Bài giảng Hóa phân tích (dành cho ngành KHMT)

Bài giảng Hóa phân tích dành cho ngành KHMT Trường ĐH Đồng Tháp Định luật bảo toàn nồng độ ban đầu (BTNĐBĐ) a) Một số khái niệm: Nồng độ gốc Co: là nồng độ chất trước khi đưa vào hỗn hợp phản ứng. Nồng độ ban đầu C: là nồng độ của chất trong hỗn hợp, trước khi xảy ra sự phân ly, xảy ra phản ứng… Nồng độ cân bằng i: là nồng độ của chất tại thời điểm cân bằng. Định luật BTNĐBĐ: “Nồng độ ban đầu của một cấu tử (nguyên tử, phân tử, ion) bằng tổng nồng độ cân bằng của các dạng tồn tại của cấu tử đó có mặt trong dung dịch”. Định luật này không áp dụng cho H2O (dung môi), H+, OH Định luật bảo toàn điện tích: Nội dung: “Tổng điện tích âm của các anion phải bằng tổng các điện tích dương của các cation” hay “Tổng điện tích của các ion trong dung dịch phải bằng không”

- Nhập vào máy CASIO: 10-28,92 = (3A)3.(XA)X

- Shift/Solve  Máy sẽ hỏi “A = ?”, nhập A = S

- Máy hỏi “Solve for X?”  thường nhập 0, 1

CHƯƠNG 0 KỸ THUẬT SỬ DỤNG MÁY TÍNH

CASIO TRONG HÓA PHÂN TÍCH

2 Giải phương trình bậc cao:

- Nhập phương trình từ dạng ban đầu (không biến đổi)

- Thông thường bấm “Shift/Solve/0 hoặc 1 /=” có

thể xảy ra nghiệm âm

- Nếu dung dịch axit – bazơ Bấm Shift/Solve  máy

hỏi “Solve for X?” (dừng lại!!!)

+ Nếu dung dịch axit (pH < 7), nhập tiếp giá trị 0; 1;

1.1 Định luật bảo toàn nồng độ ban đầu (BTNĐBĐ)

C V

C =

V

CHƯƠNG 1 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ SỞ

ÁP DỤNG CHO DUNG DỊCH ĐIỆN LY

Ví dụ: Trộn 10mL dung dịch HCl 0,06M với 5mL dung dịch NH3 0,06M

Tính nồng độ gốc, nồng độ ban đầu của HCl, NH3?

b) Nội dung ĐLBT NĐBĐ: “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”

Xét acid H n A (n chức):

Trong nước HnA phân ly theo n cân bằng  Trong dung dịch tồn tại (n + 1) dạng: HnA, Hn-1A-;… An- Theo ĐLBT NĐBĐ ta có:

C HnA = [H n A] + [H n-1 A - ] + [H n-2 A 2- ] +… + [A n- ]

Tương tự với muối NanA  Có 2 cấu tử Na + và A

n- Cần viết 2 biểu thức BTNĐBĐ cho 2 cấu tử

Chú ý: Nếu acid – base mạnh thì trong dung dịch

không tồn tại dạng phân tử trung hòa

- Quy trình viết biểu thức ĐLBT NĐBĐ:

+ Bước 1: Có bao nhiêu cấu tử?

+ Bước 2: Giá trị n? Acid – base mạnh/yếu?

+ Bước 3: Viết các cân bằng để xuất hiện tất cả

các dạng tồn tại của cấu tử

+ Bước 4: Viết biểu thức ĐLBT NĐBĐ

c) Phân số nồng độ (i )

a) Khái niệm: “Phân số nồng độ của cấu tử i là tỉ lệ

giữa [i] với tổng nồng độ ban đầu (C) của cấu tử

c) Xây dựng công thức tính phân số nồng độ:

Nhận xét:

- Mẫu thức: Ta thấy các i có chung mẫu thức

+ Với n = 1: HA có 2 dạng tồn tại, mẫu thức chung (MTC) có 2 thành phần bậc 1 = (h + Ka)

+ Với n = 2: H2A có 3 dạng tồn tại, MTC có 3 thành phần bậc 2 = (h2 + K1.h + K1.K2)

Với H n A  có (n+1) dạng tồn tại, MTC sẽ là:

MTC = hn + K1.hn-1 + K1.K2.hn-2 + … + K1.K2…Kn

- Tử thức:

+ Tử thức là một thành phần của MTC

+ Dạng tồn tại có bao nhiêu nguyên tử H (có tính axit) thì

tử thức sẽ là thành phần chứa ẩn h với bậc bấy nhiêu

Chú ý: + Nếu HnA là acid mạnh, có nấc 1 phân ly hoàn toàn  chỉ có n dạng tồn tại, vì dạng HnA sẽ không tồn tại  [H n A] = 0

Ví dụ: HCl, HNO3, HClO4 chỉ tồn tại dạng Cl-; NO3-; ClO4-  [A - ] = C HA

+ Tương tự với các base mạnh NaOH, KOH… cũng chỉ

1.2 Định luật bảo toàn điện tích

1.2.1 Nội dung: “Trong dung dịch, tổng điện tích

âm của các anion bằng tổng điện tích dương của các cation, hay tổng điện tích bằng 0”

| 𝐢 𝐙𝐢+| = | 𝐣 𝐙𝐣−| (*) 1.2.2 Quy trình viết biểu thức BTĐT:

- Bước 1: Xác định các ion tồn tại trong dung dịch

Mỗi cấu tử HnA  tồn tại n ion (không tính H+, OH-)

- Bước 2: Viết các cân bằng, kể cả H2O

- Bước 3: Viết biểu thức BTĐT theo (*)

Chú ý: H2O có n = 2  Có 2 ion H+, OH-

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG ION TRONG DUNG DỊCH

1 Một số đặc điểm:

- Axit là những chất có khả năng cho proton (H+), thường

ở dạng HA Hằng số đặc trưng là Ka

- Bazơ là những chất có khả năng nhận proton (H+), thường ở

dạng A - (dạng muối NaA) Hằng số đặc trưng là Kb

- Chất lưỡng tính là chất vừa có khả năng cho proton, vừa có

khả năng nhận proton Ví dụ: H2O; NaHS

- Nước có K w =[H + ].[OH - ]=10 -14, gọi là tích số ion của nước

- Khi axit (Ka) cho proton thì trở thành bazơ, gọi là bazơ

liên hợp (Kb) Ví dụ: CH3COOH  CH 3 COO- + H+

Với 1 cặp axit/bazơ liên hợp thì 𝐊 = 𝐊𝐰

2 Tính toán cân bằng axit - bazơ

a) Quy trình:

- Viết đầy đủ các cân bằng Viết biểu thức ĐLBTĐT

- Sử dụng phân số nồng độ để biến đổi BTĐT thành phương trình 1 ẩn h = [H+]

- Thay số, giải phương trình với chú ý: Khi bấm

Shift/Solve máy sẽ hỏi “Solve for X?” thì nhập giá trị 10 -7 Nếu ra nghiệm âm thì bấm lại Shift/Solve và nhập các giá trị 10 -10 ; 10 -12 đến khi thu được nghiệm dương

- Tính pH = -log10[H+]

- Nếu đã biết pH thì có thể tính được khối lượng m, nồng độ C, thể tích V

c) Dung dịch đệm

- Là dung dịch có khả năng chống lại sự thay đổi

pH đột ngột khi ta thêm vào dung dịch một lượng nhỏ axit hoặc bazơ mạnh hoặc khi pha loãng

- Trong thực tế thường gặp dung dịch đệm là hỗn hợp axit – bazơ liên hợp

Ví dụ: Đệm axetat là hỗn hợp CH3COOH +

CH3COONa có pH = 4  5

Đệm amoni là hỗn hợp NH4Cl+NH3 có pH = 9 - 10

d) Cách pha chế dung dịch (C M )

- Từ chất rắn khan X:

+ Tính toán: Từ CX và V cần pha

Ta có: nX = CX.V  mX = nX.MX

+ Cách pha: Cân chính xác m X gam chất X, hòa tan

trong một ít nước cất , cho vào bình định mức có

thể tích = V (thể tích cần pha), định mức bằng nước

cất đến vạch

Ví dụ: Trình bày cách pha 100mL dung dịch

K2Cr2O7 0,02M

- Từ chất rắn ngậm nước X.nH 2 O:

+ Tính toán: Từ CX và V cần pha

Ta có: nX = CX.V

 mX.nH2O = nX.MX.nH2O

+ Cách pha: Cân chính xác m X.nH2O gam chất

X.nH2O, hòa tan trong một ít nước cất, cho vào

BĐM có thể tích = V (cần pha), định mức bằng

nước cất đến vạch

Ví dụ: Trình bày cách pha 100mL dung dịch

Na CO 10H O 0,02M

- Từ dung dịch có nồng độ C M (lớn):

+ Tính toán: Nguyên tắc C 1 V 1 = C 2 V 2

Từ C2, V2 cần pha 

+ Cách pha: Cho nước cất vào khoảng ½ BĐM có

thể tích = V 2 (cần pha) Lấy chính xác V1 mL dung dịch C1, cho vào BĐM, rồi định mức bằng nước cất đến vạch

Ví dụ: Trình bày cách pha 500mL dung dịch HCl

- Từ dung dịch có nồng độ C%:

+ Tính toán: Từ C%  (1)

Từ nguyên tắc trên V1 = C2V2/C1 (2)

Với C1 = CM 

+ Cách pha: Cho nước vào khoảng ½ BĐM có thể tích

= V 2 (cần pha) Lấy chính xác V1 mL dung dịch C%, cho vào BĐM, rồi định mức bằng nước cất đến vạch

Ví dụ: Hãy pha 500mL dung dịch HCl 0,1M từ dung dịch HCl 37% (d = 1,18)

+ Phân tích định lượng: Dùng dư thuốc thử để chuyển

hoàn toàn ion kim loại thành phức chất, hoặc khi cần

che hoàn toàn các ion kim loại gây cản trở

- Đặc điểm của phản ứng tạo phức:

+ pH ảnh hưởng rất lớn đến nồng độ M, L  ảnh hưởng đến khả năng tạo phức Thực tế, cần tìm được khoảng pH tối ưu và cố định pH đó bằng các

dung dịch đệm thích hợp

+ Các phức của ion kim loại với thuốc thử hữu cơ thường có màu, bền và có độ chọn lọc cao  Ứng dụng trong phân tích định lượng

Ví dụ: Phương pháp chuẩn độ complexon dùng

EDTA làm chất tạo phức, sử dụng các chỉ thị hữu

cơ như ETOO, MUR, làm chỉ thị được sử dụng nhiều để xác định ion kim loại như nước cứng (tổng

4 Dung dịch chứa kết tủa

- Trong dung dịch chứa chất kết tủa:

M m A n  mM + nA Với: M là ion kim loại (Metal); A là anion gốc axit;

5 Dung dịch chứa chất oxi hóa – khử

a) Một số chất oxi hóa thường gặp: Thường gặp

nhất là KMnO4, K2Cr2O7 dùng để chuẩn độ Fe2+, I-, oxalat Ngoài ra còn có một số chất oxi hóa: I2, KIO3, Fe3+, Cu2+, Ce4+

b) Một số chất khử thường gặp: KI, Na2S2O3, Fe2+,

NO2-, H2O2, oxalat

c) Phương pháp ion – electron cân bằng phản ứng oxi hóa – khử (môi trường H + )

Bước 1: Viết các bán phản ứng (nửa pứ)

Bước 2: Cân bằng các nguyên tố  H, O

Bước 3: Cân bằng Oxi: Vế thiếu O  thêm H2O

Bước 4: Cân bằng Hiđro: Vế thiếu H  thêm H+

Bước 5: Cân bằng điện tích: Vế nào điện tích lớn hơn thì thêm e, lớn hơn bao nhiêu thêm bấy nhiêu

Bước 6: Nhân chéo và cộng vế theo vế các bán

phản ứng (giản ước H + , H 2 O cùng xuất hiện ở 2 vế)

CHƯƠNG 3: MỞ ĐẦU PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG

1 Vai trò của phân tích định lượng :

Phân tích định lượng có nhiệm vụ xác định thành phần định lượng (hàm lượng) của các cấu tử có trong đối tượng phân tích

Phân tích định lượng đóng vai trò quan trọng trong

sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và đặc biệt là trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, mỹ phẩm

về chất lượng của lô mẫu lớn

Mẫu được chọn ngẫu nhiên từ một số vị trí khác nhau trong của mẫu lớn

b) Phân hủy mẫu:

Phương pháp ướt: Mẫu được hòa tan trong dung môi

thích hợp, thường dùng là HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 , HF, HClO 4 hoặc hỗn hợp của chúng Có thể kết hợp với chất oxi hóa H2O2

-Phương pháp khô: Nhiều mẫu khó tan trong axit

như Al2O3, TiO2 hoặc mẫu rau, củ, thức ăn 

Nung chúng với các hóa chất rắn có tính oxi hóa như

K 2 Cr 2 O 7 , Na 2 O 2 ở nhiệt độ cao Sau đó hàa tan

bằng axit, thường là HCl

c) Loại bỏ các cấu tử gây cản trở:

Cấu tử chính có thể bị cản trở bởi các cấu tử khác gây sai số cho kết quả phân tích

Do đó ta cần phải tiến hành loại bỏ các cấu tử cản trở bằng cách kết tủa hoặc che bằng các phức chất thích hợp

d) Tiến hành phân tích:

Chọn PPPT có độ nhạy, độ chọn lọc, tốc độ phân tích cao và cho kết quả chính xác

Sau khi chọn được phương pháp thích hợp, thực hiện phản ứng giữa dung dịch phân tích với thuốc thử theo những điều kiện xác định

Quan sát các dấu hiệu đặc trưng và đo thể tích hoặc khối lượng hợp chất tạo ra (PTĐL) Từ đó suy ra hàm lượng cấu tử phân tích

e) Tính toán kết quả, đánh giá độ chính xác

Trong phân tích định lượng, ta tính kết quả phân tích dựa vào các dữ kiện ghi nhận được

và biểu diễn kết quả phân tích theo các yêu cầu của phương pháp thống kê

3 Các phương pháp phân tích định lượng

a) Các phương pháp hóa học: Dựa chủ yếu vào các

phản ứng hóa học liên quan đến cấu tử cần phân tích

- Phương pháp phân tích khối lượng

- Phương pháp phân tích thể tích (chuẩn độ)

b) Các phương pháp công cụ (Các phương pháp vật lý

và hóa lý)

- Là các phương pháp gắn liền với máy móc

- Dựa trên việc đo một tính chất vật lý nào đó của cấu tử,

từ đó tính được hàm lượng của nó

- Phương pháp trắc quang, AAS, điện hóa, sắc ký, phổ khối, tia X…

4 Biểu diễn kết quả phân tích

a) Nồng độ phần trăm: Trong phân tích, biểu diễn kết

quả dưới dạng %, phần triệu (ppm); phần tỷ (ppb)

4 Biểu diễn kết quả phân tích

c) Nồng độ đương lượng (C N hoặc N ):

- Đương lượng gam (Đ hay Eq): Đương lượng là

khối lượng (gam) của một chất phản ứng với 1mol ion H+ (hoặc electron)

- Mối quan hệ giữa M và Đ:

với k là số H+ hoặc số electron trao đổi

- Số đương lượng (đ): Tương tự số mol

- Nồng độ đương lượng (CN): Tương tự CM

M

§ =

k

M k

Quy tắc đương lượng:

- Nội dung: “Trong phản ứng các chất phản ứng

với nhau theo cùng số đương lượng bằng nhau”

d) Độ chuẩn (T): có 2 loại T thường dùng

- Độ chuẩn (T A ): Là số gam chất A trong 1mL

dung dịch:

- Độ chuẩn theo chất xác định (T A/B ): Là số gam

chất B tương đương hóa học với 1mL dung dịch chất A

4.1 Nguyên tắc của phân tích khối lượng

- Phân tích khối lượng là phương pháp định lượng dựa trên phép đo khối lượng

- Sơ đồ phân tích khối lượng như sau:

+ Phân hủy mẫu

+ Kết tủa X dưới dạng hợp chất ít tan (dạng kết tủa)

+ Lọc, rửa, sấy và nung kết tủa

+ Cân sản phẩm khô

+ Tính kết quả phân tích

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG

Ví dụ: Để xác định vàng trong hợp kim, người ta hòa tan

mẫu hợp kim trong nước cường thủy Khử chọn lọc với

H2O2 để đưa Au3+ thành vàng kim loại, các ion khác không

bị ảnh hưởng Đem lọc, rửa, làm khô và cân Từ đó tính

được hàm lượng vàng có trong hợp kim

4.1.2 Phương pháp bay hơi:

a) Phương pháp bay hơi không cần thuốc thử:

- Dùng xác định độ ẩm trong hóa chất, dược liệu

- Cách tiến hành: Sấy mẫu ở nhiệt độ thích (105 – 110oC)

- Tính kết quả: Gọi a là kh/lượng mẫu trước khi sấy

b là khối lượng mẫu sau khi sấy

Ta có:

Ví dụ: Để xác định hàm lượng nước trong tinh thể bari

clorua, người ta nung 1,000 gam mẫu ở nhiệt độ 105oC đến khối lượng không đổi thu được 0,8526g chất rắn Tính hàm

b) Phương pháp bay hơi do thuốc thử:

- Dùng xác định chất bay hơi (chất khí)

- Cách tiến hành: Thêm thuốc thử vào mẫu ở điều kiện

thích hợp, chất cần p/tích thoát ra ngoài (bay hơi) được hấp thụ bằng chất h/thụ thích hợp Dựa vào sự tăng k/lg của bình hấp thụ ta tính được hàm lượng chất p/tích

- Tính kết quả: Gọi a là khối lượng mẫu ban đầu

4.1.3 Phương pháp kết tủa: Phổ biến nhất

- Cách tiến hành:

+ Hòa tan mẫu thành dung dịch chứa M (phân hủy mẫu) + Dùng thuốc thử thích hợp A để chuyển chất phân tích

M thành kết tủa M m A n  M m A n gọi là dạng kết tủa

+ Đem nung M m A n Ta thu được dạng cân

+ Dạng cân có thể giống hoặc khác với dạng kết tủa

- Tính kết quả:

Trong đó: a là khối lượng mẫu ban đầu

b là khối lượng dạng cân

F là hệ số chuyển

Hệ số chuyển, F:

- Hệ số chuyển là đại lượng mà ta cần phải nhân khối lượng của

dạng cân để được khối lượng của dạng cần xác định

- HSC được tính theo công thức:

Trong đó: n là hệ số bổ sung để bảo toàn nguyên tố

- Nếu khi phá mẫu ta thu được V (ml) dung dịch, rồi lấy v (ml) dung dịch để đem kết tủa thì công thức tính hàm lượng sẽ được

bổ sung như sau:

VD: Tính HSC từ AgCl (dạng cân) thành Cl (dạng x/định); từ

Al2O3 (dạng cân) thành Al (dạng x/định); từ Fe2O3 thành Fe3O4

Chú ý: Nếu chất xác định có nhiều dạng cân, thì dạng có F càng nhỏ thì càng tốt

4.2 Các yêu cầu của dạng kết tủa và dạng cân

4.2.1 Các yêu cầu của dạng kết tủa:

- Kết tủa phải bền, ít tan để kết tủa hoàn toàn (99%)

- Kết tủa thu được phải tinh khiết

- Kết tủa thu được dưới dạng dễ lọc, rửa để tách

4.2.2 Các yêu cầu của dạng cân:

- Dạng cân phải có công thức xác định

- Dạng cân phải bền (không hút ẩm, hấp thụ không khí)

- Để kết quả phân tích chính xác, dạng cân có hệ số chuyển (F) càng nhỏ thì càng tốt

BÀI TẬP RÈN LUYỆN

Bước 1: Xác định dạng cần xác định; dạng kết tủa, dạng cân

- Dạng cần xác định: Là dạng cần tính hàm lượng %

- Dạng kết tủa: Kết tủa dưới dạng MmAn ít tan

- Dạng cân: Là dạng thu được khi nung kết tủa (có

khối lượng cụ thể = b)

Bước 2: Tính hệ số chuyển F

Bước 3: Tính hàm lượng %

BÀI TẬP RÈN LUYỆN

1 Tính hệ số chuyển:

- Từ Fe2O3 (dạng cân) thành Fe3O4; FeCO3; FeS2

- Từ Mg2P2O7 thành Mg; MgO; P2O5

- Từ Fe2O3 thành Fe; Từ CaO thành CaCO3

2 Để định lượng magie trong một mẫu, người ta lấy lượng

cân 0,500g hòa tan thành dung dịch, kết tủa Mg2+ dưới

dạng MgNH 4 PO 4 Sau khi lọc, rửa kết tủa đó nung đến khối lượng không đổi thu được 0,3515g Mg 2 P 2 O 7 Tính

hàm lượng của magie trong mẫu

3 Người ta chế hóa một dung dịch chỉ chưa kali clorat

bằng H2SO4, khử clorat thành clorua và kết tủa nó dưới

dạng bạc clorua Sau khi lọc, rửa, đem sấy thu được

4 Cân 0,2560g mẫu đá vôi, hòa tan thành dung dịch Kết tủa ion Ca 2+ dưới dạng CaC 2 O 4 Lọc, rửa và nung kết tủa, cân được 0,1160g CaO Tính hàm lượng CaCO 3 trong mẫu

5 Cân 0,6531g tinh thể BaCl2.2H2O bị bẩn, hòa tan thành

250 ml dd Lấy ra 30ml, kết tủa ion bari dưới dạng BaSO 4 Sau khi lọc, rửa, sấy và nung kết tủa đó thu được 0,1241g

BaSO 4 Tính hàm lượng Ba trong mẫu

6 Cân 1,8610g mẫu xi măng, đem phân hủy thành 250ml

dd Lấy 100ml và kết tủa ion Mg2+ dưới dạng MgNH 4 PO 4 Lọc, rửa và nung kết tủa, ta được 0,2516g Mg 2 P 2 O 7 Tính

hàm lượng MgO trong mẫu

7 Làm kết tủa 0,1620g một muối sunfat dưới dạng BaSO 4 Lọc, rửa và nung kết tủa thu được 0,1050g BaSO 4 Tính

hàm lượng lưu huỳnh trong mẫu theo %SO 2