CHƯƠNG 3 - NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH, DỤNG CỤ VÀ CHUẨN BỊ HOÁ CHẤT docx

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.7 CHƯƠNG 3 NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH, DỤNG CỤ VÀ CHUẨN BỊ HOÁ CHẤT Trong phân tích, không phải cứ có protocol qui trình phân tích là ta có

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.7

CHƯƠNG 3 NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH, DỤNG CỤ VÀ CHUẨN BỊ HOÁ CHẤT

Trong phân tích, không phải cứ có protocol (qui trình) phân tích là ta có thể tiến hành theo các bước trong qui trình Vì như vậy, hàng loạt các sai số mà ta không thể kiểm soát được cũng như không biết cách khắc phụ Mặc khác, sự hiểu biết cơ bản về nồng độ dung dịch, cách pha dung dịch như thế nào, góp phần làm giảm sai số trong phân tích Sai số trong phân tích sẽ được trình bày trong Chương 9 Trong chương này chúng ta sẽ nói về nồng độ dung dịch, dụng cụ, cách chuẩn bị thuốc thử, pha nồng độ chuẩn trong phòng thí nghiệm trước khi ta có những thắc mắc như “xử lý số liệu phân tích như thế nào?”, “có chắc rằng kết quả phân tích của chúng ta là chính xác?”, “làm sao để thu mẫu đại diện?”, “làm thế nào để chọn lựa một phương pháp đáng tin cậy?”

3.1 ĐƠN VỊ ĐO LƯƠNG CƠ BẢN

Bảng 3.1 Các đơn vị đo lường quốc tế

A= 1 × 10-10 m

Áp suất Pascal Pa 1 Pa = 1 N/ m2 = 1 kg (m s2)

Bảng 3.2 Các tiếp đầu ngữ quan trọng trong đo lường quốc tế

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.8

3.2 ĐƠN VỊ NỒNG ĐỘ

Nồng độ là một đơn vị đo lường lượng chất tan trong lượng dung dịch Mặc dù khái niệm

“chất tan” và “dung dịch” thường được hiểu là lượng chất nào đó trong một dung dịch Nhưng

nó cũng được dùng cho khí và chất rắn

Bảng 3.3 Đơn vị nồng độ thường dùng

3.2.1 Nồng độ M và nồng độ F

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.9

Nồng độ M và nồng độ F thường hiển thị cho số mol của chất tan trong một lít dung dịch Tuy nhiên, 2 loại nồng độ này cũng có điểm khác nhau Nồng độ M là nồng độ của chất tan riêng

lẻ trong dung dịch còn nồng độ F là tổng nồng độ của một hợp chất khi hợp chất đó không phân ly Nếu chất tan này không phân ly thành ion, thì nồng độ M sẽ bằng nồng độ F, ví dụ như glucose chẳng hạn

Ví dụ 3.1:

Hoà tan 0,1 mol NaCl trong 1 lít nước ta thu được dung dịch có nồng độ Na+ là 0,1M, Cl- là 0,1M Lúc này nồng độ của NaCl là 0M, nhưng nồng độ F của NaCl vẫn là là 0,1N (vì tính trên tổng nồng độ của một hợp chất) Nồng độ M thường được sử dụng hơn nồng độ F

3.2.2 Nồng độ đương lượng N

Nồng độ đương lượng thường được sử dụng nhưng vẫn thường bị bỏ qua trong phòng thí nghiệm hiện nay Nồng độ đương lượng hiển thị cho một lượng hoá chất này tác dụng hết với một lượng hoá chất khác Ví dụ như dung dịch H2SO4 thường được pha ở nồng độ M, nồng

độ đương lượng N phụ thuộc vào phản ứng của nó với hợp chất nào

Số đương lượng n dựa trên đơn vị phản ứng của nó cái mà phần của hợp chất tham gia phản

ứng Trong phản ứng kết tủa, số đương lượng n phụ thuộc vào số ion dương hoặc ion âm

tham gia phản ứng

Ví dụ 3.2:

Pb2+ + 2I-  PbI2

Trong trường hợp này n = 2 đối với Pb2+ và n = 1 đối với I-

Đối với phản ứng acid-base, số n đương lượng phụ thuộc vào số ion H+ cho bởi acid và nhận bởi base

Ví dụ 3.3:

H2SO4 + NH3  2NH4+ + SO4

2-Trong trường hợp này n = 2 đối với H2SO4 và n = 1 cho NH3

Đối với phản ứng tạo phức, số n phụ thuộc vào số điện tử liên kết

Ví dụ 3.4:

Ag + 2NH3  Ag(NH3)2

Trong trường hợp này n = 2 cho Ag, và n = 1 cho NH3

Đối với phản ứng oxy hoá – khử, số n phụ thuộc vào số điện tử phóng thích bởi chất khử

hoặc thu nhận bởi chất oxy hoá

Ví dụ 3.5:

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.10

2Fe3+ + Sn2+  Sn4+ + 2Fe2+

Trong trường hợp này n = 1 cho Fe3+, n = 2 cho Sn2+

Như vậy nồng độ đương lượng là số đương lượng trọng lượng (equivalent weights – EW) trên

1 lít nước (giống như nồng độ F) Đương lượng trọng lượng được định nghĩa như là tỉ lệ giữa

hàm lượng hợp chất (formula weight – FW) trên số đương lượng n của nó

n

FW

EW 

Mối liên hệ giữa nồng độ M và N

N = n × M

3.2.3 Trọng lƣợng, thể tích, tỉ lệ trọng lƣợng thể tích

Phần trăm trọng lượng (%w/w), phần trăm thể tích (%v/v), phần trăm trọng lượng thể tích (%w/v) hiển thị nồng độ của một đơn vị chất tan trong 100 mL mẫu

3.2.4 Chuyển đổi giữa các đơn vị nồng độ

Nồng độ trong hoá phân tích thường được hoán chuyển giữa nồng độ M, % trọng lượng, % thể tích, % trọng lượng – thể tích, mg/L, ppm, ppb…

Ví dụ 3.6:

Tìm nồng độ M của dung dịch NH3 28% (w/w) có trọng lượng riêng d = 0,899 g/mL

M L

mL NH

g

NH mol dd

mL

dd g dd

g

gNH

8 , 14 1

1000 04

, 17

1 1

899 , 0 100

28

3

3

Ví dụ 3.7:

Nồng độ Cl- tối đa cho phép trong nước uống là 2,5 × 102 ppm Tính nồng độ M của Cl-?

Số g Cl- trong 1 lít =

mL

mg

1000

10 5 ,

= 250 × 103 g



g

g M

m

C M

453 , 35

10

250 3



3.3 PHẢN ỨNG VÀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC

3.3.1 Phản ứng hoá học

Phản ứng hoá học là phản ứng khi liên kết một hay nhiều nguyên tố thì các liên kết hoá học trong chất tham gia phản ứng thay đổi vào tạo nên chất mới (sản phẩm) Quá trình này thường kèm theo sự thay đổi năng lượng, và tuân theo định luật bảo toàn năng lượng Phản ứng hoá

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.11

học kết thúc khi có sự cân bằng phản ứng hay các chất tham gia phản ứng có sự chuyển đổi hoàn toàn

Dựa vào cơ chế phản ứng mà hiện nay ta tam thời chia theo các loại phản ứng sau:

- Phản ứng kết hợp (synthesis reaction):

A + X  AX

Ví dụ 3.8: CO2 + H2O  H2CO3 (nước)

- Phản ứng phân huỷ (decomposition reaction):

AX  A + X

Ví dụ 3.9: H2SO4  H2O(l) + SO3(k)

- Phản ứng trao đổi (replacement reaction):

Dạng: A + BX  AX + B

Ví dụ 3.10: Na(r) + 2H2O  NaOH (nước) + H2(k)

Dạng: AX + BY  AY + BX

Ví dụ 3.11: HCl(nước) + NaOH(nước)  NaCl(nước) + H2O(l)

- Phản ứng oxy hoá – khử:

Ví dụ 3.12: 6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+  2Cr3+ + Fe3+ + 7H2O

3.3.2 Định luật tương tác khối lượng Dalton:

Định luật: Trong phản ứng hoá học, số đương lượng của các chất tham gia phản ứng phải bằng nhau

Xét phản ứng: A + B  C + D

Theo định luật thì:

B

A B

A Đ

Đ m

m 

Trong đó : m , A m là khối lượng của A, B tham gia phản ứng B

A

Đ , Đ là đương lượng gram của A, B B

Nếu tính theo thể tích thì: CA × VA = CB × VB

Trong đó: VA, VB là thể tích của A, B

CA, CB là nồng độ đương lượng của A, B

3.3.3 Cân bằng hoá học

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.12

Khi khảo sát các phản ứng hoá học ta thấy rằng rất ít phản ứng chỉ xãy ra một chiều, đa số các phản ứng đều xãy ra thuận nghịch Khi tốc độ của phản ứng di chuyển theo chiều thuận và chiều nghịch bằng nhau và nồng độ chất tham gia phản ứng và nồng độ của sản phẩm không thay đổi theo thời gian nữa là cân bằng hoá học đã đạt đến Khi nói đến cân bằng hoá học thì

ít nhất nói đến 2 chất khác nhau: chất tham gia phản ứng và sản phẩm

Định luật tác dụng khối lƣợng: Tỷ số giữa tích hoạt độ sản phẩm trên tích hoạt độ tác chất

là một hằng số, được gọi là hằng số cân bằng K

Phản ứng thuận nghịch tổng quát:

aA + bB  dD + eE

(2)

e d B A

E D K







Nếu dung dịch loãng :    

   a b

e d B A

E D K







Hằng số cân bằng K (Equilibrium Constant):

Cách tính hằng số cân bằng: chúng ta sẽ sử dụng 2 mối quan hệ hữu ích khi làm việc với

hằng số cân bằng K

Thứ nhất ta có phản ứng:

A + 2B  AB2  

  2

2 1

B A

AB

K 

Phản ứng nghịch lại ta có:

AB2  A + 2B   

 2

2 1

2

1

AB

B A K

Nếu chúng ta thêm phản ứng để tạo thành một phản ứng mới, thì hằng số cân bằng cũng bằng hằng số cân bằng ban đầu, cùng theo dõi ví dụ sau đây:

  A B

AB

K 1

  AB B

AB

1 

A + 2B  AB2 K3 K1K2

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.13

 

       2     2 2 3

B A

AB B

AB

AB B

A

AB

Hằng số phân ly acid:

Phản ứng của một acid với dung môi (như nước) được gọi là phản ứng phân ly acid Acid chia làm 2 loại:

- Acid mạnh: như HCl, HNO3 chuyển hết proton của nó cho dung môi, nên không có hệ

số cân bằng K

- Acid yếu như acid CH3COOH không thể cho hết proton acid của nó cho dung môi Thay vào đó hầu hết các acid còn lại không phân ly, chỉ một phần nhỏ hiện diện dưới dạng base liên hợp

CH3COOH(nước) + H2O  H3O+(nước) + CH3COO-(nước)

Hằng số cân bằng của phản ứng này được gọi là hằng số phân ly acid K Hằng số phân ly a

của CH3COOH là:

CH COOH

COO CH H

K a

3 3





Hằng số phân ly base:

Hằng số phân ly base là hằng số cân bằng giữa base yếu và proton mà base nhận để tạo nên acid và acid đó

Ví dụ 3.13:

Giữa NH3 và proton tạo nên acid NH4+ và acid đó, có cân bằng:

NH3 + H+  NH4+ Với hằng số cân bằng:

   





H NH

NH

K b

3

4 = 1,76 × 10-5

Ngoài 2 dạng hằng số phân ly acid - base trên còn rất nhiều loại hằng số cân bằng như hằng số cân bằng phức chất, hằng số cân bằng của phản ứng oxy hoá – khử… Đối với phân tích ứng dụng thuỷ sản, ta chỉ cần nắm 2 dạng cân bằng trên

Độ phân ly của nước :

Nước (H2O) là một dung dịch lưỡng tính, có thể xem là acid hoặc base

H2O(l) + H2O(l)  H3O+(nước) + OH-(nước)

Hằng số cân bằng:

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.14

  

Hằng số cân bằng của nước rất thay đổi, phụ thuộc vào nhiệt độ Ví dụ ở K w = 1,000 × 10-14 ở

24 oC, ở 20 oC là 6,809 × 10-15, ở 30 oC là 1,469 × 10-14, ở 25 oC là 1,008 × 10-14 Thông thường, giá trị 1,00 × 10-14 thường được hay sử dụng với sự chấp nhận sai số không đáng kể

Vì vậy : K w H3O OH = 10-14

Dung dịch đệm

Định nghĩa:

Dung dịch đệm là dung dịch kháng lại sự thay đổi pH khi thêm acid hay base mạnh vào dung dịch hoặc là dung dịch mà khi pha loãng thì pH của dung dịch thay đổi ít Sự thay đổi này thường ở trong một vùng giới hạn pH

Thành phần của dung dịch đệm:

Dung dịch đệm là dung dịch chứa trong một dung môi phân ly (như nước) Thường có các dạng :

- Dung dịch đệm có pH acid :

+ Dung dịch đệm được tạo thành từ một acid yếu và muối của nó với base mạnh, ví dụ như CH3COOH và CH3COONa (base mạnh là NaOH)

+ Dung dịch đệm được tạo thành từ một acid yếu và muối của nó với base yếu, ví dụ như CH3COOH và CH3COONH4 (base yếu là NH4OH)

- Dung dịch đệm có pH kiềm :

+ Dung dịch đệm được tạo thành từ một base yếu và muối của nó với acid mạnh, ví dụ như NH4OH và NH4Cl (acid mạnh là HCl)

+ Dung dịch đệm được tạo thành từ một base yếu và muối của nó với acid yếu, ví dụ như NH4OH và CH3COONH4 (acid yếu là CH3COOH)

Cơ chế đệm :

Đễ dễ hiễu, ta xét ví dụ sau :

Ví dụ 3.14:

Một dung dịch hổn hợp của acid (hay base) yếu và muối của nó với base (hay acid) mạnh Chẳng hạn như dung dịch CH3CHOOH và CH3COONa trong nước

Muối hoà tan trong nước, phân ly hoàn toàn thành:

CH3COONa  CH3COO- + Na+ (3.1)

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.15

Trường hợp acid trong nước :

CH3COOH  CH3COO- + H+ (3.2)

CH COOH

H COO CH

K a

3 3





Trong các biểu thức trên:

- CH3COO- có được từ (3.1), mà cũng có được từ acid CH3COOH, do đó CH3COO

tỉ lệ thuận với CH3COOH

- Để duy trì giá trị K a ổn định thì khi CH3COO tăng thì CH3COOH cũng phải tăng (3.3), mà khi CH3COOH tăng thì acid sẽ không bị phân ly (nghĩa là không bị ion hoá), và như vậy sẽ có sự lùi ion hoá (reticulation) của acid Điều này càng phải chú ý khi cho acetat CH3COO từ muối (3.1) vào càng lớn vì CH3COO kết hợp với

 H của (3.2 ) để tạo thành thành CH3COOH

Như vậy, khi trong môi trường có các ion CH3COO,  H ,   Na cùng lúc thì : 

- Nếu thêm dung dịch acid mạnh AH : acid này khi phân ly sẽ tăng thêm ion H+ (làm giảm pH) nhưng đa số ion H+ này sẽ tác động với CH3COO- để tạo thành những phân

tử CH3COOH là acid yếu Do vậy pH thay đổi ít

- Nếu thêm dung dịch base mạnh B : base sẽ gắn với H+ tạo acid yếu BH+ BH+ tiếp tục phản ứng với CH3COOH- Phản ứng (2) lại phát triển về phía phân ly và tạo thành base yếu CH3COO- Base mạnh B bị thay thế bằng base yếu CH3COO-, ít bị phân ly Kết quả là pH thay đổi ít

Đánh giá khả năng đệm :

Khả năng đệm càng lớn khi một số lượng lớn dung dịch đệm được cho vào dung dịch khảo sát Ở một nồng độ xác định của dung dịch đệm thì khả năng đệm là lớn nhất khi có mặt của acid và muối của nó ở nồng độ tương đương

pH của dung dịch đệm được tính theo công thức tổng quát của Henderson–Hasselbalch:

Acid

Base pK

pH  a lg Như vậy : - Nếu Base gấp 10 lần  Acid thì pH = pK a + 1

- Nếu Acid gấp 10 lần  Base thì pH = pK a - 1

 khả năng đệm : pH = pKa ± 1

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.16

Trở lại ví dụ 3.14, ta có:

CH COOH

H COO

CH

K a

3

CH COOH

COO CH pK

3

3

lg





CH COOH

COO CH

3

3

lg



Nếu tại thời điểm CH3COO = CH3COOH thì pH của dung dịch đệm là 4,76 Nếu thêm một lượng acid mạnh (lượng CH3COOH gấp 10 lần CH3COO) thì pH của dung dịch có thể giảm đến 4,76 – 1 = 3,76

Ví dụ 3.15:

Tính pH của dung dịch đệm được pha từ NH3 0,020 M và NH4Cl 0,030 M pH sẽ thay đổi như thế nào nếu thêm 1 mL dung dịch NaOH 0,1 M vào 100 mL dung dịch đệm trên ?

Giải quyết vấn đề :

Hằng số phân ly của NH4+ trong nước pKa = 5,7 × 10-10 Vì vậy pH của dung dịch là :

030 , 0

020 , 0 lg 24 , 9 lg

24 , 9

4



NH

NH pH

Khi thêm NaOH vào thì NH4+ sẽ bị chuyển hoá thành NH3 theo công thức :

NH4+(nước) + OH-(nước)  NH3(nước) + H2O(l)

Ta cần phải xác định lại nồng độ của NH4+ và NH3:

L

L M

L M

V

OH mol NH

mol

C

Total

101 , 0

10 00 , 1 10 , 0 1 , 0 030 ,

4

L

L M

L M

V

OH mol NH

mol

C

Total

101 , 0

10 00 , 1 10 , 0 1 , 0 020 ,

3

Áp dụng công thức Henderson–Hasselbalch ta có :

029 , 0

021 , 0 lg 24 , 9 lg

24

,

9

4



NH

NH pH

Kết luận: vậy khi thêm 1 mL dung dịch NaOH 0,1 M vào 100 mL dung dịch đệm trên thì pH

hầu như thay đổi không đáng kể, từ 9,06  9,10

Dung lượng đệm (buffer capacity):

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.17

Dung lượng đệm acid – base của một dung dịch cần duy trì pH là số lượng mmol của một acid mạnh hay base mạnh thêm vào 1 lít dung dịch để làm thay đổi 1 đơn vị pH

Ứng dụng của dung dịch đệm :

- Thiết lập và duy trì hoạt độ của ion hydro để chuẩn hoá máy đo pH, ví dụ như các dung dịch đệm hay được sử dụng 4,10 ; 7,01, 10,01 ở 25 oC

- Làm ổn định pH trong quá trình chuẩn độ, ví dụ như chuẩn độ complexon xác định độ cứng của nước, dung dịch đệm pH = 10 được sử dụng

- Làm ổn định pH khi tạo phức màu trong phân tích hấp thu quang phổ phân tử, ví dụ như phân tích Fe2+, dung dịch đệm pH = 5 được sử dụng

3.4 Dụng cụ và thiết bị

3.4.1 Thiết bị đo trọng lƣợng

3.4.2 Thiết bị đo thể tích

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.18

Huỳnh Trường Giang – Khoa Thuỷ sản – Đại học Cần Thơ P.19

3.5 Chuẩn bị dụng cụ thuỷ tinh cho phân tích

˗ Rữa dụng cụ thuỷ tinh (ống nghiệm, bình định mức, pipet…) bằng nước máy

˗ Ngâm dụng cụ thuỷ tinh vào dung dịch ngâm dụng cụ 24 giờ

˗ Rữa lại bằng nước máy

˗ Tráng kỹ bằng nước cất

˗ Sấy 80 oC cho đến khô dụng cụ

˗ Kiểm tra độ sạch sau khi rữa, nếu dụng cụ nào chưa sạch phãi rữa lại

˗ Đặt vào tủ đựng dụng cụ thuỷ sinh co các phân tích tiếp theo

3.6 Chuẩn bị dung dịch

3.6.1 Chuẩn bị dung dịch mẹ (stock solution)

Dung dịch mẹ được chuẩn bị bằng cách cân một trọng lượng hoặc đông một thể tích chính xác của một hợp chất tinh khiết, pha loảng với dung môi (nước cất hoặc dung môi khác) đến một thể tích mong muốn Độ chính xác phụ thuộc vào đơn vị nồng độ yêu cầu

Ví dụ 3.16:

Hãy mô tả cách chuẩn bị: a) dung dịch NaOH 0,2N bằng NaOH ở dạng khan (rắn); b) 1 lít dung dịch Cu2+ 150 ppm tử Cu bảng Cu kim loại; c) 2 lít dung dịch acid acetic (CH3COOH) nồng độ khoảng chừng 4% từ dung dịch CH3COOH đậm đặc

Giải quyết vấn đề:

a) Khối lượng NaOH trong dung dịch:

 

 g M

g m

C M 

 m = CM × M = 0,2 (mol)/L × 40 (g)/mol × 0,5 Lít = 4,0 g

Như vậy, cân 4,0 g NaOH khan cho vào 1 beaker 500 mL, cho vào khoảng một ít nước cất, khấy đều cho tan hết NaOH Sau đó chuyển dung dịch này vào 1 bình định mức có thể tích 500 mL (tráng beaker 2-3 lần, dung dịch tráng vẫn cho vào bình định mức) Dùng nước cất định mức lại đến vạch 500 mL Ta được 500 mL dung dịch NaOH 0,2N

b) Bởi vì nồng độ Cu2+ đòi hỏi phải chính xác, trọng lượng Cu cân và thể tích cuối cùng cũng đòi hỏi độ chính xác cao

Đầu tiên ta xác định khối lượng Cu cần:

Cu2+ nồng độ150 mg/L nghĩa là trong 1 lít dung dịch có 150 mg (0,15 g) Cu2+