Hóa phân tích (analytical chemistry)

HÓA PHÂN TÍCH (Analytical Chemistry) Năm học 2008-2009 Học Kỳ 2 Ts. Phạm Trần Nguyên Nguyên ptnnguyen@hcmus.edu.vn (Dành cho sinh viên Khoa Hóa , Đại Học Lạc Hồng) 2 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 bài giảng PowerPoint chỉ gồm những điểm chính của bài học SINH VIÊN CẦN TỰ GHI CHÉP THÊM CHO MÌNH 3TÀI 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. 4 MỤC 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 Analytical Chemistry PTNNguyen-HCMUS 5 NỘI DUNG MÔN HỌC 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 Chương 9: Phản ứng Oxy hóa khử & chuẩn độ điện thế Analytical Chemistry/ I. Introduction PTNNguyen-HCMUS 6 Chương 1 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 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 1.5 Bài tập 7“Every aspect of our world today .. even politics and international relations .. Is affected by chemistry” -Linus Pauling- I.1 Hóa phân tích? ™ Hóa học? khoa học khảo sát: 9 Các tính chất, thành phần, cấu trúc của vật chất. 9 Các biến đổi về tính chất, thành phần, cấu trúc của vật chất cùng các thay đổi năng lượng kèm theo các biến đổi ấy. 8 Hóa học (Chemistry) Vô cơ (Inorganic) Hữu cơ (Organic) Hóa sinh (Biochemical) Hóa lý (Physical) Phân tích (Analytical) Phân tích sinh học (Bioanalytical) Cơ kim (Organometallic) ™ Các ngành hóa học? 9Analytical 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 • … • …. 10 • 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? 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? • Hóa phân tích định tính (qualitative analysis) • Hóa phân tích định lượng (quantitative analysis) 11 Qualitative analysis is what. Quantitative analysis is how much. 12 13 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 ™ Phản ứng tạo tủa Nhóm I: Ag+, Hg22+, Pb2+→ tạo tủa với Cl-, I- Nhóm II: Bi3+,Cd2+, Cu2+, Hg2+, Sn4+ …. → tạo tủa với H2S ở pH=0.5 Nhóm III: Al3+,Co2+, Cr3+, Fe2+,Fe3+, Mn2+, Ni2+, Zn2+→ tạo tủa với H2S ở pH=9 14 I. 2a Phân tích định tính (Qualitative analysis - What) ™ Thử nghiệm ngọn lủa Li+ Na+ K+ Cu++ Na: lửa vàng ; K: lửa tím; Ca: lửa đỏ gach …. 15 ™ Phản ứng tạo màu đặc trưng ™ soi tinh thể dưới kính hiểm vi Phân biệt alkan hay alken: dd Br2 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 ™ 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 9 Phân tính trọng lượng (gravimetric) 9 Phân tích thể tích (volumetric) 9 Phân tích điện hóa (electroanalytical) 9 Phân tích phổ nghiệm (spectroscopic) 9 Phân tích sắc ký (chromatographic) 9 Phân tích bằng các pp vật lý, hóa lý … 17 √ √ √ 18 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 9Lấy mẫu (sampling) 9Xử lý mẫu 9Phân tích định tính 9Phân 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 ™ Đơn vị đo lường 21 22 23 ™ Chữ số có nghĩa (CSCN) - Một mẫu cân nặng 1.759 gram → có 4 CSCN không tin cậy (1.759 ± 0.001g) 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 • 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 24 • 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 • Số liệu đo lường thể hiện sự không tin cậy của dụng cụ hay pp đo → cần ghi đúng CSCN 1000 ml = 1L - 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√ 25 • 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 26 1. 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 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 27 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) = 28 B Dụng cụ đo lường cơ bản trong hóa phân tích ™ Khối lượng 29 ™ Thể tích 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: 2. Định lượng: 3. Hòa tan: → I2 làm giấy tẩm tinh bột hóa xanh - 2 + 2 3 4 2MnO 5Fe 8H Mn + 5Fe 4H O + + ++ + → + 3+ - 2 22Fe + 2 I 2Fe + I +→ 3 3 2 2 2 2 3Cu HNO 3Cu(NO ) + 2NO 4H O 2NO + O NO + → + → ™ Phản ứng trao đổi tiểu phân 1. Định tính: 2. Định lượng: 3. Hòa tan: Đo pH → xác định tính acid, baz 2HCl NaOH NaCl H O+ → + ¾ Phản ứng acid-baz Chuẩn độ acid/baz 3 2 2 2CaCO 2HCl CaCl CO + H O+ → + 1. Định tính: 2. Tách nhóm: 3. Định lượng: ¾ Phản ứng tạo tủa + -Ag I AgI+ → (vàng) + 2+ 2 2 2 2 2Ag ,Pb , Hg HCl AgCl, PbCl , Hg Cl + + → 2 2+ 4 4SO Ba BaSO − + → 1. Định tính: 2. Hòa tan: 3. Định lượng: ¾ Phản ứng tạo phức ( ) ( )33+ -Fe nSCN Fe SCN nn − +⎡ ⎤+ → ⎣ ⎦ (màu đỏ) ( ) + -4 3 22AgCl + 2NH OH Ag NH + Cl + 2H O⎡ ⎤→ ⎣ ⎦ 2+ 2 2- + 2Ca + H Y CaY 2H − → + lượng chất tan (solute) Nồng độ của dd = ------------------------------ lượng dung dịch (solution) D Dung dịch (dd) và nồng độ dung dịch - 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 ™ Độ tan .100mS q = ™ Nồng độ khối lượng hay nồng độ g/l:C .1000 V m= (q: khối lượng dd) 36 ™ Nồng độ phần trăm (part per hundred, %): ( )C% KL/KL .100 m+q m=¾ % (khối lượng/khối lượng) ¾ % (khối lượng/thể tích) ¾ % (thể tích/thể tích) ( )C% KL/TT .100 V m= ( ) xVC% TT/TT .100 V = • Nồng độ phần ngàn (part per thousand, ‰): • Nồng độ phần mười ngàn (part per ten thousand, ‰o): 37 • Nồng độ phần triệu (parts-per-million, ppm) ( ) 6mC ppm .10 m+q = 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 ) 38 ™ Nồng độ phân mol: ii nN N= ™ Nồng độ đương lượng: N m 1000.dlg VC = ¾ Đương lượng của một nguyên tố X: XMdlg n = n là hóa trị của X trong hợp chất N2O: đương lượng của N = 14 NO: “ 14/2 N2O3 : “ 14/3 N2O5 “ 14/5 ™ Nồng độ mol: M m (g) 1000C . M V(ml) = ™ Nồng độ molan: m m (g) 1000C . M q (g) = 39 ¾ Đương lượng của một hợp chất AB ABMdlg n = 1. AB là chất oxy hóa - khử→ n số điện tử trao đổi ứng với 1 mol n là số đlg tham gia p.ứ, thay đổi tùy theo p.ứ AB tham gia 4 2 2 2 7 3 - 2+ 4 4 KMnO 2 MnO 2- 3+ 2 7 2 7 K Cr O 3 CrCl MnO 5 Mn dlg(KMnO ) M 5,dlg(MnO ) M 5 Cr O 6 2Cr dlg(K CrO ) M 6,dlg(CrCl ) M 3 e e + → = = + → = = 2. AB là acid hay baz → n số ion H+ hay OH- trong 1 mol chất ( ) ( ) ( ) 3 4 2 + - + 3- 3 4 4 3 4 H PO + - NaOH 2+ - 2 2 HCl Ca OH HCl H + Cl dlg(HCl) H PO 3H + PO dlg(H PO ) M 3 NaOH Na + OH dlg(NaOH) M 1 Ca OH Ca + 2OH dlg(Ca OH ) M 1 M 2 → = → = → = → = 40 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- 2 4 2 4 3 2 2 BaCl NaCl 4 4 FeSO 2 4 3 2 4 3 Fe (SO ) BaCl dlg(BaCl ) M 2 NaCl dlg(NaCl) M 1 FeSO dlg(FeSO ) M 2 Fe (SO ) dlg(Fe (SO ) ) M 6 = = = = 4. AB là phức chất [MLx]n+ tạo thành bởi ion Mn+ [ ]n+M + xL ML nx +→ → đlg được xác định giống đlg của muối hay ion [ ] [ ]2 22+ 3 3 4 3 4Cu + 4 NH Cu(NH ) dlg( Cu(NH ) )=M/2+ +→ 41 E. Pha trộn dung dịch: a b m - m - c b a c = ¾ Qui tắc đường chéo: a (%) b (%) c (%) (c-b) = ma (a-c) = mb ¾ Liên hệ giữa một số nồng độ thông dụng: N m 1000. dlg V C = M m (g) 1000C . M V(ml) = C% .100 m+q m= ( ) ( ) M N N N M M C % .10d C % .10d C ;C M dlg CC .C Cn hay n = = = = 42 E. Pha trộn dung dịch: ™ Dụng cụ pha chính xác: Nồng độ dd cần pha? Độ chính xác cần thiết? → Lựa chọn dung cụ pha thích hợp ™ Dụng cụ pha gần đúng: 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 a) Pha 500mL dd NaOH, có nồng độ ~ 0.20M → lựa chọn dụng cụ không cần chính xác • Cân khối lượng NaOH rắn cần dùng: NaOH 0.20 40,0m 0.5 4,0mol gL g L mol = × × = • Chuyển chất rắn vào trong beaker, thêm 500mL nước 44 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 chính xác • Cân khối lượng CuSO4 rắn cần dùng: 4CuSO 1.00 249.7m 0.250 62, 4mol gL g L mol = × × = • Chuyển chất rắn vào trong fiol 250mL, thêm nước đến vạch 45 ¾ Pha loãng dd từ dd có sẵn trong phòng lab: → lựa chọn dụng cụ cần chính xác • Lấy chính xác thể tích CuSO4 1.00M cần dùng: 01.00 0.100 0.250M V M L× = × • Chuyển chất rắn vào trong fiol 250mL, thêm nước đến vạch 0 0 d dC V = C V Describe how you would prepare 250 mL of 0,100 M CuSO4 solution using a stock solution of concentrated CuSO4 (1.00 M). 0 0.025V L= 46 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. • Pha dd NaCl 0.900% (g/ml): ( )C% KL/TT .100 V m= V = 100 ml → m = 0.900 g 47 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. • Pha dd NaCl 0.900% (g/ml): ( )C% KL/TT .100 V m= V = 100 ml → m = 0.900 g 48 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) 2.17 molar 2 m ( ) 1000( ) 2 ( ) 2 M V( )M M gC Cl C MgCl ml − = = i 25.8 ( ) 10002 2.17 (M) 95.2 250.0 ( ) g ml = =i 49 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 • nồng độ mol của Na+: 0 00. 27(g)( ) ( ) 0.46 58.5M M C dC Na C NaCl M M + = = = = 50 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)? a) 3.20% ethyl alcohol (wt/vol) b) 5.13% ethyl alcohol (wt/vol) c) 7.80% ethyl alcohol (wt/vol)