迷你世界Laplace 物质、光与声 / 图版 86 — 酸、碱与指示剂

酸碱滴定

一滴一滴加进浓度已知的碱,直到指示剂变色;滴定管上用掉的体积,说出了瓶里原来有多少酸。

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01

一套滴定

锥形瓶里是用移液管量进去的 25.00 毫⁠升盐酸,浓度不知道。上面夹着一支 50 毫⁠升的滴定管,装着浓度已知的氢氧化钠溶液:每升 0.100 摩⁠尔。瓶里滴了几滴指示剂;瓶子放在一块白瓷板上,淡淡的颜色在铁架台的深色底座上看不出,在白瓷板上看得出。

打开滴定管下端的活塞,碱流进瓶里,和酸反应生成水。加到碱正好把酸用完为止。用了多少毫升碱,乘上它的浓度,就是瓶里原来有多少酸。

这个办法很老。18 世纪,人们往醋里一点一点加碳酸钾,加到不再冒气泡,用碳酸钾的用量来比醋的浓淡。1824 年,盖-吕萨克测漂白粉时用的刻度管已经叫 burette,杯子也垫在一张白纸上;他估计结果能准到五十分之一。台上还多了一台 pH 计,它的玻璃电极浸在瓶里,记下眼睛看不出的变化。

25.00 毫⁠升盐酸 · 0.100 摩⁠尔⁠每⁠升氢氧化钠 · 50 毫⁠升滴定管 · 指示剂 · 白瓷板 · pH 计 · H⁺ + OH⁻ → H₂O

02

读滴定管

滴定管的 0 在上端,刻度往下增大,每 0.1 毫⁠升一条线。两条线之间再估一位,读到 0.01 毫⁠升。

管里的液面是弯的,中间低。读数看弯月面的最低点,眼睛和它齐平。眼睛高了,读数偏小;低了,读数偏大。按本页的估算,在 30 厘米外眼睛高出 3 厘米,就少读约 0.05 毫⁠升。

一次滴定读两次:开始一次,结束一次,两数相减才是用掉的体积。放完液要等约 30 秒,让管壁上的液膜流下来再读。A 级的 50 毫⁠升滴定管,允许误差是 ±0.05 毫⁠升,大约一滴。

0 在上端 · 每格 0.1 毫⁠升 · 读到 0.01 毫⁠升 · 看弯月面最低点 · A 级 ±0.05 毫⁠升

03

曲线几乎是平的

开始时,瓶里是每升 0.100 摩⁠尔的盐酸,pH 为 1.00。碱加进去,酸一点一点被用掉,pH 却升得很慢:加到 24.00 毫⁠升时,96% 的酸已经没了,pH 才 2.69。

pH 每升高 1,氢离子的浓度就要降到十分之一。从 pH 1 升到 2,要加 20.45 毫⁠升碱;从 2 到 3,只要 4.05 毫⁠升;从 3 到 4,只要 0.45 毫⁠升。剩下的酸越少,同样一滴碱占的比例就越大。

所以先粗滴一次,知道终点大概在哪。再滴时,前面可以放快,让碱成股流下,边加边摇;离终点约 5 毫⁠升起改成小份,最后一滴一滴地加。

盐酸 25.00 毫⁠升 + 氢氧化钠,0.100 摩⁠尔⁠每⁠升 · 0 毫⁠升 pH 1.00 · 24.00 毫⁠升 pH 2.69

04

最后两滴

一滴约 0.03 到 0.05 毫⁠升,本页按 0.05 毫⁠升算。还差两滴时,加到了 24.95 毫⁠升,pH 4.00。再一滴,到 25.00 毫⁠升,碱和酸正好等量,pH 7.00。再一滴到 25.05 毫⁠升,pH 10.00。

0.10 毫⁠升里,pH 跳了 6 个⁠单⁠位。一滴碱里只有 5.0 微⁠摩⁠尔氢氧根,瓶里的酸一共 2500 微⁠摩⁠尔;可到了这一步,酸只剩最后几微摩尔,一滴就把它用完,再一滴就多了出来。

曲线这一段几乎是竖的。正因为它这么陡,颜色只在一两滴之间变,终点才读得准。

24.95 毫⁠升 pH 4.00 · 25.00 毫⁠升 pH 7.00 · 25.05 毫⁠升 pH 10.00 · 本页按 25 °C 计算

05

看到的,和算出来的

当量点是碱正好和酸等量的那一点,按化学计量算出来,看不见;终点是实际读下来的体积,是指示剂变色、或者仪器测到突变的那一滴。这里的当量点是 25.00 毫⁠升。

用酚酞时,溶液在 pH 8.3 以下无色,到 10 左右是粉红。这场滴定里,它从 25.001 毫⁠升开始变色,到 25.050 毫⁠升变完,都在当量点之后一滴以内,终点和当量点几乎重合。

快到终点时,每一滴落下的地方先出一团粉红,一摇又褪了,因为四周还有酸。离终点越近,粉红留得越久。摇匀后淡粉红能保持一会儿,各家手册写 10 到 30 秒,就读数;放久了它又会慢慢褪,那是空气里的二氧化碳溶了进来。

当量点 25.00 毫⁠升(算出来的)· 终点:酚酞第一抹不褪的粉红,25.00 毫⁠升(看到的)

06

换成醋酸

瓶里换成 0.100 摩⁠尔⁠每⁠升的醋酸 CH₃COOH,用同样的碱滴。醋酸是弱酸,只有约 1.3% 电离,所以开始的 pH 是 2.87,比盐酸高。

加进的碱把一部分醋酸变成醋酸根,瓶里同时有醋酸和醋酸根,成了缓冲溶液,pH 变得更慢。加到一半,即 12.50 毫⁠升时,两者正好一样多,这时 pH 是 4.74,等于醋酸的 pKa。

到当量点,瓶里是醋酸钠溶液。醋酸根是弱碱,所以 pH 是 8.72,不是 7。最后两滴里 pH 只跳了 2.6 个⁠单⁠位,从 7.44 到 10.00。过了当量点,两条曲线合在一起:pH 只看多出来的氢氧化钠。

醋酸 0 毫⁠升 pH 2.87 · 12.50 毫⁠升 pH 4.74 = pKa · 25.00 毫⁠升 pH 8.72 · 缓冲区 pH = pKa + lg([A⁻]/[HA])

07

变色要落在陡坡上

指示剂本身也是一种弱酸,它的酸式和碱式颜色不同,在大约 pKa ± 1 的范围里变色;酚酞为什么在碱里变粉,见《氨的喷泉》。按 pH 算,甲基橙 3.1⁠–⁠4.4,由红变黄;溴百里酚蓝 6.0⁠–⁠7.6,由黄变蓝;酚酞 8.3⁠–⁠10.0,由无色变粉。

盐酸配氢氧化钠,陡坡从 pH 4 跨到 10,三种指示剂都在当量点前后半毫升之内变色。醋酸就不同:甲基橙从 0.4 毫⁠升开始变,到 7.8 毫⁠升已经变完,比当量点早了 17 毫⁠升;溴百里酚蓝在 23.7 至 25.0 毫⁠升间慢慢变;只有酚酞的变色范围落在陡坡上。

反过来,用氨水滴盐酸,当量点时瓶里是氯化铵溶液,pH 5.28,偏酸。这时要用甲基橙;酚酞到 27.8 毫⁠升才开始变粉,晚了将近 3 毫⁠升。

甲基橙 3.1⁠–⁠4.4 · 溴百里酚蓝 6.0⁠–⁠7.6 · 酚酞 8.3⁠–⁠10.0 · 本页的曲线按 25 °C 计算

08

pH 计看见的曲线

pH 计的玻璃电极,底下是一个约 50 微⁠米厚的玻璃球泡。溶液里氢离子的多少,改变球泡两边的电压:25 °C 时,pH 每差 1,电压差 59.16 毫⁠伏,就是 RT·ln10/F。

电压里还混着别的项,所以用前要拿已知 pH 的缓冲液校准,常用 pH 4.01、7.00、10.01 三种。之后边滴边记下读数,整条滴定曲线就画出来了。

曲线最陡的那一点就是当量点。按本页的计算,三种滴定在每升 0.100 摩⁠尔时,最陡点和当量点相差不到百万分之一毫升。弱酸配弱碱,比如醋酸配氨水,最后两滴里 pH 只变 0.16,没有哪种指示剂能给出清楚的终点,只能靠 pH 计来找。

25 °C 每个 pH 单位 59.16 毫⁠伏 · 校准缓冲液 pH 4.01、7.00、10.01

09

醋里有多少酸

同样的办法可以量醋的酸度。国际葡萄与葡萄酒组织(OIV)的方法:10 毫⁠升醋放进 250 毫⁠升锥形瓶,加水和几滴酚酞,用每升 0.5 摩⁠尔的氢氧化钠滴到粉红不褪;用掉的毫升数乘 3,就是每升醋含多少克酸,按醋酸算。醋里的酸主要是醋酸,是弱酸,所以用酚酞。

每升含 50 克醋酸的醋,要用 16.65 毫⁠升碱。国家标准 GB 2719-2018 要求食醋的总酸(以乙酸计)不低于每 100 毫⁠升 3.5 克,即每升 35 克,对应 11.66 毫⁠升。

多加一滴(按 0.05 毫⁠升算),每升 50 克的醋会多算出 0.15 克,约 0.3%。这和 A 级滴定管的允许误差差不多,所以同一份醋要滴两三次;英国皇家化学会的做法是:几次相差在 0.10 毫⁠升以内,才取平均。

OIV 法:毫升数 × 3 = 克/升 · 50 克/升 → 16.65 毫⁠升 · 国标下限 35 克/升 → 11.66 毫⁠升 · 一滴 ≈ 0.3%

10

台上的十样东西

滴定管、滴定管夹、铁架台、锥形瓶、白瓷板、pH 计、玻璃电极、氢氧化钠溶液、指示剂、移液管。量得准,全靠两支 A 级的玻璃量器:25 毫⁠升移液管量出酸,允许误差 ±0.03 毫⁠升;50 毫⁠升滴定管量出碱,±0.05 毫⁠升。

滴定管 · 滴定管夹 · 铁架台 · 锥形瓶 · 白瓷板 · pH 计 · 玻璃电极 · 氢氧化钠 · 指示剂 · 移液管

11

自己滴一次

这是本页的模型,按上面的电荷平衡在网页里算,25 °C,浓度当活度。终点按眼睛看到的算:酚酞是第一抹不褪的粉红,甲基橙和溴百里酚蓝是颜色变到一半。

每一次可以换酸、碱、指示剂和酸的浓度,一滴一滴地加,或者一次放 1 毫⁠升;颜色、pH 计和曲线一起变,终点停在变色的那一滴。碱始终是每升 0.100 摩⁠尔,酸始终是 25.00 毫⁠升。

本页的模型 · Kw、醋酸 Ka、氨 Kb 按 OpenStax · 指示剂范围按 RSC、Clark 1922

试一试在实验台上选醋酸和甲基橙,一滴一滴加到颜色变:终点在几毫升?换成酚酞再滴一次呢?瓶里的醋酸要 25.00 毫升碱才正好用完。

模型省略了什么

台上是学校或大学实验室滴定装置的模型,尺寸参考 DURAN 的 250 毫⁠升广口锥形瓶和 50 毫⁠升 A 级滴定管,不是哪一套实物的复制。曲线是在 25 °C 下按电荷平衡精确算的,浓度当作活度:每升 0.1 摩⁠尔的盐酸,实际 pH 约 1.1,不是 1.00;空气里的二氧化碳溶进去也没有算。指示剂的颜色是画出来的,按变色范围的中点画一半变色,指示剂本身的量忽略不计。一滴按 0.05 毫⁠升算;落点的颜色团、摇动和它褪去的快慢是本页自己的模型,只为了让“越近终点、粉红留得越久”看得见。为了让瓶里装得下电极,用了广口锥形瓶;只用指示剂滴定时一般不放电极,用 pH 计记曲线时常改用烧杯和磁力搅拌。

几个容易误会的地方

终点不是当量点:当量点是按化学计量算出来的,终点是看到或测到的体积,指示剂选得好,两者只差一两滴。当量点的 pH 不一定是 7:强酸配强碱在 25 °C 时是 7.00,醋酸配氢氧化钠是 8.72,盐酸配氨水是 5.28。温度变了,中性也不在 pH 7,80 °C 时是 6.31。指示剂不是在某一个 pH 突然变色,而是在约两个 pH 单位的范围里渐变。甲基橙用在醋酸上不是“晚了”,而是早了:碱还没加到三分之一,它就变完了。pH 计测的是电压,要用缓冲液校准;它反映的是氢离子的活度,和浓度不完全一样。

常见问题 · 5
滴定的终点和当量点有什么不同?

当量点是碱正好和酸等量的那一点,按化学计量算出来,看不见;终点是实际读下来的体积,是指示剂变色、或者仪器测到突变的那一滴。

05看到的,和算出来的
为什么滴定快结束时,一滴碱就能让 pH 跳好几个单位?

0.10 毫⁠升里,pH 跳了 6 个⁠单⁠位。

04最后两滴
醋酸用氢氧化钠滴定,当量点的 pH 为什么大于 7?

到当量点,瓶里是醋酸钠溶液。

06换成醋酸
用氢氧化钠滴定醋酸,为什么不能用甲基橙?

醋酸就不同:甲基橙从 0.4 毫⁠升开始变,到 7.8 毫⁠升已经变完,比当量点早了 17 毫⁠升;溴百里酚蓝在 23.7 至 25.0 毫⁠升间慢慢变;只有酚酞的变色范围落在陡坡上。

07变色要落在陡坡上
滴定管的读数看哪里?

读数看弯月面的最低点,眼睛和它齐平。

02读滴定管

资料来源

  1. OpenStax:Chemistry 2e,4.5(滴定、当量点和终点;18 世纪用碳酸钾测醋的浓度)
  2. OpenStax:Chemistry 2e,14.7(滴定曲线,表 14.2,例 14.21、14.22;指示剂的变色范围和选择)
  3. OpenStax:Chemistry 2e,14.6(缓冲溶液,Henderson–Hasselbalch 方程)
  4. OpenStax:Chemistry 2e,14.4(盐的水解:氯化铵溶液呈酸性)
  5. OpenStax:Chemistry 2e,14.2(pH 和 pOH;中性只在 25 °C 时是 pH 7;pH 计)
  6. OpenStax:Chemistry 2e,附录 H、I(醋酸 Ka、氨 Kb,都是 1.8 × 10⁻⁵)
  7. David Harvey:Analytical Chemistry 2.1,9.2(当量点和终点;拐点;指示剂表;用 pH 曲线找终点)
  8. David Harvey:Analytical Chemistry 2.1,11.2(玻璃电极、Nernst 方程、用缓冲液校准)
  9. 英国皇家化学会:Acid-⁠base indicators 学习单(甲基橙 3.1⁠–⁠4.4,酚酞 8.3⁠–⁠10.0;氨水滴盐酸、醋酸配氢氧化钠各用哪种指示剂)
  10. W. M. Clark(1922):The Determination of Hydrogen Ions,第 2 版(Sørensen 和 Clark–Lubs 的指示剂表:溴百里酚蓝 6.0⁠–⁠7.6)
  11. Thermo Scientific Orion:pH Calibration Procedure(pH 4.01、7.00、10.01 缓冲液;斜率 92⁠–⁠102%)
  12. 美国国家标准与技术研究院:CODATA 2022 推荐值(摩尔气体常数 R、法拉第常数 F)
  13. 英国皇家化学会:Titration method 事实单(粗滴再精滴、离终点 5 立方厘米改小份、平行结果相差 0.10 立方厘米以内)
  14. 英国皇家化学会:Get to grips with titration 海报(白瓷板衬出细微的颜色变化;锥形瓶便于摇动)
  15. 澳大利亚皇家化学会(RACI):A Guide to Titration(润洗、摇瓶、局部变色摇匀即褪、终点保持 10 秒)
  16. Middlebury College:Titration(一滴约 0.03 毫⁠升;眼睛偏高读数偏小;等 30 秒再读)
  17. D. C. Harris:Experiments to Accompany Quantitative Chemical Analysis,第 9 版(8 滴约 0.4 毫⁠升;半滴;粉红保持 15 秒,二氧化碳使它慢慢褪去)
  18. BRAND:BLAUBRAND 滴定管 A/AS 级(50 毫⁠升 ±0.05 毫⁠升,分度 0.1 毫⁠升)
  19. BRAND:BLAUBRAND 单标线移液管 AS 级(25 毫⁠升 ±0.03 毫⁠升)
  20. BRAND:Liquid Meniscus explained(凹液面读最低点,眼睛与液面同高)
  21. DURAN 锥形瓶尺寸表(经销商 Kou Hing Hong;250 毫⁠升广口:直径 85、瓶颈 50、高 140 毫⁠米)
  22. SCHOTT:DURAN Technical Data(硼硅玻璃 3.3,折射率 1.473)
  23. 国际葡萄与葡萄酒组织(OIV):OIV-⁠MA-⁠VI-⁠01,醋的总酸测定(10 毫⁠升醋、0.5 摩⁠尔⁠每⁠升氢氧化钠、酚酞;克/升 = 3V)
  24. GB 2719-2018《食品安全国家标准 食醋》(总酸以乙酸计 ≥ 3.5 克/100 毫⁠升)
  25. 美国国家标准与技术研究院:NIST Chemistry WebBook,乙酸的摩尔质量
  26. 盖-吕萨克(1824):Instruction sur l’essai du chlorure de chaux,Annales de chimie et de physique 26(burette、白纸、五十分之一)

数据

The titration curves are computed here from the full charge balance at 25 °C, with Kw, Ka of acetic acid and Kb of ammonia from OpenStax Chemistry 2e (Flowers, Theopold, Langley, Robinson; Rice University, 2019; access for free at openstax.org), and checked against its Table 14.2 and Examples 14.21⁠–⁠14.22. Indicator ranges after the Royal Society of Chemistry’s Education in Chemistry worksheet, W. M. Clark, The Determination of Hydrogen Ions (1922; Sørensen’s and Clark and Lubs’ indicators) and D. Harvey, Analytical Chemistry 2.1 (DePauw University; LibreTexts). The glass electrode’s slope from the exact CODATA 2022 values of R and F (NIST); buffer values from a Thermo Scientific Orion calibration note. The bench and the procedure after the Royal Society of Chemistry’s practical pages and university laboratory manuals; burette and pipette tolerances, flask sizes and the vinegar method as quoted in docs/plates/titration/FACTS-⁠lab.md. The drop-⁠by-⁠drop run, the swirl and the colour where a drop lands are the page’s own model. The apparatus is this page’s model of a school or college bench, in the sizes of a DURAN 250 mL wide-⁠neck conical flask (85 mm across, 140 mm high, neck 50 mm) and a 50 mL class A burette; not a copy of any one rig. Material presets and the model kit as on the site’s other model plates (public/looks/CREDITS.md).

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引用这幅图版

拉普拉斯的迷你世界,图版 86《酸碱滴定》,https://world.lapla.si/zh/titration/,CC BY-NC 4.0,2026-11-03 更新。

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