油酸Ka值的測定-酸滴定油酸鈉法

牛鵬飛， 王天壯

(1.山西省應用化學研究所，山西 太原 030027；2.中國日用化學工業研究院，山西 太原 030001)

油酸的HLB值為1[1]，其水溶性較差HLB值<4的物質在水中不溶[2]，易溶于油性溶劑；而油酸鈉的HLB值為18[1]，其在水中的溶解性很好。作為表面活性劑的油酸鈉固有的增溶分散特性在一定程度上能保證油酸在純水中溶解度，所以，從油酸鈉的水溶液來求油酸的Ka值存在可行性[3]。本文用鹽酸標準溶液滴定油酸鈉的水溶液，并用pH電極作指示電極，利用電位法滴定，實現了在水溶液中測定油酸的電離常數。而常見的工具書上均沒有油酸Ka的數值，故測定油酸的電離常數具有一定的理論與應用價值。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

GCMS-QP2010 Ultra，日本島津所；雷磁PHS-3C型pH計，E-201-C pH復合電極(雷磁)，上海精密科學儀器有限公司；HH數顯恒溫水浴鍋，江蘇金城國勝實驗儀器廠。

1.2 實驗試劑

0.2%油酸鈉溶液：準確稱取純化的油酸鈉(分析純，天津市光復精細化工研究所)1.000 g于燒杯中，用超純水(去氧氣)溶解后，轉移并定容到500 mL容量瓶中，避光存放。油酸鈉溶液用前水浴(40 ℃)加熱半小時至溶液清亮后，冷至室溫待用。

鹽酸(GB/T 622)，c(HCl)=0.01 mol/L標準溶液；鹽酸(GB/T 622)，c(HCl)=2.5 mol/L溶液。

超純水，加熱煮沸冷卻(去除水中溶解氧與二氧化碳)。

三氯甲烷，分析純，天津市申泰化學試劑有限公司。

1.3 實驗原理

在酸堿滴定反應中可以從質子條件推導出溶液pH值與溶液中酸電離常數的關系[3]，在鹽酸滴定油酸鈉溶液的反應體系中選取的質子參考水準為：C17H33COO-，H2O，HCl。

酸堿中和反應體系中的質子條件為式(1)。

c(HCl)+[OH-]總=[H+]H2O+
[C17H33COOH]+[H+]HCl

(1)

堿性條件下，式(1)可簡化為式(2)。

[OH-]總=[C17H33COOH]-c(HCl)

(2)

由水溶液的KW=[H+]×[OH-]=10-14式(2)可轉化為式(3)。

10-14/[H+]=[C17H33COOH]-c(HCl)

(3)

油酸的電離平衡式見式(4)。

(4)

將式(4)代入式(3)得到式(5)。

10-14/[H+]=[H+][C17H33COO-]/Ka-c(HCl)

(5)

將式(5)簡化得式(6)。

Ka(10-14+[H+]c(HCl)=[H+]2[C17H33COO-]

(6)

因為，在反應體系中[H+]c(HCl)≥10-14，所以式(6)可簡化為第59頁式(7)。

(7)

由式(6)可知，當[C17H33COO-]=c(HCl)時，溶液的pH=pKa成立。

在酸性條件下，油酸鈉溶液的鹽酸滴定反應體系中的質子條件簡化式為式(8)。

c(HCl)=[H+]總+[C17H33COOH]

(8)

將式(4)代入得式(9)。

(9)

因為體系是由堿性條件通過鹽酸標準溶液滴定進入酸性條件的，該條件下c(HCl)≥[H+]，所以，式(9)可簡化為式(10)。

Ka=[H+][C17H33COO-]/c(HCl)

(10)

將式(10)取負對數得式(11)。

(11)

綜合上述結論可知，在酸性條件下體系的pH與pKa關系與體系在堿性條件下的結果都一樣，均為式(7)的形式。而[C17H33COO-]=c(HCl)時，有[C17H33COO-]=c(油酸鈉)/2，pH=pKa，理論上成立。

方法的正確性，可用求得的Ka值與已知濃度油酸鈉溶液理論上計算得出的pH值與實際溶液pH值的比值來驗證。

1.4 實驗方法

1.4.1 油酸鈉的純化

稱取4 g油酸鈉(AR)到150 mL錐形瓶中，加入75 mL無水乙醇(AR)，置于70 ℃水浴中加熱攪拌30 min；取出，冷卻至室溫，靜置48 h，過濾，將濾液在水浴(90 ℃)上加熱蒸發，然后，在90 ℃烘箱下加熱烘干至恒重，得到純化后的油酸鈉。

1.4.2 油酸鈉中有機羧酸的GCMS法測定

稱取純化的油酸鈉0.10 g，用30 mL超純水溶解并轉移入250 mL分液漏斗中，加入2.5 mol/L鹽酸溶液2.0 mL，搖勻后用三氯甲烷萃取4次，萃取液定容到25 mL容量瓶中。移取1.00 mL萃取溶液用三氯甲烷定容到10 mL容量瓶中成待測萃取液。對未純化的油酸鈉做同樣的實驗操作，進行對照。

GCMS測試條件：色譜柱Rxi?-5Sil MS；氦氣流速1.7 mL/min；進樣體積1 μL，不分流；進樣室溫度280 ℃；柱溫箱升溫程序見表1；接口溫度280 ℃；離子源溫度280 ℃；質譜采集方式Scan。

表1 柱溫箱升溫程序

1.4.3 油酸Ka值的測定

移取0.20%的油酸鈉溶液10.00 mL到150 mL高型燒杯中，加入40 mL超純水，將燒杯置于20 ℃恒溫水浴中，用0.01 mol/L的鹽酸標準溶液電位滴定油酸鈉溶液，記錄油酸鈉溶液電位與滴定液體積數據的同時記錄油酸鈉溶液相應的pH值。

1.4.4 油酸鈉溶液的pH值測定

移取0.20%的油酸鈉溶液40 mL到50 mL燒杯，置于20 ℃的恒溫水浴中，恒溫后用校正過的pH計測量溶液的pH值。

精密移取0.20%的油酸鈉溶液20 mL至100 mL容量瓶中，用超純水定容。移取40 mL至50 mL的燒杯中，置于20 ℃的恒溫水浴中，溶液恒溫后用校正過的pH計測量其pH值。

2 結果與討論

2.1 待測物純度的影響

測定油酸鈉常數時，待測物的純度應達到一定的級別，測得的數據才有意義。第60頁圖1為油酸鈉酸化提取物以GCMS法測試的總離子流圖。從圖1中可知，油酸鈉的主要雜質是14.873 min處的正十六酸鈉。對于結構相似的化合物，不飽和脂肪酸皂較飽和脂肪酸皂易溶于水[4]，熔點高的有機物較熔點低有機物在極性溶劑中的溶解度低[5]。正十六酸鈉熔點為270 ℃，油酸鈉熔點為232 ℃，所以，采用無水乙醇作油酸鈉的純化溶劑。純化后油酸鈉中正十六酸鈉含量降為3.87%，油酸鈉的含量提升到95.30%(詳見第60頁表2)。

一般pH電極的讀數誤差為±0.01，由95.30%的油酸鈉代替100%含量的油酸鈉在pH計上造成的誤差已經與pH計的讀數誤差相同，故含量95.30%的油酸鈉已達到純化的目的。

2.2 油酸Ka值的測定結果

第60頁圖2為鹽酸溶液滴定油酸鈉溶液的電位與pH關系圖，滴定體系在滴定液滴入2.00 mL時變渾濁，此時，溶液中油酸的濃度為3.99×10-4mol/L(0.010 38×2/52,0.010 38為鹽酸標準溶液濃度)，可知此時油酸的溶解度約為0.012 g，這與文獻[2]所述相符。電位突躍點為6.36 mL處，相應的一半體積處為3.18 mL，對應的pH值為8.79。此時，依據公式(7)pH=pKa，即，油酸的pKa=8.79，Ka=1.62×10-9(20 ℃)。

圖1 油酸鈉純化前(a)和純化后(b)有機羧酸的GCMS總離子流圖

表2 油酸鈉中有機羧酸純化前、后的組成(面積歸一法)

圖2 油酸鈉的鹽酸電位滴定曲線與溶液pH關系圖

2.3 油酸鈉溶液的pH值測定結果

溶液的pH值實際是溶液中氫離子活度的負對數值，溶液濃度高時，濃度與活度的差值較大，需要由活度系數修正濃度值來得到活度值。考慮活度系數后，0.200%油酸鈉溶液的pH值由Ka值算出的理論值為10.26，這與實測值10.22基本吻合；0.040%油酸鈉溶液的pH值由Ka值算出的理論值為9.95，實際溶液的pH值為9.97，也基本吻合。這些均較好地證明了油酸Ka值的準確性。相關數據見表3。

表3 油酸鈉溶液的推導pH值與實測值

3 結論

1) 無水乙醇是純化油酸鈉的有效溶劑，可將油酸鈉純化到95%以上。

2) 鹽酸滴定油酸鈉的水溶液體系中溶液的pH值與油酸Ka值的關系符合公式 。

3) 通過電位滴定法測得的油酸Ka值為1.62×10-9(20 ℃)。