HÓA A PHÂN TÍCHT (Analytical Chemistry) Ts. Phạm Trần Nguyên Nguyên ptnnguyen@hcmus.edu.vn (Dành cho sinh viên Khoa Hóa, Đại Học Lạc Hồng) Nămhọc 2008-2009 HọcKỳ 2 THÔNG TIN TỔNG T 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 bàigiảng PowerPoint chỉ gồm những điểm chính của bàihọc SINH VIÊN CẦN TỰ GHI CHÉP THÊM CHO MÌNH 2
TÀI LIỆU THAM KHẢO Cơ sở hóa học phân tích A.P.kreskov, nhà xuất bản đại học và giáo dục chuyên nghiệp HàNội, 1990. Phân tích định lượng Nguyễn thị Thu Vân, nhà xuất bản ĐH Quốc GiaTp. HCM, 2004. 3 MỤC C TIÊU Cung cấp kiến thức cơ bản, cơ sở lý thuyết về: phân tích định tính phân tích định lượng nồng độ dung dịch điệnly sự cân bằng trong dung dịch điện ly kỹ thuật phân tích thể tích kỹ thuật phân tích trọng lượng 4
NỘI I DUNG MÔN HỌCH 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& thếđiện cực Chương 9: Phản ứng Oxy hóa khử & chuẩn độ điện thế Analytical Chemistry PTNNguyen-HCMUS 5 Chương 1 NHẬP P MÔN HÓA H A PHÂN TÍCHT 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 đolường 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 Analytical Chemistry/ I. Introduction PTNNguyen-HCMUS 6
I.1 Hóa phân tích? Every aspect of our world today.. even politics and international relations.. Is affected by chemistry -Linus Pauling- Hóa học? khoa học khảo sát: Các tính chất, thành phần, cấu trúccủa vật chất. 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. 7 Các ngành hóa học? Phân tích sinh học (Bioanalytical) Hóa sinh (Biochemical) Phân tích (Analytical) Hóa học (Chemistry) Hóa lý (Physical) Hữu cơ (Organic) Cơ kim (Organometallic) Vô cơ (Inorganic) 8
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. 9 Hàm lượng chất X trong mẫu là bao nhiêu? Mẫu chứa chất X không? Nhận danhcấu trúccủa X? Làm cách nào tách được X rakhỏi mẫu? 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) 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 trong mẫu bằng sự lụa chọn phản ứng hóa học hay sử dụng thiết bị Phản ứng tạo tủa Nhóm I: Ag +, Hg 2+ 2, Pb 2+ tạo tủa với Cl -, I - Nhóm II: Bi 3+,Cd 2+, Cu 2+, Hg 2+, Sn 4+. tạo tủa với H 2 S ở ph=0.5 Nhóm III: Al 3+,Co 2+, Cr 3+, Fe 2+,Fe 3+, Mn 2+, Ni 2+, Zn 2+ tạo tủa với H 2 S ở ph=9 13 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. 14
Phản ứng tạo màuđặc trưng Phân biệt alkan hay alken: dd Br 2 soi tinh thể dưới kínhhiểm vi Tinh thể của cáchợp chất khác nhau có cấu trúctinhthể khác nhau, đặc trưng dùng kính hiểm vi để phân biệt SrCrO 4 với BaCrO 4 ; CuSO 4 với BaSO 4 điều chế ngọc borax hay phosphate Một số oxyt kim loại tạo hợp chất với borax hay phosphate có màu đặctrưng dướingọn lửa Cu-borax: dạng ngọc màu xanh đậm Mn-borax: dạng ngọc màutím 15 I. 2b Phân tích định tính (Quantitative analysis How much) Thành phần mẫu phân tích đã 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 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 Lấy mẫu (sampling) Xử lý mẫu Phân tích định tính Phân tích định lượng Diễn giải vàtrìnhbàykết quả thu được I.4 Kiếnthức cơ bảncần cho hóa phân tích A. Chữ số - đơn vịđolường trong hóa phân tích Đơn vịđolường
21 22
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 cùngđược hiểu là không tin cậy Chữ số khác zero đều làcscn - Một mẫu cânnặng 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 23 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 CaCl 2 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 trêncâncóđộ 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 24
Một phép đo ~ 100, ~ 10 Trình bày ở dạng khoa học: 1 x 10 2 :1CSCN 0.1 x 10 2 : 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 25 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 x10 2 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 26
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 ) = 27 B Dụng cụ đolường 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: I 2 làm giấy tẩm tinhbột hóa xanh 2. Định lượng: 3. Hòa tan: 3+ - 2+ 2Fe + 2 I 2Fe + I 2 MnO + 5Fe + 8H Mn + 5Fe + 4H O - 2 + + 2+ 3+ 4 2 3Cu + HNO3 3Cu(NO 3) 2+ 2NO + 4H2O 2NO + O NO 2 2 Phản ứng trao đổi tiểu phân Phản ứng acid-baz 1. Định tính: Đo ph xác định tính acid, baz 2. Định lượng: 3. Hòa tan: Chuẩn độ acid/baz HCl + NaOH NaCl + H2O CaCO 3+ 2HCl CaCl2 + CO 2+ H2O
Phản ứng tạo tủa 1. Định tính: + - Ag + I AgI (vàng) 2. Tách nhóm: Ag, Pb, Hg + + HCl AgCl, PbCl, Hg Cl + 2+ 2 2 2 2 2 3. Định lượng: SO Ba BaSO 2 2+ 4 + 4 Phản ứng tạo phức 1. Định tính: 3+ - ( 3 n) + Fe + nscn Fe SCN (màu đỏ) 2. Hòa tan: 3. Định lượng: ( ) ( ) + - 4 3 2 2 AgCl + 2NH OH Ag NH + Cl + 2H O Ca + H Y CaY + 2H 2+ 2 2- + 2 n
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 Độ tan m S =.100 q (q: khối lượng dd) m Nồng độ khối lượng hay nồng độ g/l:c =.1000 V Nồng độ phần trăm (part per hundred, %): % (khối lượng/khối lượng) % (khối lượng/thể tích) % (thể tích/thể tích) m C% ( KL/KL ) =.100 m+q m C% ( KL/TT ) =.100 V Vx C% ( TT/TT ) =.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) m C ppm.10 m+q 6 ( ) = 1 ppm = 1 g chất tan / 10 6 g hay 1000 kg mẫu = 1 mg chất tan / 10 6 mg hay 1 kg mẫu ( hay 1L, d =1) ppb = nồng độ phần tỉ (parts-per-billion, 10 9 ) ppt = nồng độ phần ngàncủa tỉ (parts-per-trillion, 10 12 ) 37 Nồng độ mol: m (g) 1000 C M =. M V(ml) Nồng độ phân mol: Nồng độ đương lượng: ni Ni = N Nồng độ molan: m (g) 1000 C m =. M q (g) m 1000 C N =. dlg V Đương lượng của một nguyên tố X: n là hóa trị của X trong hợp chất dlg = N 2 O: đương lượng của N = 14 NO: 14/2 N 2 O : 3 14/3 N 2 O 5 14/5 MX n 38
Đương lượng của một hợp chấtab dlg = M AB n là số đlg tham gia p.ứ, thay đổi tùy theo p.ứ AB tham gia 1. AB là chất oxy hóa - khử n số điện tử trao đổi ứng với 1 mol MnO + 5e Mn dlg(kmno ) = M 5, dlg(mno ) = M 5-2+ 4 4 KMnO4 2 MnO2 Cr O + 6e 2Cr dlg(k CrO ) = M 6, dlg(crcl ) = M 3 2-3+ 2 7 2 7 K2Cr2O7 3 CrCl3 2. AB là acid hay baz n số ion H + hay OH - trong 1 mol chất + - HCl H + Cl dlg(hcl) = M 1 HCl + 3- H PO 3H + PO dlg(h PO ) = M 3 3 4 4 3 4 H3PO4 n + - NaOH Na + OH dlg(naoh) = M 1 NaOH 2+ - ( ) ( ) = 2 2 Ca( OH) Ca OH Ca + 2OH dlg(ca OH ) M 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- BaCl 2 dlg(bacl 2) = MBaCl 2 2 NaCl dlg(nacl) = MNaCl 1 FeSO 4 dlg(feso 4) = MFeSO 2 4 Fe (SO ) dlg(fe (SO ) ) = M 6 2 4 3 2 4 3 Fe (SO ) 2 4 3 4. AB là phức chất [ML x ] n+ tạo thành bởi ion M n+ [ ] n+ M + xl ML n + x đlg được xácđịnh giống đlg của muối hay ion [ ] [ ] 2+ 2+ 2+ Cu + 4 NH 3 Cu(NH 3) 4 dlg( Cu(NH 3) 4 )=M/2 40
E. Pha trộn dung dịch: Qui tắc đường chéo: a (%) (c-b) = m a c (%) b (%) (a-c) = m b ma c-b = m a-c b Liên hệ giữa một số nồng độ thông dụng: m (g) 1000 C M =. M V(ml) m 1000 C N =. dlg V m C% =.100 m+q ( ) ( ) C%.10d C%.10d C M = ;CN = M dlg C C = n.c hay C = N M M N n 41 E. Pha trộn dung dịch: Nồng độ dd cần pha? Độ chính xác cần thiết? Lựa chọn dung cụ pha thích hợp Dụng cụ pha chính xác: Dụng cụ pha gần đúng: 42
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: 0.20 40, 0 m = mol g NaOH 0.5L 4,0g L mol = Chuyển chất rắn vào trong beaker, thêm 500mL nước 43 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 CuSO 4 using CuSO 4.5H 2 O b) Pha 250mL dd CuSO 4, có nồng độ 1.00M lựa chọn dụng cụ cần chính xác Cân khối lượng CuSO 4 rắn cần dùng: 1.00 249.7 m = mol g CuSO 4 0.250L 62, 4g L mol = Chuyển chất rắn vào trong fiol 250mL, thêm nước đến vạch 44
Pha loãng dd từ dd có sẵn trong phòng lab: CV= CV 0 0 d d Describe how you would prepare 250 ml of 0,100 M CuSO 4 solution using a stock solution of concentrated CuSO 4 (1.00 M). lựa chọn dụng cụ cần chính xác Lấy chính xác thể tích CuSO 4 1.00M cần dùng: 1.00M V0 = 0.100M 0.250L V0 = 0.025L 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 "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): m C% ( KL/TT ) =.100 V V = 100 ml m = 0.900 g 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): m C% ( KL/TT ) =.100 V V = 100 ml m = 0.900 g 47 2. A solution is prepared by dissolving 25.8 grams of magnesium chloride (MgCl 2 ) 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 C Cl C MgCl m ( g) 1000 M( ) = 2 M( 2) = 2 i M V( ml ) 25.8 ( g) 1000 = 2 i = 2.17 (M) 95.2 250.0 ( ml) 48
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 + C 00. d 27(g) CM( Na ) = CM( NaCl) = = = 0.46M M 58.5 49 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) http://bblmedia.com/make_home_brew.html 50