CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA PHÂN TÍCH MỤC TIÊU - Xác định được đối tượng, nhiệm vụ của hóa học phân tích - Nắm được nguyên tắc của phân tích định lượng - Giải thích được các bước thực hiện của quá trình phân tích 1. ĐỐI TƯỢNG CỦA HÓA PHÂN TÍCH Môn học nghiên cứu xây dựng, phát triển và ứng dụng các phương pháp cho phân tích hóa học được gọi là hóa học phân tích. Phân tích một chất về mặt hóa học là xác định trong chất đó có những thành phần nào (định tính), hàm lượng của mỗi thành phần (định lượng) và cấu trúc hóa học của nó, đó chính là nội dung của phân tích hóa học. Phân tích định lượng thường được phân chia thành phân tích vô cơ và phân tích hữu cơ.
Cả hai ngành đều có thể coi là cùng dựa trên cơ sở lý thuyết như nhau hay gần nhau. Tuy vậy, để tiến hành phân tích vô cơ, phải có những chuẩn bị trước hết về kiến thức vô cơ, đại cương. Để tiến hành phân tích hữu cơ, phải có những chuẩn bị trước về kiến thức hóa hữu cơ. Những nguyên lý chung về hóa học phân tích được minh họa tốt bằng các ví dụ vô cơ, vì vậy trong các giáo trình cơ sở về hóa phân tích định lượng thường lấy ví dụ về hóa vô cơ.
PTĐL cho phép xác định: - Công thức phân tử. - Hàm lượng hay nồng độ của chất cần xác định. - Hàm lượng của tất cả hay một vài nguyên tố hoặc ion. - Hàm lượng của tất cả hay một vài cấu tử chủ yếu trong hỗn hợp.
- Hàm lượng của cấu tử dạng vết hay vi tạp chất có trong các chất đặc biệt tinh khiết. - Hàm lượng của các gốc, các nhóm chức. - Thành phần từng pha của hệ dị thể… 1. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG Căn cứ vào tính chất của mẫu vật nghiên cứu, vào loại tính chất của phản ứng, các hiện tượng, các dấu hiệu về đặc tính hóa lý và căn cứ vào 13 phương pháp tiến hành, khả năng máy móc và dụng cụ mà người ta phân chia phân tích định lượng thành nhiều loại, trong đó phổ biến nhất là cách phân loại dựa vào bản chất (hay đặc điểm) của phương pháp hoặc dựa vào hàm lượng của cấu tử trong mẫu phân tích.
Phân loại theo bản chất của phương pháp Theo cách phân loại này có thể chia phương pháp phân tích định lượng thành hai nhóm lớn: các phương pháp hóa học, các phương pháp vật lý và hóa lý. Phương pháp hóa học: Dựa chủ yếu trên việc áp dụng các phản ứng hóa học có liên quan đến cấu tử phân tích. Chẳng hạn, để xác định hàm lượng cấu tử M có trong chất phân tích, người ta cho nó tác dụng với một thuốc thử R, phản ứng xảy ra hoàn toàn theo quan hệ hợp thức M + nR ⇌ MRn. Để xác định M có thể dùng dư thuốc thử R.
Sau đó tách sản phẩm tạo thành thường ở dạng kết tủa ít tan. Dựa vào kết tủa thu được có thể tính được hàm lượng M trong chất phân tích. Phương pháp này dựa chủ yếu vào lượng cân sản phẩm nên thường được gọi là phương pháp phân tích khối lượng. Để xác định M có thể cho một lượng chính xác thuốc thử R đủ tác dụng vừa hết với M.
Thông thường người ta đo thể tích của dung dịch thuốc thử R có nồng độ chính xác đã biết và từ đó tính được lượng cấu tử cần xác định M. Phương pháp phân tích như vậy gọi là phương pháp phân tích thể tích. Các phương pháp phân tích khối lượng và thể tích đã có từ lâu và là phương pháp phân tích cơ bản, được dùng đầu tiên trong phương pháp phân tích định lượng. Vì vậy, đôi khi người ta gọi phương pháp này là các phương pháp kinh điển.
Phương pháp này có ưu điểm đơn giản và dễ ứng dụng rộng rãi mọi nơi. Phương pháp vật lý và hóa lý Đây là các phương pháp phân tích dựa vào mối quan hệ giữa thành phần hóa học và tính chất vật lý hoặc hóa lý của các chất. Các phương pháp vật lý dựa trên việc đo một tính chất nào đó của đối tượng phân tích mà không cần phải sử dụng các phản ứng hóa học (ví dụ như độ khúc xạ, năng suất quay cực, sự hấp thụ, bứt xạ hoặc phát xạ của nguyên tử, phân tử, độ dẫn điện, điện thế…). Tính chất này là hàm của nồng độ hay của khối lượng cấu tử cần xác định.
Ví dụ cường độ màu của dung dịch K2CrO4 tỷ lệ thuận với nồng độ của chất này trong 14 dung dịch kiềm. Vì vậy có thể đo độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch này ở một bước sóng xác định để suy ra nồng độ của dung dịch K2CrO4. Phương pháp vật lý có một số ưu điểm so với phương pháp hóa học như có thể tách được các nguyên tố khó bị tách bởi phương pháp hóa học, dễ áp dụng cho các quá trình tự động hóa. Phương pháp hóa lý là phương pháp phân tích dựa trên sự kết hợp giữa phương pháp hóa học và phương pháp vật lý, có nghĩa là phải sử dụng phản ứng hóa học để chuyển cấu tử phân tích thành dạng có tính chất vật lý thích hợp để có thể đo được.
Chẳng hạn, để định lượng Mn tồn tại ở dạng Mn2+, phải tiến hành oxy hóa ion này thành MnO4- có màu tím đặc trưng. Bằng cách đo độ hấp thụ của MnO4- có thể suy ra nồng độ ion Mn2+. Mặc dù xuất hiện khá lâu sau các phương pháp phân tích hóa học, các phương pháp phân tích hóa lý lại được phát triển và hiện đại hóa rất nhanh, được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu khoa học và trong cả các phòng thí nghiệm nhà máy, xí nghiệp. Nguyên tắc chung của phương pháp này là dùng biện pháp thích hợp tác động lên đối tượng nghiên cứu và ghi nhận sự thay đổi tham số hóa lý của đối tượng nghiên cứu sau khi được tác động.
Để quan sát và ghi nhận các tham số hóa lý của đối tượng nghiên cứu đòi hỏi phải sử dụng các công cụ và thiết bị khá tinh vi, phức tạp. Vì lý do này, các phương pháp vật lý và hóa lý thường được gọi là các phương pháp phân tích công cụ. Ưu điểm của phương pháp này là nhanh, độ chính xác cao, lượng mẫu sử dụng ít, được dùng trong các phép phân tích lượng vết. Phân loại theo lượng mẫu phân tích hay kỹ thuật phân tích Tùy theo lượng mẫu thử cần thiết để thực hiện phân tích theo một quy trình nào đó, người ta phân biệt: - Phân tích thô (macro): lượng mẫu thử từ 0,1g trở lên.
- Phân tích bán vi lượng (semimicro): lượng mẫu thử từ 10-2 đến 10-1g. - Phân tích vi lượng (micro): lượng mẫu thử từ 10-3 đến 10-2g. - Phân tích dưới vi lượng (submicro): lượng mẫu thử từ 10-4 đến 10-3g. - Phân tích siêu vi lượng (ultramicro): lượng mẫu thử dưới 0,1mg.
Phân tích bán vi lượng ngày càng phát triển vì dùng ít mẫu, kỹ thuật tương đối đơn giản, có thể dùng trong phòng thí nghiệm hay nơi 15 sản xuất. Phân tích vi lượng và siêu vi lượng đòi hỏi những điều kiện nghiêm ngặt hơn. Trong một mẫu thử, nếu một thành phần có lượng 1% trở lên được gọi là thành phần chính, 0,01 – 1% là thành phần thứ yếu, < 0,01% là thành phần vết. Do sự phát triển của các thiết bị công nghệ cao nên giới hạn định lượng có thể đạt được thấp hơn nhiều 0,01%.
Phân tích ở mức ppm (cỡ g = 10-6g) là phân tích vết (trace analysis), ở mức ppb (cỡ ng = 10-9g) là phân tích siêu vết (ultratrace analysis). CÁC BƯỚC THỰC HIỆN CỦA MỘT QUY TRÌNH PHÂN TÍCH 1. Xác định đối tượng - Mẫu thử Đầu tiên phải xác định rõ mục tiêu (cần những thông tin gì) và yêu cầu phân tích (định tính hay định lượng). Mẫu phân tích có thể là các nguyên liệu, nhiên liệu, bán thành phẩm hoặc thành phẩm, có thể đóng gói hoặc không đóng gói.
Thu thập thông tin về mẫu thử: bản chất, nguồn gốc, cách lấy mẫu, tình trạng mẫu và bảo quản mẫu. Lựa chọn phương pháp Phương pháp thích hợp là phương pháp có độ nhạy, độ chọn lọc, tốc độ phân tích cao và cho kết quả gần với kết quả thực. Lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên những thông tin có trước như: cỡ mẫu phân tích, phương tiện phân tích, yêu cầu phân tích,… Kết quả phân tích phụ thuộc nhiều vào sự lựa chọn phương pháp. Lấy mẫu thử và bảo quản mẫu Đây là bước quan trọng nhất trong cả quy trình phân tích tuy nhiên ytz thường bị xem nhẹ.
Nó được coi là khâu gây sai số nhiều nhất, ảnh hưởng lớn nhất đến độ tin cậy của kết quả. Khi xây dựng chương trình lấy mẫu cần lưu ý: - Mục tiêu của phân tích mẫu. - Tính chất của quần thể mẫu: trạng thái vật lý (lỏng, rắn, khí) ở dạng đồng thể hay dị thể. - Số mẫu cần lấy và tần suất lấy mẫu.
Có thể phân thành 4 cách lấy mẫu chính: - Mẫu đại diện: đây là cách lấy mẫu đại diện cho quần thể. 16 - Mẫu chọn lọc: Lấy mẫu cho một mục tiêu xác định, chẳng hạn lấy mẫu ở lô nghi ngờ không đạt chất lượng. - Mẫu ngẫu nhiên: Lấy ngẫu nhiên để đánh giá thống kê số liệu, có thể lấy ngẫu nhiên đơn, ngẫu nhiên nhiều tầng, ngẫu nhiên hệ thống. - Mẫu tổ hợp: mẫu bao gồm nhiều phần lấy ở cùng một thời điểm từ quần thể sao cho đại diện được tính chất của quần thể đó.
Bảo quản mẫu Mẫu phân tích sau khi lấy cần được bảo quản trong điều kiện thích hợp (bao bì, nhiệt độ, độ ẩm,…) nhằm mục tiêu đảm bảo độ ổn định của nó. Xử lý mẫu thử - Tiến hành đo các chất phân tích Trước khi phân tích, mẫu thử cần được xử lý bằng các quá trình vật lý, hóa học thích hợp như: - Sấy khô, nghiền nhỏ, nung chảy hoặc hòa tan trong dung môi thích hợp (dung dịch acid, base, dung môi hữu cơ). - Loại tạp chất trở ngại hoặc tách lấy chất cần phân tích thông qua thẩm tích, chiết bằng dung môi hữu cơ, chiết pha rắn,… - Thực hiện các phản ứng hóa học để chuyển chất phân tích thành dẫn chất có thể phát hiện được, đo lường được. Sau khi mẫu được xử lý, sử dụng những dụng cụ, điều kiện thực nghiệm, máy móc thích hợp, hiệu chuẩn thiết bị để đo các chất cần phân tích.
Công việc phân tích có thể lặp lại nhiều lần để có đủ thông tin đảm bảo độ tin cậy của kết quả.
