3 LỜI NÓI ĐẦU Hóa học phân tích là môn khoa học nghiên cứu các phương pháp xác định thành phần hóa học của các chất và cấu trúc hóa học của nó (phân tích cấu trúc) Xác định thành phần hóa học của các[.]
Trang 1LỜI NÓI ĐẦU
Hóa học phân tích là môn khoa học nghiên cứu các phương pháp
xác định thành phần hóa học của các chất và cấu trúc hóa học của nó
(phân tích cấu trúc) Xác định thành phần hóa học của các chất thường
trải qua hai giai đoạn: phân tích định tính và phân tích định lượng Phân
tích định tính (PTĐT) nhằm xác định sự hiện diện của các cấu tử (ion,
nguyên tố, hay nhóm nguyên tố) trong mẫu phân tích và đồng thời đánh giá được sơ bộ hàm lượng của chúng: đa lượng, vi lượng hay ở dạng vết,… Phân tích định lượng (PTĐL) dùng để xác định quan hệ định lượng giữa các thành phần của chất nghiên cứu, tức là phép phân tích nhằm xác định chính xác thành phần định lượng của các cấu tử có trong mẫu phân tích và PTĐL đóng vai trò chủ yếu trong Hóa phân tích Phương pháp PTĐL dựa trên phép đo các đặc tính hóa học, vật lý hoặc hóa lý của các chất hay của các phản ứng hóa học Các phương pháp PTĐL bao gồm phương pháp hóa học, phương pháp vật lý, phương pháp hóa lý
Cuốn sách Hóa phân tích được biên soạn với mục đích làm giáo
trình giảng dạy cho các sinh viên chuyên hóa, học môn học Hóa phân
tích thuộc ngành Công nghệ Hóa học Nội dung của giáo trình Hóa phân
tích gồm 10 chương Các chương 1, 2, 3 trình bày về các vấn đề cơ bản
của hóa phân tích, cho người đọc có một cách nhìn tổng quan về ngành hóa phân tích, trình bày cụ thể các loại nồng độ sử dụng trong các môn học liên quan đến hóa học và tính toán về nồng độ dung dịch, các loại sai
số của dữ liệu thực nghiệm, xử lý thống kê dữ liệu thực nghiệm và trình bày kết quả phân tích Chương 4 trình bày cách tính toán nồng độ cân bằng các cấu tử trong dung dịch và xác định pH của dung dịch acid-base Các chương 5 đến 10 trình bày các phương pháp định lượng hóa học như phương pháp phân tích trọng lượng, các phương pháp phân tích thể tích bao gồm phương pháp chuẩn độ acid-base, tạo phức, kết tủa và oxy hóa khử Cuối mỗi chương có phần bài tập và lời giải một số bài tập điển hình Phần lớn bài tập ở mức độ trung bình để giúp sinh viên làm sáng tỏ
lý thuyết, suy luận và kết nối kiến thức
Trong quá trình biên soạn, tác giả đã có nhiều cố gắng, tuy vậy vẫn khó tránh khỏi những thiếu sót hoặc chưa phù hợp Tác giả rất mong nhận được những chỉ dẫn, đóng góp của đồng nghiệp và bạn đọc để cuốn sách ngày càng có chất lượng tốt hơn
TS Hồ Thị Yêu Ly
Trang 3MỤC LỤC
CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA PHÂN TÍCH 13
1.1 ĐỐI TƯỢNG, NHIỆM VỤ CỦA PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG 13
1.2 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG 14
1.2.1 Phân loại theo bản chất của phương pháp 14
1.2.2 Phân loại theo lượng mẫu phân tích hay kỹ thuật phân tích 15
1.3 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN CỦA MỘT QUY TRÌNH PHÂN TÍCH 16
1.3.1 Xác định đối tượng - Mẫu thử 16
1.3.2 Lựa chọn phương pháp 16
1.3.3 Lấy mẫu thử và bảo quản mẫu 16
1.3.4 Xử lý mẫu thử - Tiến hành đo các chất phân tích 17
1.3.5 Tính toán – xử lý kết quả phân tích 17
1.4 HÓA PHÂN TÍCH LIÊN QUAN TỚI CÁC NGÀNH KHOA HỌC KHÁC 18
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 19
CHƯƠNG II NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH 20
2.1 ĐỊNH NGHĨA DUNG DỊCH 20
2.2 CÁC CÁCH BIỂU DIỄN NỒNG ĐỘ 20
2.2.1 Nồng độ mol 21
2.2.2 Nồng độ phần trăm khối lượng 22
2.2.3 Nồng độ phần thể tích 23
2.2.4 Nồng độ đương lượng 23
2.2.5 Độ chuẩn (titre) 28
2.3 TÍNH TOÁN VỀ NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH 30
2.3.1 Bài toán về pha dung dịch 30
2.3.2 Bài toán về chuyển đổi nồng độ 31
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 34
Trang 4CHƯƠNG III XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM TRONG
PHÂN TÍCH 36
3.1 CHỮ SỐ CÓ NGHĨA VÀ LÀM TRÒN SỐ 37
3.1.1 Chữ số có nghĩa trong số đo trực tiếp 37
3.1.2 Chữ số có nghĩa trong số đo gián tiếp 39
3.1.3 Cách làm tròn số 41
3.2 MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA 41
3.2.1 Trung bình và trung vị 41
3.2.2 Độ chính xác 43
3.2.3 Sai số tuyệt đối 44
3.2.4 Sai số tương đối 44
3.3 CÁC LOẠI SAI SỐ TRONG PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG 45
3.3.1 Sai số hệ thống 45
3.3.2 Sai số ngẫu nhiên 47
3.3.3 Sai số thô 48
3.4 ĐỊNH LUẬT PHÂN BỐ GAUSSIAN 48
3.4.1 Hàm phân bố Gaussian 458
3.4.2 Diện tích của đường Gaussian - xác suất tin cậy p 51
3.5 CÁC ĐẠI LƯỢNG THỐNG KÊ ĐẶC TRƯNG CHO ĐỘ PHÂN TÁN 52
3.6 ƯỚC LƯỢNG σ KHI PHÂN TÍCH ĐẠI TRÀ 54
3.7 QUY LUẬT LAN TRUYỀN SAI SỐ NGẪU NHIÊN 57
3.8 XỬ LÝ THỐNG KÊ CÁC DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM 60
3.8.1 Loại bỏ dữ liệu ngoại lai 631
3.8.2 Giới hạn tin cậy 63
3.8.3 Xác định sai số hệ thống của phương pháp 65
3.8.4 So sánh độ chính xác của hai kết quả thực nghiệm - Chuẩn F 67
3.8.5 So sánh hai giá trị trung bình 68
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 72
Trang 5CHƯƠNG IV CÂN BẰNG HÓA HỌC 76
4.1 BIỂU THỨC HẰNG SỐ CÂN BẰNG 76
4.2 HOẠT ĐỘ VÀ HỆ SỐ HOẠT ĐỘ 77
4.3 CÂN BẰNG ACID – BASE TRONG NƯỚC 80
4.3.1 Khái niệm acid – base 80
4.3.2 Sự phân ly của H2O 81
4.3.3 Hằng số cân bằng của cặp acid – base liên hợp 83
4.3.4 Các bước tiến hành giải bài toán cân bằng ion 84
4.3.5 Điều kiện proton 88
4.3.6 Cân bằng trong các dung dịch đơn acid và đơn base 90
4.3.7 Cân bằng trong dung dịch có cặp acid – base liên hợp 95
4.3.8 Cân bằng của dung dịch hai acid (hoặc hai base) 99
4.3.9 Cân bằng trong các dung dịch đa acid 104
4.3.10 Cân bằng trong các dung dịch đa base 107
4.3.11 Cân bằng trong các dung dịch muối acid 108
4.3.12 Dung dịch đệm 111
4.4 CÂN BẰNG TẠO PHỨC CHẤT 119
4.4.1 Định nghĩa 119
4.4.2 Hằng số cân bằng tạo phức 120
4.4.3 Phần số mol cho acid – base đa chức 122
4.4.4 Phần số mol của phức thứ i: αi 123
4.4.5 Hằng số cân bằng biểu kiến 125
4.4.6 Phức chất của kim loại với EDTA 127
4.5 CÂN BẰNG OXY HÓA KHỬ 138
4.5.1 Khái niệm phản ứng oxy hóa khử - Cặp oxy hóa khử 138
4.5.2 Thế oxy hóa – khử 139
4.5.3 Đo thế oxy hóa – khử 142
4.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng – Thế biểu kiến 143
4.5.5 Hằng số cân bằng phản ứng oxy hóa khử 149
4.5.6 Đặc điểm của phản ứng oxy hóa khử 151
Trang 64.6 CÂN BẰNG HÒA TAN KẾT TỦA 152
4.6.1 Quy tắc tích số tan 152
4.6.2 Tính độ tan từ tích số tan 153
4.6.3 Sự kết tủa hoàn toàn 154
4.6.4 Sự hình thành kết tủa 157
4.6.5 Keo và pepty hóa 159
4.6.6 Sự nhiễm bẩn kết tủa 160
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 164
CHƯƠNG V PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG 170
5.1 NỘI DUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG 170
5.2 PHÂN LOẠI - NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP 171
5.2.1 Phương pháp tách 171
5.2.2 Phương pháp chưng cất 171
5.2.3 Phương pháp kết tủa 172
5.3 CÁC THAO TÁC CƠ BẢN ĐỂ TIẾN HÀNH PHÂN TÍCH THEO PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA 173
5.3.1 Hòa tan mẫu phân tích 173
5.3.2 Kết tủa 174
5.3.3 Lọc kết tủa 177
5.3.4 Rửa kết tủa 178
5.3.5 Sấy và nung kết tủa 180
5.3.6 Cân 180
5.4 CÁC PHÉP TÍNH TOÁN TRONG PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG 181
5.5 PHẠM VI SỬ DỤNG 183
5.6 ỨNG DỤNG 183
5.6.1 Định độ ẩm, nước kết tinh, chất dễ bay hơi và độ tro 183
5.6.2 Định lượng bằng cách tạo kết tủa 184
5.7 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG 185
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 187
Trang 7CHƯƠNG VI PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỂ TÍCH 189
6.1 NGUYÊN TẮC VÀ MỘT SỐ KHÁI NIỆM 189
6.1.1 Nguyên tắc 189
6.1.2 Các khái niệm 190
6.1.3 Yêu cầu của phản ứng hóa học dùng trong chuẩn độ 193
6.2 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỂ TÍCH 194
6.2.1 Phương pháp acid base 194
6.2.2 Phương pháp oxy hóa khử 194
6.2.3 Phương pháp chuẩn độ tạo phức 194
6.2.4 Phương pháp chuẩn độ kết tủa 195
6.3 KỸ THUẬT CHUẨN ĐỘ 195
6.3.1 Kỹ thuật chuẩn độ trực tiếp 195
6.3.2 Kỹ thuật chuẩn độ ngược hay chuẩn độ thừa trừ 195
6.3.3 Kỹ thuật chuẩn độ thế 197
6.4 CÁCH TÍNH KẾT QUẢ TRONG PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ 197
6.4.1 Quy tắc chung 197
6.4.2 Tính kết quả theo nồng độ đương lượng thuốc thử 197
6.4.3 Hệ số hiệu chỉnh 199
6.5 CÁCH PHA CHẾ DUNG DỊCH CHUẨN 200
6.5.1 Pha chế dung dịch gốc 200
6.5.3 Dung dịch chuẩn 201
6.5.4 Pha loãng dung dịch chuẩn 201
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 202
CHƯƠNG VII PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ ACID - BASE 204
7.1 BẢN CHẤT, NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP TRUNG HÒA 204
7.2 CHỈ THỊ TRONG PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ ACID BASE 205
7.2.1 Khái niệm 205
Trang 87.2.2 Lý thuyết về sự đổi màu của chỉ thị 205
7.2.3 Khoảng pH chuyển màu của chỉ thị acid – base 208
7.2.4 Chỉ số chuẩn độ pT của chất chỉ thị 209
7.2.5 Nguyên tắc chọn chỉ thị 211
7.3 CÁCH XÁC ĐỊNH ĐIỂM TƯƠNG ĐƯƠNG 212
7.4 NGUYÊN TẮC XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN ĐỘ ACID- BASE 212
7.5 CÁC TRƯỜNG HỢP CHUẨN ĐỘ 213
7.5.1 Chuẩn độ dung dịch acid mạnh bằng base mạnh hay ngược lại 213
7.5.2 Sai số chuẩn độ 218
7.5.3 Định phân acid yếu bằng base mạnh hay ngược lại 219
7.5.4 Định phân base yếu bằng acid mạnh hay ngược lại 224
7.5.5 Định lượng một acid yếu bằng một base yếu hay ngược lại 227
7.5.6 Điều kiện định phân riêng biệt một acid (hay base) trong hỗn hợp hai acid (hay base) 227
7.5.7 Định phân một đa acid 228
7.5.8 Định lượng một đa base 231
7.5.9 Chuẩn độ hỗn hợp các đơn acid và đơn base 234
7.6 ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ ACID BASE 234
7.6.1 Điều chế dung dịch tiêu chuẩn các acid base 235
7.6.2 Xác định một số nguyên tố 236
7.6.3 Định lượng các hợp chất vô cơ 237
7.6.4 Định lượng các nhóm chức hữu cơ 238
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 240
CHƯƠNG VIII PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ TẠO PHỨC 246
8.1 ĐƯỜNG BIỂU DIỄN CHUẨN ĐỘ BẰNG EDTA 246
8.1.1 Trường hợp không ảnh hưởng quá trình tạo phức phụ 246
8.1.2 Đường cong chuẩn độ trong sự ảnh hưởng của ammonia 249
Trang 98.1.3 Chất chỉ thị cho chuẩn độ EDTA 252
8.2 CÁC KỸ THUẬT CHUẨN ĐỘ BẰNG DUNG DỊCH EDTA 255
8.2.1 Phương pháp chuẩn độ trực tiếp 255
8.2.2 Chuẩn độ ngược (thừa trừ) 255
8.2.3 Chuẩn độ thế 256
8.2.4 Chuẩn độ gián tiếp 256
8.3 CÁC CÁCH CHUẨN ĐỘ KHÁC 256
8.3.1 Chuẩn độ với chỉ thị acid base 256
8.3.2 Chuẩn độ chỉ thị oxy hóa khử 257
8.4 ỨNG DỤNG CỦA CHUẨN ĐỘ COMPLEXON 257
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 259
CHƯƠNG IX PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ KẾT TỦA 261
9.1 BẢN CHẤT CỦA PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ KẾT TỦA 261
9.2 ĐƯỜNG CHUẨN ĐỘ 262
9.2.1 Xây dựng đường cong định phân 263
9.2.2 Nhận xét 265
9.3 CHUẨN ĐỘ HỖN HỢP 266
9.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỂM TƯƠNG ĐƯƠNG 267
9.4.1 Phương pháp Mohr 268
9.4.2 Phương pháp Volhard 270
9.4.3 Phương pháp Fajans (phương pháp dùng chỉ thị hấp phụ) 272
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 275
CHƯƠNG X CHUẨN ĐỘ OXY HÓA – KHỬ 278
10.1 CHUẨN ĐỘ OXY HÓA – KHỬ 278
10.1.1 Nguyên tắc 278
10.1.2 Đường chuẩn độ của phương pháp oxy hóa – khử 279
10.1.3 Chỉ thị sử dụng trong phản ứng oxy hóa – khử 286
10.2 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ OXY HÓA - KHỬ 289
Trang 1010.2.1 Phương pháp pemanganate 290
10.2.2 Phương pháp iod 293
10.2.3 Phương pháp dicromate 295
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 298
ĐÁP SỐ BÀI TẬP 302
PHỤ LỤC 317
TÀI LIỆU THAM KHẢO 338
Trang 11Chương I ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA PHÂN TÍCH
MỤC TIÊU
- Xác định được đối tượng, nhiệm vụ của hóa học phân tích
- Nắm được nguyên tắc của phân tích định lượng
- Giải thích được các bước thực hiện của quá trình phân tích
1.1 ĐỐI TƯỢNG, NHIỆM VỤ CỦA PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG
Phần chủ yếu và quan trọng của hóa phân tích là phân tích định lượng Tuy vậy, trước khi tiến hành phân tích định lượng, nhất thiết phải biết thành phần định tính của đối tượng phân tích Thông thường có thể biết chắc thành phần định tính của chất dựa vào nguồn gốc mẫu phân tích (ví dụ, một loại hợp kim nào đấy, hoặc một loại quặng xác định…), vì vậy có thể tiến hành định lượng trực tiếp Đối với các đối tượng phân tích
lạ thì phải bắt buộc xác định định tính trước khi tiến hành định lượng Mặt khác, cũng cần thấy rằng những kết quả phân tích định tính ở một mức độ nào đó mang màu sắc định lượng và có thể định hướng cho người phân tích đề ra những quy trình định lượng hợp lý Ví dụ, cường
độ màu sắc của chất tạo thành, lượng kết tủa tách ra, cường độ vạch phổ trên kính ảnh,… đều ít nhiều cho ta biết hàm lượng của các cấu tử có trong đối tượng nhiều hay ít hay chỉ là vết Những kết quả phân tích định tính cũng cung cấp những thông báo cần thiết về các nguyên tố phụ có thể có mặt trong chất phân tích, làm cản trở việc định lượng cấu tử chính
và giúp ta chọn quy trình phân tích thích hợp
Phân tích định lượng, thường được phân chia thành phân tích vô cơ
và phân tích hữu cơ Cả hai ngành đều có thể coi là cùng dựa trên cơ sở
lý thuyết như nhau hay gần nhau Tuy vậy, để tiến hành phân tích vô cơ, phải có những chuẩn bị trước hết về kiến thức hóa đại cương, hóa vô cơ
Để tiến hành phân tích hữu cơ, phải có những chuẩn bị trước về kiến thức hóa hữu cơ Những nguyên lý chung về hóa học phân tích được minh họa tốt bằng các ví dụ vô cơ, vì vậy, trong các giáo trình Cơ sở về hóa phân tích định lượng thường lấy ví dụ về hóa vô cơ
PTĐL cho phép xác định:
- Công thức phân tử
- Hàm lượng hay nồng độ của chất cần xác định
Trang 12- Hàm lượng của tất cả hay một vài nguyên tố hoặc ion
- Hàm lượng của tất cả hay một vài cấu tử chủ yếu trong hỗn hợp
- Hàm lượng của cấu tử dạng vết hay vi tạp chất có trong các chất đặc biệt tinh khiết
- Hàm lượng của các gốc, các nhóm chức
- Thành phần từng pha của hệ dị thể…
1.2 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG
Căn cứ vào tính chất của mẫu vật nghiên cứu, vào loại tính chất của phản ứng, các hiện tượng, các dấu hiệu về đặc tính hóa lý và căn cứ vào phương pháp tiến hành, khả năng máy móc và dụng cụ mà người ta phân chia phân tích định lượng thành nhiều loại, trong đó phổ biến nhất là cách phân loại dựa vào bản chất (hay đặc điểm) của phương pháp hoặc dựa vào hàm lượng của cấu tử trong mẫu phân tích
1.2.1 Phân loại theo bản chất của phương pháp
Theo cách phân loại này có thể chia phương pháp phân tích định lượng thành hai nhóm lớn: các phương pháp hóa học, các phương pháp vật lý và hóa lý
Phương pháp hóa học
Dựa chủ yếu trên việc áp dụng các phản ứng hóa học có liên quan đến cấu tử phân tích Chẳng hạn, để xác định hàm lượng cấu tử M có trong chất phân tích, người ta cho nó tác dụng với một thuốc thử R, phản ứng xảy ra hoàn toàn theo quan hệ hợp thức M + nR ⇌ MRn Để xác định
M có thể dùng dư thuốc thử R Sau đó tách sản phẩm tạo thành thường ở dạng kết tủa ít tan Dựa vào kết tủa thu được có thể tính được hàm lượng
M trong chất phân tích Phương pháp này dựa chủ yếu vào lượng cân sản phẩm nên thường được gọi là phương pháp phân tích khối lượng
Để xác định M có thể cho một lượng chính xác thuốc thử R đủ tác dụng vừa hết với M Thông thường người ta đo thể tích của dung dịch thuốc thử R có nồng độ chính xác đã biết và từ đó tính được lượng cấu tử cần xác định M Phương pháp phân tích như vậy gọi là phương pháp
phân tích thể tích
Các phương pháp phân tích khối lượng và thể tích đã có từ lâu và là phương pháp phân tích cơ bản, được dùng đầu tiên trong phương pháp phân tích định lượng Vì vậy, đôi khi người ta gọi các phương pháp này
là các phương pháp kinh điển