Chương 1: Đại cương về phương pháp phân tích thể tích | Bài giảng môn Hóa phân tích | Đại học Bách khoa hà nội

Chương 1.
Đại cương về phương pháp
phân tích thể tích Trần Thị Thúy
Department of Analytical Chemistry
School of Chemical Engineering – Hanoi University of Science and Technology (HUST) Outline 1.1. Định nghĩa
1.2. Yêu cầu đối với phản ứng chuẩn độ
1.3. Phân loại các phương pháp phân tích thể tích
1.4. Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng)
1.5. Các cách biểu diễn nồng độ
1.6. Cách tính toán trong phân tích thể tích 2 HUST SCE 7/26/2020 1.1. Định nghĩa
Phương pháp phân tích thể
tích là một phương pháp
phân tích hóa học định lượng
dựa trên việc đo thể tích
thuốc thử đã biết chính
xác nồng độ cần dùng để
tác dụng vừa đủ với lượng
chất cần xác định, từ đó tìm
được nồng độ chất cần xác định.
Hình 1.1. Sơ đồ chuẩn độ 3 HUST SCE 1.1. Định nghĩa
Ví dụ: Xác định nồng độ HCl
bằng dung dịch NaOH đã biết nồng độ chính xác. NaOH + HCl = NaCl + H2O
Câu hỏi đặt ra là làm thế nào
để nhận biết thời điểm NaOH
tác dụng vừa đủ với HCl?
Hình 1.1. Sơ đồ chuẩn độ 4 HUST SCE 1.1. Định nghĩa
Trong kỹ thuật chuẩn độ,
dung dịch đã biết chính xác
nồng độ gọi là dung dịch
chuẩn, thời điểm hai chất tác
dụng vừa đủ với nhau gọi là
điểm tương đương (ĐTĐ).
Điểm kết thúc chuẩn độ:
thời điểm đó có thể trước
hoặc sau điểm tương đương
nhưng vẫn nằm trong giới hạn sai số cho phép
Hình 1.1. Sơ đồ chuẩn độ 5 HUST SCE
1.2. Yêu cầu đối với phản ứng chuẩn độ
Phản ứng hóa học sử dụng trong phân tích thể tích phải
đảm bảo các yêu cầu sau:
- Phản ứng xảy ra nhanh và hoàn toàn.
- Phản ứng xảy ra theo một hướng xác định, theo đúng
phương trình hóa học với hệ số tỉ lượng xác định.
- Phản ứng có khả năng xác định điểm tương đương.
Lưu ý: Khi các phản ứng chuẩn độ trực tiếp không thỏa
mãn đồng thời cả ba điều kiện trên, người ta có thể thay
đổi kỹ thuật chuẩn độ. 6 HUST SCE
1.2. Yêu cầu đối với phản ứng chuẩn độ
Ví dụ 1: Sử dụng kỹ thuật chuẩn độ ngược khi xác định nhu cầu oxy
hóa hóa học (Chemical oxygen demand – COD*) trong nước. Phản ứng
giữa chất oxy hóa K2Cr2O7 và các hợp chất hữu cơ trong môi trường
axit chậm, người ta sử dụng xúc tác Ag+ và đun nóng 120 °C với một
lượng dư biết trước kali dicromat trong 2h để đảm bảo phản ứng là
hoàn toàn. Lượng kali dicromat dư sau phản ứng sẽ được chuẩn độ
với dung dịch chuẩn Fe2+. Từ đó, chúng ta sẽ xác định được lượng kali
dicromat đã phản ứng với các hợp chất hữu cơ có trong mẫu nước và
tính được COD dựa trên hệ số tỉ lượng của phản ứng.
*COD: được định nghĩa là lượng oxy hóa học tương đương với dicromat trong
quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm bằng dicromat. Mỗi ion dicromat nhận 6e–
(để tạo ra 2Cr3+) và mỗi phân tử O2 nhận 6e– để tạo thành H2O. Do đó 1 mol 𝐶𝑟 2−
2𝑂7 là tương đương hóa học với 1,5 mol O2 khi tính toán COD. 7 HUST SCE
1.2. Yêu cầu đối với phản ứng chuẩn độ
Ví dụ 2: Phản ứng chuẩn độ giữa Na2CO3 và HCl Na2CO3 + HCl = NaHCO3 + NaCl NaHCO3 + HCl = H2CO3 + NaCl
Quá trình chuẩn độ có hai điểm tương đương, nếu dừng chuẩn độ ở
điểm tương đương nào thì chọn chất chỉ thị cho phù hợp và nồng độ
dung dịch được xác định theo hệ số tỉ lượng của phản ứng. 8 HUST SCE
1.2. Yêu cầu đối với phản ứng chuẩn độ
Ví dụ 3: Những ion kim loại không tìm được chất chỉ thị phù hợp thì
trong trường hợp này sự chuẩn độ thay thế có thể khả thi. Trong kỹ
thuật chuẩn độ này, chất phân tích được tác dụng với một lượng dư
Mg(EDTA)2– để thay thế Mg2+, lượng Mg2+ được đẩy ra sau đó được
chuẩn với dung dịch chuẩn EDTA. Phản ứng chuẩn độ giữa Mg2+ và
EDTA có thể sử dụng Eriocromđen T làm chất chỉ thị.
Mn+ + MgY2– ⇋ MYn–4 + Mg2+
Hg2+ được xác định theo cách này. Hằng số tạo phức của Hg(EDTA)2–
phải lớn hơn hằng số tạo phức Mg(EDTA)2– nếu không sự thay thế vị
trí Mg2+ của Hg2+ từ Mg(EDTA)2– sẽ không xảy ra. 9 HUST SCE
1.3. Phân loại các phương pháp phân tích thể tích
1. Phương pháp axit-bazơ: dựa trên cơ sở của phản ứng axit-bazơ
theo lý thuyết axit-bazơ của Bronsted-Lowry. A1 + B2 = A2 + B1
2. Phương pháp chuẩn độ phức chất: dựa trên cơ sở của phản ứng tạo
phức giữa ion kim loại với phối tử (ligand) Men+ + L ⇋ MeL
3. Phương pháp chuẩn độ oxy hóa khử: dựa trên cơ sở của phản ứng oxy hóa khử Oxh1 + Kh2 = Kh1 + Oxh2
4. Phương pháp chuẩn độ kết tủa: dựa trên cơ sở của phản ứng tạo hợp chất ít tan Me+ + A– = MA↓ 10 HUST SCE
1.4. Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng)
Việc sử dụng đơn vị nồng độ đương lượng giúp xác định nhanh lượng
chất cần phản ứng dựa trên cơ sở định luật tác dụng đương lượng mà
không cần quan tâm tới hệ số tỉ lượng của hai chất tham gia phản ứng, theo đó:
Số đương lượng chất phân tích = số đương lượng dung dịch chuẩn 11 HUST SCE
1.4. Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng)
Đương lượng gam (ký hiệu Đ) Đ = 𝑀 (1.1) 𝑛 M: khối lượng mol, g/mol
Khối lượng mol là khối lượng của 6,023.1023 phân tử, nguyên tử hay
ion. Nó có trị số bằng khối lượng phân tử, nguyên tử hay ion và được biểu diễn bằng gam. Vd: 1 mol H2O = 18,01 g
Trong phương trình (1.1) giá trị n phụ thuộc vào từng loại phản ứng
Đối với phản ứng axit-bazơ n là số ion H+ mà một phân tử (hoặc ion)
axit nhường đi hoặc là số ion H+ mà một phân tử (hoặc ion) bazơ
nhận vào. Nói cách khác n chính là số H+ trao đổi trong phản ứng axit-bazơ. 12 HUST SCE
1.4. Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng) Ví dụ: 𝑀 Ca(OH) 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 2 + HCl = CaOHCl + H2O Đ𝐶𝑎(𝑂𝐻) = 2 1 𝑀 Ca(OH) 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O Đ𝐶𝑎(𝑂𝐻) = 2 2 H3PO4 + NaOH = NaH2PO4 + H2O Đ𝐻 = 𝑀𝐻3𝑃𝑂4 3𝑃𝑂4 1
H3PO4 + 2NaOH = Na2HPO4 + 2H2O Đ𝐻 = 𝑀𝐻3𝑃𝑂4 3𝑃𝑂4 2 H3PO4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2O Đ𝐻 = 𝑀𝐻3𝑃𝑂4 3𝑃𝑂4 3 Na2CO3 + HCl = NaHCO3 + NaCl Đ𝑁𝑎 = 𝑀𝑁𝑎2𝐶𝑂3 2𝐶𝑂3 1
Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2 Đ𝑁𝑎 = 𝑀𝑁𝑎2𝐶𝑂3 2𝐶𝑂3 2 13 HUST SCE
1.4. Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng)
Đối với phản ứng oxi hóa khử: n là số electron một phân tử (hoặc ion)
chất oxy hóa nhận vào hoặc số electron một phân tử (hoặc ion) chất
khử nhường đi. Nói cách khác, n là số electron trao đổi trong phản ứng oxy hóa khử.
Ví dụ 1: Trong nửa phản ứng:
𝑀𝑛𝑂−4+ 5e– + 8H+ ⇋ Mn2+ + 4H2O
Nếu nồng độ mol của 𝑀𝑛𝑂−4là 0,1M, thì nồng độ đương lượng cho phản ứng:
𝑀𝑛𝑂−4+ 5Fe2+ + 8H+ ⇋ Mn2+ + 5Fe3++ 4H2O là 5×0,1 = 0,5N.
Trong phản ứng này mỗi ion Fe2+ nhường 1 electron. Nồng độ đương
lượng của Fe(II) bằng với nồng độ mol của nó, mặc dù cần 5 ion Fe2+
để cân bằng trong phản ứng này. 14 HUST SCE
1.4. Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng)
Ví dụ 2: Trong nửa phản ứng:
𝑀𝑛𝑂−4 + 3e– + 4H+ ⇋ MnO2 + 2H2O
Mỗi ion 𝑀𝑛𝑂−4 nhận 3e–. Nồng độ đương lượng của của permanganat
gấp 3 lần nồng độ mol. Dung dịch 𝑀𝑛𝑂−
4 0,060N trong phản ứng này
chứa 𝑀𝑛𝑂−4 0,020M. 15 HUST SCE
1.4. Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng)
Ví dụ 3: Trong nửa phản ứng: 2𝑆 2− 2−
2𝑂3 – 2e– ⇋ 𝑆4𝑂6 Hai ion 𝑆 2− 2−
2𝑂3 nhường 2e–. Do đó nồng độ đương lượng của 𝑆2𝑂3 và
nồng độ mol/L của 𝑆 2− 2−
2𝑂3 là như nhau (do n=1). Dung dịch 𝑆2𝑂3
0,050N trong phản ứng này chứa 𝑆 2− 2𝑂3 0,050M. Như vậy có thể thấy: 𝑀 − 𝑀𝑛𝑂− 𝑀𝑛𝑂4
4 + 5Fe2+ + 8H+ ⇋ Mn2+ + 5Fe3++ 4H2O Đ𝑀𝑛𝑂−= 4 5 𝑀 − 𝑀𝑛𝑂− 𝑀𝑛𝑂4
4 + 3e– + 4H+ ⇋ MnO2 + 2H2O Đ𝑀𝑛𝑂−= 4 3 𝑀 2− 2𝑆 2− 2− 𝑆2𝑂3
2𝑂3 – 2e– ⇋ 𝑆4𝑂6 Đ 𝑆 2−= 2𝑂3 1 16 HUST SCE
1.4. Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng)
Ví dụ 3: Trong nửa phản ứng: 2𝑆 2− 2−
2𝑂3 – 2e– ⇋ 𝑆4𝑂6 Hai ion 𝑆 2− 2−
2𝑂3 nhường 2e–. Do đó nồng độ đương lượng của 𝑆2𝑂3 và
nồng độ mol/L của 𝑆 2− 2−
2𝑂3 là như nhau (do n=1). Dung dịch 𝑆2𝑂3
0,050N trong phản ứng này chứa 𝑆 2− 2𝑂3 0,050M. Như vậy có thể thấy: 𝑀 − 𝑀𝑛𝑂− 𝑀𝑛𝑂4
4 + 5Fe2+ + 8H+ ⇋ Mn2+ + 5Fe3++ 4H2O Đ𝑀𝑛𝑂−= 4 5 𝑀 − 𝑀𝑛𝑂− 𝑀𝑛𝑂4
4 + 3e– + 4H+ ⇋ MnO2 + 2H2O Đ𝑀𝑛𝑂−= 4 3 𝑀 2− 2𝑆 2− 2− 𝑆2𝑂3
2𝑂3 – 2e– ⇋ 𝑆4𝑂6 Đ 𝑆 2−= 2𝑂3 1 17 HUST SCE
1.4. Cách tính đương lượng gam (mol đương lượng)
Đối với phản ứng trao đổi: n là số điện tích tham gia trao đổi trong
phản ứng, cũng như những trường hợp trên, n không chỉ phụ thuộc
vào từng chất mà còn phụ thuộc vào từng phản ứng cụ thể
3ZnSO4 + 2K4[Fe(CN)6] = Zn3K2[Fe(CN)6]2 + 3K ↓ 2SO4 (feroxianua kali) 𝑀 Đ [Fe(CN)6]
𝑍𝑛𝑆𝑂 = 𝑀𝑍𝑛𝑆𝑂4; Đ K 4 2 [Fe(CN) 4 K 6] = 3 4 18 HUST SCE
1.5. Các cách biểu diễn nồng độ
1.5.1. Thành phần phần trăm
Phần trăm của chất phân tích trong hỗn hợp hay trong dung dịch
thường được diễn tả ở các dạng sau:
phần trăm khối lượng (wt%)
Phần trăm khối lượng =
𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ℎấ𝑡 𝑡𝑎𝑛 × 100% (1.2)
𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝 (ℎ𝑎𝑦 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑑ị𝑐ℎ) Ví dụ:
Dung dịch giấm ăn 5 wt%, nghĩa là trong 100 gam dung dịch giấm ăn
có 5 gam axit axetic và 95 gam nước.
Trong 100 gam axit axetic băng 99,8 wt% có chứa 99,8 gam axit axetic.
Dung dịch HCl đặc 36 %, nghĩa là có 36 gam HCl trong 100 gam dung dịch HCl đặc. 19 HUST SCE
1.5. Các cách biểu diễn nồng độ
Phần trăm thể tích (V%)
Phần trăm thể tích = 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑐ℎấ𝑡 𝑡𝑎𝑛 × 100 % (1.3)
𝑡ổ𝑛𝑔 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑑ị𝑐ℎ
Ví dụ: Rượu vodka Hà Nội 35 %V (còn được gọi là rượu 35°), nghĩa là
trong 100 ml rượu có 35 ml etanol và 65 ml nước.
Để tránh nhầm lẫn, đơn vị đo wt% hay V% thường được ghi cụ
thể. Tuy nhiên, trong trường hợp chỉ ghi nồng độ phần trăm mà không
ghi cụ thể khối lượng hay thể tích, thì có thể hiểu là phần trăm khối lượng. 20 HUST SCE