GIÁO TRÌNH HÓA HỌC PHÂN TÍCH (DÙNG CHO CÁC HỆ KHÔNG CHUYÊN HÓA) TS. Nguyễn Đăng Đức

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ XÃ HỘI GIÁO TRÌNH HĨA HỌC PHÂN TÍCH (DÙNG CHO CÁC HỆ KHƠNG CHUN HĨA) TS Nguyễn Đăng Đức Thái Nguyên, tháng năm 2008 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AAS: Phép phân tích phổ hấp thụ nguyên tử CBHH: Cân hóa học ĐLTDKL: Định luật tác dụng khối lượng HCL: Đèn canh rỗng (Holow Cathod Lamp) HSKB: Hằng số không bền TTCB: Trạng thái cân MỞ ĐẦU Hóa học Phân tích mơn khoa học độc lập, chuyên ngành riêng Hóa học Trong hóa học gồm có chun ngành: hóa Vơ cơ, hóa Hữu cơ, hóa phân tích, Hóa lý hóa Phân tích đóng vai trị quan trọng mơn hóa học thực nghiệm xây dựng tảng hóa học Vơ hóa Hữu Hóa lý, gồm có phân tích định tính phân tích định lượng Phân tích định tính làm nhiệm vụ phát thành phần định tính (sự có mặt) chất hay hỗn hợp chất, cịn phân tích định lượng làm nhiệm vụ xác định hàm lượng cụ thể chất có mẫu phân tích (thường tính thành phần trăm) Để giải nhiệm vụ phân tích định tính người ta thường dùng hai phương pháp phân tích hóa học như: phương pháp H2S, phương pháp Axit - bazơ phương pháp phân tích hóa lý: phân tích phổ phát xạ nguyên tử, phân tích huỳnh quang, phương pháp quang kế lửa Để giải nhiệm vụ phân tích định lượng người ta dùng phương pháp phân tích hóa học: phân tích khối lượng, phân tích thể tích phương pháp phân tích hóa lý: đo màu, phân tích phổ hấp thụ nguyên tử, phương pháp phân tích điện hóa, phương pháp phân tích sắc ký Hóa học phân tích quan trọng khơng ngành Hóa học nói riêng mà cịn ngành Sinh học nói chung: Y học, Nơng nghiệp, Lâm nghiệp, Dược học Chính Ăngghen nói: “Khơng có phân tích khơng thể tổng hợp” Vì quan trọng nên sinh viên muốn học tốt mơn học phải học tốt mơn: Hóa Đại cương, hóa Vơ cơ, hóa Hữu Hóa lý, mơn sở cho mơn hóa học Phân tích Để phân tích đối tượng đó, người làm phân tích phải thực bước sau: Xác định vấn đề cần giải để chọn phương pháp phân tích thích hợp Chọn mẫu đại diện chuyển mẫu từ dạng rắn sang dung dịch Tách chất, cơng việc cần thiết để xác định đối tượng mẫu có độ chọn lọc xác cao Tiến hành định lượng chất phương pháp phân tích chọn Tính tốn đánh giá độ tin cậy Chúng tơi soạn giáo trình nhằm mục đích trang bị cho sinh viên ngành: Sinh học, Khoa học Môi trường, Y học, Nơng học có kiến thức Hóa phân tích, giúp cho họ có vốn kiến thức trình học tập ghế nhà trường sau trường để bắt tay vào công việc chuyên môn họ, đủ điều kiện làm việc với cơng việc liên quan đến hóa Phân tích Khi biên soạn giáo trình khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong đóng góp ý kiến bạn đồng nghiệp em sinh viên Tháng năm 2008 Tác giả PHẦN THỨ NHẤT CƠ SỞ LÝ THUYẾT HĨA PHÂN TÍCH CHƯƠNG 1: DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN LY - CÂN BẰNG HÓA HỌC 1.1 CHẤT ĐIỆN LY VÀ SỰ ĐIỆN LY 1.1.1 Định nghĩa điện ly chất điện ly - Sự điện ly trình phân tử phân ly thành ion chất điện li chất có khả phân li thành ion hịa tan vào nước làm cho dung dịch dẫn điện Ví dụ: NaCl, HCl hòa tan nước hay dung mơi phân cực khác Ví dụ: Tổng qt cho chất điện ly có cơng thức AmBn thì: s 1.1.2 Chất điện ly mạnh, chất điện ly yếu 1.1.2.1 Khái niệm Chất điện ly mạnh thực tế phân ly hoàn toàn Đa số muối tan (NaCl, KCl, NaNO3, K2SO4, Na2CO3…).Các kiềm mạnh (KOH, NaOH) thuộc loại Các chất điện ly yếu dung dịch phân ly không hoàn toàn (dung dịch NH3,CH3COOH, HCOOH, dung dịch axit cácbonic ) Trong dung dịch chất điện ly mạnh nồng độ lớn có độ dẫn điện nhỏ, độ dẫn điện tăng pha loãng dung dịch Dung dịch chất điện ly yếu có độ dẫn điện nhỏ nồng độ lớn độ dẫn điện khác khơng đáng kể pha loãng dung dịch độ dân điện tăng lên mạnh 2.2 Các đại lượng đặc trưng cho điện li Để đặc trưng cho khả phân ly chất dung dịch, người ta dùng hai đại lượng độ điện ly số điện ly a Độ điện ly α tỷ số phần nồng độ điện ly phần nồng độ ban đầu Từ giá trị α người ta tạm phân loại: α ≤ 2%: Chất điện ly yếu (các axit yếu, bazơ yếu) 2% ≤ α ≤ 30%: Chất điện ly trung bình (HF, H SO3 nấc 1) α ≥ 30%: Chất điện ly mạnh axit mạnh, bazơ mạnh, muối trung tính b Hằng số điện ly (Kđ): Thực chất số cân phản ứng phân ly, tỷ số phân tích số nồng độ sản phẩm điện ly phân tích số nồng độ chưa điện ly Người ta chứng minh rằng: α Kđ có mối quan hệ với qua hệ thức Trong C nồng độ ban đầu chất điện ly Từ ta thấy độ điện ly α tỉ lệ nghịch với nồng độ, nồng độ cao, độ điện ly α giảm ngược lại 1.2 CÂN BẰNG HÓA HỌC 1.2.1 Trạng thái cân Giả sử ta có cân bằng: Khi thêm milimol Fe2+ vào lít dụng dịch chứa milimol I3-, màu đỏ giảm nhanh, nghĩa phản ứng xảy theo chiều nghịch Ngược lại thêm milimol Fe3+ vào milimol I- màu đỏ tăng lên, phản ứng xảy theo chiều thuận Ví dụ dẫn rõ mối quan hệ nồng độ chất trạng thái cân hóa học Mối quan hệ biến đổi tác dụng số yếu tố nhiệt độ, áp suất nồng độ (theo nguyên lý chuyển dịch cân Lơsatơlie) Một trạng thái cân đặc trưng số cân 1.2.2 Các phương pháp biểu diễn số cân Giả sử có cân hóa học Gọi v1 tốc độ phản ứng thuận v2 tốc độ phản ứng nghịch Theo định luật tác dụng khối lượng tốc độ phản ứng ta có: Trong k1, k2 số tốc độ phản ứng thuận nghịch Tại trạng thái cân phản ứng ta có v1 = v2 hay k1.C mM C nN = k C pP C qQ Người ta gọi K số cân phán ứng, ký hiệu KC Để phân biệt nồng độ chất trạng thái cân nồng độ chất trạng thái bất kỳ, người ta ký hiệu nồng độ chất trạng thái cân qua dấu móc vng [ ] Do đó: Nếu phản ứng chất khí gọi pM, pN, pP, pQ áp suất riêng phần chất M, N, P, Q người ta cịn chứng minh số cân tính theo áp suất (Kp) Nếu phản ứng M, N, P, Q thực dung dịch gọi NM, NN, NP, NQ nồng độ phần chất M, N, P, Q ta có: Giữa KC KP KN có mối quan hệ với sau: Trong Δn = (nP+ nQ) – (nM + nN) áp dụng M, N, P, Q chất khí Ngồi cách biểu diễn đây, người ta cịn biểu diễn số cân thơng qua hàm nhiệt động Ví dụ: với phản ứng: Biết ΔH0 ΔS0 phản ứng, cho nhiệt độ phản ứng T Gọi ΔG đẳng nhiệt đẳng áp phản ứng thì: Ở trạng thái cân bằng: 1.2.3 Biểu diễn định luật tác dụng khối lượng số dạng cân thường gặp 1.2.3.1 Cân axít - bazơ Cân phân ly Axít: Kết gọi số phân ly axit (gọi tắt số axit) Cân phân li bazơ: Kb gọi số phân li bazơ (hằng số bazơ) 1.2.3.2 Cân tạo phức β1, β2 số tạo thành nấc phức chất Ag(NH3)+ Ag(NH3)2+ β1.1, β1.2 số tạo thành tổng hợp phức chất Fe(OH)2+ Fe(OH)2+ 1.2.3.3 Cân tạo thành hợp chất tan Ts tích số tan AgCl 1.2.3.4 Cân phân bố KD gọi số phân bố I2 1.2.3.5 Cân hịa tan chất khí - Định luật Henri Khi áp suất riêng phần khí at số Henri K độ tan khí 1.2.4 Tổ hợp cân Trong bảng tra cứu cân người ta cho giá trị số cân đơn giản Trong thực tế thường gặp cân phức tạp tổ hợp từ cân riêng lẻ Sau số ví dụ tổ hợp 1.2.4.1 Biểu diễn cân theo chiều nghịch Quá trình thuận: Quá trình nghịch: Như số cân trình nghịch giá trị nghịch đảo số cân q trình thuận Ví dụ: Như vậy, β1 gọi số bền phức K, gọi số không bền phức 1.2.4.2 Cộng cân Cho: Tính số cân M + 2A ' MA2 β1.2 (c) Cân (c) thu ta cộng vế theo vế cân (a), (b), đồng thời loại bỏ số hạng MA có mặt hai vế 10 Hằng số cân tổ hợp thu cộng cân với tích số cân riêng lẻ 1.2.5 Tính gần hệ có cân chủ yếu Trong trường hợp đơn giản thường gặp có cân tổ hợp định luật bảo tồn nồng độ với định luật tác dụng khối lượng (ĐLTDKL) để tính nồng độ cân cấu tử Ví dụ l: Trong dung dịch MX có nồng độ C mol/1 có cân Theo định luật bảo tồn nồng độ MX, ta có: Theo biểu thức ĐLTDKL áp dụng cho (a) ta có: Thay (c) (e) vào (d) ta có: Giải phương trình (g) cho phép đánh giá X từ (c), (e) ta tính nồng độ cân cấu tử dung dịch 11 Để cho tiện ta ghi sơ đồ tính toán sau: Cân bằng: MX ' Mn+ + Xn- Nồng độ ban đầu (mol/1) C Nồng độ phân li: (ΔC) (mol/l) - x Nồng độ lớn: ([ ]) (mol/l) O O +x +x c-x x (K) x Theo ĐLTDKL: Nếu x