Bài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩm

Bài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩmBài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩmBài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩmBài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩmBài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩmBài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩmBài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩmBài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩmBài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩmBài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩmBài tập tiểu luận phân tích hóa lý thực phẩm 1 đề tài các phương pháp phân tích điện thế ứng dụng trong thực phẩm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI TẬP TIỂU LUẬN PHÂN TÍCH HÓA LÝ THỰC PHẨM 1

ĐỀ TÀI: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN THẾ ỨNG DỤNG TRONG

THỰC PHẨM

SVTH: Nhóm 3

1 Đỗ Đức Thiện MSSV: 2005218066

2 Dương Lập Hùng MSSV: 2005217932

3 Diệp Thái Phi Sơn MSSV: 2005211205

4 Trương Quốc Khánh MSSV: 2035210405

GVHD: Nguyễn Thanh Nam

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 03 NĂM 2023

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, ngành công nghiệp thực phẩm ở nước ta cũng như trên thế giới đang phát triển rất mạnh mẽ, vì thế đã tạo ra vô số hàng hóa với nhiều mức chất lượng khác nhau Tất cả các sản phẩm phải đáp ứng các yêu cầu về chất lượng đã được quy định sẵn, tuy nhiên trong xã hội vẫn tồn tại nhiều sản phẩm kém chất lượng Để đánh giá đúng chất lượng của các sản phẩm thực phẩm, chúng ta cần tiến hành phân tích, kiểm tra chất lượng của chúng Việc kiểm tra chính xác chất lượng sản phẩm sẽ giúp chúng

ta có những nhận định đúng về loại thực phẩm đang sử dụng, đồng thời cũng giúp các nhà sản xuất kiểm soát được chất lượng sản phẩm của mình, tìm hiểu được nguyên nhân, quy trình sản xuất, khắc phục được những sai sót trong quá trình sản xuất, Hơn nữa quá trình này còn giúp nhà nước quản lý được các hàng hóa đang lưu hành trên thị trường, đảm bảo vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm và giúp người tiêu dùng yên tâm sử dụng sản phẩm có chất lượng tốt

Trong thời đại ngày nay, sự áp dụng rộng rãi vào thực tiễn những nhà máy, những phòng thí nghiệm nghiên cứu khoa học các phương pháp phân tích công cụ khác nhau, hệ kiểm tra tự động bằng phân tích hóa học dựa trên sự sử dụng các thiết

bị, máy móc vật lý, hóa lý tinh vi, chính xác có các máy tính điện tử là nét đặc trưng cho sự phát triển của hóa học phân tích Sự phát triển đó phụ thuộc vào nhiều lĩnh vực khác nhau của sản xuất và các môn khoa học lân cận như phân tích hóa lý thực phẩm, vật lý thực nghiệm và hóa lý Phương pháp phân tích điện thế nằm trong nhóm các phương pháp phân tích công cụ hiện đại đáp ứng nhu cầu của khoa học kĩ thuật và đời sống hiện đại, cho phép xác định một cách tự động hoặc bán tự động những lượng cực nhỏ các chất vô cơ

Đề tài được chia làm hai phần dừng lại ở việc cung cấp lịch sử hình thành, nguyên tắc phương pháp, những định luật, điều kiện ảnh hưởng, sơ đồ các phương pháp định lượng, một số ứng dụng Với mong muốn đóng góp một phần nhỏ trong việc tìm hiểu và làm rõ các vấn của phương pháp phân tích điện thế

Chương 1 Tổng quan về phương pháp phân tích điện thế

Chương 2 Các ứng dụng của phương pháp phân tích điện thế

Để hoàn thành tốt bài tiểu luận không thể không kể đến sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Thanh Nam Nhóm chúng em xin gửi tới thầy lời cảm ơn sâu sắc và chân thành Do thời gian có hạn nên tiểu luận chắc chắn có những điểm sai sót không tránh khỏi Nhóm chúng em rất mong nhận được sự góp ý của thầy, cũng như ý kiến đóng góp của các bạn để bài trở nên hoàn thiện hơn Và đây cũng là cơ hội để chúng em mở rộng kiến thức và tầm hiểu biết của mình Xin chân thành cảm ơn!

BẢNG ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ HOÀN THÀNH CỦA CÁC THÀNH VIÊN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TPHCM, ngày tháng năm 2022

Ký và ghi rõ họ tên

Mục lục

Chương 1 Tổng quan về phương pháp phân tích điện thế 7

1.1 Vài nét về lịch sử phương pháp phân tích điện thế 7

Chương 2 Các ứng dụng của phương pháp phân tích điện thế 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN THẾ 1.1 Vài nét về lịch sử phương pháp phân tích điện thế

Phương pháp phân tích điện thế nằm trong nhóm các phương pháp vật lý và hóa lý thưởng được gọi là các phương pháp phân tích công cụ hiện đại ra đời từ vài chục năm gần đây nhằm đáp ứng những nhu cầu càng cao của khoa học kĩ thuật và đời sống hiện đại Sự ra đời và phát triển của phương pháp này là sự kết hợp những thành tựu của khoa học phân tích, những thành tựu của hóa học với những thành tựu của vật

lý học hiện đại, kĩ nghệ tin học, điện tử, tự động hóa Các phương pháp này có đặc điểm nổi bật như cho phép xác định một cách tự động hoặc bán tự động những lượng cực nhỏ các chất vô cơ

Phương pháp ra đời vào cuối thế kỉ 19 sau khi Nernst đưa ra phương trình Nernst mô tả mối liên hệ giữa thể điện cực với hoạt độ các cấu tử (hay nồng độ các cấu tử) của hệ oxi hóa khử thuận nghịch

1.2 Nguyên tắc phương pháp

Nếu tiến hành thí nghiệm với dụng cụ thích hợp để kiểm soát được sự di chuyển của các điện tử trong phản ứng oxy hóa khử tạo thành dòng các electron có nghĩa là chúng ta đã tạo được dòng điện hóa từ phản ứng hóa học

Phương pháp đo diện thế là phương pháp xác định nồng độ các ion dựa vào sự thay đổi thế điện cực khi nhúng vào dung dịch phân tích theo phương trình Nernst mô

tả mối liên hệ giữa thế điện cực với hoạt độ các cấu tử (hay nồng độ các cấu tử) của hệ oxi hóa khi thuận nghịch

E0: điện thế oxy hóa khử tiêu chuẩn của cặp Ox - Kh (V)

R: hằng số khí lý tưởng ( 8,314 J0K-1mol-1 )

T: nhiệt độ tuyết đối (K)

F: số Faraday ( 96485 Coulomb )

N: số electron tham gia trong cặp Ox - Kh

(aox), (akh): hoạt độ dạng oxy hóa và dạng khử

fox, fkh: hệ số hoạt động dạng oxy hóa và dạng khử

[ox], [kh]: nồng độ cân bằngd dạng oxy hóa và dạng khử (mol/l)

Thay giá trị các hằng số R, F, nhiệt độ 25°C (T = 298,15°K), đổi logarit neper

thành logarit thập phân (lna = 2,303 lga) và chấp nhận hệ số hoạt độ fox =fkh =1, ta có phương trình Nerst ở dạng cân bằng:

E=E0 + 0,0592

n lg[ox] [kh] Với điện cực là thanh kim loại M (ví dụ Ag, Cu, Cd, Pb, Zn, ) nhúng vào dung dịch muối của nó:

E=E0 + 0,0592n lg¿¿

Với dung dịch chứa hai dạng ion có mức độ oxy hóa khác nhau của cùng một kim loại M, ví dụ Mm+ và Mn+ (m > n), phương trình Nernst có dạng:

E=E0+ 0,0592m−n lg¿¿¿¿

Các phương trình trên là cơ sở cho các phương pháp phân tích đo điện thế Có hai cách ứng dụng các phương trình này trong hóa phân tích:

- Cách thứ nhất là đo diện thế các cực nhúng vào dung dịch nghiên cứu Thế điện cực này phải thay đổi phụ thuộc vào thành phần của chất phân tích trong dung dịch Từ diện thế do dược, người ta sẽ tinh nồng độ chất nghiên cứu theo các phương trình thích hợp đã đưa ra ở trên

- Cách thứ hai là phương pháp chuẩn độ điện thế Nội dung của phương pháp là nhúng một diện cụ có thể diện cực thay dổi theo theo thành phần dung dịch nghiên cứu rồi tiến hành điện phân chất nghiên cứu trong dung dịch bằng một dung dịch chuẩn nào đó Trong quá trình định phân nông độ ion nghiên cứu sẽ thay đổi, đưa đến sự thay đổi diện thế dung dịch theo một trong các phương trình trên Lúc đầu sự thay đổi điện thể không lớn, chỉ lại gần điểm tương đương, điện thế đo dược E mới thay đổi đột ngột Sự thay đổi của E trong quá trình định phân được biểu diễn ở dạng đồ thị E-V gọi là phương trình định phân theo phương pháp do điện thế

Như vậy nguyên tắc của phương pháp là đo thế cân bằng của cực nghiên cứu

để xác định nồng độ cân bằng của chất phân tích hoặc theo dõi sự biến thiên nồng độ

của nó tham gia vào phản ứng hóa học Trong điện hóa học ta không thể xác định được thể cân bằng của một cực riêng biệt mà chỉ xác định được thế của nó so với một cực dùng làm cực chuẩn Trong phân tích điện hóa cực chuẩn được gọi là cực so sánh Cực cần đo thế cân bằng gọi là cục đo hoặc là cực chỉ thị Chú ý rằng khó có ranh giới chính xác giữa điện cực so sánh và diện cực chỉ thị Một điện cực chỉ thị cũng có thể

là một điện cực so sánh tùy theo từng trường hợp sử dụng

1.3 Vài nét về điện cực

Điện cực là hệ thống nối tiếp nhau của các tưóng dẫn điện trong đó tướng đầu tiên và tướng cuối cùng, một là kim loại, một là dung dịch chất điện li Cực đơn giản

là hệ gồm một bản kim loại nhúng vào dung dịch muối của nó:

Me ↔ Men+ + ne Hoặc một đoạn dây kim loại quý nhúng vào dung dịch chứa hệ Oxi hóa khử liên hợp:

Pt | Ox | Kh ||

Trong đó:

Ranh giới giữa hai pha được ký hiệu bằng: | Cầu muối (nối hai bán pin tránh phản ứng trực tiếp giữa các chất tham gia phan ứng) được ký hiệu bằng: ||

Ở tất cả các loại điện cực trên ranh giới tiếp xúc giữa kim loại và dung dịch chất điện li luôn xuất hiện một điện thế được gọi là thế điện cực cân bàng hoặc thế cân bằng

Sự xuất hiện thế cân bằng là do hình thành một cân bằng trao đổi e giữa dạng oxi hóa và dạng khử trên ranh giới tiếp giáp giữa kim loại và dung dịch chất điện li trong hệ cực cân bằng đó dẫn đến hình thành lớp điện kép Ta có thể hình dung lớp diện kép đó như một tụ điện, một bản của nó là bề mặt kim loại tích diện còn bản kia

là lớp dung dịch chất điện li tiếp xúc với nó tích điện trái dấu

Hình ảnh lớp điện kép trên ranh giới giữa điện cực kẽm, điện cực đồng trong dung dịch chứa ion của nó và đường biểu diễn sự phân bố thế cân bảng lớp điện kép đó

Trong thí dụ lớp điện kép hình thành khi tốc độ hai quá trình oxi hóa và quá trình khử bằng nhau, tức là cân bằng sau dây được thiết lập:

Zn + nH2O ↔ Zn(H2O)n2+ +2e Tùy thuộc bản chất của kim loại trong hệ cực mà bề mặt của nó tích điện dương hay âm Với các kim loại có tính khử mạnh như Zn, Al thì bề mặt của nó tích điện âm, với các kim loại kém hoạt động như Cu, Ag thì bề mặt của nó tích diện dương

Thế cân bằng của điện cực phụ thuộc vào bản chất kim loại của hệ cực và nồng độ các chất tham gia phản ứng điện cực

Ở đây cần nhấn mạnh rằng khi cân bằng trao đổi e trên ranh giới tiếp xúc giữa dung dịch chất điện li và kim loại của một điện cực nào đó đã thiết lập thì trong hệ cực

đó không có sự biến đổi vĩ mô nào cả vì tốc độ của hai quá trình oxi hóa và khử bằng nhau Ngoài ra, khi đó bề mặt kim loại có một mật độ e nào đó Do đó nếu nối cực đã cho với một cực khác thì e chuyển từ cực có thế cân bằng âm hơn, tức là có mật độ cao hơn sang cực có thể cân bằng dương hơn và thế cân bằng của hai điện cực bị phá hủy, nồng độ các chất tham gia cân bằng cũng thay đổi Ta nói điện cực đó bị phân

Hình ảnh lớp điện kép trên

ranh giới giữa cực kim loại

kẽm và dung dịch kẽm sulfat

Hình ảnh lớp điện kép trên ranh giới giữa cực kim loại đồng và dung dịch đồng sulfat

cực vì trên chúng xảy ra các quá trình điện cực.

Không đo được giá trị tuyệt đối của thế cân bằng một điện cực, ta chỉ do được giá trị thể cân bằng của một cực so với cực khác dùng làm chuẩn

Trong điện hóa học người ta quy ước điện cực hidro là điện cực chuẩn Đó là một hệ gồm một cực platin trên bề mặt phủ một lớp muội platin tinh khiết nhúng vào dung dịch axit có hoạt độ ion H+ bằng 1 và bão hòa khi hidro có áp suất riêng phần bằng 1 atm Thế của diện cực hidro tiêu chuẩn được tính bằng 0 Vì vậy khi ghép một cực nghiên cứu với cực hidro tiêu chuẩn hoặc một cực khác làm cực so sánh để đo thế cân bằng của điện cực cần nghiên cứu thì phải đo trong điều kiện như thế nào để trong

hệ không có dòng diện, tức là trên cực không xảy ra quá trình điện cực nào cả

1.4 Thế điện cực

Khái niệm điện cực được định nghĩa là một hệ thống bao gồm một kim loại hoặc một vật dẫn loại 1 (kim loại, bargraphit) nằm tiếp xúc với vật dẫn loại 2 (dung dịch của chất điện phân nóng chảy hoặc chất điện phân) Ta coi điện cực kim loại M nhúng vào dung dịch chứa cationMn + của kim loại đó là:

M / Mn + Trên bề mặt điện cực xuất hiện lớp điện kép do sự chuyển của cation Mn + từ bề mặt kim loại vào dung dịch và ngược lại từ dung dịch vào bề mặt điện cực và xuất hiện trên bề mặt điện cực Do đó, sự xuất hiện trên bề mặt ranh giới điện cực / dung dịch là tự phát và giá trị này được coi là tuyệt đối Không thể xác định được thế điện cực tuyệt đối này, nhưng chỉ có thể đo điện thế tương đối của nó khi so sánh với điện cực được sử dụng làm điện cực

so sánh

Thế của một điện cực không thể đo được khi chỉ có một điện cực nhúng vào dung dịch Phương pháp đo điện thế tức là đo sức điện động của một pin Galvanic hay đo sự chệnh lệch thế của hai điện cực được nối với nhau thành một mạch kín

Điện cực chỉ thị là điện cực cần xác định thế điện cực, thế của nó phụ thuộc vào nồng độ chất phân tích Điện cực so sánh là điện cực có giá trị thế xác định và không thay đổi trong quá trình phân tích Dùng điện cực này để so

sánh, theo dõi sự chênh thế của điện cực chỉ thị trong quá trình đo điện thế.

Trong đó:

Ex: sức điện động của pin cần đo

Ess: điện thế điện cực so sánh

Ect: điện thế chỉ thị Thiết bị đo điện thế gọi là điện thế kế Các điện thế kế này có thể đo sức điện động với độ chính xác đến 0,1 mV Ngày nay, sử dụng các điện thế kế điện tử để đo sức điện động cho kết quà chính xác và phép đo được tiến hành thuận tiện hơn nhiều Một số yếu tố ảnh hưởng đến thế:

- Nồng độ acid – pH môi trường, khi pH tăng thế tiêu chuẩn giảm khả năng oxy hóa của chất tham gia bị thay đổi

- Phản ứng kết tủa

- Phản ứng tạo phức

1.5 Các loại điện cực

1.5.1 Điện cực chỉ thị

Là điện cực có thế phụ thuộc vào nồng độ chất cần khảo sát trong dung dịch

mà điện cực này nhúng vào

Yêu cầu của điện cực chỉ thị: Thế điện cực phải thiết lập đủ nhanh và lặp lại khi thay đổi nồng độ cần phân tích Đối với điện cực chỉ thị là điện cực kim loại thì phản ứng điện cực phải thuận nghịch Điện cực phải có độ bền hóa học cao để không tác dụng với cấu tử khác trong dung dịch nghiên cứu

Trong phương pháp đo diện thế, điện cực chỉ thị thường được dùng là điện cực màng chọn lọc ion và điện cực chỉ thị kim loại

- Điện cực kim loại loại 1 (chỉ thị cation) là loại điện cực chế tạo từ bản hoặc dây kim loại, nhúng vào dung dịch muối tan của kim loại đó M/Mn+. Ứng dụng đo lường KL/DD (nước sinh hoạt, nước giải khát, thực phẩm…) Ví dụ:

Ag/AgNO3; Cd/Cd(NO3) Tuy nhiên chỉ các điện cực kim loại chế tạo từ Ag,

Hg, Cd,… tạo được điện cực loại 1 vì điện cự này đáp ứng yêu cầu thuận nghịch và cho kết quả lặp lại Với một số kim loại người ta dùng hỗn hợp - cho

kết quả lặp lại tốt hơn Điện cực loại 1 dùng để xác định nồng độ kim loại trong dung dịch theo công thức

- Điện cực kim loại loại 2 được chế tạo từ các bản hoặc dây kim loại có phủ bên ngoài một lớp muối ít tan của kim loại đó, được nhúng vào dung dịch muối chứa anion cùng loại với muối ít tan Các điện cực calomel, điện cực Ag/AgCl

là điện cực kim loại loại 2 Điện cực kim loại loại 2 thường được dùng làm điện cực so sánh nếu cố định nồng độ Cl-

Phương trình Nerst cho cân bằng trên:

- Điện cực màng là một bán pin điện hóa Trong điện cực này, hiệu số điện thế trên mặt ngăn cách của các pha của vật liệu chế tạo điện cực - chất điện ly phụ thuộc nồng độ ( chính xác hơn là hoạt độ ) các ion xác định trong dung dịch Vật liệu chế tạo là màng rắn hoặc là màng chất lỏng có chứa các ion xác định Khi vật liệu màng tiếp xúc với dung dịch nước, các ion có thể chuyển vào dung dịch hoặc các ion cần xác định có thể chuyển từ dung dịch nước vào màng Do

đó, trên bề mặt của màng có điện tích trái dấu với điện tích các ion có trong dung dịch và trên mặt ngăn cách các pha sẽ xuất hiện một hiệu điện thế mà giá trị của hiệu điện thế phụ thuộc hoạt độ các ion trong dung dịch Như vậy, điện

cực màng làm việc không phải do phản ứng điện hóa vận chuyển ion mà là do hiệu số điện thế xuất hiện trên bề mặt ngăn cách các pha và sự trao đổi cân bằng dung dịch nghiên cứu với dung dịch phụ ở bên trong màng

- Một số điện cực màng thường gặp trong thực tế phân tích:

 Điện cực thủy tinh

Điện cực thủy tinh thường có dạng một bình cầu nhỏ có thành mỏng Trong bình cầu chứa dung dịch HCl (hoặc 1 dung dịch đệm nào đó) Bên trong bình cầu có đặt điện cực so sánh Ag - AgCl Toàn bộ được đặt trong ống bảo vệ

Màng thủy tinh có khoảng 22% Na2O, 6% CaO và 72% SiO2 Thành phần của màng thủy tinh quyết định tính trao đội chọn lọc ion H+ cho đến pH~9 Ở pH > 9, nó đáp ứng với cả ion Na+ và một số ion điện tích +1 Hiện nay, người ta dùng công thức chế tạo màng khác, thay Na và Ca bằng Li và Ba để tạo điện cực thủy tinh có tính chọn lọc cao hơn

Khi hai mặt của màng thủy tinh được hydrate hóa sẽ xuất hiện quá trình trao đổi chọn lọc giữa các cation +1 trên màng thủy tinh và ion H+ có trong dung dịch Gl- là các vị trí màng điện tích âm ở trên bề mặt thủy tinh

Màng thủy tinh dẫn điện là nhờ sự di chuyển của các ion Na+ trong màng thủy tinh và ion H+ ở lớp hydrate hóa trên bề mặt của màng Bề dày của màng thủy tinh