實驗三 化合物分子式的決定

一、目的

使用重量分析法決定硫酸鹽樣品的分子式。

二、原理

本實驗將決定一含有結晶水的硫酸鹽 M_x(SO₄)_y·nH₂O，其分子式中的 x、y、n 值。

I.  結晶水的分析

許多鹽類晶體中具有固定比例的水分子存在，這些水分子某些是作為配基和金屬離子形成錯合物，某些雖是形成結晶所需但不直接和金屬離子鍵結。依據在晶體中結合能力的不同，這些水分子可以藉由加熱而在不同溫度依序去除。

在本實驗中我們可由加熱前後的鹽類晶體重量差異，推算水分子在其中所佔的比例。此外部分鹽類在結晶水數量改變時會發生顏色和型態的變化，這也有助於化合物的鑑定。

II.  硫酸鹽的分析

a.  分析原理

未知的分析物溶於水中：

M_x(SO₄)_y·nH₂O(s) → x M^(2y/x)+(aq) + y SO₄²⁻(aq)

注意上式右邊沒有 H₂O 存在，因為已表示於水溶液中了。

在此溶液中加入 BaCl₂ 可產生 BaSO₄ 沈澱：

SO₄^2-(aq) + Ba²⁺(aq) → BaSO₄(s)

由沈澱物的重量可得知分析物中硫酸根離子的重量比。

b.  干擾因素與排除

Ba²⁺ 可能和溶於水中的二氧化碳，以及溶液中的OH⁻離子生成 BaCO₃ 和 Ba(OH)₂ 沈澱而影響實驗準確度：

CO₂(g) + H₂O(l)    H₂CO₃(aq)   2 H⁺(aq) + CO₃²⁻(aq)

CO₃^2-(aq) + Ba²⁺(aq)→ BaCO₃(s)

H₂O(l)   H⁺(aq) + OH⁻(aq)

2 OH⁻(aq) + Ba²⁺(aq) → Ba(OH)₂(s)

在加入 BaCl₂ 前，我們可先在溶液中加入HCl，使溶液呈弱酸性，減少 OH⁻ 離子，再將溶液煮沸去除二氧化碳，以減少此類干擾。

c.  BaCl₂用量估計

1 莫耳的 SO₄²⁻ 需要 1 莫耳的 BaCl₂。若取分析物 0.45 g 來分析，分析物中 SO₄²⁻（96 g/mol）所佔重量為 X % ，則 SO₄²⁻ 之莫耳數為：

X % × 0.45 g × 96 g/mol = X % × (4.7 × 10^-3) mol

故加入 5 × 10^-3 莫耳的 BaCl2 足以使所有的 SO₄²⁻ 生成沈澱。

d.  實驗技巧

BaCl₂ 溶液需緩慢加入，速度不可太快，假若 BaSO₄ 沈澱形成速度太快，則可能會有一些不純物（其他分子或離子）會形成共沈澱而存在於 BaSO₄ 晶格中，而造成實驗誤差或是乾燥上的困難。

在 BaSO₄ 形成時需將溶液煮沸，此目的為使 BaSO₄ 形成較大的粒子而利於過濾。此現象是由於 BaSO₄ 的沈澱與溶解反應均是可逆的，二者的速率均是隨著溫度的增加而增加，且較小的沉澱粒子會有較大的比表面積（單位質量固體的總表面積），而使得速率快於大的粒子，此種淨結果將會使小的粒子消失，而大的粒子成長得更大。

III.  分子式決定

至此結晶水和硫酸根離子的重量比均已知曉，簡單計算後可得金屬離子的重量比。根據這些資料，我們可假設各種不同的分子組成如 M₂SO₄·nH₂O 、 MSO₄·nH₂O 、 M₂(SO₄)₃·nH₂O，參照週期表並考慮不同金屬離子及其硫酸鹽的基本性質，即可推測出合理的金屬離子及分子式。

三、器材及藥品

器材：

乾燥器（dessicator）、烘箱、坩鍋及蓋、坩鍋夾、濾紙、250 mL 燒杯、漏斗、玻棒、電磁加熱攪拌器

藥品：

未知硫酸鹽 4 g、0.5 M BaCl₂、6 M HCl

四、實驗步驟

結晶水的分析

1. 上課前先將坩鍋及蓋置於烘箱中加熱約 30 分鐘，再迅速取出置於乾燥器中冷卻（防止坩鍋及蓋附著水氣），約 5 分鐘後取出，將坩鍋及蓋一起稱重。

2. 精稱約 3.5 g 的樣品於坩鍋中（速度要快，儘量避免在空氣下暴露太久），置於烘箱以 200°C 烘 1 小時。在烘乾的過程中可操作硫酸鹽的分析。

3. 坩鍋取出置於乾燥器中冷卻 5-10 分鐘，連同坩鍋蓋稱重，再將坩鍋放入烘箱中烘 10 分鐘。

4. 重複步驟 3，直到連續兩次的稱重相差在 0.01 g 以內。

硫酸根離子的分析

5. 精稱 0.40-0.45 g 欲分析的樣品，置於於燒杯並加入 100 mL 的水及 1-2 mL 的 6 M HCl，燒杯上方蓋以錶玻璃以防止濺灑，使用加熱器將溶液煮沸。

6. 將燒杯從加熱器上移開，攪拌並緩慢加入 10 mL 的 0.5 M BaCl₂ 溶液。再度將溶液加熱，溫和沸騰約 5 分鐘（注意不可劇烈沸騰）。

7. 將燒杯從加熱器上移開，持續攪拌且慢慢冷卻約至室溫後，再將燒杯靜置於冰浴中約 5-10 分鐘。

8. 取一張 90 mm 濾紙稱重，以重力過濾法過濾 BaSO₄ 沈澱。

9. 將燒杯中殘留之沈澱用少許的冰水清洗，再倒入漏斗中過濾。注意的是 BaSO₄ 沈澱會微溶於水，所以儘量減少用水。

10. 用少量的冰水清洗 BaSO₄ 沈澱二次。

11. 將濾紙與產物置於小燒杯中放入烘箱，於 80°C 下烘 30 分鐘。

12. 取出濾紙冷卻後稱重。 

五、實驗結果

結晶水的分析

硫酸根離子的分析

H₂O 在分析物中所佔重量百分比：                                                      

SO₄²⁻ 在分析物中所佔重量百分比：                                                   

金屬陽離子在分析物中所佔重量百分比：                                          

H₂O、SO₄²⁻ 莫耳數比：                                                                

金屬陽離子為：                                                   

推測分子式：                                                   

六、問題與討論

【例題】若結晶水未完全烘乾，可能會造成什麼結果？對分析結果中金屬、硫酸根與水佔的重量百分比有何影響？

【解答】未完全烘乾除了結晶水的量會被低估產生誤差外，也會導致高估（金屬離子+硫酸根離子）在分子中的質量比例。若之後硫酸根離子的分析沒有發生誤差，則會使金屬離子的質量比例被高估，難以判斷正確金屬離子。

例如分析 [Cu(H₂O)₄]SO₄·5H₂O 樣品時，若殘餘 5% 的水未烘除，將使得金屬離子的原子量被誤估為 72.6 g/mol，而得錯誤的結果：Ge₂(SO₄)₂·9H₂O。

1. 假設在步驟 5 未加入HCl於分析樣品中，則計算出 SO₄²⁻ 所佔重量百分比將會較實際值高或低？

2. 若在加入 BaCl₂ 時未攪拌溶液，可能會造成什麼結果？對分析結果中金屬、硫酸根與水佔的重量百分比有何影響？

3. 若過濾後的濾紙未完全乾燥，可能會造成什麼結果？對分析結果中金屬、硫酸根與水佔的重量百分比有何影響？

※以上問題均假設在其它步驟中沒有產生誤差