40

實 驗 六

可樂中磷酸離子的定量－電導度計法

一、目的

了解離子在溶液中的導電行為，並利用中和滴定過程中，離子濃度變化影響導

電度的性質，進而從導電度的變化，計算出可樂中磷酸的含量。

二、原理

導電性的測量，實際上是測量一電解溶液中離子的導電能力，相對於酸鹼度計

（pH meter）只測量氫離子的濃度；導電度的測量則包括所有的離子，因凡為離子

均能導電，只是程度上的不同而已。

液體的導電度是來自離子的移動，其導電度的大小則與下列因素有關：

1. 溶液中離子的種類及濃度。

2. 電極面的有效面積。

3. 電極間的距離及電位差。

4. 溶液的溫度。

若將以上的 2、3、4 因素固定，濃度即可由所測的電流換算而得。

電導度為其電阻的倒數，通常以姆歐（mho：Ω-1）為單位。Ω

-1是指兩電極間

施以 1 伏特（Volt）的電壓而造成 1 安培（Ampere）的電流而言，較稀釋或導電性

較低的溶液則以百萬分之一姆歐（micro-mho：μΩ-1）為單位計量。

導電度的標準測量單位為比導電度 Cs（Specific Conductance），其定義為：以

面積為 1cm2的兩電極板相距 1cm 時所測得的溶液電導度。

以數學式表示如下：

RACs

1

Cs：比導電度

R：電阻

：電極內白金片距離（cm）

A：白金片表面積（cm2）

白金片的距離與表面積的比值（A

）稱為電極常數 K（cell constant），一般在

應用上，電導電極常因應用範圍特殊或製造時規格各有差異，而使電極規格不盡相

同，一般均會標示在電極上。本實驗選用的電極常數 K 落在 1.02～1.03 之間。電極

41

經長期使用後，白金片多少會受污染及侵蝕，使面積改變，電極常數也將改變，此

時需要加以校正。

溶液的導電既然來自離子的移動，溫度的變化必然會影響其導電性。一般而言，

溶液溫度變化 1℃，將產生約 2％的誤差。若標準溫度為 25℃，而溶液溫度為 30℃，

則儀器的指示將較實際者高約 10％，儀器內設有手動溫度調整鈕提供校正補償，抵

消因為溫度變化所產生的誤差。若裝有溫調探棒（Automatic Temperature

Compensation probe：A.T.C probe），可自動校正因溫度變動所產生的偏差。

電導度計可用於溶液濃度的測定，因而可以利用來做溶解度測定、水純度測定、

反應速率的測量及各種滴定的應用。

在酸鹼滴定中，如果我們不使用酸鹼度計來測量［H3O+］的改變，而改用電導

度計測量其電導度，因抵達滴定終點前後所含各離子的濃度急遽變化（主要是 H3O+

及 OH-），而會使溶液的電導度急遽改變，因而可測定出滴定當量點。以氫氧化鈉

NaOH 滴定鹽酸 HCl 的情形為例，其電導滴定曲線如下：

Con

duct

ance

Volume of NaOH added

OH﹣H3O﹣

Cl﹣

Na﹢

圖 6-1 強酸強鹼的電導度滴定。實線表示經過體積改變修正後的滴定曲線；虛線表

示各個離子的電導度（經過體積改變後的修正）

在溶液中，並非每種離子的導電能力都相同，而是有所差異的。像 H3O+及 OH

-

的當量導電度（同為 1 克當量濃度的導電性）就遠高於 Na+及 Cl

-者，當量點前隨著

H3O－

Cl－

OH－

Na＋

42

NaOH 的滴入，雖然 Na+的量逐漸增加，但 H3O

+亦同時為 OH-所中和消耗，而大為

降低溶液導電性；到達當量點時，溶液電導度降至最低點，此時離子導電程度最差。

一過當量點，過量的 OH-展現其強烈的導電性，而使溶液電導度再度昇高，因為 H3O

+

的當量電導度大於 OH-，所以過當量點後其溶液電導度的變化率比當量點前的變化

率為小。滴定過程中 Cl-的量保持不變，圖中以水平點線定性的表示。（事實上，［

Cl-］逐漸為滴定液所稀釋，電導度應略為下降）。

綜觀上述酸鹼滴定過程，高當量導電性的 H3O+及 OH

-幾乎主導了電導滴定曲線

的變化。

其他電導滴定的應用實例請參考下圖：

Con

duct

ance

Con

duct

ance

Con

duct

ance

Volume NaOH Volume NaOHC

ondu

ctan

ce

Con

duct

ance

Con

duct

ance

Volume HCl Volume NaOH

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

0.01N

0.10N

HCl end point

HOAc end point

Volume NH3

Volume AgNO3

圖 6-2 典型的電導滴定曲線

(a) NaOH 滴定極弱酸（ 1010Ka ）

(b) NaOH 滴定弱酸（ 510Ka ）（圖上 0.01N 的電導數是放大 10 倍的情形）

(c) NH3滴定弱酸（ 510Ka ）

(d) HCl 滴定鹽類

(e) NaOH 滴定 HCl 與 CH3COOH 的混合物

(f) AgNO3滴定氨離子

43

三、使用器材及藥品

使用器材：

酸鹼度計 共用、電導度計、50 mL 滴定管、50 ml量瓶、

藥品：

50% 氫氧化鈉水溶液 約1ml、磷苯二甲酸氫鉀 KHP 0.5g、可樂(自備) 50 ml

四、實驗步驟

A. 0.05N 氫氧化鈉溶液的製備：

1. 取約100mL的水於250mL的燒杯中。

2. 取1 mL的50% 氫氧化鈉 溶液加入燒杯中，徹底混合，再定量至250mL。

B. 以 KHP 標定氫氧化鈉溶液的濃度：

1. 將KHP於110℃下烘二小時，並於乾燥器中冷卻。助教已完成此步驟。

2. 稱0.2 g KHP於250ml錐形瓶中，以50-75ml的水溶解。

3. 加二滴phenolphthalein。

4. 以氫氧化鈉溶液滴定到溶液呈粉紅色至少三十秒。

5. 重覆 2-4 步驟。

6. 計算氫氧化鈉溶液的濃度( KHP Fw=204.23 )。

[(wt of KHP)/0.20423] = Nb x Vb (mL)

7. 計算平均值。

C. 測定磷酸離子：

1. 可樂飲料略加攪拌以除去氣泡後，以50 ml量瓶準確量取50 ml，倒入250 ml燒

杯中，並覆上錶玻璃煮沸5分鐘，以除去可樂內的二氧化碳並置於桌上冷卻。

2. 將冷卻後的可樂倒回50 ml量瓶內，以少量的R.O.水沖洗燒杯，倒入量瓶內，

再以R.O.水準確稀釋至50 ml。

44

3. 取50 ml煮沸過的可樂，置於100 ml 或250 ml燒杯內，並以酸鹼度計測量該溶

液的 pH 值；將溶液倒入100 mL量筒內，然後將電導度計的電導電極小心放

入可樂中，小心搖動攪拌均勻且不要溢出，待平衡後紀錄電導值。（請先詳閱

電導度計的使用方法後再操作。）

4. 將可樂溶液倒回100 ml 或250 ml 燒杯中，加入1mL 0.05N 氫氧化鈉 溶液並

攪拌均勻後，倒回100mL 量筒中，以電導度計測量可樂溶液的電導度。

5. 重複步驟4，直到總共加入了20mL 0.05N 氫氧化鈉溶液。

6. 以電導度值為縱軸、氫氧化鈉加入量為橫軸，做磷酸的電導滴定曲線，並由

曲線求出當量點，計算可樂所含磷酸的濃度。

7. 以滴定前測得之 pH 值計算可樂所含磷酸的濃度。

磷酸解離常數： Ka1 = 7.5 × 10-3

Ka2 = 6.6 × 10-8

Ka3 = 1 × 10-12

五、注意事項

1. 一位同學準備可樂，另一位同學準備滴定。

2. 可樂與氫氧化鈉需混合均勻再測量電導度。

45

八、實驗數據與結果

可樂溶液的 pH 值：_______________；標定後氫氧化鈉的濃度：______________

計算公式：

pH 值計算可樂所含磷酸的濃度：_________________

氫氧化鈉

體積 電導度值

氫氧化鈉

體積 電導度值

氫氧化鈉

體積 電導度值

磷酸的電導滴定曲線：（圖形用電腦作圖。）

以電導滴定曲線計算可樂所含磷酸的濃度：_________________

九、問題與討論

問題：

一、在電導滴定曲線中，各不同斜率變化中所對應的離子種類為何？

二、比較使用酸鹼度計及電導度計在測量可樂中磷酸濃度的差異點。

三、為何無法以氫氧化鈉溶液加酚酞指示劑直接滴定到當量點以計算可樂所含磷酸

的濃度？

討論：請針對本次實驗的結果與收穫加以探討

46

實 驗 七

阿斯匹靈的紫外光光譜及其定量分析

一、目的

學習紫外光-可見光光譜儀的操作技巧，及 UV-VIS 光譜之辨認，並藉以定量阿

斯匹靈含量。

二、原理

一物質之紫外光-可見光(UV-Vis)吸收光譜，因吸收波峰相當寬，波峰數極少，

且吸收光譜亦受溶劑之影響，故此法在定性分析應用上受到相當的限制。然而，此

法卻是定量分析時最有用且最廣泛使用的工具之一。

當電磁波照射物質時，組成物質的分子會吸收電磁波的能量，如果能量夠大，

會將分子的電子從低能階提升到高能階，造成電磁波吸收現象，因不同分子之電子

能階不同，吸收波長也不同，此吸收現象遵循比爾定律 Beer’s Law A=bc，即吸收

值和濃度成正比，吸收現象與相關定義如下：

Po→ →P

T = P / Po

A = -log T

= b c

分光光度法測量物質的含量，是依據比爾定律，一般採用檢量線法(標準曲線

法)，即配置一系列已知濃度之標準溶液，在特定的條件下測量其吸收值，再以標準

溶液濃度對吸收值作圖即可得到檢量線。因溶液的濃度與其吸收值成線性關係，故

測量一未知濃度溶液之吸收值，對應到檢量線後即可得知其濃度。如圖 7-1 表示。

Po：為入射光強度

P：為出射光強度

T：為穿透度

A：為吸收度

47

圖 7-1 檢量線圖

阿斯匹靈(Aspirin)學名乙醯水楊酸(acetyl salicylic acid)是應用相當廣泛的鎮痛

解熱劑。在定量的過程，先將阿斯匹靈在鹼性水溶液下水解成水楊酸(salicylic acid)，

選定最大吸收波峰(λmax)，在此處量測各標準溶液之吸收度藉以定量其含量。

阿斯匹靈 水楊酸

三、藥品與器材

藥 品 名 稱 數 量 器 材 名 稱 數 量

100ppm 水楊酸 標準液 15 ml 10mL 量瓶 9 個

10ppm 水楊酸 標準液 10 ml 50mL 量瓶 1 個

1 N 氫氧化鈉溶液 25 ml 兩面透光測光管 9 個

0.1 N 氫氧化鈉溶液 5 ml 測光管架 rack 1 個

阿斯匹靈葯片 50 mg 研缽及杵 1 個

使用儀器

UV/VIS JASCO V-550 : 全波長掃描

找出欲測物的 λmax

UV/VIS SHIMADZU UV-1201 : 固定波

長掃描，測定各標準品的吸收值

y = 0.0111x - 0.0043 R² = 0.9947

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 10 20 30 40 50 60

吸收值

濃度 (ppm)

檢量線

OCCH3

COOH

O

+ H2O[OH-]

OH

COOH

+ CH3COOH

未知物吸收值

未知物濃度

48

四、實驗步驟

1. 檢量線的配製：

(1) 取一個 20ml 定量瓶，加入 2ml 100ppm 水楊酸溶液以及 2ml 1N 氫氧化鈉溶

液再以 R.O.水稀釋至標線。此為 10ppm 的水楊酸溶液並標示為 5 號。

(2) 取四個 10 mL 定量瓶並標示 1~4 號。

(3) 分別加入 0.5、1、2.5、5ml 的 5 號溶液(10ppm 的水楊酸)，再個別加入 1N

氫氧化鈉溶液 1ml 後以 R.O.水稀釋至標線。求出濃度填入表 7-1。

(4) 取四個 10 mL 定量瓶並標示 6~9 號

(5) 分別加入 2、3、4、5ml 100ppm 的水楊酸溶液，再個別加入 1N 氫氧化鈉

溶液 1ml 後以 R.O.水稀釋至標線。求出濃度填入表 7-1。

(6) 將 1N 的氫氧化鈉溶液稀釋為 0.1N 氫氧化鈉為參考溶液(Blank)

(7) 取兩面透光的測光管 10 個洗淨放在測光管架(rack)上，分別用 1～9 號溶液

將測光管潤洗兩次後，再加入 1~9 號溶液約八分滿，不可有氣泡且將透光

面擦拭乾淨，準備測量。測量後將吸收度（A 值）紀錄於表 7-1。

2. 偵測極限判定：

請從表 7-1 之 A 值或從 A 值與濃度之關係圖，試著判定儀器之偵測極限，即 A

值與濃度失去線性關係。

3. 分析樣品：自行選取一 unknown 樣品 5mL 於小燒杯中。測光管需先洗淨後再

用 unknown 潤洗兩次，放入測光管中約八分滿測量其吸收值，並求出其濃度。

4. 真實樣品的處理與定量：

(1) 取一阿斯匹靈藥片（四組共用），以研缽研磨成細末，稱取50mg置入一100mL

量瓶中，加入1N 氫氧化鈉溶液10ml 以水稀釋至刻度。

(2) 劇烈搖晃15分鐘(以超音波震盪器震盪)後，以濾紙過濾。

49

(3) 量取 5 ml 步驟 4-(2)濾液加入 50ml 定量瓶中，並加入 5ml 1N 氫氧化鈉溶液

再以水稀釋至標線。

(4) 取一測光管清洗乾淨並用此溶液潤洗兩次。移取真實樣品溶液裝入側光管，

測量吸收值並求出其濃度。

5. 光譜的讀取與吸收度的測量；

(1) 使用 JASCO V-550 分光光譜儀(參考儀器操作手冊)，以 0.1N 氫氧化鈉為參

考溶液(Blank)，編號 7 號溶液為樣品，掃瞄範圍設定為 400 至 200nm，讀

取水楊酸鈉吸收光譜。在吸收光譜上找出最大吸收波長(λmax)。

(2) 使用 SHIMADZU UV-1201 分光光譜儀器(參考儀器操作手冊)，以 0.1N 氫

氧化鈉為參考溶液(Blank)，設定儀器的吸收波長為λmax(上步驟之結果)。

分別將編號 1-10 號溶液、分析液及真實樣品之吸收值紀錄於表 7-1。

五、注意事項

1. 配藥時需小心配製並算出濃度，配製的藥品須混合均勻。

2. 選擇適合的測光管，放入測光管架時順序須排列正確。

3. 藥品禁止放在儀器上方，測完後測光管需取出，樣品槽蓋子要蓋上。

50

八、實驗數據與結果

1. 編號 7 號量瓶之吸收光譜。其最大吸收波長 λmax=________nm。

2. 分析樣品編號 ，濃度 ppm。

3. 使用阿斯匹靈重量_________g。

4. 判定真實樣品溶液濃度____________ppm。(以水楊酸表示)

5. 計算阿斯匹靈片中乙醯水楊酸之含量____________%。(以水楊酸表示)

6. 檢量線的配製及未知試劑之測量，檢量線以電腦作圖並求出公式與 R2值。

表 7-1

編號 Blank 1 2 3 4 5

濃度

ppm

吸收值

編號 6 7 8 9 分析

樣品

真實

樣品

濃度

ppm

吸收值

九、問題與討論

問題：

一、溶液中為何需加 0.1 N NaOH？

二、本實驗為何以水楊酸為標準物定量阿斯匹靈？

三、判斷本實驗你所使用儀器的偵測極限及線性範圍。

討論：請針對本次實驗的結果與收穫加以探討

51

EXPERIMENT 8

Determination of the Formula of a Complex Ion

Introduction

In this experiment the formula of the complex ion formed in solution from copper (II)

and EDTA is determined using spectrophotometric measurements. The methods

employed are widely used in inorganic and analytical chemistry.

Consider the case where a cation M2 + reacts with a ligand X to form a colored complex

MXn2 + :

M2+ + nX MXn2+

An example is the reaction of copper (II) ions with molecules of ammonia to form

species such as Cu(NH3)42+. Let us assume that M2+ and X are colorless and that the

complex MXn2+ is colored. The problem is to evaluate n to determine the formula of the

complex.

The method of continuous variations involves measuring the absorbances of a series

of solutions of varying composition at a wavelength at which the complex shows its

maximum absorptivity. The total number of moles of M2+ and X is kept constant while

the mole fractions of the reactants are varied. The absorbances are plotted against mole

fraction and the value of n can be determined from the mole fraction at which maximum

absorbance occurs. In Fig. 8.1 an illustration is given in which the peak occurs at a mole

fraction of 0.75. This indicates that the formula of the complex is MX32+. The graph is

curved near the point of maximum absorbance as shown in Figure 8.1. The departure

from linearity is greater the less stable the complex. The straight-line portions of the

graph are extrapolated until they cross to determine the mole fraction at maximal

absorbance.

The mole-ratio method employs a series of solutions in which the concentration of

one reactant, says M2+, is constant and that of the other, say X, is varied. The absorbances

are plotted against the ratio of the moles of ligand to metal, as shown in Fig. 8.2. The

absorbance increases to a maximal value at a mole ratio of 3: 1 and then levels off. Again,

the graph may be curved near the peak and the straight-line portions may be extrapolated

until they intersect.

52

The mole-ratio method and the method of continuous variations are most readily

applied when only a single complex is formed between the reacting species. Copper (II)

and EDTA react to form a deep blue 1: 1 complex which shows a flat maximum in

absorbance in the range 730 to 755 nm. The reaction in a chloroacetate buffer

(chloroacetic acid = HX) can be written

CuX2 + H2Y2- CuY2- + 2HX

blue green deep blue

The copper is present as the chloroacetate complex in the buffer and the

chloroacetate ligand is displaced by EDTA, since the latter forms a much more stable

complex with copper ion.

Procedure

Preparation of Solutions

(a) Chloroacetate buffer. Dissolve 18.2g of chloroacetic acid in 100 mL of water and

adjust the PH to about 2 using 5 M NaOH. Then dilute the solution to 250 mL.

(b) Cu2+, 0.0200 M. Weigh accurately a sample of clean copper wire or foil of about

0.32g (0.3175g for exactly 0.0200 M), and place it in a 250mL beaker. Add 5 mL of

1:1 nitric acid and dissolve the copper by warming the solution on a steam bath or

over a low flame. Add 25 mL of water and boil the solution for about 1 min. Then add

5 mL of urea solution ( 1g in 20 mL of water) and continue boiling for another minute

to remove oxides of nitrogen. Cool the solution in tap water and neutralize the acid

Fig 8.1 Continuous-variations plot.

Abso

rban

ce

Mole fraction X-

53

with 1:3 ammonia, adding the ammonia carefully until a pale blue precipitate of

copper (II) hydroxide is obtained. Now add glacial acetic acid drop by drop until the

precipitate redissolves. Transfer the solution to a 250mL volumetric flask, dilute to

the mark, and mix by inverting the flask.

(c) EDTA, 0.0200M. Dissolve 1.861g of disodium dihydrogen EDTA dihydrate in

about 100mL of water in a 250mL beaker. Transfer the solution to a 250mL

volumetric flask and dilute to the mark. Mix the solution thoroughly.

Method of Continuous Variations. Using a 10mL measuring pipet, prepare the

following mixtures from the preceding solutions.

Solution Buffer, mL Cu2+, mL EDTA, mL

1 10.0 10.0 0.0

2 10.0 9.0 1.0

3 10.0 7.0 3.0

4 10.0 5.0 5.0

5 10.0 3.0 7.0

6 10.0 1.0 9.0

7 10.0 0.0 10.0

Stir the solutions and measure the absorbance of each at 730 nm using distilled water

as the reference. For the measurements at 730 nm the infrared-sensitive phototube and a

red filter should be used.

Since the absorbance of the chloroacetate complex is appreciable (as shown by

Abso

rban

ce

Fig. 8.2 Mole-ratio plot

Ratio moles ligand to moles metal ion

54

solution 1), the absorbances measured must be corrected to give the absorbance due to

the copper-EDTA complex alone. This correction should be made for solutions 1, 2, and

3 as follows:

Ac = Am - × A1

where Am is the absorbance measured, A1 is the absorbance of solution 1, and Ac is the

corrected absorbance. No correction need be made for solutions in which sufficient

EDTA has been added to convert all the copper to the complex.

Plot the corrected absorbances vs. mole fraction EDTA. From the peak in the graph

determines the formula of the complex and report this to the instructor.

Mole-Ratio Method. Prepare the following mixtures form the prepared solutions.

Solution Buffer, mL Cu2+, mL EDTA, mL H2O, mL

1 5.0 10.0 0.00 20.0

2 5.0 10.0 2.0 18.0

3 5.0 10.0 5.0 15.0

4 5.0 10.0 8.0 12.0

5 5.0 10.0 10.0 10.0

6 5.0 10.0 15.0 5.0

7 5.0 10.0 20.0 0.0

Stir the solutions and measure the absorbance of each at 730 nm using distilled water as

the reference. The absorbances of solutions 1, 2, 3, and 4 should be corrected as follows:

Ac = Am - × A1

where Am is the absorbance measured, A1 is the absorbance of solution 1, and Ac is the

corrected absorbance. No correction need be made for the other solutions.

Plot the corrected absorbances against the ratio of the volume of EDTA to the volume

of Cu2+ solution. Determine the formula of the complex and report this to the instructor.

mL Cu2+ - mL EDTA

10

10.0 – mL EDTA

10.0

55

實 驗 八

錯 化 合 物 組 成 的 決 定

一、目的

學習分光光度計的原理及操作，並利用吸收度測量法決定錯離子之組成。

二、原理

當電磁波照射物質時，組成物質的分子會吸收電磁波的能量，如果能量夠大，

會將分子的電子從低能階提升到高能階，造成電磁波吸收現象，因不同分子之電子

能階不同，吸收波長也不同，此吸收現象遵循 Beer’s Law A=bc，暨吸收值和濃度

成正比，吸收現象及相關定義如下：

Po→ →P

b

T = P / Po

A = -log T

= b c

錯離子( complex ion ) 一般為過渡金屬離子與配位子( ligand ) 鍵結而成，如

Cu(NH3)42+其通式為：

M2+

+ nL → MLn2+

若形成之錯離子具有吸光能力，則可藉由測量其吸收度來決定其化學式。

利用吸收度之量測來決定錯離子的化學式有三種方法：

1. 連續變率法 ( Method of continuous variations )

2. 莫耳比率法 ( Mole-ratio method )

3. 斜率比率法 ( Slope-ratio method )

本實驗僅介紹連續變率法和莫耳比率法來測定Cu2+及EDTA所形成之錯化合物

Po：為入射光強度

P：為出射光強度

T：為穿透度

A：為吸收度

b：樣品槽寬度

c：溶液的濃度

56

的組成。

1. 連續變率法 ( Method of continuous variations )

a. 假設金屬離子濃度( CM )和配位基濃度( CX )的總濃度 C 不變，即

CM + CX = C。

b. 在錯離子的最大吸收波長 ( max )下，如果金屬離子與配位子皆不吸收(即吸

光係數為零)。

c. 以吸收度對混合溶液中配位子的莫耳分率 X 作圖。

所得圖形如下：

由外插之三角形兩邊交點所對應之橫座標莫耳分率 x ，即可得錯離子的化學

式 MLn2+中的 n 值。

因 C

Cx X

C

Cx

C

C

C

C MMX 11

x

x

C

Cn

M

L

1

若 4

3x ，

則 3

4

31

4

3

n

Abso

rban

ce

莫耳分率 X

圖 8.1 連續變率法圖

57

2. 莫耳比率法 ( Mole-ratio method )

a. 本法與連續變率法不同處為金屬離子濃度固定不變，配位基濃度依序增加。

b. 錯化合物分子式 MLn2+中之 n 值決定是以錯化合物吸收度對 CL/CM（配位子

對金屬離子濃度比值）作圖，所得圖形如下：外插兩直線的交點所對應之橫

座標即為 n 值。

三、 實驗儀器：

UV/VIS JASCO V-550 : 全波長掃描找出欲測物的 λmax

UV/VIS SHIMADZU UV-1201 : 固定波長掃描，測定各標準品的吸收值

四、實驗步驟

I. Method of Continuous Variations

藥品與器材

器 材 名 稱 數 量 藥 品 名 稱 數 量

50mL 錐形瓶 7 個 pH=2 Buffer 70 ml

Cuvette (測光管) 8 個 Standard Cu2+

35 ml

Cuvette rack

(測光管架) 1 個 EDTA 35 ml

Abso

rban

ce

CL/CM比

圖 8.2 莫耳比率法圖

58

藥品配置

Solution(Sol’n) Buffer, mL Cu2+

,mL EDTA,mL

1 10 10.0 0.0

2 10 9.0 1.0

3 10 7.0 3.0

4 10 5.0 5.0

5 10 3.0 7.0

6 10 1.0 9.0

7 10 0.0 10.0

1. 以 10 mL 吸量管製備下列混合物於 50 mL 錐形瓶中，配置完成後混合均勻，取

8 個測光管將測光管洗淨。並且用 Sol’n 1.將預裝此溶液之測光管潤洗兩次，再

裝至八分滿。其餘測光管亦須使用待裝填的 Solution 潤洗兩次。

2. 以 JΛsco V-550 分光光譜儀尋找λmax ，操作方法請參考儀器操作手冊，請以 Sol’n

4.為樣品，以水做為 Blank 做全光譜掃描，波長範圍 800～400nm，以找出錯化

合物的 λmax。

3. 使用 SHIMADZU UV-1201 分光光譜儀器操作方法參考儀器操作手冊，以純水為

參考溶液(blank)，設定儀器的吸收波長為 λmax(上步驟之結果)。測量 Sol’n 1-7 的

吸收值。

4. 因為 Cu2+在錯化合物的 λmax有吸收，所以 Sol’n 1-3 的測量值須做修正才能用於

作圖，Sol’n 4 以後之溶液因已無 Cu2+存在，則不需修正。修正值計算公式如下：

2

110.0

EDTACuc m

mL mLV VA A A

Am：測量的吸收值

A1：Sol’n 1 的吸收值(即 Cu2+的吸收值)

Ac：修正的吸收值

5. 以修正的吸收值對 EDTA 的莫耳分率作圖，以決定錯化合物的組成。

59

II. Mole – ratio Method

器材與藥品

器 材 名 稱 數 量 藥 品 名 稱 數 量

50mL 錐形瓶 7 個 pH=2 Buffer 35 ml

Cuvette (測光管) 8 個 Standard Cu2+

70ml

Cuvette rack 1 個 EDTA 60 ml

藥品配置

Solution(Sol’n) Buffer, mL Cu2+

, mL EDTA, mL H2O, mL

1 5.0 10.0 0.0 20.0

2 5.0 10.0 2.0 18.0

3 5.0 10.0 5.0 15.0

4 5.0 10.0 8.0 12.0

5 5.0 10.0 10.0 10.0

6 5.0 10.0 15.0 5.0

7 5.0 10.0 20.0 0.0

1. 以 10 mL 吸量管製備下列混合物於 50 mL 錐形瓶中，配置完成後混合均勻，取

8 個測光管將測光管洗淨。並且用 Sol’n 1 將預裝此溶液之測光管潤洗兩次，再

裝至八分滿。其餘測光管亦須使用待裝填的 Solution 潤洗兩次。

2. 以前一方法的 λmax為測量波長，並以水做為 Blank，在 UV -1201 分光光譜儀測

量 Sol’n 1-7 的吸收值。

3. Sol’n 1-4 的測量值必須做以下的修正：

1

1 0 . 0

1 0 . 0E D T A

c m

mLVA A A

Am：測量的吸收值

A1：Sol’n 1 的吸收值

Ac：修正的吸收值

4. 修正的吸收值對 EDTA / Cu2+莫耳數比作圖，決定 Complex 的組成。

60

五、注意事項

5. 配藥時需小心配製並算出濃度，配製的藥品須混合均勻。

6. 選擇適合的測光管，放入測光管架時順序須排列正確。

7. 藥品禁止放在儀器上方，測完後測光管需取出，樣品槽蓋子要蓋上。

61

八、實驗數據與結果

I. Method of Continuous Variations

Solution 吸收值 修正值含計算公式

1

2

3

4

5

6

7

以 Sol’ 4 掃瞄全光譜之波長的 λ max = nm

以 Ac 對 X 莫耳分率作圖，圖形用電腦作圖：

Complex 組成：

II. Mole – Ratio Method

Solution 吸收值 修正值含計算公式

1

2

3

4

5

6

7

以 Ac 對配位基 / 金屬之莫耳數比作圖，圖形用電腦作圖：

Complex 之組成：

62

九、問題與討論

問題：

一、 在 continuous variation 法及 mole-ratio 法中，為何前幾瓶的標準溶液之吸收值

須做修正，才能正確得到所需結果？

二、 某依金屬 Mn+和配位基 X

-形成錯化合物以 continuous variation 法分析其組成，

如果最高點出現在橫座標為 0.8 的位置，則錯化物組成為何？

三、 ㄧ般最常見的錯化合物為六配位的錯化合物如 FeCl63-，如果以 continuous

variation 法分析其組成，最高點應該落在橫座標什麼位置上？

討論：請針對本次實驗的結果與收穫加以探討

63

EXPERMENT 9

Fluorescence Spectroscopy

Introduction

Many chemical compounds can be excited by electromagnetic radication from

normally a singlet ground state So to upper electronic excited states S1 or S2. In solution,

S2 state rapidly falls to its vibrational ground state and internally converts into S1 state,

which also rapidly falls to its virational ground state subsequently, Such vibrational

relaxation processes are so efficient that the average lifetime of vibrationally excited

molecules is 10-12 s or less.

As shown in Figure 9.1, S1 state, at its lowest vibrational level, can return to So state

by a combination of several mechanistic steps: radiative processes and radiationless

processes. The favored route to the ground state is the one that minmizes the lifetime of

the excited state.

Thus, if deactivation by fluorescence, with an average lifetime of about 10-8 s, is

rapid with respect to the radiationless processes) such emission is observed. On the other

hand, if a radiationless path has a more favorable rate constant, fluorescence is either

absent or less intense.

As shown in Fig. 1, S1 state may undergo intersystem crossing to T1 state, which is

subject to subseguent deativation either by radiationless processes or by phosphorescence.

Figure 9.1 partial energy diagram for a photoluminescent system.

64

A T1 → So transition is much less probable than a S1 → So transition, and the

average lifetime of T1 state with respect to emission ranges from 10-4 to several seconds.

Therefore, intersystem crossing and external conversion compete so successfully with

phosphorescence that the kind of emission is not frequently observed under ordinary

circumstances.

The various components of fluorescence instruments are similar to those found in

ultraviolet-visible spectrophotometers Figure 9.2 shows a typical configuration for these

components in a spectrofluorometer. Such instruments permit measurement of

fluorescence and excitaton spectra.

The relationship of concentration and fluorescence may be derived from Beer's Law.

The fraction of light transmitted is

P/ Po = e-εbc (9-1)

And the corresponding fraction of light absorbed is

1 － P/Po = 1－e-εbc (9-2)

Rearranging, the amount of light absorbed is

Po － P = Po ( 1－e-εbc ) (9-3)

Figure 9.2 Components of a fluorometer or a spectrofluorometer

65

the total fluorescence intensity is proportional to the number of light quanta absorbed and

to fluorescence efficiency, which is the ratio of quanta absorbed to quanta emitted.

F = (Po – P ) Φ= Po Φ (1- e-εbc) (9-4)

For very dilute solutions in which not over 2% of the total excitation energy is absorbed

and the term be is not greater than 0.05, equation (9-4) reduces to

F = K Po Φεbc

where the term K has been introduced to handle instrumental artifacts and the

geometrical factor because fluorescnece is emitted in all directions but is viewed only

through a limited aperture.

In this experiment, students are required to perform the following procedure:

(1) prepare several dilute standard quinine solutions.

(2) measure their fluorescence at a fixed wavelength.

(3) construct a calibration curve and determine the sensitivity limit.

(4) Treat the unknown sample similarly.

(5) Determine the concentration of the unknown sample.

At first, students must measure the U.V. spectra of quinine in order to decide the

wavelength for excitation.

Molecular Fluorescence :

The Determination of Quinine in Beverages

Introduction

Solutions of quinine fluoresce strongly when excited by radiation at 350 nm. The

relative intensity of the fluorescent peak at 450 nm provides a sensitive method for the

determination of quinine in beverages. Preliminary measurements are needed to define a

concentration region in which fluorescent intensity is either linear or nearly so. The

unknown is then diluted as necessary to produce readings within this range.

66

Preparation of Reagent

(a) Sulfuric acid, 0.05 M.

Add about 17 mL of 6 M Sulfuric acid to 2 L of distilled water.

(b) Quinine sulfate standard, 1ppm.

Weight 0.100 g of quinine sulfate into a 1 L volumetric flask, and dilute to the mark

with 0.05 M H2SO4. Transfer 10.00 mL of this solution to another 1 L volumetric

flask, and again dilute to the mark with 0.05 M H2SO4. This latter solution contains 1

ppm of quinine; it should be prepared daily and stored in the dark when not in use.

Procedure

Determination of a suitable concentration range

To find a suitable working range, measure the relative fluorescent intensity of the 1

ppm standard at 450 nm. Use a graduated cylinder to dilute 10 mL of the 1 ppm solution

with 10 mL of 0.05 M H2SO4; again measure the relative fluorescence.

Repeat this dilution and measurement process until the relative intensity approaches

that of a blank consisting of 0.05 M H2SO4. Make a plot of the data, and select a suitable

range for the analysis (that is, a region within which the plot is linear).

Preparation of a calibration curve

Use volumetric glassware to prepare three or four standards that span the linear region;

measure the fluorescence intensity for each. Plot the data.

Analysis

Obtain an unknown. Make suitable dilutions with 0.05 M H2SO4 to bring its

fluorescence intensity within the calibration range.

Calculate the parts per million of quinine in the unknown.

67

實 驗 九

以螢光分光光譜儀測定 Quinine 之含量

一、目的：

1. 學習光譜分析法的原理及其應用。

2. 學習螢光光譜儀的使用。

3. 學習光譜儀在定量上的使用。

二、原理

螢光乃是一分子在吸收了電磁輻射到達激發態後，從基態 S0到達激發態 S1

或 S2，以放射出電磁輻射的方式回到基態，其所放射出的輻射能量比所吸收的輻

射能量為低，其產生的機構如圖 9-1：

S0表單重基態(電子成對，自旋方向相反)

S1 表單重第一激發態(電子自旋方向相反，其中一電子在較高能階)

T1表三重第一激發態(電子自旋方向相同，其中一電子在較高能階)

S2 表表單重第二激發態(電子自旋方向相反，其中一電子在較高能階)

在激發態的電子不穩定(半生期，10 -8

s)，因分子間的碰撞以“振動緩解”的

方式放出熱能回到基態;或以放射出電磁輻射 S1→S0+ hν之螢光方式回到基態;

不穩定的激發態(S1)亦可經過一“系統轉換”到達三重激發態(T1)後，再以輻射的

方式回到基態可 T1→S0+hν，此為磷光產生之原理。

能夠產生螢光的物質，其結構通常要具有一個芳香環以上或共軛結構者螢光

強度較強，芳香環上之-OH，-OCH3等推電子基具有增強螢光之作用。分子結構

對磷光的影響同螢光，但分子必須在很低的溫度下，才可觀測到磷光的現象。

圖 9.1

68

螢光分析在定量上之基礎分析如下：即螢光強度和待測物濃度關係為

I = K Po c

I：螢光強度

Po：入射光強度

K：物質特性

c：待測物濃度

可藉螢光強度和濃度之線性關係製作檢量線以為定量分析之依據。此法可測得較

吸收光譜法更低的濃度(約 100 倍)，乃因當待測物濃度很低時，可藉提高入射輻

射之強度而增強螢光強度。

螢光光譜儀之組件安排較紫外光可見光光譜儀略有不同，其入射樣品之光束

必須與偵測光束成一角度，通常為 90 度。一般組件安排如圖 9-2 所示。

圖 9-2 螢光光譜儀的儀器組成示意圖

螢光光譜儀具有兩個單色光器，以光徑言，一安排在樣品槽前，另一安排在

樣品槽之後，以利測量激發光譜和螢光光譜圖。

奎寧（Quinine）在自然界當中是白色的結晶，是一種生物鹼，具有退燒、抗瘧

疾、止痛、抗發炎的功用，目前也有學者發現是治療紅斑性狼瘡最基本的藥，和奎

寧定（quinidine）是立體異構物。奎寧的螢光量子產率高且持久，所以可應用在光

化學上或當作是螢光強度的標準。

69

三、使用器材及藥品

器材:

20mL 量瓶 6 個 比色槽架 1 個

四面透光比色槽 9 個 100ml 量筒 1 個

螢光光譜儀 HITACHI F-2500 螢光光譜儀 HITACHI F-4500

藥品:

1ppm Quinine 15 ml 0.5M 硫酸 H2SO4 10 ml

R.O.水

四、實驗步驟

標準品的配製

1. 取 10ml 的 0.5M 的硫酸溶液加 R.O.水稀釋至 100ml 為 0.05M 的硫酸水溶液，

作為本實驗的稀釋溶液及 Blank(須裝入比色槽中)。

2. 以 1ppm 的 Quinine 溶液為(溶液 1)，裝入比色槽中。

3. 以 pipet 吸取 1ppm 的 Quinine 溶液 10.0 mL 到 20 mL 量瓶中 ，以 0.05 M

硫酸溶液稀釋到標線並混合均勻，此為溶液 2。

4. 取(溶液 2 ) 10.0 mL 加入 20 mL 量瓶中，以 0.05 M 硫酸溶液稀釋到標線並混

合均勻，此為溶液 3。

5. 重覆步驟 3，取前次較濃溶液依序以 0.05 M 硫酸溶液稀釋到標線並混合均，

直到配至溶液 7。

6. 取待測溶液 1～7 到測光管中約八分滿測量吸收值(放入測光管前，請以 0.05 M

硫酸徹底清洗測光管，再用待測溶液潤洗測光管兩次，測光管外壁以紙將水吸

乾)分別測量標準溶液之螢光值。

7. 分析樣品測定：自行取一 unknown A~D 樣品 5mL 於小燒杯中。測光管需先洗

淨後再用 unknown 潤洗兩次，放入測光管中約八分滿測量其吸收值，並求出其

70

濃度。若 over scale （超過儀器測量範圍），則再重覆步驟 3 之稀釋步驟，直到

所測的螢光強度不會 over scale ，並且在校正曲線上。

8. 螢光之計量:以螢光分光光譜儀測量 Quinine 之最大吸收波長及最大放射波長，

以溶液 1 測量(1 ppm 標準溶液)，測量方法請參考儀器操做說明。

a、 儀器設定光譜掃描形式，設定Em= 450 nm，掃描Ex範圍300~600 nm，讀

取激發光譜圖。找到最大吸收波長即激發光之Exmax。

b、 儀器設定光譜掃描形式，設定Ex=上步驟所測得知最大激發波長 nm，掃

描Em範圍300~600 nm，讀取放射光譜圖。找到最大吸收波長即放射光之

Emmax。

c、 儀器設定改為定量形式(Photometry)，設定Exmax與Emmax值後，依序放

入Blank及溶液1～7的測光管於比色槽中，測量溶液的螢光強度，測量方法

請參考儀器操作說明。

9. 以標準溶液之螢光強度 v.s. 濃度作圖，求出校正曲線 (Calibation Curve )。並求

出 unknown 的濃度。

五、注意事項

1. 配藥時需小心配製並算出濃度，配製的藥品須混合均勻。

2. 選擇適合的測光管，放入測光管架時順序須排列正確。

3. 藥品禁止放在儀器上方，測完後測光管需取出，樣品槽蓋子要蓋上。

71

八、實驗數據與結果

使用儀器之廠牌型號：

Quinine 之最大激發(EX)波長： ___________________

Quinine 之最大放射(EM)波長： ___________________

A. 檢量線的製作：

solution Blank 1 2 3 4

濃度

螢光值

扣 Blank 值

Solution 5 6 7 分析樣品

濃度

螢光值

扣 Blank 值

檢量線圖形以電腦作圖。

檢量線方程式：

分析樣品濃度值計算式＝

九、問題與討論

問題：

一、 Quinine 之分子結構為何？

二、 螢光分析法較分光光譜法之靈敏度為高，(有較低之偵測極限)，為什麼？

三、螢光儀和紫外線可見光分光光譜儀有何相似及不同之處？

討論：請針對本次實驗的結果與收穫加以探討