bài giảng phân tích thực phẩm cho hệ cao đẳng và trung cấp

Khái niệm phân tích thực phẩm Phân tích thực phẩm là việc sử dụng các phương pháp phân tích lý học, hóa học,hóa lý, vi sinh vật để xác định các chỉ tiêu hóa lý, vi sinh vật, cảm quan của

(Cao đẳng, trung cấp)

Biên soạn: VŨ HOÀNG YẾN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

THÁNG 08/2012

MỤC LỤC

2

BẢNG VIẾT TẮT

AOAC Hiệp hội các nhà hóa học phân tích chính thống

UV - VIS Tử ngoại – khả kiến

Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ PHÂN TÍCH THỰC PHẨM

1.1 Khái niệm phân tích thực phẩm

Phân tích thực phẩm là việc sử dụng các phương pháp phân tích lý học, hóa học,hóa lý, vi sinh vật để xác định các chỉ tiêu hóa lý, vi sinh vật, cảm quan của sản phẩmnhằm xác định một loại thực phẩm nào đó có đạt hay không đạt tiêu chuẩn qui định.Trong nội dung cuốn giáo trình này chỉ trình bày các phương pháp phân tích hóahọc và lý học để xác định một số chỉ tiêu hóa lý của thực phẩm

1.2 Mục đích phân tích thực phẩm

Phân tích thực phẩm nhằm mục đích kiểm tra, đánh giá một loại thực phẩm nào

đó có đáp ứng các tiêu chuẩn về phẩm chất và thành phần dinh dưỡng theo đúng quiđịnh

Phân tích thực phẩm nhằm kiểm soát chất lượng sản phẩm trong hoạt động sảnxuất, đảm bảo tính đồng nhất, tính an toàn về các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm;kiểm soát sự lãng phí nếu có trong quá trình sản xuất.Mặt khác phân tích thực phẩmnhằm tạo cơ sở để nghiên cứu phát triển sản phẩm mới

Phân tích thực phẩm nhằm cung cấp số liệu về chất lượng thực phẩmđể đưa ranhững nhận định khách quan phục vụ cho công tác quản lý nhà nước về an toàn vệsinh thực phẩm Đảm bảo an toànvệ sinh thực phẩm chính là bảo vệ quyền lợi vàsứckhỏe người tiêu dùng

1.3 Phân loại phương pháp phân tích trong thực phẩm

Phân tích định tính là phương pháp cho phép nhận biết các chất, cấu trúc, thànhphần có trong mẫu phân tích thực phẩm nhờ vào các thiết bị phân tích hay các phảnứng hóa học đặc trưng đối với chất cần xác định

Phân tích định lượng là phương pháp cho phép xác định số lượng, giá trị của đốitượng có trong mẫu, được biểu diễn giá trị %, mg/kg, mg/l, μg/kg, μg/l…

1.4 Các kỹ thuật phân tích ứng dụng trong thực phẩm

− Phân tích hóa học cổ điển: phân tích trọng lượng và chuẩn độ thể tích

− Phân tích công cụ: phân tích điện hóa, phân tích sắc ký, phân tích quang phổ

1.5.Lựa chọn phương pháp phân tích

Lựa chọn các phương pháp phân tích dựa vào các yếu tố:

− Có tính tiên tiến: Thể hiện ở độ đúng, độ chính xác, tính chọn lọc, tính đặc trưng

− Có tính thực tế: Phương pháp thử đưa ra phải phù hợp với điều kiện thực tế, cótính khả thi cao (phù hợp trang thiết bị, máy, kỹ thuật, hóa chất, thuốc thử, trình

phương pháp mới từ các tạp chí khoa học sau khi đã được phòng kiểm nghiệm thẩmđịnh phương pháp phân tích.

1.6.Lấy mẫu và xử lý mẫu trong phân tích thực phẩm

Lấy mẫu là khâu quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của lô sản phẩm, nóđòi hỏi phải hết sức thận trọng, bởi vì mẫu phản ánh chính xác mọi đặc điểm chấtlượng và phải đặc trưng cho thành phần trung bình của lô sản phẩm Lấy mẫu khôngđúng phương pháp, kết quả phân tích mẫu thử sẽ không phản ánh đúng đặc tính của lôsản phẩm, từ đó dẫn đến việc đánh giá không đúng chất lượng lô sản phẩm đó

và người lấy mẫu) theo cùng một qui trình công nghệ sản xuất

Mẫu ban đầu(mẫu riêng): là lượng mẫu lấy ra từ vị trí định cỡ ban đầu của lô sảnphẩm (bao gói, kiện thùng) đã được chỉ định lấy mẫu

Mẫu chung: là tập hợp tất cả các mẫu riêng

Mẫu đại diện: là lượng mẫu được lấy ra từ mẫu chung dùng để đánh giá chấtlượng của lô sản phẩm Mẫu đại diện được chia thành 3 phần:

− Mẫu kiểm nghiệm: là mẫu chung dùng để kiểm nghiệm, đánh giá các chỉ tiêutại phòng kiểm nghiệm

− Mẫu lưu: là mẫu có cùng đặc tính của mẫu kiểm nghiệm và được lưu tại cơ sởkiểm nghiệm, cơ sở được lấy mẫu

1.6.2 Các qui định về lấy mẫu

1.6.2.1 Đối tượng lấy mẫu

Với hệ thống tự kiểm tra của nhà sản xuất: nguyên liệu thực phẩm, bao bì đónggói, sản phẩm trung gian, bán thành phẩm, thành phẩm

Với hệ thống quản lý nhà nước: thực phẩm và các nguyên liệu thực phẩm đangtrong quá trình lưu thông hoặc tồn trữ trong kho

1.6.2.2 Người lấy mẫu

Đối với cơ sở sản xuất: cán bộ chuyên môn của phòng kiểm tra chất lượng sảnphẩm tiến hành lấy mẫu có sự chứng kiến của đại diện bộ phận sản xuất

Việc lấy mẫu được tiến hành bởi các thanh tra viên, cán bộ lấy mẫu có chuyênmôn có chứng chỉ lấy mẫu do cơ quan có thẩm quyền cấp

Phải tiến hành lập biên bản lấy mẫu, biên bản bàn giao mẫu và dán tem niêmphong theo mẫu được qui định, phải chuẩn bị đầy đủ thủ tục, dụng cụ, thiết bị lấy mẫu

và bảo quản mẫu

Thực hiện đúng các qui trình kỹ thuật đảm bảo tính khách quan, trung thực trongquá trình lấy mẫu, vận chuyển và bàn giao mẫu cho đơn vị kiểm nghiệm

1.6.2.3 Các yêu cầu về lấy mẫu

Mẫu thực phẩm phải đại diện cho cả lô hàng đồng nhất Trước khi lấy mẫu phảixem xét lô hàng có đồng nhất không và kiểm tra tình trạng bao bì của lô hàng đó.Mẫu hàng lấy đưa đi kiểm nghiệm phải là mẫu trung bình, nghĩa là sau khi chiathành lô hàng đồng nhất, mẫu sẽ lấy đều ở các góc, ở phía trên, phía dưới, giữa lô hàng

và trộn đều

Đối với thực phẩm lỏng như nước chấm, nước mắm, dầu ăn, thường đựng trongcác bể và thùng to, dùng ống cao su sạch, khô cắm vào các vị trí trên, dưới, giữa cạnh

bể hay thùng để lấy mẫu hoặc khuấy kỹ cho đều trước khi lấy mẫu

Đối với các thực phẩm rắn như gạo, chè, thuốc lá thì lấy ở trên, dưới, giữa cácbao hoặc các đống ở vị trí trong lô hàng đồng nhất

Đối với các thực phẩm đóng gói dưới dạng đơn vị như hộp, chai, lọ mẫu lấy giữnguyên bao bì

Phương pháp lấy mẫu cụ thể được qui định trong các tiêu chuẩn Việt Nam đốivới từng loại, nhóm thực phẩm

Tỷ lệ lấy mẫu từ 0,5 đến 1% tùy theo số lượng nhưng mỗi lần lấy không ít hơnlượng cần thiết để gửi mẫu và kiểm nghiệm (Xem phụ lục I)

Lượng mẫu tối thiểu là lượng mẫu đủ để kiểm nghiệm một chỉ tiêu của sản phẩm.Tùy thuộc vào mục đích kiểm tra lượng mẫu lấy có thể được tăng hay giảm phù hợpvới yêu cầu kiểm tra

Trong trường hợp không đủ để lưu mẫu, mọi thay đổi cần ghi rõ trong biên bảnlấy mẫu và biên bản bàn giao mẫu

Quá trình lấy mẫu phải được giám sát và ghi chép đầy đủ Tất cả các dấu hiệukhông đồng nhất, hư hỏng của sản phẩm và bao bì bảo quản đều phải ghi chép lại.Sau khi lấy mẫu phải lắc kỹ nếu là thực phẩm lỏng, trộn đều nếu thực phẩm rắnrồi chia thành mẫu thử trung bình để gửi đi kiểm nghiệm hóa lý, cảm quan, vi sinh vật.Sau khi kết thúc quá trình lấy mẫu, mẫu kiểm nghiệm phải được bàn giao ngaycho đơn vị kiểm nghiệm trong thời gian sớm nhất

1.6.3 Kỹ thuật lấy mẫu

1.6.3.1 Lấy mẫu ngẫu nhiên đơn giản

6

Thường áp dụng khi lấy mẫu trong kho, trong một tập hợp ta lấy ra một lượngmẫu bất kì Địa điểm bất kì đó thường dựa vào bảng ngẫu nhiên.

Ví dụ trong kho có 10000 sản phẩm xếp theo một trật tự nhất định có thể xácđịnh được vị trí từ 1 đến 10000 theo một qui luật nào đấy Ta cần lấy ra 200 mẫu sảnphẩm, vậy lấy các sản phẩm ở vị trí nào? Hãy dùng bảng số liệu ngẫu nhiên (bảng1.1) Từ một vị trí bất kì trong bảng ngẫu nhiên ta chọn một số có 4 chữ số, số đó làmẫu số 1 cần lấy Lần lượt dóng sang phải (hoặc sang trái, lên trên, xuống dưới) ghi lạicác con số có 4 chữ số tiếp theo cho đủ 200 số như vậy Giá trị của 200 con số vừa ghiđược chính là vị trí của 200 mẫu cần lấy trong tập hợp 10000 sản phẩm

Theo cách lấy mẫu ngẫu nhiên đơn gian này, mẫu sẽ đại diện khá chặt cho lôhàng nên ta có độ chính xác cao nhưng thứ tự lấy mẫu không theo một trật tự nào nênlấy mẫu khá vất vả, đôi khi không thực hiện được

Bảng 1.1 Bảng số ngẫu nhiên (trích)

1.6.3.2 Lấy mẫu ngẫu nhiên hệ thống

Thường áp dụng cho các dây chuyền sản xuất liên tục hoặc trong thời gianchuyển hàng vào bể chứa Kỹ thuật nêu lên cách lấy mẫu sản phẩm theo chu kì thờigian sản xuất hoặc thứ tự sản phẩm được sản xuất ra trên dây chuyền đó Thôngthường người ta lấy các sản phẩm sản xuất ra cách đều đặn nhau một giá trị K nào đógọi là khoảng lấy mẫu Khoảng lấy mẫu phụ thuộc vào độ lớn của cỡ lô (N) và độ lớn

của cỡ mẫu (n) Một cách tổng quát, khoảng lấy mẫu được tính theo công thức dướiđây và mẫu đầu tiên nằm một cách ngẫu nhiên giữa 1 và K

Giả sử:

− mẫu đầu tiên là lon thứ 33 trong dây chuyền thì

− mẫu thứ 2 là lon thứ 33+50= 83 trong dây chuyền

− mẫu thứ 3 là lon thứ 83+50= 133 trong dây chuyền

− mẫu thứ 4 là lon thứ 133+50= 183 trong dây chuyền…

1.6.3.3 Lấy mẫu nhiều mức

Người ta sử dụng phương pháp này khi nào sản phẩm bảo quản trong kho đượcxếp xắp trên các giá, trong thùng, trong hộp Kỹ thuật lấy mẫu lúc này là phân chia lôhàng trong kho thành nhiều mức

− Mức thứ 1: các giá

− Mức thứ 2: các thùng

− Mức thứ 3: các hộp…

Nguyên lý lấy mẫu như sau:

− Lấy ngẫu nhiên một số đơn vị ở mức thứ nhất

− Tiếp theo trong số các đơn vị ở mức thứ nhất đã chọn được ta lấy ngẫu nhiênmột số đơn vị ở mức thứ 2

− Cuối cùng ta chọn ngẫu nhiên các mẫu ở mức thứ 3 từ số các đơn vị ở mức thứ

2 đã được chọn

Việc lấy mẫu như vậy gọi là lấy mẫu theo mức giảm dần Đặc điểm của lấy mẫunhiều mức là đơn giản hơn nhưng kém chính xác hơn so với lấy mẫu ngẫu nhiên đơngiản

Sau khi lấy được mẫu đại diện theo các phương pháp trên đây, đối với các chỉtiêu nguy hiểm như độc tố (trừ vi sinh vật) ta mang đấu trộn các mẫu với nhau để tạonên một hỗn hợp và lấy một phần đi phân tích Còn đối với các chỉ tiêu vật lý và hóahọc khác ta phải phân tích 100% số mẫu lấy được để đi đến kết luận cho lô hàng

8

1.6.4 Gửi mẫu và nhận mẫu

1.6.4.1 Gửi mẫu

Chia mẫu thử trung bình thành 3 phần bằng nhau tiến hành bao gói, bảo quảntheo đúng qui định của từng loại sản phẩm không được làm cho tính chất các chỉ tiêucần xác định bị thay đổi

Trong đó hai phần được gửi ngay đến phòng kiểm nghiệm theo phiếu ghi nộidung sau:

− Tên cơ quan chủ quản của cơ sở sản xuất

− Tên cơ sở sản xuất

− Tên và loại sản phẩm

− Số liệu và khối lượng của lô hàng

− Khối lượng mẫu gửi đến kiểm tra

− Ngày tháng năm lấy mẫu

− Lý do lấy mẫu

− Yêu cầu kiểm tra các chỉ tiêu gì

− Họ tên chức vụ người lấy mẫu

Trong hai phần mẫu gửi đến kiểm nghiệm thì một phần đem kiểm nghiệm cònmột phần lưu lại phòng kiểm nghiệm Phần mẫu thử còn lại được giử lại cơ sở làm đốichứng khi có khiếu nại Thời gian lưu mẫu không được quá thời gian bảo hành chotừng loại sản phẩm

Lưu ý: Dụng cụ đựng mẫu thử có thể là bao bì ban đầu của sản phẩm hoặc đóng

gói trong các dụng cụ không được làm ảnh hưởng đến sản phẩm (chai, lọ thuỷ tinhsạch có nút nhám)

Trường hợp mẫu gửi đi xa kiểm nghiệm hoặc có nghi vấn, tranh chấp phải đónggói kỷ, phía ngoài gián niêm phong có đóng dấu tránh trường hợp bị đánh tráo

Thực phẩm để bị hư hỏng phải gửi mẫu nhanh đến nơi kiểm nghịêm trong thờigian thực phẩm còn tốt

1.6.4.2 Nhận mẫu

Mẫu trung bình khi gửi đến phòng kiểm nghiệm cần tiến hành những trình tựsau:

− Kiểm tra xem bao bì có hợp lý không

− Kiểm tra lại phiếu gửi kiểm nghiệm, biên bản lấy mẫu nhãn dán, xác địnhloại thực phẩm

− Xác định yêu cầu kiểm nghiệm

− Tiến hành kiểm nghiệm (trường hợp có nhiều mẫu thì ngay lập tức bảoquản mẫu)

− Mẫu gửi đến không phù hợp thì không được nhận mẫu để phân tích

1.6.5 Xử lý mẫu

Xử lý mẫu là khâu đầu tiên nhưng rất quan trọng trong phân tích mẫu Nó thường

là nguồn sai số lớn cho kết quả, thậm chí quyết định sự thành công của phương phápphân tích

Một số ít trường hợp mẫu phân tích có thể ở trạng thái rắn, nhưng đa số trong cáctrường hợp đòi hỏi phải hòa tan để chuyển mẫu rắn thành dung dịch có nồng độ xácđịnh Cũng có vài trường hợp, dù mẫu đã ở trạng thái lỏng, cũng cần phải xử lý mẫutrước khi tiến hành phân tích, chẳng hạn như phải xử lý mẫu nước trước khi phân tíchhàm lượng kim loại nặng bằng kỹ thuật AAS, ICP…

Việc hòa tan - xử lý mẫu phải tuân thủ các yêu cầu cụ thể sau đây:

− Không làm mất mẫu trong quá trình hòa tan

− Không đưa thêm quá nhiều cấu tử lạ vào dung dịch mẫu vì sẽ gây bất lợi choquá trình phân tích

Có thể chia kỹ thuật xử lý mẫu thành hai nhóm:

1.6.5.1 Nhóm hòa tan phân hủy mẫu

Dùng các tác nhân hóa học có thể kết hợp với tác nhân lý học chuyển mẫu cóthành phần phức tạp thành dạng đơn giản hơn tạo điều kiện thuận lợi cho phân tích Đểhiệu quả và ít tốn thời gian, trước khi hòa tan mẫu nên tra cứu tài liệu và lưu ý khảo sátcác yếu tố có liên quan đến bản chất của mẫu (quan trọng nhất là độ tan trong các dungmôi khác nhau), về thành phần định tính và định lượng của mẫu, các phương pháp dựđịnh sẽ dùng để tiến hành phân tích… từ những yếu tố đã khảo sát, chọn dung môi,hóa chất và điều kiện thích hợp nhất để hòa tan mẫu

Việc chọn dung môi và hóa chất hòa tan mẫu thường được tiến hành theo thứ tựsau đây: nước cất → acid mạnh → base mạnh → chất oxi hóa mạnh

Ví dụ:

Dùng nước cất hòa tan các muối dễ tan như nitrate; halogenure; sulfate; đường…Dùng acid mạnh kết hợp với nhiệt độ cao để hòa tan mẫu, chuyển mẫu phân tíchthành dạng dung dịch

Dùng các chất oxy hóa và nhiệt độ cao để phân hủy các chất hữu cơ, vô cơ hóamẫu để phân tích kim loại, phân tích nitơ tổng…

Dùng dung môi hữu cơ để hòa tan một số chất: xác định aflatoxin, xác định chỉ

số acid dầu mỡ động thực vật…

1.6.5.2 Nhóm tách pha

Dùng các kỹ thuật chưng cất, kết tủa, chiết để loại các chất cản trở hoặc tách cácchất phân tích ra khỏi mẫu

− Chưng cất: Dùng kỹ thuật cất để tách các thành phần nếu hệ số phân bố giữa

cá pha của chúng khác nhau nhiều

Bảng 1.2 Tách một số chất phân tích bằng kỹ thuật chưng cất

Mẫu phân tích Chất phân

tích Xử lý mẫu Chất thunhận Cách thumẫu

NaOH acid H3BO3Rượu vang, các sản phẩm

trong quá trình chế biến có sử

dụng sunfit

NaOH

− Kết tủa: là kỹ thuật tách các chất ra khỏi mẫu để phân tích định lượng

Ví dụ: Kết tủa protein bằng acid tricloacetic, kết tủa bằng dung môi hữu cơ(metanol, etanol, acetonitril)

− Chiết lỏng lỏng: Chiết xuất là kỹ thuật được dùng rất phổ biến để chuyển chấtphân tích hòa tan trong dung môi sang một dung môi thứ hai không hòa tantrong dung môi thứ nhất Ví dụ: Chiết Soxhlet, chiết phẩm màu thực phẩmbằng các dung môi n-hexcan, aceton

− Chiết pha rắn (Solid phase extraction SPE): Tách chất phân tích từ mẫu bằngmột chất rắn, sau đó rửa giải bằng dung môi thích hợp

Lưu ý: Mẫu càng mịn quá trình hòa tan càng dễ Do đó, trước khi xử lý mẫu, mẫu

thực phẩm phải được nghiền mịn và đồng nhất

− Trường hợp thực phẩm đồng nhất đặc hoặc lỏng:

+ Trường hợp thực phẩm là một khối to đồng nhất, lấy một phần mẫu, cắt thái

nhỏ, tán nhuyễn (thực phẩm đặc) hoặc khuấy đều (thực phẩm lỏng) để riêngvào lọ kín

+ Thực phẩm như thóc, gạo, bột phải trộn kỹ, xay nhuyễn cho vào lọ nút nhám

để phân tích dần Khi cần lấy mẫu để phân tích phải trộn lại đều và kỹ

− Thực phẩm đặc không đồng nhất:Lấy phần đại diện của mẫu rồi cắt nhỏ tán

nghiền nhuyễn

− Thực phẩm đặc lẫn lỏng không đồng nhất:

+ Phần đặc lỏng như nước sốt có thể gạn bớt chất lỏng vào cốc thủy tinh, phần

đặc vào chén sứ tán nhuyễn phần đặc, trộn lại và đồng nhất mẫu Cho vào lọhoặc hộp đậy kín Nếu không tách riêng được thì cho tất cả tán nhuyễn đồngnhất,

+ Phần lỏng và phần đặc riêng biệt nhau: kiểm nghiệm chất lỏng và đặc riêng

biệt

+ Trường hợp kiểm nghiệm cho các chất có khả năng trao đổi và hòa tan trong

chất lỏng thì chỉ có thể kiểm nghiệm chất lỏng nhưng phải sau thời gian tốithiểu 30 ngày kể từ ngày sản xuất

1.7 Xử lý số liệu phân tích bằng phương pháp thống kê trong phân tích thực phẩm

1.7.1 Giá trị trung bình

Trung bình () (mean, arithmetic mean, average): là đại lượng dùng để chỉ giá trị

đạt được khi chia tổng các kết quả thí nghiệm lặp lại cho số thí nghiệm lặp lại

Giả sử có tập số liệu thí nghiệm lặp lại x1, x2,… xn thì giá trị trung bình số họccủa tập số liệu gồm n thí nghiệm lặp lại là:

Giá trị trung bình có tính chất sau:

Tổng độ lệch giữa giá trị riêng rẽ và giá trị trung bình bằng không

Tổng các bình phương độ lệch nhỏ hơn tổng bình phương của bất cứ độ lệch nàogiữa giá trị đơn lẻ và giá trị a nào đó không phải giá trị trung bình

với a≠

1.7.2 Phương sai (variance)

Phương sai (σ2 và s2)là giá trị trung bình của tổng bình phương sự sai khác giữa cácgiá trị riêng rẽ trong tập số liệu so với giá trị trung bình Phương sai không cùng thứnguyên với các đại lượng đo

Nếu tập số liệu lớn thì:

Nếu tập số liệu nhỏ (n ≤ 30) thì:

Nếu phương sai càng lớn thì độ tản mạn của các giá trị đo lặp lại càng lớn hay độlặp lại kém

1.7.3 Độ lêch chuẩn (standard deviation)

Độ lệch chuẩn là một đại lượng thống kê mô tả dùng để đo mức độ phân tán củamột tập dữ liệu đã được lập thành bảng tần số Có thể tính ra độ lệch chuẩn bằng cáchlấy căn bậc hai của phương sai Khi hai tập dữ liệu có cùng giá trị trung bình cộng, tậpnào có độ lệch chuẩn lớn hơn là tập có dữ liệu biến thiên nhiều hơn Trong trường hợphai tập dữ liệu có giá trị trung bình cộng không bằng nhau, thì việc so sánh độ lệchchuẩn của chúng không có ý nghĩa Độ lệch chuẩn còn được sử dụng khi tính sai sốchuẩn Khi lấy độ lệch chuẩn chia cho căn bậc hai của số lượng quan sát trong tập dữliệu, sẽ có giá trị của sai số chuẩn

với n ≤ 30, f=n-1 là số bậc tự do

1.7.4 Ước lượng khoảng tin cậy của kết quả phân tích

Khoảng tin cậy của đại lượng đo là giá trị thực biểu thị khoảng tồn tại giá trịtrung bình hay còn gọi là khoảng bất ổn của số liệu thực nghiệm trung bình

Khi tiến hành thí nghiệm nhiều lần thu được các kết quả lệch nhau, nhiệm vụ củangười phân tích là ước lượng được khoảng tin cậy và biểu diễn kết quả thu được vớimột xác xuất tin cậy

Khi đó giới hạn tin cậy được tính theo công thức sau:

n: là số lần thí nghiệm lặp lại

s hay SD: là độ lệch chuẩn

12

tP;f: là hệ số student, tra bảng, với P là xác xuất tin cậy, f=n-1 là số bậc tự doChuẩn t được dùng để tính khoảng tin cậy của số liệu thực nghiệm, so sánh giá trịtrung bình thực nghiệm và giá trị thật, so sánh 2 giá trị trung bình hoặc tính độ khôngđảm bảo đo của độ lệch chuẩn mẫu khi số mẫu nhỏ.

Giá trị t được tra trong bảng phân bố student hai phía với độ tin cậy thống kê95% và bậc tự do f= n-1 (xem bảng 1.4)

Bảng 1.3 Bảng hệ số phân phối student

Bậc tự do Mức tin cậy (xác suất bắt gặp P)

hay kết quả nằm trong khoảng từ 12,04% đến 13,04% với xác xuất tin cậy là 95%

Ví dụ 2: Xác định hàm lượng đạm trong mẫu thức ăn 4 lần lặp lại thu được cáckết quả sau: 12,5%; 12,7%; 13,1 % và 12,4 % Tính giá trị trung bình, phương sai, độlêch chuẩn, khoảng tin cậy và biểu diễn kết quả với xác suất là 95%.(Sinh viên tựgiải)

14

Chương 2 PHÂN TÍCH HÓA HỌC CỔ ĐIỂN2.1 Phân tích trọng lượng

2.1.1 Giới thiệu chung về phương pháp phân tích trọng lượng

Phân tích trọng lượng là phương pháp dựa trên cơ sở xác định khối lượng củachất cần phân tích đã được tách ra khỏi các chất khác (có cùng trong mẫu thử) dướidạng tinh khiết

Ví dụ: Khi phân tích ion Fe3+ trong dung dịch, làm kết tủa nó dưới dạng Fe(OH)3bằng dung dịch NH4OH Lọc kết tủa và rửa sạch Nung kết tủa ở 1000oC đến khốilượng không đổi, nhằm chuyển kết tủa thành Fe2O3 Để nguội mẫu nung đến nhiệt độphòng, rồi cân khối lượng của nó bằng cân phân tích Từ khối lượng cân tính ra khốilượng ion Fe3+

Một số ưu điểm và nhược điểm của phương pháp phân tích trọng lượng:

− Xác định độ chính xác cao đạt tới 0,01 – 0,005 % vượt xa độ chính xác củachuẩn độ

− Xác định được nhiều kim loại (cation) và các á kim (anion), các thành phần củahợp kim, quặng, silicat

− Đơn giản về nguyên tắc, dụng cụ phân tích thông thường

− Độ đúng và độ lặp lại tốt (nếu cẩn thận)

− Kéo dài thời gian, không kinh tế như tiêu hao điện năng

2.1.2 Các phương pháp phân tích trọng lượng

Có thể chia phương pháp phân tích trọng lượng thành 3 phương pháp: phươngpháp tách, phương pháp kết tủa và phương pháp bay hơi

2Au3+ + 6H2O2→ 2Au + 6H+ + 3O2Phương pháp tách dùng để xác định trọng lượng tro: mẫu rắn được đốt cháy vànung đến khối lượng không đổi Tro thu được đem cân Dựa vào trọng lượng của trongười ta tính hàm lượng phần trăm của nó trong mẫu đã cho

Ngoài ra, người ta còn sử dụng phương pháp điện trọng lượng để tách các chất cótrong dung dịch: chất cần xác định được dòng điện tách ra và bám trên một điện cựcbằng Pt Dựa vào khối lượng tăng của thanh Pt, người ta suy ra hàm lượng

Phương pháp tách dùng để xác định hàm lượng chất béo tự do trong thực phẩmthường sử dụng các phương pháp như phương pháp Soxhlet, Adam Rozơ Chất béođược tách ra khỏi thực phẩm bằng cách hòa tan chất béo vào dung môi thích hợp Đuổi

dung môi, thu được chất béo tự do, từ đó xác định được hàm lượng chất béo trong thựcphẩm.

2.1.2.2 Phương pháp kết tủa

Sự tách trực tiếp chất cần xác định hoặc các thành phần của nó ra khỏi sản phẩmdưới dạng tinh khiết hóa học gặp nhiều khó khăn, đôi khi không thực hiện được, dovậy cần sử dụng phương pháp kết tủa để tách chất cần xác định

Kết tủa định luợng cấu tử cần xác định bằng các phương pháp hóa học dướidạng hợp chất ít tan có thành phần xác định nghiêm ngặt Kết tủa tách ra được rửa, sấyhay đem nung và được cân trên cân phân tích.Quá trình nung có thể gây ra sự biến đổi

về mặt hóa học của tủa vì vậy trong phân tích người ta phân biệt dạng kết tủa và dạngcân

Cần phân biệt dạng kết tủa và dạng cân Dạng kết tủa là dạng tạo thành khi chochất phân tích tác dụng với thuốc thử thích hợp Dạng cân là dạng tạo thành sau khiđược xử lý bằng nhiệt (sấy và nung) được cân để xác định hàm lượng Dạng cân cũng

có thể là dạng kết tủa

Ví dụ: Khi xác định ion SO42- trong nước bằng phương pháp trọng lượng, kết tủachúng bằng ion Ba2+

SO42- + Ba2+ = BaSO4 ↓chất cần xác định dạng kết tủa dạng cân

Trong một số trường hợp dạng cân và dạng kết tủa khác nhau

2Fe3+ + OH- → Fe(OH)3 ↓ → Fe2O3chất cần xác định dạng kết tủa dạng cân

2.1.2.3 Phương pháp bay hơi

Chưng cất định lượng cấu tử cần xác định dưới dạng hợp chất bay hơi Phần cầntách ra bằng cách đốt nóng mẫu phân tích hoặc bằng tác dụng của thuốc thử thích hợplàm giải phóng ra sản phẩm bay hơi Có phương pháp trực tiếp và gián tiếp

Phương pháp trực tiếp: Cấu tử cần phân tích được bay hơi sau đó hấp thu vàochất hấp thu phù hợp, dựa vào sự tăng khối lượng chất hấp thu người ta tính đượclượng cấu tử cần xác định

Ví dụ: Chưng cất cồn trong bia, rượu Nhiệt độ bay hơi của cồn thấp hơn nhiệt độsôi của nước, do đó cồn được tách ra bằng phương pháp chưng cất, cồn được hấp thuvào trong nước Sử dụng cồn kế hoặc dùng phương pháp tỉ trọng để xác định độ cồntrong bia, rượu

Phương pháp gián tiếp: Trong phương pháp này là xác định phần còn lại của chấtsau khi đã tách hoàn toàn chất cần xác đinh Hiệu số trước và sau khi cất chất cần xácđịnh ra sẽ tính được chất cần xác định

Ví dụ: Xác định độ ẩm trong bột mì, độ ẩm của gạo, chè, cafe, cacao… Trongquá trình sấy, hơi nước sẽ bị bốc hơi Lượng nước trong thực phẩm sẽ được tính bằngcách tính hiệu số khối lượng thực phẩm trước và sau khi sấy, từ đó tính được độ ẩmtrong thực phẩm

16

Trong các phương pháp phân tích trọng lượng, phương pháp kết tủa được sửdụng chủ yếu trong phân tích Dưới đây sẽ trình bày các kỹ thuật trong phương phápkết tủa.

Tiến trình của phương pháp tạo kết tủa bao gồm các công đoạn sau: Cân mẫu →Dung dịch → Kết tủa → Lọc và rửa tủa → Sấy hoặc nung → Cân và tính toán kết quả

Các yêu cầu đối với dạng tủa và dạng cân:

–Dạng tủa:

+Tủa phải có độ tan nhỏ để tủa được hoàn toàn.

+Có độ tinh khiết cao, ít hấp phụ hay lẫn chất bẩn

+Tủa cần có tinh thể lớn để ít bị tan trong quá trình lọc, rửa.

+Tủa phải chuyển sang dạng cân một cách dễ dàng và hoàn toàn.

–Dạng cân:

+ Dạng cân phải bền với môi trường, không bị hút ẩm, không bị phá hủy

+ Phải có công thức xác định để tính thừa số chuyển F đúng

+ Thừa số chuyển F ứng với dạng cân càng nhỏ càng tốt

Cách tính toán trong phương pháp trọng lượng:

Đối với kết tủa ở dạng kết tủa tinh thể (ví dụ như BaSO4, AgCl ) khối lượng củachất cần xác định được tính theo công thức sau: gA = 0,5.F, trong đó F: là thừa số phântích trọng lượng, F = mMA / nMAl, 0,5 là khối lượng của dạng cân chất cần xác định( đối với kết tủa dạng thể)

Đối với kết tủa vô định hình, khối lượng của chất cần xác định: gA = 0,1.F, 0,1 làkhối lượng của dạng cân chất cần xác định (đối với kết tủa dạng vô định hình)

Ví dụ: Phân tích hàm lượng Fe trong dung dịch phân tích theo khối lượng của

Fe2O3 đã được tách ra Ta có F = 2MFe / MFe2O3

Phân tích hàm lượng Fe2O3 trong dung dịch phân tích theo khối lượng của Fe đãđược tách ra Ta có F = MFe2O3 / 2MFe

Trong công thức tính F, tử số là chất cần xác định, mẫu là dạng cân

Sau khi đã chọn được phản ứng tạo kết tủa phù hợp, các bước tiếp theo của kỹthuật tạo kết tủa bao gồm: chọn dạng thuốc thử và lượng thuốc thử, tạo kết tủa, lọc vàrủa tủa, sấy hoặc nung, cân và tính toán kết quả

a Chọn thuốc thử và lượng thuốc thử

Các yêu cầu đối với dạng tủa và dạng cân ảnh hưởng đến yêu cầu đối với chấtlàm kết tủa (thuốc thử)

Yêu cầu chọn thuốc thử: Lý tưởng nhất, một thuốc thử tạo tủa khối lượng phảitác dụng một cách đặc hiệu hay ít nhất một cách chọn lọc với chất cần phân tích Trênthực tế, các thuốc thử chuyên biệt hay đặc hiệu chỉ phản ứng với một loại chất hóa họcthì rất hiếm Các thuốc thử chọn lọc có thể tác dụng với một số giới hạn loại chất hóahọc phổ biến hơn Thí dụ như AgNO3 là thuốc thử chọn lọc vì tạo tủa với Cl-, Br-, I- và

SCN- trong môi trường acid Trái lại, dimetylglioxim là thuốc thử chuyên biệt vì chỉtạo kết tủa với Ni2+ trong môi trường kiềm.

Thuốc thử tạo kết tủa lý tưởng vì tính chuyên biệt hay tính chọn lọc phải tác dụngvới chất cần phân tích để tạo ra sản phẩm có tính chất sau:

–Dễ lọc, dễ rửa để loại các chất nhiễm bẩn

–Có độ tan thấp, đủ để không mất tủa một cách định lượng khi lọc và rửa

–Trơ với các cấu tử của môi trường

–Có thành phần xác định sau khi làm khô và sau khi nung (nếu cần)

Lượng thuốc thử: Để đảm bảo kết tủa được hoàn toàn chất phân tích, lượng thuốcthử sẽ được cho với lượng dư từ 10 – 15% so với lượng được tính từ phản ứng Đốivới những thuốc thử có tính bay hơi, lượng thuốc thử gấp 2 – 3 lần so với lý thuyết

Chú ý: Trong một số trường hợp, lượng thuốc thử dư có tác dụng làm tan tủa tạo

thành Thí dụ: để định lượng ion Hg2+, người ta sử dụng KI để tạo kết tủa HgI2 Nhưnglượng KI dư, HgI2 sẽ tạo phức K2[HgI4] tan

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tủa: Trong giai đoạn kết tủa, nếu dung

dịch đậm đặc sẽ hình thành các kết tủa có tinh thể nhỏ Trái lại đối với các tủa vô địnhhình, sự tăng nồng độ sẽ dẫn đến sự chuyển các dạng keo không bền sang dạng kết tủa.Trong quá trình tủa được hình thành thường kèm theo chất bẩn Nguyên nhân của

sự làm kết tủa bẩn là sự cộng kết

Cộng kết là hiện tượng khi kết tủa lắng xuống mang theo các tạp chất khác màtrong điều kiện riêng lẻ thì các tạp chất này không thể kết tủa được

Thí dụ: FeCl3 không tủa với H2SO4 nhưng nếu kết tủa BaCl2 bằng H2SO4 với sự

có mặt của FeCl3 thì bên cạnh tủa BaSO4 có lẫn cả tủa Fe2(SO4)3 Sau khi nung

Fe2(SO4)3 sẽ chuyển thành Fe2O3 có màu đỏ, làm tủa BaSO4 có màu

Sự cộng kết có nhiều nguyên nhân khác nhau, người ta phân biệt 3 dạng cộngkết: hấp phụ, hấp lưu và nội hấp Ngoài ra sự hậu tủa còn là nguyên nhân gây bẩn tủa

b Tạo kết tủa

Với tủa tinh thể Nhiều tủa tinh thể như BaCrO4, BaSO4, CaC2O4…thỉnh thoảngthu được dưới dạng những tinh thể rất mịn có thể qua được lỗ lọc gây ra sự mất khốilượng của dạng tủa trong quá trình xử lý Hiện tượng bẩn tủa là một trong những yếu

tố ngăn cản sự kết tủa

Để hạn chế các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả phân tích, việc tạo các kết tủa tinhthể cần tuân theo các điều kiện sau:

+ Tiến hành kết tủa với dung dịch mẫu và thuốc thử loãng

+ Thêm dung dịch thuốc thử vào chậm và khuấy trong quá trình tạo tủa

+ Thực hiện kết tủa với dung dịch chất kết tủa ở nhiệt độ cao

Trong một số trường hợp, cần thêm vào chất làm tăng độ tan và tránh hiện tượngcộng kết Thí dụ: tạo tủa BaSO4, người ta thêm HCl để giảm tủa phụ BaCO3 và giảmcộng kết Ba(OH)2

18

Cần lưu ý thời gian để tránh bẩn do hậu tủa.

Với tủa vô định hình Các kết tủa vô định hình có khuynh hướng hấp phụ và tạothành dung dịch keo, do đó, khi kết tủa, cần tiến hành rửa tủa từ dung dịch nóng và cómặt của chất điện ly Để ngăn cản hiện tượng hấp phụ, nên tiến hành tủa từ dung dịchđặc, khuấy mạnh và sau khi tủa hình thành, tiến hành lọc, rửa tủa bằng nước nóng.Không nên để tủa tiếp xúc với dung dịch một thời gian dài

c Lọc và rửa tủa

Lọc và rửa tủa là 2 kỹ thuật rất quan trọng trong phương pháp tạo thành kết tủa

Sự chính xác của kết quả phụ thuộc vào thao tác ở giai đoạn này

Lọc tủa: Lọc là giai đoạn tách kết tủa ra khỏi dung dịch tạo tủa Tùy theo lượngtủa và cách chuyển từ dạng tủa sang dạng cân, người ta có thể sử dụng dụng cụ lọcthích hợp như giấy lọc hay phễu lọc

+ Khi tiến hành lọc, điều quan trọng nhất là phải chú ý đến lượng tủa cần lọc đểchọn kích thước của giấy lọc phù hợp Tủa không được chiếm hơn 1/3 chiềucao của giấy lọc để đảm bảo tủa sẽ được rửa sạch sau khi lọc

– Phễu lọc: Phễu lọc xốp hiện nay được dùng phổ biến trong các phòng thínghiệm Phễu lọc làm bằng sứ, lọc dưới áp suất giảm Loại lọc này chịu đượcnhiệt độ cao nhưng lại có nhược điểm là hút ẩm

Rửa tủa:Mục đích của rửa tủa là để loại các tạp chất bẩn bám trên bề mặt của kếttủa Các chất bẩn hấp phụ này ở trạng thái cân bằng với các ion tương ứng trong dungdịch Vì vậy khi rửa, người ta rửa bằng nước hay một dung dịch nào đó mà nồng độcủa ion coi như bằng 0 Với cùng một thể tích dịch rửa tối đa cho phép, rửa nhiều lần

sẽ tốt hơn rửa một lần

Khi rửa tủa cần phải biết loại dung dịch rửa nào thích hợp đối với kết tủa Người

ta phân biệt 4 loại dung dịch rửa:

–Rửa bằng dung dịch của chất tạo kết tủa Rất ít kết tủa thu được có độ tan đủnhỏ để người ta có thể bỏ qua khối lượng tủa bị mất trong quá trình rửa tủa.Phần lớn trường hợp tủa bị mất do rửa vượt quá giới hạn của sai số cho phép

Để hạn chế sự mất này, kết tủa sau khi được tạo thành sẽ được rửa bằng dungdịch loãng của chất tạo kết tủa Thí dụ để rửa 0,1g tủa CaC2O4 thu được, nếudùng 200ml nước để rửa thì lượng tủa bị mất là 1,3% trong khi nếu rửa tủabằng 200ml dung dịch (NH4)2C2O4 0,01M thì lượng tủa bị hao hụt là 0,0067%.Chất tạo tủa thêm vào phải là chất bay hơi để lượng thừa của chất này có thể

bị loại sau khi nung

–Rửa tủa bằng dung dịch chất điện ly Có nhiều chất kết tủa khi rửa với nước sẽtạo hiện tượng pepti hóa, trở thành dạng keo và đi qua được lọc như trườnghọp của tủa AgCl (AgCl: Ag+….NO3-), người ta xử lý bằng cách rửa tủa keonày với dung dịch có chứa chất điện ly bay hơi để có thể loại sau khi nung nhưHNO3 hay NH4NO3.

–Rửa tủa bằng dung dịch ngăn cản sự thủy phân Đối với các kết tủa khi rửabằng nước sẽ xảy ra hiện tượng thủy phân, điều này đưa đến việc dạng cân thuđược không còn là hợp chất có thành phần xác định nữa, người ta rửa tủa bằngmột dung dịch có tính chất ngăn cản sự thủy phân Thí dụ tủa MgNH4PO4 nếurửa với nước, hiện tượng thủy phân xảy ra theo phản ứng:

MgNH4PO4+ H2O  MgHPO4 + NH4OHNếu dùng nước rửa là NH4OH, cân bằng sẽ dịch chuyển về bên trái, làm giảm sựthủy phân NH4OH bị loại dễ dàng sau khi nung kết tủa

–Rửa tủa với nước đơn thuần Áp dụng đối với các kết tủa khi rửa với nước, sựmất tủa không đáng kể Trường hợp này cần để ý đến nhiệt độ của nước rửa,nếu tủa tan trong nước nóng thì phải rửa tủa bằng nước lạnh

d Sấy hoặc nung

Sau khi lọc, người ta sấy tủa cho đến khối lượng không đổi Sự sấy có tác dụngloại dung môi và tất cả các chất có thể bay hơi Nhiệt độ và phương pháp sấy phụthuộc vào phương pháp lọc và dạng tủa thích hợp Trong một số trường hợp người tanung sản phẩm để chuyển thành dạng cân có thành phần xác định

Nhiệt độ đòi hỏi để thu được sản phẩm thích hợp tùy thuộc vào các chất kết tủa

Ở nhiệt độ 110oC, đủ để loại nước và chất bẩn dễ bay hơi Để sấy sản phẩm người ta

có thể dùng tủ sấy, đèn Busen hoặc đèn Meker

Khi nung kết tủa, giấy lọc cháy thành than, than tạo thành có thể khử một số chấtkhi nung Trong trường hợp này cần phải dùng phễu lọc sứ thay cho giấy lọc

e Cân và tính toán kết quả:Giai đoạn xác định lượng cân thu được Dạng cân đãđược sấy và nung đem cân trên cân phân tích (lưu ý dùng cân phân tích cân được đến0,1mg) Từ giá trị cân, ta có thể tính toán được kết quả

2.2 Chuẩnđộ thể tích

2.2.1 Giới thiệu chung về phương pháp chuẩn độ thể tích

2.2.1.1 Điểm tương đương

Sự chuẩn độ đạt tới điểm tương đương là khi tại điểm đó lượng chất chuẩn thêmvào tương đương về số đương lượng gam với lượng chất phân tích có trong mẫu.Điểm tương đương là một điểm lý thuyết, không thể xác định bằng thực nghiệm.2.2.1.2 Điểm kết thúc

Điểm kết thúc là thời điểm gây ra sự biến đổi tính chất vật lý hay sự đổi màu củachất chỉ thị Điểm kết thúc thường không trùng với điểm tương đương và gây ra sai sốchuẩn độ Sự sai biệt về thể tích giữa điểm tương đương và điểm kết thúc gọi là sai sốtrong chuẩn độ Trong các phương pháp phân tích thể tích, sai số trong chuẩn độ Etđược xác định:

20

Et = |Veq - Vfin|

Veq: thể tích lý thuyết của thuốc thử cần thiết để đạt đến điểm tương đương

Vfin: thể tích thật sự sử dụng để phát hiện điểm kết thúc của phản ứng

Trong phương pháp chuẩn độ, việc xác định điểm kết thúc có thểsử dụng chất chỉthị

2.2.1.3 Phân loại các phương pháp chuẩn độ thể tích

Trong dung dịch, các ion tham gia theo hai nhóm phản ứng chính:

− Phản ứng trao đổi gồm các phản ứng: trung hòa, kết tủa và tạo phức

− Phản ứng oxy hóa - khử

Do đó, các phương pháp phân tích thể tích được chia thành 4 nhóm:

− Phương pháp trung hòa

− Phương pháp oxy hóa – khử

Ví dụ: Chuẩn độ xác định đô chua trong thực phẩm bằng dung dịch chuẩn NaOHvới chỉ thị phenolphtalein, hay chuẩn độ xác định hàm lượng muối ăn NaCl bằng dungdịch AgNO3 với chỉ thị K2CrO4 (phương pháp Mohr)

Trong phương pháp chuẩn độ này, số đương lượng gam của chất cần xác địnhluôn bằng số đương lượng gam thuốc thử cần đung cho chuẩn độ, tức là Vxđ Nxđ =

Vtc Ntc

b Chuẩn độ gián tiếp

Được dùng khi chất cần phân tích không phản ứng trực tiếp được với dung dịchtiêu chuẩn hoặc không thể tiến hành chính xác phản ứng trực tiếp giữa chúng

Tùy theo các phản ứng xảy ra trong quá trình thao tác chuẩn độ mà chia chuẩn độgián tiếp thành 3 loại:

− Chuẩn độ ngược

− Chuẩn độ thế

− Chuẩn độ thế ngược

+ Chuẩn độ ngược: Còn gọi là chuẩn độ nghịch Chuẩn độ ngược sử dụng 2

dung dịch tiêu chuẩn, đầu tiên cho chất cần xác định phản ứng với một lượngchính xác và lấy dư của dung dịch tiêu chuẩn thứ nhất, sau đó lượng dư củadung dịch tiêu chuẩn này được xác định lại bằng một dung dịch tiêu chuẩn thứhai

Ví dụ: Xác định hàm lượng muối ăn NaCl bằng phương pháp Volhard, chó nó tácdụng với dung dịch tiêu chuẩn AgNO3 lấy dư, sau đó chuẩn độ lại lượng AgNO3 dưbằng dung dịch tiêu chuẩn KSCN với chỉ thị là dung dịch muối phèn nhôm.

+ Chuẩn độ thế: Khi chất cần xác định và dung dịch tiêu chuẩn không phản ứng

với nhau (ví dụ: ion Ca2+ không phản ứng với KMnO4) hoặc phản ứng khôngtuân theo một định lượng nhất định (ví du: phản ứng giữa K2Cr2O7 với

Na2S2O3 trong môi tường acid mạnh), vì thế định lượng chất cần xác định bằngmột chất thử thứ 3 là chất có phản ứng định lượng với dung dịch tiêu chuẩn

Ví dụ: Xác định hàm lượng đường khử bằng phương pháp Bertrand Nhóm-CHO hoặc nhóm xeton -CO- trong phân tử đường không thể phản ứng trực tiếp vớidung dịch KMnO4 theo phương pháp oxy hóa – khử, vì thế ta tiến hành chuẩn độ nhưsau: cho vào dung dịch đường khử một lượng dư thuốc thử Fehling, tạo thành kết tủa

đỏ gạch Cu2O Hòa tan kết tủa vào bằng dung dịch Fe3+tạo thành dung dịch Fe2+.Lượng dung dịch Fe2+tạo thành sẽ được chuẩn độ bằng dung dịch KMnO4 Từ kết quảthu được ta có thể tính đường hàm lượng đường khử có trong thực phẩm

Trong chuẩn độ thế luông thỏa mãn mối quan hệ: số đương lượng gam của chấtcần xác định bằng số đượng lượng gam chất tiêu chuẩn: Vxđ Nxđ = Vtc Ntc, dù sửdụng một lần hay nhiều lần thay thế

+ Chuẩn độ thế ngược: Đó là cách chuẩn độ phối hợp giữa chuẩn độ thế với

chuẩn độ ngược Trong chuẩn độ thế ngược, đương lượng gam của chất thamgia phản ứng tính theo phương pháp chuẩn độ thế còn số đương lượng gamcủa chúng tính theo phương pháp ngược

Ví dụ: Chuẩn độ xác định ion Ca2+ bằng phương pháp định lượng dưới dạngocalat Cho ion Ca2+ phản ứng với dung dịch chuẩn (NH4)2C2O4 lấy dư, lọc bỏ kết tủa,dung dịch thu được chuẩn độ bằng dung dịch tiêu chuẩn KMnO4

Ca2+ + (NH4)2C2O4 dư = CaC2O4↓ + 2NH4+ (phản ứng thế)5(NH4)2C2O4 + 2KMnO4 + 16H+ = 10CO2 + 2Mn2+ + 2K+ + 10NH4+ + 8H2O

(phản ứng chuẩn độ)Các phản ứng trên cho thấy: 1 ion Ca2+ được thế bởi sự mất đi của 1 ion C2O42-, 1ion C2O42- khi tham gia phản ứng chuẩn độ nhường 2e, do đó, 1 ion Ca2+ tương đươngvới 2e, suy ra: ĐCa2+ = MCa2+/2 Cũng theo các phản ứng trên ta có:

Lấy VB(ml) dung dịch chất B (chất chuẩn) có nồng độ xác định NB dùng chuẩn

độ tại điểm kết thúc hết VA(ml) chất cần định lượng A có nồng độ NA Để tính nồng độcủa chất A, áp dụng qui tắc hợp thức: VA.NA = VB.NB

Nồng độ chất A được suy ra từ công thức:

22

b Phân loại các phản ứng chuẩn độ trong phương pháp acid – base:

− Chuẩn độ acid mạnh bằng base mạnh

− Chuẩn độ base mạnh bằng acid mạnh

− Chuẩn độ acid yếu bằng base mạnh

− Chuẩn độ base yếu bằng acid mạnh

− Chuẩn độ đa acid yếu bằng base mạnh

− Chuẩn độ đa base yếu bằng acid mạnh

c Chất chỉ thị màu dùng trong phương pháp acid – base

Chất chỉ thị màu thường dùng trong phương pháp acid – baselà chất chỉ thị acid –base hay chất chỉ thị pH Đó là những hợp chất hữu cơ biểu lộ tính acid yếu hoặc base yếu có thể thay đổi màu theo pH của dung dịch

Bản thân các chất chỉ thị này là các acid yếu hoặc các base hữu cơ yếu mà ở dạngphân tử hoặc ion chúng có màu khác nhau Điều này do sự phân ly hoặc liên hợp của chất chỉ thị kèm theo sự chuyện vị cấu trúc bên trong dẫn đến sự đổi màu

Phản ứng điển hình của chỉ thị acid – base dưới dạng sau:

Hind + H2O ⇔ H3O+ + Indhoặc:

-Ind- + H2O ⇔ Hind + OH

-Trong các dung dịch acid mạnh, chỉ thị Hind là dạng chiếm ưu thế, tương ứng với “màu acid” và Ind- sẽ là “màu kiềm” của nó Trong các dung dịch kiềm các ion Ind- sẽ chiếm ưu thế tương ứng với “màu kiềm” của chất chỉ thị đó.

Bảng 2.1 Một số chất chỉ thị thường dùng trong phương pháp acid – base

Chỉ thị Màu chỉ thị trong môitrường acid Khoảng pH đổi màuchỉ thị Màu chỉ thị trongmôi trường kiềm

Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự đổi màu của chất chỉ thị:

− Ảnh hưởng của các ion trong dung dịch: Các chất điện lý trong dung dịch cótác dụng đến màu sắc của chất chỉ thị trên hai khía cạnh: Thay đổi cường dộmàu của một trong hai dạng màu của chất chỉ thị; Ảnh hưởng đến cân bằngcủa chất chỉ thị Do đó trong nhiều trường hợp phải hiệu chỉnh lại pH củakhoảng đổi màu của chất chỉ thị

− Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi thay đổi nhiệt độ của dung dịch sẽ làm thay đổi

sự đổi màu của chất chỉ thị, vì làm thay đổi khả năng phân ly của dung môi,của acid, base, muối và cả của chất chỉ thị

− Ảnh hưởng của dung môi: Khi thay đổi dung môi thì sự phân ly của acid –base thay đổi Chỉ thị acid – base do đó cũng thay đổi theo dung môi Đó lànguyên nhân gây nên sự ảnh hưởng của dung môi đến sự đổi màu của chỉ thị

d Ứng dụng của phương pháp chuẩn độ acid – base:Dùng các phản ứng acid –base để xác định độ kiềm của nước, xác định độ chua (acid) trong một số thực phẩm,xác định CO2 tự do trong nước giải khát, xác định nitơ toàn phần bằng phương phápKjeldahl

2.2.2.2.Chuẩn độ oxy hóa khử

a Nguyên tắc

Phản ứng oxy hóa khử là phản ứng trong đó có sự thay đổi số oxy hóa của mộthay một vài nguyên tố

Ox1 + Kh2⇔ Kh1 + Ox2Trong phản ứng oxy hóa khử gồm có: chất oxy hóa là chất chứa nguyên tố nhậnelectron; chất khử là chất chứa nguyên tố cho electron

Ox1 + ne ⇔ Kh1

24

Kh2 – ne ⇔ Ox2Yêu cầu của phản ứng:

− Các phản ứng xảy ra theo một chiều xác định

− Phản ứng phải xảy ra hoàn toàn

− Tốc độ phản ứng phải đủ nhanh

− Phải xác định được điểm tương đương

Ví dụ: MnO4- + 8H+ +Fe2+→ Mn2+ + Fe3+ + 4H2O

MnO4- + 8H+ + 5e-→ Mn2+ + 4H2O (quá trình khử)

MnO4- : chất oxy hóa

Fe2+ -e- → Fe3+ (quá trình oxy hóa)

Fe3+: chất khử

b Một số khái niệm cơ bản

Thế điện cực của kim loại: Khi nhúng một thanh kim loại Me vào nước hay dungdịch muối của nó sẽ xuất hiện một tầng điện kép trên bề mặt kim loại và lớp dung dịchsát bề mặt kim loại Sự chênh lệch thế trong tầng điện kép được gọi là thế điện cực củakim loại, kí hiệu là ϕ

Ở điều kiện tiêu chuẩn và nồng độ của cation kim loại trong dung dịch là 1 mol/l,thế điện cực được so sánh với điện cực hydro tiêu chuẩn và gọi là thế điện cực tiêuchuẩn của kim loại, kí hiệu là ϕo

Ở điều kiện không phải là điều kiện chuẩn, nồng độ của cation kim loại thay đổi,thế điện cực của kim loại được tính theo biểu thức của Nerst:

Thế oxy hóa – khử: Khi nhúng một thanh kim loại trơ về mặt hóa học vào dungdịch chứa cặp oxy hóa và khử thì trên mặt thanh kim loại và dung dịch cũng xuất hiệnmột tầng điện kép và thế chênh lệch trong tần điện kép đó được gọi là thế oxy hóa –khử

Thế oxy hóa – khử được ký hiệu là EOx/Kh

Ví dụ: Nhúng một thanh Pt vào dung dịch chứa cặp Fe2+ và Fe3+ Điện cực này kýhiệu: và thế của cặp oxy hóa – khử này được ký hiệu:

Cũng giống như thế điện cực của kim loại, để xác định thế oxy hóa – khử người

ta cũng phải tạo lập một pin điện gồm một điện cực là điện cực cần đo thế oxy hóa –khử và điện cực còn lại là điện cực hydro tiêu chuẩn

Trong điều kiện không phải là tiêu chuẩn và nồng độ các dạng oxy hóa, khử đều

là 1 mol/l thì E đo được gọi là E tiêu chuẩn, ký hiệu là Eo

Trong điều kiện không phải là tiêu chuẩn và nồng độ các dạng oxy hóa, khử khác

1 mol/l thì E đo được là thế oxy hóa – khử của cặp oxy hóa – khử đó trong điều kiện

đã cho

Chúng ta có thể tính thế oxy hóa – khử qua biểu thức Nerst:

[Ox] và [Kh] tính theo mol/l

Ở 298oK, F=96500, chuyển ln sang lg, ta có công thức:

c Phân loại một số phản ứng oxy hóa khử

Tên phương pháp oxy hóa khử là tên của chất oxy hóa:

− Phương pháp permanganate (KMnO4)

Ion trung tâm: là ion kim loại có phân lớp d còn trống

Ligand: nhóm phân tử, ion có nguyên tố còn điện tử tự do

Ion trung tâm và ligand nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị và liên kết phốitrí

Phương pháp phức chất dựa trên việc dùng các phản ứng tạo phức tan hoặc cácmuối ít phân ly

c Chất chỉ thị thường dùng trong phương pháp complexon

Chất chỉ thị màu dùng trong phương pháp complexon là chất chỉ thị có khả năngtạo với ion kim loại phức có màu khác với màu riêng của chất chỉ thị Chất đó được

26

gọi là chất chỉ thị kim loại Như vậy phép chuẩn độ ion kim loại bằng EDTA gồm 2giai đoạn:

Phản ứng giữa ion kim loại tự do và complexon

Phản ứng giữa complexon và ion kim loại trong phức

Chất chỉ thị này có mặt trong dung dịch chuẩn độ ở một giá trị pH nào đó có khảnăng tạo phức tan, có màu với cation kim loại cần xác định Nhưng phức này kém bềnhơn phức tạo bởi với EDTA và cation kim loại đó

Chất chỉ thị thường được sử dụng rộng rãi trong phép chuẩn độ complexon làEriocrom T black (ký hiệu H2Ind-): là một loại acid đa bậc yếu Chất chỉ thị này cóphạm vi đổi màu khác nhau:

Khi sử dụng chất chỉ thị này trong chuẩn độ xác định hàm lượng các cation kimloại thường dùng pH = 6,3 – 11,6 nên tồn tại dạng HInd2- có màu xanh HInd2- tạophức kém tan, kém bền với cation kim loại có màu đỏ Như vậy nếu chỉnh dung dịchchuẩn độ có pH = 6,3 – 11,6 khi cho chất chỉ thị Eriocrom T black vào dung dịch sẽ cómàu đỏ nếu trong dung dịch có các cation kim loại Dùng EDTA chuẩn độ dung dịchnày thì việc kết thúc chuẩn độ khi dung dịch chuẩn độ có màu đỏ chuyển sang màuxanh

Eriocrom T black tạo phức đỏ hoặc hồng với ion kim loại Mg2+, Zn2+, Cd2+thường được dùng để chuẩn độ trực tiếp các ion đó trong môi trường pH = 10 dùnghỗn hợp đệm ammonia

d Ứng dụng của phản ứng tạo phức trong phân tích thực phẩm: xác định Ca, Mgtrong sữa, xác định độ cứng của nước, tạo các hợp chất phức màu trong phương phápquang phổ

2.2.2.4 Chuẩn độ kết tủa

a Nguyên tắc

Chuẩn độ kết tủa là phương pháp định lượng dựa trên việc dùng phản ứng kết tủa(tạo thành hợp chất ít tan) giữa thuốc thử và chất cần định lượng

Yêu cầu của các phản ứng kết tủa:

− Các chất kết tủa tạo ra phải có tích số hòa tan càng nhỏ càng tốt, tức là độ hòatan của chất đó rất nhỏ

− Tốc độ phản ứng tạo kết tủa phải đủ nhanh

− Các kết tủa không có khả năng hấp phụ các chất khác có trong dung dịch

− Không xảy ra hiện tượng cộng kết

− Phải có khả năng xác định điểm tương đương

Chuẩn độ kết tủa cho phép ta định lượng các anion như: Cl-, Br-, CN-, SCN-,CrO42-, PO43- … và ngược lại định lượng các cation tạo thành tủa với các anion trên

b Phân loại các phương pháp chuẩn độ kết tủa

− Phương pháp bạc: dựa trên việc dùng dung dịch chuẩn là AgNO3 để tạo thànhcác kết tủa không tan hoặc ít tan giữa ion Ag+ với các hologenua

− Phương pháp Hg(I): dựa trên việc dùng dung dịch chuẩn muối thủy ngân (I)tạo thành hợp chất Hg(I) không tan như Hg2Cl2, Hg2Br2, Hg2I2

− Phương pháp Hg(II): dựa trên việc dùng dung dịch chuẩn muối thủy ngân (II)tạo thành hợp chất Hg(II) kém phân ly như HgCl2, Hg(SCN)2, Hg(CN)2

Tuy nhiên các phương pháp thủy ngân (I) và (II) có nhược điểm là muối thủyngân rất độc nên ít sử dụng

c Ứng dụng của phương pháp kết tủa:Xác định hàm lượng NaCl bằng phươngpháp Mohr

28

Chương 3 PHÂN TÍCH CÔNG CỤ3.1 Phân tích đo điện thế

3.1.1 Đặc điểm của phân tích đo điện thế

Phân tích đo điện thế là phương pháp xác định nồng độ các ion (các chất) dựavào sự thay đổi thế điện cực khi nhúng vào dung dịch phân tích Phương pháp này rađời sau khi có phương trình Nernst mô tả sự phụ thuộc định lượng của thế điện cực Evào hoạt độ các cấu tử của một bán phản ứng oxy hóa khử:

n: Số electron tham gia trong cặp ox –kh

aox, akh : Hoạt độ dạng oxy hóa và dạng khử

fox, fkh: Hệ số hoạt độ dạng oxy hóa và dạng khử

ox, kh: Nồng độ cân bằng dạng oxy hóa và dạng khử (mol/l)

Thay giá trị các hằng số R, F, nhiệt độ 25oC (T = 298,15oK), đổi logarit neperthành logarit thập phân (lna = 2,303 Loga) chấp nhận hệ số hoạt độ f ox = fkh = 1, ta cóphưopưng trình Nerst ở dạng cân bằng:

(3.3)Với điện cực là thanh kim loại M (ví dụ Ag, Cu, Cd, Pb, Zn…) nhúng vào dungdịch muối của nó thì:

(3.4)Với dung dịch chứa 2 dạng ion có mức độ oxy hóa khác nhau của cùng một kimloại M, ví dụ Mm+ và Mn+ (m>n), phương trình Nerst có dạng:

Điện cực so sánh là điện cực thứ hai có điện thế ổn định thường là đã biết giá trịđiện thế Đây là điện cực dùng so sánh để đo thế điện cực của điện cực chỉ thị

3.1.2.1 Điện cực chỉ thị

Yêu cầu của điện cực chỉ thị: Thế điện cực phải lặp lại và thiết lập đủ nhanh khithay đổi nồng độ cần phân tích Đối với điện cực chỉ thị thì thanh kim loại nhúng vàodung dịch muối của kim loại đó thì phải thuận nghịch Điện cực phải có độ bền hóahọc cao để điện cực không tác dụng với cấu tử khác trong dung dịch nghiên cứu

Trong phương pháp đo điện thế người ta dùng điện cực màng và điện cựckimloại làm điện cực chỉ thị

Điện cực kim loại loại 1 là loại điện cực chế tạo từ bản hoặc dây kim loại, nhúngvào dung dịch muối tan của kim loại đó Ví dụ: Ag/AgNO3; Cd/Cd(NO3)2 Tuy nhiênchỉ các điện cực kim loại chế từ bạc, thủy ngân, cađimi, crom, coban, kẽm, chì tạođược điện cực loại 1, đáp ứng yêu cầu thuận nghịch và cho kết quả lặp lại.Với một sốkim loại người ta dùng hỗn hợp kim loại thay cho kim loại để chế tạo điện cực – điệncực hỗn hợp – cho kết quả lặp lại tốt hơn Điện cực loại 1 dùng để xác định nồng độkim loại trong dung dịch

Điện cực kim loại loại 2 được chế tạo từ các bản hoặc dây kim loại có phủ bênngoài một lớp muối ít tan của kim loại đó và được nhúng vào muối chứa anion cùngtên trong lớp phủ Các điện cực calomel, điện cực bạc là điện cực kim loại loại hai.Điện cực kim loại loại hai cũng thường được dùng làm điện cực so sánh

Ví dụ với điện cực bạc cloric:

AgCl (r) + e →Ag (r) +ClPhương trình Nerst cho cân bằng trên:

-Ei = Eo

AgCl – 0,0592lg Cl3.1.2.2 Điện cực màng

-Điện cực màng là một bán pin điện hóa Trong điện cực này, hiệu số điện thế trênmặt ngăn cách của các pha của vật liệu chế tạo điện cực – chất điện li phụ thuộc nồng

độ (chính xác hơn là hoạt độ) các ion xác định trong dung dịch Vật liệu chế tạo làmàng chất rắn hoặc là màng chất lỏng có chứa các ion xác định Khi vật liệu màng tiếpxúc với dung dịch nước các ion có thể chuyển vào dung dịch, hoặc các ion cần xácđịnh có thể chuyển từ dung dịch nước vào màng Do đó trên bề mặt của màng có điệntích trái dấu với điện tích các ion có trong dung dịch và trên mặt ngăn cách các pha sẽxuất hiện một hiệu điện thế mà giá trị của hiệu điện thế phụ thuộc hoạt độ các iontrong dung dịch Như vậy điện cực màng làm việc không phải do phản ứng điện hóavận chuyển ion mà là do hiệu số điện thế xuất hiện trên bề mặt ngăn cách các pha và

sự trao đổi cân bằng dung dịch nghiên cứu với dung dịch phụ ở bên trong màng

Một số điện cực thường gặp trong thực tế phân tích

a Điện cực thủy tinh đo pH

30

Điện cực thủy tinh thường có dạng một bình cầu nhỏ có thành mỏng (1) Trongbình cầu chứa dung dịch HCl (hoặc một dung dịch đệm nào đó) (2) Bên trong bìnhcầu có đặt điện cực bạc clorua (3) Toàn bộ được đặt trong ống bảo vệ (4)

Màng thủy tinh: Thành phần thủy tinh của màng quyết định tính chọn lọc của

nó Thủy tinh có khoảng 22%Na2O, 6% CaO và 72%SiO2 chọn lọc với ion H+ cho đến

pH ~ 9 Ở pH > 9 nó đáp ứngvới cả ion Na+ và một số ion điện tích +1 Hiện nayngười ta còn dùng công thức khác, thay natri và calci bằng lithi và bary để chế tạo điệncực thủy tinh có tính chọn lọc cao hơn Khi hai mặt của màng thủy tinh được hỷđathóa sẽ xuất hiện quá trình trao đổi ion giữa các cation +1 trong màng thủy tinh vàproton của dung dịch

H+ + Na+Gl- = Na+ + H+ Gldung dịch thủy tinh dung dịch thủy tinh

-Gl – là các vị trí màng điện tích âm ở trên bề mặt thủy tinh

Màng thủy tinh dẫn điện là nhờ sự di chuyển của các ion Na+ ở trong màng thủytinh và ion H+ ở bề mặt hydrat hóa gel Bề dày của màng thủy tinh dao động trongkhoảng 0,03 ÷ 0,1mm, có điện trở 50 – 500MΩ

b Điện cực thủy tinh cho kim loại M+

Một số nghiên cứu thay đổi thành phần thủy tinh chọn lọc với các ion khác ngoàiproton Thủy tinh có thêm Al2O3 hoặc B2O3 cho kết quả mong muốn, đáp ứng nhiềuion điện tích +1 như Na+, K+, NH4 , Rb+, Cs+, Ag+ Hiện một số điện cực thủy tinh loạinày đã có mặt trên thị trường

3.1.2.2 Điện cực so sánh

Yêu cầu của điện cực so sánh: bền theo thời gian, điện thế phải lặp lại và trơ vớicác thành phần trong dung dịch nghiên cứu, không thay đổi khi có dòng điện nhỏ chạyqua

Các loại điện cực bạc clorua, điện cực calomel thường được dùng làm điện cực

so sánh

a Điện cực bạc clorua

Hình 3.1 Cấu tạo điện cực thủy tinh

Điện cực bạc clorua được chế tạo bằng dây bạc hoặc một bản bạc kim loại cóphủ lớp bạc clorua nhúng vào dung dịch KCl Thường dùng điện cực bạc cloria vớidung dịch KCl bão hòa hoặc dung dịch KCl 3M làm dung dịch phụ bên trong.Điện thếđiện cực loại này phụ thuộc hoạt độ của anion của hợp chất khó tan phủ lên bề mặtđiện cực.

b Điện cực calomel

Điện cực calomel được chế tạo từ Hg kim loại, calomel (Hg2Cl2) và KCl Điệnthế của điện cực này cũng phụ thuộc hoạt độ ion clorua Tất cả các điện cực đều cócalomel bão hòa, chỉ nồng độ KCl khác nhau: 0,1M, 3M, bão hòa

Thông thường để giữ thế điện cực của điện cực bạc clorua và calomel không thayđổi người ta thường chuẩn bị các điện cực này ở điều kiện trong dung dịch KCl bãohòa hay dung dịch KCl 3M

3.1.3 Phương pháp đo độ điện thế

Nguyên tắc: Trong thực tế để đo thế điện cực một điện cực chỉ thị nào đó, người

ta ghép nó với một điện cực so sánh chọn trước thành một pin galvanic và đo sức điệnđộng của pin galvanic tạo thành

EX = Ect - Ess + Ekt

Ex là sức điện động của pin cần đo

Ess là điện thế điện cực so sánh

Ect là điện thế chỉ thị

Ekt là điện thế khuếch tán hay còn gọi là điện thế của hợp chất lỏng

Thiết bị đo điện thế gọi là điện thế kế Các điện thế kế này có thể đo sức điệnđộng có độ chính xác đến 0,1mV Ngày nay sử dụng các điện thế kế điện tử để đo sứcđiện động cho kết quả chính xác và phép đo được tiến hành tiện lợi hơn nhiều

3.1.3.1 Phương pháp đo điện thế trực tiếp

Phương pháp đo điện thế trực tiếp dựa vào việc ứng dụng trực tiếp phương trìnhNernst để tính hoạt độ hay nồng độ của ion tham gia phản ứng theo sức điện động củapin galvanic của mạch đo (hay thế điện cực) Trước kia phương pháp được dùng để đo

pH dung dịch Ngày nay với việc xuất hiện các điện cực chọn lọc ion, phương pháp đođiện thế trực tiếp đã trở nên phổ biến hơn với tên gọi: phương pháp đo ion hay phươngpháp ionometric

Đo pH: Một số loại điện cực như điện cực hydro, điện cực quinonhidro, điện cựcantimon, điện cực thủy tinh… có thế điện cực thay đổi theo nồng độ ion H+ Điện cựchydro có cấu trúc cồng kềnh để điện cực làm việc ổn định lại khá phức tạp nên ít có ýnghĩa trong thực tiễn phân tích Điện cực quinhidron, do nhiều lý do chỉ được sử dụngtrong phương pháp chuẩn điện thế các acid bằng base

Sử dụng điện cực thủy tinh để đo pH của các dung dịch cần đo

Trước khi đo pHcần phải ngâm rửa điện cực bằng dung dịch HCl 0,1M Khi đóion H+của dung dịch HCl sẽ trao đổi với ion Na+ của màng thủy tinh của điện cực vàthiết lập một cân bằng nào đó Với công việc chuẩn bị này, các proton trên mặt điệncực đã thiết lập một cân bằng xác định với dung dịch và có thể dùng điện cực này làm

32

điện cực chỉ thị để đo pH của các dung dịch Vậy phản ứng điện cực trên điện cực thủytinh chính là sự trao đổi các ion H+giữa bề mặt điện cực và dung dịch.Nghĩa là ở đâykhông có sự dịch chuyển điện tử mà là sự dịch chuyển ion.Các ion H+ trên mặt ngoàicủa màng sẽ cân bằng với ion H+ của dung dịch nghiên cứu và trên mặt phân cách sẽxuất hiện điện thế Vậy điện thế của màng thủy tinh EM đặc trưng cho pH của dungdịch nghiên cứu Việc đo pH của dung dịch khi dùng điện cực thủy tinh có thể đượcthực hiện với việc đo sức điện động của hệ (Hg.Hg2Cl2/KCl/CH+(1)/thủytinh/HCl/AgCl.Ag) tức là đo sức điện động của pingalvanic gồm điện cực calomel vàđiện cực thủy tinh.Một ưu điểm của điện cực thủy tinh là có thể dùng để đo pH trongmột phạm vi rộng, cân bằng thiết lập nhanh, có thể xác định pH của cá hệ thống không

có tính oxi hóa - khử Nhược điểm cơ bản của điện cực thủy tinh là dễ bị vỡ, vì cânbằng của điện cực thủy tinh thiết lập nhanh, nên điện cực có tốc độ phản hồi đủ lớn Vìvậy, ngoài việc dùng để đo pH của các dung dịch, người ta có thể dùng điện cực thủytinh làm điện cực chỉ thị cho quá trình định phân theo phương pháp đo điện thế cácdung dịch acid - base

Trước khi đo pH với điện cực thủy tinh cần phải hiệu chuẩn điện cực máy đo pHbằng các dung dịch đệm chuẩn, tiếp đến là đo pH của dung dịch phân tích

3.1.3.2 Phương pháp chuẩn độ điện thế (phương pháp đo điện thế gián tiếp)

Chuẩn độ điện thế là một phương pháp phân tích mà việc xác định điểm tươngđương của quá trình định phân được thực hiện bằng cách đo điện thế của dung dịchphân tích trong quá trình định phân Tại gần điểm tương đương xảy ra sự thay đổi độtngột của thế điện cực chỉ thị nhờ đó xác định được điểm tương đương Việc xác địnhđiểm tương đương theo phương pháp chuẩn độ điện thế chỉ được thực hiện khi có ítnhất một cấu tử tham gia phản ứng định phân có tham gia trong quá trình điện cực Ví

dụ để xác định điểm tương đương của quá trình định phân theo phương pháp acid –base ta dùng điện cực thủy tinh làm điện cực chỉ thị Để xác định các halogenua tadùng điện cực bạc clorua…

Để xác định điểm tương đương dựa vào điểm uốn trên đồ thị E – V hoặc pH – Vhoặc điểm cực đại trên đồ thị (∆E/∆V) – V hoặc (∆pH/∆V) – V khi cho những lượngbiến đổi thể tích dung dịch chuẩn rất bé ở gần điểm tương đương

Hình 3.2 a) Đường định phân dạng tích phân b) Đường định phân dạng vi phân

Trên hình trình bày các kiểu đường định phân trong phương pháp chuẩn độ điệnthế Trong phương pháp chuẩn độ điện thế người ta cũng dùng các phản ứng thôngthường: phản ứng acid – baseo, phản ứng oxi hóa – khử, phản ứng tạo phức và phảnứng tạo kết tủa.

Ưu điểm của chuẩn độ điện thế:

Trong cùng điều kiện, chuẩn độ đo thế có ưu điểm hơn chuẩn độ dung chỉ thị hóahọc (nhìn mắt):

- Độ nhạy cao hơn có thể chuẩn độ dung dịch có nồng độ thấp hơn

- Tránh sai số chủ quan khi phát hiện điểm kết thúc chuẩn độ bằng mắt thường

- Có thể chuẩn độ dung dịch có màu, đục, chuẩn độ phân riêng hỗn hợp nhiềuthành phần

- Có thể tự động hóa việc chuẩn độ điện thế

Ứng dụng của phương pháp đo điện thế:

Cả hai phương pháp đo điện thế trực tiếp và chuẩn độ điện thế đều có ứng dụngrộng rãi trong thực tế phân tích

Phương pháp đo điện thế trực tiếp quan trọng trong thực tế là việc xác định pHcủa các dung dịch bằng điện cực thủy tinh cũng như việc xác định một số ion khác nhờđiện cực chọn lọc ion Dựa vào các điện cực ion, người ta có thể xác định được các ion

Cu2+, Ag+, Ca2+, Na+, K+, Cl-, F-…và đã ứng dụng thành công các điện cực này trongđối tượng công nghiệp và sản phẩm môi trường

Việc ứng dụng đo điện thế của dung dịch phân tích để xác định điểm tươngđương trong phân tích thể tích (chuẩn độ điện thế) được ứng dụng rộng rãi trong cácquá trình định phân các acid, base và các muối Phương pháp chuẩn độ điện thế sửdụng các điện cực màng chọn lọc ion: từ điện cực thủy tinh cho đên các loại màngchọn lọc ion đặc thù làm tang độ nhạy, độ chính xác của phương pháp phân tích thểtích Dùng phương pháp chuẩn độ điện thế có thể xác định được điểm tương đươngcủa các dung dịch đục, dung dịch có màu thẫm… đồng thời có thể định phân được cácdung dịch loãng, hỗn hợp phức tạp…Nhờ phương pháp chuẩn độ điện thế, người ta cóthể tự động hóa được quá trình phân tích.Ngày nay, người ta đã chế tạo các máy chuẩn

độ điện thế tự động với các điện cực để chuẩn độ acid – base, chuẩn độ oxy hóa khử,chuẩn độ kết tủa, chuẩn độ hàm lượng nước…

Nồng độ của dung dịch có thể xác định theo công thức: C =

n, no là chỉ số khúc xạ của dung dịch và dung môi

34

F là độ tăng của chỉ số khúc xạ khi nồng độ tăng 1% (xác định bằng thựcnghiệm)

Khúc xạ kế Abbe:

a Nguyên tắc hoạt động: Khúc xạ kế Abbe dựa trên nguyên tắc phản xạ toànphần Cụ thể là xác định góc tới hạn của sự phản xạ toàn phần của tia sáng đi từ môitrường có chỉ số khúc xạ cao (như thủy tinh) vào môi trường có chỉ số khúc xạ bé hơncủa chất cần đo

b Cấu tạo

Hình 3.3 Sơ đồ đường đi của tia sáng trong hệ lăng kính của khúc xạ kế Abbe

Bộ phận chính của khúc xạ kế Abbe gồm hai lăng kính tam giác vuông bằng thủytinh có cùng chiết suất N Hai lăng kính này được ghép với nhau theo mặt huyền saocho chúng song song với nhau và giữa chúng có khoảng cách nhỏ có thể chứa lớp chấtlỏng cần đo

Khúc xạ kế còn có các bộ phận hỗ trợ khác như:

− Hệ thống thị kính có chia vạch đích (hoặc hai đường thẳng giao nhau) để quansát, gương lấy ánh sáng, bộ phận tiêu sắc (khử hiện tượng tán sắc) để có thểdùng ánh sáng tự nhiên mà vẫn cho kết quả tốt

− Thang chia góc tới hạn có thể qui đổi luôn sang giá trị chiết suất

− Có thể có bộ phận ổn nhiệt để duy trì nhiệt độ đo

Trước khi sử dụng cần chuẩn hóa máy bằng dung dịch có chiết suất đã biếtnhư:monobromonaphtalen (n D20 = 1,6588) hay dùng nước cất mới (nD20 = 1,3330; nD20 =1,3325; nD20 = 1,3306)

Ngoài khúc xạ kế Abbe còn có khúc xạ kế cầm tay

c Ứng dụng: Xác định chỉ số khúc xạ để xác định nồng độ chất tan của chấttrong dung dịch cần đo thông qua việc tra bảng liên quan giữa chỉ số khúc xạ và nồng

độ chất tan

3.2.1.2 Phương pháp đo góc quay cực

a Ứng dụng của hiện tượng quaycực ánh sáng

Một số chất có khả năng quay mặt phẳng của các chùm tia phân cực đi qua nó.Những chất như vậy được gọi là chất hoạt quang Hoạt tính quang học của một chất là

do cấu trúc của nó quyết định Các chất hoạt quang phải chứa ít nhất 1 cacbon bất đối.Hai đồng phân quang học là hai đồng phân có hoạt tính quang học đối nhau

Góc quay cực của một chất là góc mà mặt phẳng phân cực bị quay đi khi ánhsáng phân cực đi qua chất đó hoặc dung dịch chất đó Nếu góc quay theo chiều kimđồng hồ thì đó là chất hữu tuyền (+) còn lại là tả truyền (-) Góc quay cực riêng là tỷ sốgóc quay cực đo được khi chiếu chùm tia đơn sắc ứng với vạch D (589,3nm) của đènnatri qua bề dày 1dm ở nhiệt độ 20oC với tỷ trọng của chất lỏng (hay nồng độ của dungdịch tính bằng g/ml) Góc quay cực riêng được ký hiệu là: [α]D20

Góc quay cực của các chất lỏng hay dung dịch được đo bằng phân cực kế Cácphân cực kế được dùng đèn hơi natri

Căn cứ vào góc quay cực đo được có thể tính ra nồng độ dung dịch Đó lànguyên tắc định lượng của phương pháp này

Có thể sửdụng phương pháp này để định tính, thử tinh khiết của các chất khi biếtgóc quay cực riêng của chúng

Phương pháp hay được sử dụng để định lượng các dung dịch, nhất là các dungdịch đường, theo công thức tính sau:

Một phân cực kế đơn giản nhất có cấu tạo Những bộ phận không thể thiếu lànguồn sáng đơn sắc S, một lăng kính nicol P tạo ánh sáng phân cực (nicol phân cực),ống đựngdung dịch hay chất lỏng cần đo có chiều dài xác định L và một nicol A dùng

để nhận biết sự phân cực của ánh sáng (nicol phân tích) cấu trúc giống hệt nicol phâncực

Khi ống L đựng đầy chất hoạt quang (dung môi chẳng hạn) có thể quay nicolphân tích A đến vị trí Oa sao cho ánh sáng phân cực không qua được A Thay dungmôi bằng dung dịch đo mặt phẳng phân cực bị quay nên ánh sáng đi được qua A Do

đó phải quay nicol phân tích đến vị trí mới Oa’ để triệt tiêu ánh sáng Góc aOa’ là gócquay cực đo được

36

Hình 3.4 Đường đi của ánh sáng qua máy phân cực kế

Vì mắt người không thể phân biệt được được bóng đen hoàn toàn tuyệt đối Vìvậy thay vì xác định sự triệt tiêu ánh sáng, người ta sử dụng sự cân bằng ánh sáng nhưtrong so màu Muốn vậy trong phân cực kế thường gắn thêm tấm Laurent, lúc đó ánhsáng nhìn thấy trong phân cực kế được phân thành hai nữa

Lúc đó ánh sáng nhìn thấy trong phân cực kế được được phân thành hai nửa Cóhai vị trí cân bằng của hai nửa đó là cả hai cùng rất sáng và cả hai nửa đều sáng rấtyếu Vị trí của cả hai nửa sáng đều yếu được chọn để xác định vị trí nicol A triệt tiêuánh sáng phân cực tới nó

Nguồn sáng sử dụng trong phân cực kế thường sử dụng đèn hơi natri để tạo ra tia

D sử dụng để đo

c Ứng dụng của phương pháp đo năng suất quay cực

Dùng để định tính, thử tinh khiết của các chất hoạt quang bằng cách đo năngsuất quay cực của chúng và so sánh với các chỉ tiêu nêu trong các tài liệu

Kỹ thuật định lượng bằng phân cực kế cũng được áp dụng dựa vào quan hệ giữagóc quay cực và nồng độ của các dung dịch chất hoạt quang Kỹ thuật này chủ yếu ápdụng để xác định các loại đường Một số phân cực kế dùng để đo đường nên được gọi

là đường kế Khi đó người ta chuyển góc quay thành độ đường tương ứng với:

- Độ đường quốc tế (oS): 100oS = 26,605otương ứng với góc quay của dung dịchđường saccharose 16,29% với bề dày l = 2dm

- Độ đường Wentzke (oW): 100oW = 36,657o ứng với dung dịch đườngsaccharose 26% với bề dày 2dm

3.2.2 Phương pháp quang phổ hấp thu phân tử

Phương pháp quang phổ hấp thu phân tử UV –VIS (tử ngoại khả kiến) dựa trênnguyên lý phân tử của một chât hấp thu ánh sáng đặc trưng cho cấu trúc phân tử của

nó

3.2.2.1 Độ hấp thu

Khi bức xạ đơn sắc đi qua một môi trường có chứa chất hấp thu thì độ hấp thucủa bức xạ tỷ lệ với nồng độ của chất hấp thu và chiều dày của môi trường hấp thu(dung dịch chất hấp thu) Mối quan hệ này được tuân theo định luật Lambert – Beer vàđược biểu diễn bằng phương trình sau:

A = lg(I0/I) = lg(1/T) = ε L CT: Độ truyền quang

Io: Cường độ ánh sáng đơn sắc tới

I: Cường độ ánh sáng sau khi truyền qua dung dịch

K: Hệ số hấp thụ, phụ thuộc theo cách biểu thị nồng độ

l: Chiều dày của lớp dung dịch (cm)

C: Nồng độ dung dịch (mol/l)

- Trường hợp C tính bằng mol/l, l tính bằng cm: A = ε.L.C

Khi C = 1 mol/l và l = 1cm thì A = ε (hệ số hấp thumol)

ε đặc trưng cho bản chất của chất tan trong dung dịch, nó chỉ phụ thuộc vào bướcsóng, định luật Lambert - Beer chỉ đúng khi dùng bức xạ đơn sắc

- Trường hợp nồng độ C tính bằng % (khối lượng/thể tích) và bằng 1%, l = 1cmthì: ε (1%, 1cm) là hệ số hấp thu riêng, nó đặc trưng cho mỗi chất Trong phân tíchkiểm nghiệm hay dùng ε (1% 1cm)

3.2.2.2 Điều kiện áp dụng định luật Lambert – Beer

− Ánh sáng phải đơn sắc: Khi bước sóng thay đổi thì hệ số hấp thu cũng thayđổi Một chùm tia càng đơn sắc thì định luật càng đúng Cùng một dung dịchnhưng đo trên máy khác nhau có thể thu được giá trị A khác nhau Có nhiềunguyên nhân nhưng trước hết là tính đơn sắc của ánh sáng

− Khoảng nồng độ phải thích hợp: Do nhiều nguyên nhân vật lý (sự phản xạ, sựkhuếch tán ánh sáng ) hóa học (sự phân ly, ảnh hưởng của lực ion ) mà địnhluật chỉ đúng trong một giới hạn nồng độ nhất định Vì vậy khi xây dựngphương pháp định lượngcần khảo sát kỹ để tìm khoảng nồng độ thích hợp

− Các yếu tố hóa học khác: Làm thế nào để chất hấp thu ánh sáng không bị biếnđổi bởi các phản ứng hóa học trong dung dịch Vì vậy pH của dung dịch, sự cómặt của các chất lạ có khả năng phản ứng với chất cần đo hoặc gây nhiễu sựhấp thu ánh sáng của chất cần đo đều phải tính đến Dung dịch chất cần đophải trong suốt, chất thử phải bền dưới tác dụng của ánh sáng UV – VIS

3.2.2.3 Ứng dụng phương pháp phổ hấp thu phân tử

Phương pháp phổ hấp thu phân tử được ứng dụng rộng rãi trong kiểm nghiệmthực phẩm, kiểm nghiệm dược, phân tích môi trường Trong kiểm nghiệm thực phẩm,quang phổ hấp thu phân tử ứng dụng phân tích metanol, furfurol, Fe trong sữa

− Định tính: Về nguyên tắc có thể dựa vào phổ chất cần nghiên cứu với phổ chấtchuẩn để định tính xem chất đó có đúng là chất đang được dự kiến không.Nhưng với phổ UV – VIS có rất ít thông tin đặc trưng về cấu trúc, vì thế haydùng phổ hồng ngoại (IR) để xác định cấu trúc các chất được chính xáchơn.Tuy nhiên trong một số trường hợp, việc định tính một số chất có thểdùng cách so sánh vị trí cực đại và cực tiểu hấp thụ và tỉ lệ mật độ quang giữacác bước sóng đó phải nằm trong một giới hạn cho phép

Ví dụ: Định danh một số phẩm màu hữu cơ tan trong nước (E 102 bước sóng cựcđại ở 426nm, E 110 bước sóng cực đại ở 481nm…); cloramphenicol bước sóng cựcđại ở 268nm và 274nm; vitamin B12 có 4 cực đại hấp thu ở các bước sóng 223nm,267nm, 375nm và 444nm

− Định lượng: Việc định lượng chất tan trong dung dịch dựa vào định luậtLambert – Beer

Khi nghiên cứu định lượng một chất cần:

38

+ Lựa chọn bước sóng đạt hấp thu cực đại

+ Chọn khoảng nồng độ thích hợp nghĩa là khoảng nồng độ trong đó quan hệgiữa độ hấp thu và nồng độ là tuyến tính

+ Chất kiểm nghiệm phải tách ra khỏi hợp chất Thực hiện phản ứng tạo màu.+ Chọn pH và dung môi thích hợp

Các phương pháp định lượng trong phổ hấp thu phân tử:

Khi sử dụng 2 dung dịch chuẩn:

Với A1, A2 và C1, C2: độ hấp thu của hai dung dịch chuẩn và nồng độ của cácdung dịch chuẩn tương ứng, sao cho:A1< Ax< A2 cũng có nghĩa C1< Cx< C2

b Phương pháp thêm chuẩn

Phạm vi ứng dụng là xác định các chất có hàm lượng vi lượng hoặc siêu vilượng, loại bỏ ảnh hưởng của chất lạ Có 2 phương pháp là phương pháp sử dụng côngthức và phương pháp đồ thị

Phương pháp sử dụng công thức:

Ax: độ hấp thu của dung dịch xác định tương ứng với thể tích Vx

Ax+a: độ hấp thu của dung dịch có thêm chuẩn

Ca: nồng độ chất chuẩn thêm vào

Cx: nồng độ chất cần xác định trong thể tích Vx

Công thức được thiết lập từ:

Ax = εlCx

Ax+a = εl(Cx + Ca)

Cx được biểu diễn theo đơn vị của Ca

Cách thực hiện: Lấy 3 thể tích như nhau của dung dịch cần xác định nồng độ chovào 3 bình định mức có thể tích V (ml)

Bình 1: Thêm thuốc thử và các chất để tạo môi trường pH cho dung dịch, dungdịch gọi là dung dịch xác định nồng độ Cx, độ hấp thu tương ứng là Ax

Bình 2: Thêm một lượng chính xác dung dịch tiêu chuẩn đã biết chính xác nồng

độ Ca, tiến hành phản ứng tạo màu giống như bình 1 Dung dịch có độ hấp thu tươngứng là Ax+a

Bình 3: Chỉ thêm thuốc thử và các chất để tạo pH cho dung dịch, lấy dung dịchnày làm dung dịch so sánh

Độ hấp thu của các dung dịch thêm so với dung dịch so sánh

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ và độ hấp thu trong phương

pháp thêm chuẩn

Có thể đọc kết quả trên đồ thị hoặc sử dụng phương trình hồi quy có dạng:

A= aC + b (hồi quy tuyến tính y = ax + b)

Ax = b

Cx = b/a

c Phương pháp đường chuẩn

Ưu điểm là chính xác, có thể sử dụng đường chuẩn nhiều lần để tiến hành xácđịnh mẫu thử

Chuẩn bị từ 6 dung dịch chuẩn (trong khoảng tuân theo định luật Lambert - Beer)

40