170 Chương V PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG MỤC TIÊU Trình bày được nội dung, phân loại và các động tác chính của phương pháp phân tích trọng lượng Đánh giá được ưu nhược điểm của phương pháp Tính t[.]
Chương V PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG MỤC TIÊU - Trình bày nội dung, phân loại động tác phương pháp phân tích trọng lượng - Đánh giá ưu nhược điểm phương pháp - Tính tốn được kết sau phân tích khối lượng 5.1 NỘI DUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG Phân tích khối lượng (hay cịn gọi phương pháp khối lượng, phương pháp trọng lượng) phương pháp quan trọng phân tích định lượng Nó đóng vai trị to lớn việc thiết lập định luật thành phần không đổi, tỷ lệ bội số, định luật tuần hoàn,… Phân tích khối lượng ứng dụng để xác định thành phần hóa học đối tượng tự nhiên kỹ thuật, loại đất đá, nham thạch, quặng, khoáng vật, kim loại, hợp kim, silicat chất vơ cơ, hữu khác Phân tích khối lượng phương pháp dựa đo xác khối lượng chất cần xác định, thành phần tách dạng tinh khiết hóa học, dạng hợp chất thích hợp (có thành phần khơng đổi, biết xác) Ưu điểm phương pháp có độ xác cao (có khả đạt tới 0,01%, chí cao nữa), nhiên nhược điểm phương pháp thao tác phức tạp, nhiều thời gian, điều làm cho phương pháp bị hạn chế đưa vào sử dụng thực tế Có thể thấy rõ điều qua ví dụ Ví dụ 5.1 Cách xác định lượng chất rắn tan nước uống Giải Xác định lượng chất rắn tan nước uống tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá chất lượng nước uống Lấy xác 50 ml nước cần xác định lượng chất rắn hòa tan cho vào 170 cốc có khối lượng xác, bốc nước khơ, sau cân lại cốc Hiệu số khối lượng cốc sau bốc nước cốc ban đầu cho ta biết lượng chất rắn hịa tan thể tích nước lấy 5.2 PHÂN LOẠI - NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP Phân tích khối lượng phương pháp định lượng cấu tử X dựa phép đo khối lượng Cơ sở phương pháp dựa vào hai định luật: định luật thành phần không đổi quy tắc đương lượng Có thể chia tất phương pháp phân tích khối lượng thành ba nhóm lớn: phương pháp tách, phương pháp chưng cất phương pháp kết tủa 5.2.1 Phương pháp tách Nguyên tắc phương pháp cấu tử cần xác định tách từ chất phân tích dạng tự cân cân phân tích Ví dụ: Khi hịa tan lượng cân xác hợp kim (có chứa vàng) nước cường thuỷ, người ta thu dung dịch có chứa ion kim loại Thêm hydrogen peroxide (H2O2) vào dung dịch thu được, H2O2 khử ion vàng đến vàng kim loại, ion cịn lại khơng bị ảnh hưởng Tất vàng tách khỏi dung dịch, sau lọc, rửa đem sấy nung để đuổi tạp chất dễ bay hơi, để nguội đem cân xác cân phân tích cuối tính tốn hàm lượng vàng chứa mẫu Cũng định lượng kim loại phương pháp điện phân 5.2.2 Phương pháp chưng cất Nguyên tắc phương pháp người ta chưng cất cách định lượng cấu tử cần xác định dạng hợp chất bay Phần cần xác định tách cách đốt nóng chất phân tích tạo sản phẩm bay Phương pháp tiến hành trực tiếp gián tiếp: Phương pháp trực tiếp: chất bay cần xác định hấp thụ vào chất hấp thụ thích hợp, dựa vào tăng khối lượng chất hấp thụ người ta tính khối lượng chất cần xác định Ví dụ: Xác định lượng CO2 đá vôi, cách phân huỷ đá vôi với acid CaCO3 + 2H+ Ca2+ + CO2 + H2O 171 Mẫu phân huỷ thiết bị đặc biệt, kín để khơng cho khí CO2 ngồi Dẫn tồn CO2 sục vào bình đựng hỗn hợp rắn vơi xút (CaO + NaOH) Bằng cách tính độ tăng khối lượng bình đựng (CaO + NaOH) ta tính lượng CO2 Phương pháp gián tiếp: Phương pháp xác định khối lượng cặn lại sau cho bay hơi, từ suy khối lượng chất bay Phương pháp thường dùng để xác định độ ẩm, xác định lượng nước kết tinh,… Ví dụ: Tính số phân tử H2O kết tinh BaCl2.nH2O cách sấy khô 𝑡0C BaCl2.nH2O → BaCl2 + nH2O Sấy đến khối lượng không đổi ta tính thành phần H2O BaCl2.nH2O 5.2.3 Phương pháp kết tủa Nguyên tắc phương pháp tiến hành kết tủa cấu tử cần xác định phản ứng hóa học dạng hợp chất tan có thành phần xác định nghiêm ngặt Để xác định khối lượng cấu tử M có đối tượng phân tích X, người ta tách M khỏi cấu tử khác dạng hợp chất tan thuốc thử R thích hợp, tiến hành lọc, rửa, sấy nung kết tủa đến khối lượng không đổi, đem cân cân phân tích tiến hành tính tốn Ví dụ 5.2 Để xác định hàm lượng Ba có mẫu phân tích người ta xử lý sau: Hịa tan Mẫu (chứa Ba) → H2 SO4 lỗng,dư Ba2+ → t0 𝐶â𝑛 (tinh khiết) → BaSO4 khan → Lọc,rửa BaSO4↓ → BaSO4.nH2O xác định hàm lượng Ba Ví dụ 5.3 Xác định hàm lượng Fe mẫu thép: 𝐻𝑁𝑂3 Mẫu thép (có chứa Fe) → 𝑡0 𝐷𝐷 𝑁𝐻3 𝑑ư Fe3+ → Fe(OH)3↓ lọc, rửa Fe(OH)3 → Fe2O3 cân xác định hàm lượng 172 Phương pháp phân tích kết tủa đóng vai trị quan trọng có ứng dụng rộng rãi phương pháp khối lượng 5.3 CÁC THAO TÁC CƠ BẢN ĐỂ TIẾN HÀNH PHÂN TÍCH THEO PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA Các giai đoạn q trình phân tích kết tủa bao gồm: - Cân mẫu chuyển mẫu vào dung dịch - Làm kết tủa cấu tử cần xác định dạng hợp chất khó tan (dạng kết tủa) - Lọc rửa kết tủa - Sấy, nung (nếu cần thiết) để chuyển dạng kết tủa thành dạng cân - Cân sản phẩm khơ - Tính kết phân tích Trong giai đoạn nêu giai đoạn làm kết tủa đóng vai trị quan trọng Việc chọn thuốc thử có ý nghĩa to lớn độ xác phương pháp phân tích định đến thao tác xử lý kết tủa sau Việc chọn thuốc thử phải dựa vào yêu cầu dạng kết tủa dạng cân Quá trình xác định chất theo phương pháp kết tủa chia thành giai đoạn sau 5.3.1 Hòa tan mẫu phân tích Nếu mẫu phân tích dạng dung dịch khơng cần giai đoạn Nếu mẫu dạng rắn cần hịa tan mẫu phân tích (thường gọi giai đoạn phá mẫu) để chuyển mẫu vào dung dịch, giai đoạn quan trọng, có hịa tan tất chất rắn cần phân tích có mẫu chọn thuốc thử thích hợp để kết tủa hồn tồn cấu tử cần xác định Khi hòa tan chất cần lưu ý tới nhiều yếu tố: chất chất cần hịa tan, nhiệt độ hịa tan mơi trường… Có chất dễ tan nước, có chất tan dung dịch acid, dung dịch kiềm hay tan tạo phức dùng phản ứng oxy hóa khử để hịa tan mẫu, đơi phải cần chuyển sang dạng dễ hịa tan (ví dụ: BaSO4 khó tan, cho tác dụng với dung dịch Na2CO3 bão hòa chuyển thành BaCO3 dễ tan hơn) Cần lưu ý hịa tan khơng đưa vào dung dịch chất làm ảnh hưởng đến phản ứng kết tủa sau 173 5.3.2 Kết tủa Là khâu định đến kết phép phân tích Để có kết xác cần phải nghiên cứu để chọn điều kiện tối ưu nhằm mục đích ngăn ngừa đến mức thấp tượng tạo dung dịch keo, nhiễm bẩn,… làm ảnh hưởng đến kết phân tích Để xác định hàm lượng cấu tử cần phải có kết tủa chứa thành phần chất nghiên cứu đồng thời phải có dạng cân xác sau nung kết tủa Tuy nhiên dạng kết tủa dạng cân có thành phần hóa học giống nhau, khác có mặt H2O (ví dụ BaSO4, AgCl), có thành phần khác nhau, ví dụ xác định hàm lượng Fe3+ Al3+ người ta cho muối chúng tác dụng với dung dịch NH4OH Dạng kết tủa Fe(OH)3 Al(OH)3 dạng cân Fe2O3 Al2O3, điều cấu tử cần xác định tồn dạng Sau số yêu cầu dạng kết tủa dạng cân mà người phân tích cần phải nắm vững 5.3.2.1 Yêu cầu dạng kết tủa Dạng kết tủa dạng hợp chất tạo thành cho thuốc thử làm kết tủa phản ứng với cấu tử cần xác định Các hợp chất dùng làm dạng kết tủa phải thỏa mãn yêu cầu sau: - Kết tủa phải thực tế không tan hay nói xác kết tủa phải có độ tan bé nhất, thích ứng với u cầu phép phân tích Thực tế cho thấy rằng, kết tủa loại AB BaSO4, AgCl,… tích số tan phải bé 10-8 sử dụng Thỏa mãn điều kiện làm cho việc tách ion hay chất cần xác định hoàn tồn - Kết tủa phải có độ tinh khiết cao chứa tạp chất đuổi dễ dàng sấy nung - Kết tủa tạo thành phải dễ xử lý tức kết tủa có cấu tạo hạt cho dễ lọc, dễ rửa Một số kết tủa hạt nhỏ CaC2O4, BaSO4,… không thuận tiện sử dụng phương pháp kết tủa Kết tủa vơ định hình đặc biệt loại đơng tụ Al(OH)3 có bề mặt tiếp xúc lớn nên tượng cộng kết lớn, khó rửa lọc chậm Trong số trường hợp, người ta tạo điều kiện thích hợp để thu kết tủa tinh thể hạt lớn - Chọn điều kiện tối ưu để tránh tượng gây cản trở q trình phân tích - Kết tủa phải dễ dàng chuyển thành dạng cân sấy, nung 174 Thuận lợi chọn kết tủa trạng thái tinh thể to hạt bị hấp phụ chất bẩn, dễ lọc, dễ rửa 5.3.2.2 Yêu cầu dạng cân Dạng cân hợp chất mà ta đo trực tiếp khối lượng để tính kết phân tích Trong nhiều trường hợp dạng kết tủa dạng cân một, ví dụ BaSO4, AgCl,… Trong nhiều trường hợp dạng kết tủa có thành phần khơng xác định nên khơng thể vào để tính kết phân tích Vì vậy, sau làm kết tủa phải xử lý hóa học xử lý nhiệt để chuyển thành dạng cân có thành phần xác định cân Dạng cân phải thỏa mãn yêu cầu sau: - Có thành phần hóa học ứng với cơng thức hóa học định trước, khơng, kết tủa sai Trong thực tế, có nhiều kết tủa chuyển sang dạng cân không ứng với cơng thức hóa học định trước Ví dụ: Khi nung Fe(OH)3 + Khi nung nhiệt độ 900-10000C, kết tủa chuyển thành dạng cân có cơng thức Fe2O3, lượng sắt chiếm 70% 2Fe(OH)3 Fe2O3 + 3H2O + Khi nung nhiệt độ to > 10000C, phần kết tủa chuyển thành Fe3O4, lượng sắt chiếm 72% - Phải bền phương diện hóa học nghĩa khơng bị thay đổi q trình thao tác (khơng bị phân hủy, khơng hút ẩm, khơng bị oxy hóa khơng khí, khơng bị bay hơi…) Ví dụ kết tủa CaO dễ dàng hấp thụ H2O CO2 không khí, thường người ta chuyển sang dạng CaSO4 - Tỷ lệ nguyên tố cần tìm dạng cân thấp tốt Điều nhằm mục đích giảm đến mức thấp ảnh hưởng sai số thực nghiệm đến kết cuối Ví dụ 5.4 Khi định lượng crom dạng Cr2O3 BaCrO4 sai số mg chất rắn phân tích tương ứng với Cr bao nhiêu? Giải Khi định lượng crom dạng Cr2O3 sai số mg Cr2O3 phân tích tương ứng với lượng Cr là: 2Cr × 52 ×1= = 0,7 mg Cr2 O3 152 175 Khi định lượng crom dạng BaCrO4 sai số mg BaCrO4 tương ứng với lượng Cr là: Cr 52 ×1= = 0,2 mg BaCrO4 253,3 5.3.2.3 Các yêu cầu thuốc thử để tạo kết tủa Thuốc thử để tạo kết tủa dùng phân tích khối lượng thuốc thử hữu hay vô Thuốc thử để tạo kết tủa chọn cho kết tủa tạo thành có độ tan bé phải có độ chọn lọc cao tốt, nghĩa không làm kết tủa đồng thời với ion khác có dung dịch phân tích Vì tránh tượng chất khác kết tủa theo kết tủa Ví dụ, xác định ion Al3+ NH4OH cân dạng Al2O3, có mặt Fe3+ tạo Fe2O3 Do trường hợp người ta dùng Na2S2O3 2Al3+ + 3S2O32- +3H2O 2Al(OH)3 + 3S + 3SO2 Lọc rửa kết tủa (bao gồm Al(OH)3 S) nung lưu huỳnh chảy rửa hết cịn Al2O3 Ion Fe3+ trường hợp không kết tủa mà bị khử tới Fe2+ Lượng thuốc kết tủa đóng vai trị quan trọng phương pháp khối lượng Thực tế cho thấy rằng, không tồn kết tủa mà lại hồn tồn khơng tan nước Do vậy, tích số tan ln ln lớn khơng Từ đó, ta thấy khơng thể kết tủa hồn tồn chất tan từ dung dịch Trong phân tích định tính, người ta thấy q trình kết tủa coi hồn tồn hàm lượng ion cần xác định lại dung dịch đến mức mà khơng thể dùng phản ứng để nhận Tương tự vậy, phương pháp phân tích khối lượng kết tủa, trình kết tủa coi hồn tồn hàm lượng cấu tử cần xác định lại dung dịch khơng vượt q giới hạn độ xác phép cân (0,0002g) Thơng thường, kết tủa có độ tan bé, lượng thuốc kết tủa tương đương với lượng tính theo phương trình phản ứng đủ để thu kết tủa hồn tồn Khi kết tủa có độ tan khơng đủ nhỏ, chất phân tích dung dịch lỗng, để đảm bảo kết tủa hồn toàn, cần tăng lượng thuốc kết tủa để làm giảm độ tan kết tủa, nhiên, có nhiều trường hợp, việc tăng lượng thuốc kết tủa không làm giảm tính tan mà trái lại làm tăng tính tan hiệu ứng muối, tạo phức, muối acid tan, kết tủa lưỡng tính,… Thường người ta dùng lượng thuốc thử dư gấp 1,5 lần lượng cần thiết tính theo phương trình phản ứng 176 Khi làm kết tủa kết tủa tinh thể nên tiến hành làm kết tủa chậm từ dung dịch loãng thuốc thử lỗng Nếu kết tủa vơ định hình kết tủa ưa nước, tốt làm kết tủa từ dung dịch đặc, nóng thuốc thử có nồng độ cao làm kết tủa nhanh, nhằm mục đích làm giảm bề mặt chung giảm thể tích kết tủa Sau kết tủa xong, để dễ lọc giảm nhiễm bẩn hấp phụ, ta pha lỗng dung dịch gấp đơi nước cất, nóng Lúc cân hấp phụ bị phá phần ion bị hấp phụ lại rời bề mặt kết tủa để vào dung dịch Kết tủa thu hạt, bị nhiễm bẩn 5.3.2.4 Yêu cầu lượng mẫu phân tích Lượng cân mẫu lấy để phân tích phải khơng nhỏ lớn Lượng cân mẫu lớn thu nhiều chất kết tủa làm nhiều thời gian để lọc, rửa gây khó khăn làm việc với dụng cụ phân tích thông thường (phễu lọc, chén nung, cốc,…) Trái lại, lượng cân mẫu nhỏ dung dịch sau phá mẫu lỗng khó tách hồn tồn chất cần phân tích, kết phân tích khó xác Thơng thường, phân tích hợp chất xác định, cần phân tích hàm lượng cấu tử nên lấy lượng cân từ 0,2 g (đối với hợp kim nhẹ) đến 1g (đối với quặng, silicat,…) Khi phân tích lượng vết tùy theo mẫu mà lấy lượng cân lớn từ 10 – 100 g 5.3.3 Lọc kết tủa Thường lọc kết tủa qua giấy lọc qua phễu xốp Giấy lọc: Giấy lọc loại giấy đặc biệt có độ mịn thích hợp Thường dùng giấy lọc không tàn (không tro) giấy lọc làm hết phần lớn chất vô cách rửa với HCl HF Khi cháy chúng để lại lượng tro không đáng kể (0,00003 - 0,00008 g), lượng ghi vỏ bọc giấy lọc không tàn Khối lượng không ảnh hưởng tới kết phân tích độ xác cân 0,0001 g Giấy lọc khơng tàn có nhiều loại dày, mỏng khác nhau, ứng với kích thước phần tử kết tủa cần lọc, đánh dấu màu sắc hộp đựng Giấy lọc băng xanh: loại giấy lọc mịn, độ xốp nhỏ nhất, chảy chậm, thường sử dụng để lọc kết tủa tinh thể nhỏ BaSO4, PbSO4 CaC2O4 Giấy lọc băng trắng băng vàng: loại giấy lọc có mịn vừa phải, tốc độ chảy trung bình, dùng lọc kết tủa hydroxyde kim loại Giấy lọc băng đỏ đen: có độ xốp lớn nhất, chảy nhanh, dùng lọc kết tủa keo kết tủa vơ định hình 177 Phễu lọc xốp (phễu xốp): Lớp xốp mịn thay cho giấy lọc gắn vào đáy phễu Phễu xốp đánh số 1, 2, 3,…, số tăng, phễu mịn Hình 5.1 mơ tả q trình lọc rửa tủa tiến hành phân tích khối lượng Hình 5.1: Q trình lọc rửa tủa tiến hành phân tích khối lượng 5.3.4 Rửa kết tủa Mục đích rửa kết tủa dùng dung dịch rửa để làm kết tủa, đuổi hết chất bẩn, đồng thời ngăn chặn tượng pepty hóa, tạo thành dung dịch keo Tùy theo mục đích, ta lựa chọn dung dịch rửa thích hợp: Thành phần nước rửa có trường hợp: - Rửa dung dịch thuốc kết tủa: Chỉ có trường hợp độ hịa tan kết tủa bé, bỏ qua biện pháp Khi rửa kết tủa cần cho thêm vào nước rửa ion chất kết tủa (ví dụ dùng dung dịch loãng thuốc kết tủa để rửa) Vì tích số tan kết tủa số nhiệt độ không đổi, nên tăng nồng độ ion dung dịch độ hịa tan kết tủa giảm xuống (độ tan bé đến mức bỏ qua được) Thường chất thêm vào nước rửa kết tủa chất dễ bay hơi, để nung ta đuổi hết khỏi kết tủa - Rửa dung dịch chất điện giải: rửa kết tủa dung dịch chất điện giải để ngăn ngừa tượng hóa keo, khơng nên rửa kết tủa nước cất, mà nên dùng dung dịch lỗng chất điện giải Lúc ion bị hấp phụ trước rửa kết tủa lại hấp phụ ion chất điện giải dùng để rửa: có hấp 178 phụ thay thế, chất điện giải phải chất dễ bay (acid dễ bay hay muối amonium) - Rửa chất ngăn kết tủa khỏi bị thủy phân: Ví dụ, kết tủa MgNH4PO4 chất có sản phẩm thủy phân NH4OH: MgNH4PO4 + H2O ⇌ MgHPO4 + NH4OH nên rửa dung dịch amoniac loãng - Rửa nước: Trong trường hợp kết tủa không bị bị hịa tan, khơng tạo dung dịch keo khơng bị thủy phân dùng nước cất để rửa kết tủa Trong đa số trường hợp, nước rửa cần phải đun nóng làm giảm hệ số nhớt dung dịch nóng lọc nhanh Kỹ thuật rửa: Trước hết rửa cách lắng sau gần ta rửa kết tủa giấy lọc Cái lợi kết tủa kết tủa dễ trộn lẫn với nước rửa đồng thời phần tử kết tủa lại khơng làm bít lỗ giấy lọc Thường ta rửa cách lắng độ vài lần chuyển toàn kết tủa lên giấy lọc Đây lúc quan trọng nhất, đánh giọt chất lỏng kết phân tích bị sai Cách rửa: Với thể tích dung dịch rửa tối đa cho phép rửa nhiều lần tốt rửa lần Kết luận rút từ công thức: 𝑉 𝐴𝑛 = 𝐴0 (𝑉+𝑉 )𝑛 (5.9) Trong đó: An: lượng chất bẩn lại sau n lần rửa A0: lượng chất bẩn có ban đầu V: thể tích dịch rửa dùng cho lần V0: thể tích dịch rửa cịn lại sau lần rửa n: số lần rửa Ví dụ: Có 100 ml dịch rửa, V0 = ml Rửa lần (V = 20 ml) A5 = A0(21)5 Rửa 10 lần (V = 10 ml) A5 = A0(11)10 Rõ ràng A10 < A5: Với 100 ml dịch rửa, chia thành 10 lần, lượng chất bẩn cịn lại so với trường hợp rửa lần Mặt khác từ công thức ta thấy V0 nhỏ An nhỏ Do lần rửa phải cho dịch rửa chảy kiệt chóng 179 5.3.5 Sấy nung kết tủa Để chuyển dạng kết tủa thành dạng cân, người ta thường dùng phương pháp sấy khơ nung Một số kết tủa chuyển dễ dàng sang dạng cân cách sấy khơ nhiệt độ thường mà khơng cần đun nóng, cách rửa kết tủa với dung môi hữu rượu, ete, ví dụ xác định natri dạng muối natri uranyl acetate NaZn(UO2)3(CH3COO)9.6H2O Nhiều kết tủa chuyển thành dạng cân cách sấy nhiệt độ khoảng 1000C Ví dụ sấy khơ kết tủa kim loại tách điện phân, kết tủa kim loại với thuốc thử hữu cơ… Nhiệt độ nung kết tủa tùy thuộc vào dạng tủa dạng cân định trước: - Sấy nhiệt độ 2500C cần loại nước hấp phụ nước kết tinh Ví dụ AgCl sấy 100 - 1300C - Phương pháp phổ biến để chuyển dạng kết tủa thành dạng cân nung nhiệt độ từ 6000C – 11000C tùy thuộc vào dạng tủa Ví dụ, nung 700 - 8000C với dạng tủa BaSO4 dạng cân BaSO4; nung 9000C với dạng tủa Fe(OH)3 dạng cân Fe2O3; nung 6000C với dạng tủa CaC2O4 dạng cân CaCO3 nung 12000C với dạng cân CaO Sau sấy, nung kết tủa, để nguội kết tủa bình hút ẩm cân Kỹ thuật nung: Dùng đũa thuỷ tinh có đầu nhọn kéo giấy lọc khỏi phễu, gấp mép giấy lọc lại để kết tủa tản xung quanh giấy đem bỏ vào chén nung, cho đỉnh nhọn quay lên nung có khối lượng khơng đổi Nếu dùng lị điện trước hết phải đốt giấy lọc đèn (hoặc bếp điện) sau hết khói bỏ chén vào nung Sau nung xong (khoảng 30 phút), cho chén vào bình làm khơ (bình hút ẩm) để chén khỏi hấp thụ nước khơng khí khỏi tăng khối lượng Khơng nên đậy bình mà phải để sau vài phút đậy, khơng chén nguội, bình có khoảng chân khơng ta khó mở nắp bình 5.3.6 Cân Trước cân, cần cho kết tủa dạng cân vào bình hút ẩm khoảng 20 phút để đưa nhiệt độ phòng Đây giai đoạn cuối quan trọng để xác định khối lượng kết tủa dạng cân Phải cân cân phân tích có độ xác 0,0001 g Trong phân tích, người ta sử dụng hai loại cân cân kỹ thuật cân phân tích 180 Cân kỹ thuật: loại cân có độ xác khơng cao, có một, hai ba số lẻ, cân kỹ thuật dùng để cân vật không cần xác cao dùng để cân sơ trước cân cân phân tích Cân phân tích: dụng cụ vật lý xác địi hỏi phải sử dụng cách cẩn thận Hiện có nhiều loại cân phân tích, loại cân có yêu cầu khác sử dụng, cần thực đầy đủ quy tắc sử dụng loại cân phân tích Trong giáo trình này, khơng đề cập đến cách sử dụng loại cân phân tích mà lưu ý số quy tắc chung việc sử dụng cân phân tích: - Trước hết lần cân phải kiểm tra tình trạng cân - Tuyệt đối không đụng chạm vào cân cân trạng thái hoạt động - Không cân vật cân có khối lượng vượt giới hạn cho phép - Không đặt lên đĩa cân vật gây bẩn, ẩm Các chất lỏng, chất dễ bay hơi,… cần phải cân chén cân có nút nhám - Khơng cân vật q lạnh q nóng - Khơng dùng tay để lấy cân mà phải dùng cặp có mỏ nhựa hay sừng 5.4 CÁC PHÉP TÍNH TỐN TRONG PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG Việc tính tốn kết phân tích dựa kiện đo phần tách rời phép định lượng Vì vậy, khơng tiến hành xác định cẩn thận mà việc tính tốn xác điều quan trọng Mẫu dạng rắn (1) Cân a gam mẫu, phương pháp phân tích khối lượng thu m gam cấu tử dạng đơn chất hợp chất: - Nếu dạng cân dạng cần tính hàm lượng: %𝑋 = 𝑚 𝑎 100% (5.10) Ví dụ 5.5 Từ 0,3200 g mẫu đất, phương pháp phân tích khối lượng thu 0,1200 g SiO2, xác định % SiO2 mẫu đất 181 Giải %SiO2 = (0,1200/0,3200) 100% = 37,50 (%) - Nếu dạng cân khác dạng cần tính hàm lượng, sử dụng hệ số chuyển F để chuyển khối lượng dạng cân sang dạng cần tính: F= Mdạng tính Mdạng cân × hệ số thích hợp (5.11) Hệ số chuyển đại lượng cần phải nhân với khối lượng dạng cân để khối lượng dạng cần xác định Ví dụ 5.6 Xác định hàm lượng Si mẫu đất ví dụ 5.5 Giải Với dạng cân SiO2 = 0,1200g ta có mSi = F × mSiO2 = MSi 28,08 × mSiO2 = × 0,1200 = 0,561 MSiO2 60,08 0,561 Hay: %Si = 0,3200 × 100% = 17,53 % Ví dụ 5.7 Xác định F dạng tính Mg, MgO, MgCO3 biết dạng cân Mg2P2O7 Xác định F dạng tính Fe, Fe3O4, dạng cân Fe2O3 Giải FMg = M MMg Mg2 P2 O7 MFe FFe = M Fe2 O3 2; FMgO = M MMgO Mg2 P2 O7 MMgO 2; F𝐹𝑒3 𝑂4 = M Fe2 O3 MMgCO3 2; FMgC𝑂3 = M Mg2 P2 O7 2 3 (2) Cân a(g) mẫu, hòa tan thành V(ml) dung dịch Từ Vx(ml) dung dịch mẫu, phương pháp khối lượng thu m(g) cấu tử dạng đơn chất hợp chất: %X = 182 m↓ a V × 100 × Vx × F (5.12) Mẫu dạng dung dịch a Từ Vx (ml) mẫu, phương pháp phân tích khối lượng thu m(g) dạng cân: g CX (L) = m × F × 1000 (5.13) VX b Lấy V(ml) dung dịch mẫu đem pha loãng thành V1(ml) dung dịch Lấy Vx (ml) dung dịch đem phân tích khối lượng, thu m(g) dạng cân: g Cx (L) = m × F × V1 V × 1000 Vx (5.14) Nói chung phương pháp phân tích khối lượng cho kết tin cậy xác xác định cấu tử lượng lớn trung bình Đối với phương pháp khối lượng sai số thường dao động giới hạn từ 0,2 – 0,4 % 5.5 PHẠM VI SỬ DỤNG Khi lượng chất phân tích đủ lớn phương pháp khối lượng phương pháp tin cậy xác Phương pháp cho phép xác định hầu hết nguyên tố cần gặp thiên nhiên Nhược điểm phương pháp nhiều thời gian, nhiều không đáp ứng yêu cầu kiểm tra nhanh nghiên cứu sản xuất Tuy vậy, có độ tin cậy cao độ xác cao nên đến phương pháp coi phương pháp trọng tài, để đánh giá tính đắn kết phân tích theo phương pháp khác Vì vậy, phân tích khối lượng dùng yêu cầu độ xác cao mà khơng ý đến yếu tố thời gian 5.6 ỨNG DỤNG 5.6.1 Định độ ẩm, nước kết tinh, chất dễ bay độ tro Ngoài việc sử dụng phương pháp phân tích khối lượng để xác định hàm lượng khoáng sản loại quặng, đất, đá,… người ta thường dùng phương pháp phân tích khối lượng để xác định độ ẩm nước kết tinh, xác định chất bay định độ tro Xác định độ ẩm nước kết tinh Nguyên tắc xác định độ ẩm nước kết tinh sấy mẫu nhiệt độ thích hợp (100 -1100C để xác định độ ẩm, 120 - 200 0C muốn xác 183 định nước kết tinh) để đuổi nước khỏi mẫu phần lại mẫu có khối lượng khơng đổi Cách thực sau: - Sấy chén nhiệt độ thích hợp đến khối lượng không đổi, cân giá trị m0 (g) - Cho lượng mẫu vào chén với khối lượng từ 1-10 g, cân khối lượng m1 (g): m1 = m0 + 𝑚𝑚ẫ𝑢 - Sấy chén mẫu đến khối lượng không đổi, cân khối lượng m2(g): m2 = m0 + m’ (m’: khối lượng mẫu khô, g) Độ ẩm = 𝑚𝑚ẫ𝑢 −𝑚′ 𝑚𝑚ẫ𝑢 𝑚 −𝑚 × 100 = 𝑚1 −𝑚 × 100 Xác định chất bay Thực tương tự cách xác định độ ẩm nhiệt độ cao Ví dụ, để xác định CO2 mẫu đá vôi, nung mẫu 500-6000C để đuổi CO2 đến khối lượng không đổi: Khối lượng chén: m0 (g) Khối lượng chén + mẫu (m1): m1 = m0 + 𝑚𝑚ẫ𝑢 Sau đuổi CO2 cân lại: m2 (g) = m0 + m′ %CO2 = mmẫu −m′ mmẫu m −m × 100% = m1 −m × 100% Định độ tro Thực tương tự cách xác định chất bay nhiệt độ 600 – 8000C độ tro tính mẫu sấy khơ: % độ 𝑡𝑟𝑜 = 𝑚2 −𝑚 𝑚1 −𝑚 × 100% (m1 = m0 + 𝑚𝑚ẫ𝑢 , với 𝑚𝑚ẫ𝑢 sấy khô) 5.6.2 Định lượng cách tạo kết tủa Người ta sử dụng thuốc thử vơ hữu để kết tủa cấu tử cần xác định Thuốc thử vô Bảng 5.1 thống kê thuốc thử Cột thuốc thử vô dùng để kết tủa ion cột Các hợp chất ngoặc dạng cân tương ứng với ion 184 Bảng 5.1: Một số thuốc thử vơ thông dụng Thuốc thử Nguyên tố cần xác định NH3(dung dịch) Be (BeO), Al (Al2O3), Se (Se2O3), Fe (Fe2O3), Zr (SrO2), Sn (SnO2) (NH4)HPO4 Mg (Mg2P2O7), Al (AlPO4), Mn (MnP2O7), Zn (Zn2P2O7), Cd (Cd2P2O7), Bi (BiPO4) H2SO4 Cd, Sn, Pb, Ba (dưới dạng sulfate) H2PtCl4 K (K2PtCl6), Rb, Cs (M2PtCl6) H2C2O4 Ca (CaO), Sr(SrO), Th (ThO2) AgNO3 Cl (AgCl), Br (BrCl), I (ICl) BaCl2 SO42-(BaSO4) NH4Cl, MgCl2 PO43- (Mg2P2O7) Thuốc thử hữu Thuốc thử hữu dùng phương pháp phân tích khối lượng để định lượng ion kim loại cách tạo kết tủa thơng thường Nhìn chung, thuốc thử hữu có khả tạo với ion cần xác định hợp chất có khối lượng phân tử lớn, làm tăng độ nhạy phép xác định Một số thuốc thử hữu thơng dụng trình bày phần Phụ lục 5.7 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KHỐI LƯỢNG Phân tích khối lượng, phương pháp phân tích thể tích dụng cụ, có ưu nhược điểm Phân tích khối lượng khơng cần chuẩn đối chiếu, dựa vào khối lượng mẫu dùng khối lượng kết tủa, sở phản ứng hợp thức tính hàm lượng chất cần định lượng mẫu Nhờ kết phân tích nói chung có độ lặp lại tốt, độ tin cậy cao dùng làm chuẩn để đánh giá phương pháp khác Đây ưu điểm phương pháp Trong phương pháp khối lượng, liên quan đến khả tách lượng nhỏ kết tủa từ thể tích lớn mẫu thử chứa nhiều thành phần khác nên kết tủa bị nhiều nguyên nhân (như độ tan kết tủa, keo tụ khó khăn lượng tủa ít, q trình lọc rửa tủa) Do 185 nguyên nhân mà thường dùng phương pháp phân tích khối lượng cho thành phần mẫu 1% Phân tích khối lượng dựa vào thuốc thử tạo kết tủa Thường thuốc thử dùng cho nhóm ion, nên ion nhóm cản trở phân tích kết tủa, yếu điểm phương pháp khối lượng Độ phương pháp khối lượng thay đổi tùy thuộc vào chất điều kiện kết tủa như: độ tan, đồng tủa, keo tụ thành phần hóa học dạng cân Ví dụ: Xác định sắt mẫu phân tích khơng chứa kim loại nặng phạm sai số 1-2% Cũng định lượng sắt mẫu nhiều thành phần kim loại nặng, sai số tăng lên nhiều tủa bị nhiễm bẩn phải rửa nhiều, tủa sắt Nhìn chung, với mẫu chất chứa phân tích từ 1% trở lên, phương pháp khối lượng có sai số thấp phương pháp khác khoảng 1-2% Về mặt thời gian thao tác, với mẫu phân tích dùng phương pháp khối lượng không chắn cần nhiều thời gian phương pháp khác Nhưng số mẫu tăng lên, trình tủa, lọc, rửa,… tiêu tốn nhiều thời gian Trong trường hợp này, phương pháp chuẩn độ khác tỏ ưu việt 186 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 5.1 Khi xác định phốt Mg2P2O7 dạng (NH4)3PO4.12MoO3 mà ta làm lượng kết tủa trường hợp kết phân tích bị ảnh hưởng nhiều hơn? Thử tính xem miligam dạng cân kết sao? 5.2 Để xác định MgO xi măng Người ta cân 1,8610 g mẫu, đêm phân huỷ thành dung dịch, tách Ca chế hoá thu 250 ml, lấy 100 ml kết tủa ion Mg2+ dạng MgNH4PO4 Sau lọc, rửa nung kết tủa ta thu 0,2516 g Mg2P2O7 Tính hàm lượng MgO mẫu Biết Mg2P2O7 = 222,55 g, MgO = 40,3 g 5.3 Trong đồng thau có đồng, thiếc kẽm, đem phân tích 0,8325 g đồng thau thu 0,6729 g kết tủa CuSCN 0,0432 g SnO2 Hãy tính TP% loại đồng thau (Sn: 118,71 g/mol) 5.4 Tính hàm lượng Al2O3 cao lanh, lấy 1,0000 g mẫu đem phân hủy chuyển thành dung dịch, sau tách silicat, kết tủa Al(OH)3 dung dịch NH3, đem nung kết tủa cân 0,1561 g Al2O3 5.5 Hàm lượng calcium 200,0 ml mẫu nước khoáng xác định phương pháp phân tích khối lượng sau: Kết tủa Ca2+ thuốc kết tủa (NH4)2C2O4 dư, lọc kết tủa Ca2C2O4 phễu xốp với dung dịch rửa kết tủa dung dịch (NH4)2C2O4 lỗng Sau đó, sấy nung kết tủa nhiệt độ thích hợp, để chuyển dạng tủa thành dạng cân CaO Để nguội mẫu cân 0,1132 g CaO (56,077 g/mol) a Giải thích dùng dung dịch rửa kết tủa dung dịch (NH4)2C2O4 lỗng (đưa lý do) b Có thể dùng thuốc kết tủa Na2C2O4 thay cho (NH4)2C2O4 khơng? Tại sao? c Tính nồng độ Ca (40,078 g/mol) có mẫu nước khống biểu diễn dạng số miligam Ca 100 ml nước 5.6 Để xác định SO42- có 100 ml dung dịch phân tích, người ta cho vào lượng dư BaCl2 Kết tủa thu đem lọc, rửa sạch, nung đến khối lượng khơng đổi cân 0,3029 g Tính nồng độ g/L SO42- dung dịch 5.7 Cân 1,053 g hỗn hợp gồm (CaCl2 Ca(NO3)2) đem hòa tan cho phản ứng với H2C2O4 dư thu kết tủa Ca2C2O4 Lọc, rửa kết tủa, làm khô nung đến khối lượng không đổi cân 0,3872 g CaO Tính phần trăm muối hỗn hợp? 187 5.8 Để xác định lưu huỳnh gang người ta cân 5,904 g, sau hịa tan vào HCl, khí H2S bay người ta cho hấp thu dung dịch muối Cd2+, kết tủa CdS hòa tan dung dịch dư CuSO4 thu kết tủa CuS, đem nung cân 0,0732 g CuO Hãy tình hàm lượng % S gang 188 Chương VI PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỂ TÍCH (PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CHUẨN ĐỘ) MỤC TIÊU - Trình bày nguyên tắc phương pháp chuẩn độ yêu cầu phản ứng dùng chuẩn độ - Phân biệt hai cách xác định điểm tương đương, phân biệt điểm tương đương điểm kết thúc - Trình bày kỹ thuật chuẩn độ cách tính kết phương pháp chuẩn độ - Giải thích chất gốc, dung dịch gốc, dung dịch chuẩn, cách tính hệ số hiệu chỉnh dung dịch 6.1 NGUYÊN TẮC VÀ MỘT SỐ KHÁI NIỆM 6.1.1 Nguyên tắc Phương pháp phân tích định lượng dựa việc đo lượng thuốc thử cần dùng biết nồng độ xác (thường tính theo thể tích) để phản ứng vừa đủ với lượng dung dịch cho chất cần xác định gọi phương pháp chuẩn độ hay gọi phương pháp phân tích thể tích Một khác quan trọng phân tích thể tích với phân tích trọng lượng chuẩn độ không cho dư thuốc thử, lượng thuốc thử phải tương đương với lượng chất cần xác định theo phương trình phản ứng hóa học Dựa tương đương ta tính lượng chất cần phân tích Có thể biểu diễn q trình chuẩn độ sau: Để phân tích chất A người ta chuyển vào dung dịch dung mơi thích hợp (nước, acid, kiềm hay chất oxy hóa khử…) sau dùng pipette lấy xác thể tích (ml) dung dịch thu cho vào bình tam giác (erlen) thêm từ từ thuốc thử R (thường chứa burette) vào dung dịch cần phân tích phản ứng vừa đủ với toàn lượng chất cần phân tích 189 ... tính Fe, Fe3O4, dạng cân Fe2O3 Giải FMg = M MMg Mg2 P2 O7 MFe FFe = M Fe2 O3 ? ?2; FMgO = M MMgO Mg2 P2 O7 MMgO ? ?2; F