PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỂ TÍCH
Bài 1: Xác định nồng độ HCl và H3PO4 trong cùng hỗn hợp
1.1. Phương pháp chuẩn độ sử dụng chất chỉ thị màu
1.1.1. Nguyên tắc phương pháp xác định:
1.1.1.1. Nguyên tắc xác định hai axit trong cùng hỗn hợp
HCl là axit mạnh phân ly hoàn toàn còn H3PO4 là axit yếu phân ly 3 nấc với các hằng số phân ly axit Ka1 = 7,11.10-3, Ka2 = 6,32.10-8, Ka3 = 4,5.10-13. Vì vậy có thể sử dụng dung dịch chuẩn NaOH để chuẩn độ từng nấc khi có mặt của các chất chỉ thị khác nhau để xác định nồng độ của chúng.
Khi thêm từ từ NaOH vào dung dịch hỗn hợp cần chuẩn độ, nếu lựa chọn được chỉ thị phù hợp để toàn bộ HCl và nấc 1 của H3PO4 tham gia phản ứng:
NaOH + HCl → NaCl + H2O (1-1)
NaOH + H3PO4 → NaH2PO4 + H2O (1-2) thì thể tích dung dịch chuẩn NaOH tiêu tốn (V1) chính là phần NaOH đã tham gia cả phản ứng (5-1) và (5-2).
Sau đó nếu thêm tiếp NaOH phản ứng sẽ tiếp tục như sau:
NaOH + NaH2PO4→Na2HPO4 + H2O (1-3) Bằng việc chọn chỉ thị thích hợp có thể xác định được thể tích NaOH tiêu tốn (V2) và chính là VNaOH phản ứng với H3PO4 trong hỗn hợp. Khi đó (V1-V2) chính là thể tích NaOH tham gia phản ứng với HCl.
Nếu quá trình chuẩn độ kết thúc sau phản ứng ( 5-2) thì tại điểm tương đương thú nhất này, pH của dung dịch được tính theo pH của chất lưỡng tính NaH2PO4
(giả sử có nồng độ 0,1M).
H2PO4- ⇋ H+ + HPO42- Ka2
H2PO4- + H+ ⇋ H3PO4
Chất chỉ thị metyl da cam (khoảng pH đổi màu 3,1 đến 4,4) có thể được sử dụng để xác định điểm tương đương này.
Ở điểm tương đương thứ hai, khi kết thúc phản ứng (5-3), pH của dung dịch được tính theo pH của chất lưỡng tính Na2HPO4.
HPO42- ⇋ H+ + PO43- Ka3
HPO42- + H+ ⇋ H2PO4-
pH = ½ (pKa2 + pKa3) = ½ (7,20 + 12,35) = 9,80
Do đó có thể dùng chất chỉ thị phenolphtalein (khoảng pH đổi màu 8,0 đến 9,6) để xác định điểm tương đương trong quá tình chuẩn độ hỗn hợp.
1.1.1. 2. Xác định nồng độ dung dịch NaOH để sử dụng làm dung dịch chuẩn.
Nồng độ của NaOH trong dung dịch được xác định thông qua dung dịch chuẩn kalihyddro phtalat.
Axit phthalic (C4H6(COO)2 là axit hai nấc có Ka1 = 1,12.10-3 và Ka2 = 3,9.10-6. Kali hydro phthalat, thường được gọi đơn giản là KHPh, là một hợp chất thuộc loại muối axit, dạng bột trắng, tinh thể không màu, dễ tan trong nước. Nó có tính axit và thường được sử dụng như là một chất chuẩn gốc trong chuẩn độ acid-bazơ vì nó là hợp chất ổn định, bền trong không khí, có khối lượng mol lớn (204,233g/mol), dễ cân chính xác. Tuy nhiên, nó có tính hút ẩm nhẹ, nên thường được giữ trong bình hút ẩm trước khi đem sử dụng. Ngoài các tính chất vừa nêu trên, độ pH của KHPh trong dung dịch rất ổn định nên nó cũng được dùng như một chất gốc để chuẩn hóa thang pH.
Trong nước KHPh phân ly hoàn toàn thành cation K+ và anion hydro phthalat HPh có tính axit nên KHPh được sử dụng để chuẩn độ một bazơ, ví dụ như NaOH.
Khi chuẩn độ KHph với NaOH, tại điểm tương đương, pH của dung dịch được tính theo pH của một đa bazơ yếu Phthalat. Với Kb1 và Kb2 tương ứng của bazơ Phthalate là 2,5641.10-9 và 8,9.10-12 thì có thể coi sự phân ly ra OH- của đa bazơ phathalat do nấc thứ nhất là chủ yếu. Giả sử nồng độ của bazơ phathalat là 0,10M, khi đó Ph2- + H2O ¬ → HPh- + OH- Cb 0,1-x x x b x K , x = − 2 1 0 1 ⇒ x , −x 2 0 1 = 2,5641.10-9 ⇒ x = [OH-] = 10-4,80 M → pOH = 4,80 → pH = 9,20
pH tại điểm tương đương là 9,20 nên chất chỉ thị thích hợp để xác định điểm tương đương của phản ứng chuẩn độ có thể là phenolphthalein.
Cũng có thể sử dụng chất gốc axit oxalic (H2C2O4.2H2O) thay cho KHPh với chất chỉ thị phenolphtalein để chuẩn độ.
1.1.2. Tiến hành thí nghiệm
1.1.2.1. Pha chế dung dịch chuẩn KHPh
Để pha chế 250 ml dung dịch chuẩn KHPh 0,05000M ( = 204,233g/mol) cần tính được khối lượng KHPh cần lấy theo công thức
gam x
x
Cân KHPh trên cân phân tích một lượng có giá trị gần m (g) đã tính trên cốc cân với độ chính xác 0,0001g, cho vào cốc có mỏ 100ml sạch. Sau đó thêm khoảng 40-50ml nước cất, khuấy cho tan bằng đũa thủy tinh. Chuyển toàn bộ lượng dung dịch đã hòa tan vào bình định mức (rót qua đũa thủy tinh). Tráng cốc và đũa thủy tinh 3-4 lần bằng nước cất vào bình định mức. Định mức bằng nước cất đến vạch mức. Lắc thật đều dung dịch trước khi sử dụng.
Từ lượng cân thực tế trên cân phân tích, chúng ta tính lại nồng độ dung dịch KHPh đã pha (M).
1.1.2.2. Chuẩn độ dung dịch NaOH
- Nạp dung dịch NaOH vừa pha chế (từ lượng cân trên cân kỹ thuật, nồng độ khoảng 0,05M) vào buret, đuổi hết bọt khí, chỉnh đến vạch “0”
- Lấy chính xác 10,00 ml KHPh cho vào bình nón, thêm 3-5 giọt chất chỉ thị phenolphtalein, dung dịch không màu
- Chuẩn độ bằng dung dịch NaOH cho tới khi dung dịch chuyển màu từ không màu sang màu hồng, ghi thể tích NaOHtiêu tốn V (ml)
- Làm 3 lần, lấy giá trị trung bình để tính nồng độ
1.1.2.3.Xác định nồng độ từng axit trong hỗn hợp bằng dung dịch chuẩn NaOH
Lấy chính xác 10,00 ml dung dịch hỗn hợp HCl và H3PO4 cần phân tích cho vào bình nón cỡ 250ml; thêm 2-3 giọt dung dịch chất chỉ thị metyl da cam, lắc đều và chuẩn độ bằng dung dịch chuẩn NaOH có nồng độ C(M) ( khoảng 0,05M) tới khi dung dịch chuyển sang màu vàng. Ghi số ml NaOH đã chuẩn độ (V1). Thêm tiếp vào dung dịch đang chuẩn độ ba giọt dung dịch chất chỉ thị phenolphtalein và tiếp tục chuẩn độ tới khi dung dịch chuyển sang màu hồng. Ghi số ml NaOH đã chuẩn độ lần 2 (V2). Làm 3 lần rồi lấy kết quả trung bình nồng độ của hai axit.
Nồng độ mol/l của hai axit trong dung dịch định phân được tính như sau:
10 ). ( ; 10 . 1 2 2 4 3 C V V C C V CH PO HCl − = =
1.2. Phương pháp chuẩn độ điện thế sử dụng thiết bị đo pH
1.2.1. Nguyên tắc:
Cơ sở phép xác định giống như phép chuẩn độ sử dụng chất chỉ thị màu chỉ khác là để phát hiện điểm điểm tương tương thay vì dùng chất chỉ thị đê phát hiện ra sự biến đổi đột ngột về pH thì pH của dung dịch trong trường hợp này được theo
dõi bằng thiết bị đo pH của dung dịch trong quá trình chuẩn độ. Bằng cách theo dõi chính xác giá trị pH trong quá trình định phân cũng có thể xác định được các hằng số phân ly axit của H3PO4.
1.2.2. Cách tiến hành
-Dùng pipet lấy 1,00 ml dung dịch hỗn hợp hai axir vào cốc thủy tinh dung tích 50 ml và dùng pipet chia vạch thêm 19,0 ml nước cất.
- Cho con từ vào cốc
- Mở nắp bảo quản điện cực pH, nhấc điện cực ra, rửa điện cực đo pH bằng nước cất vào một cốc khác và lắp vào hệ đo (hình 19).
- Nạp đầy dung dịch chuẩn NaOH 0,05000M vào buret và lắp vào giá để buret ( như hình 19). Cần chắc chắn điện cực pH không chạm vào con từ.
Hình 19: Sơ đồ thiết bị chuẩn độ điện thế xác định HCl và H3PO4
Thêm từ từ từng lượng nhỏ ( ban đầu 0,5 ml, gần đến điểm tương đương thêm 0,1 ml) dung dịch chuẩn NaOH từ buret và ghi sự biến đổi pH vào thể tích NaOH thêm vào.
Cần chú ý không thêm tiếp NaOH khi giá trị pH > 11,5 vì có thể làm hỏng điện cực thủy tinh.
-Sau khi chuẩn độ xong, lấy điện cực ra khỏi dung dịch, rửa bằng nước cất. Để điện cực trong nước cất ít nhất 15 phút trước khi tiến hành chuẩn độ lần thú
2. Chuẩn hóa lại máy đo pH bằng dung dịch đệm pH=7 trước khi tiến hành phép chuẩn độ khác.
1.3. Báo cáo kết quả và thảo luận
- Tính nồng độ HCl và H3PO4 trong cả hai thí nghiệm và so sánh kết quả.
- Vẽ đường chuẩn độ biểu thị sự phụ thuộc pH vào thể tích dung dịch NaOH (ml).
- Xác định hai điểm tương đương trên đường cong chuẩn độ và xác định thể tích NaOH tại mỗi điểm tương đương.
- Tính giá trị pKa2 của H3PO4 và kiểm tra tính phù hợp của phương trình tính pH dung dịch đệm ( phương trình Henderson-Hasselbalch: pH= pKa-log (Ca/Cb)) bằng cách tính một số điểm khác trên đường định phân. So sánh giá trị pK2 thu được từ thực nghiệm và tài liệu tham khảo.