Chuẩn độ là một trong những phương pháp lâu đời nhất để xác định nồng độ chất phân tích hóa chất. Cho đến nay, chuẩn độ vẫn được sử dụng rộng rãi trong hóa phân tích và phương pháp đã được phát triển rất hiện đại, dễ dàng và tinh vi. Ví dụ, chuẩn độ được dùng để phân tích nước uống hoặc xác định hàm lượng kim loại trong vật liệu làm pin. Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn nhưng thông tin xoay quanh chuẩn độ bao gồm định nghĩa, những nguyên tắc, phân loại phương pháp và công thức để tính toán chuẩn độ.
Bài viết gồm những nội dung sau:
Chuẩn độ được dùng để xác định nồng độ của một chất phân tích trong dung dịch mẫu. Để làm điều này, một dung dịch chuẩn với nồng độ biết trước, được gọi là dung dịch chuẩn độ, được thêm vào mẫu. Dung dịch chuẩn độ và chất phân tích phản ứng với nhau theo một tỉ lệ tương ứng. Nồng độ chất phân tích được tính toán bằng cách dùng lượng dung dịch chuẩn độ và kích cỡ mẫu. Bảng 1 liệt kê một số các thuật ngữ chuẩn độ thường gặp.
Bảng 1. Các thuật ngữ thường gặp dùng trong chuẩn độ (được liệt kê theo thứ tự bảng chữ cái) và định nghĩa của chúng.
Thuật ngữ
Định nghĩa
Chất phân tích
Chất cần xác định số lượng.
Điểm kết thúc
Điểm mà tại đó dừng phép chuẩn độ. Sự thay đổi màu hoặc một loại chỉ thị khác (ví dụ như giá trị pH) sẽ báo hiệu điểm kết thúc. Điểm kết thúc nên càng gần điểm tương đương càng tốt.
Điểm tương đương
Thể tích mà tại đó phản ứng giữa dung dịch chuẩn độ và chất phân tích được hoàn tất.
Chất chỉ thị
Một chất được dùng để chỉ thị điểm kết thúc chuẩn độ. Về mặt lịch sử, những chất này là chất chỉ thị màu. Ngày nay, điện cực hoặc các cảm biến khác đã thay thế các chất chỉ thị màu này.
Chất chuẩn gốc
Chất chuẩn gốc là chất đã được chứng nhận, có độ tinh khiết cao và ổn định. Chất chuẩn gốc được dùng để xác định nồng độ chính xác của dung dịch chuẩn độ.
Chuẩn hóa
Quy trình xác định nồng độ chính xác của dung dịch chuẩn độ. Tìm hiểu thêm về quy trình này tại bài viết «Cần xem xét điều gì khi chuẩn hóa dung dịch chuẩn độ».
Dung dịch chuẩn
Một thuật ngữ khác của dung dịch chuẩn độ.
Dung dịch chuẩn độ
Dung dịch với nồng độ biết trước được dùng để xác định nồng độ của chất phân tích.
Đường cong chuẩn độ
Đường cong thu được khi vẽ thể tích chuẩn độ đã dùng với tín hiện điện cực hoặc cảm biến.
Phương trình chuẩn độ
Công thức để tính toán nồng độ chất phân tích. Phương trình này phụ thuộc vào loại mẫu (lỏng hoặc rắn), tỉ lệ phản ứng và đơn vị được yêu cầu của kết quả.
2. Nguyên tắc của chuẩn độ
2.1 Phản ứng của chất phân tích và dung dịch chuẩn độ
Chuẩn độ liên quan đến phản ứng hóa học giữa chất phân tích và dung dịch chuẩn độ khi xét theo khía cạnh nhận được kết quả là nồng độ chất phân tích. Dung dịch chuẩn độ được dùng là một dung dịch chuẩn có nồng độ cụ thể biết trước.
2.2 Chất chỉ thị chuẩn độ thông thường
Để xác định điểm tương đương trong chuẩn độ cần có chất chỉ thị. Dựa vào ảnh trên, giá trị pH là điều cần xem xét khi xác định đâu là chất chỉ thị cần dùng trong khi phân tích. Không giống như phép chuẩn độ thông thường, chuẩn độ tự động không sử dụng chất chỉ thị (chuyển đổi màu sắc) mà trực tiếp ở dạng giá trị điện thế bằng cách dùng điện cực.
3. Những bước thực hiện chuẩn độ
Một phép chuẩn độ bao gồm bốn bước sau:
3.1 Chuẩn hóa dung dịch chuẩn độ
Đầu tiên, dung dịch chuẩn độ cần được chuẩn hóa. Bước này sẽ cung cấp nồng độ chính xác của dung dịch chuẩn độ và tăng độ đúng của kết quả. Tìm hiểu thêm về quy trình này tại bài viết «Cần xem xét điều gì khi chuẩn hóa dung dịch chuẩn độ».
3.2 Chuẩn bị mẫu
Để chuẩn độ, mẫu phải ở dạng dung dịch. Vì vậy, mẫu rắn được hòa tan hoặc tiền xử lí để phóng thích chất phân tích (ví dụ bằng cách phá hủy, chiết xuất hoặc tro hóa mẫu).
Thỉnh thoảng dung dịch bổ trợ cũng cần thêm vào. Ví dụ, chuẩn độ oxy hóa khử thường được thực hiện ở một giá trị pH cụ thể. Chuẩn độ gián tiếp luôn luôn cần một dung dịch bổ trợ, bởi vì chất phân tích phải được chuyển đổi thành dạng có thể phản ứng. Sau đó, dạng có thể phản ứng này sẽ được chuẩn độ.
Đối với chuẩn độ ngược (hoặc chuẩn độ lượng dư), một lượng dư thuốc thử được thêm vào trước. Thuốc thử này phản ứng với chất phân tích và lượng dư của nó sẽ được chuẩn độ. Hãy đọc bài viết «Cần xem xét điều gì khi chuẩn độ ngược» để tìm hiểu thêm về loại chuẩn độ này.
3.3 Chuẩn độ
Trong khi chuẩn độ, mẫu cần được khuấy trộn. Điều này đảm bảo rằng dung dịch chuẩn độ và chất phân tích được hòa trộn đều. Dung dịch chuẩn độ được thêm vào mẫu cho đến khi đạt đến điểm kết thúc. Chuẩn độ thủ công sử dụng chất chỉ thị màu để xác định điểm kết thúc.
Thiết bị chuẩn độ hiện đại dùng điện cực hoặc các loại cảm biến khác để phát hiện điểm tương đương. Thể tích của dung dịch chuẩn độ được vẽ cùng với tín hiệu đo để thu được đường cong chuẩn độ. Hình 1 hiển thị đường cong chuẩn độ của một phép chuẩn độ acid-base với tạp chất carbonate.
Để tìm hiêu thêm về các cách khác nhau để đánh giá điểm kết thúc, hãy đọc bài viết «Nhận biết điểm kết thúc (EP)».
Hình 1. Đường cong chuẩn độ của lithium hydroxit được chuẩn độ bằng axit clohydric. Điểm tương đương thứ nhất (EP1) tương ứng với hydroxit và điểm tương đương thứ hai (EP2) tương ứng với tạp chất cacbonat.
3.4 Tính toán kết quả
Sau khi chuẩn độ, kết quả được tính toán. Thiết bị chuẩn độ tự động sẽ tự tính toán kết quả. Các biến số sau đây sẽ được yêu cầu cho phép tính toán:
- Kích cỡ mẫu (khối lượng hoặc thể tích mẫu)
- Nồng độ dung dịch chuẩn độ, thường dùng mol/L
- Titer (hệ số hiệu chỉnh dung dịch chuẩn độ)
- Thể tích dung dịch chuẩn độ đến điểm kết thúc, mL
- Hệ số tỉ lệ phản ứng giữa chất phân tích và dung dịch chuẩn độ
Từ những biến số này, nồng độ chất phân tích có thể được tính toán như sau:
Công thức có thể khác nhau tùy thuộc vào đơn vị kết quả. Nó cũng sẽ khác biệt đối với phép chuẩn độ ngược. Bài viết «Cần xem xét điều gì khi chuẩn độ ngược» sẽ mô tả về công thức tính toán này..
4. Phân loại chuẩn độ: Chuẩn độ axit-bazơ, chuẩn độ oxy hóa khử, chuẩn độ tạo phức, chuẩn độ kết tủa và chuẩn độ Karl Fischer
Chuẩn độ có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Một cách là theo phương pháp nhận biết điểm kết thúc, nhưng cách thông thường nhất là phân loại theo loại phản ứng hóa học được sử dụng.
- Chuẩn độ axit-bazơ: Chuẩn độ này là phương pháp xác định dung dịch acid với dung dịch base có nồng độ biết trước hoặc ngược lại. Nguyên tắc của chuẩn độ axit-bazơ dựa trên phản ứng trung hòa. Bài viết “Chuẩn độ acid-base môi trường khan - Các lỗi thường gặp và cách khắc phục” sẽ cung cấp các mẹo thực tế cho loại chuẩn độ này.
- Chuẩn độ oxy hóa khử: Nguyên tắc của chuẩn độ này là dùng phản ứng oxy hóa khử giữa chất phân tích và dung dịch chuẩn độ. Điều này cho phép các nhà phân tích thu được giá trị nồng độ dung dịch của một chất cụ thể (chất phân tích) đã phản ứng với chất oxy hóa hoặc chất khử. Các ví dụ thường gặp như chuẩn độ iod, chuẩn độ permanganate và chuẩn độ cerium.
- Chuẩn độ tạo phức: Khi muốn xác định độ cứng hoặc mức độ ion kim loại trong mẫu, loại chuẩn độ này rất phù hợp để bạn lựa chọn. Nguyên tắc làm việc của loại chuẩn độ tạo phức là hình hình phức chất giữa dung dịch chuẩn độ và chất phân tích. Một trong những phức chất thường được dùng làm dung dịch chuẩn độ trong chuẩn độ tạo phức là Ethylene Diamine Tetraacetic Acid (EDTA). Để biết thêm thông tin, hãy đọc bài viết của chúng tôi về chuẩn độ tạo phức bằng đo quang.
- Chuẩn độ kết tủa: Chất phân tích và dung dịch chuẩn độ hình thành một muối không tan trong phương pháp chuẩn độ này. Một ví dụ thường gặp là chuẩn độ bạc. Chuẩn độ các chất hoạt động bề mặt cũng nằm trong nhóm chuẩn độ này. Điện cực kim loại hoặc điện cực chọn lọc ion được dùng để chỉ thị điểm kết thúc. Để biết thêm thông tin về chuẩn độ chất hoạt động bề mặt, hãy đọc bài viết “Thế giới chất hoạt động bề mặt từ khía cạnh chuẩn độ”.
- Chuẩn độ Karl Fischer: Như tên đã đề cập, loại chuẩn độ này dùng thuốc thử Karl Fischer làm dung dịch chuẩn độ, trong đó thuốc thử Karl Fischer bao gồm SO2, I2, dung dịch base và alcohol. Chuẩn độ Karl Fischer được dùng để xác định hàm lượng nước (hàm ẩm/độ ẩm) trong mẫu. Trong những phương pháp thông thường, phép xác định hàm lượng nước được thực hiện bằng phương pháp trọng lượng (cân sau sấy khô) và chưng cất. Để biết thêm thông tin về chuẩn độ chất hoạt động bề mặt, hãy đọc bài viết «Thế giới chất hoạt động bề mặt từ khía cạnh chuẩn độ».
Thuốc thử Karl Fischer bao gồm SO2, base, alcohol và I2. Dựa vào phản ứng trên, có thể thấy rằng phản ứng xảy ra giữa methanol, SO2 và base sẽ tạo ra hợp chất alkyl sulfite. Sau đó I2 hoạt động như một chất oxy hóa và sẽ oxy hóa alkyl sulfite thành alkyl sulfate bằng cách dùng H2O trong phản ứng. Mỗi 1 mol I2 tương đương với 1 mol H2O được dùng.
5. Công thức chuẩn độ
Ngày nay, hầu hết các nhà máy và phòng thí nghiệm công nghiệp đã sử dụng rộng rãi chuẩn độ tự động (máy chuẩn độ tự động). Điều này cho phép họ nhận được kết quả nồng độ chất phân tích một cách tự động từ thiết bị mà không cần tính toán thủ công.
Nhưng về cơ bản, để có được giá trị nồng độ từ phương pháp chuẩn độ, bạn có thể dùng công thức pha loãng cơ bản như sau.
6. So sánh giữa chuẩn độ thủ công và chuẩn độ tự động
Cho đến nay, phương pháp chuẩn độ đã được phát triển vượt bậc. Mọi thứ liên quan đến mức độ không chắc chắn đã được loại bỏ. Một trong số chúng là xác định điểm tương đương bằng cảm quan. Khi người phân tích thực hiện chuẩn độ với sự giúp đỡ của chất chỉ thị, điểm tương đương được đánh dấu bằng sự thay đổi màu sắc như được thấy bởi người phân tích. Dĩ nhiên điều này sẽ gây ra sự khác biệt kết quả giữa mỗi người phân tích. Hơn nữa, khi xác định nồng độ, chuẩn độ thủ công cần tạo đường cong chuẩn độ và tính toán thủ công. Việc này tốn nhiều thời gian và công sức. Sự khác biệt giữa chuẩn độ thủ công và chuẩn độ tự động được thể hiện trong bảng sau.
Bảng 2. So sánh những điểm khác biệt chính giữa chuẩn độ thủ công và tự động.
Thông số
Chuẩn độ thủ công
Chuẩn độ tự động
Thêm dung dịch chuẩn độ
Thủ công
Tự động thêm bởi buret
Độ đúng bơm định lượng
0.1 mL
25 µL
Kiểm soát
Thủ công bởi người thực hiện
Được tích hợp vào hệ thống hoặc bằng phần mềm
Tính toán
Thủ công bởi người thực hiện
Được tích hợp vào hệ thống hoặc bằng phần mềm
Truy xuất dữ liệu
Không
Có
Khả năng tự động hóa
Không
Có
Chuẩn độ là một phương pháp đã được biết đến rộng rãi và nhiều tiêu chuẩn như ISO, ASTM và USP đã chỉ định đây là một phương pháp phân tích. Nó có chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn khi so với những phương pháp phức tạp hơn như HPLC hoặc ICP-MS. Bên cạnh đó, chuẩn độ cũng là một phương pháp tuyệt đối, vì vậy không cần thiết phải hiệu chuẩn.
Chuẩn độ tự động cũng mang lại một vài lợi ích khi so sánh với phương pháp thủ công. Bảng 2 tóm tắt một vài điểm khác biệt chính. Bạn có thể tìm thấy nhiều thông tin hơn trong bài viết «Tại sao kết quả chuẩn độ của bạn không lặp lại: Nguồn gây sai số chính trong chuẩn độ thủ công».
Nếu bạn đang xem xét để chuyển đổi chuẩn độ từ thủ công sang tự động, hãy tham khảo bài viết «Làm thế nào chuyển đổi chuẩn độ thủ công sang tự động».