Bài giảng Hóa phân tích tham khảo - Bài 5: Phương pháp chuẩn độ acid-baz

Nội dung text: Bài giảng Hóa phân tích tham khảo - Bài 5: Phương pháp chuẩn độ acid-baz

1. + + − pH = − lg[H ] = − lg[H 3O ] vaø pOH = − lg[OH ] Quaù trình HA phaân ly H + coù theå ñöôïc vieát ñôn giaûn hoùa söï coù maët cuûa dung moâi (HA → H + + A – ), trong khi quaù trình nhaän H + cuûa A – phaûi vieát ñaày ñuû söï hieän dieän cuûa – − dung moâi (A + H 2O → HA + OH ) 3. Haèng soá phaân ly acid baz 3.1 Haèng soá phaân ly acid Ñeå ñôn giaûn, xeùt caân baèng sau (1) HA H+ + A − (2) HSCB K theo (1) ñöôïc kyù hieäu kHA , k acid hay ka ñöôïc goïi laø haèng soá phaân ly acid cuûa HA vôùi: [H + ][A− ] kHA = [HA] kHA caøng lôùn, tính acid cuûa HA caøng maïnh. Moät caùch gaàn ñuùng, coù theå xeáp loaïi acid döïa vaøo giaù trò cuûa k HA nhö sau: 0 kHA > 10 : acid maïnh −3 0 10 10 ) laø caùc acid maïnh; CH 3COOH coù k HA = 10 vaø HCN −9,21 −0,7 coù k HA = 10 laø nhöõng acid yeáu; acid tricloacetic CCl 3COOH (k HA = 10 ) laø acid trung bình Vôùi ña acid H nA, ví duï diacid H 2A: + − + − [H ][HA ] H2A H + HA k a1 = [H 2 A] + 2− − + 2− [H ][A ] HA H + A k a2 = [HA − ] Ñoái vôùi ña acid, k a1 coù gia trò lôùn nhaát; caùc k ai coøn laïi coù giaù trò giaûm daàn theo söï taêng cuûa i. Ñoä maïnh cuûa acid naác thöù i ñöôïc xeáp loaïi döïa vaøo k ai töông öùng. Ví duï H3PO 4 –2,12 –7,21 (k a1 = 10 ⇒ chöùc 1 laø acid trung bình ; k a2 = 10 ⇒ chöùc 2 laø acid yeáu; k a3 = 10 –12,38 ⇒ chöùc 3 laø acid raát yeáu). 3.2 Haèng soá phaân ly baz Trong nöôùc, A – theå hieän tính baz nhö sau: (1) – − A + H 2O HA + OH (2) 35
2. −7 −8 + Tuy nhieân, neáu C HA quaù beù (10 − 10 M) thì khoâng theå boû qua [H ] do nöôùc phaân ly. + 2 + −−−14 Muoán tính pH phaûi giaûi PT baäc hai [H ] –CHA [H ] –10 = 0 ñöôïc thaønh laäp töø 2 caân baèng : HA → H + + A − + − vaø H2O H + OH Dung dòch ñôn acid trung bình HA H+ + A− Ban ñaàu C HA Caân baèng [HA] [H +] [A −] + − Neáu boû qua söï phaân ly cuûa H 2O: [H ] ≈ [A ] ≈ [HA] p/ö + Vì laø acid trung bình neân : C HA = [HA] + [HA] p/ö ⇒ [HA] = C HA −[H ] [H + ][A− ] Thay caùc giaù trò treân vaøo k HA = [HA] + 2 [H ] + 2 + kHA = + ⇒ [H ] + k HA .[H ] −−− k HA .C HA = 0 C HA −[H ] Giaûi phöông trình baäc 2 treân, coù [H +] ⇒ pH = − lg[H +] Dung dòch ñôn acid yeáu HA H + + A − Ban ñaàu CHA Caân baèng [HA] [H +] [A −] + − Neáu boû qua söï phaân ly cuûa H 2O: [H ] ≈ [A ] ≈ [HA] p/ö ÔÛ caân baèng [HA] ≈ C HA (vì HA laø acid yeáu neân phaân ly raát ít) [H + ][A− ] Thay caùc giaù trò treân vaøo k HA = [HA] + − + 2 [H ][A ] [H ] + 2 kHA = = ⇒ [H ] = k HA .C HA [HA] C HA + 1/2 [H ] = (k HA .C HA ) + 1/2 pH = − lg[H ] = − lg[k HA .C HA ] 1 1 pH = − lgk HA − lgC HA 2 2 1 1 pH = pk HA −−− lgC HA 2 2 Dung dòch ña acid H nA k Neáu dung dòch ña acid coù a1 ≥ 10 4 laàn, ta xem dung dòch ñoù töông ñöông dung k a2 dòch ñôn acid HA coù k HA = k 1 . –6,35 –10,32 Ví duï 1: H 2CO 3 (k a1 =10 ; k a2 =10 ) ⇒ ñöôïc xem töông ñöông ñôn acid coù k HA = –6,35 ka1 =10 (acid yeáu). –2,12 –7,21 –12,38 Ví duï 2: H 3PO 4 (k a1 = 10 ; k a2 = 10 ; k a3 = 10 ) ⇒ ñöôïc xem töông ñöông –2,12 ñôn acid coù k HA = k a1 =10 (acid trung bình). 37
3. 4.5 pH dung dòch ñeäm Ñònh nghóa Dung dòch ñeäm pH laø dung dòch coù pH thay ñoåi raát ít khi ta theâm vaøo dung dòch moät löôïng nhoû acid hay baz maïnh. Dung dòch ñeäm pH thöôøng ñöôïc söû duïng nhaèm muïc ñích giöõ cho pH cuûa dung dòch naøo ñoù khoâng ñoåi hoaëc thay ñoåi khoâng ñaùng keå. Caáu taïo Dung dòch ñeäm pH thöôøng ñöôïc taïo thaønh töø hoãn hôïp 2 daïng cuûa moät ñoâi acid- baz , thöôøng laø : - Hoãn hôïp acid yeáu vôùi muoái cuûa acid yeáu ñoù vôùi baz maïnh, ví duï (CH 3COOH + CH 3COONa) . - Hoãn hôïp baz yeáu vôùi muoái cuûa baz yeáu ñoù vôùi acid maïnh, ví duï (NH 4OH + NH 4Cl) − 2− - Hai chaát löôõng tính acid-baz, ví duï H 2PO 4 vaø HPO 4 pH cuûa dung dòch ñeäm pH − Xeùt dung dòch ñeäm goàm acid yeáu HA (noàng ñoä C a) vaø baz lieân hôïp A ôû daïng muoái MA (noàng ñoä C b), thöôøng tan hoaøn toaøn trong nöôùc. Khi ñoù, trong dung dòch coù caùc caân baèng + − + − [H ][A ] + [HA]  HA H + A (1) k HA = ⇒ [H ] = k HA . (*) [HA] [A − ] + − +  MA → M + A (2) [M ] = C MA = C b − −  A + H 2O HA + OH Theo ñònh luaät baûo toaøn khoái löôïng : − CHA + C MA = C a + C b = [HA] + [A ] − ⇒ [HA] = C a + C b − [A ] ( ) Theo ñònh luaät baûo toaøn ñieän tích : [H +] + [M +] = [A −] + [OH −] + − − − + − hay [H ] + C b = [A ] + [OH ] ⇒ [A ] = C b + [H ] − [OH ] − + − Thay [A ] = C b + [H ] − [OH ] vaøo ( ) : + − + − [HA] = C a + C b − C b − [H ] + [OH ] = C a − [H ] + [OH ] Thay [A −] vaø [HA] vaøo (*) + − + Ca −[H ] + [OH ] [H ] = k HA . + − Cb + [H ] −[OH ] Giaûi phöông trình naøy, tính [H +] vaø ⇒ pH + − Tuy nhieân, C a vaø C b thöôøng khaù lôùn so vôùi [H ] vaø [OH ]. Khi ñoù Ca Cb [H+] ≈ k HA . ⇒ pH = pk HA + lg Cb Ca Khaû naêng ñeäm cuûa dung dòch ñeäm laø lôùn nhaát khi noàng ñoä daïng baz vaø daïng acid baèng nhau. Vaäy muoán pha moät dung dòch ñeäm neân choïn ñoâi acid baz coù pk HA gaàn baèng pH ñeäm vaø pha chuùng theo cuøng soá mol. 39
4. [Ind] pH = pk i + lg [HInd] Daïng troäi cuûa Ind hay HInd seõ taïo cho dung dòch coù maøu töông öùng. Trong thöïc [Ind] teá, maét chæ nhaän roõ söï chuyeån maøu khi tyû soá ñaït moät giaù trò naøo ñoù, thöôøng [HInd] baèng 1/10 hay baèng 10. Khi ñoù pH chuyeån maøu cuûa dung dòch seõ laø : pH ch/m = pk i ± 1 pki ñöôïc goïi laø chæ soá cöôøng ñoä cuûa chaát chæ thò. Ngoaøi ra, ngöôøi ta coøn goïi pT laø chæ soá chuaån ñoä cuûa chaát chæ thò, töùc giaù trò pH maø ôû ñoù maøu bieán ñoåi roõ nhaát trong vuøng chuyeån maøu. Thöôøng pT ≈ pk i vaø ñaây laø trò soá giuùp ta xaùc ñònh luùc chaám döùt phaûn öùng 3.3 Caùc chaát chæ thò acid – baz thoâng duïng Trong soá caùc chaát chæ thò acid – baz ñaõ ñöôïc phaùt hieän, 5 chaát chæ thò döôùi ñaây ñöôïc söû duïng khaù phoå bieán: Teân chæ thò Khoaûng chuyeån maøu Maøu daïng acid Maøu daïng HInd baz Ind Metyl da cam 3,1 – 4,4 Hoàng cam Vaøng Bromocresol luïc 3,8 – 5,4 Vaøng Xanh Metyl ñoû 4,2 – 6,2 Ñoû Vaøng Bromothymol xanh 6,0 – 7,6 Vaøng Xanh Phenolphtalein 8,2 – 10 khoâng maøu Tím Ghi chuù Ñoâi khi ñeå nhaän maøu roõ hôn, ngöôøi ta duøng hoãn hôïp 2 chæ thò trong ñoù coù 1 chæ thò taïo maøu neàn. Ví duï : Metyl ñoû (ñoû → vaøng cam) : khoù nhaän , neáu duøng theâm metyl xanh (xanh → xanh) seõ chuyeån maøu töø tím → luïc. III. ÖÙNG DUÏNG 1. Chuaån ñoä acid maïnh baèng baz maïnh hay ngöôïc laïi Khi chuaån ñoä acid maïnh baèng baz maïnh, (ví duï chuaån ñoä HCl baèng NaOH) : - Phaûn öùng chuaån ñoä : + − H + OH → H 2O - Taïi ñieåm töông ñöông : − + [OH ] = [H ] ⇒ pH tñ = 7 41
5. 3. Chuaån ñoä baz yeáu baèng acid maïnh – Chuaån ñoä baz yeáu A baèng acid maïnh (ví duï chuaån ñoä NH 4OH baèng HCl ): - Phaûn öùng chuaån ñoä : A − + HCl → HA + Cl − - Taïi ñieåm töông ñöông, pH cuûa dung dòch ñöôïc quyeát ñònh bôûi HA laø moät acid 1 1 yeáu neân pH tñ ñöôïc tính : pH tñ = pK HA − lgC HA 2 2 - Böôùc nhaûy cuûa ñöôøng chuaån ñoä naèm trong vuøng acid neân choïn chæ thò coù pH ch/m 10 – 10 ) thì coù theå chuaån ñoä lieân tieáp töøng chöùc vôùi chæ thò thích hôïp nhö khi chuaån ñoä töøng ñôn acid. Ví duï, chuaån ñoä H 3PO 4 baèng NaOH : 43
6. 2- CO 3 laø baz lieân hôïp cuûa diacid H 2CO 3 –6,35 –10,32 –3,68 –7,65 pH ka1 =10 ; k a2 =10 ⇒ k b1 =10 ; k b2 =10 4 2- kb1 / k b2 ≈ 10 laàn ⇒ CO 3 ñöôïc chuaån ñoä pH td 1 Phenolphtalein töøng chöùc: Na 2CO 3 + HCl → NaHCO 3 + NaCl NaHCO 3 + HCl → H 2CO 3 + NaCl pH tñ1 = ½ (pka1 + pka2) = 8,33 pH td 2 Metyl da cam pH tñ2 ≈ 4 (tuøy thuoäc noàng ñoä H 2CO 3 trong dung dòch) Vtd Vtd VHCl , ml Coù theå xaùc ñònh 2 ñieåm cuoái baèng 2 chæ thò: Ñöôøng chuaån ñoä Na 2CO 3 baèng HCl - V tñ1 : duøng Phenol phtalein - V tñ2 : duøng Metyl da cam V tñ2 = 2V tñ1 Vtñ 2 laø theå tích HCl duøng ñeå chuaån ñoä 2 chöùc. Ghi chuù Trong thöïc teá maãu Na 2CO 3 coù theå bò nhieãm baån bôûi moät baz maïnh (ví duï NaOH) hoaëc moät baz yeáu (ví duï NaHCO 3). Moái töông quan giöõa Vtñ 2 vaø V tñ1 trong caùc tröôøng hôïp naøy seõ thay ñoåi: - Maãu Na 2CO 3 bò nhieãm baån bôûi baz maïnh NaOH: NaOH seõ ñöôïc trung hoøa cuøng moät luùc vôùi chöùc thöù nhaát cuûa Na 2CO 3 (2V tñ 1 > V tñ2 ) - Maãu Na 2CO 3 bò nhieãm baån bôûi baz yeáu NaHCO 3 : NaHCO 3 seõ ñöôïc trung hoøa cuøng moät luùc vôùi chöùc thöù hai cuûa Na 2CO 3 (2V tñ1 < V tñ2 ). Moái töông quan giöõa caùc theå tích V tñ 2 vaø V tñ1 ; theå tích dung dòch acid maïnh caàn duøng ñeå chuaån ñoä töøng ion cho töøng tröôøng hôïp ñöôïc toùm taét trong baûng döôùi ñaây: 2– – 2– – DD chöùa (CO 3 + OH ) DD chöùa (CO 3 + HCO 3 ) Vtñ 1 Vtñ 2 V tñ 1 Vtñ V (CO 2-) = 2V - V ) 2- HCl 3 tñ 2 tñ 1 VHCl (CO 3 ) = 2V tñ1 V (OH -) = V - 2 (V - V ) - HCl tñ 2 tñ 2 tñ 1 VHCl (HCO 3 ) =V tñ 2 -2V tñ1 = 2Vtñ 1 - V tñ 2 45
7. 3. Sau khi hoøa tan 5,000 g maãu boät mì trong nöôùc, ngöôøi ta xaùc ñònh ñoä chua cuûa noù baèng caùch chuaån ñoä vôùi DD NaOH 0,200N. Neáu theå tích DD NaOH 0,200N caàn duøng laø 0,95 ml, tính ñoä chua cuûa maãu boät mì theo ñôn vò laø soá ml dd NaOH 0,100 N caàn duøng ñeå chuaån ñoä 100 g maãu ? 4. Ñònh noàng ñoä cuûa moät dung dòch NaOH , laáy 10,00 ml dung dòch ññ pha loaõng thaønh 200 ml dd A ; Tieáp theo, laïi laáy 10,00 ml dd A pha thaønh 50,00 ml dd B vaø chuaån ñoä 10,00 ml dd B baèng 12,5 ml dd HCl 0,0500 N. Tính noàng ñoä ñöông löôïng vaø noàng ñoä khoái löôïng cuûa DD NaOH ñaäm ñaëc ban ñaàu theo keát quaû ghi nhaän ñöôïc, giaû söû maãu NaOH hoaøn toaøn khoâng bò carbonat hoùa. 5. Phaûi caân bao nhieâu gam DD KOH coù d =1,41 g /ml ( 40% KL/KL ) ñem chuaån ñoä baèng DD HCl 0,2N, neáu muoán khoáng cheá löôïng acid HCl caàn duøng xaáp xæ 20 ml? 6. Ñeå chuaån ñoä laïi 1 DD HNO 3 coù T = 1,40 g/ ml ( lyù thuyeát) vöøa pha, ngöôøi ta laáy 50,00 ml DD noùi treân pha loaõng thaønh 1000 ml DD loaõng. Laáy 20,00 ml DD KOH coù ñoä chuaån chính xaùc T (KOH / H 2SO 4 ) = 0,04904 g/ml vaøo erlen, ngöôøi ta phaûi söû duïng 26,88 ml DD HNO 3 loaõng vöøa pha ñeå trung hoaø hoaøn toaøn KOH . Tính % HNO 3 coù trong dung dòch acid ban ñaàu ? 7. Chuaån ñoä 25,00 ml moät dung dòch X chöùa H 3PO 4 vaø NaH 2PO 4 baèng dung dòch NaOH 0,0500 M. Löôïng NaOH ñaõ duøng ñeå chuaån ñoä dung dòch X baèng chæ thò Bromocresol luïc laø 20,00 ml vaø sau khi theâm chæ thò phenol phtalein , phaûi duøng 28,00 ml NaOH nöõa. Haõy xaùc ñònh noàng ñoä mol cuaû caùc chaát trong dung dòch X. 8. Moät maãu NaOH caân naëng 0,9184 g ñöôïc pha loaõng thaønh 250ml dung dòch, ñem chuaån ñoä baèng dung dòch HCl 0,1042 N. Bieát raèng: - Neáu duøng chæ thò phenol phtalein V(HCl ) = 20,70 ml - Neáu duøng chæ thò metyl da cam V(HCl ) = 21,48 ml Xaùc ñònh haøm löôïng caùc thaønh phaàn trong maãu NaOH, bieát theå tích maãu ñem chuaån ñoä laø 25,00 ml. 9. Saùu dung dòch sau ñaây chöùa 1 hay 2 trong soá caùc chaát NaOH, NaHCO 3,Na 2CO 3. Bieát raèng 100 ml dd maãu ñaõ ñöôïc chuaån ñoä baèng dd HCl 0,100 N vôùi 2 chaát chæ thò laø phenol phtalein vaø metyl da cam. Theå tích dd acid caàn ñeå chuaån ñoä ñeán khi chæ thò laàn löôït ñoåi maøu (phenol phtalein ñoåi maøu tröôùc ) laø : a) 27,30 ml vaø 30,70 ml b) 0,0 ml vaø 18,10 ml c) 4,60 ml vaø 12,20 ml d) 27,10 ml vaø 27,10 ml e) 15,10 ml vaø 30,20 ml f) 15,60 ml vaø 48,10 ml Xaùc ñònh caùc chaát hieän dieän trong töøng dd vaø noàng ñoä khoái löôïng cuûa caùc chaát ñoù. 47