高校 · 15分

この水の硬度は？EDTA滴定

pH 10 に緩衝した水試料に EDTA を滴下する。Ca²⁺/Mg²⁺ が遊離している間はワインレッド、終点で青に変わる。

目的

$n(\mathrm{EDTA}) = n(\ce{Ca^2+} + \ce{Mg^2+})$ でビュレット読みを mol/L の硬度に換算し、試料の硬度で終点がどう動くか見る。

器具と試薬

仮想実験台：水試料 25 mL、pH 10 アンモニア緩衝液、エリオクロム黒T、濃度可変の EDTA ビュレット。

手順

EDTA を 0.010 mol/L、硬度を 0.010 mol/L に保つ。EDTA をゆっくり加え、色が切り替わる体積を見つける。
この終点が 25.0 mL に来ることを確かめる。濃度が等しければ当量点の体積も等しい。
硬度を 0.020 mol/L に上げる。滴定する前に新しい終点を予測し、確認する。
次に EDTA 濃度を2倍にして繰り返す。終点体積とステップの鋭さはどうなるか。

観察すること

EDTA と硬度が同濃度なら終点はちょうど 25.0 mL。EDTA 1分子が金属イオン1個をキレートする。
硬度を2倍にすれば終点体積も2倍、EDTA 濃度を2倍にすれば半分になる。決め手は積 $C \times V$ である。
終点を過ぎると液色はそのまま残る。遊離金属がなくなると指示薬の青い遊離形が支配する。

解説

EDTA は6座の爪のような配位子で、1分子が金属イオン1個を包み込み、安定度定数が十分大きい（ $\log K_\mathrm{CaY} \approx 10.7$ ）ため滴定は定量的である。エリオクロム黒Tは Mg²⁺ に結合するとワインレッド、遊離では青なので、最後の金属イオンが捕まった瞬間に終点が現れる。硬度は $c(\ce{Ca^2+}+\ce{Mg^2+}) = c_\mathrm{EDTA}V_\mathrm{EDTA}/V_\mathrm{sample}$ で、報告には通常 $\ce{CaCO3}$ 換算の mg/L を使う。

実験の歴史

キレート剤 EDTA は1935年にドイツで特許を取得し、1945年にチューリヒ工科大のゲロルト・シュヴァルツェンバッハが金属の定量滴定に使えることを示し、キレート滴定分析の基礎を築いた。理論的基盤は数十年前、1913年のノーベル賞に輝いたアルフレート・ヴェルナーの配位化学理論が築いていた。

ゆかりの化学者

アルフレート・ヴェルナーイェンス・ヤコブ・ベルセリウス