cơ sở hoa phan tich định lượng

Thông tin tài liệu

Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU Hóa phân tích liên quan đến việc tách, nhận biết và xác định những lượng tương đối của những cấu phần của một mẫu vật chất. Phân tích định tính cho biết sự có mặt của chúng trong mẫu, còn phân tích định lượng thiết lập lượng tương đối của một hoặc nhiều cấu phần này, hay còn gọi là chất đem phân tích, dưới dạng số học. Thông tin định tính được đòi hỏi trước khi một phân tích định lượng được diễn ra. Một giai đoạn tách thường cần thiết cho một phép phân tích định tính và phân tích định lượng. 1.1. Vai trò của phân tích hóa học trong khoa học Hóa học phân tích đóng một vai trò cốt yếu trong khoa học. Từ cuối thế kỉ 19, hóa học phân tích được xem như nghệ thuật nhận biết những chất khác nhau và xác định những thành phần của chúng và giữ một vị trí nổi bật trong số những ứng dụng của khoa học, bởi vì nó giúp trả lời những câu hỏi nảy sinh ở những quá trình hóa học được tiến hành với những mục đích khoa học hay kỹ thuật. Ngay từ thời đó, hóa học phân tích đã chuyển từ một nghệ thuật thành một ngành khoa học với nhiều ứng dụng trong công nghiệp, dược phẩm, và tất cả các ngành khoa học. Sau đây là một vài ví dụ minh họa: - Hàm lượng của hydrocacbon, NOx, và CO hiện diện trong khí thải xe hơi được đo để xác định mức ô nhiểm môi trường không khí. -Phép đo canxi trong máu giúp chẩn đoán bệnh bại liệt của những bệnh nhân. -Phép xác định lượng của nitơ trong thực phẩm giúp thiết lập hàm lượng protein và giá trị dinh dưỡng của chúng. -Phân tích thép suốt quá trình sản suất cho phép điều chỉnh những nồng độ của những nguyên tố như cacbon, niken, crôm để đạt được độ cứng, độ dẻo, khả năng chống mài mòn… http://vi.scribd.com/daykemquynhon Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 2 - Việc phân tích định lượng cây trồng và đất trồng giúp nông dân thiết lập những kế hoạch bón phân và tưới tiêu để đáp ứng sự tăng trưởng của cây trồng suốt vụ mùa. Các phép đo định lượng cũng đóng một vai trò cốt yếu trong nhiều lĩnh vực trong hóa học, sinh hóa, sinh học, địa chất học, và những ngành khoa học khác. Ví dụ, các nhà hóa học làm sáng tỏ cơ chế của nhiều phản ứng hóa học thông qua những nghiên cứu vận tốc phản ứng. Tốc độ tiêu tốn của chất phản ứng và sự tạo thành sản phẩm trong một phản ứng hóa học có thể được tính toán từ những phép đo định lượng tại những khoảng thời gian bằng nhau. Phép đo định lượng của các ion kali, canxi, natri trong nước dịch của động vật cho phép các nhà sinh lý học nghiên cứu vai trò của những ion này trong sự truyền dẫn tín hiệu nơron thần kinh và sự co giản cơ. Hóa học phân tích là một công cụ quan trọng trong những cố gắng của các nhà nghiên cứu này. 1.2. Phân loại các phương phương pháp hóa phân tích Các nhà hóa học thường phân loại các phương pháp phân tích theo b ả n ch ấ t c ủ a các phép đo cuố i cùng để tính toán kết quả phân tích định lượng: - Phép đo các kh ối lượ ng và th ể tích - P hép đo củ a m ột vài đại lượ ng t ỉ l ệ v ới lượ ng c ủ a ch ấ t c ầ n phân tích trong m ẫu và thườ ng hoàn thành luôn phép phân tích. C ụ th ể : Phương pháp phân tích trọng lượng: dựa trên việc xác định khối lượng của chất cần phân tích hay các hợp chất khác có liên quan đến nó. Phương pháp phân tích thể tích: dựa trên phép đo thể tích của một dung dịch chuẩn cần tác dụng hoàn toàn chất cần phân tích. Phương pháp này bao gồm các phương pháp cụ thể sau: - Phương pháp chuẩn độ axit – bazơ - Phương pháp chuẩn độ kết tủa http://vi.scribd.com/daykemquynhon Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 3 - Phương pháp chuẩn độ complexon - Phương pháp chuẩn độ oxi hóa khử Các phương pháp phân tích hóa lí (công cụ) bào gồm: Phương pháp phân tích điện hóa: liên quan đến phép đo những đại lượng như thế, dòng, điện trở, và các đại lượng điện học khác. Phương pháp phổ: dựa trên những phép đo của tương tác giữa bức xạ điện từ và những nguyên tử hoặc phân tử của chất đem phân tích hoặc dựa trên sự tạo thành những bức xạ như vậy từ chất đem phân tích. Phương pháp phân tích sắc kí: đây là kĩ thuật tách các chất cần phân tích hoàn toàn ra khỏi nhau rồi dò tìm và định lượng chúng bằng một trong các phương pháp quang phổ, phương pháp điện hóa… Cuối cùng, nhóm những phương pháp đo khác nên bao gồm phép đo những tính chất như tỉ số khối lượng theo điện tích (phổ khối), nhiệt phản ứng, tốc độ phản ứng, độ dẫn nhiệt, độ khúc xạ. 1.3. Các bước tiến hành trong một phép phân tích định lượng Một phép phân tích định lượng tiêu biểu bao gồm những bước lần lượt được minh họa trong hình 1. Trong vài trường hợp, có thể bỏ qua một hoặc vài bước. Chọn phương pháp ↓ Thu thập mẫu đại diện ↓ Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ↓ Hòa tan mẫu ↓ Loại bỏ những sự cản trỏ ↓ http://vi.scribd.com/daykemquynhon Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 4 Đo một đại lượng nào đó của Chất cần phân tích ↓ Tính toán kết quả ↓ Dự đoán độ tin cậy của kết quả Hình 1.1: Các bước trong một phép phân tích định lượng 1.3.1. Ch ọn phương pháp phân tích Đây là bước quan trọng nhất nhưng sự chọn lựa có thể là khó khăn, đòi hỏi kinh nghiệm cũng như trực giác của người phân tích. Xem xét quan tr ọ ng tr ướ c h ế t là m ức độ chính xác đ òi h ỏ i. Tuy nhiên, độ tin cậy cao hầu như đòi hỏi một sự đầu tư lớn về thời gian. Phương pháp được chọn thường là sự thỏa hiệp giữa độ chính xác và hiệu quả kinh tế. Xem xét th ứ hai liên quan đế n nh ữ ng y ế u t ố kinh t ế là s ố m ẫu đem phân tích. Nếu phân tích một đối tượng mẫu thường xuyên, chúng ta có thể cố gắng tiêu tốn thời gian cho những hoạt động chuẩn bị sơ bộ như thiết lập và chuẩn hóa thiết bị và dụng cụ cũng như chuẩn bị các dung dịch chuẩn. Nếu chỉ có một vài mẫu cần phân tích thì cần tìm phương pháp tránh được hoặc giảm thiểu được những bước chuẩn bị sơ bộ như trên. Cuối cùng, sự chọn lựa phương pháp đo luôn bị chi phối bởi s ự ph ứ c t ạ p c ủ a m ẫ u cùng s ố c ấ u ph ầ n trong m ẫ u. 1.3.2. L ấ y m ẫ u Để thu được những thông tin có ý nghĩa, một phép phân tích phải được thực hiện trên một mẫu mà thành ph ầ n c ủa nó đạ i di ệ n trung th ực cho toàn lượ ng v ậ t ch ấ t m ẫu đượ c l ấ y t ừ đó . Ở đây nếu toàn lượng đó lớn và không đồng nhất thì cần đòi hỏi một cố gắng lớn để lấy mẫu đại diện. Việc lấy mẫu của nhiều trường hợp là đơn giản hơn http://vi.scribd.com/daykemquynhon Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 5 trường hợp trên, nhưng dù đơn giản hay phức tạp thì mẫu lấy đem phân tích phải đại diện cho toàn bộ trước khi diễn ra một phép phân tích. 1.3.3. Chu ẩ n b ị m ộ t m ẫ u thí nghi ệ m Mẫu rắn được nghiền nhỏ để giảm kích thước hạt, trộn đều để đảm bảo sự đồng nhất và được lưu giữ trong những khoảng thời gian khác nhau trước khi quá trình phân tích được bắt đầu. Sự hấp thụ và giải hấp của nước có thể xảy ra trong suốt những bước này, phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường. Bởi vì bất kì sự mất hay nhận nước sẽ thay đổi thành phần hóa học của mẫu rắn này, việc làm khô mẫu nên tiến hành ngay trước khi bắt đầu việc phân tích. Một cách khác là lượng ẩm của mẫu có thể được xác định trong một thủ tục riêng khác. Những thông tin xa hơn về chuẩn bị mẫu cho phân tích và làm khô mẫu hoặc xác định độ ẩm của mẫu cần được tham khảo trong các tài liệu. 1.3.4. Chu ẩ n b ị dung d ị ch m ẫ u Phần lớn phép phân tích được thực hiện với mẫu ở dạng dung dịch. Dung môi nên hòa tan toàn bộ lượng mẫu một cách nhanh chóng và hoàn toàn, chứ không phải chỉ hòa tan chất cần phân tích. Những điều kiện hòa tan mẫu nên vừa đủ để cho việc mất chất cần phân tích không xảy ra. Tuy nhiên, nhiều mẫu không thể hòa tan trong những dung môi thông thường. Ví dụ như những khoáng vật silic, những polime cao phân tử hoặc những mẫu mô động vật. Sự chuyển hóa những chất cần phân tích trong những mẫu này thành dạng có thể hòa tan thường khó và tốn nhiều thời gian cho việc đun mẫu với các axit mạnh, bazơ mạnh, những chất oxi hóa, hoặc chất khử, hoặc kết hợp chúng lại; đốt cháy chúng trong không khí hay oxi, hoặc thiêu nhiệt ở nhiệt độ cao. 1.3.5. Lo ạ i b ỏ nh ữ ng y ế u t ố c ả n tr ở Có rất ít những tính chất hoặc phản ứng đặc trưng cho riêng một chất cần phân tích. Những phản ứng được sử dụng hoặc những tính chất được đo trong phân tích thường là đặc trưng của một nhóm nguyên tố hoặc hợp chất. Các chất khác với chất cần phân tích tác động đến kết quả cuối cùng được gọi là những chất cản trở. Một thủ tục xác định phải được rà soát để tách chất cần phân tích khỏi http://vi.scribd.com/daykemquynhon Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 6 những yếu tố gây nhiễu trước khi phép đo cuối cùng được thực hiện. Không có những qui luật chung cho việc loại bỏ những yếu tố gây nhiễu. Các phương pháp tách là một trong những cách để loại bỏ chúng. 1.3.6. S ự đị nh chu ẩn và phép đo Trong phân tích thể tích, thể tích của dung dịch chuẩn tiêu tốn để phản ứng vừa đủ với chất cần định phân được đo. Trong phân tích trọng lượng, khối lượng của kết tủa chứa cấu phần cần phân tích trong mẫu được đem cân. Tất cả kết quả phân tích trong các phương pháp phân tích hóa lí phụ thuộc vào phép đo cuối cùng X của một đại lượng vật lý của chất cần phân tích. Đại lượng này phải thay đổi theo cách lặp lại và được biết với nồng độ C A của chất cần phân tích. Một cách lý tưởng, đại lượng đo này tỉ lệ tuyến tính với nồng độ như sau: C A = k.X (1.1) Ở đây k là hằng số tỉ lệ. Như vậy quá trình xác định k là một bước quan trọng trong hầu hết các phép phân tích và được gọi là sự định chuẩn (calibration). 1.3.7. Tính toán k ế t qu ả Việc tính toán nồng độ chất cần phân tích từ những số liệu thực nghiệm thường là công việc dễ làm và đơn giản, đặc biệt với sự trợ giúp của máy tính hiện nay. Những tính toán như vậy được dựa trên những số liệu thô thực nghiệm ban đầu được thu thập trong phép đo, những hệ số tỉ lệ của phản ứng hóa học mà phép phân tích dựa vào, và những hệ số của thiết bị. 1.3.8. Đánh giá kế t qu ả t ừ vi ệ c d ự đoán độ tin c ậ y Các kết quả phân tích thường là chưa đủ nếu không có sự dự đoán độ tin cậy của chúng. Người phân tích phải cung cấp vài tiêu chí của độ bất định liên quan đến kết quả phân tích được tính toán. http://vi.scribd.com/daykemquynhon Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 7 Chương 2: PHÂN TÍCH TRỌNG LƯỢNG 2.1. Mở đầu Các phương pháp phân tích trọng lượng được dựa trên việc đo khối lượng gồm hai loại chính. - Phương pháp kế t t ủ a Chất phân tích được chuyển về một dạng kết tủa khó hòa tan. Kết tủa này sau đó được lọc, rửa sạch chất nhiểm bẩn và chuyển về dạng có thành phần xác định bởi xử lý nhiệt thích hợp. Ví dụ: Một trong những phương pháp xác định canxi trong nước tự nhiên là cho lượng dư axit oxalic H 2 C 2 O 4 vào một thể tích chính xác của mẫu nước. Thêm vào NH 3 để tất cả canxi trong mẫu được kết tủa dưới dạng canxi oxalate: Ca 2+ + C 2 O 4 2- → CaC 2 O 4 (r) Kết tủa được lọc, rửa sấy và đựng trong cốc nung đã được cân chính xác, làm khô, và nung ở nhiệt độ thích hợp để chuyển toàn lượng kết tủa về dạng CaO: CaC 2 O 4 (r) → CaO (r) + CO (k) + CO 2 (k) Cốc và sản phẩm nung được làm nguội, cân, suy ra khối lượng của CaO và hàm lượng của canxi trong mẫu. - Phương pháp bay hơi Chất cần phân tích hoặc sản phẩm phân hủy của nó được hóa hơi tại nhiệt độ thích hợp. Sản phẩm hóa hơi sau đó được thu và cân; hoặc khối lượng của sản phẩm này được xác định một cách gián tiếp từ sự hao hụt khối lượng của mẫu. Ví dụ: Natri hydrocacbonat trong viên thuốc chống ợ chua được xác định bằng cách cho tác dụng với axit sunfuric loãng dư để chuyển toàn bộ về CO 2 NaHCO 3 + H 2 SO 4 → CO 2 (k) + H 2 O (l) + NaHSO 4 CO 2 thoát ra được dẫn vào một ống chứa chất hấp thu là NaOH rắn. Sự khác nhau về khối lượng của ống trước và sau khi hấp thu được sử dụng để tính khối lượng của natri hydrocacbonat trong mẫu thuốc. http://vi.scribd.com/daykemquynhon Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 8 2.2. Tính chất của kết tủa và các thuốc thử tạo kết tủa Kết tủa thu được cần có những tính chất sau:  Dễ lọc và dễ rửa sạch các chất nhiễm bẩn.  Độ hòa tan đủ thấp để tránh một lượng đáng kể bị mất trong quá trình lọc và rửa.  Không tác dụng với các chất trong không khí.  Có thành phần xác định sau khi được làm khô hoặc nung. Để phân tích một chất trong mẫu bằng phương pháp trọng lượng cần phải dùng thuốc thử tạo kết tủa. Thuốc thử thêm vào tốt nhất chỉ phản ứng một cách chọn lọc với chất cần phân tích để tạo kết tủa. Thường các thuốc thử đặc hiệu rất hiếm khi tác dụng với chỉ một chất cần phân tích mà tác dụng một số giới hạn các chất. Chỉ một vài thuốc thử có tất cả các tính chất trên. Dưới đây ta sẽ xem xét các phương pháp để thu được kết tủa dễ lọc, nguyên chất có thành phần xác định. 2.2.1. Kích thước hạt và tính dễ lọc của kết tủa 2.2.1.1. Các y ế u t ố ảnh hưởng đến kích thướ c h ạ t c ủ a k ế t t ủ a  Kích thước hạt của kết tủa được tạo thành rất khác nhau.  Kết tủa tạo thành có thể là các kết tủa keo vô định hình có kích thước hạt rất nhỏ không nhìn thấy bằng mắt thường (từ 10 -7 đến 10 -4 cm đường kính). Các hạt keo không có khuynh hướng sa lắng từ dung dịch và cũng không dễ lọc.  Kết tủa tạo thành cũng có thể là các hạt với kích thước hàng chục lần lớn hơn, sự phân tán của các hạt như vậy được gọi là các thể tinh thể huyền phù. Các hạt này có khuynh hướng kết hợp với nhau và dễ lọc.  Kích thước hạt của kết tủa bị ảnh hưởng bởi những thông số thực nghiệm như độ hòa tan của kết tủa, nhiệt độ, nồng độ chất tạo kết tủa và tốc độ pha trộn để tạo nên kết tủa. Nhưng cơ chế của quá trình hình thành kết tủa hãy còn chưa được hiểu một cách đầy đủ. http://vi.scribd.com/daykemquynhon Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 9  Các thông số này tác động đồng thời đến kích thước hạt và được đánh giá qua độ quá bão hòa tương đối của hệ: Độ quá bão hòa tương đối = S SQ  Ở đây: Q là nồng độ của một chất có thể kết tủa từ dung dịch S là độ hòa tan của kết tủa.  Những bằng chứng thực nghiệm chỉ ra rằng kích thước hạt của kết tủa thay đổi ngược với độ bão hòa tương đối trung bình trong suốt thời gian thuốc thử được thêm vào. Khi (Q-S)/S lớn thì kết tủa keo hình thành còn khi (Q – S) nhỏ thì kết tủa xuất hiện ở dạng tinh thể. 2.2.1.2. Cơ chế t ạ o thành k ế t t ủ a Ảnh hưởng của độ bão hòa tương đối lên kích thước hạt có thể được giải thích nếu ta giả thiết rằng kết tủa được tạo bởi hai quá trình khác nhau: a) G iai đoạ n t ạ o m ầ m k ế t tinh Trong mầm kết tinh, một vài ion, nguyên tử hoặc phân tử (có lẽ bốn hoặc năm) tập hợp với nhau để tạo một dạng rắn bền. Thường những nhân này thường được tạo trên bề mặt của các chất nhiễm bẩn lơ lửng, chẳng hạn như các hạt bụi. b) G iai đoạ n l ớ n lên c ủ a k ế t t ủ a Sự kết tủa xa hơn sau đó liên quan đến sự cạnh tranh giữa sự tạo thêm mầm kết tinh hoặc sự lớn lên của các mầm kết tinh có sẵn. Kích thước hạt được xác định bởi giai đoạn nào nhanh hơn. Nếu sự lớn lên chiếm ưu thế thì một số lượng nhỏ của các hạt có kích thước lớn được tạo thành. Theo Von Weimann (Đức) thì số lượng mầm kết tinh N tỉ lệ với độ quá bão hòa tương đối của dung dịch Q S N k S   (2.1) http://vi.scribd.com/daykemquynhon Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 10 Với k là hệ số tỉ lệ Do đó để tạo kết tủa tinh thể hạt lơn thì nên tiến hành kết tủa trong những điều kiện thực nghiệm sao cho độ bão hòa tương đối càng bé càng tốt. 2.2.1.3. Ki ể m soát th ự c nghi ệ m c ủa kích thướ c h ạ t  Các thông số thưc nghiệm làm giảm độ quá bão hòa tương đối dẫn đến kết tủa tinh thể hạt lớn tạo thành bao gồm:  Tăng độ hòa tan của kết tủa.  Dùng các dung dịch loãng để tạo kết tủa (để giảm Q)  Thêm chậm thuốc thử nóng vào với nhau và khuấy trộn mạnh (để giảm Q ở một thời điểm bất kì)  Sau khi kết tủa tạo thành nên có thời gian để các kết tủa kết tinh lại.  Các hạt lớn hơn cũng có thể thu được bởi kiểm soát độ axit khi độ hòa tan của kết tủa phụ thuộc vào độ pH của dung dịch. Ví dụ: Các kết tủa tinh thể dễ lọc của canxi oxalat được tạo trong môi trường axit vừa phải để muối hòa tan nhẹ. Sau đó sự kết tủa được hoàn toàn bởi thêm chậm dung dịch ammoniac cho đến khi độ axit đủ thấp để tất cả canxi oxalate kết tủa hết.  Không may, nhiều kết tủa không thể được tạo thành dưới dạng tinh thể dưới những điều kiện thực nghiệm thực tế. Thường khi kết tủa có độ hòa tan quá thấp so với giá trị Q thì kết tủa keo sẽ xuất hiện. Ví dụ: các kết tủa của hydroxyt sắt, nhôm, crôm và tủa sunfua của hầu hết các kim loại nặng thường chỉ ở dạng keo do độ hòa tan rất thấp của chúng. 2.2.2. Kết tủa keo  Các kết tủa keo thường bền trong một thời gian không xác định và không được sử dụng trong các phép phân tích trọng lượng vì các hạt của nó quá nhỏ để lọc.  Các hạt keo có thể liên kết lại với nhau thành các tập lớn hơn để tách khỏi dung dịch và có thể lọc được bằng các đun nóng, khuấy trộn và thêm các chất điện li. 2.2.2.1. S ự đông tụ c ủ a các h ạ t keo http://vi.scribd.com/daykemquynhon . Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU Hóa phân tích liên quan đến việc tách, nhận biết và xác định những lượng tương đối. http://vi.scribd.com/daykemquynhon Bùi Xuân Vững Cơ sở Hóa Phân Tích Định lượng 2 - Việc phân tích định lượng cây trồng và đất trồng giúp nông dân thiết

Ngày đăng: 24/09/2013, 20:36

Xem thêm: cơ sở hoa phan tich định lượng , cơ sở hoa phan tich định lượng