{-\text{3}}}\) 的氫氧化鈉標準溶液進行滴定。達至滴定終點時,滴入了 \(\text{36}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\) 的氫氧化鈉溶液。根據以上資料,計算檸檬酸的鹽基度。

題解:

假設檸檬酸的鹽基度為 \(n\)。

\[\begin{align} & \ {{\text{C}}_{\text{6}}}{{\text{H}}_{\text{8}}}{{\text{O}}_{\text{7}}}\left( \text{aq} \right)\ +\ n\text{NaOH}\left( \text{aq} \right)\ \to \ {{\text{C}}_{\text{6}}}{{\text{H}}_{8-n}}{{\text{O}}_{7-n}}\text{N}{{\text{a}}_{n}}\left( \text{aq} \right)\ +\ n{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right) \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ n \\ & \frac{\text{2}\text{.88}\ \text{g}}{\text{192}\text{.1}\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}}\ \ \ \text{36}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{3}} \times 1.25\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}} \\ & =\ 0.0150\ \text{mol} \\ \end{align}\]

\(1\;\rm{mol}\) 檸檬酸完全中和時,需要氫氧化鈉的摩爾數為:

\[n\ =\ \frac{\text{36}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{3}}\ \times \ 1.25\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}}{0.0150\ \text{mol}}\ =\ 3\]

所以,檸檬酸的鹽基度為 \(3\)。

例題四:計算水合物中結晶水的數量

石鹼是碳酸鈉的結晶水合物,其化學式為(\(\text{N}{{\text{a}}_{\text{2}}}\text{C}{{\text{O}}_{\text{3}}}\text{ }\centerdot \ n{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\))。為了確定樣品中結晶水的數目(\(n\))進行了下列實驗:取 \(\text{4}\text{.15}\ \text{g}\) 碳酸鈉樣本溶解於蒸餾水中,製成 \(\text{250}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\) 的溶液,然後用移液管量取 \(\text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\) 的溶液與濃度為 \(\text{0}\text{.150 mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\) 的氫氯酸溶液進行滴定。達至滴定終點時,消耗了 \(\text{19}\text{.3}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\) 的氫氯酸溶液。計算樣本中含有結晶水的數目(相對原子質量:\(\text{H}\ \text{=}\ \text{1}\text{.0}\),\(\text{C}\ \text{=}\ \text{12}\text{.0}\),\(\text{O}\ \text{=}\ \text{16}\text{.0}\),\(\text{Na}\ \text{=}\ \text{23}\text{.0}\))。

題解:

\[\begin{align} & \text{N}{{\text{a}}_{\text{2}}}\text{C}{{\text{O}}_{\text{3}}}\left( \text{aq} \right)\ \ \ \text{+}\ \ \ \text{2HCl}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{2NaCl}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ {{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\ \text{+C}{{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right) \\ & \ \ \ \ \ \ \ \text{1}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{2} \\ & \ \ \ \text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{19}\text{.3}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}} \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{0}\text{.150}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}} \\ \end{align}\]

根據碳酸鈉與氫氯酸的反應關係,可得出碳酸鈉溶液的濃度為:

\[\frac{\text{0}\text{.150}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \times \ \text{19}\text{.3}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}}{\text{2}\ \times \ \text{25}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}}\ =\ 0.0579\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\]

碳酸鈉樣本的摩爾數為:

\[0.0579\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \times \ \text{250}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\ =\ 0.0145\ \text{mol}\]

碳酸鈉結晶水合物的摩爾質量為:

\[\frac{\text{4}\text{.15}\ \text{g}}{\text{0}\text{.0145}\ \text{mol}}\ \text{=}\ \text{286}\text{.2}\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}\]

結晶水的數目為:

\[n = \frac{\text{286}\text{.2}\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}} -\left( 23.0 \times 2 + 12.0 + 16.0 \times 3 \right)\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}}{\left( 1.0 \times 2 + 16.0 \right)\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}}\ =\ 10\]

所以,樣本中結晶水的數目是 \(10\)。

例題五:計算中和作用生成鹽基的量

菱鐵礦是一種分佈比較廣泛的礦物,其主要成份是碳酸亞鐵(\(\text{FeC}{{\text{O}}_{\text{3}}}\))。若向 \(250.0\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\) 的濃度為 \(\text{1}\text{.00 mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\) 的硫酸溶液中,加入足夠量的菱鐵礦使酸完全反應。計算溶液蒸發後,可獲得硫酸亞鐵晶體(\(\text{FeS}{{\text{O}}_{\text{4}}}\centerdot \text{7}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\))的質量(答案保留至小數點後第一位;相對原子質量:\(\text{H}\ \text{=}\ \text{1}\text{.0}\),\(\text{O}\ \text{=}\ \text{16}\text{.0}\),\(\text{S}\ \text{=}\ \text{32}\text{.1}\),\(\text{Fe}\ \text{=}\ \text{55}\text{.8}\))。

題解:

\[\begin{align} & \text{FeC}{{\text{O}}_{\text{3}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ {{\text{H}}_{\text{2}}}\text{S}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{FeS}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ {{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\ \text{+}\ \text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right) \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{250}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}} \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text{1}\text{.00}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}} \\ \end{align}\]

酸完全反應時,生成硫酸亞鐵的摩爾數為:

\[\text{250}\text{.0}\ \text{c}{{\text{m}}^{\text{3}}}\ \times \ \text{1}\text{.00}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\ \text{=}\ \text{0}\text{.25}\ \text{mol}\]

硫酸亞鐵晶體的摩爾質量為:

\[\left[ 55.8 + 32.1 + 16.0 \times 4 + \left( 1.0 \times 2 + 16.0 \right) \right]\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}} = \text{277.9}\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}\]

溶液蒸發後,可獲得晶體的質量為:

\[\text{0}\text{.25}\ \text{mol}\ \times \ \text{277}\text{.9}\ \text{g}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}\ \text{=}\ \text{69}\text{.5}\ \text{g}\]

所以,可獲得硫酸亞鐵晶體的質量是 \(69.5\ \text{g}\)。

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