đại cương về hoá phân tích

Định luật bảo toàn vật chất a/ Định luật bảo toàn nồng độ ban đầu: - Nồng độ ban đầu của một cấu tử bằng tổng nồng độ cân bằng của các dạng tồn tại của cấu tử đó trong dung dịch tại các

Trang 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ PHÂN TÍCH

Mở đầu:

* Hóa học phân tích là môn khoa học về các phương pháp xác định thành phần định tính và định lượng của các chất và hỗn hợp của chúng Như vậy, hóa phân tích bao gồm các phương pháp phát hiện, nhận biết cũng như các phương pháp xác định hàm lượng của các chất trong các mẫu cần phân tích

Trang 2

Hóa học phân tích đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển các môn hóa học khác cũng như các ngành khoa học khác nhau, các lĩnh vực của công nghệ, sản xuất và đời sống xã hội

Do có tầm quan trọng như vậy nên một loạt các chuyên ngành của khoa học phân tích đã ra đời và ngày càng phát triền mạnh như : Phân tích môi trường,

Phân tích khoáng liệu Phân tích hợp kim, kim loại,

Phân tích lâm sàng, Phân tích dược phẩm, Phân tích thực phẩm, V.v

Trang 3

Mục lục

I.1 Đại cương về phân tích định tính

I.1.1 Một số định luật cơ sở của hóa học và những vấn đề liên quan

I.1.1.1 Định luật bảo toàn vật chất

I.1.1.2 Định luật hợp thức (tỉ lượng)

I.1.1.3 Định luật tác dụng khối lượng

I.1.2 Phương pháp tính toán cân bằng ion

I.1.2.1 Giải bằng cách đặt điều kiện (so sánh các cân bằng);

Trang 4

I.1.2.2 Giải bằng cách gần đúng Niutơn (giải phương trình bậc cao);

I.1.2.3 Giải gần đúng liên tục (Thiếi lập hệ các phương trình)

I.1.2.4 Giải bằng đồ thị

I.2 Đại cương về phân tích định lượng

I.2.1 Điều chế dung địch chuẩn

I.2.2 Những khái niệm, qui tắc trong phân tích thể tích

Mục lục

Trang 5

I.1 Đại cương về phân tích định tính:

I.1.1 Một số định luật cơ sở của hóa học và những vấn đề liên quan

I.1.1.1 Định luật bảo toàn vật chất

a/ Định luật bảo toàn nồng độ ban đầu:

- Nồng độ ban đầu của một cấu tử bằng tổng nồng độ cân bằng của các dạng tồn tại của cấu tử đó trong dung dịch tại các thời điểm cân bằng

Trang 6

Trang 7

b/ Định luật bảo toàn proton:

(Là một dạng của định luật bảo toàn điện tích áp dụng đối với cân bằng axit-bazo)

Nội dung: Nếu ta chọn một trạng thái nào đó của dung dịch làm chuẩn (thường gọi là trạng thái quy chiếu hay mức không) thì tổng nồng độ proton mà các cấu tử

ở mức không giải phóng ra bằng tổng nồng độ proton

mà các cấu tử thu vào để đạt trạng thái cân bằng

Trạng thái quy chiếu (mức không) có thể là trạng thái ban đầu hay một trạng thái tùy chọn Thông thường

để tiện việc tính gần đúng, người ta thường chọn trạng thái trong đó nồng độ của các cấu tử chiếm ưu thế làm mức không

Trang 8

Trang 9

c/ Định luật bảo toàn điện tích:

Trong dung dịch các chất điện li tổng điện tích dương của các cation bằng tổng điện tích âm của các anion

Trang 10

I.1.1.2 Định luật hợp thức (tỉ lượng)

a/ Tọa độ phản ứng:

Đối với một phản ứng đã cho thì tỉ số giữa độ biến đổi số mol ni (hay độ biến đổi nồng độ mol Ci, nếu thể tích hỗn hợp phản ứng là không đổi) với hệ số hợp thức vi của cấu tử tương ứng là giống nhau đối với mọi chất phản ứng Tỉ số này được gọi là tọa độ phản ứng

Kí hiệu: hoặc

i i

n e

v





Trang 11

Tọa độ phản ứng đặc trưng cho mức độ hoàn toàn của phản ứng

Nếu kí hiệu nio hoặc Cio là số mol hoặc nồng độ ban đầu (trước khi phản ứng xảy ra) thì số mol ni(hoặc nồng độ Ci) của chất sau khi phản ứng là:

ni = nio + ni hoặc Ci = Cio + Ci

Trang 12

Ví dụ: Xét phản ứng:

Fe3O4(r) + 4CO(k) 3Fe(r) +4CO2(k)

Từ 0,2 mol Fe3O4 và 0,5 mol CO tạo ra được 0,3 mol Fe Hãy xác định thành phần của hỗn hợp sau phản ứng

Fe3O4(r) + 4CO(k) 3Fe(r) +4CO2(k)

Trang 13

Tọa độ phản ứng: e=0,3/3=0,1 (tính đối với Fe)

Độ biến đổi số mol:

Trang 14

b/ Tọa độ cực đại:

Để đánh giá hiệu suất cục đại của phản ứng ngưới ta so sánh các giá trị hoặc đối với các chất

đầu(vi<0), giá trị bé nhất sẽ là tọa độ cực đại của phản ứng

Ví dụ: Xét hỗn hợp phản ứng gồm Cr2O72- 0,10M, NO2

-0,12M, H+ 0,40M

3NO2- + Cr2O72- + 8H+  3NO3- + 2Cr 3+ + 4H2O

vi -3 -1 -8 3 2

Cio 0,12 0,10 0,40

-C -3x –x -8x 3x 2x

C 0,12-3x 0,10-x 0,40-8x 3x 2x

(x = tọa độ phản ứng)

Trang 15

Nồng độ H2O được coi là không đổi, vì nước là dung môi

Phản ứng đạt hiệu suất cao nhất nếu sau phản ứng nồng độ các chất đầu được triệt tiêu

Trang 16

c/ Thành phần giới hạn:

Là thành phần của hệ sau khi phản ứng xảy

ra với tọa độ cực đại Thành phần giới hạn cũng đồng thời là thành phần cân bằng nếu sau phản ứng chính vừa xét các cấu tử không tham gia vào bất kì phản ứng phụ nào khác

Trang 17

TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HÓA HỌC

I.1.1.3 Định luật tác dụng khối lượng

Ở nhiệt độ nhất định khi phản ứng đạt tới trang thái cân bằng, tích số hoạt độ của các chất tạo thành sau phản ứng chia cho tich số hoạt độ của các chất tham gia phản ứng với các số mũ bằng các

hệ số tỉ lượng tương ứng là một hằng số và gọi là hằng số cân bằng nhiệt động

Trang 18

- K: là hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ, dung môi và bản chất của chất điện li.

( ) ( ) ( ) ( )

Trang 19

Nếu A, B, C, D là những ion, khi kể đến lực tương tác giữa chúng, biểu thức hằng số cân bằng phải thay bằng hoạt độ Hoạt

độ a của một chất được xác định bằng

hệ thức:

a= f.C

Trong đó: C là nồng độ của ion

f là hệ số hoạt độ, phụ thuộc vào lực ion (I) của dung dịch

Trang 20

• Trong các dung dịch loãng họa độ của dung môi bằng phân số mol của dung môi và bằng đơn vị.

Trang 21

• Các chất rắn nguyên chất hoặc chất lỏng nguyên chất nằm cân bằng với dung dịch đều có hoạt đọ bằng đơn vị

• Các chất khí nằm cân bằng với dung dịch đều có hoạt độ (hoạt áp) bằng áp suất riêng phần của mỗi khí

• Hoạt độ của mỗi cấu tử trong hỗn hợp chất lỏng gần bằng phân số mol của từng cấu tử

Trang 22

Lực ion I là đại lượng bằng một nửa tổng số tích của nồng độ và bình phương điện tích của tất cả các ion trong dung dịch

Trong đó: [i]: nồng độ của ion i trong dung dịch

Zi: điện tích của ion i

n: số ion có mặt trong dung dịch

  2

12

i

i Z

Trang 23

Không thể xác định được chính xác hệ số hoạt độ của từng ion riêng biệt mà chỉ có thể xác định được

hệ số hoạt độ trung bình của các cation và anion

Trong dung dịch loãng (I<= 0,001) một cách gần đúng hệ số hoạt độ được tính theo phương trình:

Với A là hằng số phụ thược vào bản chất của dung môi, nhiệt độ Trong dung dịch nước ở 25oC thì A=0,5115

.

2 i

lgf  A Zi I

Trang 24

Với A là hằng số phụ thược vào bản chất của dung môi, nhiệt độ Trong dung dịch nước ở 25oC thì A=0,5115

Ở lực ion cao hơn thì phả sử dụng công thức kinh nghiệm có đưa thêm các số hạng hiệu chỉnh

khác nhau Theo Đê Vít khi 0,001<1<=0,8 thì:

Trang 25

Khi hệ số hoạt động bằng đơn vị (f=1) thì:

(K c là hằng số cân bằng nồng độ)

Lúc đó định luật tác dụng khối lượng được phat biểu lại là: ở nhiệt độ nhất định khi phản ứng đạt tới trang thái cân bằng, tích số nồng độ của các chất tạo thành sau phản ứng chia cho tích số nồng độ của các chất tham gia phản ứng với các số mũ bằng các hệ số tỉ lượng tương ứng là một hằng số và gọi là hằng số cân bằng nồng độ

   

( ) ( )( ) (

Trang 26

Trang 27

I.1.2.Giải bài toán bằng cân bằng ion:

* Giải chính xác:

- Mô tả đầy đủ các quá trình có thể xảy ra trong hệ

- Ghi rõ các điều kiện thực nghiệm đã cho, chọn ẩn

số cho bài toán đồng thời đặt điều kiện cho ẩn số nếu có

- Dựa vào các định luật bảo toàn khối lượng, định luật tác dụng khối lượng thiết lập các phương trình liên hệ giữa các giữ kiện đã cho cà các ẩn số cần tìm

Trang 28

- Tổ hợp các phương trình liên hệ thành một phương trình duy nhất đối với một ẩn số thích hợp đã chọn Thay các số liệu tương ứng rồi giải để tìm nghiệm của phương trình So sánh nghiệm tìm được với các điều kiện ẩn số đã chọn ở trên để tìm đáp số của bài toán

Tuy nhiên việc tính toán đầy đủ như trên đòi hỏi phải giải các phương trình bậc cao phức tạp, cho nên trong đa số trường hợp có thể tiến hành các phép toán gần đúng trong phạm vi độ chính xác của các dữ kiện

về cân bằng

Trang 29

* Giải gần đúng:

Nguyên tắc của việc tính gần đúng là tìm cách loaị bỏ

các quá trình phụ-các quá trình xảy ra xảy ra với mức độ không đấng kể trong điều kiện bài toán đã cho

I.1.2.1 Giải gần đúng bằng cách đặt điều kiện:

Cụ thể:

- Nếu môi trường axit hoặc kiềm thì có thể bỏ qua cân bằng phân li của nước

Trang 30

H O H + OH K = 10 HSO H + SO K =10 >> K

C C

20,76 [] C'(1-

2 a(HSO )

Trang 31

- Nếu muối rất ít tan hoặc hợp chất rất ít phân li mà trong dung dịch lại có ion đồng dạng với ion hình thành do kết quả hòa tan hay phân li thì có thể coi sự hòa tan hay

phân li là không đáng kể

VD: Tích số tan của CaC2O4 ở 200C bằng

2.10-9 Hãy so sánh độ tan của nó trong nước và trong dung dịch (NH4)2 C2O4 0,1 M

Trang 32

Trang 33

Gọi độ tan của CaC2O4 trong dung dịch (NH4)2C2O4 0,1M

4,5.10

2,2,.102.10



 

Trang 34

- Nếu các cân bằng cùng loại xảy ra đồng thời trong dung dịch thì cân bằng nào tương ứng với hằng số phân li quá bé thì có thể loại bỏ chúng so với quá trình phân li mạnh hơn

VD: Dung dịch A gồm Na2S và CH3COONa có pHA = 12,50 Thêm một lượng Na3PO4 vào dung dịch A sao cho độ điện li của ion S2- giảm 20% (coi thể tích dung dịch không đổi) Tính nồng độ của Na3PO4 trong dung

dịch A

a3(H PO ) a(CH COOH)

Trang 35

Giải:

Gọi nồng độ của Na2S và CH3COONa trong dung dịch

A là C1 (M) và C2 (M) Khi chưa thêm Na3PO4, trong

dung dịch xảy ra các quá trình:

Trang 36

So sánh 4 cân bằng trên  tính theo (1):

Trang 37

Khi thêm Na3PO4 vào dung dịch A, ngoài 4 cân bằng trên, trong hệ còn có thêm 3 cân bằng sau:

Trang 38

Vì môi trường bazơ nên



 

4 2-

Trang 39

cả các quá trình đã loại bỏ ở trên

Trang 40

I.1.2.2 Giải gần đúng bằng cách gần đúng Newton

Phương pháp tương đối đơn giản để giải gần đúng các phương trình bậc cao là phương pháp tiếp tuyến hay còn gọi là phương pháp Newton

a Cơ sở lý thuyết của phương pháp Niutơn

Giả thiết phương trình có dạng tổng quát :

Y = f(x) = 0

Trang 41

Ta có thể đánh giá sơ bộ một nghiệm gần đúng x0 Từ nghiệm x0 đó ta tìm được nghiệm x1 chính xác hơn x0 Dùng x1 tìm x2 chính xác hơn x1 …Lặp lại phép tính như vậy cho đến khi tìm được giá trị xn chỉ khác với nghiệm thực một đại lượng vô cùng bé ξn

ξn = x - xn (1)

 x = xn + ξn (2)

Vấn đề đặt ra là phải đánh giá đại lượng ξn

Khai triển phương trình f(x) theo cấp số Taylo tại điểm

x = xn

Trang 42

Ta có : Y = f(x) = f(xn + ξn) = 0

Vì ξn là đại lượng vô cùng bé, nên các số hạng bậc cao đối với ξn rất bé có thể bỏ qua

Từ (3)Y = f(x) ≈ f(xn) + f’(xn).ξn = 0

ξn = - thay vào (2) ta được :

Nói một cách đúng hơn,phương trình (4) cho phép tìm giá trị xn+1 gần với nghiệm thực x hơn giá trị xn

( ) '( )

n n

Trang 43

b Ý nghĩa hình học của phương pháp Niutơn:

f(x0)

x x2 x1 x0

Trang 44

• Giản đồ đánh giá nghiệm của phương trình Y = f(x) = 0 theo phương pháp tiếp tuyến (Niutơn)

• Đường cong Y = f(x) cắt trục hoành tại điểm ứng với nghiệm x [f(x) = 0] Từ giá trị gần đúng x0 ta tìm giá trị x1 chính xác hơn x0

• Đường tiếp tuyến tại A ứng với hoành độ x0 cắt trục

hoành tại điểm có hoành độ x1 gần với nghiệm x hơn so với x0

Trang 45

+ Đạo hàm tại điểm x0 :

Từ điểm B trên đường cong ứng với hoành độ x1, ta lại vẽ tiếp tuyến với đường cong cắt trục hoành tại điểm

có hoành độ x2 gần với x hơn so với x1

Tương tự như trên ta có : Tiếp tục làm như vậy, ta tìm được giá trị xn+1 gần với

nghiệm thực x hơn giá trị xn

Ta có :

Trang 46

Lưu ý :

+ Khi tìm giá trị xn+1 khác rất ít so với giá trị xn thì kết quả được chấp nhận, chứ nghiệm thực x ta không biết được

Cụ thể : 100% (trong khoảng từ 0  5%) thì

giá trị xn+1được chấp nhận

n

n 1

n

x x

x  

Trang 47

+ Ẩn số trong các phương trình thu được thường là nồng

độ cân bằng của các cấu tử Vì vậy chúng phải có nghiệm dương

Theo quy tắc Đêcac thì số nghiệm dương của một phương trình bằng số lần đổi dấu liên tục trong phương trình hoặc ít hơn một số chẵn 2, 4, 6 … nghiệm

Chẳng hạn : Y = f(x) = x3 – 5x2 + 7x -50 = 0

Phương trình có 3 lần đổi dấu liên tục, nên số nghiệm dương của phương trình hoặc 3 nghiệm hoặc 1 nghiệm

Trang 48

Vì vậy phải giải phương trình bậc cao

Vận dụng các định luật: Bảo toàn nồng độ ban đầu; định luật tác dụng khối lượng; định luật bảo toàn điện tích hay điều kiện proton:

  

  

  

  

Trang 49

Trang 50

hoặc 4,467.10-10 h2 – 4,467.10-24 = 0  h = 10-7 (vì h > 0)

Nghiệm thực h phải thỏa mãn :

10-7< h < 6,758.10-7

* Chọn h0 = 6.10-7M F(h) = h3 + 4,467.10-10 h2 – 4,567.10-13 h – 4,467.10-24

Trang 51

Trang 52

I.1.2.3 Giải bằng phương pháp gần đúng liên tục

Trong một số trường hợp để tránh giải các phương trình bậc cao phức tạp, người ta hay sử dụng phương pháp gần đúng liên tục

*Cơ sở lý thuyết của phương pháp:

Giả sử có một hàm nhiều biến: Y = f(a,b,c,d…) (1)

Mà các a, b, c, d… lại liên hệ với Y theo các hàm sau:

Trang 53

Để giải theo phương pháp gần đúng liên tục, mới đầu người ta chấp nhận các giá trị :

a = a0 ; b = b0 ; c = c0 ; d =d0…(trong các bài toán, người ta thường chấp nhận nồng độ cân bằng của các cấu tử bằng nồng độ ban đầu tương ứng của chúng)

Thay vào (1), ta được: Y0 = f(a0,b0,c0,d0…) Từ giá trị Y0 thay vào (2) ta được

Trang 54

Từ các giá trị a1, b1, c1, d1…thay vào (1) ta được: Y1 = f(a1,b1,c1,d1…)

Lặp lại phép tính như trên nhiều lần, ta tìm được giá trị

Trang 55

-ĐẠI CƯƠNG VỀ PHÂN TÍCH

Trang 58

Trong đó :

Lấy logarit thập phân hệ trên Ta được:

Trang 59

Từ những dữ liệu trên ta vẽ được đồ thị logarit như sau:

Trang 60

Ta thấy tại hai đường lg[H+] và lg[NH3] cắt nhau thì

[OH-] là đáng kể so với [NH3] vì vậy khi tính pH của dung dịch phải tính cả phương trình phân li của nước

[H+] = [OH-] + [NH3]

Trang 61

Với Ka = 10-9,24,Ta có:

Vậy h = [H+] = 2,60.10-7

⇒pH = -lg[H+] = - lg(2,60.10-7) = 6,59

Trang 62

Ví dụ 2: Xét trường hợp sau: trộn 20,00ml HCl

0,0200M với 30,00ml dung dịch

CH3COOH 0,150 M tính pH của hỗn hợp thu được

CHCl = 20.0,02/(20+30) = 0,008 (M) CCH3COOH =30.0,15/(20+30) = 0,09 (M) Các cân bằng xảy ra trong dung dịch:

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	2,99 MB