Tài liệu cao học: Phân tích hóa lượng giới thiệu chung

NỘI DUNG - Phân tích hoá lượng và phân loại phương pháp - Đơn vị và biểu diễn kết quả trong phân tích hoá lượng - Sai số và đánh giá sai số trong phân tích hoá lượng Chương 1 NỘI DUN

PHÂN TÍCH HOÁ LƯỢNG GIỚI THIỆU CHUNG

Giảng viên: Tống Thị Thanh Hương Dành cho học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Hoá dầu

Tống T T Hương

NỘI DUNG

-  Phân tích hoá lượng và phân loại phương pháp

-  Đơn vị và biểu diễn kết quả trong phân tích hoá lượng

-  Sai số và đánh giá sai số trong phân tích hoá lượng

Chương 1

NỘI DUNG

Mục đích phân tích hoá lượng

-  Xác định thành phần định lượng của các cấu tử có trong đối

tượng phân tích (thường đánh giá theo %)

-  Các cấu tử có thể là nguyên tố, các gốc hoặc các nhóm chức, các hợp chất, các pha…

PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP

v   QUÁ TRÌNH PHÂN TÍCH

-  Chọn mẫu đại diện;

-  Chuyển chất phân tích về dạng dung dịch;

-  Tách cấu tử cản trở khi tiến hành phân tích cấu tử chính;

-  Phân tích mẫu;

-  Tính kết quả phân tích bao gồm cả kết quả và độ chính xác của kết quả phân tích

Chương 1

Phân loại phương pháp

v   PHÂN LOẠI

Phương pháp phân tích hoá học

-  Phương pháp phân tích khối lượng: dựa vào lượng sản phẩm tạo thành sau quá trình tạo kết tủa từ đó xác định hàm lượng cấu tử cần phân tích

-  Phương pháp phân tích thể tích: Dựa vào thể tích dung dịch thuốc thử có nồng độ chính xác để tính hàm lượng cấu tử cần phân tích

Phương pháp phân tích hoá lý và vật lý (phân tích công cụ)

-  Các phương pháp vật lý: dựa trên việc đo một tính chất vật lý là hàm

lượng của khối lượng hoặc của nồng độ của cấu tử cần phân tích

-  Các phương pháp hóa lý: trong nhiều trường hợp, phản ứng hóa học đóng vai trò rất quan trọng để chuyển cấu tử phân tích thành dạng có tính chất vật lý có thể đo được

Phân loại phương pháp

Đơn vị và biểu diễn kết quả trong phân tích hoá lượng

Đơn vị cơ bản trong hệ SI

One of the ways we will learn to express quantities in Chapter 1 is by using prefixes such

as mega for million micro for one-millionth and atto for The

illustra-tion shows a signal due to light absorpillustra-tion by just 60 atoms of rubidium in the

cross-sectional area of a laser beam There are atoms in a mole, so 60 atoms amount

to moles With prefixes from Table 1-3, we will express this number as 100

yoctomoles (ymol) or 0.1 zeptomole (zmol) The prefix yocto stands for and zepto

stands for As chemists learn to measure fewer and fewer atoms or molecules, these

strange-sounding prefixes become more and more common in the chemical literature

10!21

l0!24

1.0 " 10!22

6.02 " 1023

10!18 (l0!6),

(106),

ULTRASENSITIVE MEASUREMENT OF ATOMS IN A VAPOR

Measurements

1

Primed by an overview of the analytical process in Chapter 0, we are ready to discuss

sub-jects required to get started in the lab Topics include units of measurement, chemical

concentrations, preparation of solutions, and the stoichiometry of chemical reactions

1-1 SI Units

SI units of measurement, used by scientists around the world, derive their name from the

French Système International d’Unités Fundamental units (base units) from which all others

are derived are defined in Table 1-1 Standards of length, mass, and time are the meter (m),

kilogram (kg), and second (s), respectively Temperature is measured in kelvins (K), amount

of substance in moles (mol), and electric current in amperes (A).

Table 1-1 Fundamental SI units

Quantity Unit (symbol) Definition

Length meter (m) One meter is the distance light travels in a vacuum during of a second

Mass kilogram (kg) One kilogram is the mass of the prototype kilogram kept at Sèvres, France

Time second (s) One second is the duration of 9 192 631 770 periods of the radiation corresponding to a

certain atomic transition of 133Cs

Electric current ampere (A) One ampere of current produces a force of 2 " 10!7newtons per meter of length when

maintained in two straight, parallel conductors of infinite length and negligible cross section, separated by 1 meter in a vacuum

Temperature kelvin (K) Temperature is defined such that the triple point of water (at which solid, liquid, and

gaseous water are in equilibrium) is 273.16 K, and the temperature of absolute zero is 0 K Luminous intensity candela (cd) Candela is a measure of luminous intensity visible to the human eye

Amount of substance mole (mol) One mole is the number of particles equal to the number of atoms in exactly 0.012 kg of

12C (approximately 6.022 141 5 " 1023)

Plane angle radian (rad) There are 2# radians in a circle

Solid angle steradian (sr) There are 4# steradians in a sphere

1

299 792 458

240 250 Time (s)

260

Atomic absorption signal from 60 gaseous rubidium atoms observed by laser wave mixing A 10-microliter (10 ! 10 "6 L) sample containing 1 attogram (1 ! 10 "18 g) of Rb $ was injected into a graphite furnace to create the atomic vapor We will study atomic absorption spectroscopy in Chapter 21 [F K Mickadeit,

S Berniolles, H R Kemp, and W G Tong, Anal Chem.

2004, 76, 1788.]

For readability, we insert a space after every third digit on either side of the decimal point Commas are not used because in some parts

of the world a comma has the same meaning

as a decimal point Two examples:

speed of light: 299 792 458 m/s

Avogadro’s number: 6.022 141 5 " 10 23 mol !1

Chương 1

ĐƠN VỊ ĐO

Đơn vị đặc biệt trong hệ SI

Table 1-2 lists some quantities that are defined in terms of the fundamental quantities.

For example, force is measured in newtons (N), pressure is measured in pascals (Pa), and energy is measured in joules (J), each of which can be expressed in terms of the more

funda-mental units of length, time, and mass.

Using Prefixes as Multipliers Rather than using exponential notation, we often use prefixes from Table 1-3 to express large

or small quantities As an example, consider the pressure of ozone in the upper atmo-sphere (Figure 1-1) Ozone is important because it absorbs ultraviolet radiation from the sun that damages many organisms and causes skin cancer Each spring, a great deal of ozone dis-appears from the Antarctic stratosphere, thereby creating what is called an ozone “hole.” The opening of Chapter 18 discusses the chemistry behind this process.

At an altitude of meters above the earth’s surface, the pressure of ozone over Antarctica reaches a peak of 0.019 Pa Let’s express these numbers with prefixes from Table 1-3.

We customarily use prefixes for every third power of ten ( and so on) The number m is more than m and less than m, so we use a multiple of

The number 0.019 Pa is more than Pa and less than Pa, so we use a multiple of

Figure 1-1 is labeled with km on the y-axis and mPa on the x-axis The y-axis of any graph is

called the ordinate and the x-axis is called the abscissa.

It is a fabulous idea to write units beside each number in a calculation and to cancel identical units in the numerator and denominator This practice ensures that you know the

0.019 Pa ! 1 mPa

10"3 Pa # 1.9 ! 101 mPa # 19 mPa

10"3 Pa (# millipascals, mPa):

100

10"3

1.7 ! 104 m ! 1 km

103 m # 1.7 ! 101 km # 17 km

103 m (# kilometers, km):

106

103

1.7 ! l04

10"9, 10"6, 10"3, 103, 106, 109, 1.7 ! 104

(O3)

Table 1-2 SI-derived units with special names

Expression in Expression in terms of terms of Quantity Unit Symbol other units SI base units

Energy, work, quantity of heat joule J

Quantity of electricity, electric charge coulomb C

Electric potential, potential difference, electromotive force volt V W/A

Electric capacitance farad F C/V s4 $ A2/(m2$ kg)

m2$ kg/(s3$ A2)

%

m2 $ kg/(s3$ A)

s $ A

m2 $ kg/s3

m2 $ kg/s2

N $ m

kg/(m $ s2) N/m2

m $ kg/s2

Table 1-3 Prefixes

Prefix Symbol Factor Prefix Symbol Factor

10"21

102

10"18

103

10"15

106

10"12

109

10"9

1012

10"6

&

1015

10"3

1018

10"2

1021

10"1

1024

0

5

10

15

20

25

30

Ozone partial pressure (mPa)

Ozone hole

Normal stratospheric ozone

Aug 1995

12 Oct 1993

5 Oct 1995

Figure 1-1 An ozone “hole” forms each

year in the stratosphere over the South Pole at

the beginning of spring in October The graph

compares ozone pressure in August, when

there is no hole, with the pressure in October,

when the hole is deepest Less severe ozone

National Oceanic and Atmospheric Administration.]

Pressure is force per unit area:

The pressure of the atmosphere is approximately 100 000 Pa

1 pascal (Pa) #

ĐƠN VỊ ĐO

Chuyển đổi đơn vị

units for your answer If you intend to calculate pressure and your answer comes out with

units other than pascals (or some other unit of pressure), then you know you have made a

mistake

Converting Between Units

Although SI is the internationally accepted system of measurement in science, other units are

encountered Useful conversion factors are found in Table 1-4 For example, common non-SI

units for energy are the calorie (cal) and the Calorie (with a capital C, which stands for 1 000

calories, or 1 kcal) Table 1-4 states that 1 cal is exactly 4.184 J ( joules)

Your basal metabolism requires approximately 46 Calories per hour (h) per 100 pounds

(lb) of body mass to carry out basic functions required for life, apart from doing any kind

of exercise A person walking at 2 miles per hour on a level path requires approximately

45 Calories per hour per 100 pounds of body mass beyond basal metabolism The same

per-son swimming at 2 miles per hour consumes 360 Calories per hour per 100 pounds beyond

basal metabolism

Example Unit Conversions

Express the rate of energy used by a person walking 2 miles per hour

Calories per hour per 100 pounds of body mass) in kilojoules per hour per kilogram of

body mass

Solution We will convert each non-SI unit separately First, note that 91 Calories

consumption is therefore

We could have written this as one long calculation:

kJ

1 lb

kJ/h kg

91 kcal/h

kJ/h kg

100 lb ! 45.36 kg

1 kcal ! 4.184 kJ,

1 cal ! 4.184 J;

(46 # 45 ! 91

*1 000 cal ! 4.184 kJ

(! 1 mm Hg)

One calorie is the energy required to heat

One joule is the energy expended when a force of 1 newton acts over a distance of

1 meter This much energy can raise 102 g (about pound) by 1 meter.

l cal ! 4.184 J

1 4

15.5°C 14.5°

Write the units: In 1999, the $125 million Mars Climate Orbiter spacecraft was lost when it entered the Martian atmosphere

100 km lower than planned The navigation error would have been avoided if people had labeled their units of measurement.

Engineers who built the spacecraft calculated thrust in the English unit, pounds

of force Jet Propulsion Laboratory

The symbol is read “is approximately equal to.”

!

1 mile ! 1.609 km

1 pound (mass) ! 0.453 6 kg

Significant figures are discussed in Chapter 3 For multiplication and division, the number with the fewest digits determines how many digits should be in the answer The number 91 kcal at the beginning of this problem limits the answer

to 2 digits.

Chương 1

Đơn vị đo

BIỂU DIỄN KẾT QUẢ PHÂN TÍCH

Khối lượng mol

KLmol = so mol chat hoa tan

Vdungdich

Hàm lượng phần trăm

Phần trăm khối lượng:

Phần trăm thể tích

Công thức pha loãng:

Mconc *Vconc = Mdil *Vdil

Chương 1

SAI SỐ

o   Sai số tuyệt đối (d)

o   Sai số tương đối

Phản ánh độ lệch tương đối của kết quả đo với giá trị thực

Sai số

o   Sai số hệ thống: sai số do các nguyên nhân cố định gây ra, lặp đi lặp lại trong mọi thí nghiệm

Phân loại sai số hệ thống:

- Sai số do mẫu đo;

- Sai số do dụng cụ;

- Sai số do phương pháp đo;

- Sai số do người làm công tác phân tích

Chương 1

Sai số

o   Sai số ngẫu nhiên

Sai số ngẫu nhiên do những nguyên nhân ngẫu nhiên, không xác định và biến thiên theo các chiều khác nhau (lúc tăng lúc giảm)

Đặc điểm:

-  Sai số ngẫu nhiên luôn xuất hiện;

-  Sai số ngẫu nhiên không bị triệt tiêu mà chỉ có thể giảm

Đánh giá sai số phép đo trực tiếp

o   Giá trị trung bình cộng

Là giá trị gần với giá trị thực của đại lượng cần đo với xác suất cao nhất trong số các giá trị đo được của đai lượng cần đo

!

!!!

Chương 1

Độ lệch chuẩn của phép đo

! = ! ! = !

Đánh giá sai số phép đo trực tiếp

o   Phương sai (s 2 )

-  Phương sai phản ánh độ phân tán của các giá trị đo được

-  Là giá trị trung bình cộng của các bình phương hiệu giữa các giá trị

riêng lẻ đo được và giá trị trung bình,

!

!

!!!

k

k: số bậc tự do, nếu chỉ có một đại lượng cần đo thì k = n – 1

o   Hệ số biến động (v)

Đánh giá sai số phép đo trực tiếp

Hệ số biến động v của phương pháp phân tích đặc trưng cho độ lặp lại

hay độ phân tán của các kết quả thí nghiệm:

o   Biên giới tin cậy (ε):

Là giá trị tuyệt đối của hiệu giữa giá trị trung bình cộng của X và giá trị

thực µ của đại lượng phải đo

ε = X − µ

o   Khoảng tin cậy

Là khoảng tại đó có khả năng tồn tại giá trị thực của phép đo với xác

suất α đã cho

Chương 1

16

Ghi kết quả phân tích

o   Chữ số có nghĩa

•  Chữ số có nghĩa bao gồm các chữ số tin cậy cùng với chữ số bất định đầu tiên

•  Chữ số bất định: chữ số cuối cùng

Đối với kết quả phân tích, ta dựa vào giá trị ε, s để biểu diễn các chữ

số tin cậy và chữ số bất định

chữ số tin cậy cùng với chữ số bất định đầu tiên) (các chữ số 3, 8, 6 – tin cậy và

chữ số 7 là bất định)

1 chữ số bất định (7)

µ = 3,867±0,005 4 chữ số có nghĩa (3,8,6,7)

3 chữ số tin cậy

Trong trường hợp không có thông tin bổ sung thì ngầm hiểu rằng chữ số cuối cùng có độ bất định ±1 Ví dụ: nếu ghi pH = 6,77 có nghĩa là giá trị pH có thể dao

động trong khoảng pH= 6,77-6,79 và như vậy máy đo pH có độ chính xác ±0,01 đv

pH

Đối với chữ số 0: không được tính là số có nghĩa khi nó được dùng để thiết

lập điểm thập phân, còn chữ số 0 đứng giữa hoặc đứng sau các chữ số khác thì được

tính vào số có nghĩa Ví dụ: số 0,02030 thì hai chữ số 0 đứng trước số 2 không được

tính là số có nghĩa, hai chữ số 0 còn lại là số có nghĩa, số này có 4 chữ số có nghĩa

(2, 0, 3, 0) trong đó 2, 0, 3 là số tin cậy và 0 (chữ số cuối cùng) là số bất định

Số không có nghĩa 4 chữ số có nghĩa (2,0,3,0)

0,02030

3 chữ số tin cậy(2,0,3) 1chữ số bất định (0)

Đối với các số phức tạp người ta thường chuyển sang dạng số lũy thừa thập

phân thì các số ở phần nguyên được tính vào chữ số có nghĩa, còn bậc lũy thừa

không được coi là chữ số có nghĩa

Ví dụ: 1705 = 1,705.103 có 4 chữ số có nghĩa; 0,000840 = 8,40.10-4 có 3 chữ

số có nghĩa; 2,4 gam có 2 chữ số có nghĩa và nếu quy ra mg thì phải viết 2,4.103mg

Ghi kết quả phân tích

o   Quy tắc làm tròn số

Làm tròn số: chỉ được làm tròn ở kết quả cuối cùng

•  Phép cộng và phép trừ: chỉ giữ lại ở kết quả cuối cùng một số thập phân bằng đúng số thập phân của số hạng có số thập phân ít nhất

•  Phép nhân và chia: cần giữ lại ở kết quả cuối cùng một số chữ số có

nghĩa bằng đúng số chữ số có nghĩa của thừa số có số chữ số có nghĩa ít nhất

Chương 1