為什麼需要配製0.1 N HCl溶液？

0.1 N 鹽酸溶液是一種常見的標準酸溶液，其「N」代表「當量濃度」（Normality）。對於鹽酸（HCl）這種單質子酸，其當量濃度與莫耳濃度（Molarity, M）數值上是相等的，即 0.1 N HCl 等同於 0.1 M HCl。這類標準溶液主要用於以下用途：

• 酸鹼滴定： 作為滴定劑，用於測定未知鹼溶液的濃度，例如氫氧化鈉（NaOH）、碳酸鈉（Na₂CO₃）等。
• pH值校準： 在某些情況下，可作為配製特定pH緩衝液的組分或用於pH計的校準。
• 特定反應的起始劑： 在一些化學反應中，需要精確控制酸的量以啟動或維持反應。
• 水質分析： 用於測定水樣的總鹼度或酸度。

由於濃鹽酸具有揮發性且容易吸收空氣中的水分，其濃度會隨時間變化，因此直接從濃鹽酸瓶中取用並稀釋得到的0.1 N HCl溶液，其濃度並非絕對精確。這就引出了「標定」（Standardization）的重要性，後續章節將詳細說明。

0.1 N HCl配製前的準備

所需材料與設備：

要精準配製0.1 N HCl溶液，以下材料與設備必不可少：

• 濃鹽酸（HCl）： 建議使用分析級（Analytical Grade），濃度通常約為36-38% (w/w)。請注意其包裝上的實際濃度、比重（密度）與分子量。
• 蒸餾水或去離子水： 用於稀釋，確保溶液純淨。
• 容量瓶： 精密測量溶液體積的儀器，例如 1000 mL 的 A級容量瓶。確保其潔淨乾燥。
• 刻度吸量管（Pipette）或電子移液器： 用於精確量取濃鹽酸，例如 10 mL 或 20 mL。
• 洗滌瓶： 裝蒸餾水，用於沖洗。
• 玻璃漏斗： 方便將溶液轉移至容量瓶中。
• 燒杯： 用於初步稀釋濃鹽酸。
• 玻璃攪拌棒： 用於混合溶液。
• 安全吸球或移液器幫浦： 用於安全吸取濃鹽酸。
• 個人防護設備（PPE）： 實驗服、安全眼鏡、耐酸手套（如丁腈手套或橡膠手套）。
• 通風櫥（Fume Hood）： 必須在通風櫥內操作，以避免吸入鹽酸揮發的刺激性氣體。

安全注意事項：

鹽酸為強酸，具有腐蝕性和刺激性。在整個配製過程中，務必遵守以下安全準則：

• 全程佩戴個人防護設備： 包括實驗服、安全眼鏡和耐酸手套。
• 在通風櫥內操作： 鹽酸具有強烈刺激性氣味，其蒸氣對呼吸道有害。
• 「酸入水」原則： 永遠將濃酸緩慢加入水中，切勿將水加入濃酸中。因為濃酸稀釋會放熱，若將水加入濃酸，可能導致局部過熱而噴濺。
• 小心操作： 避免接觸皮膚、眼睛及衣物。若不慎接觸，立即用大量清水沖洗至少15分鐘，並尋求醫療協助。
• 廢液處理： 配製過程中產生的廢液應按照實驗室規定進行收集和處理，不可直接倒入下水道。

0.1 N HCl配製步驟：詳細計算與操作

1. 計算所需濃鹽酸體積：

這是配製過程中最重要的環節。我們需要根據目標溶液的體積和濃度，以及濃鹽酸的實際濃度和密度來計算所需濃鹽酸的體積。

假設我們要配製 1000 mL（1 L）的 0.1 N HCl 溶液。

所需資訊：

• 目標溶液濃度（$N_{目標}$）：0.1 N
• 目標溶液體積（$V_{目標}$）：1000 mL = 1 L
• 濃鹽酸濃度（$P_{濃}$）：通常為 36% ~ 38% (w/w)，這裡以 37% 為例
• 濃鹽酸密度（$\rho_{濃}$）：通常為 1.18 g/mL (對於 37% 鹽酸)
• 鹽酸分子量（$MW_{HCl}$）：36.46 g/mol

計算步驟：

1. 計算所需純HCl的莫耳數（或當量數）：
   因為 0.1 N HCl 對於單質子酸 HCl 來說，就是 0.1 M HCl。
   所需純HCl莫耳數 = $N_{目標}$ × $V_{目標}$
   = 0.1 mol/L × 1 L = 0.1 mol
2. 計算所需純HCl的質量：
   所需純HCl質量 = 所需純HCl莫耳數 × $MW_{HCl}$
   = 0.1 mol × 36.46 g/mol = 3.646 g
3. 計算所需濃鹽酸溶液的質量：
   濃鹽酸的質量百分比濃度 $P_{濃}$ 表示每 100 克濃鹽酸溶液中含有 $P_{濃}$ 克純 HCl。
   所需濃鹽酸溶液質量 = 所需純HCl質量 / $P_{濃}$
   = 3.646 g / 0.37 = 9.854 g (這裡將37%轉換為0.37)
4. 計算所需濃鹽酸溶液的體積：
   所需濃鹽酸溶液體積 = 所需濃鹽酸溶液質量 / $\rho_{濃}$
   = 9.854 g / 1.18 g/mL = 8.35 mL (四捨五入至小數點後兩位)

因此，要配製 1000 mL 的 0.1 N HCl 溶液，大約需要量取 8.35 mL 的 37% 濃鹽酸。

貼心提醒：

• 由於濃鹽酸的實際濃度可能略有差異，每次配製前應查看瓶身標籤上的實際數據進行計算。
• 計算出的體積僅為理論值，最終溶液的精確濃度需透過後續的「標定」步驟來確定。

2. 詳細配製步驟：

1. 準備容量瓶： 取一個潔淨乾燥的 1000 mL 容量瓶，檢查其刻度線和瓶塞是否完好。
2. 初步稀釋： 在一個潔淨的 500 mL 或 1000 mL 燒杯中，倒入約 300-500 mL 的蒸餾水或去離子水。
3. 量取濃鹽酸：
   • 在通風櫥內操作。
   • 使用刻度吸量管（或電子移液器）和安全吸球（或移液器幫浦），精確量取計算所得的濃鹽酸體積（例如 8.35 mL）。
   • 緩慢地將量取好的濃鹽酸沿燒杯壁小心地加入已裝有蒸餾水的燒杯中，同時用玻璃攪拌棒輕輕攪拌，幫助散熱。切勿將水加入濃酸！
   • 此時會觀察到溶液溫度略微升高，這是正常現象。
4. 冷卻與轉移： 將稀釋後的鹽酸溶液靜置，使其完全冷卻至室溫。待溶液冷卻後，用玻璃漏斗將燒杯中的稀釋鹽酸溶液小心地轉移至 1000 mL 容量瓶中。
5. 沖洗燒杯與漏斗： 用少量蒸餾水反覆沖洗燒杯和玻璃漏斗約 2-3 次，將殘留在燒杯和漏斗壁上的鹽酸沖洗乾淨，並將沖洗液全部轉移至容量瓶中。這是為了確保所有溶質都進入容量瓶，保證濃度準確性。
6. 定容：
   • 繼續向容量瓶中加入蒸餾水，直到液面接近容量瓶的刻度線。
   • 此時，改用滴管小心地逐滴加入蒸餾水，直到溶液的彎月面底部與容量瓶的刻度線精確對齊。視線應與刻度線保持水平，避免視差。
7. 混合均勻： 立即蓋緊容量瓶的瓶塞，用拇指頂住瓶塞，另一隻手扶住瓶底，將容量瓶上下顛倒數次，並旋轉搖晃，確保溶液充分混合均勻。這一步非常重要，以保證溶液各部分的濃度一致。
8. 標籤： 在配製好的溶液瓶上貼上清晰的標籤，註明溶液名稱（0.1 N HCl）、配製日期、配製人姓名，以及「待標定」字樣。

0.1 N HCl的標定（Standardization）

如前所述，由於濃鹽酸的揮發性和吸濕性，以及量取過程的微小誤差，配製出的0.1 N HCl溶液的實際濃度很難達到絕對精確的0.1 N。因此，需要使用「初級標準物質」（Primary Standard）對其進行精確標定，以確定其實際濃度。

為什麼需要標定？

• 提高準確性： 標定是為了確保溶液的實際濃度被精確測定，從而保證後續實驗結果的準確性。
• 非初級標準物質： 濃鹽酸不屬於初級標準物質，其濃度不穩定，無法直接用來配製精確濃度的溶液。

常用的初級標準物質：

用於標定鹽酸溶液的初級標準物質通常是無水碳酸鈉（Na₂CO₃）。無水碳酸鈉具有以下優點：

• 化學性質穩定，不易吸濕或與空氣反應。
• 摩爾質量較大，稱量誤差相對較小。
• 純度高，容易獲得高純度試劑。
• 與鹽酸反應生成 CO₂，反應終點清晰。

標定步驟概述（以無水碳酸鈉為例）：

標定過程是一個酸鹼滴定實驗：

1. 準備標準碳酸鈉溶液：
   • 精確稱取一定質量的分析純無水碳酸鈉，放置於乾燥器中乾燥至恆重。
   • 將乾燥後的碳酸鈉溶解於蒸餾水中，配製成已知精確濃度的碳酸鈉標準溶液，並轉移至容量瓶中定容。或者，將稱量好的碳酸鈉直接溶解在錐形瓶中作為待滴定物。
2. 滴定：
   • 將待標定的 0.1 N HCl 溶液裝入酸式滴定管中，排盡氣泡並讀取初始讀數。
   • 從碳酸鈉溶液中精確移取一定體積（例如 20.00 mL）至潔淨的錐形瓶中。
   • 加入適量指示劑，例如甲基橙或甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑。
   • 從滴定管中緩慢滴加 HCl 溶液，同時輕輕搖晃錐形瓶，直到指示劑顏色發生變化（滴定終點）。
   • 讀取滴定管的最終讀數。
3. 重複滴定： 至少重複滴定三次，取有效數據的平均值，以確保結果的準確性和重現性。
4. 計算實際濃度：
   根據碳酸鈉與鹽酸的反應化學方程式：
   $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2$
   
   利用滴定結果，根據化學計量關係計算出 0.1 N HCl 溶液的實際精確濃度。
   
   例如，如果用 $N_1$ 表示 $HCl$ 的實際濃度，$V_1$ 表示滴定消耗的 $HCl$ 體積；$N_2$ 表示 $Na_2CO_3$ 溶液的濃度，$V_2$ 表示移取的 $Na_2CO_3$ 溶液體積，則有：
   
   $N_1 \times V_1 = N_2 \times V_2$
   
   （注意此處的 $N$ 是指當量濃度，如果是莫耳濃度 $M$，則需考慮反應比例，即 $M_1 \times V_1 \times 2 = M_2 \times V_2 \times 1$）

標定完成後，將精確濃度標註在溶液瓶上，例如：「0.1005 N HCl」。這將是您後續實驗所依據的精確濃度。

0.1 N HCl溶液的儲存與注意事項

儲存：

• 將標定後的 0.1 N HCl 溶液儲存在密閉的棕色玻璃瓶中，以避免光照分解和減少揮發。
• 儲存於陰涼乾燥處，避免溫度劇烈變化。
• 確保瓶蓋密封良好，防止空氣中的二氧化碳溶入，影響溶液的穩定性（雖然對於酸性溶液影響較小，但仍建議密封）。

注意事項：

• 定期檢查： 長期存放的標準溶液應定期檢查或重新標定，特別是如果發現溶液中出現混濁或變色。
• 避免污染： 始終使用潔淨的儀器量取溶液，避免交叉污染。
• 廢液處理： 實驗結束後的廢酸應按照實驗室規範倒入指定的廢液桶中，不可隨意傾倒。
• 溫度影響： 溶液的體積會隨溫度變化而微小膨脹或收縮，因此在配製和標定時，應確保溶液溫度與容量瓶的校準溫度接近，通常為20°C。

常見問題（FAQ）

如何正確儲存0.1 N HCl溶液？

0.1 N HCl溶液應儲存在密閉的棕色玻璃瓶中，置於陰涼乾燥且避光的地方。確保瓶蓋密封良好，以減少揮發和避免空氣中的雜質進入，雖然其本身穩定性較高，但良好的儲存條件有助於維持其精確濃度。

為何配製好的0.1 N HCl需要進行標定？

配製好的0.1 N HCl溶液需要標定是因為濃鹽酸並非初級標準物質。它的實際濃度會因揮發、吸收空氣中的水分而變化，且在量取過程中可能存在微小誤差。透過與已知精確濃度的初級標準物質（如無水碳酸鈉）進行滴定標定，可以測定其準確濃度，確保後續實驗數據的可靠性。

0.1 N HCl和0.1 M HCl有何區別？

對於鹽酸（HCl）這種單質子酸，一個分子解離出一個氫離子，因此其當量數與莫耳數相同。所以，0.1 N HCl 在數值上等同於 0.1 M HCl。然而，對於多質子酸（如硫酸 H₂SO₄），其當量濃度和莫耳濃度則不同，例如 0.1 M H₂SO₄ 等於 0.2 N H₂SO₄。

在配製過程中，如果我沒有分析級的濃鹽酸，可以使用其他等級的嗎？

為了確保實驗結果的精確性，強烈建議使用分析級（Analytical Grade）的濃鹽酸。其他等級的鹽酸（如工業級、試劑級等）可能含有較高含量的雜質，或其濃度穩定性較差，這會直接影響配製溶液的準確性，導致實驗誤差增大。

配製時，是應該將水加入酸中還是酸加入水中？

永遠是「酸入水」原則。 這是化學實驗室中最基本的安全原則之一。將濃酸緩慢加入已裝有水的燒杯中，並持續攪拌，可以有效地分散稀釋過程中產生的熱量。如果將水直接加入濃酸中，可能會導致局部過熱，造成酸液飛濺，非常危險。