Bài giảng Hóa phân tích - Chương 3: Đại cương về acid bazơ

Nội dung text: Bài giảng Hóa phân tích - Chương 3: Đại cương về acid bazơ

1. Bài giảng Hĩa Phân tích I. Đại cương về acid baz 1. Thuyết acid baz Bronsted – Lowry 1923: Acid: là những chất cĩ khả năng nhường proton - + HCl + H2O Cl + H3O acid Baz Baz liên hợp Acid liên hợp của HCl của H2O Slide 1 Baz: là những chất cĩ khả năng nhận proton + - NH3 + H2O NH4 + OH Baz Acid Acid liên hợp Baz liên hợp của H O của NH3 2 Một chất chỉ thể hiện tính acid khi cĩ chất khác nhận proton của nĩ và ngược lại • Slide 2 Đại cương về acid baz H2O vừa đĩng vai trị là một acid vừa đĩng vai trị là một baz nên ta nĩi H2O là dung mơi lưỡng tính. Một cách tổng quát, phản ứng acid – baz là kết quả trao đổi proton giữa 2 cặp acid baz liên hợp khác nhau • Slide 3 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 1
2. Bài giảng Hĩa Phân tích HẰNG SỐ KCB Acid1 + Baz2 Baz1 + Acid2 Hằng số cân bằng của phản ứng: [baz12 ]*[acid ] K=cb [acid12 ]*[baz ] • Slide 4 HẰNG SỐ Ka, Kb - + HA + H2O A + H3O [H O ]*[A- ] K=1 3 cb [HA]*[H2 O] Đối với dung dịch lỗng, [H2O] const nên: - 1 [H3 O ]*[A ] Ka2 =K *[H O]= cb [HA] • Slide 5 - - A + H2O HA + OH [OH- ]*[HA] K=2 cb - [A ]*[H2 O] - 2 [OH ]*[HA] Kb2 =K *[H O]= cb [A- ] • Slide 6 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 2
3. Bài giảng Hĩa Phân tích - [H O ]*[A ] [OH- ]*[HA] K= 3 K= a [HA] b [A- ] + -14 0 Ka *K b =[OH]*[H 3 O ] = K W =10 (25 C) Thơng thường người ta sử dụng pKa và pKb: pKa = -lgKa; pKb = -lgKb; pK + pK = 14 ở 25 0C. a b • Slide 7 Khái niệm pH – Thang pH pH = – lg[H+] pOH = – lg[OH-] Xét cân bằng của nước + - H2O + H2O H3O + OH 2 + - -14 Kw =Kcb*[H2O] = [H ][OH ] = 10 pH + pOH = 14 • Slide 8 pOH 14 0 0 7 14 pH Thang pH • Slide 9 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 3
4. Bài giảng Hĩa Phân tích Cơng thức tính pH Dung dịch đơn axit mạnh HCl nồng độ đầu Ca -6 Ca 10 M pH = –lg Ca -6 Ca 10 M pH = 14 + lgCb -6 Cb < 10 M - 2 - [OH ] – Cb[OH ] - Kw = 0 Hoặc + 2 + [H ] + Cb[H ] – Kw = 0 • Slide 11 pH của dung dịch đơn axit yếu pH của một dd đơn acid yếu HA cĩ hằng số acid Ka, nồng độ ban đầu Ca + - HA + H2O H3O + A + - H2O + H2O H3O + OH [H ][A- ] [HA] K [H ] K aa[HA] [A- ] • Slide 12 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 4
5. Bài giảng Hĩa Phân tích pH của dung dịch đơn axit yếu [HA] [H ] K a [A- ] Phương trình bảo tồn proton: [H+] = [A-] + [OH-] [A-] = [H+] – [OH-] Pt bảo tồn khối lượng - Ca = HA A • Slide 13 [HA] [H ] K a [A- ] A- = H + - OH - +- HA =Caa A = C H OH C H OH H = K a a H OH • Slide 14 Cách tính pH gần đúng Tính giá trị gần đúng HKC+ gđ aa K 10-14 OH- W gđ HH++ gđ gđ + - So sánh H , OH với C gđ gđ a www.sites.cntp.edu.vn/anachem 5
6. Bài giảng Hĩa Phân tích Trường hợp 1: -+1 + 1 OH H Và HCa gđ100 gđ gđ 100 C H OH H = K a a H OH + H Kaa C + Trường hợp 2: Ka khá lớn nên H Ca 1 OH-+ H gđ100 gđ CH H = K a a H -9 Trường hợp 3: Ka rất nhỏ (Ka < 10 ) 1 1 HC+ & OH- C gđ 100 a gđ 100 a 2 + + - H H* OH Kaa C 2 + HKCKa a W + HKCKa a W www.sites.cntp.edu.vn/anachem 6
7. Bài giảng Hĩa Phân tích Bài tập: -3 Tính pH của dung dịch HF cĩ Ca = 10 M, -4 Ka = 6,8.10 . -4 Tính pH của dung dịch HCN cĩ Ca = 10 M -9,4 và Ka = 10 Tính pH của dung dịch CH3COOH cĩ Ca = -1 -4,75 10 M và Ka = 10 Cơng thức tính pH pH của các đa acid, baz (mạnh, yếu), đa baz sinh viên tự đọc trong bài giảng • Slide 20 Dung dịch đệm pH Dung dịch đệm pH là dung dịch cĩ pH rất ít thay đổi khi trong dung dịch xuất hiện một lượng nhỏ acid hay bazơ. • Slide 21 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 7
8. Bài giảng Hĩa Phân tích Hệ đệm pH: gồm 2 loại đệm đơn và đệm kép Hệ đệm đơn: là một hỗn hợp axit yếu HA và bazơ liên hợp A- (Dưới dạng muối NaA) hoặc bazơ yếu và muối của nĩ(axit liên hợp). Hệ đệm kép: hỗn hợp nhiều cặp axit-bazơ liên hợp: NaH2PO4 +Na2HPO4 pH của dung dịch đệm +- + Ca - ([H ] - [OH ]) H = Ka +- Cb +( [H ] - [OH ]) + - Khi Ca, Cb khá lớn so với [H ] và [OH ] Ca H Ka Cb • Slide 23 Đệm năng của dung dịch đệm ΔC ΔC = ba – ΔpH ΔpH dC dC ba= - dpH dpH • Slide 24 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 8
9. Bài giảng Hĩa Phân tích Đệm năng của dung dịch đệm C (C-C ) C *C 2.303b b =2.303 b a C Cba +C Đệm năng đạt cực đại khi d 0 dCb C C b 2 • Slide 25 Hệ đệm CH3COOH – CH3COONa • Slide 26 PHƢƠNG PHÁP TRUNG HỊA Đây là phương pháp nhanh chĩng và chính xác nhằm xác định các acid hoặc baz trong mẫu: Một vài acid và baz vơ cơ Hàng trăm hợp chất hữu cơ • Slide 27 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 9
10. Bài giảng Hĩa Phân tích PHƢƠNG PHÁP TRUNG HỊA Dung dịch chuẩn: + Là acid mạnh (pp acid) chất xác định là baz mạnh hay baz yếu + Là baz mạnh (pp baz) chất xác định là các acid mạnh, acid yếu • Slide 28 Dung dịch chuẩn Dung dịch chuẩn là Baz mạnh Thường là NaOH đơi khi dùng KOH. NaOH khơng phải là dung dịch chuẩn gốc vì NaOH dễ hút ẩm, dễ tác dụng với CO2 trong khơng khí và cĩ độ tinh khiết khơng cao. Cần phải hiệu chỉnh (chuẩn hĩa) nồng độ dung dịch NaOH sau khi loại bỏ kết tủa Na2CO3. • Slide 29 Dung dịch chuẩn Loại bỏ Carbonate trong dung dịch chuẩn NaOH: Cần phải loại bỏ carbonate để tránh việc tạo thành dung dịch đệm khi chuẩn độ gây cản trở việc xác định điểm cuối. • Slide 30 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 10
11. Bài giảng Hĩa Phân tích Dung dịch chuẩn Pha dung dịch NaOH bão hịa với nồng độ này Na2CO3 sẽ kết tủa và lắng xuống đáy bình. Cĩ thể loại bỏ carbonate bằng cách 2+ thêm Ba tinh khiết để tủa BaCO3. Hiệu chỉnh nồng độ dung dịch NaOH Dung dịch chuẩn NaOH cĩ thể được chuẩn hĩa lại nồng độ bằng một số chất chuẩn gốc • Slide 31 Dung dịch chuẩn Kali Hydro phtalic acid M = 204.2, pKa = 5,4 • Slide 32 Dung dịch chuẩn 2-Furonic acid pKa = 3,06 Acid oxalic H2C2O4.2H2O pKa1 = 1.25; pKa2 = 4.27 • Slide 33 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 11
12. Bài giảng Hĩa Phân tích Dung dịch chuẩn Dung dịch chuẩn là acid mạnh: Thuờng là HCl tuy nhiên cịn cĩ thể sử dụng các acid như H2SO4, HNO3, HClO4. Các acid này cĩ tính oxi hĩa do đĩ cĩ khả năng gây ảnh hưởng nếu chất xác định là những chất hữu cơ. Hơn nữa việc pha chế các acid này khá nguy hiểm so với việc pha chế dung dịch HCl. • Slide 34 Dung dịch chuẩn Pha chế dung dịch chuẩn HCl: HCl khơng phải là dung dịch chuẩn gốc. Dung dịch HCl thường được pha từ dung dịch HCl đậm đặc C 12M. • Slide 35 Dung dịch chuẩn Hiệu chỉnh lại nồng độ bằng dung dịch chuẩn gốc. Một số chất chuẩn gốc để hiệu chỉnh nồng độ HCl: Na2CO3 (ít dùng do tạo CO2 gây ảnh hưởng điểm cuối chuẩn độ) Na2B4O7.10H2O • Slide 36 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 12
13. Bài giảng Hĩa Phân tích Dung dịch chuẩn Lưu ý: Trong đa số trường do yêu cầu về độ đúng của pp khơng được dùng dung dịch chuẩn NaOH để chuẩn hĩa nồng độ dung dịch chuẩn HCl. • Slide 37 ĐƯỜNG CONG CHUẨN ĐỘ Đường biễu diễn sự phụ thuộc pH vào thể tích dung dịch chuẩn hoặc tỉ phần chuẩn độ 14 12 10 8 pH 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 Volume of NaOH added (ml) • Slide 38 ĐƯỜNG CONG CHUẨN ĐỘ Xuất hiện điểm uốn tại điểm tương đương F =1 và lân cận điểm tương F = 1 0,01 khoảng bước nhảy pH. NV F= RR Khoảng NV bước XX nhảy pH 1 • Slide 39 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 13
14. Bài giảng Hĩa Phân tích pH của dung dịch thay đổi đột ngột trong khoảng từ F = 0,99 đến F = 1,01. Ta phải kết thúc quá trình chuẩn độ tại giá trị Vcuối (ml) sao cho Fcuối nằm giữa F = 0,99 và F = 1,01. Tức là ta phải kết thúc chuẩn độ sao cho: pHF = 0,99 < pHcuối < pHF = 1,01 • Slide 40 Chất chỉ thị Sử dụng một lượng nhỏ chất chỉ thị sao cho màu sắc dung dịch thay đổi một cách rõ rệt nhất ở chính thời điểm pH = pHcuối. • Slide 41 Chất chỉ thị pH Bản chất: Là acid hữu cơ (Bronsted) cĩ màu dạng acid và dạng baz khác nhau. Chất chỉ thị cũng bị chuẩn độ trong quá trình chuẩn độ do đĩ cũng làm tiêu hao một lượng dung dịch chuẩn R. chỉ được phép cho một lượng rất ít chỉ thị khi chuẩn độ. • Slide 42 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 14
15. Bài giảng Hĩa Phân tích Chất chỉ thị pH Điều kiện chỉ thị: Tính acid hoặc baz của chỉ thị phải yếu hơn chất xác định Lượng chỉ thị cho vào phải nhỏ để thể tích VR tiêu tốn cho phản ứng với chỉ thị là khơng đáng kể. Màu sắc của chỉ thị phải thay đổi rõ rệt tại điểm cuối chuẩn độ. • Slide 43 Chất chỉ thị pH • Slide 44 Chất chỉ thị pH Khoảng đổi màu của chỉ thị: Ta ký hiệu một chất chỉ thị ở dạng aicd Bronsted là HInd, khi hịa tan vào nước HInd phân ly như sau: + - HInd + H2O H3O + Ind • Slide 45 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 15
16. Bài giảng Hĩa Phân tích Chất chỉ thị pH [H O+- ]*[Ind ] K=3 a,Ind [HInd] [HInd] [H O+ ]=K 3 a,Ind [Ind- ] [Ind- ] pH= pK + lg a,Ind [HInd] • Slide 46 Chất chỉ thị pH Tùy thuộc vào pH của dung dịch mà ta cĩ thể thấy dung dịch cĩ màu của dạng acid hay màu của dạng baz. + Dung dịch sẽ cĩ màu HInd khi: [Ind- ] 1 pH pK – 1 [HInd] 10 I a, Ind • Slide 47 + Dung dịch sẽ cĩ màu Ind- khi: [Ind- ] 10 [HInd] pHII pKa, Ind + 1 Khoảng đổi màu của chỉ thị: pHInd = pHII – pHI = 2. Thực tế pHInd 2 tùy thuộc vào thị giác của con người. • Slide 48 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 16
17. Bài giảng Hĩa Phân tích • Slide 49 Chỉ số pT chỉ thị: Trong khoảng pH đổi màu của chỉ thị cĩ một giá trị pH mà tại đĩ màu sắc dung dịch thay đổi một cách rõ rệt nhất. Giá trị pH đĩ gọi là chỉ số pT của chỉ thị. • Slide 50 • Slide 51 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 17
18. Bài giảng Hĩa Phân tích Chất chỉ thị pH Phenolphthalein Dạng Acid: Khơng màu Khoảng pH đổi màu 8.0~9.0 Dạng baz: Màu hồng • Slide 52 Chất chỉ thị pH Chỉ số pT cĩ thể khác nhau ít nhiều giữa những người quan sát phép chuẩn độ. Ta phải chọn lựa chất chỉ thị sao cho chỉ số pT của chỉ thị nằm trong khoảng bước nhảy pH, nghĩa là: pHF=0.99 < pT<pHF=1.01 • Slide 53 Chất chỉ thị Một chỉ thị được coi là tốt khi: Cĩ giá trị pT nằm trong khoảng bước nhảy pH (bắt buộc) Cĩ khoảng đổi màu hẹp để sự chuyển màu xảy ra rõ ràng chính xác tại thời điểm pH = pT. • Slide 54 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 18
19. Bài giảng Hĩa Phân tích Chất chỉ thị pH Lý thuyết màu: TT , nm Màu phổ Màu bổ sung 1 400 – 430 Violet Vàng lục 2 430 – 480 Chàm (blue) Vàng 3 480 –490 Chàm lục Cam 4 490 – 500 Lục chàm Đỏ 5 500 – 560 Lục (Green) Đỏ tía 6 560 –580 Vàng lục Tím 7 580 –595 Vàng (yellow) Chàm 8 595 – 650 Cam (orange) Chàm lục 9 650 – 730 Đỏ (Red) Lục vàng 10 730 – 760 Đỏ tía (purple) Lục • Slide 55 Chất chỉ thị pH Nếu dung dịch chỉ hấp thụ một màu thì màu quan sát được là màu bổ sung. Nếu dung dịch hấp thụ hai màu thì màu quan sát được là tổ hợp của hai màu bổ sung. Ta căn cứ vào đồng hồ màu để dự đốn tổ hợp màu. • Slide 56 1 10 2 Tím Đỏ tía Chàm 9 Chàm 3 Đỏ lục Lục Cam chàm 8 4 Vàng Lục Vàng lục 7 5 6 • Slide 57 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 19
20. Bài giảng Hĩa Phân tích Chất chỉ thị pH Qui tắc 1: Sự tổ hợp hai màu đối nhau làm triệt tiêu màu • Slide 58 Chất chỉ thị pH Qui tắc 2: sự tổ hợp hai màu khơng đối nhau tạo ra màu mới nằm ở vị trí chính giữa của cung vịng trịn nhỏ của 2 màu ấy • Slide 59 Chất chỉ thị pH Chất chỉ thị hỗn hợp: Trên đồng hồ màu hai màu đối diện nhau là hai màu tương phản với nhau nhất. Dựa vào nguyên lý này người ta pha hỗn hợp chỉ thị nhằm làm tăng độ tương phản khi chuyển màu. • Slide 60 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 20
21. Bài giảng Hĩa Phân tích Chỉ thị Tashiro (MR : MB = 2 : 1) pT = 5.4 Khi pH 4.4 Tím MR MB • Slide 61 Khi pH 6.2 MR MB • Slide 62 Khi 4.4 pH 6.2 “chàm lục” + “cam” khơng màu MR MB Khơng màu • Slide 63 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 21
22. Bài giảng Hĩa Phân tích Chuẩn độ đơn acid Chuẩn độ acid mạnh Phản ứng chuẩn độ: vd chuẩn độ HCl 0,1 N bằng NaOH 0,1 N + - H3O + OH H2O N0,V0 N, V • Slide 64 Chuẩn độ đơn acid Đường cong chuẩn độ: Tại điểm F bất kỳ ta luơn cĩ phương + trình trung hịa điện tích: [H3O ]F + + - - [Na ]F = [OH ]F + [Cl ]F + - [H3O ]F + FN0DF = [OH ]F + N0DF • Slide 65 Chuẩn độ đơn acid Chuẩn độ HCl 0,1 N bằng NaOH 0,1 N F pHF 14 0 1,00 12 10 0,99 3,30 8 pH 6 1,00 7,00 4 2 0 1,01 10,70 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 F 2,00 12,52 • Slide 66 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 22
23. Bài giảng Hĩa Phân tích 14 F=1,01 12 pH =10,7 10 PP 8 pH 6 4 MO 2 F=0,99 pH =3,3 0 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 F • Slide 67 PP MO • Slide 68 Chuẩn độ đơn acid Điều kiện chuẩn độ chính xác > 99.9% C pC0 + p 4 C+ C0 • Slide 69 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 23
24. Bài giảng Hĩa Phân tích Chuẩn độ acid yếu - - HA + OH A + H2O N0, V0 N, V • Slide 70 Chuẩn độ đơn acid Vẽ đồ thị của đường chuẩn độ: Chuẩn độ acid HA 0,1N bằng NaOH 0,1 N cĩ pKa = 4,75 14,00 F pHF 12,00 0,00 2,88 10,00 PP 8,00 0,50 4,75 pH 6,00 0,99 6,75 4,00 1,00 8,72 2,00 0,00 1,01 10,70 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,00 12,52 F • Slide 71 Chuẩn độ đơn acid Khoảng bước nhảy từ 6,75 –10,70. Vậy ta chọn chỉ thị cĩ 6,75 99,9% N pKa0 + pN + p <8 N0 +N • Slide 72 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 24
25. Bài giảng Hĩa Phân tích Chuẩn độ đa acid Phản ứng chuẩn độ: chuẩn độ đa acid H3A cĩ hằng số Ka1; Ka2; Ka3 bằng NaOH. Thơng thường ta chỉ cĩ thể chuẩn độ được đến nấc thứ 2. - - Nấc 1: H3A + OH H2A + H2O - - 2- Nấc 2: H2A + OH HA + H2O • Slide 73 Chuẩn độ đa acid Đường cong chuẩn độ: F pHF F pHF 0,00 1,56 1,5 7,21 0,50 2,12 1,99 9,21 0,99 4,12 2 9,78 1,00 4,67 2,01 10,36 1,01 5,21 2,50 12,36 • Slide 74 Chuẩn độ đa acid Đường cong 14,00 chuẩn độ acid 12,00 H3A 0.1M 10,00 bằng NaOH 8,00 pH 0.1 N cho 6,00 pKa = 2.12; 4,00 i 2,00 7,21; 12,36 0,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 F • Slide 75 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 25
26. Bài giảng Hĩa Phân tích Chuẩn độ đa acid Điều kiện chuẩn độ chính xác > 99%: Chuẩn độ nấc I: pK -pK > 4 aa21 N pK pN p 4 aa21 • Slide 76 Ứng dụng phƣơng pháp trung hịa Chuẩn độ đơn acid cĩ pKa > 7: Dùng thuốc thử phụ trợ để chuyển dạng HA cĩ pKa > 7 về dạng HA’ cĩ pKa < 7. + Ví dụ: Để chuẩn độ NH4 pKa = 9,25 ta thêm Formaldehyd: + + + 4NH4 + 6HCHO (CH2)6N4.H + 3H + 6H2O pKa = 5,13 • Slide 77 Ứng dụng phƣơng pháp trung hịa Ví dụ 2: Để chuẩn độ acid Boric HBO2 cĩ pKa = 9,2 ta thêm vào một rượu đa chức như glycerol hoặc manitol HBO2 + Manitol • Slide 78 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 26
27. Bài giảng Hĩa Phân tích Ứng dụng phƣơng pháp trung hịa Chuẩn độ hỗn hợp acid mạnh + đa acid: Ví dụ: Hỗn hợp H2SO4 + H3PO4: Khi chuẩn độ với chỉ thị pT = 5,1 ta được VI = I VH2SO4 + V H3PO4 Khi chuẩn độ với chỉ thị pT = 10,2 ta đo được I VII = VH2SO4 + 2V H3PO4 • Slide 79 2V -V C = I II * N (M) H24 SO NaOH 2Vxd V -V C = II I * N (M) H34 PO NaOH Vxd • Slide 80 Ứng dụng phƣơng pháp trung hịa Xác định đạm tổng bằng phương pháp Kjendahl: N-organic K SO : CuSO 2 4 4 + N-inorganic (NH 4) N-inorganic 1:10 Chưng cất NH3 bằng hệ thống Kjendahl. Khí NH3 được hấp thụ trong lượng dư chính xác H2SO4 hoặc dung dịch H3BO3 cĩ pH = 5.4. • Slide 81 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 27
28. Bài giảng Hĩa Phân tích Ứng dụng phƣơng pháp trung hịa Chuẩn độ P: (trong phân bĩn, bột giặt) Hàm lượng P trong phân bĩn hoặc bột giặt được qui về P2O5. Phosphate HCl Ortho phosphoric (H3PO4) Dùng NaOH điều chỉnh đến pH = 4,0 hoặc 5,1. Sau đĩ chuẩn bằng dung dịch NaOH 0,1N với chỉ thị PP hoặc chỉ thị cĩ pT = 10,2. • Slide 82 www.sites.cntp.edu.vn/anachem 28