nghiên cứu ứng dụng phần mềm matlab để tính ph của các hệ axit-bazơ phức tạp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM Tạ Văn Thành NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ TÍNH PH CỦA CÁC HỆ AXIT – BAZƠ PHỨC TẠP Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA PHÂN TÍCH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. TẠ THỊ THẢO Thái Nguyên, năm 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG v Lời cảm ơn v MỞ ĐẦU 1 PHẦN I: TỔNG QUAN 3 1.1.Phƣơng pháp xác định nồng độ các cấu tử trong dung dịch 3 1.2. Khái niệm axit – bazơ 3 1.2.1. Thuyết axit – bazơ của Bronsted 3 1.2.2. Thuyết axit – bazơ của Lewis: 4 1.3. Tích số ion của nƣớc 4 1.4. Cƣờng độ của axit và bazơ. Hằng số axit Ka và hằng số bazơ Kb 4 1.5. Quan hệ giữa hằng số axit và hằng số bazơ của một cặp axit-bazơ liên hợp. 5 1.6. Thang pH và pOH: 6 1.7. Vấn đề chung về chất điện li trong dung dịch 6 1.7.1. Chất điện li và sự điện li. 6 1.7.2. Độ điện li và hằng số điện li. 6 1.8. Những định luật cơ bản để tính toán pH trong dung dịch axit- bazo 7 1.8.1. Định luật bảo toàn nồng độ 7 1.8.2. Định luật bảo toàn điện tích 7 1.8.3. Định luật tác dụng khối lượng 7 1.8.4. Định luật bảo toàn proton ( điều kiện proton) 7 1.9. Phƣơng pháp phân tích thể tích 8 1.9.1. Phương pháp điều chế các dung dịch 8 1.9.2. Nguyên tắc của phương pháp phân tích thể tích 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.9.3. Phản ứng dùng trong phân tích thể tích 10 1.9.4. Các phương pháp chuẩn độ 10 1.10. Sơ lƣợc về phần mềm MATLAB 11 PHẦN II: THỰC NGHIỆM……………………………………………. 16 2.1. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu……………………… 16 2.2. Hóa chất và dụng cụ 16 2.3. Tiến hành thực nghiệm 17 2.3.1. Pha chế dung dịch 17 2.3.2. Chuẩn độ thể tích xác định nồng độ các dung dịch 18 2.3.3. Pha loãng các dung dịch và pha chế hỗn hợp các axit, bazơ. Đo pH 20 PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1. Xây dựng thuật toán tính pH của một số hệ axit – bazơ. 28 3.1.1. Dung dịch các đơn axit – bazơ 29 3.1.2. Dung dịch của các hỗn hợp axit – bazơ 37 3.1.3. Dung dịch các đa axit – bazơ 43 3.2. Đánh giá sai khác giữa giá trị tính toán và thực nghiệm 46 3.2.1. Sự sai khác giá trị pH tính toán và thực nghiệm với dung dịch axit mạnh HCl 46 3.2.2. Sự sai khác giá trị pH tính toán và thực nghiệm với dung dịch axit mạnh NaOH 47 3.2.3. Sự sai khác giá trị pH tính toán và thực nghiệm với dung dịch axit yếu CH3COOH 47 3.2.4. Sự sai khác giá trị pH tính toán và thực nghiệm với dung dịch bazơ yếu NH3 có nồng độ khác nhau. 48 3.2.5. Sự sai khác giá trị pH tính toán và thực nghiệm với dung dịch đa axit H3PO 4 . 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2.6. Kết quả tính pH từ chương trình tính Matlab và kết quả đo pH từ thực nghiệm đối với dung dịch hỗn hợp đơn axit mạnh HCl và đơn axit yếu CH3COOH có nồng độ khác nhau. 49 3.2.7. Kết quả tính pH từ chương trình tính Matlab và kết quả đo pH từ thực nghiệm đối với dung dịch hỗn hợp đơn bazơ mạnh NaOH và đơn bazơ yếu CH3COONa có nồng độ khác nhau. 50 3.2.8. Kết quả tính pH từ chương trình tính Matlab và kết quả đo pH từ thực nghiệm đối với dung dịch hỗn hợp đệm axetat CH3COOH và CH3COONa có nồng độ khác nhau. 50 3.2.8. Kết quả tính pH từ chương trình tính Matlab và kết quả đo pH từ thực nghiệm đối với dung dịch hỗn hợp đệm amoni NH4Cl và NH4OH có nồng độ khác nhau. 51 KẾT LUẬN 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC BẢNG Bảng 1: kết quả xác định nồng độ dung dịch: NaOH; HCl; CH 3 COOH và NH 4 OH bằng phương pháp chuẩn độ thể tích 20 Bảng 2: Kết quả đo pH của các dung dịch đơn axit mạnh HCl có nồng độ khác nhau. 21 Bảng 3: Kết quả đo pH của các dung dịch đơn bazơ mạnh NaOH có nồng độ khác nhau: 21 Bảng 4: Kết quả đo pH của các dung dịch đơn axit yếu CH 3 COOH có nồng độ khác nhau: 22 Bảng 5: Kết quả đo pH của các dung dịch đơn bazơ yếu NH 3 có nồng độ khác nhau: 22 Bảng 6: Kết quả đo pH của các dung dịch đa axit yếu H3PO4 có nồng độ khác nhau: 23 Bảng 7: Kết quả đo pH của dung dịch các hỗn hợp đơn axit mạnh HCl và đơn axit yếu CH3COOH có nồng độ khác nhau. 23 Bảng 8: Kết quả đo pH của dung dịch các hỗn hợp đơn bazơ mạnh NaOH và đơn bazơ yếu CH3COONa có nồng độ khác nhau. 25 Bảng 9: Kết quả đo pH của dung dịch các hỗn hợp đệm axit CH3COOH và đơn bazơ yếu CH3COONa có nồng độ khác nhau. 26 Bảng 10: Kết quả đo pH của dung dịch các hỗn hợp đệm amoni NH4Cl và NH4OH có nồng độ khác nhau. 27 Bảng 11: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch HCl có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 46 Bảng 12: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch NaOH có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bảng 13: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch axit yếu CH3COOH có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 47 Bảng 14: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch bazơ yếu NH3 có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 48 Bảng 15: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch đa axit H3PO4 có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 48 Bảng 16: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch đơn axit mạnh HCl và đơn axit yếu CH3COOH có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 49 Bảng 17: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch đơn bazơ mạnh NaOH và đơn bazơ yếu CH3COONa có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 50 Bảng 18: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch đệm axetat CH3COOH và CH3COONa có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 50 Bảng 19: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch đệm amoni NH4Cl và NH4OH có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cảm ơn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS. Tạ Thị Thảo đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn phân tích, trong khoa đã tạo điều kiện và giúp đỡ em thực hiện đề tài này. Tôi cũng xin cảm ơn các anh chị, các bạn sinh viên phòng thí nghiệm hoá phân tích đã động viên, trao đổi và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài này. Thái Nguyên, ngày 28 tháng 03 năm 2013 Học viên Tạ Văn Thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Matlab để tính pH của các hệ axit – bazơ phức tạp” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, tháng 05 năm 2013 Tác giả luận văn Tạ Văn Thành Xác nhận của chủ tịch hội đồng bảo vệ Xác nhận của khoa chuyên môn Xác nhận của giáo viên hƣớng dẫn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Phản ứng axit – bazơ là phản ứng rất quan trọng cả về mặt nghiên cứu lý thuyết và mặt ứng dụng hóa học vào thực tiễn. Phần lớn các phản ứng hóa học đều được diễn ra trong dung dịch nước, đối với dung dịch nước do trong thành phần dung dịch luôn có sự hiện diện của ion H + và OH - . Sự có mặt thường xuyên của hai ion này trong thành phần dung dịch đã gây ra những ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến các cân bằng khác trong dung dịch. Tính axit hay bazơ của dung dịch có ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình xảy ra trong dung dịch như khả năng tạo phức của ion kim loại, phản ứng oxi hóa – khử, khả năng bị thuỷ phân của các ion kim loại … Do đó, việc tính toán giá trị trong dung dịch axit – bazơ giữ vai trò quan trọng không chỉ đối với hóa phân tích mà cả với hóa học nói chung. Tuy nhiên việc tính toán giá trị pH trong dung dịch axit – bazơ là khá phức tạp. Trước đây, để xác định giá trị pH của hệ axit – bazơ phức tạp, chúng ta phải xây dựng phương trình phức tạp nhưng rất khó khăn để tìm ra nghiệm nên phải đưa ra điều kiện để phương trình phức tạp trở thành một phương trình rút gọn hơn. Để giải quyết vấn đề này, ở Việt Nam trong nhiều năm gần đây đã có một số công trình nghiên cứu lý thuyết kết hợp với ứng dụng công nghệ thông tin vào hóa phân tích để lập các chương trình tính pH của các dung dịch axit – bazơ nhưng dùng phần mềm Pascal để lập trình tính toán. Phần mềm này đòi hỏi người sử dụng phải rất am hiểu về toán học mới có thể lập trình, đồng thời cũng mất rất nhiều thời gian để sử dụng. Thay vào đó, phần mềm Matlab là phần mềm rất mạnh về các phép tính được sử dụng trong tất cả các ngành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn khoa học nghiên cứu về xã hội, tự nhiên cũng như ứng dụng thực tế. Trong lĩnh vực điện tử viễn thông, xây dựng, kinh tế,… nhiều công trình nghiên cứu đã sử dụng phần mềm Matlab. Tuy nhiên chưa có công trình nào tính toán pH của các hệ axit bazơ phức tạp sử dụng phần mềm Matlab. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng phần mềm MATLAB để tính pH của các hệ axit- bazơ phức tạp”. Việc sử dụng phần mềm Matlab kết hợp với các kĩ thuật tính toán, thống kê mở ra khả năng phân tích nhanh, rẻ tiền. Trong khuôn khổ của một luận văn, chúng tôi đặt ra các nhiệm vụ như sau: - Nghiên cứu lý thuyết về pH của các dung dịch axit – bazơ để đưa ra các thuật toán, công thức tính pH của một số hệ axit – bazơ phức tạp. - Pha dãy dung dịch chuẩn của các dung dịch chứa đồng thời các chất cần phân tích. Chuẩn độ để xác định nồng độ chính xác của các dung dịch đã pha chế. - Đo pH của dãy các dung dịch đã pha chế để kiểm tra tính chính xác của chương trình tính toán pH của các dung dịch axit-bazơ dựa trên phần mềm matlab. - Sử dụng phần mềm Matlab để lập chương trình tính pH của các hệ axit – bazơ phức tạp. - Kiểm tra lại kết quả tính toán trên chương trình Matlab so với kết quả thực nghiệm. [...]... ph ơng ph p nghiên cứu 2.1.1 Nội dung nghiên cứu Mục đích của khoá luận là nghiên cứu ứng dụng ph n mềm Matlab để tính toán pH trong hỗn hợp axit – bazơ Nội dung của khoá luận tập trung vào các vấn đề sau: - Nghiên cứu lý thuyết về pH của các dung dịch axit – bazơ để đưa ra các thuật toán, công thức tính pH của một số hệ axit – bazơ ph c tạp - Nghiên cứu lập trình chương trình tính toán pH của một số hệ. .. bazơ dựa trên ph n mềm matlab - Pha dãy dung dịch chuẩn của các dung dịch chứa đồng thời các chất cần ph n tích Chuẩn độ để xác định nồng độ chính xác của các dung dịch đã pha chế - Đo pH của dãy các dung dịch đã pha chế để kiểm tra tính chính xác của chương trình tính toán pH của các dung dịch axit-bazơ dựa trên ph n mềm matlab 2.1.2 Ph ơng ph p nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về pH của các dung dịch.. .PH N I: TỔNG QUAN 1.1 Ph ơng ph p xác định nồng độ các cấu tử trong dung dịch Việc nghiên cứu xác định nồng độ các cấu tử trong dung dịch bằng ph ơng ph p ứng dụng ph n mềm tin học như: matlab, pascal…được rất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu Trên thế giới, ph n lớn các công trình nghiên cứu xác định đồng thời các cấu tử trong hỗn hợp đều ứng dụng ph n mềm pascal, matlab để tính toán kết... trình tính pH trong dung dịch có nhiều axit hoặc bazo dựa trên ph n mềm GW- BASIC và cho kết quả rất tốt Nhóm tác giả [11] đã tính pH một số dung dịch đệm dựa trên ph n mềm MATLAB Ở Việt Nam, có nhiều tác giả nghiên cứu xác định nồng độ các cấu tử dựa trên các ph n mềm Matlab, Pascal Nhóm tác giả [4],[5] đã tính toán thành ph n cân bằng trong hệ axit – bazơ ph c tạp Tác giả [9] trên cơ sở ph n mềm pascal... luận văn này, chúng tôi đã áp dụng thuật toán để xây dựng ph ơng trình tính toán pH dựa trên ph n mềm Matlab để tính pH của một số hệ axit –bazơ và kiểm tra xem liệu có tính toán được hay không? Liệu có sự ph hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm hay không? 3.1 Xây dựng thuật toán tính pH của một số hệ axit – bazơ Trên cơ sở lý thuyết pH của hệ axit – bazơ và thuật toán ph n mềm Matlab, chúng tôi đã tóm tắt... như sin, cos, số ph c cho đến các hàm toán học ph c tạp hơn như ma trận… o Trình giao diện ứng dụng MATLAB (API): Đây là một chương trình giao diện cho ph p lập các chương trình ứng dụng theo ngôn ngữ C hoặc FORTRAN để tương tác với MATLAB Chúng bao gồm những thành ph n tiện ích để gọi các đại lượng từ MATLAB (liên kết động), triển khai MATLAB khi tính toán kỹ thuật cũng như lập và đọc các tập tin MAT... http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.9.3 Ph n ứng dùng trong ph n tích thể tích Những ph n ứng hóa học dùng trong ph n tích thể tích ph i thỏa mãn các yếu tố sau: - Chất định ph n ph i tác dụng hoàn toàn với thuốc thử theo một ph ơng trình ph n ứng xác định, nghĩa là theo mottj hệ số tỉ lượng xác định - Ph n ứng ph i xảy ra rất nhanh Đối với các ph n ứng chậm, cần làm tăng tốc độ của chúng bằng cách đun nóng hoặc dùng... cũng sử dụng rất nhiều các ph p tính toán học Với những đặc điểm đó và khả năng thân thiện với người sử dụng nên nó dễ dàng sử dụng hơn các ngôn ngữ khác như Basic, Pascal, C Matlab là chương trình ph n mềm trợ giúp cho việc tính toán và hiển thị Nó có thể chạy trên hầu hết các hệ máy tính, từ máy tính cá nhân đến các hệ super computer Matlab được điều khiển bằng tập các lệnh, tác động qua bàn ph m trên... thành ph n tiện ích để sử dụng như những người sử dụng hoặc các lớp lập trình viên MATLAB Chúng bao gồm những đối tượng tiện ích được dùng để quản lí các thay đổi trong môi trường làm việc cũng như nhập và xuất các dữ liệu Ngoài ra, chúng cũng bao gồm nhưng công dụng vào việc khai ph , quản lí, gỡ rối và tạo các tập tin nén M-files, các trình ứng dụng của MATLAB o Đồ hình: Đây là hệ thống đồ họa của MATLAB. .. sổ điều khiển Nó cũng cung cấp khả năng lập trình với cú ph p dịch lệnh còn gọi là scrip file Các lệnh của Matlab rất hiệu quả, nó cho ph p giải các loại hình tính toán khác nhau và đặc biệt hữu dụng cho các hệ ph ơng trình tuyến tính hoặc tính toán với hàm toán học ph c tạp Ngoài ra, Matlab còn có thể xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ hoạ một cách mềm dẻo, đơn giản và chính xác trong không gian 2 chiều cũng . nào tính toán pH của các hệ axit bazơ ph c tạp sử dụng ph n mềm Matlab. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã chọn đề tài: Nghiên cứu ứng dụng ph n mềm MATLAB để tính pH của các hệ axit- bazơ ph c tạp tính toán pH của các dung dịch axit-bazơ dựa trên ph n mềm matlab. - Sử dụng ph n mềm Matlab để lập chương trình tính pH của các hệ axit – bazơ ph c tạp. - Kiểm tra lại kết quả tính toán. THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PH M Tạ Văn Thành NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PH N MỀM MATLAB ĐỂ TÍNH PH CỦA CÁC HỆ AXIT – BAZƠ PH C TẠP Chuyên ngành: Hóa ph n tích Mã số: 60440118