Giáo trình Hóa phân tích - Bài 3: Phương pháp phân tích khối lượng

Dựa trên khối lượng của sản phẩm tạo thành sau phản ứng hóa học dưới dạng kết tủa, hoặc khối lượng còn lại sau khi tác động bằng phương pháp vật lý như bay hơi khi sấy hoặc nung. Phân loại phương pháp khối lượng chủ yếu dựa vào các phương pháp tách. Dd chất cần phân tích Thuốc thử Kết tủa Lọc tủa Rửa tủa Sấy, nung Cân I. Phương pháp kết tủa Phương pháp phân tích khối lượng PP kết tủa PP bay hơi (PP cất) PP bay hơi trực tiếp PP bay hơi gián tiếp PP tách Xđ độ tro PP tách PP điện lượng Dạng kết tủa tạo thành sau phản ứng kết tủa gọi là dạng tủa. Dạng kết tủa cuối cùng sau khi sấy (hoặc nung) đến khối lượng không đổi gọi là dạng cân. Dạng tủa và dạng cân có thể giống nhau nhưng cũng có thể khác nhau. Ví dụ 1: Định lượng Na2SO4: cho phản ứng kết tủa với BaCl2 BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4 ↓ + 2NaCl Dạng tủa và nung: BaSO4 Ví dụ 2: Định lượng CaCl2: CaCl2 + (NH4)2C2O4 = CaC2O4 ↓ + NH4Cl Khi nung ở nhiệt độ cao: CaC2O4 → CaO + CO2 + CO Dạng tủa: CaC2O4 - Dạng cân: CaO I.1 Tính toán trong phân tích khối lượng a. Hệ số chuyển F Hệ số chuyển F là tỷ số giữa khối lượng phân tử gam (hay ion gam) của chất cần xác định và khối lượng phân tử gam của chất ở dạng cân. m, n: Hệ số tỷ lượng tương ứng . . Chatcanxacdinh Chatdangcan mM F nM = Ví dụ: - Định lượng Na2SO4 cho phản ứng kết tủa với BaCl2, dạng cân là BaSO4 Na2SO4 + BaCl2 = BaSO4 + 2NaCl F = ? - Định lượng Fe trong dung dịch Fe3+ bằng cách cho kết tủa với NH4OH, dạng cân là Fe2O3. FeCl3 + 3NH4OH = Fe(OH)3↓+ 3NH4Cl 2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3 H2O Theo phương trình phản ứng có: F = ? b. Xác định hàm lượng (thành phần %) trong mẫu Nếu mẫu ở dạng rắn: . (%) .100 F b C a = Nếu mẫu ở dạng lỏng: 100.(%) / V b.F =ttklC 100.(%) / V.d b.F =klklC 1000.)/( V b.F =lgP a: khối lượng mẫu ban đầu (g) b: khối lượng của dạng tủa cân (g) V: thể tích mẫu đã lấy tương ứng với b (g) tủa, đơn vị mL. d: khối lượng riêng của dung dịch, đơn vị là g/mL. I.2 Các giai đoạn của PP phân tích khối lượng bằng cách tạo tủa Xác định lượng mẫu và cân mẫu Hòa tan mẫu Tạo kết tủa Lọc và rửa kết tủa Sấy và nung Cân và tính kết quả Bước 1 Bước 2 Bước 3 Bước 4 Bước 5 Bước 6 Bước 1: Xác định lượng mẫu và cân mẫu Lượng mẫu cần thiết để làm kết tủa: - Đối với kết tủa dạng tinh thể: - Đối với kết tủa dạng vô định hình: . .0,5 . A B m M a n M = . .0,1 . A B mM a n M = m,n: Các hệ số cân bằng của phương trình phản ứng MA: Khối lượng mol chất cần xác định MB: Khối lượng mol của dạng cân 0,5 và 0,1: hệ số thực nghiệm Ví dụ 1: Tính lượng mẫu cần thiết của CaCO3, bằng cách tạo tủa CaC2O4. Biết dạng cân CaO Ví dụ 2: Tính lượng mẫu cần thiết của Fe(NO3)3.9H2O. Biết dạng cân Fe2O3. Bước 2: Hòa tan mẫu - Thường được tiến hành khi mẫu ban đầu dạng rắn. - Quá trình hòa tan phụ thuộc vào nhiều điều kiện: dung môi, nhiệt độ, pH, bản chất của chất phân tích - Đối với kết tủa tinh thể, lượng dung môi hòa tan sao cho được dung dịch khoảng 0,1N. Đối với tủa vô định hình, lượng dung môi hòa tan sao cho được dd đặc. - Trong quá trình hòa tan không được đưa vào dung dịch những chất ảnh hưởng đến phản ứng tạo tủa sau này. Ví dụ: - Để hòa tan CaCO3, chọn acid HCl là phù hợp, không dùng H2SO4 vì sẽ tạo tủa CaSO4. - Dùng 1HNO3đặc + 3HClđặc để hòa tan CuS theo phản ứng oxi hóa khử 3CuS+2 HNO3 + 6HCl = 3CuCl2 + 3S↓ + 4H2O + NO2 - Đối với các hợp chất hữu cơ, các dược liệu thì phải sử dụng các dung môi thích hợp để hòa tan thành phần mong muốn. Ví dụ, sử dụng ethanol 95 – 100o để hòa tan aspirin trong thuốc rắn do aspirin tan rất tốt trong ethanol nhưng tan rất kém trong nước. Bước 3: Tạo kết tủa Các yêu cầu khi tạo tủa: Đối với tủa tinh thể: - Dung dịch mẫu và thuốc thử: loãng - Tạo tủa trong điều kiện dung dịch mẫu và thuốc thử: nóng (nhưng chưa sôi). - Cho thuốc thử chậm chậm và khuấy vào mẫu. Đối với tủa vô định hình: - Dung dịch mẫu và thuốc thử: đặc (bề mặt nhỏ nhất) - Dung dịch mẫu nóng và có mặt chất điện ly.(đông tụ) - Cho thuốc thử nhanh, khuấy mạnh và lọc rửa ngay bằng nước nóng (tránh pepti hóa). Kết tủa tạo thành phải đảm bảo các yêu cầu: - Tủa phải có độ tan nhỏ để rửa tủa được hoàn toàn - Có độ tinh khiết cao, ít hấp phụ hay lẫn tạp chất (ví dụ khi tạo tủa BaSO4 cần thêm HCl vào nhằm giảm tủa phụ BaCO3 và giảm cộng kết Ba(OH)2) - Kích thước tinh thể lớn để hạn chế mất tủa trong quá trình lọc, rửa. - Chuyển tủa sang dạng cân một cách dễ dàng và hoàn toàn Bước 4: Lọc và rửa kết tủa Lọc tủa: Có thể lọc tủa bằng giấy lọc hoặc phễu lọc Lọc tủa bằng giấy lọc: Tùy kích thước tủa mà chọn giấy lọc có chỉ số lỗ xốp thích hợp: - Giấy lọc băng đỏ: Lọc tủa vô định hình - Giấy lọc băng trắng: Lọc tủa có kích thước trung bình - Giấy lọc băng xanh: Lọc tủa có kích thước nhỏ (như BaSO4, CaC2O4 ...) Chọn đường kính giấy lọc phù hợp với lượng tủa để đảm bảo tủa được rửa sạch 1/3 paper 0,5-1 cm Rửa tủa: Nhằm loại các chất bẩn trên bề mặt kết tủa - Rửa bằng dung dịch của chất tạo kết tủa (thuốc thử): nhằm hạn chế độ tan của chất kết tủa. Yêu cầu dung dịch rửa phải là chất dễ bay hơi khi nung. Ví dụ: dùng dung dịch (NH4)2C2O4 để rửa tủa CaC2O4. - Rửa tủa bằng dung dịch chất điện ly: Nhằm tránh hiện tượng pepti hóa. Yêu cầu của chất điện ly phải là chất dễ bay hơi khi nung. Ví dụ: dùng chất điện ly như HNO3 hay NH4NO3 để rửa tủa AgCl Rửa bằng dung dịch ngăn cản sự thủy phân: Một số kết tủa dễ bị thủy phân khi rửa bằng nước ( làm thay đổi dạng cân). Ví dụ: Tủa MgNH4PO4 bị thủy phân trong nước: MgNH4PO4 + H2O = MgHPO4 + NH4OH  Phải dùng dung dịch NH4OH để rửa tủa này. Rửa bằng nước: Thích hợp cho những loại tủa mất mát không đáng kể khi rửa bằng nước. Bước 5: Sấy và nung - Sấy: tách nước vật lý và làm bay hơi một số hợp chất dễ bay hơi - Nung: Tách nước hóa học, chuyển từ dạng tủa sang dạng cân, đốt cháy giấy lọc. - Sau khi nung sẽ được tủa ở dạng cân. Yêu cầu tủa ở dạng cân: + Bền vững với môi trường, không hút ẩm + Phải có công thức xác định để tính F đúng + Chọn dạng cân nào có thừa số chuyển F càng nhỏ càng tốt để giảm sai số Ví dụ: Để xác định Cr3+ có thể sử dụng 2 dạng cân: Cr2O3 hay BaCrO4 - Nếu dạng cân Cr2O3 thì F  0,7 - Nếu dạng cân là BaCrO4 thì F  0,2 Giả sử Cr2O3 và BaCrO4 có cùng khối lượng 1mg thì sai số đối với Cr3+ ở dạng cân BaCrO4 nhỏ hơn 0,7/02 = 3,5 lần Bước 6: Cân và tính kết quả - Phải làm nguội trong bình hút ẩm trước khi cân - Lấy trung bình của 03 lần cân để giảm sai số - Cân bằng cân phân tích. II. Phương pháp bay hơi II.1 Phương pháp bay hơi trực tiếp Tiến hành cho bay hơi chất cần xác định trong mẫu, sau đó ghi nhận khối lượng, bao gồm: - Ghi nhận khối lượng hơi bay ra bằng phương pháp hấp thu. Ví dụ: hấp thu CO2 trong nước vôi trong - Ghi nhận phần không bay hơi còn lại. Ví dụ: Xác định chất rắn toàn phần trong nước II.1 Phương pháp bay hơi gián tiếp Xác định lượng chất trước và sau bay hơi để suy ra lượng chất bị bay hơi Ví dụ: xác định độ ẩm trong vật liệu. Ví dụ 2: Khi nung 1,3906g natri oxalat bẩn thu được chất còn lại là 1,1436g. Xác định độ tinh khiết của mẫu. Na2C2O4  Na2CO3 + CO nCO = (1,3906-1,1436)/28