Bài giảng Hóa phân tích: Analytical chemistry của TS. Phạm Trần Nguyên Nguyên

HHÓÓA PHA PHÂN TÂN TÍÍCHCH (Analytical Chemistry) (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 2

THÔNG TIN TỔỔNG QU THÔNG TIN T

NG QUÁÁTT

• 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 bài giảng PowerPoint chỉ gồm những điểm chính của bài 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 bản đại học và giáo dục chuyên nghiệp Hà Nội, 1990.

• Phân tích định lượng

Nguyễn thị Thu Vân, nhà xuất bản ĐH Quốc Gia Tp. HCM, 2004.

C TIÊU MMỤỤC TIÊU

Cung cấp kiến thức cơ bản, cơ sở lý thuyết về:

phân tích định tính

phân tích định lượng

nồng độ dung dịch điện ly

sự cân bằng trong dung dịch điện ly

kỹ thuật phân tích thể tích

kỹ thuật phân tích trọng lượng

NNỘỘI DUNG MÔN H

I DUNG MÔN HỌỌCC

Chương 1: Nhập môn hóa phân tích

Chương 2: Cân bằng hóa học

Chương 3: Kỷ thuật phân tích thể tích (pp chuẩn độ)

Chương 4: Cân bằng acid – base và chuẩn độ

Chương 5: Phản ứng tạo phức & chuẩn độ

Chương 6: Phân tích trọng lượng & cân bằng tủa

Chương 7: Phản ứng tạo tủa & chuẩn độ

Chương 8: Pin điện hóa & thế điện cực

Analytical Chemistry

PTNNguyen-HCMUS

Chương 9: Phản ứng Oxy hóa khử & chuẩn độ điện thế

ChChươngương 11 P MÔN HÓÓA PHÂN T

A PHÂN TÍÍCHCH

NHNHẬẬP MÔN H

I.1 Hoá phân tích? I.2 Phân tích định tính? Phân tích định lượng? I.3 Các giai đoạn trong phân tích hóa học I.4 Một số kiến thức cơ bản cần cho hóa phân tích

A. Chữ số - đơn vị trong hóa học phân tích B. Dụng cụ đo lường cơ bản trong hóa phân tích C. Một số phản ứng hóa học dùng trong hóa phân tích D. Dung dịch-nồng độ dung dịch E. Pha chế dung dịch

Analytical Chemistry/ I. Introduction

PTNNguyen-HCMUS

1.5 Bài tập

I.1 HHóóaa phânphân ttííchch?? I.1

(cid:153) Hóa học? khoa hhọọcc khkhảảoo ssáátt:: khoa (cid:57) Các tính chất, thành

phần, cấu trúc của vật chất.

thay đổi

Every aspect of our world today .. “Every aspect of our world today .. even politics and international relations .. even politics and international relations .. Is affected by chemistry”” Is affected by chemistry Pauling-- Linus Pauling --Linus

(cid:57) Các biến đổi về tính chất, thành phần, cấu trúc của vật chất cùng năng các lượng kèm theo các biến đổi ấy.

(cid:153) Các ngành hóa học?

HHóóaa sinhsinh (Biochemical) (Biochemical) HHữữuu cơcơ (Organic) (Organic)

CơCơ kimkim Organometallic)) ((Organometallic PhânPhân ttííchch sinhsinh hhọọcc Bioanalytical)) ((Bioanalytical

Hóa học (Chemistry)

VôVô cơcơ (Inorganic) (Inorganic) PhânPhân ttííchch (Analytical) (Analytical)

HHóóaa lýlý (Physical) (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 trong mẫu là bao nhiêu? • Mẫu chứa chất X không? • Nhận danh cấu trúc của X? • Làm cách nào tách được X ra khỏi mẫu?

(cid:153) Hóa phân tích?

Hóa phân tích là bộ môn của ngành hóa học nghiên cứu về thành phần cấu tạo và hàm lượng các thành phần của những mẫu khảo sát.

• Hóa phân tích định tính (qualitative analysis)

• Hóa phân tích định lượng (quantitative analysis)

Qualitative analysis is what. Quantitative analysis is how much.

I. 2a Phân tích định tính (Qualitative analysis - What)

Nhận danh cation, anion, hợp chất trong mẫu bằng sự lụa chọn phản ứng hóa học hay sử dụng thiết bị

2+, Pb2+

(cid:153) Phản ứng tạo tủa

Nhóm I: Ag+, Hg2 → tạo tủa với Cl-, I-

Nhóm II: Bi3+,Cd2+, Cu2+, Hg2+, Sn4+ …. → tạo tủa với H2S ở pH=0.5

,Fe3+, Mn2+, Ni2+, Zn2+

Nhóm III: Al3+,Co2+, Cr3+, Fe2+

→ tạo tủa với H2S ở pH=9

I. 2a Phân tích định tính (Qualitative analysis - What)

(cid:153) Thử nghiệm ngọn lủa

Li+ Na+ K+ Cu++

Na: lửa vàng ; K: lửa tím; Ca: lửa đỏ gach ….

(cid:153) Phản ứng tạo màu đặc trưng

Phân biệt alkan hay alken: dd Br2

(cid:153) soi tinh thể dưới kính hiểm vi

Tinh thể của các hợp chất khác nhau có cấu trúc tinh thể khác nhau, đặc trưng → dùng kính hiểm vi để phân biệt

SrCrO4 với BaCrO4 ; CuSO4 với BaSO4

(cid:153) điều chế ngọc borax hay phosphate

Một số oxyt kim loại tạo hợp chất với borax hay phosphate có màu đặc trưng dưới ngọn lửa

Cu-borax: dạng ngọc màu xanh đậm

Mn-borax: dạng ngọc màu tím

I. 2b Phân tích định tính (Quantitative analysis – How much)

Thành phần mẫu phân tích đã biết

(cid:57) Phân tính trọng lượng (gravimetric)

(cid:57) Phân tích thể tích (volumetric)

(cid:57) Phân tích điện hóa (electroanalytical)

(cid:57) Phân tích phổ nghiệm (spectroscopic)

(cid:57) Phân tích sắc ký (chromatographic)

(cid:57) Phân tích bằng các pp vật lý, hóa lý …

√

I. 3 Các bước trong phân tích hóa học

• Xác định vấn đề

thông tin cần phân tích, mức độ cần chính xác?, kinh phí? Thời gian? Điều kiện về dụng cụ, thiết bị cho phép của phòng thí nghiệm? • Chọn lựa kỹ thuật và phương pháp

(cid:57) Lấy mẫu (sampling) (cid:57) Xử lý mẫu (cid:57) Phân tích định tính (cid:57) Phân tích định lượng

• Diễn giải và trình bày kết quả thu được

I.4 Kiến thức cơ bản cần cho hóa phân tích

A. Chữ số - đơn vị đo lường trong hóa phân tích

(cid:153) Đơn vị đo lường

(cid:153) Chữ số có nghĩa (CSCN)

Là con số có ý nghĩa của 1 đại lượng đã đo hay tính được. Khi CSCN được kể thì chữ số cuối cùng được hiểu là không tin cậy

• Chữ số khác zero đều là CSCN

- Một mẫu cân nặng 1.759 gram → có 4 CSCN

không tin cậy (1.759 ± 0.001g)

• Chữ số chứa zero

- 25,508: 5 CSCN - 0,06 L: 1 CSCN; 0,00093 L: 2 CSCN - 3,0 g: 2 CSCN; 2,06 ml: 3 CSCN; 4,060 m: 4CSCN

• Với con số chính xác: hệ số tỉ lệ trong công thức hóa học, p.ứ hay hệ số chuyển đổi đơn vị: có vô số CSCN

1 mol CaCl2 có chính xác: 1 mol Canxi và 2 mol Clo 1000 ml = 1L

• Số liệu đo lường thể hiện sự không tin cậy của dụng cụ hay pp đo → cần ghi đúng CSCN

- Cân mẫu trên cân có độ chính xác ± 0.1 mg kết quả trình bày: 1.57g 1.570g 1.5700g √

- Dùng buret có vạch chia nhỏ nhất 0,1 ml kết quả trình bày: 12.26 ml 12.260 ml √

• Một phép đo ~ 100, ~ 10

Trình bày ở dạng khoa học: 1 x 102 :1CSCN 0.1 x 102 : 2 CSCN

• Phép đo dùng hàm logarithm: pH

pH = 3.45 → 2 CSCN

• CSCN trong phép cộng và 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 trong phép nhân và chia

45,667 x 1,2 = 54,8004 làm tròn → 55 45,667 : 1,2 = 38,055833 làm tròn → 38

1. Indicate how many significant figures are in each of the

following numbers.

a) 903 d) 0.0903 b) 0.903 e) 0.09030 c) 1.0903 f) 9.03 x102

2. Round each of the following to three significant figures. a) 0.89377 b) 0.89328 c) 0.89350 d) 0.8997 e) 0.08907

3. 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) =

B Dụng cụ đo lường cơ bản trong hóa phân tích

(cid:153) Khối lượng

(cid:153) Thể tích

C Một số phản ứng hóa học dùng trong hóa phân tích

(cid:153) Phản ứng oxy hóa khử

Phản ứng trao đổi điện tử giữa cặp oxy hóa / khử, thường được dùng trong hóa phân tích để:

- 2Fe + 2 I

2 + 2Fe + I

→

1. Định tính:

→ I2 làm giấy tẩm tinh bột hóa xanh

3 + Mn + 5Fe

→

- MnO 5Fe + 4

4H O 2

2. Định lượng:

3Cu(NO ) + 2NO 4H O

3Cu HNO +

→

3 2

2NO + O

3 →

3. Hòa tan:

(cid:153) Phản ứng trao đổi tiểu phân

(cid:190) Phản ứng acid-baz

1. Định tính: Đo pH → xác định tính acid, baz

HCl

NaOH NaCl H O

→

2. Định lượng: Chuẩn độ acid/baz

CaCl CO + H O

→

CaCO 2HCl + 3

3. Hòa tan:

(cid:190) Phản ứng tạo tủa

AgI

- I + →

(vàng)

1. Định tính:

Ag , Pb , Hg

HCl AgCl, PbCl , Hg Cl

+ +

→

2 2

2. Tách nhóm:

BaSO

− +

→

2 4

3. Định lượng:

(

) n 3 − +

nSCN

(cid:190) Phản ứng tạo phức

( Fe SCN

)

⎡ → ⎣

⎤ ⎦

1. Định tính: Fe (màu đỏ)

AgCl + 2NH OH

+ Cl + 2H O

( Ag NH

)

⎡ → ⎣

⎤ ⎦

2. Hòa tan:

Ca + H Y

CaY

− →

3. Định lượng:

D Dung dịch (dd) và nồng độ dung dịch

lượng chất tan (solute) Nồng độ của 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 quá bão hòa: lượng chất tan dư dễ dang tách ra khỏi dd

.100

m q

.1000

(q: khối lượng dd) (cid:153) Độ tan

m V

(cid:153) Nồng độ khối lượng hay nồng độ g/l: C

C% KL/KL

.100

(cid:153) Nồng độ phần trăm (part per hundred, %):

(

)

m m+q

.100

(cid:190) % (khối lượng/khối lượng)

( C% KL/TT

)

m V

.100

(cid:190) % (khối lượng/thể tích)

( C% TT/TT

)

xV V

(cid:190) % (thể tích/thể tích)

• Nồng độ phần ngàn (part per thousand, ‰):

• Nồng độ phần mười ngàn (part per ten thousand, ‰o):

.10

( C ppm

)

m m+q

• Nồng độ phần triệu (parts-per-million, ppm)

1 ppm = 1 g chất tan / 106 g hay 1000 kg mẫu

= 1 mg chất tan / 106 mg hay 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 )

m (g) 1000 . M V(ml)

m (g) 1000 . M q (g)

(cid:153) Nồng độ mol: (cid:153) Nồng độ molan:

n i N

(cid:153) Nồng độ phân mol:

C = N

m 1000 . dlg V

dlg

(cid:153) Nồng độ đương lượng:

XM n

(cid:190) Đương lượng của một nguyên tố X: n là hóa trị của X trong hợp chất

14/2 14/3 14/5 N2O: đương lượng của N = 14 NO: “ “ N2O3 “ N2O5

dlg

ABM n

(cid:190) Đương lượng của một hợp chất AB

n là số đlg tham gia p.ứ, thay đổi tùy theo p.ứ AB tham gia

Mn dlg(KMnO ) M

5, dlg(MnO ) M

- e MnO 5 + → 4

KMnO

MnO

2Cr

dlg(K CrO ) M

6, dlg(CrCl ) M

6 e + →

Cr O 2

2- 7

K Cr O

CrCl 3

1. AB là chất oxy hóa - khử → n số điện tử trao đổi ứng với 1 mol

HCl

H + Cl dlg(HCl)

→

M 1 HCl

H PO

3H + PO dlg(H PO ) M

→

H PO 3

NaOH

Na + OH dlg(NaOH) M

→

NaOH

Ca + 2OH dlg(Ca OH )

→

( Ca OH

)

(

)

( Ca OH

)

2. AB là acid hay baz → n số ion H+ hay OH- trong 1 mol chất

BaCl dlg(BaCl ) M

BaCl

NaCl dlg(NaCl) M 1

NaCl

FeSO dlg(FeSO ) M

FeSO

Fe (SO ) dlg(Fe (SO ) ) M

4 3

Fe (SO ) 4 3

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-

[

→ đlg được xác định giống đlg của muối hay ion

)=M/2

→

[

]

[

]

Cu + 4 NH 3

Cu(NH ) 3 4

dlg( Cu(NH ) 3 4

4. AB là phức chất [MLx]n+ tạo thành bởi ion Mn+ n+M + xL ML n ] →

E. Pha trộn dung dịch:

(cid:190) Qui tắc đường chéo:

a (%) (c-b) = ma

=

c (%)

m m

c b - a c -

b (%) (a-c) = mb

m (g) 1000 . M V(ml)

(

) C % .10d M

) C % .10d dlg

C = N

m 1000 . dlg V

hay

n .C M

.100

m m+q

(cid:190) Liên hệ giữa một số nồng độ thông dụng:

E. Pha trộn dung dịch:

Nồng độ dd cần pha? Độ chính xác cần thiết? → Lựa chọn dung cụ pha thích hợp

(cid:153) Dụng cụ pha chính xác: (cid:153) Dụng cụ pha gần đúng:

(cid:190) 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

→ lựa chọn dụng cụ không cần chính xác

a) Pha 500mL dd NaOH, có nồng độ ~ 0.20M

mol

0.5

4, 0

NaOH

0.20 L

g 40, 0 mol

• Cân khối lượng NaOH rắn cần dùng:

• Chuyển chất rắn vào trong beaker, thêm 500mL nước

(cid:190) 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

→ lựa chọn dụng cụ cần chính xác

b) Pha 250mL dd CuSO4, có nồng độ 1.00M

0.250

62, 4

CuSO

1.00 mol L

249.7 mol

• Cân khối lượng CuSO4 rắn cần dùng:

• Chuyển chất rắn vào trong fiol 250mL, thêm nước đến vạch

C V = C V d

d 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

(cid:190) Pha loãng dd từ dd có sẵn trong phòng lab:

1.00

0.250

0.100 0.025

M L

= =

M V × 0 V 0

• Lấy chính xác thể tích CuSO4 1.00M cần dùng:

1. 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.

• Chuyển chất rắn vào trong fiol 250mL, thêm nước đến vạch

.100

( C% KL/TT

)

m V

• Pha dd NaCl 0.900% (g/ml):

V = 100 ml → m = 0.900 g

1. 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.

.100

( C% KL/TT

)

m V

• Pha dd NaCl 0.900% (g/ml):

V = 100 ml → m = 0.900 g

2. 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 Cl ( M

C MgCl 2 ( 2

m ( ) 1000 i M V( ml )

2.17 (M)

g 25.8 ( ) 95.2

1000 250.0 (

)

c) 2.17 molar

3. 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 trong 1000 ml dd

C Na (

C NaCl (

)

0.46

+ = )

00. d M

27(g) 58.5

• nồng độ mol của Na+:

4. 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)?

http://bblmedia.com/make_home_brew.html

a) 3.20% ethyl alcohol (wt/vol) b) 5.13% ethyl alcohol (wt/vol) c) 7.80% ethyl alcohol (wt/vol)