nghiên cứu ứng dụng phần mềm matlab để tính ph của các hệ axit-bazơ phức tạp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM




Tạ Văn Thành



NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ TÍNH PH
CỦA CÁC HỆ AXIT – BAZƠ PHỨC TẠP

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 60440118




LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA PHÂN TÍCH



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. TẠ THỊ THẢO

Thái Nguyên, năm 2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC BẢNG v
Lời cảm ơn v
MỞ ĐẦU 1
PHẦN I: TỔNG QUAN 3
1.1.Phƣơng pháp xác định nồng độ các cấu tử trong dung dịch 3
1.2. Khái niệm axit – bazơ 3
1.2.1. Thuyết axit – bazơ của Bronsted 3
1.2.2. Thuyết axit – bazơ

của Lewis: 4
1.3. Tích số ion của nƣớc 4
1.4. Cƣờng độ của axit và bazơ. Hằng số axit Ka và hằng số bazơ Kb 4
1.5. Quan hệ giữa hằng số axit và hằng số bazơ của một cặp axit-bazơ liên
hợp. 5
1.6. Thang pH và pOH: 6
1.7. Vấn đề chung về chất điện li trong dung dịch 6
1.7.1. Chất điện li và sự điện li. 6
1.7.2. Độ điện li và hằng số điện li. 6
1.8. Những định luật cơ bản để tính toán pH trong dung dịch axit- bazo 7
1.8.1. Định luật bảo toàn nồng độ 7
1.8.2. Định luật bảo toàn điện tích 7

1.8.3. Định luật tác dụng khối lượng 7
1.8.4. Định luật bảo toàn proton ( điều kiện proton) 7
1.9. Phƣơng pháp phân tích thể tích 8
1.9.1. Phương pháp điều chế các dung dịch 8
1.9.2. Nguyên tắc của phương pháp phân tích thể tích 9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1.9.3. Phản ứng dùng trong phân tích thể tích 10
1.9.4. Các phương pháp chuẩn độ 10
1.10. Sơ lƣợc về phần mềm MATLAB 11
PHẦN II: THỰC NGHIỆM……………………………………………. 16
2.1. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu……………………… 16
2.2. Hóa chất và dụng cụ 16
2.3. Tiến hành thực nghiệm 17
2.3.1. Pha chế dung dịch 17
2.3.2. Chuẩn độ thể tích xác định nồng độ các dung dịch 18
2.3.3. Pha loãng các dung dịch và pha chế hỗn hợp các axit, bazơ.
Đo pH 20
PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28
3.1. Xây dựng thuật toán tính pH của một số hệ axit – bazơ. 28
3.1.1. Dung dịch các đơn axit – bazơ 29
3.1.2. Dung dịch của các hỗn hợp axit – bazơ 37
3.1.3. Dung dịch các đa axit – bazơ 43
3.2. Đánh giá sai khác giữa giá trị tính toán và thực nghiệm 46
3.2.1. Sự sai khác giá trị pH tính toán và thực nghiệm với dung dịch
axit mạnh HCl 46
3.2.2. Sự sai khác giá trị pH tính toán và thực nghiệm với dung dịch
axit mạnh NaOH 47

3.2.3. Sự sai khác giá trị pH tính toán và thực nghiệm với dung dịch
axit yếu CH3COOH 47
3.2.4. Sự sai khác giá trị pH tính toán và thực nghiệm với dung dịch
bazơ yếu NH3 có nồng độ khác nhau. 48
3.2.5. Sự sai khác giá trị pH tính toán và thực nghiệm với dung dịch
đa axit H3PO
4
. 48

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


3.2.6. Kết quả tính pH từ chương trình tính Matlab và kết quả đo pH
từ thực nghiệm đối với dung dịch hỗn hợp đơn axit mạnh HCl và đơn axit
yếu CH3COOH có nồng độ khác nhau. 49
3.2.7. Kết quả tính pH từ chương trình tính Matlab và kết quả đo pH
từ thực nghiệm đối với dung dịch hỗn hợp đơn bazơ mạnh NaOH và đơn
bazơ yếu CH3COONa có nồng độ khác nhau. 50
3.2.8. Kết quả tính pH từ chương trình tính Matlab và kết quả đo pH
từ thực nghiệm đối với dung dịch hỗn hợp đệm axetat CH3COOH và
CH3COONa có nồng độ khác nhau. 50
3.2.8. Kết quả tính pH từ chương trình tính Matlab và kết quả đo pH
từ thực nghiệm đối với dung dịch hỗn hợp đệm amoni NH4Cl và NH4OH
có nồng độ khác nhau. 51
KẾT LUẬN 51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: kết quả xác định nồng độ dung dịch: NaOH; HCl; CH
3
COOH
và NH
4
OH bằng phương pháp chuẩn độ thể tích 20
Bảng 2: Kết quả đo pH của các dung dịch đơn axit mạnh HCl có nồng
độ khác nhau. 21
Bảng 3: Kết quả đo pH của các dung dịch đơn bazơ mạnh NaOH có
nồng độ khác nhau: 21
Bảng 4: Kết quả đo pH của các dung dịch đơn axit yếu CH
3
COOH có
nồng độ khác nhau: 22
Bảng 5: Kết quả đo pH của các dung dịch đơn bazơ yếu NH
3
có nồng
độ khác nhau: 22
Bảng 6: Kết quả đo pH của các dung dịch đa axit yếu H3PO4 có nồng
độ khác nhau: 23
Bảng 7: Kết quả đo pH của dung dịch các hỗn hợp đơn axit mạnh HCl
và đơn axit yếu CH3COOH có nồng độ khác nhau. 23
Bảng 8: Kết quả đo pH của dung dịch các hỗn hợp đơn bazơ mạnh
NaOH và đơn bazơ yếu CH3COONa có nồng độ khác nhau. 25
Bảng 9: Kết quả đo pH của dung dịch các hỗn hợp đệm axit
CH3COOH và đơn bazơ yếu CH3COONa có nồng độ khác nhau. 26
Bảng 10: Kết quả đo pH của dung dịch các hỗn hợp đệm amoni NH4Cl
và NH4OH có nồng độ khác nhau. 27
Bảng 11: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch HCl có nồng độ
khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 46

Bảng 12: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch NaOH có
nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 47

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Bảng 13: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch axit yếu CH3COOH
có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 47
Bảng 14: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch bazơ yếu NH3 có
nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 48
Bảng 15: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch đa axit H3PO4 có
nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo lý thuyết 48
Bảng 16: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch đơn axit mạnh
HCl và đơn axit yếu CH3COOH có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và
tính toán theo lý thuyết 49
Bảng 17: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch đơn bazơ mạnh
NaOH và đơn bazơ yếu CH3COONa có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm
và tính toán theo lý thuyết 50
Bảng 18: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch đệm axetat
CH3COOH và CH3COONa có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính
toán theo lý thuyết 50
Bảng 19: So sánh kết quả xác định pH của dung dịch đệm amoni
NH4Cl và NH4OH có nồng độ khác nhau bằng thực nghiệm và tính toán theo
lý thuyết 51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Lời cảm ơn
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS.

Tạ Thị Thảo đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian
thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn phân tích, trong
khoa đã tạo điều kiện và giúp đỡ em thực hiện đề tài này.
Tôi cũng xin cảm ơn các anh chị, các bạn sinh viên phòng thí nghiệm
hoá phân tích đã động viên, trao đổi và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực
hiện đề tài này.

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 03 năm 2013
Học viên
Tạ Văn Thành














Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Matlab

để tính pH của các hệ axit – bazơ phức tạp” là do bản thân tôi thực hiện. Các
số liệu, kết quả trong đề tài là trung thực. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách
nhiệm.


Thái Nguyên, tháng 05 năm 2013

Tác giả luận văn


Tạ Văn Thành



Xác nhận của
chủ tịch hội đồng
bảo vệ

Xác nhận của
khoa chuyên môn


Xác nhận của
giáo viên hƣớng dẫn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


MỞ ĐẦU
Phản ứng axit – bazơ là phản ứng rất quan trọng cả về mặt nghiên
cứu lý thuyết và mặt ứng dụng hóa học vào thực tiễn.
Phần lớn các phản ứng hóa học đều được diễn ra trong dung dịch
nước, đối với dung dịch nước do trong thành phần dung dịch luôn có sự
hiện diện của ion H
+
và OH
-
. Sự có mặt thường xuyên của hai ion này trong
thành phần dung dịch đã gây ra những ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp
đến các cân bằng khác trong dung dịch.
Tính axit hay bazơ của dung dịch có ảnh hưởng rất lớn đến các quá
trình xảy ra trong dung dịch như khả năng tạo phức của ion kim loại, phản
ứng oxi hóa – khử, khả năng bị thuỷ phân của các ion kim loại …
Do đó, việc tính toán giá trị trong dung dịch axit – bazơ giữ vai trò quan
trọng không chỉ đối với hóa phân tích mà cả với hóa học nói chung. Tuy nhiên
việc tính toán giá trị pH trong dung dịch axit – bazơ là khá phức tạp.
Trước đây, để xác định giá trị pH của hệ axit – bazơ phức tạp, chúng ta
phải xây dựng phương trình phức tạp nhưng rất khó khăn để tìm ra nghiệm
nên phải đưa ra điều kiện để phương trình phức tạp trở thành một phương
trình rút gọn hơn.
Để giải quyết vấn đề này, ở Việt Nam trong nhiều năm gần đây đã có

một số công trình nghiên cứu lý thuyết kết hợp với ứng dụng công nghệ thông
tin vào hóa phân tích để lập các chương trình tính pH của các dung dịch axit –
bazơ nhưng dùng phần mềm Pascal để lập trình tính toán. Phần mềm này đòi
hỏi người sử dụng phải rất am hiểu về toán học mới có thể lập trình, đồng thời
cũng mất rất nhiều thời gian để sử dụng. Thay vào đó, phần mềm Matlab là
phần mềm rất mạnh về các phép tính được sử dụng trong tất cả các ngành

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


khoa học nghiên cứu về xã hội, tự nhiên cũng như ứng dụng thực tế. Trong
lĩnh vực điện tử viễn thông, xây dựng, kinh tế,… nhiều công trình nghiên cứu
đã sử dụng phần mềm Matlab. Tuy nhiên chưa có công trình nào tính toán pH
của các hệ axit bazơ phức tạp sử dụng phần mềm Matlab.
Trên cơ sở đó, chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng phần
mềm MATLAB để tính pH của các hệ axit- bazơ phức tạp”. Việc sử dụng
phần mềm Matlab kết hợp với các kĩ thuật tính toán, thống kê mở ra khả năng
phân tích nhanh, rẻ tiền.
Trong khuôn khổ của một luận văn, chúng tôi đặt ra các nhiệm vụ như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết về pH của các dung dịch axit – bazơ để đưa ra
các thuật toán, công thức tính pH của một số hệ axit – bazơ phức tạp.
- Pha dãy dung dịch chuẩn của các dung dịch chứa đồng thời các chất
cần phân tích. Chuẩn độ để xác định nồng độ chính xác của các dung dịch đã
pha chế.
- Đo pH của dãy các dung dịch đã pha chế để kiểm tra tính chính xác
của chương trình tính toán pH của các dung dịch axit-bazơ dựa trên phần
mềm matlab.
- Sử dụng phần mềm Matlab để lập chương trình tính pH của các hệ
axit – bazơ phức tạp.
- Kiểm tra lại kết quả tính toán trên chương trình Matlab so với kết quả

thực nghiệm.







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



PHẦN I: TỔNG QUAN
1.1. Phƣơng pháp xác định nồng độ các cấu tử trong dung dịch
Việc nghiên cứu xác định nồng độ các cấu tử trong dung dịch bằng
phương pháp ứng dụng phần mềm tin học như: matlab, pascal…được rất
nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu.
Trên thế giới, phần lớn các công trình nghiên cứu xác định đồng thời
các cấu tử trong hỗn hợp đều ứng dụng phần mềm pascal, matlab để tính toán
kết quả và xử lý số liệu. Nhóm tác giả [13] đã đưa ra được chương trình tính
pH trong dung dịch có nhiều axit hoặc bazo dựa trên phần mềm GW- BASIC
và cho kết quả rất tốt. Nhóm tác giả [11] đã tính pH một số dung dịch đệm
dựa trên phần mềm MATLAB.
Ở Việt Nam, có nhiều tác giả nghiên cứu xác định nồng độ các cấu tử
dựa trên các phần mềm Matlab, Pascal. Nhóm tác giả [4],[5] đã tính toán
thành phần cân bằng trong hệ axit – bazơ phức tạp. Tác giả [9] trên cơ sở
phần mềm pascal đã tính hằng số cân bằng của một số axit bazo từ giá trị pH.
1.2. Khái niệm axit – bazơ
1.2.1. Thuyết axit – bazơ của Bronsted
Định nghĩa axit bazơ của Bronsted

Axit là chất có khả năng cho proton và bazơ là chất có khả năng nhận proton.
Mỗi axit sau khi cho một proton trở thành một bazơ gọi là bazơ liên hợp
với axit đó. Một cặp axit – bazơ liên hợp được biểu diễn bằng hệ thức sau:
Axit
 
 
H
+
+ bazơ
Proton không có khả năng tồn tại ở trạng thái tự do, vì vậy một chất chỉ
thể hiện rõ tính axit hoặc bazơ trong một dung môi có khả năng nhận hoặc
cho proton.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Nước là dung môi vừa có khả năng cho vừa có khả năng nhận proton,
nên các bazơ và axit có thể thể hiện tính chất của chúng trong nước. [2]
Bazơ + H
2
O
 
 
Axit + OH
-

1.2.2. Thuyết axit – bazơ

của Lewis:
Một thuyết tổng quát hơn nữa về axit – bazơ được G.N.Lewis đưa ra.

Theo thuyết Lewis:
o Axit là chất có khả năng nhận thêm một hay nhiều cặp electron
của chất khác để hình thành liên kết cộng hóa trị mới.
o Bazơ là chất có khả năng nhường một hay nhiều cặp electron
chưa liên kết cho chất khác để tạp thành liên kết cộng hóa trị mới.[2]
1.3. Tích số ion của nƣớc
Nước là một dung môi tự proton phân, tức là nó vừa là một axit vừa là
một bazơ
H
2
O + H
2
O
 
 
H
3
O
+
+ OH
-

Hằng số cân bằng của phản ứng đó là:

3
2
2
[ ][ ]
[]
H O OH

K
HO



Nước phân li rất ít, [H2O] được coi là hằng số, vậy:

2
2
23
[ ] [ ][ ]
HO
K H O K H O OH



2
HO
K
được gọi là tích số ion của nước. Nó là một hằng số, chỉ phụ thuộc
vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào nồng độ của các ion H
+
và OH
-
trong dung
dịch nước. Ở 25
0
C tích số ion của nước
2
HO

K
= 10
-14
. Người ta thường dùng
p
2
HO
k
= - lg
2
HO
k
= 14.
1.4. Cƣờng độ của axit và bazơ. Hằng số axit Ka và hằng số bazơ Kb
Một axit khi được hòa tan vào nước sẽ nhường proton cho nước theo
phản ứng:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


A + H
2
O
 
 
B + H
3
O
+
(1.1)

Trong đó, A là axit, B là bazơ liên hợp với A. Công thức H3O+ chỉ
proton bị hidrat hóa và được gọi là hidroni hoặc oxoni.
Axit càng mạnh tức là nhường proton cho nước càng nhiều, tức
là hằng số cân bằng:

3
2
[ ][H ]
[ ][ ]
BO
K
A H O



của cân bằng (1.1) đó càng lớn.
Nồng độ của nước, H
2
O xấp xỉ bằng 1000/15 = 55,5 M là tương đối lớn
so với nồng độ cân bằng của các ion và phân tử khác trong dung dịch, nên có
thể coi không đổi và ta có thể viết:
K[H
2
O] =
3
[ ][ ]
[]
a
B H O
K

A



Ka được gọi là hằng số axit và biểu thị cường độ của axit, vì Ka càng
lớn, axit càng mạnh. [2]
Một bazơ khi được hòa tan trong nước sẽ nhận proton của nước theo
phản ứng:
B + H
2
O
 
 
A + OH
-
(1.2)

2
[ ][OH ]
[]
[]
b
A
K H O K
B



Kb được gọi là hằng số bazơ và biểu thị cường độ của bazơ.
1.5. Quan hệ giữa hằng số axit và hằng số bazơ của một cặp axit-

bazơ liên hợp.
Giả sử A là axit và B là bazơ liên hợp với A. Nhân các hằng số K
a
và
K
b
với nhau, ta có:

2
3
3
[ ][ ][A][ ]
. [ ][ ]
[ ][ ]
a b H O
B H O OH
K K H O OH K
AB


  


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hoặc: pKa + pKb = p
2
HO
k

=14 ở 25
0
C
1.6. Thang pH và pOH:
Do nồng độ H+ trong dung dịch nước thường là nhỏ, nên người ta đưa
ra định nghĩa pH và pOH để đánh giá tính axit – bazơ của một dung dịch cho
tiện lợi. pH và pOH của một dung dịch được định nghĩa như sau:
pH = -lg[H
+
] và pOH = -lg[OH
-
]
Vì: [H
+
][OH
-
] = 10
-14
=> pH + pOH = 14
o Đối với dung dịch trung tính [H
+
] = [OH
-
] nên pH = pOH =7
o Đối với dung dịch axit [H
+
] > [OH
-
] nên pH < pOH
o Đối với dung dịch bazo [H

+
] < [OH
-
]nên pH > pOH
Giá trị pH của một dung dịch có thế được xác định bằng máy đo pH
hay giấy đo pH
1.7. Vấn đề chung về chất điện li trong dung dịch
1.7.1. Chất điện li và sự điện li.
Khi hòa tan các chất có liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị có cực
vào trong dung môi phân cực ( ví dụ: nước, rượu…) thì do sự tương tác với
các phân tử lưỡng cực của dung môi mà các phân tử chất tan sẽ phân li hoàn
toàn hoặc một phần thành các ion mang điện tích trái dấu, tồn tại dạng ion
sonvat hóa ( đối với dung môi nước là ion hidrat hóa). Các chất có khả năng
phân li thành các ion được gọi là chất điện li, và quá trình phân li gọi là quá
trình điện li.
1.7.2. Độ điện li và hằng số điện li.
Để đặc trưng định lượng cho sự phân li của các chất điện li người ta
dựa vào độ điện li α và hằng số điện li K.
1.7.2.1. Độ điện li α
Là tỉ số giữa số mol (n) của chất đã điện li thành ion với tổng số mol
(n0) của chất tan trong dung dịch: (1.3)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1.7.2.2. Hằng số điện li
Xét cân bằng: MX
 
 
M

n+
+ X
n-
K
C
=


1.8. Những định luật cơ bản để tính toán pH trong dung dịch axit- bazo
1.8.1. Định luật bảo toàn nồng độ
- Định luật bảo toàn nồng độ (ĐLBTNĐ) ban đầu: đây là dạng phổ
biến nhất của định luật bảo toàn vật chất thường được áp dụng để tính toán
cân bằng trong các dung dịch.
- Phát biểu định luật: Nồng độ ban đầu của một cấu tử bằng tổng nồng
độ cân bằng của các dạng tồn tại của cấu tử đó có mặt trong dung dịch.
1.8.2. Định luật bảo toàn điện tích
ĐLBTĐT được phát biểu dựa trên nguyên tắc các dung dịch có tính
trung hòa về điện: Tổng điện tích âm của các anion phải bằng tổng điện tích
dương của các cation.
Z
i
= 0
Trong đó, [i] : nồng độ của ion I lúc cân bằng
Z
i
: điện tích của ion i
1.8.3. Định luật tác dụng khối lượng
- Phát biểu định luật: Ở trạng thái cân bằng tỉ số giữa tích của nồng
độ các chất tạo thành sau phản ứng với số mũ thích hợp bằng hệ số tỉ lượng
của nó, trên tích nồng độ của các chất phản ứng với lũy thừa thích hợp là một

hằng số ở nhiệt độ và áp suất đã cho.
1.8.4. Định luật bảo toàn proton ( điều kiện proton)
Đây là trường hợp riêng của ĐLBTNĐ và ĐLBTĐT áp dụng cho các
hệ axit – bazo.
-Phát biểu định luật: Nếu chọn một trạng thái nào đó của dung dịch làm
trạng thái chuẩn (mức không) thì tổng nồng độ proton của các cấu tử ở mức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


không giải phóng ra bằng tổng nồng độ proton mà các cấu tử thu vào để đạt
đến trạng thái cân bằng.
Nói cách khác, nồng độ proton trong dung dịch lúc cân bằng bằng hiệu giữa
tổng nồng độ proton giải phóng ra và tổng nồng độ proton thu vào ở mức không.
[H
+
] =( )
cho
- ( )
nhận

Trạng thái chuẩn (mức không) là trạng thái tùy chọn (trạng thái ban
đầu, trạng thái giới hạn, trạng thái cân bằng,…). Để thuận tiện cho việc tính
toán, người ta thường chọn mức không là trạng thái ở đó nồng độ của các cấu
tử chiếm ưu thế. [2], [3]
1.9. Phƣơng pháp phân tích thể tích
1.9.1. Phương pháp điều chế các dung dịch
1.9.1.1. Chất gốc
Những chất thỏa mãn điều kiện dưới đây và dùng để điều chế các dung
dịch chuẩn được gọi là chất gốc.

- Chất gốc thuộc loại phân tích hoặc tinh khiết hóa học. Lượng tạp chất
trong nó nhỏ hơn 0,1%, nếu lớn hơn phẩn tiến hành tinh chế lại.
- Thành phần hóa học phải ứng đúng với công thức xác định kể cả
nước kết tinh.
- Chất gốc và dung dịch của nó phải bền
- Khối lượng mol phân tử của chất càng lớn càng tốt để giảm sai số
khi điều chế dung dịch chuẩn.
Điều chế dung dịch chuẩn.
- Nếu có chất gốc thì cân một lượng xác định chất đó trên cân phân
tích có độ chính xác 0,1 hoặc 0,2mg, hòa tan định lượng lượng chất trong bình
định mức có dung tích thích hợp rồi pha loãng bằng nước tới vạch định mức.
- Nếu không có chất gốc thì trước hết điều chế dung dịch có nồng độ
gần đúng, sau đó dùng chất gốc hoặc dung dịch chuẩn thích hợp để xác định
lại nồng độ.[6]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1.9.1.2. Điều chế dung dịch từ dung dịch có nồng độ khác
Trong trường hợp không có hóa chất tinh khiết mà chỉ có dung dịch có
nồng độ lớn thì có thể tiến hành điều chế các dung dịch chuẩn bằng cách pha
loãng dung dịch có nồng độ đó thành các dung dịch có nồng độ mong muốn.
Để tiến hành pha loãng cần dùng nước cất và các dụng cụ đo thể tích chính
xác như buret, pipet và các bình định mức.
Nếu C
1
; C
2
và V
1

; V
2
là nồng độ và thể tích dung dịch trước và sau khi
pha loãng, ta có: C
1
.V
1
= C
2
.V
2

Sử dụng phương trình này có thể tính được thể tích các dung dịch khi
tiến hành pha loãng.
1.9.2. Nguyên tắc của phương pháp phân tích thể tích
Phân tích thể tích là phương pháp xác định hàm lượng các chất dựa trên
sự đo thể tích dung dịch thuốc thử đã biết nồng độ chính xác (được gọi là
dung dịch chuẩn) được thêm từ buret vào dung dịch của chất định phân, vừa
tác dụng đủ với tất cả lượng chất định phân đó. Sự thêm từ từ dung dịch
chuẩn bằng buret vào dung dịch chất định phân gọi là sự chuẩn độ. Thời điểm
đã thêm lượng thuốc thử vừa đủ tác dụng hoàn toàn với chất định phân gọi là
thời điểm tương đương. Thời điểm tại đó ta kết thúc chuẩn độ, gọi là thời
điểm cuối. Thông thường thời điểm cuối không trùng với điểm tương đương,
nghĩa là thể tích dung dịch chuẩn đã được thêm vào không bằng thể tích của
nó tác dụng vừa đủ với chất định phân. Vì vậy sự chuẩn độ mắc sai số.
Để nhận biết được điểm tương đương, người ta thường dùng những
chất gây ra những hiện tượng mà ta có thể quan sát được bằng mắt như sự đổi
màu, sự xuất hiện kết tủa làm đục dung dịch xảy ra ở rất gần thời điểm đó.
Những chất đó được gọi là chất chỉ thị. [6]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1.9.3. Phản ứng dùng trong phân tích thể tích
Những phản ứng hóa học dùng trong phân tích thể tích phải thỏa mãn
các yếu tố sau:
- Chất định phân phải tác dụng hoàn toàn với thuốc thử theo một
phương trình phản ứng xác định, nghĩa là theo mottj hệ số tỉ lượng xác định.
- Phản ứng phải xảy ra rất nhanh. Đối với các phản ứng chậm, cần làm
tăng tốc độ của chúng bằng cách đun nóng hoặc dùng chất xúc tác thích hợp.
- Phản ứng phải chọn lọc, tức là thuốc thử chỉ tác dụng với chất định
phân mà không phản ứng với bất kì chất nào khác.
- Phải có chất chỉ thị thích hợp để xác định điểm cuối với sai số chấp
nhận được.
1.9.4. Các phương pháp chuẩn độ
- Chuẩn độ trực tiếp: Thêm từ từ dung dịch chuẩn từ buret vào dung
dịch định phân đựng trong bình nón. Thuốc thử R tác dụng trực tiếp với chất
định phân X:
R + X

Q + Y (1.6)
Dựa vào nồng độ dung dịch chuẩn, thể tích của nó đã tiêu tốn và
phương trình phản ứng (1.6), ta tính được lượng chất X phản ứng.
- Chuẩn độ ngược: Thêm một thể tích chính xác và dư dung dịch
chuẩn vào chất định phân. Sau đó chuẩn độ lượng thuốc thử R còn dư lại bằng
một thuốc thử khác R` thích hợp. Dựa vào thể tích và nồng độ của các dung
dịch chuẩn R và R` và phương trình các phản ứng, ta tính được lượng chất X
hoặc nồng độ của nó. Phương pháp chuẩn độ ngược này thường được sử dụng

để định lượng các chất tham gia các phản ứng xảy ra chậm hoặc không có
chất chỉ thị thích hợp để xác định X bằng phản ứng giữa R và X.
- Chuẩn độ thay thế: Cho chất định phân X tác dụng với một hợp chất
thích hợp khác MY để tạo thành hợp chất MX và giải phóng ra Y:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


X + MY

MX + Y (1.7)
Sau đó chuẩn độ Y bằng dung dịch thuốc thử thích hợp rồi dựa vào
nồng độ và thể tích của nó để tính lượng chất X.
- Chuẩn độ gián tiếp: cách chuẩn độ này dùng để định lượng chất X
không tiến hành chuẩn độ trực tiếp bằng thuốc thử nào đó. Chuyển X vào một
hợp chất thích hợp chứa ít nhất một nguyên tố có thể xác định trực tiếp được
bằng một thuốc thử thích hợp.
- Chuẩn độ phân đoạn: Trong một số trường hợp có thể chuẩn độ lần
lượt các chất X, Y, Z… trong cùng một dung dịch bặng một hoặc hai dung
dịch chuẩn.[6]
1.10. Sơ lƣợc về phần mềm MATLAB
MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi
công ty MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị
hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao tiếp người
dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ
lập trình khác. Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính
toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật.
MATLAB là viết tắt của từ “ Matrix Laboratory”, được phát minh vào
cuối thập niên 1970 bởi Cleve Moler và sau đó là chủ nhiệm khoa máy tinh
tại Đại học New Mexico. MATLAB, nguyên sơ được viết bằng ngôn ngữ

Fortran. Cho đến 1980, nó vẫn chỉ là một bộ phận được dùng nội bộ của Đại
học Standford. Năm 1983, Jack Little một người đã học ở MIT và Standford,
đã viết lại MATLAB bằng ngôn ngữ C và nó được xây dựng them các thư
viện phục vụ cho thiết kế giống hệ thống điều khiển, hệ thống hộp công cụ
(Toolbox), mô phỏng… Jack xây dựng MATLAB trở thành mô hình ngôn
ngữ lập trình cơ sở ma trận (matrix-based programming language).Steve
Bangert là người đã thực hiện trình thông dịch cho MATLAB. Sau này, Jack

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Little kết hợp với Moler và Steve Bangert quyết định đưa MATLAB thành dự
án thương mại – công ty The Math Words ra đời thời gian này – năm 1984.
MATLAB gồm 5 phần chính:
o Ngôn ngữ MATLAB: đây là ngôn ngữ ma trận/ mảng cấp cao để
điều khiển các câu lệnh, các hàm, cấu trúc dữ liệu, nhập/ xuất và các đặc tính
lập trình hướng đối tượng. Nó cho phép cả hai lập trình nhỏ để tạo các
chương trình phức tạp và bao quát.
o Môi trường làm việc MATLAB: Đây là một bộ công cụ và những
thành phần tiện ích để sử dụng như những người sử dụng hoặc các lớp lập
trình viên MATLAB. Chúng bao gồm những đối tượng tiện ích được dùng để
quản lí các thay đổi trong môi trường làm việc cũng như nhập và xuất các dữ
liệu. Ngoài ra, chúng cũng bao gồm nhưng công dụng vào việc khai phá, quản
lí, gỡ rối và tạo các tập tin nén M-files, các trình ứng dụng của MATLAB.
o Đồ hình: Đây là hệ thống đồ họa của MATLAB. Chúng bao gồm
các lệnh cao cấp cho các dữ liệu hiện hữu hai chiều hoặc ba chiều xử lí hình
ảnh, chuyển động và những đối tượng hình ảnh giới thiệu. Ngoài ra chúng
cũng bao gồm các lệnh cấp thấp cho phép chúng ta hoàn toàn sở thích hóa
tính hiển thị của các đối tượng hình ảnh cũng như thiết kế những giao diện
hình ảnh trong chương trình đồ họa.

o Thư viện hàm toán học MATLAB: Đấy là một sự lựa chọn của
các chương trình toán từ những công thức cơ bản như sin, cos, số phức cho
đến các hàm toán học phức tạp hơn như ma trận…
o Trình giao diện ứng dụng MATLAB (API): Đây là một chương
trình giao diện cho phép lập các chương trình ứng dụng theo ngôn ngữ C hoặc
FORTRAN để tương tác với MATLAB. Chúng bao gồm những thành phần
tiện ích để gọi các đại lượng từ MATLAB (liên kết động), triển khai
MATLAB khi tính toán kỹ thuật cũng như lập và đọc các tập tin MAT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Có thể hình dung đơn giản về MATLAB là nó có đầy đủ các đặc điểm
của máy tính cá nhân: giống như các máy tính cơ bản, nó làm tất cả các phép
toán học cơ bản như cộng, trừ, nhân, chia giống như máy tính kỹ thuật, nó bao
gồm: số phức, căn thức, số mũ, logarit, các phép toán lượng giác như sin,
cosin, tang; nó cũng như máy tính có khả năng lập trình, có thể lưu trữ, tìm
kiếm lại dữ liệu,cũng có thể tạo, bảo vệ và ghi trình tự các lệnh để tự động
phép toán khi giải quyết các vấn đề, có thể so sánh logic, điều khiển thực hiện
lệnh để đảm bảo tính đúng đắn của phép toán. Giống như các máy tính hiện
đại nhất, nó cho phép biểu diễn dữ liệu dưới nhiều dạng như: biểu diễn thông
thường, ma trận đại số, các hàm tổ hợp và có thể thao tác với dữ liệu thường
cũng như đối với ma trận. Trong thực tế MATLAB còn ứng dụng rất rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực và nó cũng sử dụng rất nhiều các phép tính toán học. Với
những đặc điểm đó và khả năng thân thiện với người sử dụng nên nó dễ dàng
sử dụng hơn các ngôn ngữ khác như Basic, Pascal, C.
Matlab là chương trình phần mềm trợ giúp cho việc tính toán và hiển
thị. Nó có thể chạy trên hầu hết các hệ máy tính, từ máy tính cá nhân đến các
hệ super computer. Matlab được điều khiển bằng tập các lệnh, tác động qua
bàn phím trên cửa sổ điều khiển. Nó cũng cung cấp khả năng lập trình với cú

pháp dịch lệnh còn gọi là scrip file.
Các lệnh của Matlab rất hiệu quả, nó cho phép giải các loại hình
tính toán khác nhau và đặc biệt hữu dụng cho các hệ phương trình tuyến tính
hoặc tính toán với hàm toán học phức tạp.
Ngoài ra, Matlab còn có thể xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ hoạ một
cách mềm dẻo, đơn giản và chính xác trong không gian 2 chiều cũng như 3
chiều, kể cả khả năng tạo hoạt cảnh cho những mô tả sinh động, bởi những
công cụ như các tệp lệnh ngày càng được mở rộng bởi 25 thư viện trợ giúp
(Toolboxs) và bản thân các hàm ứng dụng được tạo lập bởi người sử dụng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Không cần nhiều đến kiến thức về máy tính cũng như các kĩ thuật lập trình
phức tạp, mà chỉ cần đến những hiểu biết cơ bản về lý thuyết số, toán ứng
dụng, phương pháp tính và khả năng lập trình thông dụng, người sử dụng có
thể dùng Matlab như công cụ hữu hiệu cho lĩnh vực chuyên ngành của mình.
Đối với hoá học phân tích, việc ứng dụng tiện ích của hàm M- file
giúp tính toán dễ dàng và thuận tiện, do chỉ cần nhập đúng hàm và Matlab sẽ
cho ra kết quả của hàm.
* Các quy luật và thuộc tính của hàm M - file:
- Tên hàm và tên file phải là một ví dụ hàm flipud, file lưu là flipud.m
- Lần đầu tiên Matlab thực hiện hàm M- file nó sẽ mở file văn bản
tương ứng và dịch lệnh của file đó ra một dạng mã lưu trong bộ nhớ nhằm
mục điách tăng tốc độ thực hiện các lời gọi.
- Việc thi hành hàm M- file sẽ kết thúc khi gặp dòng cuối cùng của file
đó hoặc gặp dòng lệnh return. Lệnh return giúp ta kết thúc một hàm mà không
cần phải thi hành hết các lệnh của hàm đó.
- Hàm Erro của Matlab sẽ hiển thị một chuỗi lên cửa sổ lệnh và dừng
thực hiện hàm, trả điều khiển về cho cửa sổ lệnh và bàn phím.

- Một M- file có thể chứa nhiều hàm. Hàm chính trong M- file này phải
đặt trùng với tên của M- file như đề cập đến ở trên. Các hàm khác được khai
báo thông qua câu lệnh function được viết sau hàm đầu tiên.
- Các dòng ghi lời chú thích cho tới dòng đầu tiên không phải là chú thích
trong hàm M- file là những dòng văn bản nó sẽ hiện ra khi sử dụng lệnh help.
- Mỗi hàm có một không gian làm việc riêng tách biệt so với môi
trường MATLAB, mỗi quan hệ giữa biến và hàm với môi trường MATLAB
là các biến vào và ra của hàm đó. Nếu trong thân hàm giá trị bị thay đổi thì sự
thay đổi này chỉ tác động bên trong của hàm đó mà không làm ảnh hưởng đến
các biến của môi trường MATLAB. Các biến được tạo ra bên trong hàm thì

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


chỉ nằm trong không gian làm việc của hàm đó và được giả phóng khi hàm
kết thúc. Vì vậy, không thể sử dụng thông tin của lần trước gọi cho lần sau.
- Số các tham số vào và ra khi một hàm được gọi thì chỉ có tác dụng
bên trong hàm đó, biến nargin chứa tham số đa vào, biến narout chứa các
tham số đưa ra. Thường dùng biến narin hơn biến narout.
- Các hàm có thể dùng chung các biến với các hàm khác với môi trường
Matlab là có thể đệ quy nếu như các biến được khai báo là toàn cục.[4];[8]
Đặc biệt, phần mềm này có các hàm toán học dành riêng để thiết
lập các chương trình tính toán, người sử dụng có thể tạo ra vô số các chương
trình sao cho phù hợp với mục đích sử dụng.
Với những ưu điểm nổi trội như vậy, Matlab có thể giải quyết mọi
vấn đề tính toán trong hoá phân tích. [8],[10]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


PHẦN II: THỰC NGHIỆM
2.1. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
2.1.1. Nội dung nghiên cứu
Mục đích của khoá luận là nghiên cứu ứng dụng phần mềm
Matlab để tính toán pH trong hỗn hợp axit – bazơ.
Nội dung của khoá luận tập trung vào các vấn đề sau:
- Nghiên cứu lý thuyết về pH của các dung dịch axit – bazơ để đưa ra
các thuật toán, công thức tính pH của một số hệ axit – bazơ phức tạp.
- Nghiên cứu lập trình chương trình tính toán pH của một số hệ axit –
bazơ dựa trên phần mềm matlab.
- Pha dãy dung dịch chuẩn của các dung dịch chứa đồng thời các chất
cần phân tích. Chuẩn độ để xác định nồng độ chính xác của các dung dịch đã
pha chế.
- Đo pH của dãy các dung dịch đã pha chế để kiểm tra tính chính xác
của chương trình tính toán pH của các dung dịch axit-bazơ dựa trên phần
mềm matlab.
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về pH của các dung dịch axit – bazơ để đưa ra
các thuật toán, công thức tính pH của một số hệ axit – bazơ phức tạp.
- Sử dụng phần mềm Matlab để lập chương trình.
- Kiểm tra lại kết quả tính toán trên chương trình Matlab so với kết quả
thực nghiệm thông qua giá trị sai số tương đối.
2.2. Hóa chất và dụng cụ
 H
2

C
2
O
4
.2H
2
O, độ tinh khiết 99,5%
 HCl,35-37%, d=1,18g/ml
 NaOH, độ tinh khiết 96%

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


 H
3
PO
4
, 85% , d=1,69g/ml
 CH
3
COOH, 99%, d =1,05g/ml
 NH
4
OH, 25-28%, d = 0,91g/ml
 NH
4
Cl,độ tinh khiết 99,5%
 CH
3
COONa, độ tinh khiết 99%

 Phenolphtalein
 Cân phân tích ( độ chính xác 0,0001g)
 Bình định mức 25ml; 250ml
 Cốc thủy tinh
 Buret, pipet, bình hình nón
 Máy đo pH
2.3. Tiến hành thực nghiệm
2.3.1. Pha chế dung dịch
- Cân chính xác 0,6289g H
2
C
2
O
4
.2H
2
O rồi pha vào bình định mức
100ml bằng nước cất 2 lần. Nồng độ của dung dịch axit thu được là:
0
0,6289 1000
. 0,0498
126,07 100
CM

- Cân một lượng NaOH là 0,5g rồi pha loãng thành 250ml bằng
nước cất 2 lần. Dùng dung dịch axit oxalic (0,0498M) để chuẩn dung dịch
chuẩn NaOH
Dùng pipet lấy chính xác 10 ml dung dịch HCl đặc rồi pha loãng thành
250ml bằng nước cất 2 lần. Sau đó dùng dung dịch NaOH vừa chuẩn hóa ở
trên xác định chính xác nồng độ của HCl

- Dùng pipet lấy chính xác 1 ml dung dịch CH
3
COOH đặc pha
loãng thành 250ml bằng nước cất 2 lần. Sau đó dùng dung dịch NaOH đã
chuẩn hóa ở trên xác định chính xác nồng độ CH
3
COOH bằng chỉ thị
phenolphthalein.