Bài giảng hóa phân tích chương 1 trần thị thúy

Chương Đại cương phương pháp phân tích thể tích Trần Thị Thúy Department of Analytical Chemistry School of Chemical Engineering – Hanoi University of Science and Technology (HUST) Outline 1.1 Định nghĩa 1.2 Yêu cầu phản ứng chuẩn độ 1.3 Phân loại phương pháp phân tích thể tích 1.4 Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng) 1.5 Các cách biểu diễn nồng độ 1.6 Cách tính tốn phân tích thể tích HUST SCE 7/26/2020 1.1 Định nghĩa Phương pháp phân tích thể tích phương pháp phân tích hóa học định lượng dựa việc đo thể tích thuốc thử biết xác nồng độ cần dùng để tác dụng vừa đủ với lượng chất cần xác định, từ tìm nồng độ chất cần xác định Hình 1.1 Sơ đồ chuẩn độ HUST SCE 1.1 Định nghĩa Ví dụ: Xác định nồng độ HCl dung dịch NaOH biết nồng độ xác NaOH + HCl = NaCl + H2O Câu hỏi đặt làm để nhận biết thời điểm NaOH tác dụng vừa đủ với HCl? Hình 1.1 Sơ đồ chuẩn độ HUST SCE 1.1 Định nghĩa Trong kỹ thuật chuẩn độ, dung dịch biết xác nồng độ gọi dung dịch chuẩn, thời điểm hai chất tác dụng vừa đủ với gọi điểm tương đương (ĐTĐ) Điểm kết thúc chuẩn độ: thời điểm trước sau điểm tương đương nằm giới hạn sai số cho phép HUST SCE Hình 1.1 Sơ đồ chuẩn độ 1.2 Yêu cầu phản ứng chuẩn độ Phản ứng hóa học sử dụng phân tích thể tích phải đảm bảo yêu cầu sau: - Phản ứng xảy nhanh hoàn toàn - Phản ứng xảy theo hướng xác định, theo phương trình hóa học với hệ số tỉ lượng xác định - Phản ứng có khả xác định điểm tương đương Lưu ý: Khi phản ứng chuẩn độ trực tiếp không thỏa mãn đồng thời ba điều kiện trên, người ta thay đổi kỹ thuật chuẩn độ HUST SCE 1.2 Yêu cầu phản ứng chuẩn độ Ví dụ 1: Sử dụng kỹ thuật chuẩn độ ngược xác định nhu cầu oxy hóa hóa học (Chemical oxygen demand – COD*) nước Phản ứng chất oxy hóa K2Cr2O7 hợp chất hữu môi trường axit chậm, người ta sử dụng xúc tác Ag+ đun nóng 120 °C với lượng dư biết trước kali dicromat 2h để đảm bảo phản ứng hoàn toàn Lượng kali dicromat dư sau phản ứng chuẩn độ với dung dịch chuẩn Fe2+ Từ đó, xác định lượng kali dicromat phản ứng với hợp chất hữu có mẫu nước tính COD dựa hệ số tỉ lượng phản ứng *COD: định nghĩa lượng oxy hóa học tương đương với dicromat q trình oxy hóa chất nhiễm dicromat Mỗi ion dicromat nhận 6e– (để tạo 2Cr3+) phân tử O2 nhận 6e– để tạo thành H2O Do mol 𝐶𝑟2 𝑂2− tương đương hóa học với 1,5 mol O2 tính tốn COD HUST SCE 1.2 Yêu cầu phản ứng chuẩn độ Ví dụ 2: Phản ứng chuẩn độ Na2CO3 HCl Na2CO3 + HCl = NaHCO3 + NaCl NaHCO3 + HCl = H2CO3 + NaCl Q trình chuẩn độ có hai điểm tương đương, dừng chuẩn độ điểm tương đương chọn chất thị cho phù hợp nồng độ dung dịch xác định theo hệ số tỉ lượng phản ứng HUST SCE 1.2 Yêu cầu phản ứng chuẩn độ Ví dụ 3: Những ion kim loại khơng tìm chất thị phù hợp trường hợp chuẩn độ thay khả thi Trong kỹ thuật chuẩn độ này, chất phân tích tác dụng với lượng dư Mg(EDTA)2– để thay Mg2+, lượng Mg2+ đẩy sau chuẩn với dung dịch chuẩn EDTA Phản ứng chuẩn độ Mg2+ EDTA sử dụng Eriocromđen T làm chất thị Mn+ + MgY2– ⇋ MYn–4 + Mg2+ Hg2+ xác định theo cách Hằng số tạo phức Hg(EDTA)2– phải lớn số tạo phức Mg(EDTA)2– khơng thay vị trí Mg2+ Hg2+ từ Mg(EDTA)2– không xảy HUST SCE 1.3 Phân loại phương pháp phân tích thể tích Phương pháp axit-bazơ: dựa sở phản ứng axit-bazơ theo lý thuyết axit-bazơ Bronsted-Lowry A1 + B2 = A2 + B1 Phương pháp chuẩn độ phức chất: dựa sở phản ứng tạo phức ion kim loại với phối tử (ligand) Men+ + L ⇋ MeL Phương pháp chuẩn độ oxy hóa khử: dựa sở phản ứng oxy hóa khử Oxh1 + Kh2 = Kh1 + Oxh2 Phương pháp chuẩn độ kết tủa: dựa sở phản ứng tạo hợp chất tan Me+ + A– = MA↓ 10 HUST SCE 1.4 Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng) Ví dụ 3: Trong nửa phản ứng: 2− – 2𝑆2 𝑂2− – 2e ⇋ 𝑆4 𝑂6 – Do nồng độ đương lượng 𝑆 𝑂2− Hai ion 𝑆2 𝑂2− nhường 2e 3 2− nồng độ mol/L 𝑆2 𝑂3 (do n=1) Dung dịch 𝑆2 𝑂2− 2− 0,050N phản ứng chứa 𝑆2 𝑂3 0,050M Như thấy: 𝑀𝑛𝑂− 4+ 𝑀𝑛𝑂− 5Fe2+ + 2𝑆2 𝑂2− – 17 HUST SCE 3e– 2e– + + ⇋ 8H+ 4H+ ⇋ Mn2+ + 5Fe3++ ⇋ MnO2 + 2H2O 𝑆4 𝑂2− 4H2O Đ 𝑀𝑛𝑂− = Đ𝑀𝑛𝑂−4 = Đ𝑆 2− 𝑂3 = 𝑀𝑀𝑛𝑂− 𝑀𝑀𝑛𝑂− 𝑀 𝑆2 𝑂2− 1.4 Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng) Đối với phản ứng trao đổi: n số điện tích tham gia trao đổi phản ứng, trường hợp trên, n khơng phụ thuộc vào chất mà cịn phụ thuộc vào phản ứng cụ thể 3ZnSO4 + 2K4[Fe(CN)6] = Zn3K2[Fe(CN)6]2↓ + 3K2SO4 (feroxianua kali) Đ𝑍𝑛𝑆𝑂4 = 18 HUST SCE 𝑀𝑍𝑛𝑆𝑂4 ;Đ K4 [Fe(CN)6 ] = 𝑀 [Fe(CN) ] K4 1.5 Các cách biểu diễn nồng độ 1.5.1 Thành phần phần trăm Phần trăm chất phân tích hỗn hợp hay dung dịch thường diễn tả dạng sau: phần trăm khối lượng (wt%) Phần trăm khối lượng = 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ℎấ𝑡 𝑡𝑎𝑛 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝 (ℎ𝑎𝑦 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑑ị𝑐ℎ) × 100% (1.2) Ví dụ: Dung dịch giấm ăn wt%, nghĩa 100 gam dung dịch giấm ăn có gam axit axetic 95 gam nước Trong 100 gam axit axetic băng 99,8 wt% có chứa 99,8 gam axit axetic Dung dịch HCl đặc 36 %, nghĩa có 36 gam HCl 100 gam dung dịch HCl đặc 19 HUST SCE 1.5 Các cách biểu diễn nồng độ Phần trăm thể tích (V%) Phần trăm thể tích = 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑐ℎấ𝑡 𝑡𝑎𝑛 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑑ị𝑐ℎ × 100 % (1.3) Ví dụ: Rượu vodka Hà Nội 35 %V (còn gọi rượu 35°), nghĩa 100 ml rượu có 35 ml etanol 65 ml nước Để tránh nhầm lẫn, đơn vị đo wt% hay V% thường ghi cụ thể Tuy nhiên, trường hợp ghi nồng độ phần trăm mà khơng ghi cụ thể khối lượng hay thể tích, hiểu phần trăm khối lượng 20 HUST SCE 1.5 Các cách biểu diễn nồng độ 1.5.2 Nồng độ mol Nồng độ mol số mol chất tan có lít dung dịch CM = 𝑛 𝑉 (1.4) n: số mol chất tan V: thể tích dung dịch (lít) Ví dụ: Nước biển chứa 2,7 gam muối ăn NaCl (M = 58,44 g/mol) 100 ml Tính nồng độ mol muối ăn nước biển 21 HUST SCE 1.5 Các cách biểu diễn nồng độ 1.5.3 Nồng độ đương lượng Là số đương lượng gam (ĐLG) chất tan có lít dung dịch Nồng độ đương lượng ký hiệu CN N CN = 𝑠ố Đ𝐿𝐺 𝑉 = 𝑚 Đ 𝑉 = 𝑚 Đ×𝑉 (1.5) m: khối lượng chất tan (gam) Đ: đương lượng gam chất tan (g/đương lượng gam) V: thể tích dung dịch (lít) Vì Đ đại lượng biến đổi tùy thuộc theo phản ứng hóa học, nên sử dụng nồng độ CN phải nói rõ phản ứng cụ thể 22 HUST SCE 1.5 Các cách biểu diễn nồng độ 1.5.3 Nồng độ đương lượng Đối với dung dịch mối quan hệ CM CN sau 𝐶𝑁 = 𝑛 × 𝐶𝑀 (1.6) n: số H+ trao đổi, số electron trao đổi số điện tích trao đổi tùy thuộc vào loại phản ứng Ví dụ: Cho phản ứng hóa học: H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O 0,1 Dung dịch H2SO4 0,1 N tương đương với = 0,05 𝑀 Ví dụ: Cho phản ứng hóa học: 5H2C2O4 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = K2SO4 + 2MnSO4 + 10CO2 + 8H2O 0,1 Dung dịch KMnO4 0,1N có nồng độ mol CM = = 0,02 M 23 HUST SCE 1.5 Các cách biểu diễn nồng độ 1.5.4 Độ chuẩn T Là số gam chất tan có ml dung dịch 𝑇𝐴𝑔𝑁𝑂3 = 0,001 g/ml, nghĩa ml dung dịch có 0,001 gam AgNO3 24 HUST SCE 1.5 Các cách biểu diễn nồng độ 1.5.5 Độ chuẩn theo chất cần xác định Độ chuẩn theo chất cần xác định (TA/B): số gam chất B tác dụng vừa đủ với ml dung dịch chuẩn chất A Ví dụ: 𝑇𝐾𝑀𝑛𝑂 /𝐹𝑒2+ = 0,0056 g/ml, nghĩa 0,0056 gam Fe2+ tác dụng vừa đủ với ml dung dịch chuẩn KMnO4 Nếu biết độ chuẩn T dung dịch chất chuẩn A, tính giá trị độ chuẩn theo chất cần xác định TA/B Ví dụ: Cho dung dịch chuẩn AgNO3 có 𝑇𝐴𝑔𝑁𝑂3 = 0,001 g/ml Khi tính số giá trị độ chuẩn theo chất cần xác định sau: 0,001 𝑇𝐴𝑔𝑁𝑂3/𝐶𝑙− = × 35,5 = 0,0002088 g/ml 𝑇𝐴𝑔𝑁𝑂3/𝐻𝐶𝑙 = 25 HUST SCE 170 0,001 × 36,5 170 = 0,0002147 g/ml 1.5 Các cách biểu diễn nồng độ 1.5.6 Nồng độ phần triệu phần tỷ ppm = ppb = 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑐ℎấ𝑡 𝑝ℎâ𝑛 𝑡í𝑐ℎ ×106 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑚ẫ𝑢 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑐ℎấ𝑡 𝑝ℎâ𝑛 𝑡í𝑐ℎ ×109 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑚ẫ𝑢 (1.7) Vì nồng độ chất tan thấp nên tỉ khối dung dịch gần tỉ khối nước 1,00 g/ml, coi gam dung dịch tương đương với ml dung dịch, nghĩa ppm tương ứng với µg/ml (= mg/l) ppb tương ứng với ng/ml (= µg/l) Đối với chất khí, nồng độ ppm thường hiểu là phần triệu thể tích khối lượng Ví dụ: Hàm lượng CO2 khơng khí xấp xỉ 380 ppm, có nghĩa 380 µl CO2 lit khơng khí 26 HUST SCE 1.6 Cách tính tốn phân tích thể tích 1.6.1 Định luật đương lượng aA + bB = cC + dD Hai chất A B tác dụng vừa đủ với số đượng lượng chất A số đương lượng chất B 27 HUST SCE 1.6 Cách tính tốn phân tích thể tích 1.6.2 Tính tốn cụ thể Nếu A, B dạng dung dịch: VB ml dung dịch A có nồng độ NA tác dụng vừa đủ với VB ml dung dịch B có nồng độ NB, 𝑉 𝑁 Số đương lượng A = 𝐴 𝐴 1000 𝑉𝐵 𝑁𝐵 1000 Số đương lượng B = Theo định luật đương lượng → VANA = VBNB Ví dụ: Chuẩn độ 20,00 ml dung dịch HCl dung dịch NaOH 0,1000 N Tại điểm tương đương thể tích dung dịch NaOH tiêu tốn 16,00 ml Xác định nồng độ dung dịch HCl 28 HUST SCE 1.6 Cách tính tốn phân tích thể tích Nếu hai chất chất rắn mA gam chất A tác dụng vừa hết với VB ml chất B Xác định NB? 𝑚𝐴 Đ𝐴 29 HUST SCE = 𝑉𝐵 𝑁 𝐵 1000 1.6 Cách tính tốn phân tích thể tích Ví dụ 1: Hịa tan hết 0,1060 g Na2CO3 thể tích nước, định phân dung dịch HCl Tại điểm tương đương tiêu tốn hết 16,00 ml dung dịch HCl Xác định NHCl 30 HUST SCE 1.6 Cách tính tốn phân tích thể tích Ví dụ Hịa tan hồn tồn 0,2004 g Na2B4O7.10H2O (M = 381,4 g/mol) nước cất bình nón, tiến hành chuẩn độ dung dịch HCl (M = 36,461 g/mol) với chất thị metyl đỏ Khi chất thị đổi màu, ghi thể tích HCl tiêu tốn 11,20 ml Xác định nồng độ axit HCl theo đơn vị N g/lít Na2B4O7 + 2HCl + 5H2O = 2NaCl + 4H3BO3 31 HUST SCE