Bài giảng hoá phân tích

HÓA PHÂN TÍCH (Analytical Chemistry) Ts Phạm Trần Nguyên Nguyên ptnnguyen@hcmus.edu.vn (Dành cho sinh viên Khoa Hóa , Đại Học Lạc Hồng) Năm học 2008-2009 Học Kỳ THÔNG TIN TỔNG QUÁT • Thời lượng: 48 tiết • Giờ dạy: tiết 1-4 (7:30 – 11:00) • Địa điểm: ĐH Lạc Hồng • Ngày: Thứ Năm, thứ Bảy 23/04 – 30/05 • Bài giảng: Tài liệu giảng PowerPoint gồm điểm học SINH VIÊN CẦN TỰ GHI CHÉP THÊM CHO MÌNH TÀI LIỆU THAM KHẢO • Cơ sở hóa học phân tích A.P.kreskov, nhà xuất đại học giáo dục chuyên nghiệp Hà Nội, 1990 • Phân tích định lượng Nguyễn thị Thu Vân, nhà xuất ĐH Quốc Gia Tp HCM, 2004 MỤC TIÊU Cung cấp kiến thức bản, sở lý thuyết về: phân tích định tính phân tích định lượng nồng độ dung dịch điện ly cân dung dịch điện ly kỹ thuật phân tích thể tích kỹ thuật phân tích trọng lượng NỘI DUNG MÔN HỌC Chương 1: Nhập môn hóa phân tích Chương 2: Cân hóa học Chương 3: Kỷ thuật phân tích thể tích (pp chuẩn độ) Chương 4: Cân acid – base chuẩn độ Chương 5: Phản ứng tạo phức & chuẩn độ Chương 6: Phân tích trọng lượng & cân tủa Chương 7: Phản ứng tạo tủa & chuẩn độ Chương 8: Pin điện hóa & điện cực Chương 9: Phản ứng Oxy hóa khử & chuẩn độ điện Analytical Chemistry PTNNguyen-HCMUS Chương NHẬP MÔN HÓA PHÂN TÍCH I.1 Hoá phân tích? I.2 Phân tích định tính? Phân tích định lượng? I.3 Các giai đoạn phân tích hóa học I.4 Một số kiến thức cần cho hóa phân tích A Chữ số - đơn vị hóa học phân tích B Dụng cụ đo lường hóa phân tích C Một số phản ứng hóa học dùng hóa phân tích D Dung dịch-nồng độ dung dịch E Pha chế dung dịch 1.5 Bài tập Analytical Chemistry/ I Introduction PTNNguyen-HCMUS I.1 Hóa phân tích? “Every Every aspect of our world today even politics and international relations Is affected by chemistry” chemistry” -Linus PaulingPauling- ™ Hóa học? khoa học khả khảo sát: Các tính chất, thành phần, cấu trúc vật chất Các biến đổi tính chất, thành phần, cấu trúc vật chất thay đổi lượng kèm theo biến đổi ™ Các ngành hóa học? Hóa sinh (Biochemical) Hữu (Organic) Cơ kim Phân tích sinh học (Bioanalytical) Bioanalytical) Phân tích Hóa học (Chemistry) (Organometallic) Organometallic) Vô (Inorganic) (Analytical) Hóa lý (Physical) Analytical Chemistry? “Science of Chemical Measurements” “Everything is made of chemicals Analytical chemists determine WHAT and HOW MUCH” • Dược phẩm • Thực phẩm • Môi trường • Nông nghiệp • Công nghiệp •… • … • • • • Hàm lượng chất X mẫu bao nhiêu? Mẫu chứa chất X không? Nhận danh cấu trúc X? Làm cách tách X khỏi mẫu? ™ Hóa phân tích? Hóa phân tích môn ngành hóa học nghiên cứu thành phần cấu tạo hàm lượng thành phần mẫu khảo sát • Hóa phân tích định tính (qualitative analysis) • Hóa phân tích định lượng (quantitative analysis) 10 Qualitative analysis is what Quantitative analysis is how much 11 12 I 2a Phân tích định tính (Qualitative analysis - What) Nhận danh cation, anion, hợp chất mẫu lụa chọn phản ứng hóa học hay sử dụng thiết bị ™ Phản ứng tạo tủa Nhóm I: Ag+, Hg22+, Pb2+ → tạo tủa với Cl-, INhóm II: Bi3+,Cd2+, Cu2+, Hg2+, Sn4+ … → tạo tủa với H2S pH=0.5 Nhóm III: Al3+,Co2+, Cr3+, Fe2+,Fe3+, Mn2+, Ni2+, Zn2+ → tạo tủa với H2S pH=9 13 I 2a Phân tích định tính (Qualitative analysis - What) ™ Thử nghiệm lủa Li+ Na+ K+ Cu++ Na: lửa vàng ; K: lửa tím; Ca: lửa đỏ gach … 14 ™ Phản ứng tạo màu đặc trưng Phân biệt alkan hay alken: dd Br2 ™ soi tinh thể kính hiểm vi Tinh thể hợp chất khác có cấu trúc tinh thể khác nhau, đặc trưng → dùng kính hiểm vi để phân biệt SrCrO4 với BaCrO4 ; CuSO4 với BaSO4 ™ điều chế ngọc borax hay phosphate Một số oxyt kim loại tạo hợp chất với borax hay phosphate có màu đặc trưng lửa Cu-borax: dạng ngọc màu xanh đậm Mn-borax: dạng ngọc màu tím 15 I 2b Phân tích định tính (Quantitative analysis – How much) Thành phần mẫu phân tích biết Phân tính trọng lượng (gravimetric) Phân tích thể tích (volumetric) Phân tích điện hóa (electroanalytical) Phân tích phổ nghiệm (spectroscopic) Phân tích sắc ký (chromatographic) Phân tích pp vật lý, hóa lý … √ √ √ 17 18 I Các bước phân tích hóa học • Xác định vấn đề thông tin cần phân tích, mức độ cần xác?, kinh phí? Thời gian? Điều kiện dụng cụ, thiết bị cho phép phòng thí nghiệm? • Chọn lựa kỹ thuật phương pháp Lấy mẫu (sampling) Xử lý mẫu Phân tích định tính Phân tích định lượng • Diễn giải trình bày kết thu I.4 Kiến thức cần cho hóa phân tích A Chữ số - đơn vị đo lường hóa phân tích ™ Đơn vị đo lường 21 22 ™ Chữ số có nghĩa (CSCN) Là số có ý nghĩa đại lượng đo hay tính Khi CSCN kể chữ số cuối hiểu không tin cậy • Chữ số khác zero CSCN - Một mẫu cân nặng 1.759 gram → có CSCN không tin cậy (1.759 ± 0.001g) • Chữ số chứa zero - 25,508: CSCN - 0,06 L: CSCN; 0,00093 L: CSCN - 3,0 g: CSCN; 2,06 ml: CSCN; 4,060 m: 4CSCN 23 • Với số xác: hệ số tỉ lệ công thức hóa học, p.ứ hay hệ số chuyển đổi đơn vị: có vô số CSCN mol CaCl2 có xác: mol Canxi mol Clo 1000 ml = 1L • Số liệu đo lường thể không tin cậy dụng cụ hay pp đo → cần ghi CSCN - Cân mẫu cân có độ xác ± 0.1 mg kết trình bày: 1.57g 1.570g 1.5700g √ - Dùng buret có vạch chia nhỏ 0,1 ml kết trình bày: 12.26 ml √ 12.260 ml 24 • Một phép đo ~ 100, ~ 10 Trình bày dạng khoa học: x 102 :1CSCN 0.1 x 102 : CSCN • Phép đo dùng hàm logarithm: pH pH = 3.45 → CSCN • CSCN phép cộng trừ 45,667 + 1,2 = 46,867 làm tròn → 46,9 24,175 – 0,58 = 24,095 làm tròn → 24,10 24,165 – 0,58 = 24,085 làm tròn → 24,08 • CSCN phép nhân chia 45,667 x 1,2 = 54,8004 làm tròn → 55 45,667 : 1,2 = 38,055833 làm tròn → 38 25 Indicate how many significant figures are in each of the following numbers a) 903 b) 0.903 c) 1.0903 d) 0.0903 e) 0.09030 f) 9.03 x102 Round each of the following to three significant figures a) 0.89377 b) 0.89328 c) 0.89350 d) 0.8997 e) 0.08907 26 Report results for the following calculations to the correct number of significant figures a 4.591 + 0.2309 + 67.1 = b 313 – 273.15 = c 712 x 8.6 = d 1.43/0.026 = e (8.314 x 298)/96485 = f log(6.53 x10–5) = g 10–7.14 = h (6.51 x 10–5) (8.14 x 10–9) = 27 B Dụng cụ đo lường hóa phân tích ™ Khối lượng 28 ™ Thể tích 29 30 C Một số phản ứng hóa học dùng hóa phân tích ™ Phản ứng oxy hóa khử Phản ứng trao đổi điện tử cặp oxy hóa / khử, thường dùng hóa phân tích để: Định tính: 2Fe3+ + I- → 2Fe2+ + I2 → I2 làm giấy tẩm tinh bột hóa xanh Định lượng: MnO-4 + 5Fe2+ + 8H + → Mn 2+ + 5Fe3+ + 4H 2O Hòa tan: 3Cu + HNO3 → 3Cu(NO3 )2 + 2NO + 4H 2O 2NO + O2 → NO2 ™ Phản ứng trao đổi tiểu phân ¾ Phản ứng acid-baz Định tính: Đo pH → xác định tính acid, baz Định lượng: Chuẩn độ acid/baz Hòa tan: HCl + NaOH → NaCl + H 2O CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H 2O ¾ Phản ứng tạo tủa Định tính: Ag + + I- → AgI (vàng) Tách nhóm: Ag + , Pb2+ , Hg 22+ + HCl → AgCl, PbCl2 , Hg 2Cl2 Định lượng: SO24− + Ba 2+ → BaSO4 ¾ Phản ứng tạo phức Định tính: ( 3− n ) + Fe3+ + nSCN- → ⎡⎣ Fe ( SCN )n ⎤⎦ (màu đỏ) Hòa tan: AgCl + 2NH 4OH → ⎡⎣ Ag ( NH3 )2 ⎤⎦ + Cl- + 2H 2O + Định lượng: Ca 2+ + H Y 2− → CaY 2- + 2H + D Dung dịch (dd) nồng độ dung dịch lượng chất tan (solute) Nồng độ dd = -lượng dung dịch (solution) - dd loãng: lượng chất tan chiếm tỉ lệ nhỏ - dd đậm đặc: lượng chất tan chiếm tỉ lệ lớn - dd bão hòa: dd chứa chất tan tối đa (ở T, P xác định) - dd bão hòa: lượng chất tan dư dễ dang tách khỏi dd ™ Độ tan S= m 100 q (q: khối lượng dd) ™ Nồng độ khối lượng hay nồng độ g/l: C = m 1000 V ™ Nồng độ phần trăm (part per hundred, %): ¾ % (khối lượng/khối lượng) C% ( KL/KL ) = m 100 m+q ¾ % (khối lượng/thể tích) C% ( KL/TT ) = m 100 V ¾ % (thể tích/thể tích) C% ( TT/TT ) = Vx 100 V • Nồng độ phần ngàn (part per thousand, ‰): • Nồng độ phần mười ngàn (part per ten thousand, ‰o): 36 • Nồng độ phần triệu (parts-per-million, ppm) C ( ppm ) = m 106 m+q ppm = g chất tan / 106 g hay 1000 kg mẫu = mg chất tan / 106 mg hay kg mẫu ( hay 1L, d =1) ppb = nồng độ phần tỉ (parts-per-billion, 109) ppt = nồng độ phần ngàn tỉ (parts-per-trillion, 1012 ) 37 ™ Nồng độ mol: CM = ™ Nồng độ molan: m (g) 1000 M V(ml) ™ Nồng độ phân mol: N i = Cm = m (g) 1000 M q (g) ni N ™ Nồng độ đương lượng: CN = m 1000 dlg V ¾ Đương lượng nguyên tố X: M dlg = X n hóa trị X hợp chất n N2O: đương lượng N = 14 NO: “ 14/2 “ 14/3 N2O3 : “ 14/5 N2O5 38 ¾ Đương lượng hợp chất AB dlg = M AB n n số đlg tham gia p.ứ, thay đổi tùy theo p.ứ AB tham gia AB chất oxy hóa - khử → n số điện tử trao đổi ứng với mol MnO-4 + 5e → Mn 2+ dlg(KMnO ) = M KMnO4 5, dlg(MnO2 ) = M MnO2 Cr2 O72- + 6e → 2Cr 3+ dlg(K CrO7 ) = M K 2Cr2O7 6, dlg(CrCl3 ) = M CrCl3 AB acid hay baz → n số ion H+ hay OH- mol chất + HCl → H + Cl dlg(HCl) = M HCl H PO → 3H + PO dlg(H PO ) = M H3 PO4 NaOH → Na + OH dlg(NaOH) = M NaOH + 3- + Ca ( OH ) → Ca 2+ - + 2OH dlg(Ca ( OH ) ) = M Ca ( OH ) - 2 39 AB hợp chất ion (hay muối) → n lượng AB có khả trao đổi với mol ion mang điện tích 1+ hay 1- BaCl2 dlg(BaCl2 ) = M BaCl2 NaCl dlg(NaCl) = M NaCl FeSO dlg(FeSO ) = M FeSO4 Fe (SO )3 dlg(Fe (SO )3 ) = M Fe2 (SO4 )3 AB phức chất [MLx]n+ tạo thành ion Mn+ M n+ + xL → [ ML x ] n+ → đlg xác định giống đlg muối hay ion Cu 2+ + NH3 → [ Cu(NH3 )4 ] 2+ dlg( [ Cu(NH3 )4 ] )=M/2 2+ 40 E Pha trộn dung dịch: ¾ Qui tắc đường chéo: a (%) (c-b) = m ma c - b = mb a - c a c (%) b (%) (a-c) = mb ¾ Liên hệ số nồng độ thông dụng: CM = m (g) 1000 M V(ml) m 1000 dlg V m C% = 100 m+q CN = CM = C ( % ) 10d M ;C N = C N = n.CM hay CM = C ( % ) 10d dlg CN n 41 E Pha trộn dung dịch: Nồng độ dd cần pha? Độ xác cần thiết? → Lựa chọn dung cụ pha thích hợp ™ Dụng cụ pha xác: ™ Dụng cụ pha gần đúng: 42 ¾ Pha dung dịch từ chất rắn: Describe how you would prepare the following three solutions: a) 500 mL of approximately 0.20 M NaOH using solid NaOH; b) 250 mL of 1.00M CuSO4 using CuSO4.5H2O a) Pha 500mL dd NaOH, có nồng độ ~ 0.20M → lựa chọn dụng cụ không cần xác • Cân khối lượng NaOH rắn cần dùng: m NaOH = 0.20 mol 40, g × 0.5L × = 4, g L mol • Chuyển chất rắn vào beaker, thêm 500mL nước 43 ¾ Pha dung dịch từ chất rắn: Describe how you would prepare the following three solutions: a) 500 mL of approximately 0.20 M NaOH using solid NaOH; b) 250 mL of 1.00M CuSO4 using CuSO4.5H2O b) Pha 250mL dd CuSO4, có nồng độ 1.00M → lựa chọn dụng cụ cần xác • Cân khối lượng CuSO4 rắn cần dùng: mCuSO4 = 1.00 mol 249.7 g × 0.250 L × = 62, g L mol • Chuyển chất rắn vào fiol 250mL, thêm nước đến vạch 44 ¾ Pha loãng dd từ dd có sẵn phòng lab: C0 V0 = Cd Vd Describe how you would prepare 250 mL of 0,100 M CuSO4 solution using a stock solution of concentrated CuSO4 (1.00 M) → lựa chọn dụng cụ cần xác • Lấy xác thể tích CuSO4 1.00M cần dùng: 1.00M × V0 = 0.100M × 0.250 L V0 = 0.025 L • Chuyển chất rắn vào fiol 250mL, thêm nước đến vạch 45 A chemist is beginning to prepare 100.0 mL of a solution to be labeled "0.900% (wt/vol) sodium chloride."To prepare this solution, the chemist would (a) weigh 0.900 grams of sodium chloride into a container and add 100.0 mL of water to dissolve the sodium chloride (b) weigh 0.900 grams of sodium chloride into a container, add water to dissolve the sodium chloride, and then add water to produce 100.0 mL of solution (c) weigh 9.00 grams of sodium chloride into a container, dissolve the sodium chloride in water, and then add water to produce 100.0 mL of solution • Pha dd NaCl 0.900% (g/ml): C% ( KL/TT ) = m 100 V V = 100 ml → m = 0.900 g 46 A chemist is beginning to prepare 100.0 mL of a solution to be labeled "0.900% (wt/vol) sodium chloride."To prepare this solution, the chemist would a) weigh 0.900 grams of sodium chloride into a container and add 100.0 mL of water to dissolve the sodium chloride b) weigh 0.900 grams of sodium chloride into a container, add water to dissolve the sodium chloride, and then add water to produce 100.0 mL of solution c) weigh 9.00 grams of sodium chloride into a container, dissolve the sodium chloride in water, and then add water to produce 100.0 mL of solution • Pha dd NaCl 0.900% (g/ml): C% ( KL/TT ) = m 100 V V = 100 ml → m = 0.900 g 47 A solution is prepared by dissolving 25.8 grams of magnesium chloride (MgCl2) in water to produce 250.0 mL of solution Calculate the molarity of the chloride ion in the solution a) 0.271 molar b) 1.08 molar c) 2.17 molar CM (Cl − ) = 2CM ( MgCl2 ) = =2 m ( g ) 1000 i M V(ml ) 25.8 ( g ) 1000 i = 2.17 (M) 95.2 250.0 (ml ) 48 The Great Salt Lake, located in the state of Utah, is approximately eight times saltier than the ocean The salinity of the lake is said to occasionally be as high as 27 parts per thousand sodium chloride Calculate the molarity of the sodium ion in the Great Salt Lake a) 4.6 x 10-4 molar b) 0.46 molar c) 1.2 molar • dd NaCl 27‰ (g/ml): 27 g NaCl 1000 ml dd • nồng độ mol Na+: CM ( Na + ) = CM ( NaCl ) = C 00 d 27(g) = = 0.46M M 58.5 49 The ethyl alcohol content of many beers produced in the United States is 4.05% (vol/vol) If the density of ethyl alcohol at room temperature is 0.7893 grams/mL, what is the percent of ethyl alcohol in beer expressed as percent (wt/vol)? a) 3.20% ethyl alcohol (wt/vol) b) 5.13% ethyl alcohol (wt/vol) c) 7.80% ethyl alcohol (wt/vol) http://bblmedia.com/make_home_brew.html 50 [...]... log(6.53 x10–5) = g 10–7.14 = h (6.51 x 10–5) (8.14 x 10–9) = 27 B Dụng cụ đo lường cơ bản trong hóa phân tích ™ Khối lượng 28 ™ Thể tích 29 30 C Một số phản ứng hóa học dùng trong hóa phân tích ™ Phản ứng oxy hóa khử Phản ứng trao đổi điện tử giữa cặp oxy hóa / khử, thường được dùng trong hóa phân tích để: 1 Định tính: 2Fe3+ + 2 I- → 2Fe2+ + I2 → I2 làm giấy tẩm tinh bột hóa xanh 2 Định lượng: MnO-4... lượng dd) ™ Nồng độ khối lượng hay nồng độ g/l: C = m 1000 V ™ Nồng độ phần trăm (part per hundred, %): ¾ % (khối lượng/khối lượng) C% ( KL/KL ) = m 100 m+q ¾ % (khối lượng/thể tích) C% ( KL/TT ) = m 100 V ¾ % (thể tích/ thể tích) C% ( TT/TT ) = Vx 100 V • Nồng độ phần ngàn (part per thousand, ‰): • Nồng độ phần mười ngàn (part per ten thousand, ‰o): 36 • Nồng độ phần triệu (parts-per-million, ppm)... I- → 2Fe2+ + I2 → I2 làm giấy tẩm tinh bột hóa xanh 2 Định lượng: MnO-4 + 5Fe2+ + 8H + → Mn 2+ + 5Fe3+ + 4H 2O 3 Hòa tan: 3Cu + HNO3 → 3Cu(NO3 )2 + 2NO + 4H 2O 2NO + O2 → NO2 ™ Phản ứng trao đổi tiểu phân ¾ Phản ứng acid-baz 1 Định tính: Đo pH → xác định tính acid, baz 2 Định lượng: Chuẩn độ acid/baz 3 Hòa tan: HCl + NaOH → NaCl + H 2O CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H 2O ¾ Phản ứng tạo tủa 1 Định tính:... 1 kg mẫu ( hay 1L, d =1) ppb = nồng độ phần tỉ (parts-per-billion, 109) ppt = nồng độ phần ngàn của tỉ (parts-per-trillion, 1012 ) 37 ™ Nồng độ mol: CM = ™ Nồng độ molan: m (g) 1000 M V(ml) ™ Nồng độ phân mol: N i = Cm = m (g) 1000 M q (g) ni N ™ Nồng độ đương lượng: CN = m 1000 dlg V ¾ Đương lượng của một nguyên tố X: M dlg = X n là hóa trị của X trong hợp chất n N2O: đương lượng của N = 14 NO:... → Na + OH dlg(NaOH) = M NaOH 1 + 3- + Ca ( OH ) 2 → Ca 2+ - + 2OH dlg(Ca ( OH ) 2 ) = M Ca ( OH ) - 2 2 39 3 AB là hợp chất ion (hay muối) → n là lượng AB có khả năng trao đổi với 1 mol ion mang điện tích 1+ hay 1- BaCl2 dlg(BaCl2 ) = M BaCl2 2 NaCl dlg(NaCl) = M NaCl 1 FeSO 4 dlg(FeSO 4 ) = M FeSO4 2 Fe 2 (SO 4 )3 dlg(Fe 2 (SO 4 )3 ) = M Fe2 (SO4 )3 6 4 AB là phức chất [MLx]n+ tạo thành bởi ion Mn+... trong phòng lab: C0 V0 = Cd Vd Describe how you would prepare 250 mL of 0,100 M CuSO4 solution using a stock solution of concentrated CuSO4 (1.00 M) → lựa chọn dụng cụ cần chính xác • Lấy chính xác thể tích CuSO4 1.00M cần dùng: 1.00M × V0 = 0.100M × 0.250 L V0 = 0.025 L • Chuyển chất rắn vào trong fiol 250mL, thêm nước đến vạch 45 1 A chemist is beginning to prepare 100.0 mL of a solution to be labeled