Giáo trình hoá học phân tích

GIỚI THIỆU VỀ MƠN HỌC Vị trí, ý nghĩa, vai trị mơn học Mơn học Hố học phân tích kiến thức ban đầu mơn học liên quan đến việc phân tích sản phẩm dầu khí Mơn học cung cấp cho học viên kiến thức Ngành phân tích hóa học, từ học viên tự hình thành kỹ sử dụng dụng cụ phịng thí nghiệm phân tích để phân tích đƣợc tiêu sản phẩm dầu khí phần sở, nhƣ vận dụng sáng tạo kiến thức đƣợc học để hiểu tìm tịi khắc phục thí nghiệm tƣơng tự thực tế Ngồi ra, mơn học rèn luyện cho học viên ý thức thói quen qua thực hành, luyện tập giai đọan Mục tiêu môn học Học xong môn học này, học viên cần phải: Nắm vững khái niệm hóa phân tích Phân tích định tính Phân tích định lƣợng Hiểu biết định luật hóa học Thực phân tích loại chất khác Mục tiêu thực môn học Khi hồn thành mơn học này, học viên có khả năng: Mô tả khái niệm phân tích định tính định lƣợng Phân tích ion theo: + Phân tích định tính + Phân tích định lƣợng Phân tích loại chất khác Thực thí nghiệm làm PTN hóa phân tích trƣờng Nội dung môn học Bài 1: Khái niệm bản.(hệ thống phân tích định tính) Bài 2: Phân tích định tính Cation nhóm Bài 3: Phân tích định tính Cation nhóm Bài 4: Phân tích định tính Cation nhóm Bài 5: Phân tích khối lƣợng (phân tích định lƣợng khối lƣợng) Bài 6: Phân tích thể tích Bài 7: Phân tích định lƣợng acid – baz Bài 8: Phân tích định lƣợng oxy hố khử Bài 9: Phân tích định lƣợng tạo phức Bài 10: Phân tích định lƣợng tạo tủa CÁC HÌNH THỨC HOẠT ĐỘNG HỌC TẬP CHÍNH TRONG MƠN HỌC - Học lớp về: + Các cân dung dịch + Phân tích định tính cation nhóm 1,2,3 + Phân tích định lƣợng theo phƣơng pháp khối lƣợng + Phân tích định lƣợng theo phƣơng pháp thể tích + Các phƣơng pháp tính sai số phép chuẩn độ - Tự nghiên cứu tài liệu liên quan đến Phân tích sở Theo dõi việc hƣớng dẫn giải tập Làm tập cân hệ - dung dịch, tập xác định hàm lƣợng mẫu chất Tính tốn tốn sai số báo cáo - - hàm lƣợng đƣợc tính tốn Thảo luận xây dựng cơng thức tính tốn, hệ thống phân tích định tính Tham gia kiểm tra đánh giá chất lƣợng - học tập Tham gia thực hành phịng thí - nghiệm U CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HỒN THÀNH MƠN HỌC Về kiến thức - Vận dụng đƣợc kiến thức đƣợc học để xác định đƣợc phƣơng pháp phân tích cho phù hợp với số mẫu thực - Xây dựng đƣợc đƣờng định phân đồ thị chúng - Xác định đƣợc thị tƣơng ứng cho phép - - chuẩn độ Vận dụng đƣợc lý thuyết cân dung dịch để xác định đƣợc yếu tố ảnh hƣởng đến dung dịch Vận dụng tốt cơng thức phân tích để tính tốn đƣợc hàm lƣợng chất phân tích Về kỹ - Thành thạo thao tác sử dụng thiết bị, - dụng cụ phân tích phịng thí nghiệm Tính tốn đƣợc sai số q trình phân tích Tính tốn thục toán xác định hàm lƣợng dung dịch phân tích Hệ thống hố đƣợc cách định tính ion - dung dịch Thực tốt thí nghiệm mơn học - Xác định đƣợc hàm lƣợng mẫu chất ban đầu Về thái độ - Nghiêm túc thực tập thực - thí nghiệm phân tích phịng thí nghiệm Ln chủ động việc xác định áp dụng phƣơng pháp phân tích Động viên, nhắc nhở đồng nghiệp thực thao tác kỹ thuật đƣợc học BÀI CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mã bài: HPT Giới thiệu Để tiến hành phân tích đƣợc mẫu dung dịch nƣớc, cần phải nắm vững cách có hệ thống kiến thức dung dịch, khái niệm liên quan hố phân tích Mục tiêu thực Học xong học viên có khả năng: Mơ tả điện ly dung dịch Mô tả tích số ion nƣớc - pH dung dịch Mô tả pH hệ acid - baz Nắm vững khái niệm độ hồ tan, tích số tan Nắm vững khái niệm phức chất Mô tả phản ứng thủy phân Nội dung Sự điện ly dung dịch Tích số ion nƣớc - pH dung dịch pH hệ acid - baz Khái niệm độ hồ tan, tích số tan Khái niệm phức chất Phản ứng thủy phân 1 Sự điện ly dung dịch 1.1.1 Khái niệm điện ly Dung dịch hệ đồng thể gồm hay nhiều chất mà thành phần thay đổi giới hạn rộng Gồm loại dung dịch: dung dịch khí, dung dịch lỏng, dung dịch rắn Dung dịch khí hỗn hợp hai hay nhiều chất khí (nhƣ khơng khí) Trong điều kiện bình thƣờng tƣơng tác phân tử khí nhỏ nên dung dịch khí gần nhƣ hỗn hợp học Nhƣng điều kiện thay đổi với áp suất - cao, hoà tan chất khí giống nhƣ hồ tan chất lỏng, lúc chúng có lực tƣơng tác đáng kể Dung dịch lỏng dung dịch đƣợc tạo thành từ - chất có khả hồ tan dung mơi lỏng Dung dịch rắn tinh thể đƣợc tạo thành hoà tan chất khí, lỏng, rắn dung mơi chất rắn Xét hệ dung dịch lỏng, cho chất tan vào dung môi lỏng, xảy trình: trình chuyển pha phá vỡ cấu trúc chất tan thành ion, phân tử hay nguyên tử, khuyếch tán vào dung môi (đây trình vật lý, thu nhiệt) + q trình sonvat hố tƣơng tác hình thành phần tử chuyển pha với phần tử dung môi (đây trình hố học, phát nhiệt ) " Sự điện ly trình phân ly chất tan thành ion mang điện tích trái dấu, chất trạng thái nóng chảy hay dung dịch, có khả phân ly thành ion mang điện tích trái dấu, làm cho hệ có khả dẫn đƣợc điện, gọi chất điện ly " Dƣơí tác dụng dịng điện, ion dƣơng di chuyển phía điện cực âm (catod) nên gọi cation, ion âm di chuyển điện cực dƣơng (anod) nên gọi anion Các ion có tính chất khác hoàn toàn so với nguyên tử loại ngun tố (chẳng hạn, ion H+ có tính chua, gây chua, làm quỳ tím hóa đỏ, nhƣng ngun tử H khơng có tính chất này) Phân loại: chất điện ly gồm hai loại: - Chất điện ly mạnh: chất điện ly có khả phân ly hồn tồn, đƣợc biểu thị dấu ( - ) Chất điện ly yếu: chất điện ly khơng có khả phân ly hoàn toàn, đƣợc biểu thị dấu ( ) Ví dụ: dung dịch HCl, NaCl dung dịch chất điện ly mạnh đƣợc biểu thị dung dịch nƣớc là: HCl H+ + ClNaCl Na+ + Cl- Còn dung dịch FeCl , Cu(OH)2 dung dịch chất điện ly yếu đến yếu, đƣợc biểu thị dung dịch nƣớc là: FeCl2 Fe2+ + Cl- Cu(OH)2 Cu2+ + OH- v.v Một điều cần lƣu ý là: ion đƣợc minh họa phƣơng trình điện ly trình điện ly, ion sonvat khơng phải ion tự (cách viết trình bày cách biểu thị sonvat hoá đƣợc viết giản lƣợc rồi) 1.1.2 Hằng số phân ly dung dịch 1.1.2.1 Khái niệm Trong dung dịch điện ly ln có cân động đƣợc xác lập cho trình địên ly chất tan, chẳng hạn cho chất tan AmBn tan nƣớc, q trình hồ tan ln bao gồm hai q trình phân ly chất tan AmBn thành ion sonvat trình kết hợp ion thành phân tử AmBn Sau thời gian, vận tốc trình dung dịch đạt tới trình cân AmBn m A+n + n B-m Khi số cân KCB [ A n ]m [B m ]n = [ Am Bn ] đƣợc gọi số điện ly hay số phân ly A mBn Đây đại lƣợng đặc trƣng cho chất điện ly hồ tan dung mơi định Ví dụ: acid phân ly nấc nhƣ CH3COOH là: CH3COOH CH3COO- + H+ Thì số phân ly (hay gọi số acid): KCB = [ H ].[CH OO ] = 1,82 10 - [CH COOH ] Đối với acid phân ly hai nấc nhƣ H2CO3 : nấc phân ly có số tƣơng ứng H2CO3 KCB = HCO3- H+ + HCO3- [ H ].[HCO3 ] = - 6,35 [ H CO3 ] H+ + CO329 KCB = [ H ].[CO3 ] = 10 - 10,33 [ HCO3 ] Khái niệm độ mạnh acid hay baz đƣợc xác định dựa số phân ly chất đó: KCB phƣơng trình điện ly acid lớn tính acid mạnh (hay ngƣợc lại baz) Lúc đó, KCB cịn đƣợc gọi số acid K a (hay baz số baz Kb) Hằng số điện ly chất điện ly phụ thuộc vào chất dung môi hồ tan Việc thêm dung mơi khác có độ thẩm điện môi nhỏ nƣớc (chẳng hạn Dioxan có = 2,2 so với nƣớc 80,4) vào dung dịch chất điện ly làm giảm số K (khi cho Dioxan vào dung dịch acid acetic pK a = 4,75 tăng lên pKa = 10,52, tức số điện ly bị giảm gần triệu lần), kết qủa chất tan khó tan (Để tiện việc tính tốn, thƣờng sử dụng pK a = - lg Ka pKb = - lg Kb, với pKa + pKb = 14) 1.1.2.2 Hằng số bền khơng bền Các q trình điện ly dung dịch chất điện ly đƣợc xác định định lƣợng theo số điện ly K CB, gọi số phân ly hay số không bền (KPl) Chẳng hạn CH3COOH CH3COO- + H+ có KCB = KPl = 1,82.10 – Cịn q trình kết hợp ion dung dịch chất điện ly đƣợc xác định định lƣợng theo số kết hợp, gọi số bền Chẳng hạn: 10 Cx (1) = 0,098 0,0975 = 0,25 < QLth 0,098 0,096 Cx (2) = 0,0975 0,097 = 0,25 < QLth 0,098 0,096 Cx (3) = 0,097 0,098 0,096 = 0,5 < QLth 0,096 Vậy dãy số khơng có sai số thơ bạo, hay dãy số thực nghiệm đƣợc tính Số liệu thu đƣợc: Nồng độ NaOH TBình = 0,097125 (N) Phƣơng sai mẫu = 0,000853912 ε= t.S n = 3,18 0,000835912 = 0,00135772 Vậy nồng độ NaOH = 0,097125 ± 0,00135772 ≈ 0,097 ± 0,001 Hay: 0,096(N) nồng độ NaOH 0,098 (N) HƢỚNG DẪN GIẢI CÁC BÀI TẬP BÀI Cho cặp oxy hoá khử [MnO4- / Mn2+ ] [ClO3- (H+)/ Cl- ] có E0 lần lƣợt 1,51(v) 1,45(v) Xác định chiều phản ứng xảy số cân phản ứng pH = Cho miếng đồng kim loại vào dung dịch AgNO 0,01M Tính KCB nồng độ ion kim loại dung dịch tạo thành Biết E Cu E Ag = 0,34(v) Cu =0,8(v) Ag Viết cơng thức tính điện cực E (v) chuẩn độ V0 (mL) dung dịch Fe2+ C0N V (mL) dung dịch 427 Ce4+ CN trƣờng hợp sau: a) b) Tổng quát chuẩn độ Trƣớc xa điểm tƣơng đƣơng c) d) Tại điểm tƣơng đƣơng Sau xa điểm tƣơng đƣơng Biết E Fe / Fe2 = + 0,68 (v), ECe / Ce = + 1,44(v) Tiến hành pha trộn dung dịch Cu+ 10 – M với dung dịch Na2S 0,1M, đo điện dung dịch điện cực đồng-SCE đƣợc giá trị - 0,906(volt) Giả sử dung dịch không xảy trình tạo phức hydroxo ion Cu+, pH dung dịch đo đƣợc 8, điện cực chuẩn đồng E Cu = + 0,34 H2S Cu đƣợc xem dung dịch acid yếu hai chức có số phân ly acid nấc lần lƣợt là: 10–7,10 – 12,89 Tính nồng độ [Cu+] thời điểm cân sau pha trộn Giải Các bán phản ứng Oxy hoá khử: MnO-4 + H+ + e ClO3- + H+ + e Mn2+ + H2O Cl- + H2O E10 = 1,51(v) E 20 = 1,45(v) Để phản ứng xảy E > mà với pH = [H+] = 1N Nên E10 - E 20 = 1,51 - 1,45 = + 0,06 tƣơng ứng với chiều phản ứng: MnO-4 + Cl- + 18 H+ Mn2+ + ClO3- + H2O Áp dụng tính số cân bằng: KCB = 10 6.5.( E E ') , 059 = 10 30,5 Xét trình điện ly: AgNO3 → Ag+ + NO3Nên phản ứng điện hoá xảy Ag+ Cu là: 428 Ag+ + Cu Nồng độ ban đầu: 0,01 Nồng độ cân bằng: 0,01 – x Ta có: KCB = Ag  + Cu2+ x x 0,01 x Mặt khác theo hệ từ phƣơng trình Nernst: KCB = 10 Do đó: m.n E 0,059 = 10 x = 10 –15,6 0,01 x 2.1.( 0,8 0,34 ) 0,059 =10 –15,6 x = 2,071 10 – Vậy: [Cu2+ ] = 2,071 10 – M [Ag+] = 5,858 10 – 3M Phản ứng chuẩn độ: Ce4+ + e Fe3+ + e Fe2+ + Ce4+ Khi chuẩn độ: Ce3+ Fe2+ E10 = 1,44 (v) (1) E 20 = 0,68 (v) (2) Fe3+ + Ce3+ [Fe2+ ] + [Fe2+ ]phản ứng = [ Fe2+ ]pt = [Ce4+ ] + [Ce4+ ]phản ứng = [ Fe2+ ]pt = Đặt V0 C V0 V VC V0 V V C = F V0 C Công thức tổng quát là: ([Ce4+ ] - [Fe2+ ]) V0 V = F-1 V0 C Trƣớc xa điểm tƣơng đƣơng: [Ce4+ ] (3) E= E + 0,059 lg (3) F [ Fe3 ] = 0,68 + 0,059 lg F [ Fe ] 429 Tại điểm tƣơng đƣơng: F = 1và [Fe2+ ] = [Ce4+ ] Etd = 1,44 0,68 = 1,06 Sau xa điểm tƣơng đƣơng: [Fe2+ ] 0: (3) E = 1,44 + 0,059 lg (F - 1) Phản ứng phóng điện ion: Cu+ + e Cu2+ Nên theo phƣơng trình Nernst: ECB = E Cu + Cu 0,059 lg [Cu+] n = 0,34 + 0,059 lg [Cu+] Thế đo đƣợc dung dịch là: ECB = Edo + Echuan= - 0,906 + 0,247 = - 0,659(v) Do đó: [Cu+] = 10 – 19,48 HƢỚNG DẪN GIẢI CÁC BÀI TẬP BÀI Viết cơng thức tính pMg chuẩn độ V0 (mL) dung dịch Mg2+ C0N V (mL) dung dịch EDTA CN trƣờng hợp sau: a) b) c) Tổng quát chuẩn độ Trƣớc xa điểm tƣơng đƣơng Tại điểm tƣơng đƣơng d) Sau xa điểm tƣơng đƣơng Giả sử Mg có khả tạo phức với EDTA hydroxyt, EDTA acid đa chức phân ly bốn nấc, số bền điều kiện phức M EDTA lớn Hút 5mL dung dịch mẫu (có chứa ion Al 3+ ) với 10 mL dung dịch chuẩn EDTA 0,1N thêm giọt thị Bromcresol lục vào erlen, chỉnh dung dịch pha trộn pH = 5-6 cách cho NH4OH vào 430 đến dung dịch có màu xanh Thêm tiếp 2mL dung dịch đệm pH = 5,5 Đun nhẹ khoảng 60 - 800C, lại thêm mL đệm pH = 5,5 + giọt thị Xylenon da cam (làm mẫu bình nón loại 250mL) Chuẩn độ dung dịch Zn2+ 0,1N (chuẩn nóng) dung dịch chuyển từ xanh sang vàng đo đƣợc thể tích dung dịch Zn2+ V0(mL), theo kết quả: Al 3+ Mẫu số V0 (mL) 9,8 9,7 9,7 9,6 Với độ tin cậy 95% tính hàm lƣợng g / L ion có mẫu ban đầu Số thí nghiệm t 12,7 4,3 3,18 2,78 Q 1,22 0,94 0,77 0,64 10 2,57 2,45 2,37 2,31 2,23 0,56 0,51 0,47 0,44 0,41 Giả sử dung dịch có khối lƣợng riêng d = g/mL Giải Theo đề cho: Mg2+ (kí hiệu M) có khả tạo phức với EDTA (kí hiệu Y) mà khơng có q trình phụ nhƣ hydroxo, hydrua số bền điệu kiện phức lớn, nên cách giải bỏ qua trình phụ Phƣơng trình chuẩn độ: M + Y MY ( ) Khi tiến hành chuẩn độ: (1) 431 [M] + [M]pu = [M]bd = [Y] + [Y]pu = [Y]bd = Đặt V C = V0 C V0 C V0 V (2) VC V0 (3) V F: Phƣơng trình tổng quát định phân chuẩn độ là: V0 C [M ] V V V0 V ( [M] ) =1-F V0 C [M ] Trƣớc xa điểm tƣơng đƣơng: Giả sử [M] = (1 - F) (5) [Y]