Chuẩn độ là một kỹ thuật phân tích cho phép xác định định lượng một chất cụ thể được hòa tan trong mẫu bằng cách thêm thuốc thử có nồng độ đã biết. Nó dựa trên phản ứng hóa học hoàn toàn giữa chất [chất phân tích] và thuốc thử [chất chuẩn độ].
Chất chuẩn độ được thêm vào cho đến khi phản ứng hoàn tất. Để phù hợp cho phép xác định, điểm cuối của phản ứng chuẩn độ phải dễ dàng quan sát được khi được theo dõi [được chỉ báo] bằng các kỹ thuật thích hợp, ví dụ: phép đo điện thế [đo điện thế bằng cảm biến] hoặc thông qua sự thay đổi màu sắc.
Việc đo thể tích chất chuẩn độ được phân phối cho phép tính toán hàm lượng chất phân tích dựa trên phép cân bằng hóa học của phản ứng hóa học. Để có độ chính xác, phản ứng chuẩn độ phải nhanh, đầy đủ, rõ ràng và có thể quan sát được.
Trong khi quá trình chuẩn độ cổ điển được thực hiện bằng cách thêm chất chuẩn độ theo cách thủ công bằng cách sử dụng vòi có xi lanh thủy tinh chia độ được gọi là buret, thì quá trình chuẩn độ tự động hiện đại cho phép bổ sung chất chuẩn độ chính xác, có thể lặp lại và đồ thị thể tích tiềm năng so với chất chuẩn độ mạnh mẽ hơn. Tuy nhiên, chuẩn độ thủ công vẫn là phương pháp chính trong nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới [xem chuẩn độ thủ công so với tự động bên dưới]. Lý thuyết cơ bản đằng sau chuẩn độ thủ công và tự động là giống nhau.
Công thức chuẩn độ
Một ví dụ chuẩn độ cơ bản nổi tiếng là chuẩn độ axit axetic [CH 3 COOH] trong giấm bằng natri hydroxit [NaOH]:
Thông tin thêm về chuẩn độ là gì, có thể được tìm thấy tại hướng dẫn Khái niệm cơ bản về chuẩn độ .
Tại sao chuẩn độ lại quan trọng và nó được sử dụng như thế nào trong các ngành công nghiệp?
Chuẩn độ là một kỹ thuật phân tích nhanh, chính xác và đã được thiết lập, được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu, phát triển sản phẩm và kiểm soát chất lượng. Khi so sánh với một số phương pháp phân tích khác, nó tiết kiệm chi phí, có độ chính xác cao và chấp nhận mức độ tự động hóa cao. Những yếu tố này có thể làm cho việc cải thiện năng suất của quy trình làm việc trở nên dễ dàng, vì người vận hành có thể thực hiện chuẩn độ mà không cần có kiến thức hóa học cụ thể. Các ngành sử dụng hóa chất chuẩn độ bao gồm nông nghiệp, công nghệ sinh học, hóa chất, mỹ phẩm, điện tử, thực phẩm và đồ uống, sơn và bột màu, giấy và bột giấy, hóa dầu và dược phẩm.
Ưu điểm của chuẩn độ là gì?
- Chuẩn độ là một kỹ thuật phân tích được thiết lập tốt: Chuẩn độ là một trong những phương pháp phân tích định lượng lâu đời nhất và được sử dụng phổ biến nhất. Chuẩn độ thủ công, bán tự động và hoàn toàn tự động đã được phát triển rộng rãi và được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp.
- Đây là một quy trình nhanh: Trong trường hợp chuẩn độ thủ công, buret, chất chuẩn độ và chất chỉ thị điểm cuối phù hợp là những vật dụng cần thiết duy nhất. Chất chuẩn độ được thêm vào mẫu trong buret cho đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn và có thể quan sát dễ dàng. Việc đo thể tích chất chuẩn độ được phân phối cho phép tính toán hàm lượng chất phân tích dựa trên phép cân bằng hóa học của phản ứng hóa học. Chuẩn độ tự động thậm chí còn nhanh hơn và tiết kiệm được một lượng thời gian đáng kể. Tự động hóa cho phép thông lượng cao với nỗ lực tối thiểu của người vận hành và hỗ trợ người dùng về chất lượng và bảo mật dữ liệu bằng cách cải thiện khả năng tái tạo và tránh các lỗi sao chép. Tự động hóa tăng năng suất và tăng hiệu quả.
- Kỹ thuật rất chính xác và chính xác: Lúc đầu, chỉ những phép chuẩn độ có sự thay đổi màu đáng kể khi đạt đến điểm cuối mới được thực hiện. Các lần chuẩn độ sau đó được tô màu nhân tạo bằng thuốc nhuộm chỉ thị. Độ chính xác đạt được chủ yếu phụ thuộc vào kỹ năng của nhà hóa học và đặc biệt là khả năng nhận biết các màu khác nhau của anh ta. Ngày nay, phép chuẩn độ đã trải qua một sự phát triển mạnh mẽ: buret pít-tông điều khiển bằng tay và sau này là động cơ cho phép bổ sung chất chuẩn độ chính xác và lặp lại. Cảm biến điện hóa thay thế các chỉ báo màu, do đó đạt được độ chính xác và độ chính xác cao hơn của kết quả. Biểu đồ đồ họa của thể tích điện thế so với chất chuẩn độ và đánh giá toán học của đường cong chuẩn độ thu được cung cấp một tuyên bố chính xác hơn về phản ứng so với sự thay đổi màu sắc ở điểm cuối. Với bộ vi xử lý, quá trình chuẩn độ có thể được kiểm soát và đánh giá tự động, đây là một bước tiến quan trọng hướng tới tự động hóa.
- Mức độ tự động hóa cao nhất có thể: Máy chuẩn độ là một công cụ cho phép tự động hóa tất cả các hoạt động liên quan đến chuẩn độ: thêm chất chuẩn độ, theo dõi phản ứng [thu tín hiệu], nhận dạng điểm cuối, lưu trữ dữ liệu, tính toán và lưu trữ kết quả. Tất cả những gì người vận hành phải làm là đặt các mẫu lên giá của máy chuẩn độ và bắt đầu phương pháp. -Tìm hiểu thêm về các cơ hội và lợi ích của tự động hóa với Hướng dẫn tự động hóa chuẩn độ của chúng tôi
- Chuẩn độ tự động có thể được sử dụng bởi những người vận hành có kỹ năng thấp và được đào tạo: Trong trường hợp chuẩn độ thủ công, kỹ thuật viên phòng thí nghiệm tuân theo một quy trình [hoặc phương pháp] chi tiết, chuẩn hóa và áp dụng các kỹ năng và kiến thức của mình vào nhiệm vụ. Các kết quả sau đó được tính toán và ghi lại. Chuẩn độ tự động rất dễ thực hiện và không cần kiến thức hóa học chuyên môn cao. Các phương pháp chuẩn độ được lập trình một lần và có thể được sử dụng lại bởi bất kỳ người dùng nào chỉ bằng cách nhấn một nút. Kết quả sau đó được tạo tự động.
- Tỷ lệ giá / hiệu suất tốt so với các kỹ thuật phức tạp hơn.
Sự khác biệt giữa chuẩn độ thủ công và chuẩn độ tự động là gì?
Chuẩn độ là một kỹ thuật phân tích định lượng được sử dụng để xác định nồng độ chưa biết của chất cần phân tích [chất cần phân tích]. Nó được thực hiện bằng cách thêm dần một lượng chất đã biết chính xác [chất tritrant], chất này phản ứng với chất phân tích của chúng ta theo một tỷ lệ xác định, vào mẫu mà chúng ta muốn phân tích. Việc đo thể tích chất chuẩn độ được phân phối cho phép tính toán hàm lượng chất phân tích dựa trên phép cân bằng hóa học của phản ứng hóa học.
Chất chuẩn độ được thêm vào cho đến khi phản ứng hóa học hoàn tất và có thể dễ dàng phát hiện điểm kết thúc phản ứng chuẩn độ bằng các kỹ thuật thích hợp [ví dụ đo điện thế hoặc thay đổi màu của chất chỉ thị phù hợp]. Do đó, phản ứng liên quan đến chuẩn độ phải nhanh, đầy đủ, rõ ràng và có thể quan sát được.
Để biết thêm thông tin và so sánh, vui lòng xem tại đây:
Đường cong chuẩn độ là gì?
Đường cong chuẩn độ minh họa tiến trình định tính của phép chuẩn độ. Chúng cho phép đánh giá nhanh phương pháp chuẩn độ. Có sự khác biệt giữa các đường cong chuẩn độ logarit và tuyến tính.
Đường cong chuẩn độ về cơ bản có hai biến số:
- Thể tích của chất chuẩn độ là biến độc lập. Tín hiệu của dung dịch, ví dụ như độ pH cho phép chuẩn độ axit/bazơ là biến phụ thuộc, phụ thuộc vào thành phần của hai dung dịch.
- Các đường cong chuẩn độ có thể có 4 dạng khác nhau và cần được phân tích bằng các thuật toán đánh giá thích hợp. Bốn dạng này là: đường cong đối xứng, đường cong bất đối xứng, đường cong tối thiểu/tối đa và đường cong phân đoạn.
Sự khác biệt giữa chuẩn độ điểm cuối và điểm tương đương là gì?
Chế độ chuẩn độ điểm cuối [EP]:
Chế độ điểm cuối đại diện cho quy trình chuẩn độ cổ điển: chất chuẩn độ được thêm vào cho đến khi quan sát thấy kết thúc phản ứng, ví dụ, bằng sự thay đổi màu của chất chỉ thị. Với máy chuẩn độ tự động, mẫu được chuẩn độ cho đến khi đạt được giá trị xác định trước, ví dụ pH = 8,2.
Chế độ chuẩn độ điểm tương đương [EQP]:
Điểm tương đương là điểm mà tại đó chất phân tích và thuốc thử có mặt với lượng chính xác như nhau. Trong hầu hết các trường hợp, nó hầu như giống với điểm uốn của đường cong chuẩn độ, ví dụ như đường cong chuẩn độ thu được từ phép chuẩn độ axit/bazơ. Điểm uốn của đường cong được xác định bởi giá trị pH hoặc điện thế [mV] tương ứng và mức tiêu thụ chất chuẩn độ [mL]. Điểm tương đương được tính từ việc tiêu thụ chất chuẩn độ có nồng độ đã biết. Tích của nồng độ chất chuẩn độ và lượng tiêu thụ chất chuẩn độ cho biết lượng chất đã phản ứng với mẫu. Trong máy chuẩn độ tự động, các điểm đo được đánh giá theo quy trình toán học cụ thể dẫn đến đường cong chuẩn độ được đánh giá. Điểm tương đương sau đó được tính toán từ đường cong được đánh giá này.
Cách tính nồng độ mol/Phương trình nồng độ mol/Nồng độ mol
Nồng độ lượng chất của dung dịch chất X [kí hiệu c[X]] là lượng chất n chia cho thể tích V của dung dịch.
N là số phân tử có trong thể tích V [tính bằng lít], tỷ lệ N/V là nồng độ số C, và N A là hằng số Avogadro, xấp xỉ 6,022×10 23 mol −1 .
Các đơn vị thông thường được sử dụng trong phân tích là mol/L và mmol/L.
Làm thế nào để đạt được kết quả chuẩn độ chính xác?
Để có được kết quả chuẩn độ chính xác và chính xác đòi hỏi sự hiểu biết về cách giảm thiểu các yếu tố có thể ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác, cũng như chọn phương pháp chuẩn độ phù hợp.
Việc giảm các yếu tố tác động tiêu cực đến độ chính xác của kết quả đòi hỏi sự hiểu biết về các loại lỗi có thể xuất hiện trong tất cả các hoạt động đo lường: lỗi hệ thống, lỗi ngẫu nhiên và lỗi quy trình làm việc.
lỗi hệ thống
Sai số hệ thống là sai số không đổi hoặc trôi dạt do sai lầm nhất quán mắc phải trong quá trình phân tích. Các lỗi hệ thống điển hình trong chuẩn độ bao gồm:
- Phương pháp phân tích hoặc công thức chuẩn độ không chính xác
- Lỗi lấy mẫu hoặc kích thước mẫu sai do lỗi cân nhất quán, không được công nhận
- Giá trị trống sai hoặc thiếu, điều chỉnh cảm biến không chính xác
- Tốc độ quá cao đối với phản ứng hoặc phản ứng điện cực
Một khi nguồn gốc của lỗi hệ thống được xác định trong quá trình chuẩn độ, nó thường dễ dàng sửa chữa.
lỗi ngẫu nhiên
Lỗi ngẫu nhiên là một thành phần của lỗi tổng thể thay đổi theo kiểu không thể đoán trước và thường khó xác định hơn. Các nguồn lỗi ngẫu nhiên điển hình trong chuẩn độ bao gồm:
- Xử lý mẫu kém
- Thiết bị không phù hợp [độ phân giải cân bằng thấp, loại thủy tinh sai, v.v.]
- Tham số phương pháp không chính xác [số gia tăng quá lớn, thời gian chờ không đủ]
- Bong bóng trong ống buret hoặc rửa không hiệu quả giữa các mẫu
- Thiếu đào tạo người vận hành hoặc điều kiện môi trường không phù hợp
Nếu không thể xác định được nguồn gốc của lỗi ngẫu nhiên, số lần lặp lại phải được tăng lên để thu được giá trị trung bình đáng tin cậy hơn. Điều này thường dẫn đến lãng phí mẫu, thuốc thử và thời gian.
Lỗi quy trình làm việc
Những loại sai sót này thường tốn thời gian và đôi khi rất tốn kém để theo dõi, đặc biệt là khi có áp lực về thời gian hoặc chi phí. Các lỗi quy trình công việc điển hình bao gồm:
- Lỗi ký hiệu/phiên âm [ví dụ: sao chép dữ liệu, ghi nhãn sai mẫu]
- Lỗi tính toán
- Trộn mẫu và/hoặc thuốc thử
- Cỡ mẫu sai
- Lỗi trong thiết lập hệ thống, vận hành thiết bị hoặc làm sạch [ví dụ: không xóa bong bóng khỏi các dòng]
Sự kết hợp giữa đào tạo người dùng, tuân thủ SOP và các biện pháp nâng cao để truy xuất nguồn gốc và tính toàn vẹn của dữ liệu sẽ giảm đáng kể lỗi quy trình làm việc.
Xử lý mẫu
Lỗi xử lý mẫu có lẽ là nguồn lỗi lớn nhất trong quy trình chuẩn độ. Tính đồng nhất của mẫu, các vấn đề về bảo quản, kích thước mẫu không chính xác và lỗi cân là những ví dụ.
Về kích thước, mẫu phải đủ lớn để mang tính đại diện, tuy nhiên không quá lớn đến mức cần phải đổ đầy buret nhiều lần trong quá trình chuẩn độ. Phép chuẩn độ lý tưởng sẽ cho mức tiêu thụ chất chuẩn độ từ 30 đến 80% thể tích một buret. Nếu tính không đồng nhất đòi hỏi mẫu phải lớn hơn, thì nên sử dụng chất chuẩn độ đậm đặc hơn.
Mẫu cũng phải đủ lớn để các lỗi đo mẫu được giảm thiểu. Điều này thường yêu cầu cân phù hợp và đảm bảo rằng cỡ mẫu vượt quá yêu cầu về trọng lượng mẫu tịnh tối thiểu của cân. Trọng lượng tối thiểu thường là một hệ số của dung sai quy trình bạn mong muốn hoặc cho trước đối với việc cân. Ví dụ: USP41 quy định sai số tối đa cho phép trong kết quả cân là 0,1%. Để đảm bảo cân chính xác, dung sai quy trình riêng lẻ của bạn phải nhỏ hơn từ 2 đến 4 lần để đảm bảo giới hạn an toàn phù hợp. Đối với các ngành không do USP quản lý, 1% là dung sai quy trình điển hình.
Ví dụ, khi chuẩn hóa chất chuẩn độ KF với dinatri tartrat khử nước, thường cần một mẫu 50 mg do các vấn đề về độ hòa tan trong metanol. Để đảm bảo độ không đảm bảo của cân nhỏ hơn 0,1%, cần có cân có khả năng đọc ít nhất 0,01 mg. Tuy nhiên, nếu nước tinh khiết được sử dụng để chuẩn hóa thuốc thử KF và đảm bảo tiêu thụ đủ chất chuẩn độ, thì phải sử dụng 7,5 đến 20 mg nước. Trong trường hợp này, cân có khả năng đọc 0,01 mg có thể không đáp ứng các hướng dẫn của USP về cân chính xác đối với khối lượng mẫu trên 14 mg. Trong trường hợp mẫu chất lỏng, cũng phải sử dụng loại dụng cụ thủy tinh hoặc dụng cụ đo thể tích thích hợp và phải cẩn thận để tránh sai sót khi xử lý. Để giúp giảm thiểu các nguồn lỗi có thể tránh được trong các phương pháp chuẩn độ, hãy tải xuống áp phích miễn phí của chúng tôi để tìm hiểu cách xác định và tránh các lỗi chuẩn độ.
Thuật ngữ cơ bản trong chuẩn độ
Các định nghĩa chuẩn độ sau đây có thể giúp bạn dễ dàng tìm hiểu tất cả những gì bạn cần biết về chuẩn độ.
Chất phân tích: Các loại hóa chất cụ thể trong một mẫu mà hàm lượng hoặc số lượng được xác định bằng phép chuẩn độ.
Kết thúc chuẩn độ: Điểm kết thúc mong muốn hoặc điểm tương đương mà tại đó quá trình chuẩn độ kết thúc và mức tiêu thụ chất chuẩn độ được đánh giá. Nhiều hơn một điểm tương đương có thể xảy ra trong cùng một phép chuẩn độ.
Điểm cuối: Điểm mà tại đó quan sát thấy kết thúc phản ứng chuẩn độ [thường là do sự thay đổi màu hoặc chất chỉ thị chuẩn độ khác]. Để xác định chuẩn độ cùng với điểm cuối của nó đại diện cho kỹ thuật cổ điển.
Điểm tương đương: Điểm tại đó số lượng thực thể [đương lượng] của chất chuẩn độ được thêm vào bằng với số lượng thực thể của chất phân tích mẫu.
Chỉ định: Quy trình theo dõi phản ứng và phát hiện kết thúc chuẩn độ. Nói chung, chỉ báo được thực hiện bằng phép đo điện thế [điện cực] hoặc chỉ thị màu.
Thị sai: Sự khác biệt về vị trí rõ ràng của một vật thể dựa trên đường ngắm của người quan sát. Trong phép chuẩn độ, hiện tượng này phải được xem xét khi quan sát trực quan mặt khum lỏng trong buret.
Chất chuẩn đầu: Một chất được chứng nhận, có độ tinh khiết cao được sử dụng để xác định chính xác nồng độ chất chuẩn độ.
Thu thập tín hiệu: Thu thập tín hiệu là việc theo dõi các hiện tượng vật lý để thu được các giá trị kỹ thuật số hoặc số tại các điểm nhất định [chẳng hạn như điểm kết thúc thử nghiệm chuẩn độ hoặc điểm tương đương].
Tiêu chuẩn hóa: Việc sử dụng một chất hóa học tham chiếu có độ tinh khiết cao [tiêu chuẩn] để xác định nồng độ chất chuẩn độ.
Cân bằng hóa học: Mối quan hệ mol/khối lượng giữa thuốc thử và sản phẩm trong phép chuẩn độ. Thuốc thử chuẩn độ phản ứng theo các mối quan hệ cố định, vì vậy nếu biết lượng chất phản ứng riêng biệt, lượng sản phẩm có thể được tính toán. Nếu biết lượng của một chất phản ứng và lượng sản phẩm có thể được xác định, lượng chất phản ứng khác cũng có thể được tính toán.
Chất chuẩn độ: Dung dịch của một loại thuốc thử hóa học nào đó đã được chuẩn hóa về nồng độ để có thể dùng để chuẩn độ chính xác.
Chuẩn độ: Một phân tích hóa học định lượng trong đó một lượng xác định chất chuẩn độ phản ứng định lượng với hợp chất mẫu được phân tích. Từ thể tích chất chuẩn độ tiêu thụ, lượng hợp chất mẫu được tính toán dựa trên phép cân bằng hóa học của phản ứng xét nghiệm. Còn được gọi là phép đo thể tích hoặc chuẩn độ.
Đường cong chuẩn độ: Đường cong chuẩn độ minh họa tiến trình định tính của phép chuẩn độ. Đường cong thường sử dụng thể tích của chất chuẩn độ làm biến độc lập và dung dịch làm biến phụ thuộc. Một đường cong cho phép đánh giá nhanh phương pháp chuẩn độ. Các đường cong có bốn dạng: đối xứng, không đối xứng, tối thiểu/tối đa và được phân đoạn.
Chu trình chuẩn độ: Chu trình được thực hiện và lặp lại cho đến khi đạt đến điểm cuối hoặc điểm tương đương của phản ứng chuẩn độ. Chu kỳ chuẩn độ bao gồm chủ yếu bốn bước: thêm chất chuẩn độ, phản ứng chuẩn độ, thu nhận tín hiệu và đánh giá.
Phương trình chuẩn độ: Một loạt các công thức chuẩn độ cho phép tính toán khối lượng mol của mẫu rắn, nồng độ của dung dịch axit và bazơ, nồng độ của dung dịch pha loãng và lượng chất chuẩn độ tiêu thụ sau khi chuẩn độ trực tiếp. Để dễ dàng tính toán kết quả chuẩn độ, hãy truy cập Máy tính chuẩn độ của chúng tôi .
Lý thuyết chuẩn độ: Lý thuyết chuẩn độ khám phá việc xác định sản phẩm liên quan đến nồng độ của nó bằng cách quan sát phản ứng chuẩn độ bằng phương pháp vật lý hoặc điện hóa. Biết nồng độ chính xác của một loài, sản phẩm hoặc chức năng hóa học giúp đảm bảo hiệu quả của quy trình và/hoặc chất lượng sản phẩm.