Bài giảng Phân tích hữu cơ

Phân tích hữu cơ là một phương pháp của hoá học hữu cơ. Hiện nay hoá học hữu cơ thuần khiết được chia làm hai lĩnh vực chủ yếu: Lý thuyết hoá học hữu cơ và phương pháp nghiên cứu hoá học hữu cơ.Phân tích hữu cơ được coi là một phương pháp nghiên cứu của hoá học hữu cơ thì không nên hiểu nó một cách đơn thuần là “ kỹ thuật phân tích” mà phải coi nó là một phương tiện nghiên cứu giúp đi sâu tìm hiểu bản chất cấu tạo của các hợp chất hữu cơ, nắm được những quy luật chi phối những đặc tính lý, hoá, sinh của chúng.Phân tích hữu cơ bản thân nó lại được chia thành hai lĩnh vực khác nhau: Phân tích hữu cơ cơ bản và phân tích hữu cơ ứng dụng.Phân tích hữu cơ cơ bản có nhiệm vụ chủ yếu là xác định công thức cấu tạo của một hợp chất hữu cơ

-+

109 o 28 /+

+

+ -

120 o+

+-+

-+-+

++

-sp2

+-

+

+

++

180 O

sp

Tuy Hòa, năm 2008

MỞ ĐẦU

Phân tích hữu cơ là một phương pháp của hoá học hữu cơ Hiện nay hoá học hữu cơ

thuần khiết được chia làm hai lĩnh vực chủ yếu: Lý thuyết hoá học hữu cơ và phương pháp nghiên cứu hoá học hữu cơ.

Phân tích hữu cơ được coi là một phương pháp nghiên cứu của hoá học hữu cơ thìkhông nên hiểu nó một cách đơn thuần là “ kỹ thuật phân tích” mà phải coi nó là mộtphương tiện nghiên cứu giúp đi sâu tìm hiểu bản chất cấu tạo của các hợp chất hữu cơ,nắm được những quy luật chi phối những đặc tính lý, hoá, sinh của chúng

Phân tích hữu cơ bản thân nó lại được chia thành hai lĩnh vực khác nhau: Phân tíchhữu cơ cơ bản và phân tích hữu cơ ứng dụng

- Phân tích hữu cơ cơ bản có nhiệm vụ chủ yếu là xác định công thức cấu tạo củamột hợp chất hữu cơ

- Phân tích hữu cơ ứng dụng rất rộng lớn gắn liền với nhiệm vụ của từng lĩnh vựckhoa học và sản xuất tương ứng Thí dụ phân tích dầu mỏ, nhựa than đá, hợp chất caophân tử tự nhiên và tổng hợp, phân tích tinh dầu, phân tích các chất dinh dưỡng ( đạm,đường, bột…); xác định kiểm tra sản xuất ( xác định mức độ phản ứng, sản phẩm trunggian, bán thành phẩm và thành phẩm); kiểm tra phân tích các khí, nước thải, mức độ tinhkhiết của các hoá chất,… cũng như điều tra thành phần, trữ lượng các nguồn tài nguyên

và phân tích môi trường

Ở đây để giới hạn tính chất, yêu cầu của giáo trình và chuyên đề chúng ta chỉ tậptrung vào phân tích hữu cơ cơ bản với những nội dung sau đây:

- Chuẩn bị chất cho phân tích

- Phương pháp xác định công thức cấu tạo một hợp chất hữu cơ

- Phân tích nguyên tố trong hợp chất hữu cơ

- Phân tích nhóm chức hữu cơ

- Phân tích một chất chưa biết

- Phân tích một hỗn hợp chất hữu cơ

Tuy vậy, nắm chắc được các hiểu biết và nguyên tắc của phân tích hữu cơ cơ bản kếthợp với sự vận dụng năng động sẽ là cơ sở cho phân tích hữu cơ ứng dụng để giải quyếtnhững vấn đề thực tế đặt ra

CHƯƠNG I: CHUẨN BỊ CHẤT CHO PHÂN TÍCH

và n-butanol, cũng như các dung môi cơ clo ( đặc biệt là điclometan, clorofom) là mộtthuận lợi việc tách Sự lựa chọn dung môi chiết phụ thuộc vào tính tan của chất phân tích

ở trong dung môi đó và vào sự dễ dàng tách được chất phân tích ra khỏi mẫu

Sự làm giàu chất và hiệu quả của phương pháp chiết phụ thuộc vào tỉ số thể tích củamẫu và của dung môi chiết và vào hệ số phân bố Tỉ lệ thể tích mẫu và dung môi khôngthể lấy quá rộng vì nó có ảnh hưởng đến độ chính xác khi định lượng Hệ số phân bố cóthể được cải thiện nhờ thay đỏi pH mẫu, khử muối hoặc sử dụng ion đối vv…

Có hai quá trình chiết lỏng - lỏng khác nhau: chiết không liên tục ( chiết đoạn) vàchiết liên tục

a Chiết đoạn

Chiết đoạn được thực hiện bằng cách lắc mẫu cùng với dung môi chiết trong phễuchiết và được sử dụng trong những trường hợp có hệ số phân bố lớn và có thể bỏ qua sựmất mát chất nào đó

MẪU NƯỚC

Vnc, mnc

DUNG MÔI CHIẾT

Vch, mcb

Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn chiết lỏng - lỏng đoạn ( chiết đơn)

Chất phân tích phân bố giữa hai pha lỏng theo hệ số phân bố ( xem sơ đồ hình 1.1)

ch

nc nc

ch nc

ch

V

Vm

mC

C

K= = × (1.1)

Một phương trình cơ bản khác là cân bằng khối trước và sau chiết:

mch + mnc = mnc,o (1.2)Trong đó: mnc,o = lượng chất ban đầu có trong mẫu nước

Kết hợp phương trình (1.1) và (1.2) cho ta phương trình biểu thị độ thu hồi đối vớiquá trình chiết lỏng - lỏng đoạn ( đơn):

VK

V1VK

Km

mR

o , nc

ch l

VK

V1

b Chiết liên tục

Quá trình chiết liên tục được áp dụng cho những trường hợp có hệ số phân bố nhỏ,buộc phải chiết đoạn lặp nhiều lần, nên tốt hơn là ta tiến hành chiết liên tục, cũng như đóivới những trường hợp không thể bỏ qua được sự mất mát chất ( chiết phân tích)

Để đơn giản hoá cho việc xử lí toán học, sự chiết được giả thiết là một quá trình ởtrạng thái tĩnh, nồng độ ở trong mẫu ( = Cnc) đi vào buồng chiết là không đổi và nồng độtrong dung môi chiết (Ch

ch) đi vào buồng ngưng là không đáng kể ( có thể xem Ch

ch = 0).Quá trình chiết lỏng - lỏng liên tục có thể được mô tả bằng những phương trình cơbản sau:

- Cân bằng khối trong buồng chiết/tách:

* chC

C

- Cân bằng khối trong bình hứng dung môi chiết chảy ra:

* ch ch

ch

V

Fdt

Với giả thiết là cân bằng nhiệt động, sự trộn đều trong toàn bộ các pha, các lưulượng dòng và các thể tích không đổi

Kết hợp các phương trình (1.5) và (1.6) ta có thể biểu thức để tính C*

ch Sau khi thay

nó vào (1.7) và lấy tích phân, lượng chất được chiết có thể được biểu thị bằng cácphương trình như sau:

Cch.Vch = Fch.Cnc t

FK

F.K

+ (1.8)

F: Là tỉ số lưu lượng dòng: F =

ch

ncFF

Quá trình này kéo dài cho đến khi mẫu được chuyển toàn bộ vào buồng chiết Nên ởthời gian:

nc

o , ncF

V

t = (1.9)Thì quá trình dừng

Độ thu hồi ( được xác định như là tỉ số của lượng cấu tử ở trong dịch chiết sau khi

đã hoàn thành sự chiết và lượng có lúc đầu ở trong mẫu nước) sẽ nhận được sau khi kếthợp các phương trình (1.8) và (1.9):

FK

KV

.C

V.CR

o , nc nc

ch ch

Từ đây thấy giá trị độ thu hồi theo lý thuyết được xác định bởi hằng số phân bố K và

tỉ số lưu lượng dòng F Trong trường hợp chiết lỏng - lỏng thông thường ta cũng có quan

hệ tương tự này ( phương trình 1.3) Rõ ràng các giá trị độ thu hồi bằng nhau sẽ nhậnđược đối với cả hai kĩ thuật, nếu như tỉ số lưu lượng dòng F của chiết liên tục bằng tỉ sốthể tích V của chiết lỏng - lỏng đoạn

Hình 1.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ thu hồi theo chiết liên tục vào tỉ số lưu lượngdòng đối với các giá trị hằng số phân bố khác nhau

Các đường cong trên hình 1.4 có thể áp dụng cho chiết lỏng - lỏng đoạn đơn sau khithay F bằng V do độ thu hồi của hai kĩ thuật là như nhau

Tuy nhiên, các nồng độ trong cả hai dung dịch chiết thu được khác nhau nên khôngliên quan đến độ làm giàu Theo định nghĩa, độ làm giàu được biểu thị bằng phươngtrình:

o , nc

C

C

Nghĩa là độ làm giàu và độ thu hồi tương quan với nhau thông qua tỉ số thể tích Tỉ

số thể tích thường là cao hơn trong trường hợp chiết liên tục ( tỉ số thể tích 25 – 100 vàcao hơn) Do đó độ làm giàu cao của dịch chiết có thể dễ dàng nhận được trong trườnghợp chiết liên tục

c Chiết lỏng - lỏng trên cột

Một phương pháp chiết lỏng - lỏng khác được sử dụng gần đây là chiết lỏng - lỏngtrên cột, cũng dựa vào định luật phân bố của chất tan giữa hai pha không trộn lẫn vàonhau ( gần với sắc kí phân bố lỏng - lỏng trên cột)

Phương pháp chiết lỏng - lỏng trên cột trong trường hợp ở đây tỏ ra hiệu quả hơn,tránh được những điều bất lợi Không cần làm khô dung dịch thu được và độ thu hồicao

Nguyên tắc làm việc của phương pháp chiết lỏng - lỏng như sau: Cột (polietilenhoặc thuỷ tinh) được nhồi đất chịu lửa có lỗ rộng (thể tích lỗ cao) trơ hoá học, làm việcđược trong khoảng pH = 1 -13 Mẫu nước chứa chất phân tích khi đưa vào cột tự nó sẽđược phân bố trong dạng phim mỏng trên bề mặt chất nhồi và đóng vai trò như một phatĩnh Sau đó sự rửa giải xảy ra khi sử dụng những dung môi hữu cơ không trộn lẫn vớinước như đietyl ete, etyl axetat hoặc các dung môi hiđrocacbon clo hoá, tất cả các chất

105

10,5

ưa dầu sẽ được chiết từ pha nước vào pha hữu cơ Trong quá trình này pha nước nằm lạitrên pha tĩnh Dịch rửa giải thu được không được nhũ hoá và có thể đem bốc hơi dungmôi để tiến hành phân tích tiếp mà không cần làm khô.

1.1.1.2 Chiết lỏng - rắn

Chiết lỏng - rắn được áp dụng để tách các chất phân tích ra khỏi mẫu vật rắn ( thựcvật, đất, các mẫu sịnh học.vv…) bằng dung môi thích hợp Chất phân tích trong mẫu vậtrắn thường nằm ở thành nang nhỏ hoặc phân tán trong chất rắn, vì vậy cần nghiền nhỏ

để tăng bề mặt tiếp xúc giữa dung môi và chất phân tích Tuỳ thuộc vào tính phân cựccủa chất cần tách ta lựa chọ dung môi chiết, bắt đầu từ những dung môi hiđrocacbonnhẹ đối với những chất ít phân cực đến những dung môi phân cực hơn đietyl ete,axeton, etanol kể cả nước đối với những chất phân cực

Quá trình chiết lỏng - rắn có thể tiến hành theo phương pháp chiết đoạn hoặc chiếtliên tục tuỳ theo yêu cầu của việc chiết ( chiết điều chế hoặc chiết phân tích)

a Chiết đoạn ( đơn hoặc lặp)

Quá trình chiết đoạn có hiệu quả thấp hơn so với quá trình chiết liên tục Trong quátrình này mẫu rắn được ngâm vào dung môi tronh cối nghiền, trong bình tam giác hoặctrong cốc trong một thời gian ( có thể khuấy, lắc), sau đó dịch chiết được tách ra bằnglăng gạn hoặc lọc hoặc quay li tâm Cặn còn lại được chiết tiếp một hai lần nữa bằngdung môi mới Các dịch chiết được gộp lại ( cần thiết thì làm khô) và cho bay hơi( thường dưới áp suất giảm) để thu sản phẩm và xử lý tiếp theo

b Chiết liên tục

Quá trình chiết liên tục được thực hiện trong một thiết bị riêng, tốt nhất là sử dụng

bộ chiết Soclet cải tiến ( xem hình 1.5) Trong đó phần thân máy chứa ống giấy đựngmẫu được cải tiến để hơi nóng dung môi bốc lên bao quanh được ống đựng mẫu, nhờ đóchất được chiết bằng dung môi nóng, không phải bằng dung môi ngưng lạnh

Hình 1.5: Bộ chiết Soclet

1.1.1.3 Chiết pha rắn

a Cơ sở lý thuyết

Chiết pha rắn là quá trình chiết bao gồm một pha rắn và một pha lỏng Các cấu tửcần quan tâm và các chất cản trở nằm trong pha lỏng Khi cho chảy qua cột nhồi chấthấp lưu chuyên dụng, các cấu tử cần quan tâm được lưu giữ lại trên chất hấp lưu, còncác chất cản trở không bị lưu giữ được thải ra khỏi cột theo dòng chảy, sau đó chất cầnquan tâm được rửa giải ra khỏi cột nhờ dung môi thích hợp, hoặc ngược lại các chất cảntrở được lưu giữ trên chất hấp lưu, còn các cấu tử cần quan tâm không bị lưu giữ chảy rakhỏi cột

b Chất hấp lưu

Các chất hấp lưu dùng trong kĩ thuật chiết pha rắn là silicagen biến tính, silicagenkhông biến tính ( silicagen thường), nhôm oxit, các polime vv… và được chia thành phatỉnh ngược và pha tỉnh thường, chất hấp phụ ( cũng được xếp vào loại pha tĩnh thường)

và nhựa trao đổi ion ( chất hấp lưu được chỉ ra trên bảng 1.1)

Các chất hấp lưu pha mgược là pha tĩnh không phân cực, khi cho mẫu phân tíchphân cực chảy qua sẽ giữ lại các chất phân tích không phân cực và cho các chất phântích phân cực chảy qua cột Nhờ vậy, các chất hấp lưu pha ngược được dùng để chiếtcác chất phân tích không phân cực và phân cực vừa từ các mẫu nước

Các chất hấp lưu pha thường ( silicagen không biến tính) là pha tĩnh phân cực, khicho mẫu phân tích không phân cực chảy qua sẽ giữ lại các chất phân tích phân cực vàcho các chất phân tích không phân cực chảy qua cột Nhờ vậy, các chất hấp lưu phathường được dùng để chiết chất phân tích phân cực vừa và phân cực từ các mẫu khôngphân cực

Bảng 1.1 Các chất hấp lưu dùng trong kĩ thuật chiết pha rắn

-Si(CH2)3OCH2CHOHCH2OH

EN, ENVI-Chrom P

-SiOHMgSiO3

Al2O3 (axit)

Al2O3 (bazơ)

Al2O3 (trung tính)Graphit ( than không xốp)Nhựa đồng trùng hợpStriren - đivinylbenzenTrao đổi

Các chất hấp lưu là nhựa trao đổi ion được sử dụng hoặc là hệ pha thường hoặc là

hệ pha ngược ( trộn lẫn), các chất phân tích là ion tích điện ngược dấu với ion trên nhựatrao đổi được giữ lại trong cột Các dung môi hữu cơ hoặc dung dịch chứac các ion đối có

ái lực ion mạnh hơn được sử dụng để rửa giải chất phân tích quan tâm ra khỏi cột Cácchất hấp lưu nhựa trao đổi ion cho phép tách các chất phân tích ion từ các mẫu nước vàkhông nước ( phân cực và không phân cực)

c Dung môi rửa giải

Việc lựa chọn dung môi rửa giải chất phân tích đóng một vai trò quan trọng, dựatrên nguyên tắc dung môi rửa giải làm yếu phản ứng giữa chất phân tích và chất hấp lưu

và sự phân bố của chất phân tích trong khắp dung môi rửa giải được xảy ra Để lựa chọnđược dung môi như thế cần phải biết đầy đủ cả về chất phân tích và những thông tin liênquan đến cấu trúc, tính tan, độ phân cực và các tính chất phân bố

Các dung môi rửa cột ( hoạt hoá các phối tử), rửa các chất cản trở và pha mẫu phântích cũng có ý nghĩa nhất định

Đối với sắc kí pha ngược: (LC-18, LC-8, LC-2, LC-Ph, LC-NC) ứng dụng để chiết các

chất không phân cực đến phân cực vừa, nguyên tắc chung lựa chọ dung môi rửa giải là sửdụng dãy dung môi có độ phân cực giảm dần ( xem bảng 1.2); các cấu tử quan tâm bị lưugiữ yếu rửa giải bằng dung môi ít phân cực hơn liên tiếp Việc rửa giải các cấu tử quantâm đối với sắc kí pha ngược có thể dựa vào tính tan của chúng

Tiêu chuẩn để xét tính tan: Hoà 10 mg chất vào 1 ml dung môi, lắc 1 phút, nếu tan

hoàn toàn được xem là TAN, nếu không tan hoàn toàn được xem là KHÔNG Trường

hợp lượng vết không cần xét tính tan, sự chiết dựa vào tính phân cực

ChấtTan trong nước?

Tan trong điclometan? Tan trong điclometan? 3-I Tan trong điclometan?

KHÔNG TAN KHÔNG TAN KHÔNG TAN

1-B 1-C 1-E 1-E

Chú thích: Số 1 là pha ngược, số 2 là pha thường, số 3 là trao đổi ion

1-A

2-F

3-I

1-A2-F3-I

1-A2-F3-I

1-D2-G 3-I

1-D2-H3-I

1-A: Dung môi rửa giải metanol, axetonitrin, đietyl ete, tretrahiđrofuran hoặc dung môitương tự, dùng riêng hoặc kết hợp hoặc hỗn hợp với axit loãng, bazơ loãng hoặc đệm.1-B: Dung môi rửa giải điclometan, tretrahiđrofuran hoặc dung môi tương tự.

1-C: Dung môi rửa giải điclometan, tretrahiđrofuran hoặc dung môi tương tự, hexan.1-D: Dung môi rửa giải metanol, axetonitrin, đietyl ete, tretrahiđrofuran, điclometan vv…dùng riêng hoặc kết hợp hoặc hỗn hợp với axit loãng, bazơ loãng hoặc đệm

1-E: Dung môi rửa giải hexan, điclometan, metanol, axetonitrin, đietyl ete,tretrahiđrofuran,vv… dùng riêng hoặc kết hợp

Dung môi hoạt hoá cột: Trường hợp phân tích mẫu nước, mẫu dung môi hữu cơ

trộn lẫn với nước hoặc mẫu nước trong dung môi hữu cơ người ta hoặc hoá cột bằngmetanol hoặc axetronitrin, sau đó bằng nước hoặc nước có đệm hoặc dung môi hữu cơ cócùng pH của mẫu Trường hợp mẫu trong điclometan, hexan sử dụng metanol hoặc hỗnhợp metanol ( hoặc axetonitrin) với nước ( lượng dung môi hữu cơ chiếm lớn hơn 50%)

Dung môi rửa chất cản trở: Nói chung trong tất cả các trường hợp sử dụng dung

dịch hoặc hoá cột sau cùng để rửa chất cản trở Trong các trường hợp cụ thể còn có thể dùng các dung dịch rửa sau:

1-A: Hỗn hợp dung môi trộn lẫn với nước, với axit loãng, với bazơ loãng hoặc đệm,hoặc điclometan, hoặc hexan

1-B: Metanol, axetonitrin, hoặc hexan, hoặc hỗn hợp của các dung môi này vớilượng nhỏ điclometan, hoặc hỗn hợp metanol hoặc axetonitrin với nước, với axit loãng,với bazơ loãng hoặc đệm

1-C: Metanol, axetonitrin hoặc hỗn hợp của những dung môi này với lượng nhỏđiclometan, hoặc hỗn hợp của metanol hoặc axetonitrin với nước, với axit loãng, vớibazơ loãng hoặc đệm

1-D: Nước, axit loãng, bazơ loãng, hỗn hợp nước trong dung môi hữu cơ hoặchexan trong điclometan, hexan

1-E: Các hỗn hợp nước trong dung môi hữu cơ

Dung môi pha mẫu: Do đặc điểm của chất hấp lưu không cực hấp phụ từ dung môi

phân cực ( đặc biệt là nước và ancol) tốt hơn là từ dung môi không phân cực, do đó cầnphải tạo cho môi trường mẫu càng phân cực càng tốt, như có thể được Nói chung trongtất cả các trường hợp (1-A đến 1-E)

Nếu chất tan dung môi hữu cơ trộn lẫn với nước hoặc hỗn hợp dung môi trong nướcthì cần thêm nước, axit loãng, bazơ loãng để là làm hàm lượng dung môi hữu cơ như cóthể được (10% - 50%), nhưng tránh để chất quan tâm kết tủa Nếu chất là lượng vết trongdung môi trộn lẫn với nước hoặc hỗn hợp dung môi trong nước thì thêm muối, axit loãnghoặc bazơ loãng để tăng cường cho sự chiết

Trường hợp chất tan trong dung môi không trộn lẫn với nước việc chuẩn bị mẫuđược tiến hành như sau:

1-B: Chất tan trong điclometan, hoặc dung môi có độ phân cực tương tự: Thêmmetanol hoặc axetonitrin để tăng độ phân cực, hoặc hoà loãng với hexan

1-C: Trường hợp chất tan trong hexan: Bốc hơi dung môi đến khô, hoà tan vàođiclometan, pha loãng với metanol, hoặc axetonitrin để tăng độ phân cực Trường hợpchất tan trong điclometan: Thêm metanol hoặc axetonitrin để tăng độ phân cực.

1-D: Trường hợp chất tan trong điclometan: Bốc hơi đến khô, hoà tan trong metanol

và tiến hành tiếp như trường hợp chất tan trong dung môi trộ lẫn với nước

1-E: Trường hợp chất tan trong dung môi không phân cực hexan, điclometan), bốchơi đến khô, hoà tan trong metanol và tiến hành tiếp như trường hợp chất tan trong dungmôi trộn lẫn với nước

Đối với sắc kí pha thường (LC-NC, LC-NH2, LC-điol, LC-Si, LC-Florisil, LC-Alumina

A, B, N) ứng dụng để chiết các chất phân cực vừa đến phân cực, nguyên tắc chung lựachọn dung môi rửa giải là sử dụng dãy các dung môi có độ phân cực tăng dần ( xem bảng1.2): Cấu tử quan tâm thứ nhất bị lưu giữ yếu rửa giải bằng dung môi phân cực, các cấu

tử còn lại rửa giải bằng các dung môi phân cực tăng lên Việc rửa giải các cấu tử quantâm đối với sắc kí pha thường cũng có thể dựa vào tính tan của chúng ( xem sơ đồ khảosát tính tan):

2-F: Dung môi rửa giải metanol hoặc axetonitrin, hỗn hợp của metanol hoặcaxetonitrin với dung môi ít phân cực ( thí dụ điclometan)

2-G: Dung môi rửa giải điclometan, metanol, đietyl ete, tetrahiđrofuran hoặc dungmôi tương tự, hỗn hợp của các dung môi này

2-H: Dung môi rửa giải metanol hoặc axetonitrin, điclometan, tetrahiđrofuran, hoặcdung môi tương tự, hỗn hợp của các dung môi này

Dung môi hoạt hoá cột: Nối chung sử dụng dung môi không phân cực, thường là

dung môi của mẫu để hoạt hoá cột Cụ thể đối với các trường hợp như sau:

2-F: Điclometan, hỗn hợp điclometan với metanol hoặc axetonitrin hoặc nhữngdung môi không phân cực khác trộn lẫn được với dung dịch mẫu

2-G: Nói chung là dung môi không phân cực có khả năng trộn lẫn với dung dịchmẫu

2-H: Hexan hoặc hỗn hợp của hexan với dung môi trộn lẫn được với nó có độ phâncực lớn hơn ( thí dụ điclometan)

Dung môi rửa chất cản trở:Nói chung dùng dung dịch hoặc hoá cột sau cùng hoặc

dung dịch hoặc hoá cột có chứa 5 – 25% dung môi phân cực hơn trộn lẫn được để rửachất cản trở Cũng có thể sử dụng dung môi không phân cực (thí dụ hexan), dùng riênghoặc hỗn hợp với dung môi rửa khác ( thí dụ điclometan)

Dung môi pha mẫu: Do đặc điểm của chất hấp lưu phân cực hấp phụ từ dung môi

không phân cực tốt hơn là dung môi phân cực, do đó cần tạo cho môi trường mẫu bằngdung môi trộn lẫn được có độ phân cực thấp ( thí dụ chất tan trong metanol pha loãngmẫu bằng điclometan, chất tan trong điclometan pha loãng mẫu bằng hexan) hoặc có thểbốc hơi dung môi phân cực đến khô (metanol) rồi hoà tan lại trong đimetan và hoà loãngtiếp bằng hexan Lưu ý trong môi trường hoà loãng bằng dung môi ít phân cực khôngđược để chất cần quan tâm kết tủa

Đối cới sắc kí trao đổi ion (LC-NH2, LC-SAX, LC-WCX, LC-SCX) ứng dụng để chiếtphân tích ion:

LC-NH2: Cacbonhiđrat, các anion yếu

LC-SAX: Các anion mạnh axit hữu cơ.

axit hữu cơ

(Không tan trong nước) (loãng) Bazơ liên hợp

( tan trong nước)

bazơ hữu cơ

(Không tan trong nước) axit liên hợp ( tan trong nước)

Ở giai đoạn đầu, chất phân tích quan tâm tạo liên kết điện hố với bề mặt chất nhồi( chất phân tích điện thay thế ion đối tích điện cùng dấu trên chất nhồi)

Ở giai đoạn tiếp theo, chất phân tích được rửa giải khỏi cột nhờ thêm ion đối cạnhtranh điện tích cùng dấu vào dung dịch rửa giải hoặc điều c0hỉnh pH của dung dịch rửagiải để thay đổi điện tích hoặc trên ion phân tích hoặc trên bề mặt chất nhồi

Ion đối rửa giải (photphat)

Ion đối rửa giải (amoni)

Nguyên tắc chung lựa chọn dung dịch rửa giải là dựa vào sự biến đổi pH hoặc lựcion của đệm: Rửa giải chất phân tích đầu bằng đệm mạnh hơn đệm rửa các chất cản trở( thay đổi pH hoặc lực ion), rửa giải những chất phân tích khác bằng các đệm mạnh hơnliên tiếp Cụ thể đối với trường hợp 3-I ( xem sơ đồ khảo sát tính tan)

+ Đối với anion hoặc cation: Sử dụng các axit lỗng (HCl, axetic hoặc H3PO4) hoặccác bazơ lỗng (NH4OH hoặc NaOH), dùng riêng hoặc hỗn hợp với đệm (photphat,axetat hoặc cacbonat) hoặc hỗn hợp với các dung mơi trộn lẫn với nước (metanol,,axetonitrin v.v… Những dung dịch rửa giải điển hình là K2HPO4 0,1M, HCl 0,1N, axit

axetic 1%; NH4OH 1N; NaOH 0,1N và các hỗn hợp của những dung dịch này và metanolhoặc axetronitrin được điều chỉnh để có pH thích hợp.

+ Đối với hợp chất axit hoặc các muối anion: Điều chỉnh pH của dung dịch rửa giảiđến pH = 1 – 2 đơn vị thấp hơn pKa của chất phân tích

+ Đối với các hợp chất bazơ hoặc muối cation: Điều chỉnh pH của dung dịch rửagiải đến pH = 1 – 2 đơn vị cao hơn pKa của chất phân tích

+ Đối với cacbonhiđrat: Sử dụng nước để rửa giải

Để hoạt hoá cột nói chung người ta dùng nước không ion hoặc đệm yếu: Cụ thểtừng trường hợp như sau:

+ Các cation hoặc anion: Sử dụng dung dịch có cùng pH, lực ion và lượng dung môihữu cơ như khi điều chỉnh mẫu phân tích

+ Cacbonhiđrat: Sử dụng axetonitrin

Để rửa các chất cản trở dùng dung dịch hoạt hoá cột sau cùng hoặc dung dịch yếuhơn chút ít hoặc mạnh hơn chút ít

Để chuẩn bị mẫu phân tích tiến hành điều chỉnh như sau:

+ Đối với các hợp chất axit hoặc muối anion: Điều chỉnh pH của dung dịch mẫu đến

pH = 1 – 2 đơn vị cao hơn pKa của chất phân tích ( trung hoà đến kiềm nhẹ) Sử dụng

NH4OH hoặc NaOH loãng

+ Đối với các hợp chất bazơ hoặc muối cation ( bao gồm các kim loại); điều chỉnh

pH của dung dịch mẫu đến pH = 1 – 2 đơn vị thấp hơn pKa của chất phân tích ( trung hoàđến axit nhẹ) Sử dụng axit axetic hoặc H3PO4 hoặc HCl loãng

+ Đối với cacbonhiđrat trong dung dịch nước: Pha loãng dung dịch mẫu bằngaxetronitrin tới tỉ lệ 1:9

Bảng 1.2: Đặc tính của dung môi được sử dụng trong chiếc pha rắn

Dung môi Độ phân cực Tính trộn lẫn với nước

Dung môi Độ phân cực Tính trộn lẫn với nước

Chú thích: Số 1 là pha ngược, số 2 là pha thường, số 3 là trao đổi ion.

Kĩ thuật chiết pha rắn được ứng dụng cho việc chuẩn bị mẫu với 3 mục tiêu sau:Làm sạch mẫu: Khi này ống pha rắn được xem như là “ một ống lọc hoá học”, nóđược lưu giữ cấu tử cần quan tâm còn tất cả các cấu tử khác được rửa giải ra, hoặc cáccấu tử cản trở được giữ lại còn cấu tử quan tâm được rửa giải ra

Làm giàu mẫu: Khi này ống pha rắn được sử dụng để tập trung chất phân tích từnhững dung dịch rất loãng ( lượng vết) Sự làm giàu lượng vết đặc biệt có lợi khi nồng độchất phân tích nằm dưới giới hạn xác định của phương pháp

Phân đoạn các cấu tử: Khi này người ta sử dụng kĩ thuật “ chương trình tưng bước”các dung môi rửa giải có lực khác nhau để rửa giải các hợp chất có độ phân cực khácnhau ra thành các phân đoạn Sự phân đoạn có lợi khi ta muốn phân tích những cấu tửkhác nhau của cùng một mẫu ( phân tích hỗn hợp chất)

Hiện nay trên thị trường đã có bán sẵn những ống pha rắn có dạng khác nhau( thường có dạng như một sơ ranh tiêm) được nhồi các chẩt hấp lưu khác nhau có kíchthước lỗ, kích thước hạt và các tính chất xác định tiện cho việc sử dụng Các ống pha rắnbán sẵn có hai qui mô khác nhau:

- Quy mô phân tích: Là những ống có thể tích nhỏ: từ 1 cc đến 30 – 40 cc với lượngchất nhồi từ 50 mg đến 10 g Các ống này được chế tạo từ chất dẻo polipropilen hoặcthuỷ tinh chịu áp (xem hình 1.6)

+ Đưa mẫu vào cột

+ Rửa cột để loại các chất cản trở ( hoặc rửa giải cấu tử cần quan tâm nếu như cácchất cản trở lưu giữ mạnh hơn nằm lại trên cột)

+ Rửa giải cấu tử quan tâm nếu chúng bị lưu giữ mạnh hơn các chất cản trở đã đượcrửa ra ở bước trên

Trường hợp lý tưởng ống pha rắn chỉ lưu giữ chất quan tâm hoặc chỉ lưu giữ cácchất cản trở thì hai bước sau sẽ đơn giản hoá hơn

Ngoài ra tuỳ theo yêu cầu của phương pháp phân tích: Cho dòng chảy qua cột chậmhay nhanh người ta sử dụng các kỹ thuật phụ trợ ( cho dòng chảy chậm để chảy tự nhiênhoặc vặn núm điều chỉnh đậy trên nắp ống nối với piston, cho dòng chảy nhanh nénpiston hoặc dùng khí nén nitơ, không khí, hoặc hút chân không, ly tâm)

Nói chung kỹ thuật chiết pha rắn có nhiều ưu điểm so với những phương pháp tách

và làm sạch mẫu khác, cho phép chuẩn bị mẫu nhanh ( trong ít phút), độ thu hồi cao,không có sự hình thành nũ như chiết lỏng - lỏng, tiết kiệm dung môi và có khả năng tựđộng hoá cả quá trình hoặc ghép nối trực tiếp với thiết bị phân tích như HPLC

1.1.2 Cất

Phương pháp cất được sử dụng rộng rãi để tách và làm sạch các chất lỏng và nhữngchất rắn có điểm chảy không quá cao.

Phương pháp cất đơn có thể sử dụng để tách và làm sạch những chất lỏng trongnhững trường hợp khi tạp chất bay hơi hoặc không bay hơi có điểm sôi cao hoặc thấpđáng kể ( khoảng 800C) so với chất phân tích Đối với những chất sôi cao nằm trongkhoảng 1500C < Đs < 3000C cần tiến hành cất dưới áp suất giảm để tránh phân huỷ nhiệt (thông thường khi áp suất hơi bên ngoài giảm một nửa thì nhiệt độ sôi giảm khoảng 150C).Phương pháp cất phân đoạn ( dưới áp suất khí quyển đối với những chất bền nhiệt

và dưới áp suất giảm đối với những chất kém bền nhiệt) cho phép tách những chất cóđiểm sôi gần nhau tuỳ thuộc vào số đĩa lý thuyết của cột phân đoạn có và vào tốc độ cất

ta có thể tách riêng được những chất lỏng có điểm sôi cách nhau một vài độ ( chẳn hạncột có số đĩa lý thuyết là 12 có thể tách được hỗn hợp hai chất lỏng có điểm sôi cách nhau

300C, cột có số đĩa lý thuyết là 100 có thể tách được hỗn hợp hai chất lỏng có điểm sôicách nhau 30C)

Phương pháp cất đơn hay cất phân đoạn dưới áp suất giảm ngày nay được sử dụngkhá phổ biến Để đuổi nhanh những lượng dung môi lớn mà không gây mất mát và ảnhhưởng tới chất phân tích, nhất là khi phân tích lượng vết và các chất kém bền nhiệt, người

ta sử dụng cất quay dưới áp suất giảm, trong đó bình cất được quay tròn nhờ một môtơlắp vào ống nối giữa bình cất và ống sinh hàn

Phương pháp cất lôi cuốn hơi nước tách và làm sạch chất hữu cơ dựa vào sự bốc hơichất phân tích nhờ sục hơi nước vào hỗn hợp của chất và nước Các chất hữu cơ lỏnghoặc rắn tan và không tan trong nước nếu có áp suất hơi phù hợp ( ít nhất 10 – 15 mmHg

ở nhiệt độ 1000C) sẽ được cất cùng với hơi nước Sự cất lôi cuốn hơi nước xảy ra ở nhiệt

độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nước Điều đó cho khả năng tách và làm sạch nhiều chất cóđiểm sôi cao bằng cất ở nhiệt độ thấp, và đặc biệt có giá trị đối với những chất bị phânhuỷ khi cất một mình dưới áp suất khí quyển

Phương pháp chiết lỏng - lỏng lôi cuốn hơi nước như đã được đề cập đến ở trên làphương pháp kết hợp với chiết và được tiến hành trong một thiết bị riêng, thừa hưởngnhững ưu điểm của phương pháp cất lôi cuốn hơi nước và phương pháp chiết dung môiđang được phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong những năm gần đây

1.1.3 Kết tinh, thăng hoa và nóng chảy vùng

Các phương pháp chủ yếu được sử dụng để làm sạch các chất rắn

1.1.3.1 Kết tinh

Việc làm sạch các chất rắn bằng kết tinh là dựa vào sự khác nhau về tính tan củachất quan tâm và của tạp chất trong một dung môi hoặc một hệ dung môi chọn Ta có thểgặp hai trường hợp sau:

1- Chất quan tâm tan tốt trong dung môi ở nhiệt độ cao, tan tồi ở nhiệt độ thường,còn tạp chất thì ngược lại

Trường hợp này ta sử dụng kết tinh nóng để làm sạch chất

Lưu ý dung môi chọn sao cho có thể thể tạo được dung dịch bão hoà chất kết tinh ởnhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung môi ( khoảng 100C) để thuận tiện cho việc lọcnóng khi cần thiết

2- Chất quan tâm tan tốt trong dung môi ở nhiệt độ thường, tan tồi ở nhiệt độ nóng,còn tạp chất thì ngược lại.

Trường hợp này sử dụng kết tinh lạnh ở nhiệt độ rất thấp ( -10 đến 400C) để làmsạch chất Kết tinh lạnh có thể tinh chế cả các chất lỏng

Trường hợp này cũng có thể kết tinh nóng để làm sạch chất bằng cách thêm dungmôi thứ hai tan được với dung môi đầu, nhưng hầu như không hoà tan chất kết tinh ởnhiệt độ thường, theo một tỉ lệ thích hợp ( đến vần đục) để chuyển hệ tương tự nhưtrường hợp đầu

Việc sử dụng hỗn hợp dung môi để kết tinh trên cũng được áp dụng để làm sạchnhững chất kém bền nhiệt ( chuẩn bị dung dịch bão hoà lạnh chất kết tinh và thêm chậmhỗn hợp dung môi vào cho đến khi xuất hiện vần đục)

Trong một số trường hợp đặc biệt, chẳng hạn chất bị phân huỷ hoặc bị biến đổi cấutrúc khi tiếp xúc với không khí, việc kết tinh chúng được tiến hành trong bầu khí quyểntrơ ( Nitơ, heli…)

Trong phương pháp làm sạch chất bằng kết tinh, ngoài việc lựa chọn hệ dung môi(đơn hoặc hỗn hợp) thích hợp, những tạp chất thường có mặt với những lượng nhỏ có thểđuổi khỏi dung dịch kết tinh bằng xử lý với các chất hấp phụ như than hoạt tính, đất chịulửa, silicagen

Lưu ý: Tốc độ kết tinh ( phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian kết tinh) có một ýnghĩa lớn Kết tinh càng nhanh tinh thể càng bé, càng khó lọc và hấp phụ nhiều chất bẫn,kết tinh càng chậm tinh thể càng lớn càng dễ lọc và làm sạch

Để thu được chất kết tinh khiết, quá trình kết tinh thường phải lặp lại nhiều lần, tốtnhất tronh các dung môi khác nhau

Phương pháp làm sạch chất bằng phương pháp kết tinh không áp dụng được nếuchất quan tâm tạo được tinh thể trộn lẫn với các tạp chất

độ nóng chảy của chúng sự thăng hoa có thể xảy ra ở áp suất khí quyển, còn đối vớinhững chất có áp suất hơi thấp ở nhiệt độ nóng chảy của chúng sự thăng hoa chỉ có thểxảy ra ở áp suất giảm (10-3 đến 10-6 mmHg) Trong quá trình thăng hoa, chất rắn đượcđun nóng cho bốc hơi và hơi được ngưng trở lại thành chất rắn trên bề mặt lạnh Các tạpchất phải là những chất có áp suất hơi khác với chất quan tâm để chúng có thể hoặc đượcloại ở lúc thăng hoa ban đầu hoặc nằm lại trong phần cặn Nhiệt độ cần thiết để tiến hànhthăng hoa đối với những chất có điểm chảy 40 – 1000C ít nhất là 100C thấp hơn điểmchảy, đối với những chất có điểm chảy 100 – 2000C là 50 – 800C thấp hơn điểm chảy,còn những chất nóng chảy cao hơn 2000C là từ 100 – 1500C thấp hơn điểm chảy

Phương pháp thăng hoa cũng sử dụng để tách chất trong một số trường hợp, đặcbiệt là thăng hoa chân không.

Phương pháp thăng hoa thường cho sản phẩm rất tinh khiết và thuận lợi đối vớicông việc điều chế vi lượng

có điểm chảy thấp hơn điểm chảy của sản phẩm chính, và trong khi sản phẩm chính kếttinh, các tạp chất còn lỏng chảy ra khỏi vùng kết tinh và đặc lại khi đạt tới một đầu củathanh Những tạp chất có điểm chảy cao hơn điểm chảy của sản phẩm chính được tậptrung ở đầu kia của thanh ( đầu xuất phát) Kết quả sản phẩm chính đã được làm sạch tìmthấy ở phần giữa thanh Trong thực hành phương pháp này được xem như là sự kết tinhlặp lại nhiều lần liên tục

Phương pháp nóng chảy vùng không sử dụng được với những chất có khuynhhướng tạo ra hỗn hợp nóng chảy chậm đông và những chất không bền ở nhiệt độ nóngchảy

1.1.4 Các phương pháp sắc kí

Trong các phương pháp tách và làm sạch chất, phương pháp sắc kí hiện nay có thểcoi là hiệu lực hơn cả, nó cho phép tách được những hỗn hợp phức tạp gồm hàng chục,thậm chí hàng trăm cấu tử

Sắc kí là quá trình tách phụ thuộc vào sự phân bố khác nhau của các cấu tử của hỗnhợp giữa pha động thể tích và pha tĩnh phim mỏng Pha tĩnh có thể ở dạng cột nhồi ( sắc

kí cột) qua đó pha động đi qua, hoặc ở dạng lớp mỏng bám dính trên vật liệu đế phẳng( sắc kí lớp mỏng), trên đó pha dịch chuyển động nhờ lực mao dẫn

Pha tĩnh phim mỏng có thể là chất lỏng hoặc rắn, pha động có thể là lỏng hoặc khí.Tuỳ bản chất của sự kết hợp các pha này tạo ra các kĩ thuật sắc kí chủ yếu có ứng dụngchung

Trong sắc kí hấp phụ, pha động thường là lỏng và pha tĩnh thường là chất hấp phụrắn nghiền mịn ( sắc kí lỏng - rắn) Sự tách ở đây phụ thuộc vào sự hấp phụ chọn lọc củacác cấu tử của hỗn hợp trên bề mặt chất rắn Sự tách dựa vào các quá trình sắc kí khí - rắn

có ứng dụng hạn chế đối với những hỗn hợp hữu cơ

Trong sắc kí phân bố Pha tĩnh là màng mỏng chất lỏng phủ trên bề mặt của nhữngchất mang rắn trơ và pha động có thể là lỏng ( sắc kí phân bố lỏng) hoặc là khí ( sắc kíphân bố khí - lỏng) Sự tách ở đây phụ thuộc chủ yếu vào sự phân bố của chất giữa haipha

Trong sắc kí trao đổi ion Pha tĩnh rắn là các nhựa trao đỏi ion và pha động là dungdịch nước chứa các muối, chất đệm, axit, bazơ, dung môi hữu cơ.vv…Sự tách ở đây là do

sự trao đổi giữa nhưng ion của hỗn hợp mẫu và các ion đối ( ion trao đổi) của pha tĩnh,lực tĩnh điện giữ vai trò chủ yếu

Ngoài các quá trình hấp phụ, phân bố, trao đổi ion trên, sự tách sắc kí cũng có thểdựa vào sự khác nhau về kích thước phân tử ( sắc kí thẩm thấu qua gel, sắc kí rây) Trong

kĩ thuật này, vật liệu gel với các kích thước lỗ khác nhau được sử dụng làm pha tĩnh và

sự tách đạt được qua sự khuyết tán khác nhau đi vào trong lỗ gel, những phân tử có khíchthước không đủ lớn ( nhỏ hơp kích thước lỗ gel) được loại trừ hoàn toàn

Các phương pháp sắc kí được sử dụng để tách và làm sạch chất cũng như để kiểmtra bổ sung về độ tinh khiết của chất, bên cạnh việc so sánh các hằng số vật lý và dử kiệnphổ tích dẫn từ tài liệu

1.2.1 Xác định các hằng số vật lý

1.2.1.1 Xác định điểm chảy và điểm chảy hỗn hợp

Phương pháp đo điểm chảy được ứng dụng để kiểm tra độ sạch của các chất rắn.Nói chung chất hữu cơ tinh khiết có điểm chảy thích hợp và rỏ ràng ( sự khác nhau giữanhiệt độ ở đó sự sụt các tinh thể đầu tiên được quan sát thấy và nhiệt độ ở đó mẫu chảyhoàn toàn không vượt quá 0,50C) Nếu có lẫn một lượng nhỏ tạp chất trộn lẫn hoặc trộnlẫn một phần sẽ làm tăng khoảng cách trên và sự bắt đầu xhảy xảy ra ở nhiệt độ thấp hơnnhiệt độ chảy của chất tinh khiết Các hỗn hợp cũng có điểm chảy rõ nét, nhưng điểmchảy này có thể bị thay đổi bởi kết tinh phân đoạn bằng dung môi thích hợp

Trường hợp đơn giản để xác định điểm chảy người ta sử dụng phương pháp maoquản với bình đốt nóng lỏng ( dầu parafin, dầu silicon, axit sunfuric và hỗn hợp của nóvới các muối khác nhau hiện nay ít được dùng) Điều cần chú ý để đảm bảo độ chích xã

là phải đảm bảo toàn khối chất lỏng được nóng lên đều ( khuấy) và gần điểm nóng chảyphải đun nóng chậm ( một phút nhiệt độ tăng lên 1 – 20C)

Phương pháp mao quản cho phép xác định điểm chảy với độ chính xác 0,5 – 10C.Cần chú ý những chất nóng chảy ở khoảng > 1500C phần trên của nhiệt kế sẽ lạnhhơn so với phần dưới và khi đó cần phải đưa vào một đại lượng bổ chính được tính gầnđúng theo công thức sau:

) t t (

N 000154 , 0

Ở đây: 0,000154 là sự khác nhau giữa hệ số giãn nở của thuỷ tinh và thuỷ ngân

t1- nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế thứ nhất ( đo nhiệt độ nóng chảy)

t2 - nhiệt độ trung bình đọc được trên nhiệt kế thứ hai ( đo nhiệt độ bổ chính)

Bầu thuỷ ngân của nhiệt kế này nằm ở giữa cột thuỷ ngân cảu nhiệt kế thứ nhất kể

từ mức chất lỏng trong bình đến mức cảu thuỷ ngân ở trong nhiệt kế thứ nhất tương ứngvới nhiệt độ t1 đọc được

N - chiều cao của cột thuỷ ngân trong nhiệt kế thứ nhất kể từ mức chất lỏng ở trongbình đến mức của thuỷ ngân ở trong nhiệt kế ứng với nhiệt t1, chiều cao N đo bằng độ.Phương pháp mao quản với việc sử dụng hỗn hợp làm lạnh ( axeton hoặc metanolvới đá khô) và nhiệt kế rượu hoặc tolulen được dùng để xác định điểm chảy của các chất

có điểm chảy thấp hơn nhiệt độ phòng ( tới – 500C)

Ngoài dụng cụ đơn giản này người ta còn dùng các dụng cụ đốt điện block Marken,máy xác định điểm chảy dưới kính hiễn vi Kofler v.v… để đo điểm chảy được nhanh hơnhoặc chính xác hơn

Phương pháp xác định điểm chảy hỗn hợp cũng nhằm để kiểm tra độ sạch của chấtphân tích Nếu điểm chảy của hỗn hợp thấp hơn hoặc cao hơn ( chất thêm vào tạo đượcdung dịch rắn với chất phân tích) điểm chảy của chất kết tinh khiết thành phần thì chấtphân tích xem như bẩn còn nếu trùng nhau thì chất phân tích được xem là sạch

PPd

1

2 t t

0 0

0

20 4

d , tínhtheo công thức sau:

Ở đây: m - khối lượng của chất lỏng;

W - khối lượng của nước trong không khí ở 200C

Q - Khối lượng riêng của nước ở 200C và = 0,99827 g/cm3

λ - khối lượng riêng trung bình của không khí ở 200C và bằng 0,00120 g/cm3

Do đó:

b Dùng tỉ trọng kế đo trực tiếp ( aeromet)

Tỉ trọng kế loại này gồm một dãy những aeromet có chia độ ở phần trên ống thuỷtinh và ở trong bầu dưới có chứa những bi chì Mỗi aeromet như vậy có một khoảngtrọng lượng xác định

Trường hợp chất hoàn toàn chưa biết tỉ trọng ta cứ thả lần lượt các aeromet có trọnglượng tăng dần vào chất lỏng Phương pháp này xác định nhanh nhưng không chính xácbằng cách cân và đồi hỏi phải có một lượng lớn chất lỏng

1h

hd

d1 - tỉ trọng của chất đã biết dùng để so sánh ( để đo tỉ trọng trong khoảng 00

20 4

d = 0,6– 2,0 thường dung etylbenzen làm chất chuẩn)

d2 - tỉ trọng của chất lỏng cần phải đo

h1 và h2 – các chiều cao đo được trong thực nghiệm

d Xác định tỉ trọng của chất rắn

Đôi khi ta cần xác định tỉ trọng của các chất hữu cơ rắn, chẳn hạn khi cần nghiêncứu cấu trúc tinh thể của chúng Tỉ trọng của chất rắn được xác định bằng phương phápcân nổi Phương pháp này dựa vào sự tạo cân bằng huyền phù của chất rắn trong

chất lỏng, nghĩa là chất rắn không nổi hẳn lên trên bề mặt và không chiềm hẳn xuốngđáy, nếu như tỉ trọng của nó bằng tỉ trọng của chất lỏng

Trong thực hành người ta chuẩn bị các hỗn hợp chất lỏng hai cấu tử từ những chấtsau: bromofom, cacbon tetraclorua, benzen, nitrobezen cũng như dung dịch nước cảu bariiođua và thuỷ ngân iođua ( trong trường hợp sau có thể nhận được tỉ trọng khá cao, tới3,6 g/ml) Cho tinh thể mịn của chất rắn và hỗn hợp lỏng hai cấu tử vào ống nghiệm vàquay li tâm ( 2000 – 4000 vòng/phút) trong 5 phút Nếu tinh thể chìm xuống đáy thì thêmthành phần lỏng nặng hơn; nếu tinh thể nổi lên mặt thì thêm thành phần lỏng nhẹ hơn Sựđiều chỉnh này được lặp lại cho đến khi ngừng hoàn toàn sự trộn của các hạt trong khi litâm ( thiết lập được cân bằng huyền phù) sau đó tiến hành xác định tỉ trọng của chất lỏng

sẽ biết được tỉ trọng của chất rắn

1.2.1.4 Xác định chỉ số khúc xạ và khúc xạ phân tử

Chỉ số khúc xạ thường là tiêu chuẩn rất tốt để kiểm tra độ sạch của chất lỏng hơn lànhiệt độ sôi Chỉ số khúc xạ cũng còn được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc phân tử vàmomen lưỡng cực Để đo chỉ số khúc xạ người ta thường dùng khúc xạ kế Abbe với ánhsáng đơn sắc vạch D của Natri ( 5893 A0), và chỉ số khúc xạ được lí hiệu là t0

D

n , nhiệt độ

của chất lỏng khi đo, thường là đo ở 200C Để tính sự biến đổi của chỉ số khúc xạ vớinhiệt độ của các chất lỏng hữu cơ có thể sử dụng giá trị trung bình 4,5.10 4

−

d

M2n

1n2

Trong đó: α - độ quay cực quan sát được

l- chiều dài cuả cột chất lỏng tính theo dm

d - Khối lượng riêng của chất lỏng ở nhiệt độ t

+ Đối với dung dịch:

[ ]

lpd

100lc

100

0

t D

c - số gam chất tan trong 100 ml dung dịch

p - số gam chất tan trong 100 gam dung dịch

+ Độ quay của phân tử:

[ ] [ ] [ ]

)ml100/mol(lc100

MM

0 0

D t

D

t D

α

=

×α

=ϕ

M – phân tử khối của chất

Để đo độ quay cực thuận tiện và chính xác hơn, người ta sử dụng các thiết bị đoquang hiện đại ( thí dụ Perkin – Elmer Model 141) có thể đo độ quay cực của một vàimiligam mẫu với độ chính xác 0,0010 Người ta có thể đo ở độ dài sóng tia D của natrihoặc ở bất kỳ một trong số hai mươi bước sóng của thuỷ ngân

1.2.1.6 Xác định phân tử khối

a Xác định bằng phương pháp hoá học

Phương pháp hoá học được ứng dụng chủ yếu để xác định phân tử khối của các axithoặc bazơ dựa vào phản ứng trung hoà Thí dụ, xác định M của axit bằng trung hoà vớikiềm:

N a

x S

M ax

.100

= (1.24)

Trong đó S - Lượng cân chất; a - Số ml kiềm tiêu tốn, N - nồng độ kiềm, x – là sốBasic của axit = 1, 2, 3, v v.

Ngoài các axit và bazơ, các chất còn lại tốt hơn là sử dụng phương pháp hoá lý vàvật lý

b Các phương pháp hoá lý và vật lý

- Phương pháp nghiệm sôi

Cơ sở của phương pháp này là đo sự khác nhau giữa nhiệt độ sôi của dung môi vàdung dịch chất nghiên cứu trong dung môi đó Nếu S gam chất nghiên cứu có phân tửkhối là M hoà tan vào R gam dung môi và đo được sự tăng nhiệt độ là ∆tthì:

t R

S K

Trong đó: T là nhiệt đối của dung môi, q là nhiệt độ bốc hơi của dung môi

Phương pháp này có ưu điểm so với phương pháp nghiệm lạnh là dễ chọn dung môithích hợp

- Phương pháp nghiệm lạnh

Cơ sở của phương pháp này là đo sự hạ nhiệt độ nóng chảy của dung môi gây ra bởi

sự hoà tan chất nghiên cứu trong đó

Để tính M củng như công thức trên (1.25), nhưng với sự khác nhau là ∆t ở đây là độ

hạ nhiệt độ nóng chảy, còn K là hằng số nghiệm lạnh của dung môi

Ửu điểm của phương pháp này so với phương pháp nghiệm sôi là sự biến đổi của ápsuất không có ảnh hưởng đến kết quả xác định Đặt biệt phương pháp này rất thuận lợiđối với những chất mà dung môi của nố không thể đun nóng được do có sự phân huỷphân tử Độ chính xác của phương pháp khoảng 1 – 5%

Để biểu thị tỉ trọng của chất nghiện cứu đối với không khí (dkk) thì tỉ trọng dH phảinhân với 14,47 và sẽ nhận được:

M = 2.14,47.dkk = 28,94.dkk (1.29)

Vì vậy, nếu có khả năng chuyển chất nghiên cứu thành trạng thái hơi mà không có

sự phân huỷ thì có thể tìm M theo phương pháp này khi cho bốc hơi một lượng chất biếttrước và xác định thể tích hơi tạo thành

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CẤU TẠO PHÂN TỬ HỢP CHẤT HỮU

CƠ

Một hợp chất hữu cơ được điều chế bằng con đường tổng hợp hoặc tách từ nguồnnguyên liệu thiên nhiên sau khi đã làm sạch và kiển tra xác nhận độ sạch có thể đem xácđịnh cấu tạo phân tử

Việc xác định cấu tạo phân tử dù bằng phương pháp nào ( hoá học, vật lý hay kếthợp hoá học và vậy lý) đều theo nguyên tắc chung sau:

2.1 Phương pháp chung xác định công thức cấu tạo phân tử một hợp chất hữu cơ

Quá trình xác định cấu tạo phân tử một hợp chất hữu cơ gồm những giai đoạn sau:

1 – Phân tích định tính, định lượng thành phần nguyên tố và phân tử khối của chấtkhảo sát để thành lập công thức phân tử

2 – Phân tích định tính, định lượng các nhóm chức có chứa trong chất khảo sát đểthành lập công thức cấu tạo

3 – Xác định cấu trúc tinh vi của phân tử (đồng phân, tinh thể, tính chất các liênkết…)

Cuối cùng tìm cách kiểm tra tính đúng đắn của công thức cấu tạo đưa ra và kếtluận

Trong quá trình tiến hành xác định cấu tạo phân tử thường người ta dựa vào cáccách sau:

- Tìm những phản ứng đặc trưng hoặc điển hình

- Xác định sự có mặt của những gốc có cấu tạo xác định trong thành phần phân tửchất khảo sát

- Dựa vào kết quả nghiên cứu các tính chất vậy lý của chất khảo sát

Để cụ thể hoá dưới dây chúng tôi xin trình bày một số phương pháp chủ yếu xácđịnh cấu tạo phân tử và đơn củ một vài thí dụ điển hình

để xác định Thí dụ bằng phương pháp hoá học, vật lý tìm thấy trong một hợp chất hữu

cơ có chứa 3 nguyên tố C, H, N

b Xác định thành phần định lượng các nguyên tố

Mục đích của bước này là xác định số phần trăm khối lượng các nguyên tố chứatrong chất khảo sát đã tìm thấy ở bước một để thiết lập một công thức thực nghệm ( côngthức nguyên đơn giản)

Giả sử ta đốt cháy 0,356 gam hợp chất khảo sát trên thu được 0,200 gam H2O; 0,990gam CO2 và khi đốt cháy 0,237 gam cũng hợp chất này thu được 37,6 cm3 N2 đo ở điềukiện 180C và 750 mmHg Tính thành phần phần trăm của các nguyên tố

44

990,0

365,0

100.270,

18

200,0

356,0

100.0222,

00376,01760

100.00125,0

+

−

=+

−

=

S t

F H V

N

Nếu đem chia lượng phần trăm của mỗi nguyên tố cho khối lượng nguyên tử của

nó ta sẽ được các con số tỷ lệ mà theo đó các nguyên tố kết hợp với nhau ở trong phân tửchất khảo sát:

C

32,612

8,

008,1

2,

c Xác định phân tử khối tương đối, thiết lập công thức phân tử

Hợp chất khảo sát có công thức thực nghiệm tìm được ở trên C5H5N ứng với thànhphần phần trăm các nguyên tố 75,8%C, 6,2%H và !8,0%N Không chỉ riêng hợp chất này

mà nhiều hợp chất khác cũng có thể có thành phần phần trăm các nguyên tố như vậy.Chẳng hạn như các chất có công thức chung ( C5H5N)n ( n = 1, 2, 3,…), chính vì vậy đểthiết lập công thức phân tử của các chất khảo sát ta cần phải xác định giá trị của trị số n.Muốn vậy phải biết được phân tử khối M của chất khảo sát:

Giả sử 0,400 gam cũng hợp chất này, khi biến thành trạng thái hơi không bị phânhuỷ, trong những điều kiện như với khí Nitơ nói trên, thì chiếm một thể tích bằng 124

.1

1.760

−

273760

7,734 001293,

0.124400,

Sự có mặt trong chất khảo sát có công thức phân tử tìm được ở trên nhóm amin haynitrin, cấu tạo vòng hay cấu tạo thẳng v.v… là nhiệm vụ của những giai đoạn xác địnhcấu tạo tiếp theo

2.12 Xác định công thức cấu tạo

Giai đoạn xác định công thức cấu tạo của hợp chất gồm các bước định tính, địnhlượng các nhóm chức

Giai đoạn này và giai đoạn xác định cấu trúc tinh vi tiếp theo ( xác định khung phân

tử, vị trí các nhóm chức, nhóm thế, đồng phân, cấu trúc không gian, vv…) liên quan mậtthiết với nhau, cái nọ hoàn thiện cho cái kia, đồng thời trả lời dứt điểm câu hỏi về cấu tạocủa hợp chất khảo sát

Trong những trường hợp chung nhất người ta sử dụng các các phản ứng định tínhđặc trưng, các dữ kiện phổ để phát hiện các nhóm chức và các phương pháp xác địnhriêng cho từng nhóm chức để định lượng chúng

Trong một số trường hợp riêng và đơn giản, chẳng hạn trường hợp chất khảo sát cóthành phần phân tử đơn giản nhất, không có những hiện tượng đồng phân, hỗ biến, thìngay số hoá trị của các nguyên tử hợp thành phân tử cũng có thể hoàn toàn xác định đượccông thức cấu tạo của nó

Thí dụ: Chất có công thức phân tử CH4O không thừa nhận một cấu tạo nào khácngoài cấu tạo biểu thị bởi công thức sau:

Công thức này dù nằm trong mặt phẳng hay không gian, nguyên tử O ( nhóm OH)nằm ở vị trí nào ( 1,3,4) thì nó vẫn là công thức cấu tạo của metanol Nhưng dù sao tínhđúng đắn công thức cấu tạo này cũng vẫn là do sự nghiên cứu các tính chất của metanolxác nhận Đó là thuộc về nguyên tắc: “ Tính đúng đắn của một công thức cấu tạo của mộtchất phải được nghiên cứu về các tính chất của chất ấy xác nhận”

Trong những trường hợp phức tạp hơn, thí dụ như có hiện tượng đồng phân, hỗ biến( nhẳn hạn như công thức C5H5N ở trên ta có thể đặt ra những gỉa thiết cấu tạo sau:

CH ≡ C −C ≡ C - CH2NH2, CH2 = CH - CH = CH - CN,

NV,V

Hoặc phân tử có cấu trúc phức tạp thì cấu tạo phân tử của một hợp chất chỉ có thểđược xác định sau những sự khảo sát tỉ mỉ các phản ứng hoá học của nó, các sản phẩmchuyển hoá của nó cũng như các tính chất vật lý của nó

Người ta thường dựa vào những phương pháp chủ yếu sau đây để xác định cấu tạocủa một hợp chất:

1) Dựa vào quy luật về các phản ứng đặt trưng và tính chất vậty lý đặc trưng Nghĩa

là các phân tử của các chất khác nhau có chứa những nhóm nguyên tử giống nhau phảicho những phản ứng đặc trưng điển hình hoặc các đại lượng, tính chất vật lý ( bước sóng,tần số hấp thụ, tín hiệu phổ, vv…) tương tự nhau

2) Dựa vào định luật về gốc, nghĩa là qua những sự chuyển hoá hoá học hoặc dướinhũng tác động vật lý, phần lớn các liên kết trong phân tử được giữ nguyên không thayđổi hoặc sự phá vỡ xảy ra theo những quy luật nhất định Cho nên biết được cấu tạo phân

tử của những sản phẩm sinh ra từ một chất khảo sát nhờ thực hiện những phản ứng hoáhọc hoặc sự phân mảnh, thì ta có thể biết được cấu tạo phân tử của chất khảo sát ban đầu

Do đó, thường người ta nguyên cứu cấu tạo của một hợp chất theo hai hướng đi tráingược nhau:

- Hướng đi 1 là “phân li” chất : Người ta đưa ra chất khảo sát vào những phản ứnghoá học hoặc nhờ biện pháp phá vỡ phân mảnh để chia nhỏ phân tử ra thành những phân

tử đơn giản hơn có cấu tạo biết trước

Hướng đi 2 là “ tổng hợp” chất: Căn cứ vào cấu tạo của những phân tử chia nhỏ thuđược người ta lắp ghép và suy đoán ra các liên kết của những phân tử chia nhỏ ấy tạothành công thức cấu tạo của phân tử chất khảo sát Sau đó để kiểm tra sự lắp ghép và suydiễn trên đối với cấu tạo chất khảo sát có đúng không, trong trường hợp có thể người ta

áp dụng phương pháp ngược lại của phân li là tổng hợp, nghĩa là từ những phân tử nhỏ

mà cấu tạo đã biết thu được, người ta dùng các phản ứng hoá học kết hợp chúng lại theomột cách nhất định Trong trường hợp không thể thực hiện được sự kiểm tra trên, người

ta sử dụng những biện pháp khác ( các phản ứng hoá học, các phương pháp vật lý khácnhau) để kiểm tra

Để làm sáng tỏ những điều đã nói này ta có thể nêu một số ví dụ sau:

Xác định công thức cấu tạo chất X có công thức phân tử là C2H4O2

Khi cho chất này tác dụng với kim loại Natri thấy giải phóng ra hiđro:

C2H4O2 + Na → C2H3NaO2 +

2

1

H2↑

Khi cho tác dụng với PCl5 thấy giải phóng ra HCl và POCl3

Qua hai phản ứng này ta thấy đây chính là phản ứng đặc trong của nhóm OH củarượu hoặc của một axit:

ROH + Na → RONa +

21

H2

Và ta có thể viết công thức của X dưới dạng tách riêng nhóm hiđroxi: C2H3O – OH

Khi cho tác dụng với Cl2 thấy liên tiếp 3 nguyên tử H được thay thế bằng 3 nguyên

tử Cl:

C2H3O – OH + Cl2 → C2H2ClO – OH + HCl

C2H2ClO – OH + Cl2 → C2HCl2O – OH + HCl

C2HCl2O – OH + Cl2 → C2Cl3O – OH + HCl

Qua phản ứng này ( phản ứng đặt trưng cho sự thế Cl của hiđrocacbon) ta có thể đi

đến kết luận về các nguyên tử hiđro của chất khảo sát: 4 nguyên tử H thì một đã gắn với

nguyên tử O trong nhóm OH và 3 H cò lại trong phần C2H3O đều nối với C Vấn đề cò lại

ở đây cần giả quyết là cả 3 H đều gắn với một nguyên tử C hay là gắn với cả 2 nguyên tử

C như cấu tạo dự kiến dưới đây:

C2H3O

CH3O

-C-CH2O

hợp Như vậy chỉ còn cấu tao ( a) là có thể tin tưởng, nghĩa là cả 3 H gắn với 1 C Thực

vậy, qua phản ứng với NaOH ở nhiệt độ cao người ta đều thu được CH4 hoặc CHCl3 và

Na2CO3:

ONaONa

ONa

ONa( Phần C2H3 – trong đó có một C và O tham gia với hai nhóm ONa tao ra

ONaONa

O = CCòn 1C và 3H hoặc 1C và 3Cl tham gia với H của NaOH tạo ra CH3 – H → CH4 hoặc

CCl3 – H →CCl3H).

Từ đây ta có thể kết luận cả 3 nguyên tử H đều chỉ nối với một nguyên tử C, cho nên trong chất X có chứa gốc metyl.

Như vậy công thức cấu tạo của chất X phải là:

C2H3O - OH → CH3CO - OH CH3

-C-O

OH

Và có tên gọi là axit axetic

Công thức cấu tạo nà được xác định bởi phản ứng tổng hợp ra axit axetic từ các sản phẩm “ phân li” chia nhỏ có cấu tạo đã biết là metan CH4 và CO2 ( tạo với NaOH cho ra

Và đến đây có thể coi như đã xác định xong hẳn công thức cấu tạo của chất X

+ Ta cũng có thể dùng các phương pháp phổ ( hồng ngoại, cộng hưởng từ hạt nhân, phổ khối) xác định nhanh cấu tạo của axit axetic, chẳng hạn bằng phương pháp phổ hồng ngoại có những cực đại hấp thụ ở các tần số:

-C-CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ TRONG HỢP CHẤT HỮU CƠ

3.1 Nguyên tắc chung

Để xác định thành phần các nguyên tố hợp chất hữu cơ ( định tính và định lượng).Ngoại trừ một số ít trường hợp đều dựa vào hai nguyên tắc chung sau đây:

1 Vô cơ hoá hợp chất hữu cơ thành những chất đơn giản ( CO2, H2O, NH3, SO2 ,

…) hoặc các ion, sau đó sử dụng các phương pháp phân tích vô cơ đã biết để xác địnhchúng Nguyên tắc này có ý nghĩa chung nhất và ssược áp dụng rộng rãi cho đến ngàynay Người ta thường tiến hành vô cơ hoá hợp chất hữu cơ bằng hai phương pháp sau:

+ Oxi hoá phân huỷ các hợp chất hữu cơ bằng O2, các oxit kim loại hoặc hỗn hợpcác chất oxi hoá ( Na2O+ KClO3, KNO3 + Na2CO3, H2SO4 + K2Cr2O7,…)

+ Khử phân huỷ các hợp chất hữu cơ bằng H2, bằng các kim loại hoặc động ( Na,

K, Ca, Mg,…)

Thí dụ: Hợp chất C8H8O3NSCl ( ClSO2 – C6H4 - NHCOCH3), sau khi vô cơ hoábằng cách đốt với O2 sẽ chuyển thành CO2, H2O, SO2, Cl2, NxOy, khi vô cơ hoá bằng cáchđốt nóng chảy với Na kim loại sẽ cho tác dụng với ion sau: CO32-, Cl-, CN-, S2-, H2O( NaOH)

2 Dựa vào độ giàu tự nhiên các nguyên tố đồng vị nhận được từ phương pháp phổkhối lượng ( bảng 2.15) tuy nhiên phương pháp này còn có những hạn chế về độ chínhxác và không được áp dụng cho những nguyên tố đồng vị như F, P, I, Al, Mn, Co, As,Au.

3.2 Định tính nguyên tố

3.2.1 Tìm C, H

Khi oxi hoá các hợp chất hữu cơ bằng CuO khô hoặc bằng O2 ở nhiệt độ cao ( 700– 8000C), cacbon sẽ chuyển thành CO2 là vẩn đục nước vôi trong do có sự tạo ra kết tủaCaCO3, còn H2 sẽ chuyển thành nước bám lại trên thành ống nghiệm hoặc nhận biết bằngCuSO4 khan:

(C) + 2CuO (O2) → 2Cu + CO2↑

(2H) + CuO (1/2O2) → Cu + H2O

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓+ H2O

5H2O + CuSO4 → CuSO4.5H2O

Chú ý: Nếu hợp chất có chứa lưu huỳnh thì cần cho khí thoát ra đi qua dung dịch

K2Cr2O7 + H2SO4 để giữ các lưu huỳnh oxit, nếu không sẽ có kết tủa CaSO4, lẫn với kếttủa CaCO3

Khi trong tay chúng ta không có đủ lượng lớn chất để tìm C, H theo cách thôngthường thì cần sử dụng phương pháp vi lượng ( trên dưới 1 mg chất) hoặc phương pháplượng vết để phát hiện chúng

3.2.1.1 Tìm cacbon bằng phương pháp vô cơ hoá chất với molipđen trioxit

Khi đốt nóng chậm bất kì hợp chất hữu cơ nào với molipđen trioxit vàng sángkhông có mặt không khí ở nhiệt độ không cao quá 5000C, hợp chất đó hoặc sản phẩmphân huỷ nhiệt độ nó sẽ bị oxi hoá với sự tạo ra đồng thời các oxit thấp của molipden cómàu xanh:

(C) + 4MoO3 → 2Mo2O5 + CO2

Phương pháp cho phép phát hiện cacbon trong những lượng chất nhỏ từ 1-10 µg

các nguyên tố khác có mặt như lưu huỳnh, halezen và nitơ ( trừ nitơ ở dưới dạng amoni)không gây cảng trở

3.2.1.2 Tìm hiđro bằng nhiệt phân chất với lưu huỳnh

Khi nhiệt phân các hợp chất hữu cơ chứa hiđro trong sự có mặt lưu huỳnh nóngchảy sẽ tao ra hiđrosunpua, không phụ thuộc vào sự có mặt trong phân tử các nguyên tốkim loại và phi kim loại khác, phản ứng đehiđro hoá xãy ra nhanh ngay cả ở 2500C H2Stạo ra được phát hiện bằng giấy tẩm chì axetat đặt trên miệng ống nghiệm ( từ không màuchuyển sang nâu hoặc đen)

Phương pháp cho phép phát hiện hiđro trong những lượng chất nhỏ từ 0,1 - 1µg.

3.2.2 Tìm N

1 Phương pháp oxi hoá phân huỷ

Khi ta đốt nóng trong dòng oxi hoặc với CuO ở 600 – 6500C, nitơ trong hợp chất

sẽ chuyển thành Nitơ đioxit và có thể nhận biết nó rỏ ràng theo phản ứng vớiđiphenylamin trong môi trường axit H2SO4

X

+

Xanh tím -2e, -2H +

2 Phương pháp khử phân huỷ

a Mẫu thử Lasaigne

Các hợp chất hữu cơ chứa N, ( S, Hal) khi đun với natri ( hay kali) kim loại nóngchảy dư sẽ bị phân huỷ cho natri dư ( hay kali) xianua ( sunpua, halozenua) và dễ dàngnhận biết chúng

(C, H, O, N, S, Hal) + Na →t0 NaCN + Na2S, NaHal + NaOH

NaCN có thể nhận biết bằng một trong các phản ứng sau:

phản ứng màu xanh Beclanh

FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2↓ + Na2SO4

Fe(OH)2 + 2NaCN = Fe(CN)2 + 2NaOH Fe(CN)2 + 4NaCN = Na4[Fe(CN)6]

3Na4[Fe(CN)6] + 2Fe2(SO4)3 H →2SO4 Fe4[Fe(CN)6]3 + 6Na2SO4

Phản ứng màu với benziđin axetat và đồng axetat

Nhiều chất oxi hoá chuyển được beziđin trong dung dịch axit axetic thànhbenzinđin xanh:

Phản ứng này nhạy hơn phản ứng màu xanh Béclanh và dễ thực hiện Khi có mặtcủa sunfua ( gây cản trở do tạo CuS) cần phải đuổi nó trước khi thử bằng chì axetat và litâm lọc bỏ.

Mâu thử Lassaigene không ứng dụng cho những chất dễ bay hơi, dễ phân huỷnhiệt, các chất nổ, ( muối điazoni, hợp chất polinitro), các chất khó phân huỷ như protithoặc khi chất có lẫn CHCl3, CCl4 gây nổ nguy hiểm

b Phân huỷ bằng kim loại và cacbonat kim loại kiềm

Để tránh những khó khăn liên quan đến sự làm nóng chảy với nảti kim loại, một

số phương pháp được mô tả để tìm nitrơ ( lưu huỳnh, halogen) bằng cách làm nóng chảyvới hỗn hợp magie kim loại hoặc kẽm và natri hoặc kilicacbonat Khi này nitơ sẽ chuyểnthành natri ( hoặc kali) xianua ( Hal chuyển thành Na - hoặc Khal, lưu huỳnh sẽ chuyểnthành MgS hoặc ZnS không tan trong nước)

NaCN ( hoặc KCN) tạo thành được phát hiện theo phương pháp mô tả ở trên, lưuhuỳnh không cản trở

c Đối với những hợp chất hữu cơ chứa nitơ dễ phân huỷ và bay hơi: Như các bazơ

hữu cơ ta có thể vô cơ hoá chúng ở nhiệt độ thường hoặc không cao bằng vôi tôi xút( CaO + NaOH), Khi đó NH3 sinh ra hoặc amin chưa kiệp phân huỷ bay ra phát hiện bằnggiấy tẩm bạc nitrat và magan nitrat rất nhạy nhờ xuất hiện vệt đen hoặc nâu trên nền giấythử màu trắng do tạo ra bạc nguyên tố vag Mn2O:

2Ag+ + Mn2+ + 4OH- = 2Ag+ + MnO2 + 2H2OCác phảm ứng tìm nitơ nêu trên hầu hết có thể sử dụng lượng vết chất phân tích

Để khẳng định iot ta còn có thể thực hiện phản ứng nhuộm màu iot: Dung dịchLassaigne sau khi axit hoá bằng H2SO4, thêm hồ tinh bột và NaNO2 sẽ cho màu xanh

2NaI + 2NaNO2 + 2H2SO4 = I2 + 2NO + 2Na2SO4 + 2H2O

Và brom bằng tạo kali bromplatinat màu đỏ đến nâu:

6NaBr + Pt(SO4)2 + K2SO4 = K2PtBr6 + 3Na2SO4

b Nhận biết dưới dạng halegen tự do

Thêm vào dung dịch Lassaigne đã axir hoá bằng H2SO4 loãng với ít giọt Clorofom

và tít giọt H2O2 3%, lắc Nếu lớp clorofom không màu thì halogen là clo, màu nâu hoặc

đỏ nâu là brom, còn màu tím là iot

c Tìn flo

Axit hoá dung dịch Lassaigne bằng HCl và tìm flo bằng thuốc thử zirconializarinat:

Zr(Aliz)4 + 6F- → [ZrF6]2- + 4Aliz –

Aliz – + H+ → AlizH

(Zr(Aliz)4 có màu đỏ tím, alizarin tự do AlizH có màu vàng)

2 Phân huỷ bằng natri cacbonat

Hợp chất hữu cơ chứa clo, brom, iot khi nung với natri cacbonat sẽ tạo ra các natrihalogenua và khi đun chúng với hỗn hợp cromic sẽ tách ra các halogen tự do và đượcbằng thuốc thử tioxeton Michler ( 4,4’-bis - đimetylaminotiobenzophenon) dựa vào sựchuyển màu từ màu vàng sang xanh nước biển

1 Mẫu thử Lassaigne: Tìm S2- bằng một trong các phương pháp như sau:

a Axit hoá dung dịch lassaigne bằng axit axetic loãng và phát hiện lưu huỳnh bằng chì

axetat cho kết tủa chì sunfua màu đen:

Sự có mặt của photpho có thể nhận biết bởi mùi của photphin tạo ra khi đun chấtvới natri nóng chảy hặc làm đen giấy tẩm bạc nitrat đặt trên miệng ống nghiệm.

Ta cũng có thể phát hiện photpho sau khi đun dung dịch Lassaigne với axit nitricđặc và cho phản ứng với thuốc thử amoni molipdat Nếu photpho có mặt sẽ kết tủa tinhthể vàng amoni 12-molipđophotphat tách ra :

PO43- + 12MoO42- + 3NH4 + 24H+ = (NH4)3PO4.12MoO3 + 12H2O

Trong trường hợp ta không thu được kết tủa tinh thể vàng rõ ràng, có thể phát hiệnamoni photphomolipdat tạo ra bằng phản ứng với benzen axetat và đồng axetat cho sảnphẩm màu xanh ( bezen xanh và molipđen hoá trị 6 – molipđen xanh)

2 Oxi hoá phân huỷ bằng caxi oxit

Hợp chất hữu cơ chứa photpho khi nung với canxi oxit sẽ tạo ra canxi photphat vàkhi hoà tan trong axit thu được ion photphat và nhận biết bằng tạo ra tinh thể màu vàngamoni photphomolipđat như ở trên

Đối với hợp chất cơ photpho dễ bay hơi hoặc thăng hoa, khó có thể phân huỷ vớinatri nóng chảy hoặc nung với canxi oxit thì chất được đem oxi hoá phân huỷ bằng axit

2 Oxi hoá phân huỷ bằng canxi oxit

Khi nung hợp chất cơ asen với CaO sẽ tạo canxi asenat Asen (V) trong canxiasenat được chuyển thành hiđro asen (asin) bằng nung với natri fominat ở nhiệt độ trên

3000C và sau đó phát hiện AsH3 bằng sự chuyển sang màu nâu bằng giấy tẩm bạc nitrat:

2HCOONa → Na2C2O4 + 2H

Ca2(AsO4)2 + 16H → 2AsH3 + 3CaO + 5H2O

AsH3 + 6AgNO3 + 3H2O → 6Ag + 6HNO3 + H3AsO3

3.2.7 Tìm antimon

Khi nung hợp chất antimon sẽ tạo ra các Sb2O5 và Sb2O3 Các oxit tạo thành đượcphát hiện bằng dung dịch điphenylamin hoặc N,N – điphenylbenziđin trong axit sunfuaricđặc với sự tạo thành các hợp chất quinoit màu xanh

Nếu cặn còn lại sau khi nung có các muối nitrat kim loại kiềm hoặc kiềm thổ thìcần phân huỷ hoàn toàn chúng bằng cách làm bốc hơi với axit fomic đặc rồi nung Bằngcách sử lý này, các nitrat và nitric chuyển toàn lượng thành cacbonat, trong khi đó Sb2O5

còn lại không đổi, sẽ không gây cản trở cho việc xác định antimon

tìm thuỷ ngân bằng giấy tẩm palađi clorua từ màu vàng nâu chuyển sang màu đen do tạo

ra palađi kim loại ở trạng thái phân tán cao:

PdCl2 + Hg = Pd + HgCl2

Trong trường hợp sau, khi nung chất tạo ra halogenua hoặc cả thuỷ ngân kim loạithì tìm thuỷ ngân bằng đồng (I) iođua với sự tạo ra đồng(I) tetraiomecurat màu đỏ

2Cu2I2 + Hg = Cu2[HgI4] + 2Cu

2Cu2I2 + Hg(Hal)2 = Cu2[HgI4] + Cu2[Hal]2

- Phương phát ướt: Đun chất với HNO3 đặc, H2SO4 đặc hoặc hỗn hợp axit H2SO4

và pesunpat, khi đó tạo ra các dung dịch nitrat hoặc sunfat của các kim loại

Sau đó, từ những sản phẩm phân huỷ thu được người ta xác định kim loại bằngnhững phương pháp thông thường của phân tích vô cơ

Một phương pháp định tính và bán định lượng hệ thống phân tích nguyên tố hợpchất hữu cơ là nấu chảy với natri peoxit trong bom Parr đối với chất rắn và chẩt lỏng,trong ampun hàn kín với chất lỏng sôi thấp và khí Hỗn hợp sau khi phân huỷ được xử lývới nước sôi Phần không tan gồm những nguyên tố bazơ cho các oxit hoặc cacbonatkhông tan ( Fe, Ti, Mn, Ni, Cd, Ca, Mg, Sr, Ba, Zn, Cu, Pb) Một phần dung dịch chiếtchủ yếu là các nguyên tố lưỡng tính ( Se, Te, Al, Cu, Cd, Zn, Cr, As, Sb, Sn) và một phầnkhác là các nguyên tố axit (F, Cl, Br, I, S, Cr, Te, As, P, Se, Sb, B)

Chất xúc tác thường dùng là Pt Tác dụng của chất xúc tác chủ yếu là để đảm bảocho sự đốt ( oxy hoá) chất được hoàn toàn và có thể hạ nhiệt độ đốt Do đó có thể vừa

đảm bảo mức độ chính xác và áp dụng rộng rãi các phương pháp, vừa làm dễ dàng vềmặt kỹ thuật phân tích.

Trường hợp không dùng xúc tác thường phải dùng nhiệt độ cao để phân huỷ chất (

900 – 13000C) và một lượng đủ lớn oxi ( cùng với các chất tăng cường oxi hoá: Một sốoxit kim loại)

Hai khuynh hướng này (đốt chất ở nhiệt độ không cao lăm với sự có mặt của chấtxúc tác, đốt chất ở nhiệt độ cao với sự có mặt của một lượng dư lớn oxi không dùng và códùng chất tăng cường oxi hoá) đều được các nhà phân tích hữu cơ sử dụng

Định lượng CO 2 và hơi H 2 O tạo thành

Để định lượng CO2 và H2O tạo thành, người ta sử dụng các phương pháp đo thểtích khí ( áp kế), phương pháp thể tích (chuẩn độ), phương pháp điện hoá ( đo độ dẫnđiện), phương pháp trong lượng (cân), phương pháp phổ hồng ngoại và sắc ký khí Haiphương pháp sau được dùng phổ biến hiện nay

Phương pháp trọng lượng cá ưu điểm nhanh, để thực hiện chính xác, trong phươngpháp này, H2O được hấp thụ vào ống hoặc lọ đựng CaCl2, CaSO4, CoCl2, P2O5, H2SO4

đặc, nhưng thường dùng hơn cả là Mg(ClO4)2 Chất này có ưu điểm là khi hấp thu bãohoà nước ( 6 phân tử nước) vẫn không bị chảy nhè như CaCl2 làm tắc ống CO2 được hấpthụ bằng vôi tôi xút ( hỗn hợp CaO và NaOH), KOH viên, nhưng thường dùng hơn cả làascarit ( 6 phần NaOH viên + 10 phần amiăng kỹ thuật) Ascarit cơ ưu điểm khả nănghấp thu CO2 lớn ( tới 20% khối lượng của ascarit) và khi hấp thu bão hoà CO2 Màu nâucủa nó chuyển thành trắng, nhờ đó dễ dàng theo dõi để biết khi nào cần thay thế chất nhồimới Các ống hấp thu sau đó đem cân Gia trọng của các ống hấp thu sẽ cho biết lượng

CO2 và H2O tạo ra, từ đó tính được lượng C, H trong chất khảo sát

Phương pháp hồng ngoại và sắc kí khi xác định CO2 và H2O dựa vào cường độvạch hấp thụ ở những tần số đặc trưng của chúng hoặc diện tích của đỉnh sắc kí tươngứng của chúng Nhờ các phương pháp này người ta có thể chế tạo được máy phân tích tựđộng C và H

3.3.3.2 Các phương pháp xác định C, H

Số các phương pháp xác định C, H có nhiều, ta có thể tạm chia làm hai loại: Đốtkho và đốt ướt Hiện nay được dùng chủ yếu là phương pháp đốt khô, còn phương phápđốt ướt chỉ dùng trong những trường hợp hãn hữu và chỉ cho phép xác định một cacbon

3.3.3.2 1 Phương pháp đốt khô

Phương pháp đốt khô bao gồm các phương pháp đốt chất trong dòng khí oxi trongống có nhồi chất và phương pháp đốt chất trong dòng oxi trong ống rỗng không nhồichất

a Các phương pháp đốt chất trong bầu khí quyển oxi trong ống có nhồi chất oxi hoá

- Phương pháp Liebig ( phương pháp lượng lớn)

Lượng cân chất ( từ 0,1 – 0,5 g) được đốt ở trong ống thuỷ tinh có hai đầu rộngnhồi đồng oxit, đốt nóng đến 700 – 7500C và thổi oxi hoặc không khí đi qua với tốc độ 3– 5 ml/phút dưới áp xuất 70 – 85 mmHg Nước được tạo ra được hấp thu trong ống đựngCaCl2 hoặc H2SO4 đặc, còn CO2 được hấp thu bằng ống đựng vôi tôi xút hặc KOH đặt ởsau ống hấp thụ nước ( Hình 3.1)

O2 hoặc

Lò (đèn) đốt

Hình 3.1: Sơ đồ máy phân tích C, H LiebigPhương pháp Liebig hiện nay khơng cịn ứng dụng trong phịng thí nghiệm nghiêncứu, tuy vậy trong các phịng thí nghiệm cơng nghiệp nĩ vẫn cịn được ứng dụng rộng rãi

- Phương pháp Pregl ( phương pháp lượng nhỏ)

Chất từ 3 – 8 mg được đốt trong ống thạch anh một đầu vuốt nhọn nhồi hỗn hợpchất oxi hố CuO + PbCr2O7 đốt nĩng đến 600 – 7000C, một lớp bơng hoặc bạc đốt nĩng

ở 6000C và một lớp chì đioxit được đốt nĩng 190 – 2000C để giữ các halogen và nitơ oxit( hình 3.2) Ống được nhồi qua một dịng oxi với tốc độ 4 ml/phút và dưới áp suất 40 –

60 mmHg Nước được tạo ra được hấp thu vào Mg(ClO4)2 và CO2 hấp thu bằng ascarit

PbO2Ag

Trường hợp đốt chất trong ống dưới áp suất thường, H2O và CO2 tạo ra cho đi quaống đựng CaC2 để chuyển nước thành C2H2 Các khí C2H2 và CO2 sau đĩ được ngưngbằng nitơ lỏng ( giữ cho áp suất ở 110 mmHg để tránh cho oxy dùng để đốt chất khỏi bịngưng) Sau đĩ cho các khí ngưng bay hơi trong dịng khí mang He đi vào cột sắc kýnhồi silicagen để tách chúng ở nhiệt độ thường

Thời gian

CO

2

Dựa vào diện tích của các đỉnh và ngoại suy theo đường chuẩn để tính lượng C, H

3.3.3.3 Xác định C, H trong sự có mặt của các nguyên tố khác

Như đã nêu ở trên, các nguyên tố khác có mặt trong hợp chất hữu cơ thường gâycản trở cho việc xác định C, H trong hợp chất Dưới đây sẽ trình bày một cách có hệthống cách khắc phục những cản trở đó

1 Hợp chất chứa C, H, O: Sự có mặt của oxi trong hợp chất khảo sát là dễ dàng cho quá

trình xác định, không gây cản trở nào

2 Hợp chất chứa N: Khi đốt các hợp chất chứa nitơ sẽ tạo ra nitơ nguyên tố và các nitơ

oxit (NO2, NO…) Các oxit này sẽ bị ascarit hấp thu gây cản trở cho việc xác định Đểkhắc phục, người ta có thể dùng chì đioxit đặt ở trong ống nung và phần ống này đượcđốt nóng đến 180 – 2000C để giữ các nitơ oxit:

PbO2 + 2NO2 = Pb(NO3)2

PbO2 + 2NO = Pb(NO2)2

Hoặc có thể tạo ra các muối bazơ:

2PbO2 + 2NO2 = Pb(NO3)2.PbO +

Ngoài PbO2 người ta còn dùng MnO2 Các oxit này giữ rất tốt các muối nitơ oxit ở

180 – 1900C, tuy nhiên chúng có nhược điểm hấp thụ hơi các chất hữu cơ trong phòng thínghiệm, sau đó oxi hoá chúng dần ở nhiệt độ 180 – 2000C tạo ra CO2 và H2O rây sai số,mặt khác các oxit này giữ CO2 và H2O tạo ra khí đốt khá chặt, đồi hỏi thời gian phân tíchlâu để đảm bảo đuổi hết CO2 và H2O sang các ống hất thu, nhiều tác giả đã đưa các oxit

H2O

CO2

Thời gian

này ra ngoài ống nung và đặt nó ở giữ ống hấp thu nước và ống hấp thu CO2 như trườnghợp đốt chất trong ống rỗng không nhồi chất oxi hoá.

Để giữ nitơ oxit ở bên ngoài ống nung còn có thể sử dụng silicagen tẩm hỗn hợp

K2Cr2O7 + H2SO4 100% hoặc hỗn hợp 50% MnO2, 30%CuO, 15%Co2O3 và 5%Ag2O ởnhiệt độ thường

3 Hợp chất chứa halogen: Khi đốt các hợp chất chứa halogen ( trừ F) sẽ tạo ra các axit

HX hoặc halogen tự do X2 gây cản trở việc xác định Để hấp thu chúng người ta dùng Agđặt ở trong ống đốt và đốt nóng đến 550 – 6000C ( nếu dùng lưới bạc) 400 – 4500C ( nếudùng bột bạc nhận được bằng điện phân và được phủ lên trên bề mặt amiăng:

HX + X2 + Ag → AgX

Trong trường hợp halogen là F ta không thể dùng bạc để giữ nó vì AgF bay hơi

mà dùng MgO đặt vào một thuyền riêng

F + MgO → MgF2

Các halogen tạo ra thường làm giảm khả năng oxi hoá của oxi đối với sản phẩmphân huỷ của chất, nên Ag hoặc MgO cần đặt ở trước vùng oxi hoá trong trường hợp đốtchất theo Corơsun – climova

4 Hợp chất chứa S: Những hợp chất chứa S khi đốt mẫu sẽ tạo ra các lưu huỳnh oxit Để

giữ chúng khổi đi vào các ống hấp thu nước và cacbon đioxit, người ta đặt vào ống nunglưới bạc ( đốt nóng đến 780 – 8000C hoặc bạc bột mịn ( đốt nóng đến 6000C)

SO3, SO2, O2 + Ag → AgSO4

5 Hợp chất chứa P: Khi đốt chất có chứa P sẽ tạo ra P2O5, người ta giữ nó bằng cáchthêm vào thuyền cân SiO2 nó sẽ tạo ra P2O5 một phức bền không bay hơi

6 Hợp chất chứa P, halogen: Ta cần lưu ý 2 trường hợp:

- Halogen không liên kết trực tiếp vớp P: trường hợp này chỉ tạo ra P2O5 ( giữbằng SiO2) và các HX, X2 ( giữ bằng Ag)

- Halogen liên kết trực tiếp vớp P: Trường hợp này có thể tạo ra PX3, PX5, POX3,POX5 bay hơi gây cản trở Khi đó cần thêm 1 – 5 mg H2O vào thuyền cân để thuỷ phânnhững hợp chất này và cuối cùng lại thu được P2O5, HX, X2 Điều cần lưu ý khi tínhlượng nước tao ra của hợp chất thì phải trừ đi lượng nước đã thêm vào Trường hợp chấtkhảo sát chứa lượng hiđro đủ lớn thì không nhất thiết phải thêm nước vào trước khi đốt

7 Hợp chất chứa Si: Khi đốt chất có chứa Si sẽ tao ra SiO2 nằm lại trong thuyền cânkhông gây ảnh hưởng Tuy vậy, trong nhiều trường hợp, cùng với SiO2 có thể tạo racacbua silic SiC rất bền với nhiệt ( chỉ bị oxi hoá ở nhiệt độ cao hơn 20000C) sẽ gây sai

số xác định cacbon Để khắc phục, người ta cần thêm vào lượng cân Cr2O3 phủ trênamiăng để phá SiC tạo ra ( amiăng có tác dụng tạo xốp đồng thời để giữ không để SiO2

khi hình thành bay ra bám vào thành ống đốt)

8 Hợp chất chứa silic, halogen: Ta cần phân biệt hai trường hợp:

- Halogen không liên kết trực tiếp với silic: Trường hợp này chỉ tạo ra SiO2 và HX,

X2, SiO2 nằm lại trong thuyền cân ( khi phủ amiăng sợi) Còn các halogen giữ bằng Ag