Các định luật
Định luật bảo toàn khối lượng
“Khối lượng tổng cộng của các chất không đổi trong một phản ứng hóa học”
Khối lượng của các chất trong một phản ứng hóa học luôn được bảo toàn, không thay đổi trước và sau phản ứng, bất kể số lượng và tính chất của chúng có thể biến đổi Điều này cũng đúng trong các biến đổi sinh học phức tạp trong cơ thể, nơi nhiều phản ứng diễn ra mà vẫn giữ nguyên khối lượng.
180g glucose + 192g khí oxi → 264g carbon đioxyd + 108g nước
(372g nguyên liệu trước phản ứng → 372g chất sau biến đổi)
Định luật bảo toàn khối lượng cho phép chúng ta cân bằng các phương trình hóa học, từ đó tính toán khối lượng của các chất tham gia và sản phẩm phản ứng dựa trên tỷ lệ thuận trong phương trình đã được cân bằng.
Định luật thành phần không đổi
Một hợp chất, bất kể phương pháp điều chế, luôn bao gồm các nguyên tố giống nhau và tỷ lệ khối lượng của các nguyên tố trong hợp chất đó là không thay đổi.
Các kết quả sau đây thu được về thành phần khối lượng của các nguyên tố trong 20,0 g calci carbonat:
Phân tích theo khối lượng Số phần khối lượng Phần trăm khối lượng
Định luật thành phần không đổi chỉ ra rằng, bất kể nguồn gốc của calci carbonat tinh khiết, như từ đá hoa cương ở núi, san hô ngầm dưới biển, hay bất kỳ nguồn nào khác, nó đều chứa cùng loại nguyên tố.
(calci, carbon, oxy) và cùng một số phần trăm như đã cho biết ở bảng trên
Như vậy, nhờ định luật thành phần không đổi mà mỗi hợp chất xác định được biểu thị bằng một công thức hóa học nhất định
Có thể suy ra khối lượng nguyên tố từ tỷ lệ khối lượng của nó trong hợp chất:
Số phần khối lượng nguyên tố
Khối lượng nguyên tố = Khối lượng hợp chất x
1 phần khối lượng hợp chất
Chúng ta có thể biểu diễn phần khối lượng theo bất kỳ đơn vị đo khối lượng nào nếu tiện dùng cho tính toán
Cần lưu ý rằng thành phần không đổi chỉ áp dụng cho các hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ trong trạng thái khí và lỏng Đối với chất rắn hoặc polymer, do sự tồn tại của các khuyết tật trong mạng tinh thể hoặc chuỗi phân tử dài, thành phần của hợp chất thường không tuân theo một công thức hóa học xác định Chẳng hạn, tỷ lệ oxy/titan trong titan oxyd có thể thay đổi từ 0,58 đến 1,33 tùy thuộc vào phương pháp chế biến; công thức của sắt sulfid có thể được biểu diễn là Fe1-xS với x dao động từ 0 đến 0,005; và phân tử glycogen trong gan và cơ có thể chứa từ 1.000 đến 500.000 đơn vị glucose.
Định luật đương lượng
Thực nghiệm hóa học xác định rằng: 1,008 khối lượng hydro tác dụng vừa đủ với:
8,0 khối lượng oxy để tạo thành nước (H2O)
35,5 - clo - hydro clorid (HCl) 23,0 - natri - natri hydrid (NaH) 16,0 - lưu huỳnh - hydro sulfid (H2S) 3,0 - carbon - metan (CH4)
Các nguyên tố khi kết hợp với nhau theo tỷ lệ khối lượng nhất định sẽ phản ứng với 1,008 phần khối lượng hydro, từ đó tạo ra các hợp chất mới.
8,0 khối lượng oxy + 3,0 khối lượng carbon → carbon dioxyd (CO2) 35,5 khối lượng clor + 23,0 khối lượng natri → natri clorid (NaCl)
16,0 khối lượng lưu huỳnh + 3,0 khối lượng carbon → carbondisulfid (CS2)
Số phần khối lượng mà các nguyên tố tác dụng vừa đủ với 1,008 phần khối lượng hydro được gọi là đương lượng của các nguyên tố, ký hiệu là E Ví dụ, EH = 1,008; EO = 8; ECl = 35,5; ES = 16 Đương lượng thể hiện số phần khối lượng tương đương giữa các chất trong phản ứng, do đó có thể sử dụng bất kỳ đơn vị khối lượng nào như mg, g, kg để biểu thị.
Việc xác định đương lượng của một nguyên tố hay hợp chất không nhất thiết phải dựa vào phản ứng với hydro Chẳng hạn, để xác định đương lượng của kẽm (Zn), không thể dựa vào phản ứng với hydro do phản ứng này không xảy ra ở điều kiện thường Thực nghiệm cho thấy 32,5 khối lượng kẽm phản ứng với 8 khối lượng oxy để tạo thành kẽm oxyd (ZnO), từ đó suy ra đương lượng của kẽm là 32,5 Tương tự, để tìm đương lượng của H2SO4, không thể sử dụng phản ứng với hydro hay oxy, nhưng thực nghiệm cho biết 49 khối lượng H2SO4 phản ứng với 32,5 khối lượng kẽm, cho thấy mối quan hệ giữa các chất này.
Đương lượng của một nguyên tố hay hợp chất được định nghĩa là khối lượng của nguyên tố hoặc hợp chất đó cần thiết để kết hợp hoặc thay thế 1,008 phần khối lượng hydro, 8 phần khối lượng oxy, hoặc một đương lượng của bất kỳ chất nào khác đã biết.
Đương lượng gam là lượng chất được tính bằng gam, có giá trị tương đương với đương lượng của chất đó.
Như vậy: EH = 1,008 g; EZn = 32,5 g; EO = 8 g; ENa = 23 g;
E H SO g Đương lượng hóa học liên quan trực tiếp đến hóa trị của các nguyên tố, được hiểu là khả năng kết hợp hoặc thay thế nguyên tử hydro hoặc nguyên tử tương đương Đương lượng của một nguyên tố được xác định bằng số đơn vị khối lượng tương ứng với một đơn vị hóa trị Mối quan hệ giữa đương lượng (E), hóa trị (n) và khối lượng nguyên tử (A) của nguyên tố là rất quan trọng trong hóa học.
Ví dụ, oxy có hóa trị 2, khối lượng nguyên tử 16, nên: 16 8
Khi một nguyên tố có nhiều hóa trị, đương lượng của nó sẽ thay đổi tùy thuộc vào hóa trị mà nó thể hiện trong sản phẩm sau phản ứng.
Ví dụ, carbon có hóa trị 2 và 4 Ở phản ứng: 2 C O 2 t 0 2 CO , carbon thể hiện hóa trị 2, nên EC = 6 Ở phản ứng: C O 2 t 0 CO 2 , carbon thể hiện hóa trị 4, nên EC = 3
Mở rộng khái niệm đương lượng cho các hợp chất cho thấy rằng nó phản ánh phần khối lượng tương ứng với một đơn vị hóa trị mà hợp chất tham gia trao đổi hoặc kết hợp trong các phản ứng hóa học.
H3PO4 có khối lượng phân tử là 98 Trong phản ứng, nếu H3PO4 chỉ trao đổi 1 proton, hợp chất được coi là có hóa trị 1 với E = 98 Nếu trao đổi 2 proton, hóa trị sẽ là 2 và E = 49 Trong trường hợp H3PO4 trao đổi cả 3 proton, hóa trị của nó sẽ là 3, với khối lượng tương ứng cho mỗi đơn vị hóa trị là 98/3 = 32,7.
Hóa trị của một nguyên tố được định nghĩa là số liên kết hóa học mà một nguyên tử của nguyên tố đó có khả năng tạo ra để kết hợp với các nguyên tử khác trong phân tử.
Số oxy hóa là khái niệm quan trọng trong hóa học, được sử dụng để xác định trạng thái oxy hóa của các ion hoặc nguyên tố trong hợp chất Mặc dù không có ý nghĩa vật lý rõ ràng, đặc biệt trong các phân tử phức tạp, nhưng số oxy hóa rất hữu ích trong nhiều ứng dụng thực hành hóa học.
Khái niệm hóa trị đã được phát triển để phản ánh bản chất của nhiều loại liên kết, do đó, khái niệm đương lượng cũng cần được xác định cụ thể cho từng trường hợp Cách tính đương lượng của các hợp chất sẽ được trình bày chi tiết trong phần biểu thị nồng độ đương lượng dưới đây.
Những khái niệm cơ bản
Nồng độ dung dịch Các cách biểu thị nồng độ
Nồng độ là chỉ số thể hiện thành phần định lượng của dung dịch, có thể được biểu thị bằng lượng chất tan trong một thể tích hoặc khối lượng cụ thể của dung dịch hoặc dung môi Khi lượng chất tan tăng lên, nồng độ của dung dịch cũng sẽ tăng theo Dưới đây là bảng tóm tắt các loại nồng độ thường được sử dụng trong hóa học và y-dược.
Bảng 1.1 Các loại nồng độ
TT Loại nồng độ Kí hiệu Định nghĩa
1 Phần trăm theo khối lượng (KL) %
Số gam chất tan trong
2 Phần trăm theo thể tích (V) % (V/V) Số mL chất tan trong
3 Phần trăm theo khối lượng –thể tích % (KL/V)
Số gam (hoặc số mg) chất tan trong 100 mL dung dịch
4 Mol M, Mol/L Số mol chất tan trong 1 lít trong dịch
Số đương lượng gam chất tan trong 1 lít dung dịch
2.1.1 Nồng độ phần trăm theo khối lượng
Dung dịch KNO3 10% nghĩa là trong 100 g dung dịch có chứa 10 g KNO3 Các acid đặc như H2SO4, HNO3 và HCl được bán trên thị trường có nồng độ lần lượt là 96%, 65% và 36%.
Việc đo thể tích dung dịch dễ dàng hơn so với đo khối lượng, vì vậy khối lượng riêng thường được ghi kèm theo loại dung dịch Điều này giúp chuyển đổi từ khối lượng chất cần lấy sang thể tích dung dịch cần đong Chẳng hạn, HCl 36% có D.
2.1.2 Nồng độ phần trăm theo thể tích
Với V1: thể tích dung dịch cần lấy để pha
V2: thể tích dung dịch cần pha
C1%: nồng độ phần trăm dung dịch lấy để pha
C2%: nồng độ phần trăm dung dịch cần pha
2.1.3 Nồng độ phần trăm theo khối lượng/thể tích (g/100mL; g/L )
Ví dụ: dung dịch glycerin 10g/100 mL có nghĩa là có 10g glycerin trong
Dung dịch glucose 50g/L có nghĩa là có 50g glucose trong 1 lít dung dịch
Mol là đơn vị đo lường số lượng chất, tương ứng với số hạt có cùng cấu trúc như phân tử, nguyên tử, ion, electron, hoặc proton, bằng số Avogadro, tức 6,022 x 10^23 Đơn vị thường được sử dụng là mol/L và gam phân tử/L.
Các dung dịch có nồng độ mol giống nhau sẽ chứa số lượng hạt chất tan tương đương trong cùng một thể tích dung dịch, với điều kiện các hạt chất tan phải có cấu trúc tương tự.
Ví dụ: dung dịch NaOH 2M, nghĩa là trong 1 lít dung dịch này có 2 mol hay 2 mol x 40 g/mol = 80 g NaOH
Dung dịch chứa NaCl 0,1M, nghĩa là trong 1 lít dung dịch có 0,1 mol NaCl
Khối lượng chất rắn cần lấy để pha Vml dung dịch có nồng độ CM là:
C M V M m với: m : khối lượng chất rắn cần lấy (g)
V : thể tớch cần pha (ml)
Thể tích chất lỏng đậm đặc cần dùng để pha (ml) dung dịch có nồng độ
Với: Vđ: thể tích dung dịch đậm đặc (ml) m: khối lượng cân (g) v : thể tích dung dịch cần pha (ml) d: tỉ trọng g/ml
C%: nồng độ phần trăm của dung dịch
Ví dụ: H2SO4 0,5N là dung dịch chứa 0,5 đương lượng gam H2SO4 trong
Khái niệm đương lượng của một chất, theo định luật đương lượng của Dalton được đề xuất vào năm 1792, là một yếu tố quan trọng trong hóa học Đương lượng của một chất, ký hiệu là E, có thể được tính toán thông qua các công thức trong các phản ứng trao đổi và oxy hóa khử.
Enguyên tố = Khối lượng nguyên tử / Hóa trị
EIon = Khối lượng ion / Điện tích ion
EAxit = Khối lượng phân tử axit /Số ion H + phân ly từ 1phân tử axit
EBazơ = Khối lượng phân tử bazơ / Số ion OH - điện ly từ 1 phân tử bazơ
EMuối = Khối lượng phân tử muối / Điện tích ion (dương hoặc âm) x Số ion (dương hoặc âm)
EOX (Kh) được định nghĩa là khối lượng của tiểu phân (phân tử, nguyên tử, ion) chia cho số electron mà tiểu phân đó nhận hoặc cho trong quá trình oxi hóa hoặc khử Trong công thức này, EOX (Kh) thể hiện đương lượng của dạng oxi hóa hoặc dạng khử của tiểu phân.
Ví dụ: Tìm đương lượng của chất khử và chất oxi hóa trong phản ứng:
2 KMnO 10 FeSO 8 H SO 2 MnSO 5 Fe SO ( ) K SO 8 H O
Dựa trên số electron mà phân tử KMnO4 nhận là 5 và số electron mà phân tử FeSO4 cho là 1, chúng ta có thể xác định được đương lượng của chất oxy hóa và chất khử.
Hóa trị của nguyên tố, số ion H+ hoặc OH- trong dung dịch acid hay base, cùng với số electron mà chất oxy hóa hoặc chất khử nhận hoặc cho có thể thay đổi theo điều kiện phản ứng, dẫn đến việc đương lượng của một chất cũng có những giá trị biến đổi.
Khối lượng chất rắn cần lấy để pha Vml dung dịch có nồng độ CN là: với: m : khối lượng chất rắn (g)
CN : nồng độ đương lượng dung dịch cần pha Đ : là đương lượng gam
V : thể tích cần pha (ml)
Thể tích chất lỏng đậm đặc cần dùng để pha (ml) dung dịch có nồng độ CN
d C mà m = suy ra Vđ Với: Vđ: thể tích dung dịch đậm đặc (ml)
V : thể tích dung dịch cần pha (ml) d: tỉ trọng của dung dịch (khối lượng riêng) (g/ml)
C%: nồng độ phần trăm của dung dịch đậm đặc.
Tích số tan Điều kiện kết tủa và hòa tan
2.2.1 Khái niệm về tích số tan
Khi hòa tan một chất điện ly ít tan MmXn vào nước, sẽ hình thành một dung dịch bão hòa, trong đó có sự cân bằng dị thể giữa lượng chất rắn còn dư và các ion của nó trong dung dịch.
Lượng MmXn hòa tan trong dung dịch rất ít, được gọi là độ tan S, và được xem là điện ly hoàn toàn thành các ion M n+ và X m- Đối với dung dịch bão hòa của chất này, ta có biểu thức tác dụng khối lượng tương tự như các hệ cân bằng khác.
Nồng độ pha rắn là hằng số, nên: [ ] [ ] [ ] m n n m m n m n r M X
Tích số tan, ký hiệu T, là hằng số ở một nhiệt độ nhất định, được xác định bằng tích số nồng độ của các ion trong dung dịch bão hòa của chất điện ly ít tan Mỗi nồng độ ion được nâng lên lũy thừa tương ứng với hệ số trong phương trình điện ly.
Các giá trị T phản ánh độ tan tương đối của các hợp chất ion Khi các chất điện ly tạo ra cùng số ion (m+n bằng nhau), thì giá trị T càng cao cho thấy độ tan của chất đó càng lớn, và ngược lại Điều này được minh họa trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2 Quan hệ giữa T và độ tan ở 25 0 C của một số hợp chất
Số ion Công thức Cation/anion T Độ tan (M)
2.2.2 Điều kiện để kết tủa hay hòa tan một chất điện ly ít tan
Một chất sẽ kết tủa khi tích số nồng độ các ion trong dung dịch vượt quá tích số tan Ngược lại, nếu tích số nồng độ các ion nhỏ hơn tích số tan, chất đó sẽ không kết tủa, hoặc nếu đã có tủa, thì tủa sẽ tan ra.
Trong trường hợp a), khi trộn 0,100 L Ca(NO3)2 0,30 M với 0,200 L NaF 0,060 M, sẽ có kết tủa CaF2 hình thành do sản phẩm ion vượt quá giá trị T CaF2 = 3,2 x 10^-11 Trong trường hợp b), trong nước một dòng sông với [Ca2+] = [PO4^3-] = 1,0 x 10^-9 M, không có kết tủa Ca3(PO4)2 hình thành vì sản phẩm ion không vượt quá giá trị T Ca3(PO4)2 = 1,2 x 10^-29.
Giải: a) Các ion có mặt trong hỗn hợp là Ca 2+ , Na + , và F - Chỉ có CaF2 là có thể kết tủa theo cân bằng:
Tính nồng độ mol/L cho các ion:
Số mol Ca 2+ đưa vào hỗn hợp = 0,30M Ca 2+ x 0,100L = 0,030 mol Ca 2+
Số mol F - đưa vào hỗn hợp = 0,060M x 0,200L = 0,012 mol
Trong hỗn hợp, ta có tích số nồng độ các ion, ký hiệu Qm, là:
Vậy, kết tủa CaF2 phải được tạo thành b) Tìm Qm của Ca3(PO4)2 theo cân bằng:
Ca PO r Ca PO và sử dụng các dữ liệu đã cho, ta được:
Qm = [Ca 2+ ] 3 [ PO 4 3 ] 2 = (1,0 x 10 -9 ) 3 (1,0 x 10 -9 ) 2 = 1,0 x 10 -45 < T Ca 3 ( PO 4 2 ) 1, 2 10 x 29
Vậy, chưa thể hình thành kết tủa Ca3(PO4)2 ở dòng sông đang xét
- Khối lượng tổng cộng của các chất không đổi trong một phản ứng hóa học”
Một hợp chất, bất kể phương pháp điều chế nào, luôn bao gồm các nguyên tố giống nhau và duy trì tỷ lệ khối lượng nhất định giữa các nguyên tố trong cấu trúc của nó.
Đương lượng của một nguyên tố hoặc hợp chất được xác định là khối lượng của nguyên tố hoặc hợp chất đó cần thiết để kết hợp hoặc thay thế 1,008 phần khối lượng hydro, 8 phần khối lượng oxy, hoặc một đương lượng của bất kỳ chất nào khác đã được biết đến.
- Đương lượng gam của một chất là lượng chất đó được tính bằng gam và có trị số bằng đương lượng của nó
Hóa trị của một nguyên tố là số lượng liên kết hóa học mà một nguyên tử của nguyên tố đó có khả năng tạo ra để kết hợp với các nguyên tử khác trong phân tử.
Tích số tan, ký hiệu T, là hằng số ở nhiệt độ nhất định, được xác định bằng tích số nồng độ các ion của chất điện ly ít tan trong dung dịch bão hòa Mỗi nồng độ ion được nâng lên lũy thừa tương ứng với hệ số trong phương trình điện ly.
Một chất sẽ kết tủa trong dung dịch khi tích số nồng độ các ion của nó vượt quá tích số tan Ngược lại, nếu tích số nồng độ các ion thấp hơn tích số tan, chất đó sẽ không kết tủa, hoặc nếu đã có tủa, nó sẽ tan ra.
1 Trình bày Định luật Bảo toàn khối lượng, định luật thành phần không đổi, định luật đương lượng
2 Mô tả ý nghĩa hóa học của khái niệm đương lượng
3 Trình bày các loại nồng độ của dung dịch Các cách biểu thị từng loại nồng độ đó
4 Khái niệm về tích số tan Điều kiện để kết tủa hay hòa tan một chất điện ly ít tan
5 Tính nồng độ đương lượng của mỗi dung dịch sau: a) 7,88 g HNO3 trong mỗi lít dung dịch ( ĐS: 0,1251N ) b) 26,5 g Na2CO3 trong mỗi lít dung dịch ( ĐS: 0,500N )
6 Cho biết nồng độ đương lượng của dung dịch H3PO4 0,300M trong phản ứng sau:
7 Tính thể tích nước cần thêm vào 250mL dung dịch 1,25 N để thu được dung dịch có nồng độ 0,500 N ( ĐS: 375 mL )
8 Cần bao nhiêu mL dung dịch NaOH 6,0 N để trung hòa hết 30mL dung dịch HCl 4,0 N? ( ĐS: 20 mL )
9 Xác định nồng độ đương lượng của dung dịch H3PO4 nếu 40,0mL dung dịch này trung hòa vừa đủ 120mL dung dịch NaOH 0,531 N ( ĐS: 1,59 N )
10 Một dung dịch KMnO4 1,752 N bị khử thành MnO2 Tính nồng độ mol/L của dung dịch đó ( ĐS: 0,584M )
11 Xác định đương lượng của các chất oxi hóa, chất khử trong các phản ứng sau : a) Fe HNO 3 Fe NO ( 3 3 ) NO H O 2 b) Zn HNO 3 Zn NO ( 3 2 ) NH NO 4 3 H O 2 c) KMnO 4 HCl KCl MnCl 2 Cl 2 H O 2 d) K Cr O 2 2 7 HCl KCl CrCl 3 Cl 2 H O 2
PHẦN A: PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH
ĐẠI CƯƠNG VỀ PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH CÁC ION
Các phương pháp phân tích định tính
Phương pháp định tính dựa trên phản ứng hóa học là một phương pháp tiết kiệm và dễ thực hiện, không yêu cầu trang thiết bị phức tạp Mặc dù vậy, phương pháp này cần thời gian thực hiện tương đối dài và lượng chất phân tích lớn.
1.2 Phương pháp vật lý - hóa lý
Phương pháp phân tích định tính dựa trên các tính chất vật lý và hóa lý của mẫu vật cần kiểm nghiệm, bao gồm các phương pháp thường được sử dụng để xác định thành phần và tính chất của mẫu.
1.2.1 Phương pháp soi tinh thể
Sử dụng kính hiển vi để nhận diện các tinh thể có màu sắc và hình dạng đặc trưng của một hợp chất Ví dụ, ion Na+ tạo ra tinh thể hình mặt nhẫn màu vàng lục nhạt khi phản ứng với thuốc thử Streng.
1.2.2 Phương pháp so màu ngọn lửa Đốt các hợp chất dễ bay hơi của các nguyên tố trên ngọn lửa đèn gas không màu rồi quan sát Chẳng hạn, ngọn lửa stronti cho màu đỏ son, kali màu tím, natri màu vàng, bari màu lục nhạt
1.2.3 Các phương pháp dụng cụ
Các phương pháp phân tích định tính sử dụng máy móc và thiết bị hoạt động theo những nguyên lý nhất định, bao gồm sắc ký, quang phổ phát xạ, quang phổ hấp thụ, huỳnh quang và cực phổ.
Các phương pháp vật lý - hóa lý có độ nhạy và độ chính xác cao, nhưng đòi hỏi trang thiết bị phức tạp
1.3 Phân tích ướt và phân tích khô
Phương pháp định tính này được thực hiện với các dung dịch, trong đó mẫu vật rắn cần kiểm nghiệm phải được hòa tan trong nước, acid, dung dịch cường thủy hoặc các dung môi hữu cơ.
Tiến hành phân tích với các chất rắn hoặc với dung dịch bằng đường lối khô Chẳng hạn:
- Thử màu ngọn lửa: Khi đốt muối Sr 2+ hoặc dung dịch chứa ion Sr 2+ , xuất hiện ngọn lửa màu đỏ son
- Điều chế ngọc màu với natri borat: ngọc màu lam là có muối cobalt, ngọc màu lục là có muối crom
1.4 Phân tích riêng biệt và phân tích hệ thống
Xác định trực tiếp một ion trong hỗn hợp nhiều ion thông qua phản ứng đặc hiệu là phương pháp hiệu quả Phản ứng này chỉ xảy ra với ion cụ thể, cho phép phân tích từng phần dung dịch mà không cần theo thứ tự nhất định Ví dụ, để xác định ion Iod (I3-) trong dung dịch, có thể sử dụng hồ tinh bột, tạo ra phản ứng đặc hiệu với màu xanh.
Không có nhiều ion có phản ứng đặc hiệu, vì vậy việc phân tích riêng lẻ chỉ có thể được thực hiện khi kết hợp với phân tích hệ thống.
Để xác định ion, cần thực hiện theo một trình tự nhất định Trước khi tiến hành xác định ion mục tiêu, cần loại bỏ hoặc khóa lại các ion cản trở, tức là các ion có phản ứng tương tự với thuốc thử như ion cần tìm.
Chẳng hạn, người ta thường dùng thuốc thử amoni oxalat (NH4)2C2O4 để xác định ion Ca 2+ qua phản ứng:
Trước hết, cần loại bỏ ion Ba 2+ khỏi dung dịch, vì chúng có phản ứng tương tự Điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng cromat trong môi trường acid acetic.
Phản ứng giữa Ba²⁺ và CO₃²⁻ tạo ra BaCO₃ màu vàng Để phân tích hỗn hợp nhiều ion, người ta sử dụng thuốc thử nhóm để phân chia các ion thành nhiều nhóm khác nhau Mỗi nhóm sau đó có thể được chia thành các phân nhóm, và cuối cùng tách ra thành từng ion riêng lẻ để xác định Quy trình này tạo ra các sơ đồ phân tích tổng quát và sơ đồ phân tích nhóm.
Thuốc thử trong các phản ứng định tính
2.1 Yêu cầu của thuốc thử trong phân tích
Độ tinh khiết, nhạy bén và đặc hiệu là ba yếu tố quan trọng trong các thuốc thử hóa học Trong đó, độ tinh khiết được xem là yêu cầu hàng đầu Các thuốc thử hóa học được phân loại theo độ tinh khiết tăng dần, từ đó giúp xác định tính chất và ứng dụng của chúng.
- Loại kỹ thuật thường để làm nguyên liệu ban đầu
- Loại tinh khiết để thử nghiệm hóa học nói chung
- Loại tinh khiết để phân tích
- Loại tinh khiết hóa học để làm chất chuẩn
- Loại tinh khiết quang học để dùng trong phân tích quang phổ
2.2 Thuốc thử theo tác dụng phân tích
- Thuốc thử nhóm: Là thuốc thử có tác dụng giống nhau lên một nhóm các ion Ví dụ, HCl là thuốc thử của nhóm Ag + , Pb 2+ , Hg 2 2
Thuốc thử chọn lọc là loại thuốc thử có khả năng tác dụng tương tự trên nhiều ion khác nhau, ngay cả khi chúng thuộc các nhóm phân tích khác nhau Ví dụ, NH3 có thể tạo phức tan và không màu với một số ion từ các nhóm phân tích khác nhau.
Thuốc thử đặc hiệu là loại thuốc thử chỉ phản ứng với một ion hoặc chất cụ thể Chẳng hạn, hồ tinh bột sẽ tạo màu xanh tím chỉ khi có iod, trong khi dimethyglyoxim trong môi trường amoniac sẽ tạo kết tủa màu đỏ hồng chỉ với ion Ni 2+.
Phân tích định tính cation theo phương pháp acid-base
Phân tích hệ thống cation theo phương pháp acid-base chủ yếu dựa vào khả năng tạo kết tủa và tạo phức với các acid-base như HCl, H2SO4 và NaOH.
Bảng 1.1 và Sơ đồ 1 minh họa sự hình thành 6 nhóm cation cơ bản cùng với phương pháp phân tích tổng quát Nhóm cation này được phân tích thành các phân nhóm và từng cation cụ thể, giúp nhận diện qua các phản ứng xác định hoặc phản ứng với thuốc thử đặc hiệu.
Bảng 1.1 Sự hình thành 6 nhóm cation theo phương pháp acid-base
Sản phẩm tạo thành với thuốc thử nhóm
I HCl Ag ; Hg 2 2 ; Pb 2 AgCl Hg Cl PbCl ; 2 2 ; 2
Ba Sr Ca Pb BaSO SrSO CaSO 4 ; 4 ; 4 ;( PbSO 4 )
AlO CrO ZnO SnO AsO
Fe OH Fe OH Sb OH
Sb OH Bi OH Mn OH
Cu Cd Hg Co Ni
VI Không có Na K ; , NH 4
Sơ đồ 1: Sơ đồ phân tích tổng quát 6 nhóm cation theo PP acid – Bazơ
(Phân tích theo sơ đồ 2) Ly tâm (Phân tích theo sơ đồ 7) (Phân tích theo sơ đồ 2) Ly tâm (Phân tích theo sơ đồ 7)
(Phân tích theo sơ đồ 3) Ly tâm
(Phân tích theo sơ đồ 4) Ly tâm
Ly tâm (Sb 3+,5+ có thể xếp nhóm IV do tạo tủa hydroxyd/acid, không tạo phức amoniacat/ hoặc xếp riêng)
(Phân tích theo sơ đồ 5) (Phân tích theo sơ đồ 6)
4 Phân tích định tính anion
Tủa HBbO 3 (hoặc Sb 2 O 5 H 2 O) Hòa tan bằng HCl đặc Xác định Sb
Nhóm VI: (dung dịch phân tích): Na K ; , NH 4
Dung dịch phân tích cation
Nước ly tâm + NaOH 2N dư (+ H2O2)
Nhóm III: (nước ly tâm chứa oxo anion)
Kết tủa oxyd, hydroxyd nhóm (IV + V) + HNO 3
Nước ly tâm + Na 2 CO 3 tới thoáng đục + NH 3 đặc (+
Nhóm V: (nước ly tâm chứa phức amino)
Cu NH Hg NH Ni NH
Fe OH Fe OH Bi OH
Do thiếu thuốc thử nhóm rõ ràng, việc phân chia các anion thành các nhóm riêng để phân tích không thể thực hiện như với cation Trong khuôn khổ giáo trình này, các anion chỉ được chia thành hai nhóm chính.
Nhóm I: gồm Cl Br I , , , SCN , được tách riêng bằng thuốc thử nhóm AgNO3 + HNO3 2N
Nhóm II: gồm CO 3 2 ; SO 3 2 ; SO 4 2 ; AsO 3 3 ; AsO 4 3 ; PO 4 3 ; CH COO 3 được xác định theo phương pháp phân tích nửa hệ thống và phân tích trực tiếp
Sơ đồ phân tích anion nhóm I và nhóm II được trình bày ở chương 8 và 9 phía sau
Dựa theo tác dụng, các thuốc thử nhóm anion có thể được phân loại theo Bảng 2 (1, 3, 5)
Bảng 1.2 Phân loại thuốc thử theo nhóm anion
Thuốc thử nhóm Nhóm anion Sản phẩm hoặc dấu hiệu phản ứng
Tạo các khí tương ứng:
CO2 (không màu làm đục nước vôi trong); HCN (mùi hạnh nhân); H2S (mùi thối); SO2
(mùi sốc mạnh); SO2 và S; NO và NO2 (màu đỏ nâu khó thở);
Cl2 (màu vàng lục, khó thở)
BaCl2 + CaCl2 trong môi trường trung tính
AsO AsO CrO ClO MnO SO
Tạo kết tủa tương ứng:
Ca3(AsO3)2 trắng; Ca3(AsO4)2 trắng; BaCrO4 vàng; Ba(MnO4)2 đỏ; BaSO4 trắng;
Ba3(PO4)2 trắng; Ba(BrO3)2 trắng; Ba(IO3)2 trắng; CaF2 trắng,…
Tạo kết tủa tương ứng:
AgSCN trắng; AgCl trắng; AgBr vàng nhạt; AgI vàng rõ
Tạo kết tủa tương ứng:
MgNH4AsO4 trắng MgNH4PO4 trắng
CrO AsO MnO ClO ClO BrO IO NO
(Nhận biết iod bằng màu trong dung dịch nước hoặc trong clorofom hoặc thử bằng hồ tinh bột
S SO S O AsO Làm mất màu iot
S SO S O NO SCN AsO Cl Br I CN
Không có thuốc thử nhóm
Có nhiều phương pháp phân tích định tính các ion trong dung dịch, tùy theo điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm ta chọn hai phương pháp sau:
Phân tích riêng biệt là quá trình xác định một ion cụ thể trong hỗn hợp nhiều ion thông qua phản ứng đặc hiệu, chỉ xảy ra với ion đó Phương pháp này cho phép lấy từng phần dung dịch để thử nghiệm từng ion mà không cần tuân theo một thứ tự nhất định.
Phân tích hệ thống là quá trình xác định ion theo một thứ tự nhất định, trong đó trước tiên cần loại bỏ hoặc khóa các ion cản trở có phản ứng với thuốc thử tương tự như ion cần tìm Để phân tích hỗn hợp nhiều ion, người ta thường sử dụng thuốc thử nhóm để phân chia các ion thành nhiều nhóm, mỗi nhóm có thể tiếp tục chia thành các phân nhóm, và cuối cùng tách ra thành từng ion riêng biệt để xác định Trình tự này tạo ra các sơ đồ phân tích tổng quát và sơ đồ phân tích nhóm.
1 Trình bày các phương pháp phân tích định tính
2 Mô tả các yêu cầu của thuốc thử trong phân tích
3 Trình bày sơ đồ phân tích định tính cation theo phương pháp acid-base
4 Phân loại thuốc thử theo nhóm anion
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH CATION NHÓM I: Ag + , Pb 2+ , Hg 2 2
Cation nhóm I bao gồm các ion Ag +, Pb 2+ và Hg 2 2+, mặc dù chúng thuộc các nhóm khác nhau trong bảng tuần hoàn Các ion này có cấu hình điện tử với 18 electron ở lớp ngoài cùng hoặc tổng cộng 20 electron ở hai lớp ngoài cùng, điều này giải thích tại sao chúng tương tác tương tự với các ion halogenua.
Sau khi học xong chương này, người học có khả năng:
- Trình bày và giải thích được phản ứng của thuốc thử nhóm với các cation nhóm I
- Viết được một số phản ứng đặc trưng của các cation nhóm I với thuốc thử
- Giải thích được các bước phân tích theo sơ đồ 2
- Rèn luyện khả năng tự học, tự nghiên cứu và phân tích các vấn đề liên quan đến hóa phân tích
- Rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, tỉ mỉ, chấp hành nội qui của trường, lớp học
1 Đặc tính hóa học của các cation nhóm I
Các ion này có khả năng tạo kết tủa với hầu hết các axit, trừ axit nitric, cũng như các muối và kiềm Tuy nhiên, HCl là axit duy nhất tạo kết tủa ít tan với các cation nhóm I và không phản ứng với các cation khác Do đó, HCl loãng được sử dụng làm thuốc thử để tách các cation nhóm I khỏi các cation của nhóm khác.
Các muối kết tủa của cation nhóm I có những tính chất khác nhau, cho phép dễ dàng tách biệt và nhận biết từng ion.
Tất cả các muối halogen của chì (clorua, bromua, iodua) có khả năng tan cao trong nước nóng, trong khi độ tan của các kết tủa bạc và thủy ngân (I) không thay đổi đáng kể khi nhiệt độ tăng Đặc biệt, muối chì còn tan nhiều trong kiềm dư, tạo thành ion PbO2 2-, trong khi các muối bạc và thủy ngân lại không tan trong điều kiện này.
Tất cả các muối khó tan của thủy ngân (I) khi phản ứng với NH3 sẽ bị phân hủy, tạo ra bột màu đen Hg và muối amoni thủy ngân (NH2HgCl) có độ tan thấp.
Tất cả các muối bạc ít tan trong nước đều có khả năng tan trong amoniac, tạo thành phức [Ag(NH3)2]+ Điều này hoàn toàn khác biệt so với các muối ít tan của chì và thủy ngân (I).
2 Các phản ứng phân tích đặc trưng của các cation nhóm I
Ag Cl AgCl trắng, vô định hình
Hg Cl Hg Cl trắng, vô định hình (Hg2Cl2 còn gọi là calomel)
Pb Cl PbCl trắng, tinh thể
AgCl và Hg2Cl2 có độ tan ít phụ thuộc vào nhiệt độ, trong khi PbCl2 lại có độ tan thay đổi đáng kể theo nhiệt độ, cụ thể là 11,0g/L ở 20°C và 32,0g/L ở 100°C Do đó, có thể tách PbCl2 khỏi AgCl và Hg2Cl2 bằng cách sử dụng nước nóng.
AgCl và đặc biệt là PbCl2 tan được trong HCl đặc và các dung dịch muối clorid đậm đặc, nhất là khi đun nóng:
Khi pha loãng các dung dịch này thì thu được kết tủa AgCl và PbCl2 AgCl có khả năng tạo thành các phức chất tan
Khi acid hóa dung dịch [Ag(NH3)2]Cl thì kết tủa AgCl xuất hiện trở lại
[ Ag NH ( ) ]Cl+2HNO AgCl 2 NH NO
Hg2Cl2 tác dụng với NH3 tạo kết tủa màu đen do:
Hg Cl NH NH Hg Cl NH Cl
( NH Hg Cl ) [ NH Hg ]Cl Hg
Ag Br AgBr vàng nhạt
Tinh thể PbI2 khi đun nóng sẽ tan và làm lạnh sẽ tạo thành các tinh thể óng ánh màu vàng rất đẹp
2 Ag CrO Ag CrO đỏ nâu
Hg CrO Hg CrO đỏ
Bảng 2.1 Tóm tắt các phản ứng đặc trưng của cation nhóm I
AgCl↓ trắng tác dụng và tan trong
NH3 dư do tạo phức [Ag(NH3)2] +
PbCl2↓ tan trong nước nóng
Hg2Cl2↓ trắng tác dụng với NH3 tạo
H2SO4 loãng - PbSO4↓ trắng Hg2SO4↓ trắng
Pb(OH)2↓ trắng tan trong kiềm dư tạo PbO 2 2
NH3 dư Tạo thành phức tan [Ag(NH3)2] + Pb(OH)2↓ trắng [Hg2ONH2]NO3↓
Ag2CO3↓ trắng Pb2(OH)2CO3↓ trắng
Hg2CO3 → HgO + Hg + CO2 kết tủa xám
K2CrO4 Ag2CrO4↓ đỏ nâu
PbCrO4↓ vàng tan trong kiềm dư
KI AgI↓ vàng PbI2↓ vàng tan trong nước nóng
Hg2I2↓ xanh lục tác dụng với thuốc thử dư
Ag2S↓ đen PbS↓ đen HgS + Hg đen
Cu Ag trắng - Tạo hỗn hống màu trắng
Sơ đồ 2: Sơ đồ thực hành phân tích cation nhóm I: Ag + , Pb 2+ Hg 2 2 (1, 3, 4, 6,
Các phản ứng phân tích đặc trưng của các cation nhóm I
1 Trình bày đặc tính chung của các cation nhóm I
2 Viết các PTPU đặc trưng của các cation nhóm I
3 Hãy giải thích vì sao có thể hòa tan PbCl2 từ hỗn hợp AgCl, PbCl2,
Hg2Cl2 bằng cách đun nóng?
Dung dịch phân tích + HCl 6N (từng giọt)
Lắc kỹ, ly tâm, lấy kết tủa Lắc kỹ, ly tâm, lấy kết tủa
Tủa T 1 (AgCl, Hg 2 Cl 2 , PbCl 2 ) rửa bằng H 2 O +HCl 2N Đun sôi, ly t©m nãng
N-ớc ly tâm L 1 (có cation các nhãm II, III, IV, V)
Kết tủa đen xám của Hg 0 +
N-íc ly t©m: [Ag(NH 3 ) 2 ] + + HNO 3 6N AgCl trắng
cã Ag + Tủa T 2 (AgCl, Hg 2 Cl 2 ) + NH 3 đặc lắc kỹ, ly tõm
4 Khi dùng NH3 đặc để hòa tan hỗn hợp AgCl, PbCl2, Hg2Cl2 thì chất nào sẽ bị tan, vì sao ?
5 Vì sao rửa tủa T1 (ở sơ đồ 2) bằng nước lại phải thêm HCl 2N ?
1 Mục đích, yêu cầu a) Mục đích
- Quan sát và giải thích được các hiện tượng thí nghiệm
- Giải thích các hiện tượng xảy ra và viết các phương trình phản ứng trong quá trình tiến hành thực nghiệm
- Tìm được từng cation nhóm I dựa vào các phản ứng đặc trưng của chúng
- Chấp hành nghiêm túc nội qui PTN và những qui định của giảng viên Trung thực với kết quả thí nghiệm
- Rèn luyện được tính cẩn thận, tỷ mỉ, chính xác, trung thực, an toàn thí nghiệm, vệ sinh môi trường b) Yêu cầu
SV đọc kỹ các thí nghiệm trong giáo trình, chuẩn bị tường trình thực hành, dụng cụ, vật liệu theo yêu cầu của GV
Học sinh chú ý lắng nghe giáo viên hướng dẫn, thực hiện đúng và theo thứ tự các bước đã chỉ định, ghi chép lại những thông tin quan trọng, tích cực tham gia vào thực hành, đồng thời đảm bảo an toàn và tuân thủ đúng kỹ thuật.
SV cần nộp bảng tường trình thí nghiệm, thể hiện khả năng sử dụng thành thạo các dụng cụ và vật liệu thực hành, đồng thời áp dụng kiến thức vào thực tiễn Trước khi rời khỏi phòng thí nghiệm, cần dọn dẹp sạch sẽ, tắt điện và nước để đảm bảo an toàn.
Cân phân tích, ổ cắm điện, bể ổn nhiệt, bếp chưng cách thủy, máy ly tâm, bếp điện, đèn cồn
- Dụng cụ: Ống nghiệm, cặp gỗ, pipet, bóp cao su, giấy lọc
+ Dung dịch phân tích chứa các cation Ag + , Pb 2+ , Hg 2 2
+ HCl 6N, HCl 2N, HNO3 6N, NH3 đặc, KI 0,1M, K2CrO4 5%
Phân tích và tìm ra được từng cation nhóm I theo sơ đồ phân tích 2
1 Lấy 1mL dung dịch phân tích vào ống nghiệm sạch, thêm vào đó từng giọt dung dịch HCl 6N đến môi trường acid mạnh để kết tủa hoàn toàn nhóm I (nhận biết quá trình kết tủa đã xong khi giọt HCl thêm vào thành ống nghiệm thì ở chỗ tiếp xúc giữa giọt HCl và dung dịch phân tích không thấy xuất hiện kết tủa thêm nữa) Đun nóng nhẹ để kết tủa vón cục dễ tách Để nguội, ly tâm, tách phần kết tủa nhóm I (gọi là T1) chứa: AgCl, PbCl2, Hg2Cl2 và phần nước ly tâm (L1) chứa các cation nhóm khác
