Cẩm nang thí nghiệm hóa học

184 Cẩm nang thực nghiệm hóa học PGS – TS Tạ Thị Thảo Khoa Hóa học – Trường Đại học KHTN - ĐHQG Hà Nội ĐẶT VẤN ĐỀ - Mục đích: Phần thực nghiệm hóa học nhằm bồi dưỡng cho GV trường THPT chuyên các kiến thức và kỹ năng cơ bản về thực nghiệm hóa học trong phòng thí nghiệm (PTN) phục vụ cho việc hướng dẫn kỹ thuật thực nghiệm hóa học cho học sinh THPT chuyên, chuẩn bị cho phần thi thực nghiệm trong cho kỳ thi HSG quốc gia (từ năm 2012) và kỳ thi olympic hóa học quốc tế (IChO). - Nội dung: + Một số kỹ thuật cơ bản trong PTN Hóa học (chủ yếu phần hóa học phân tích) + Một số bài thí nghiệm về phương pháp chuẩn độ và trắc quang xác định các chất. A. MỘT SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM HÓA HỌC Các nội dung giới thiệu trong phần này được biên soạn dựa trên yêu cầu đặt ra trong phần phụ lục kèm theo của kỳ thi IChO mà các thí sinh khi tham dự kỳ thi IChO phải đạt được. 1.1. An toàn trong PTN: - Tuân thủ đúng nội qui PTN. - Phương tiện bảo đảm an toàn trong PTN phải tuân theo: + Mặc áo choàng (áo blue), đeo kính bảo vệ mắt, đi giày hoặc sandal, tóc, quần áo gọn gàng; + Dùng quả bóp cao su để lấy dung dịch vào pipet, nghiêm cấm hút hóa chất bằng miệng. - Cấm sử dụng các hóa chất rất độc, các hóa chất khác được dùng theo chỉ dẫn của giáo viên hướng dẫn thí nghiệm. - Hóa chất thải sau thí nghiệm phải được thu gom vào các bình (có phân loại cụ thể) 185 - Phải biết các ký hiệu cảnh báo về độ độc, tính an toàn và yêu cầu phải tuân theo của các hóa chất khi sử dụng. Chất độc (T) và rất độc (T + ) Chất dễ cháy (F) và rất dễ cháy (F + ) Chất dễ bắt lửa (X i ) và độc (X n ) Chất gây nổ (E) Chất oxi hóa mạnh Chất ăn mòn (C) Chất gây nguy hiểm với môi trường (N) 1.2. Yêu cầu về kỹ năng PTN: Khi làm việc trong PTN, học sinh cần biết/thành thạo các kỹ năng/ thao tác sau: + Các thí nghiệm có liên quan đến đun nóng, đun hồi lưu + Thao tác với máy khuấy từ + Cách tiến hành các phản ứng trong ống chia độ + Các phép thử định tính nhóm chức hữu cơ. + Phân tích định tính các chất vô cơ + Các phép đo thể tích (cách sử dụng ống đong, pipets, buret, bình định mức và cân khối lượng (cân điện tử). + Cách pha chế các dung dịch chuẩn và các dung dịch thuốc thử + Cách tiến hành các phép phân tích thể tích (chuẩn độ), cách dùng quả bóp cao su + Phép đo pH (dùng giấy chỉ thị và máy đo pH) 186 + Các kỹ thuật tổng hợp chất: lọc, sấy kết tủa, sắc ký lớp mỏng, tổng hợp chất trong các thiết bị kích thước nhỏ + Phân tích trọng lượng + Cách sử dụng thiết bị trắc quang + Cơ sở lý thuyết và thực hành chiết với dung môi không trộn lẫn. + Sắc ký cột + Biết được các loại sai số thường gặp trong quá trình thực nghiệm và cách ghi kết quả thí nghiệm đúng số có nghĩa Sau đây chúng tôi chỉ giới thiệu một số kỹ thuật cơ bản và cần chú ý trong quá trình chuẩn độ xác định nồng độ/hàm lượng các chất. 1.3. Một số dụng cụ, thiết bị và kỹ thuật thực nghiệm cơ bản trong phân tích hóa học 1.3.1. Dụng cụ dùng trong phân tích trọng lượng 1. 3.1.1. Cân Trong phân tích, để đánh giá độ chính xác, độ đúng của một phép đo nhất thiết phải thông qua các dụng cụ đo trọng lượng, đó là chiếc cân. Nó được dùng để cân chất chuẩn, cân mẫu phân tích, cân hoá chất phản ứng, cân sản phẩm v.v. Tuy nhiên, người phân tích cần biết nguyên tắc cơ bản của phép cân, cân gì và cân như thế nào? Phép cân phân tích được thực hiện để cân các vật cân là chất gốc, các chất có thành phần xác định dùng để pha các dung dịch chuẩn; cân các sản phẩm của một quá trình biến đổi để tính kết quả. Vật cân có thể là chất rắn, hoặc lỏng, tuy nhiên phải tuân theo các nguyên tắc nhất định sao cho phép cân vừa chính xác vừa có ý nghĩa. Một phép cân đúng phải bao gồm cả hai yếu tố trên; chính xác nhưng phải có ý nghĩa. Có những chất nhất thiết phải cân bằng cân phân tích nhưng cũng có những chất điều đó không cần thiết; hơn nữa có nhiều chất nếu cân trên cân phân tích là hoàn toàn vô nghĩa. Thí dụ một hoá chất rất háo nước như NaOH, hay FeCl 3 v.v. sẽ thay đổi trọng lượng ngay trong quá trình cân; một hoá chất 187 đã quá hạn sử dụng đã bị biến chất hoặc có hơi ẩm bám trên bề mặt thậm chí đã chảy nước thì sử dụng cân phân tích trong trường hợp đó là không cần thiết. Mục đích sử dụng cũng quyết định loại cân cho phù hợp: chỉ cần pha một dung dịch đệm cho phản ứng chuẩn độ mà biên độ dao động về pH cho phép lớn, như vậy cân chính xác hoá chất để pha chế dung dịch bằng cân phân tích có cần không ? Một thí dụ khác là pha dung dịch bằng hoá chất mà không thể có nồng độ chính xác ngay được, thí dụ pha dung dịch Na 2 S 2 O 3 , nồng độ chính xác chỉ có được sau khi có thời gian để yên 3-5 ngày và chuẩn độ lại; trong các trường hợp như vậy cân các hoá chất bằng cân phân tích là không có ý nghĩa. Chúng ta có thể tìm thấy các cách pha dung dịch trong các sách tham khảo. • Các loại cân trong phòng thí nghiệm Hoá phân tích Cân kỹ thuật: Cân dùng cho các phép cân kém chính xác, có thể là cân sơ bộ vật cân trước khi cân phân tích; cân các hoá chất có hơi ẩm không cần sấy để sau đó xác định lại nồng độ dung dịch bằng các chất chuẩn; cân pha các dung dịch không cần chính xác nồng độ.v.v. Khả năng đọc kết quả của cân loại này là 0,01gam hoặc 0,1g. Cân phân tích: Cân phân tích thường cân các vật cân có khối lượng tối đa tới 200 gam, có độ chính xác tới 10 -4 -10 -5 gam, gồm hai loại chính là cân cơ học và điện tử. Cân cơ học một quang ngày nay vẫn còn nhiều phòng thí nghiệm sử dụng. Nguyên lý hoạt động của cân đơn giản là dùng quả cân và đòn cân để đo trọng lượng của vật cân. Quang cân và đòn cân được đỡ trên các lưỡi dao bằng hợp kim hoặc đá chịu mài mòn tốt. Cân Mettler có cấu tạo gồm 2 lưỡi dao cân, một lưỡi dao dùng để treo quang và quả cân, lưỡi dao còn lại dùng để nâng đòn cân ở vị trí thăng bằng. 188 Hình 1: Nguyên lý làm việc của cân Mettler Một đặc điểm của cân Mettler là quả cân và quang cân ở cùng một phía của đòn cân. Khi đưa vật cân vào đĩa cân, ta phải lấy bớt quả cân ra với khối lượng tương ứng để giữ cho đòn cân trở lại vị trí gần với cân bằng ban đầu (tất nhiên nếu trùng với vị trí ban đầu càng tốt). Phần không trùng khớp với vị trí ban đầu thường có giá trị nhỏ, cỡ hàng chục miligam, được thể hiện bằng thang quang học. Kết hợp phần thang quang học với quả cân đã lấy ra chính là trọng lượng của vật cân. Hình 1 cho biết nguyên lý hoạt động của cân cơ học một quang Mettler. Ngày nay, cân điện tử ra đời sử dụng kỹ thuật số và hiển thị bằng màn hình tinh thể lỏng, đã giảm được rất nhiều thao tác cho người phân tích. Hình 2: Cân điện tử và nguyên lý hoạt động 189 Nguyên lý hoạt động của cân điện tử như sau: Vật cân kéo đĩa cân xuống với lực là F = m×G, trong đó m là trọng lượng của vật cân; G là gia tốc trọng trường. Cân điện tử dùng một lực phản hồi điện từ để kéo đĩa cân về vị trí ban đầu của nó. Sau khi xác lập vị trí cân bằng, nếu đặt vật cân vào đĩa cân, trọng lượng của vật cân kéo đĩa cân xuống, dẫn đến tín hiệu sai lệch mà đầu dò của cân phát hiện ra và gửi đến bộ chỉnh dòng, từ đó dòng đối phó được sinh ra đưa đến động cơ trợ. Dòng điện cần thiết để sinh ra lực phản hồi tỷ lệ với trọng lượng của vật cân, được hiển thị qua màn hiện số (hình 2). * Quy tắc sử dụng cân phân tích 1.Trước khi cân phải kiểm tra độ thăng bằng của cân thông qua bọt nước của bộ phận điều chỉnh thăng bằng (bọt nước ở giữa vòng tròn giới hạn). 2. Khi cân, người ngồi trên ghế đối diện với cân, mọi thao tác phải nhẹ nhàng tránh va đập. Tất cả các quả cân phải được sắp xếp ở đúng vị trí ban đầu, đặt “0” với trường hợp sử dụng cân cơ học. 3. Nối đúng nguồn điện cho cân, bật công tắc nguồn, các đèn báo hiệu và màn hiển thị sáng, đợi cho đến khi ổn định, màn hiển thị chỉ “0,0000g” đối với cân điện tử và thang đo chỉ điểm “0” đối với cân cơ học. Nhất thiết không xếp vật cân lên cân quá giới hạn tải trọng của nó, sự quá tải có thể gây nên những biến dạng hoặc gẫy đòn cân; đối với cân hiện số, hiện tượng trên làm cháy cuộn đây điện từ do không thể bù trừ được vật cân. 4. Đặt vật cân ở giữa đĩa cân để tránh dao động (đối với quang cân) (do khi đó xuất hiện lực ly tâm sẽ ảnh hưởng đến kết quả của phép cân). 5. Đóng kín tủ cân trước khi mở hãm cân/ bật cân, chờ các con số hiển thị ổn định mới bắt đầu đọc giá trị trọng lượng. -Khi đặt vào hay lấy ra vật cân nhất thiết phải hãm cân. Không tuân theo quy tắc này có thể dẫn đến đòn cân và dao cân bị ảnh hưởng. 190 - Chỉ có thể cân khi vật cân có nhiệt độ bằng nhiệt độ của không gian xung quanh cân. Khi cân vật cân nóng, dòng không khí gây ra do sự chênh lệch nhiệt độ nâng vật cân và đĩa cân, trọng lượng đo được thấp hơn vật cân. Nếu vật cân lạnh hơn nhiệt độ phòng, độ ẩm của không khí kết hợp dòng không khí ngược lại làm tăng khối lượng của vật cân. Vì vậy phải mang vật cân vào phòng thí nghiệm trước khi cân ít nhất từ 30-40 phút và để ở trong bình hút ẩm (desicator). - Mỗi lần tiến hành phân tích hay các qua một số giai đoạn phân tích có liên quan với nhau chỉ nên tiến hành trên một cân và cân cùng những quả cân đã dùng. - Trong bất kỳ trường hợp nào, không được đặt trực tiếp hoá chất cần cân lên đĩa cân. Cần sử dụng cốc cân, thuyền cân trong mọi trường hợp và cân hai lần: lần thứ nhất cân cốc cân, sau đó cân cốc cân có chứa chất cần cân và lấy hiệu số khối lượng giữa hai lần cân. 6. Khi cân xong, phải khoá/ tắt cân (đưa cân về trạng thái không dao động), sắp xếp các quả cân về vị trí ban đầu, vệ sinh cân và khu vực cân sạch sẽ, đóng cửa tủ cân. Chú ý: Phải bảo vệ cân phân tích tránh bị ăn mòn, vệ sinh sạch sẽ cân và vị trí xung quan cân sau khi cân xong. - Khi cân chất lỏng không ăn mòn, không bay hơi có thể cân trực tiếp bằng cách sử dụng lọ cân có nút đậy vừa khít. - Khi cân các chất lỏng bay hơi và có tính ăn mòn cao thì nó phải được đựng trong ống thủy tinh kín. Ống thủy tinh được làm nóng lên và đầu ống được nhúng vào mẫu, khi nguội, chất lỏng ngưng tụ trên ống. Ống thủy tinh sau đó được quay ngược trở lại và đầu ống được bịt kín bằng ngọn lửa nhỏ. Ống thủy tinh và chất lỏng chứa trong đó, cùng với phần thủy tinh bị tách ra nếu có trong quá trình bịt kín được làm nguội đến nhiệt độ phòng và cân. Ống thủy tinh sau đó được chuyển đến bình chứa yêu cầu và được làm vỡ để chất lỏng đi ra. Một thể tích hiệu chỉnh cho ống thủy tinh có thể là cần thiết nếu ống thủy tinh này có chia vạch đo thể tích. 191 1.3.1.2. Tủ sấy Tủ sấy là thiết bị được sử dụng rất rộng rãi trong các phòng thí nghiệm. Tủ sấy thường có nhiệt độ nhỏ hơn 200 o C, có tác dụng sau: - Dùng để làm khô các dụng cụ thuỷ tinh, - Loại nước hydrat hoá hoặc nước hút ẩm của một số muối hoặc chất hút ẩm - Làm khô mẫu trước khi nung, làm khô một số loại mẫu phân tích. Nguyên lý cấp nhiệt cho tủ sấy là sử dụng sợi đốt niken-crom, có bộ phận điều chỉnh nhiệt độ mong muốn. Người phân tích cần phải cấp điện cho tủ sấy đúng (220V hoặc 110 V), đồng thời đặt nhiệt độ sấy cần thiết. Tuyệt đối cấm sấy các chất dễ cháy, nổ trong tủ sấy. 1.3.1.3. Lò nung Trong phòng thí nghiệm hoá phân tích, có nhiều loại lò nung, tuy nhiên người ta chia ra làm ba loại chính tuỳ theo nhiệt độ tối đa có thể đạt của chúng. - Loại lò nung có thể đạt 800 o C - 1000 o C. Loại này thường dùng sợi đốt niken-crom quấn xung quanh một hộp làm bằng vật liệu chịu lửa (silicat), còn gọi là lò “muf”. Để điều chỉnh nhiệt độ, người ta sử dụng cặp nhiệt điện (tạo ra một dòng điện rất nhỏ), nối với các rơ le cần thiết và một nguồn cung cấp điện áp. Đây là loại lò nung phổ thông thất vì nó dễ trang bị, tuy nhiên nó cũng có hạn chế về nhiệt độ, một số hợp chất không thể phân huỷ ở nhiệt độ này. - Loại lò nung đạt 1100 0 C-1200 o C. Là loại lò “muf” thông thường nhưng các vật liệu chế tạo lò cũng đặc biệt hơn để chịu nhiệt độ cao hơn. Sợi đốt cho loại lò này là hợp kim đặc biệt Thí dụ hợp kim Tantan. Để tăng cường hiệu quả nung các nhà chế tạo cố gắng sắp xếp để sợi đốt gần với vật nung hơn. - Loại lò nung có nhiệt độ 1350 o C - 1400 o C. Đây là loại có đẳng cấp về nhiệt độ hoàn toàn khác hai loại trên. Lúc này không thể dùng các sợi đốt thông thường, phải dùng các thanh đốt bằng vật liệu là hợp chất silic, đó là các thanh cacbua silic. Vật nung thường được xếp vào ống hình trụ đặt giữa các thanh cacbua silic. Hình 3 là hình ảnh lò nung trong PTN . 192 Lò nung là thiết bị quan trọng hàng đầu trong phân tích, nó được sử dụng vào các mục đích sau: + Nung các sản phẩm phản ứng, đưa chất phân tích về dạng cân, thí dụ chuyển Fe(OH) 3 về dạng Fe 2 O 3 , đưa Al(OH) 3 về Al 2 O 3 v.v. + Phân huỷ mẫu theo phương pháp kiềm chảy, đó là các mẫu không tan trong các axit vô cơ, thí dụ các mẫu silicat, đối với các mẫu này, phá mẫu theo lối kiềm chảy là một cách dễ làm và rất có hiệu quả. Hình 3: Lò nung trong phân tích trọng lượng Lò nung là thiết bị dễ sử dụng, tuy nhiên phải tuân theo các quy tắc sau: - Nung trước chén nung trong điều kiện tương tự khi nung mẫu đến trọng lượng không đổi. - Làm khô mẫu bằng các thiết bị phù hợp (tủ sấy hoặc bếp điện) và đưa vào chén nung đã biết trọng lượng. - Sử dụng chén nung đúng loại, phù hợp về nhiệt độ và yêu cầu của chất phân tích. Tuỳ theo nhiệt độ cần thiết để phân huỷ mẫu, chọn chén nung có nhiệt độ cho phép phù hợp. Thí dụ chén sứ chỉ được nung đến 1000 o C, chén thạch anh chịu được đến 1200 o C v.v. Chén nung cũng phải phù hợp với chất phân tích, tránh nung các chất có thể bị nhiễm bẩn do chén nung gây ra hoặc ngược lại chất phân tích có thể làm hỏng chén nung, đặc biệt là các chén nung bằng kim loại quý (Au, Pt). Tuyệt đối tránh: 193 - Nung các hoá chất khi phân huỷ tạo thành các chất độc hại cho lò nung và người sử dụng, thí dụ nung các muối nitrat, các muối Hg v.v. - Làm đổ hoá chất đặc biệt là các chất kiềm ra lò nung. Chúng ta biết rằng, “muf” lò làm bằng vật liệu silicat, dễ dàng bị phá huỷ bởi kiềm. Nếu điều này xảy ra, lò nung xem như bị hỏng hoàn toàn do ở nhiệt độ cao kiềm làm chảy “muf” lò, đồng thời với việc phóng điện làm đứt sợi đốt. 1. 3.1.4. Chén nung Có thể chia chén nung được sử dụng trong phòng thí nghiệm thành hai loại chính là chén nung hệ silicat và chén nung kim loại (hình 4). - Chén nung hệ silicat bao gồm chén sứ và chén thạch anh Chén sứ có thành phần ngoài oxit silic từ thạch anh có thêm oxit nhôm từ cao lanh. Chén có thể chịu nhiệt độ tới 1000 o C, bền với các axit vô cơ , bền cơ học tốt. Tuy nhiên nó chịu kiềm kém, không thể sử dụng chén sứ để thực hiện phản ứng kiềm chảy. Chén thạch anh có thành phần là SiO 2 nóng chảy cho nên rất bền với axit, hơn nữa nó có thể chịu nhiệt tới 1200 o C. Cũng như chén sứ, chén thạch anh không chịu được kiềm đặc biệt là phương pháp kiềm chảy. Một số kim loại nóng chảy làm hỏng chén thạch anh như là Al, Cu, Ag v.v. Hình 4 : Chén nung a- Chén sứ thấp ; b- chén sứ cao; c- chén platin