giáo trình thí nghiệm hoá lý kỹ thuật

tài liệu giáo trình thí nghiệm hoá lý kỹ thuật giáo trình thí nghiệm hoá lý kỹ thuậtgiáo trình thí nghiệm hoá lý kỹ thuậtgiáo trình thí nghiệm hoá lý kỹ thuật

CÂN BẰNG LỎNG – LỎNG

- Khảo sát sự hòa tan tương hỗ của 2 chất lỏng hòa tan có giới hạn

- Xây dựng giản đồ pha nhiệt độ – thành phần (T-x) của hệ.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC

II.1 Sự hoà tan của hai chất lỏng (lỏng trong lỏng)

Khi cho hai chất lỏng trộn lẫn vào nhau mà giữa chúng không xảy ra phản ứng hóa học thì có thể xảy ra các trường hợp sau:

1- Hai chất lỏng hòa tan lẫn vào nhau không có giới hạn theo mọi tỉ lệ: hệ hòa tan vô hạn

Ví dụ như hệ hexan – heptan, etanol – nước, benzen – axeton…

2- Hai chất lỏng không hòa tan vào nhau: hệ hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn Ví dụ: hệ dầu – nước, benzen – nước, thủy ngân – nước …

Trong hệ hai chất lỏng hòa tan, sự hòa tan chỉ xảy ra đến một giới hạn nhất định Ví dụ điển hình cho điều này là các hệ như phenol – nước, butanol – nước và anilin – nước, nơi mà khả năng hòa tan của các chất lỏng này bị giới hạn.

II 2 Hệ hai chất lỏng hoà tan có giới hạn

Sự hòa tan có giới hạn của hai chất lỏng phụ thuộc vào mối quan hệ giữa năng lượng chuyển động nhiệt trung bình của phân tử (Q) và công cần thực hiện để chuyển phân tử qua bề mặt phân pha (A) Khi năng lượng Q lớn hơn công A, hai chất lỏng dễ dàng hòa tan vào nhau Ngược lại, nếu công A lớn hơn năng lượng Q, chúng sẽ không hòa tan.

Giá trị của công A chuyển pha càng lớn thì độ hòa tan của hai chất lỏng càng nhỏ

II.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hoà tan có giới hạn:

Khi hai chất lỏng không tương tác, độ hòa tan của chúng sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng Điều này xảy ra vì độ hòa tan phụ thuộc vào chuyển động nhiệt của các phân tử; khi nhiệt độ cao, chuyển động này mạnh mẽ hơn, giúp các phân tử dễ dàng hòa tan vào nhau.

Khi hai chất lỏng tương tác, nhiệt độ tăng sẽ làm giảm độ hòa tan của chúng Ở dạng phân tử đơn chất, chúng khó hòa tan vào nhau, nhưng khi tương tác, chúng tạo thành các phân tử liên kết và dễ hòa tan hơn Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng, quá trình phân ly các phân tử liên hợp diễn ra thuận lợi, dẫn đến việc giảm độ tan của chúng.

Khi nhiệt độ tăng hoặc giảm đến một mức nhất định, hai chất lỏng sẽ hòa tan hoàn toàn vào nhau Mức nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ tới hạn, trong đó trường hợp (1) là nhiệt độ tới hạn trên và trường hợp (2) là nhiệt độ tới hạn dưới.

Có những hệ có cả nhiệt độ giới hạn trên và nhiệt độ giới hạn dưới, ví dụ như hệ nước – nicôtin

II.2.2 Giản đồ pha nhiệt độ - thành phần (T-x) của hệ 2 cấu tử hoà tan có giới hạn:

Hệ phenol – nước (hình 1) là một ví dụ về hệ có giới hạn trên

Ta xét hệ ở nhiệt độ cố định:

Khi phenol được thêm vào nước, nó tan hoàn toàn, tạo thành một pha đồng nhất Tuy nhiên, nếu tiếp tục thêm phenol, sẽ đến một thời điểm mà nó không còn tan nữa, dẫn đến sự phân tách thành hai lớp.

(hay hai pha): lớp phenol bão hòa nước (ở dưới) và lớp nước bão hòa phenol (ở trên) Hai lớp chất lỏng này tạo thành dung dịch liên hợp

Do chúng là hệ dị thể với bề mặt phân chia pha, khi hai pha bị phân tán thành các giọt nhỏ, hệ sẽ trở nên vẩn đục.

Khi thêm phenol vào hỗn hợp, sẽ có thời điểm hai chất lỏng hòa tan hoàn toàn, đưa hệ trở lại trạng thái đồng thể.

Giản đồ pha của hệ được thể hiện qua hình 2, với giản đồ pha thành phần - nhiệt độ (T–x) mô tả sự thay đổi trạng thái của hệ khi nhiệt độ biến đổi, tương ứng với các hỗn hợp có thành phần khác nhau.

Trên giản đồ, ta thấy có hai vùng:

Vùng gạch chéo biểu thị cho hệ dị thể, nơi mà hai cấu tử chỉ hòa tan vào nhau trong giới hạn nhất định Hệ này tạo ra dung dịch liên hợp với hai pha cân bằng.

- Vùng còn lại ứng với hệ đồng thể Trong vùng này, 2 chất lỏng hòa tan hoàn toàn vào nhau tạo thành 1 pha duy nhất

Để xác định trạng thái của hệ tại nhiệt độ TP với thành phần cấu tử thứ nhất trong hỗn hợp là xP, ta cần xác định một điểm P trên đồ thị có tọa độ (xP, TP).

Vị trí của điểm P trên giản đồ cho biết trạng thái đồng thể hoặc dị thể của hệ Đường cong AKB, phân cách hai vùng, được gọi là đường cong hòa tan Từ đường AKB, chúng ta có thể xác định độ hòa tan của phenol trong nước và ngược lại ở từng nhiệt độ.

Điểm K được gọi là điểm tới hạn, trong khi T C là nhiệt độ tới hạn trên và x C là thành phần tới hạn Theo quy tắc đòn bẩy, từ giản đồ pha, ta có thể xác định tỷ lệ khối lượng giữa hai pha của hệ tại điểm P.

Trong đó: PN, PM là độ dài 2 đoạn thẳng tương ứng

Cách xây dựng giản đồ (T-x): có 2 cách

Để duy trì nhiệt độ không đổi trong hệ, cần thay đổi thành phần của nó bằng cách từ từ thêm phenol vào nước Tiếp tục tăng dần lượng phenol cho đến khi đạt được một hỗn hợp mà trong đó hai chất lỏng không hòa tan vào nhau, dẫn đến hiện tượng phân pha trong hệ.

- Lắc mạnh lọ đựng hỗn hợp trên rồi ngâm trong bình điều nhiệt đã cố định nhiệt độ (ví dụ

Khi hệ đạt trạng thái cân bằng, nó sẽ phân thành hai pha rõ rệt Tiếp theo, tiến hành phân tích định lượng hai lớp này để xác định thành phần của từng pha.

- Thực hiện như thế đối với hệ ở các nhiệt độ khác nhau ta xây dựng được đường cong AKB

CÂN BẰNG LỎNG – HƠI

- Nghiên cứu cân bằng giữa pha lỏng và pha hơi của hệ hai chất lỏng tan lẫn vô hạn.

- Xây dựng giản đồ pha nhiệt độ – thành phần (T-x) của hệ và xác định tọa độ của dung dịch đẳng phí trên giản đồ (nếu có)

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC

II.1 HỆ HAI CHẤT LỎNG TAN LẪN VÔ HẠN

Hệ thống xét là một dung dịch bao gồm hai chất lỏng A và B hoàn toàn hòa tan vào nhau, đồng thời nằm trong trạng thái cân bằng với pha hơi chứa cả hai thành phần A và B Theo quy tắc cân bằng pha Gibbs trong điều kiện đẳng áp, công thức được áp dụng là c = k - f + 1.

Hệ gồm hai cấu tử k = 2 (A và B), hai pha f = 2 (pha lỏng và pha hơi) Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ là nhiệt độ T và thành phần của hệ x.

Hệ có bậc tự do c = 1 cho phép chúng ta chỉ có thể điều chỉnh một trong hai thông số T (nhiệt độ) hoặc x (tỷ lệ pha) để duy trì trạng thái cân bằng giữa pha lỏng và pha hơi của hệ hai cấu tử, trong khi yếu tố còn lại sẽ tự động thay đổi theo.

Nếu thành phần của hỗn hợp được xác định, thì nhiệt độ sôi cũng sẽ được xác định Tương tự, khi thành phần lỏng được xác định, nhiệt độ sôi sẽ tương ứng được xác định theo.

II.1.1 GIẢN ĐỒ PHA NHIỆT ĐỘ – THÀNH PHẦN (T-x) CỦA HỆ 2 CẤU TỬ

Trên các giản đồ ở hình vẽ:

- Đường 1 (nét liền): biểu diễn biến đổi nhiệt độ sôi của pha lỏng theo thành phần của hỗn hợp

- Đường 2 (nét đứt): biểu diễn thành phần của pha hơi nằm cân bằng với pha lỏng tại nhiệt độ sôi của pha lỏng.

Hệ thống có thành phần pha lỏng x l sẽ sôi ở nhiệt độ T, với pha hơi cân bằng có thành phần x h Trong trường hợp dung dịch lý tưởng, áp suất và thành phần pha lỏng tuân theo định luật Raoult, như minh họa trong hình 1-a.

Với: P i là áp suất hơi riêng phần của cấu tử i

Áp suất hơi của dung môi nguyên chất tại nhiệt độ nhất định và nồng độ phân mol của pha lỏng (dung dịch) không hoàn toàn tuân theo định luật Raoult trong các dung dịch thực Trong trường hợp này, có thể xảy ra sự sai lệch dương hoặc âm, dẫn đến những điểm cực trị trên các giản đồ áp suất hơi.

Hỗn hợp đẳng phí (azeotrope) là hỗn hợp đạt điểm cực trị trên giản đồ, nơi mà thành phần của pha lỏng và pha hơi bằng nhau, tức là x i h = x i l.

II.1.2 CÁCH XÂY DỰNG GIẢN ĐỒ (T-x):

Cần xác định các thông số sau để xây dựng giản đồ (T–x):

 Nhiệt độ sôi của các dung dịch có thành phần khác nhau

 Thành phần pha hơi nằm cân bằng với pha lỏng ở nhiệt độ sôi đó

Cách xây dựng giản đồ (T–x):

- Pha các dung dịch có thành phần khác nhau

- Đo nhiệt độ sôi của các dung dịch này

- Tách pha hơi nằm cân bằng với pha lỏng ở nhiệt độ sôi

- Xác định thành phần của pha lỏng và pha hơi

Có nhiều phương pháp phân tích để xác định thành phần của các mẫu pha hơi và pha lỏng, nhưng cách đơn giản nhất là đo một tính chất vật lý cụ thể Tính chất này cần phải biến đổi đều và đáng kể trong toàn bộ khu vực khảo sát Một trong những tính chất đó là chỉ số chiết suất n, được đo bằng khúc xạ kế.

Cách xác định thành phần bằng phương pháp đo chỉ số chiết suất như sau:

- Pha các dung dịch có thành phần chính xác

- Đo chiết suất của các dung dịch này để lập đường chuẩn n = f(x)

- Dùng đường chuẩn n = f(x) để xác định thành phần của các dung dịch bất kỳ khi biết chiết suất của nó.

Lưu ý rằng một số máy khúc xạ không hiển thị trực tiếp chỉ số chiết suất mà thay vào đó cung cấp kết quả dưới dạng đại lượng khác, chẳng hạn như Độ Brix (%Brix) Trong trường hợp này, cần lập đường chuẩn với dạng Độ Brix = f(x) và thực hiện các bước tương tự như đã mô tả trước đó.

III.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ

Hoá chất Dụng cụ Số lượng

(Hai chất trên được pha thành 6 hỗn hợp chứa trong 6 lọ thuỷ tinh)

- Lọ đựng hơi ngưng có nút 02

III.2 TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Trong bài thí nghiệm này, ta khảo sát hệ Axeton – iso propanol

III.2.1 XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN Độ Brix = f(x)

1 Pha các hỗn hợp chuẩn có thành phần các như sau:

2 Đo chiết suất của các hỗn hợp chuẩn

III.2.2 XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ SÔI VÀ THÀNH PHẦN PHA HƠI CÂN BẰNG VỚI PHA LỎNG

Làm thí nghiệm với từng dung dịch trong 6 lọ theo các bước như sau:

1 Đo độ Brix của dung dịch lỏng, ghi kết quả vào bảng

2 Đổ khoảng 40 mL dung dịch vào bình chưng cất rồi cho vài viên đá bọt vào bình Chú ý chỉ đổ dung dịch vào khi bình đã nguội

Để lắp đặt hệ thống chưng cất, cần đặt bầu thủy ngân của nhiệt kế ngập một nửa vào dung dịch và cho nước qua ống sinh hàn Lưu ý rằng nút đậy và chỗ nối giữa bình chưng cất với ống sinh hàn phải được đảm bảo kín, tránh hở trong suốt quá trình thí nghiệm.

Bật bếp điện để đun nóng nước trong nồi cách thủy, nhằm gia nhiệt cho bình chưng cất Tiếp theo, theo dõi dung dịch trong bình chưng cất và kiểm tra nhiệt độ của nó.

5 Khi hỗn hợp đạt nhiệt độ sôi , ta sẽ thấy có 2 dấu hiệu sau:

- Nhiệt độ dung dịch không thay đổi quá nhiều

- Trong ống sinh hàn có chất lỏng ngưng tụ và hoàn lưu trở lại bình chưng cất

Ghi lại nhiệt độ sôi này là T1

Cẩn thận quay nhanh ống sinh hàn xuống vị trí thấp để hứng 3-5 giọt hơi ngưng vào lọ Sau đó, đậy kín nắp lọ và ngâm vào nước lạnh, tránh giữ lọ trong tay để đảm bảo thành phần hơi ngưng không bị thay đổi.

7 Quay ống sinh hàn về vị trí cũ và đọc nhiệt độ T2 (Lưu ý: T1 và T2 không được lệch nhau quá 1 0 C) Tắt bếp điện

8 Đo độ Brix của hơi ngưng thu được

Để chuẩn bị cho thí nghiệm tiếp theo, cần làm nguội bình chưng cất Đầu tiên, đổ dung dịch trong bình chưng cất và lọ đựng hơi ngưng vào bình chứa ban đầu Sau đó, tiến hành sấy khô và làm nguội các dụng cụ này.

III.3 KẾT QUẢ BÁO CÁO

1 Tra nhiệt độ sôi và khối lượng riêng ở điều kiện thí nghiệm của axeton và iso-propanol

Hoá chất ρ (g/cm 3 ) – điều kiện áp suất khí quyển và nhiệt độ thay đổi

2 Tính thành phần của axeton trong hỗn hợp xA từ thành phần khối lượng cho ở bảng 1

3 Xây dựng đường chuẩn Độ Brix = f(x)

4 Xây dựng giản đồ (T-x) trong đó nhiệt độ sôi của từng hỗn hợp là trung bình của T1 và T2

5 Xác định thành phần và nhiệt độ sôi của dung dịch đẳng phí, nếu có

III.4 CÂU HỎI CHUẨN BỊ

1 Phát biểu định luật Raoult đối với dung dịch lý tưởng.

2 Cách tính bậc tự do của hệ hai chất lỏng tan lẫn vô hạn như thế nào ? Ý nghĩa của bậc tự do là gì?

3 Mô tả giản đồ pha (T–x) cả hệ hai chất lỏng tan lẫn vô hạn

4 Dung dịch thực có đặc điểm gì khác với dung dịch lý tưởng?

5 Phương pháp xác định thành phần của hệ trong bài này là gì? Mô tả phương pháp đó

Khúc xạ kế, hay còn gọi là máy đo chiết suất, là thiết bị được sử dụng để xác định chiết suất của các chất lỏng Nguyên lý hoạt động của khúc xạ kế dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng.

Theo định luật chiết suất, mỗi môi trường, chẳng hạn như môi trường B, được đặc trưng bởi chiết suất tương đối n B, trong đó i và B là các góc giữa tia tới và tia khúc xạ với đường pháp tuyến vuông góc với mặt phân cách giữa môi trường chuẩn và môi trường B Môi trường chuẩn thường được quy ước là chân không hoặc không khí Tương tự, đối với môi trường X, cũng có hệ thức tương ứng.

Khi tia sáng đi từ môi trường B tới môi trường X ta có hệ thức:

Khi góc B tiến tới  o, góc X sẽ đạt giá trị X = 90 o Trong trường hợp này, tia ló (2’) sẽ đi theo mặt phân cách giữa hai môi trường.

Như vậy những tia tới từ môi trường B tới mặt phân cách theo góc B >  o (tia tới

3) không thể lọt qua môi trường X mà sẽ bị phản xạ toàn phần  o gọi là góc giới hạn (hình 1).

Khúc xạ kế nói chung đều dựa trên nguyên tắc đó Sau đây là một loại hay dùng nhất: Abbe (hình 2).

CÂN BẰNG LỎNG – RẮN

- Áp dụng phương pháp phân tích nhiệt dùng để xây dựng giản đồ (T–x) của hệ gồm

2 cấu tử kết tinh không tạo dung dịch rắn và không tạo hợp chất hóa học

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC

Khi làm lạnh dung dịch hai cấu tử A và B, quá trình kết tinh sẽ diễn ra với những đặc điểm riêng biệt, phụ thuộc vào thành phần và sự tương tác giữa hai cấu tử Các trường hợp kết tinh có thể xảy ra sẽ khác nhau tùy thuộc vào các yếu tố này.

- Hệ không tạo dung dịch rắn, không tạo hợp chất hóa học.

- Hệ không tạo thành dung dịch rắn, khi kết tinh tạo thành hợp chất hóa học bền.

- Hệ không tạo thành dung dịch rắn, khi kết tinh tạo thành hợp chất hóa học không bền

- Hệ tạo thành dung dịch rắn tan lẫn vô hạn.

- Hệ tạo thành dung dịch rắn tan lẫn có giới hạn.

Các quá trình cân bằng pha trong hệ khi kết tinh được thể hiện rõ qua các giản đồ pha Bài viết này sẽ tập trung vào việc xây dựng giản đồ pha cho hệ đơn giản nhất, không tạo dung dịch rắn và không hình thành hợp chất hóa học.

II.1 HỆ HAI CẤU TỬ KHI KẾT TINH KHÔNG TẠO DUNG DỊCH RẮN, KHÔNG TẠO HỢP CHẤT HÓA HỌC

II.1.1 GIẢN ĐỒ PHA: Ở áp suất không đổi, giản đồ (T–x) của hệ có dạng như ở hình 1

Các thành phần trên giản đồ:

- Các điểm A, B tương ứng với nhiệt độ kết tinh của các cấu tử A, B nguyên chất

- Đường AEB gọi là đường lỏng, đường

- Vùng phía trên đường lỏng: hệ chỉ gồm một pha là dung dịch A–B lỏng (L AB )

- Vùng phía dưới đường rắn: hệ gồm hai

33 pha là rắn A và rắn B (R A và R B )

Trong hai vùng giữa trạng thái lỏng và rắn, hệ thống tồn tại hai pha cân bằng: một là lỏng cân bằng với rắn A (L AB R A) và hai là lỏng cân bằng với rắn B (L AB R B).

Đường cong AE biểu thị nhiệt độ khởi đầu quá trình kết tinh từ các dung dịch có thành phần nằm trong khoảng A’E’ Trên đường AE, hệ thống luôn duy trì sự bão hòa của cấu tử A, do đó được gọi là đường hòa tan hoặc đường kết tinh của A.

Đường cong EB thể hiện nhiệt độ bắt đầu quá trình kết tinh của pha rắn B từ các dung dịch có thành phần trong khoảng E’B’ Được gọi là đường hòa tan của B, đường EB cũng là đường kết tinh của B.

Điểm E, hay còn gọi là điểm eutecti, là nơi xảy ra sự kết tinh đồng thời của hai pha rắn A và B do dung dịch bão hòa cả hai thành phần Nhiệt độ eutecti được ký hiệu là TE, trong khi thành phần eutecti được ký hiệu là xE.

Tiếp theo ta sẽ khảo sát quá trình hệ kết tinh qua giản đồ kết tinh (T–x) và đường cong nguội lạnh nhiệt độ – thời gian (T–t):

 Sự kết tinh của cấu tử tinh khiết (đường 1 và đường 5)

Khi bắt đầu làm lạnh, hệ ở trạng thái lỏng và diễn ra quá trình trao đổi nhiệt với môi trường, dẫn đến sự giảm nhiệt độ đồng đều (đoạn a-b) Tại điểm b, hệ bắt đầu kết tinh, và trong suốt quá trình này, nhiệt độ của hệ không thay đổi (đoạn b-c).

Khi đạt đến điểm c, hệ thống kết thúc quá trình kết tinh và hoàn toàn chuyển sang trạng thái rắn, trong khi nhiệt độ tiếp tục giảm từ đoạn c đến d Theo quy tắc cân bằng pha Gibbs dưới áp suất không đổi, công thức được áp dụng là c = k – f + 1 Trong đoạn b-c, hệ thống có một cấu tử tồn tại ở hai pha (lỏng và rắn), do đó k = 1 và f = 2.

Bậc tự do của hệ tại đoạn b-c bằng 0, cho thấy rằng trong quá trình kết tinh, hai biến số nhiệt độ và thành phần không thể thay đổi Do đó, cấu tử tinh khiết, với thành phần không đổi, chỉ kết tinh ở một nhiệt độ xác định cụ thể.

Trong đoạn a-b hoặc c-d, hệ chỉ có một pha, dẫn đến c = 1 - 1 + 1 = 1 Do đó, một trong hai biến số có thể thay đổi tùy ý mà không ảnh hưởng đến trạng thái của hệ Trong hai giai đoạn này, thành phần của hệ không thay đổi, vì vậy nhiệt độ trở thành biến số có thể thay đổi.

 Sự kết tinh của hỗn hợp lỏng có thành phần bất kỳ (đường 2,4)

Khi chất lỏng chưa kết tinh, nhiệt độ giảm đều cho đến điểm b, nơi một cấu tử trong hỗn hợp bắt đầu kết tinh Nhiệt độ kết tinh lúc này thấp hơn nhiệt độ kết tinh của cấu tử nguyên chất Trong quá trình kết tinh, có sự cân bằng giữa pha lỏng và pha rắn, dẫn đến sự thay đổi nồng độ của cấu tử A trong pha lỏng Điều này làm biến đổi thành phần của hệ, từ đó ảnh hưởng đến nhiệt độ kết tinh Trên giản đồ (T–t), đoạn kết tinh b-c không nằm ngang mà dốc xuống, trong khi trên giản đồ (T–x), thành phần của pha lỏng thay đổi theo đường lỏng AE.

Trong giai đoạn này, với k = 2 và f = 2, ta có c = 1, tức là chỉ có một biến có thể thay đổi tự do, trong khi biến còn lại sẽ thay đổi theo Điều này phản ánh sự biến đổi trên giản đồ pha, nơi thành phần thay đổi dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ kết tinh.

Khi nhiệt độ giảm đến điểm c, cấu tử B bắt đầu kết tinh, hình thành pha rắn RB, trong khi pha rắn RA và RB tồn tại độc lập, không phải là dung dịch rắn Quá trình kết tinh diễn ra ở nhiệt độ không đổi TE, với thành phần pha lỏng xE không thay đổi Điều này được chứng minh thông qua quy tắc pha Gibbs.

Hệ có hai cấu tử cùng kết tinh từ pha lỏng tạo thành hai pha rắn nên k = 2 và f = 3

Trong quá trình này, nhiệt độ và thành phần không thay đổi, với c = 2 – 3 + 1 = 0 Ở trạng thái cân bằng, hỗn hợp lỏng tương tác với hai pha rắn, được gọi là hỗn hợp eutecti hay hỗn hợp cộng tinh Điểm E trong hệ thống này được xác định là điểm eutecti.

35 Đoạn d-e mô tả giai đoạn hệ giảm nhiệt độ sau khi hỗn hợp eutecti kết tinh hoàn toàn

 Sự kết tinh của hỗn hợp lỏng có thành phần x E đúng bằng thành phần eutecti (đường 3)

Hỗn hợp sẽ kết tinh ở nhiệt độ không đổi TE, diễn ra trong giai đoạn kết tinh tại đoạn b-c Tại điểm này, hệ thống có ba pha: RA, RB và LA-B, dẫn đến c = 2 – 3 + 1 = 0, do đó đoạn b-c nằm ngang.

II.1.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT VÀ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG GIẢN ĐỒ (T-x)

PHẢN ỨNG NGHỊCH ĐẢO ĐƯỜNG

- Xác định hằng số tốc độ của phản ứng thuỷ phân đường saccaroz ở nhiệt độ phòng bằng phân cực kế

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC

TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ĐƯỜNG:

Xét phản ứng thủy phân đường saccaroz thành glucoz và fructoz:

Phản ứng xảy ra trong môi trường nước với nồng độ nước được coi là không đổi, dẫn đến việc phản ứng hai phân tử được xem như có bậc 1 Phương trình động học của phản ứng này được xác định như sau:

(3) Để phản ứng xảy ra nhanh người ta dùng H + làm xúc tác cho quá trình

Trong bài thí nghiệm này, chúng tôi theo dõi tiến trình phản ứng thông qua góc quay mặt phẳng phân cực của dung dịch Đường saccaroz và các sản phẩm thủy phân đều chứa nguyên tử cacbon bất đối xứng, do đó chúng đều là chất hoạt quang Khi ánh sáng phân cực đi qua dung dịch này, mặt phẳng phân cực sẽ bị quay Góc quay mặt phẳng phân cực (α) phụ thuộc vào nồng độ dung dịch, độ dày lớp dung dịch, bản chất chất hoạt quang, nhiệt độ và bước sóng ánh sáng Để so sánh, chúng tôi sử dụng khái niệm độ quay riêng phần [α], là góc quay của lớp dung dịch có nồng độ C = 1g/mL, độ dày 1 cm ở 20°C và với bước sóng nhất định, thường là λ = 96 μm Công thức xác định độ quay riêng phần cũng được trình bày trong bài.

 Trị số góc quay riêng phần của các chất:

Chất quang hoạt Saccaroz Glucoz Fructoz

Saccaroz và glucoz có khả năng làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng sang phải, trong khi fructoz quay sang trái với giá trị góc quay lớn hơn nhiều Góc quay của hỗn hợp sản phẩm là tổng đại số các góc quay của các chất riêng biệt, do đó, trong quá trình phản ứng, góc quay sẽ giảm dần về giá trị “0” và sau đó trở thành âm Vì vậy, phản ứng này được gọi là phản ứng nghịch đảo đường.

Gọi  o , t ,  lần lượt là góc quay của hỗn hợp ở thời điểm t = 0, t = t, t C o , C lần lượt là nồng độ saccaroz ở t = 0, t = t

Góc quay α được xác định bằng phân cực kế (Xem phụ lục)

HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ

Hoá chất Dụng cụ Số lượng

- Đường saccaroz - Phân cực kế + Cuvet 01

- Dung dịch HCl 1N - Bình định mức 100 mL 01

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1 Pha 100mL dung dịch đường nồng độ 20g/100mL, lọc sạch bằng phễu lọc thường

2 Dùng pipet lấy 25 mL dung dịch đường và 25 mL nước cất cho vào erlen, lắc đều.

3 Cho hỗn hợp trên vào trong cuvet chứa mẫu và đo 

1 Lấy 25 mL dung dịch đường cho vào erlen.

Hút 25 mL dung dịch HCl và cho vào erlen chứa dung dịch đường, ghi nhận thời điểm bắt đầu phản ứng là t = 0 Lắc đều hỗn hợp để đảm bảo phản ứng diễn ra đồng nhất.

3 Hút hỗn hợp trên cho vào cuvet chứa mẫu Đo góc quay  t ở các thời điểm t = 5,

1 Đun hoàn lưu hỗn hợp phản ứng còn lại trong erlen trên bếp đun cách thủy đến

70 o C và giữ ở nhiệt độ này trong 30 phút.

2 Làm nguội tới nhiệt độ phòng rồi đo  

IV KẾT QUẢ BÁO CÁO

1 Ghi các kết quả đo  ở các thời điểm

2 Tính hằng số tốc độ phản ứng k ở các thời điểm

4 Tính k bằng phương pháp bình phương cực tiểu nếu xem quan hệ

( ) là tuyến tính Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ đó

1 Tại sao phản ứng thủy phân đường saccaroz lại được gọi là phản ứng nghịch đảo đường ?

3 Cách sử dụng phân cực kế như thế nào ?

Sơ đồ phân cực kế

Trong phân cực kế, lăng kính 3 và 4 là cố định, trong khi lăng kính 6 có khả năng quay quanh trục quang Kính quan sát được chia thành hai nửa với độ sáng khác nhau, và khi lăng kính 6 quay, độ chiếu sáng vào mặt kính quan sát sẽ thay đổi Vị trí mà độ chiếu sáng đều nhau được gọi là vị trí “không” của máy.

Sau khi đạt được điểm “không” của máy, đặt cuvet chứa mẫu vào máy thì vị trí

“không” sẽ thay đổi, ta phải quay lăng kính 6 một góc a nào đó để đạt được điểm

“không” của máy Góc a này chính là góc quay mặt phẳng phân cực cần đo.

Trong phòng thí nghiệm sử dụng phân cực kế Polax-2L

CÁCH SỬ DỤNG PHÂN CỰC KẾ POLAX-2L:

1 Xác định vị trí “không“ của phân cực kế

- Cho nước cất vào trong cuvet, đặt cuvet vào.

- Nhấn đồng thời các nút “TEMP” và

“ROTATE” đến khi đèn tín hiệu bật lên.

Chỉnh nút "ROTATE" để đảm bảo vạch chia giữa hai nửa kính quan sát ở vị trí thẳng đứng, đồng thời điều chỉnh độ chiếu sáng sao cho hai nửa kính quan sát hoàn toàn đều nhau.

- Bấm nút “ZERO SET” Màn hình sẽ hiển thị

- Xác định vị trí “không” của máy.

- Cuvet đo phải thật sạch Trước khi đo tráng qua cuvet 1-2 lần bằng dung dịch cần đo

Mở nắp cuvet, nhanh chóng đổ dung dịch vào bên trong và đậy kín nắp lại Cần chú ý không để bọt khí xuất hiện dưới mặt kính Sau đó, lau khô xung quanh cuvet, đặc biệt là hai mặt kính ở đầu ống.

- Đặt cuvet vào vị trí đo Lúc này ta thấy hai nửa của kính quan sát có độ sáng không đều nhau Màn hình vẫn hiển thị = 0,0

- Nhấn các nút “ROTATE” để quay vạch chia của hai nửa của kính quan sát đến khi độ sáng ở hai bên bằng nhau (hình 4) Đọc góc đo được.

Cần xác định lại vị trí "không" mỗi khi sử dụng máy Nếu trong quá trình sử dụng máy bị tắt điện, bạn phải tiến hành xác định lại vị trí "không" trước khi tiếp tục.

- Nếu quá 5 phút không sử dụng máy thì đèn chiếu sáng kính quan sát sẽ tắt Lúc đó chỉ cần nhấn nút “SHIFT/TEMP” để đèn sáng trở lại.

THUỶ PHÂN ESTER BẰNG KIỀM

- Khảo sát tốc độ phản ứng thủy phân ester trong môi trường kiềm

- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên hằng số tốc độ của phản ứng và tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC

II.1 TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HÓA HỌC

Xét phản ứng hóa học: aA + bB  dD + Ee (1)

Tốc độ phản ứng hóa học được xác định bởi biến thiên nồng độ của tác chất hay sản phẩm trong một đơn vị thời gian:

Định luật cơ sở của động hóa học, hay còn gọi là định luật tác dụng khối lượng, khẳng định rằng khi nhiệt độ và áp suất ổn định, tốc độ của phản ứng đơn giản, một chiều tại mỗi thời điểm tỉ lệ thuận với tích số nồng độ của các chất tham gia phản ứng, với các bậc xác định.

Phương trình động học của phản ứng: (3)

Trong đó k là hằng số tốc độ phản ứng , có giá trị bằng tốc độ phản ứng khi nồng độ các tác chất bằng 1.

II.2 SỰ PHỤ THUỘC CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀO NHIỆT ĐỘ

Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng sẽ tăng nhanh chóng Phương trình Arrhénius thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng và nhiệt độ với công thức cụ thể.

Trong đó: k o là hằng số được gọi là thừa số tần số hay thừa số Arrhénius, k o không phụ thuộc vào nhiệt độ.

E a là năng lượng hoạt hóa của phản ứng

R là hằng số khí lý tưởng.

T là nhiệt độ phản ứng (K)

Theo phương trình này, hằng số tốc độ phản ứng có mối quan hệ tuyến tính với nghịch đảo của nhiệt độ phản ứng Cụ thể, k T1 và k T2 đại diện cho hằng số tốc độ phản ứng tại hai nhiệt độ khác nhau.

Dựa vào phương trình (6), ta tìm được năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi biết được hằng số tốc độ ở hai nhiệt độ khác nhau.

II.3 PHẢN ỨNG THỦY PHÂN ESTER BẰNG KIỀM

Phản ứng giữa ester Etyl acetat và NaOH xảy ra như sau:

CH 3 COOC 2 H 5 + NaOH CH 3 COONa + C 2 H 5 OH (7) t = 0: a b 0 0 t: a – x b – x x x

Trong đó: a, b là nồng độ ester và NaOH trong hỗn hợp phản ứng lúc ban đầu x là nồng độ ester và NaOH đã tham gia phản ứng ở thời điểm t

(a – x), (b – x) là nồng độ ester và NaOH còn lại trong hỗn hợp phản ứng ở thời điểm t Đây là phản ứng bậc 2 nên phương trình tốc độ phản ứng là:

Tích phân hai vế ta được:

Để xác định hằng số tốc độ k, cần xác định các giá trị (a - x) và (b - x) tại các thời điểm khác nhau Bài thí nghiệm này áp dụng phương pháp theo dõi tiến trình phản ứng một cách chính xác.

Để tiến hành phản ứng, cần trộn hai dung dịch ester với NaOH, trong đó lượng NaOH phải dư so với lượng ester Dung dịch NaOH ban đầu có nồng độ C ddNaOH.

Ta theo dõi tốc độ phản ứng bằng cách xác định lượng dung dịch NaOH ban đầu còn dư trong hỗn hợp phản ứng:

Gọi V o , V t ,  là thể tích dung dịch NaOH ban đầu còn trong hỗn hợp phản ứng ở các thời điểm t = 0, t, (là thời điểm phản ứng đã kết thúc).

Nồng độ NaOH trong hỗn hợp phản ứng tỷ lệ thuận với thể tích dung dịch NaOH ban đầu còn lại tại các thời điểm khác nhau.

Còn nồng độ ester trong hỗn hợp phản ứng tỷ lệ với thể tích NaOH tham gia phản ứng trong giai đoạn từ thời điểm t đến :

C t Ester = a – x = C 1 (V t -  ) Trong các liên hệ trên C 1 là hằng số tỷ lệ.

Thay các giá trị trên vào phương trình (9):

 Xác định hằng số C 1 : Ở thời điểm t = 0, trong V hh mL hỗn hợp (nồng độ NaOH trong hỗn hợp là

C oNaOH (mol/L)) có V o mL dung dịch NaOH ban đầu (có nồng độ là C ddNaOH (mol/L)) Như vậy nồng độ NaOH trong hỗn hợp phản ứng là:

HOÁ CHẤT VÀ DỤNG CỤ

Hoá chất Dụng cụ Số lượng

- Dung dịch Etyl acetat 0,005M - Erlen cổ mài 500 mL 03

- Dung dịch NaOH 0,01M - Erlen 250 mL 06

- Dung dịch HCl 0,01M - Ống đong 250 mL 02

TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

THÍ NGHIỆM 1- Phản ứng ở nhiệt độ phòng III.2.1

1 Dùng ống đong lấy 150mL dung dịch NaOH 0,01M và 150mL dung dịch acetatetyl 0,005M cho vào hai erlen 500mL khác nhau Đậy nút kín.

2 Chuẩn bị 6 erlen 250mL Dùng buret để rót vào mỗi erlen 12,5mL dung dịch HCl 0,01M.

3 Đổ nhanh dung dịch NaOH vào dung dịch ester, đậy nút lại và lắc mạnh Thời điểm này là thời điểm bắt đầu phản ứng t = 0.

4 Sau 5, 10, 20, 30, 40, 50 phút dùng pipet hút 25 mL hỗn hợp phản ứng cho vào 1 erlen chứa acid HCl.

Để chuẩn độ HCl dư trong erlen, sử dụng dung dịch NaOH 0,01M với phenolphtalein làm chất chỉ thị Ghi lại thể tích dung dịch NaOH đã sử dụng trong quá trình chuẩn độ, ký hiệu là V NaOH cđ.

Sau 50 phút phản ứng, chuyển hỗn hợp phản ứng vào bể điều nhiệt 1 và đun cách thủy đến 70°C Giữ nhiệt độ này trong 45 phút để hoàn thành quá trình.

Sau khi lấy bình chứa hỗn hợp phản ứng ra khỏi bể điều nhiệt, cần để nguội đến nhiệt độ phòng trước khi lấy mẫu và tiến hành chuẩn độ Ở nhiệt độ 70 °C, phản ứng diễn ra nhanh chóng, do đó sau 45 phút, có thể coi phản ứng đã hoàn tất, và dữ liệu thu được khi chuẩn độ NaOH lần này tương ứng với thời điểm t = ∞.

THÍ NGHIỆM 2- Phản ứng ở nhiệt độ T = 40 o C III.2.1

1 Điều chỉnh nhiệt độ của bể điều nhiệt 2 ở 40 o C.

2 Chuẩn bị hai bình chứa dung dịch NaOH và ester với lượng dung dịch giống như thí nghiệm 1

3 Ngâm 2 bình đựng NaOH và ester vào bể điều nhiệt 2 trong 20 phút để đạt nhiệt độ T = 40 o C rồi mới đổ NaOH vào ester cho phản ứng

Lưu ý: trong quá trình phản ứng phải ngâm bình đựng hỗn hợp phản ứng trong bể điều nhiệt để giữ nhiệt độ phản ứng không đổi

4 Tiến hành thí nghiệm tương tự như thí nghiệm 1.

IV KẾT QUẢ BÁO CÁO

1 Tính thể tích NaOH còn trong 25mL hỗn hợp phản ứng ở các thời điểm

V t NaOH = V HCl – V NaOH cđ = 12,5 - V NaOH cđ (mL)

Tính các hằng số tốc độ phản ứng ở các thời điểm

Tính hằng số tốc độ trung bình k T1 và k T2

Tính k T1 và k T2 bằng phương pháp bình phương cực tiểu

Tính năng lương hoạt hóa của phản ứng theo phương trình (6)

Viết biểu thức tính hằng số tốc độ phản ứng tổng quát và của phản ứng thủy phân ester trong NaOH Giải thích các đại lượng.

Nêu nguyên tắc tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi biết hằng số tốc độ ở hai nhiệt độ khác nhau

Để tiến hành thí nghiệm, cần xác định mối liên hệ giữa thể tích NaOH sử dụng để chuẩn độ HCl và thể tích dung dịch NaOH ban đầu có trong hỗn hợp phản ứng Việc này giúp hiểu rõ hơn về quá trình phản ứng hóa học và tính toán chính xác nồng độ của các chất tham gia.

ĐỘ DẪN ĐIỆN CỦA DUNG DỊCH

- Nắm nguyên tắc đo độ dẫn điện của dung dịch chất điện ly.

- Áp dụng đo độ dẫn điện của dung dịch các chất điện ly mạnh NaCl, HCl,

CH 3 COONa và chất điện ly yếu CH 3 COOH

- Xác định độ phân ly và hằng số phân ly K a của CH 3 COOH

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC

II.1 ĐỘ DẪN ĐIỆN CỦA DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN LY

Dung dịch điện ly là một loại vật dẫn điện đặc biệt, hoạt động dựa trên cơ chế ion Khi đặt dung dịch điện ly trong điện trường giữa hai điện cực, các ion sẽ di chuyển về phía các điện cực trái dấu, tạo ra dòng điện trong dung dịch Cả cation và anion đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình dẫn điện này Điện trở của dung dịch điện ly phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn, tiết diện và độ dài của nó, ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện trong không gian giữa hai điện cực.

Với: là điện trở riêng, ứng với vật dẫn có

S và L là tiết diện và độ dài của lớp dung dịch nằm trong hình hộp Độ dẫn điện là đại lượng nghịch đảo của điện trở:

Độ dẫn điện riêng, ký hiệu là χ, là nghịch đảo của điện trở riêng và được xác định bằng độ dẫn của khối dung dịch nằm giữa hai cạnh đối diện của hình lập phương có kích thước 1 cm.

(Ω -1 cm -1 = S cm -1 ; S = Ω -1 gọi là siemen) (3)

Với = k được gọi là hằng số bình

Độ dẫn điện đương lượng là một đại lượng quan trọng, được định nghĩa là độ dẫn điện của dung dịch chứa 1 đương lượng gam chất điện ly, với hai điện cực đặt cách nhau 1 cm.

Nồng độ đương lượng của dung dịch, ký hiệu là C N (đlg/l), có ảnh hưởng trực tiếp đến độ dẫn điện đương lượng Độ dẫn điện này sẽ tăng lên khi nồng độ dung dịch giảm, và đạt giá trị tối đa khi nồng độ trở nên vô cùng loãng.

II.2 XÁC ĐỊNH ĐỘ DẪN ĐIỆN GIỚI HẠN λ

Chất điện ly mạnh, như NaCl và HCl, có độ dẫn điện tương ứng với nồng độ dung dịch loãng, được mô tả bởi phương trình thực nghiệm trong định luật Kohlrausch I.

C N là nồng độ đương lượng của dung dịch

Thực hiện thí nghiệm bằng cách thay đổi nồng độ dung dịch và đo độ dẫn điện, từ đó vẽ đường thẳng để ngoại suy giá trị khi √ = 0 nhằm xác định λ Kohlrausch đã chứng minh rằng, đối với dung dịch vô cùng loãng, hiệu độ dẫn điện đương lượng của hai muối có chung một ion là một đại lượng không đổi.

Mỗi ion đóng góp một phần vào độ dẫn điện, từ đó chúng ta có thể suy ra công thức tổng quát cho độ dẫn điện dương đương lượng giới hạn.

Độ dẫn điện đương lượng giới hạn của ion dương và âm được gọi là V với phương trình (6), phản ánh nội dung định luật II của Kohlrausch về sự chuyển động độc lập của các ion trong dung dịch.

Với các chất điện ly yếu, do độ dẫn điện không tuân theo định luật I của

Kohlrausch nên rất khó xác định Trong trường hợp này, khi dung dịch vô cùng loãng, ta dùng công thức (6) để tính

Ví dụ: áp dụng công thức (6) để tính

Như vậy khi đã biết ta có thể suy ra được

II.3 XÁC ĐỊNH ĐỘ PHÂN LY  VÀ HẰNG SỐ PHÂN LY Ka CỦA ACID

YẾU là độ dẫn điện đương lượng khi α = 1 Khi dung dịch càng loãng, độ phân ly α càng tiến gần đến 1 Do đó, trong trường hợp 0 < α < 1, độ dẫn điện đương lượng sẽ bằng α phần của λ.

Xét cân bằng của acid CH 3 COOH:

Trong đó: C 0 là nồng độ ban đầu của dung dịch CH 3 COOH

Phương trình (8) chỉ được áp dụng cho dung dịch loãng, khi có thể bỏ qua tương tác giữa các ion

III.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ

Hoá chất Dụng cụ Số lượng

- Dung dịch CH 3 COOH 0,02N - Máy đo độ dẫn 01

- Dung dịch NaCl 0,02N - Bình định mức 100 mL 02

- Dung dịch HCl 0,02N - Buret 25 mL 02

- Dung dịch CH 3 COONa 0,02N - Becher 100 mL 04

III.2 TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Thực hiện các bước sau đối với các dung dịch NaCl, HCl,

Từ các dung dịch ban đầu, tiến hành pha loãng thành 6 dung dịch khác nhau bằng cách sử dụng bình định mức 100mL Thể tích dung dịch ban đầu được lấy theo thông tin đã được cung cấp trong bảng.

Thể tích dd ban đầu để pha loãng (mL) 2,5 5 10 25 50 100

2 Đo độ dẫn của mỗi dung dịch khi mới pha xong

Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần đo độ dẫn điện của nước cất Chỉ sử dụng nước cất có độ dẫn điện nhỏ hơn 5 µS/cm để pha chế các dung dịch trong thí nghiệm này.

- Khi đo độ dẫn của các dung dịch phải đo lần lượt từ nồng độ thấp đến nồng độ cao.

IV KẾT QUẢ BÁO CÁO

1 Lập bảng ghi giá trị độ dẫn của từng loại dung dịch

2 Tính nồng độ các dung dịch

3 Vẽ thẳng (√ ), suy ra của các chất điện ly mạnh

5 Tính α và K a của các dung dịch CH 3 COOH

1 Độ dẫn đương lượng giới hạn là gì? Phương pháp xác định cho dung dịch chất điện ly mạnh và chất điện ly yếu

2 Tại sao đối với chất điện ly yếu không thể suy ra bằng phương trình của định luật Kohlrausch I?

3 Tại sao trong hệ thống đo độ dẫn bằng cầu Wheatstone phải dùng nguồn điện xoay chiều mà không dùng dòng một chiều?

NGUYÊN TẮC XÁC ĐỊNH ĐỘ DẪN DUNG DỊCH

Cơ sở của phép đo độ dẫn là xác định điện trở dung dịch bằng cầu Wheatstone Sơ đồ cầu Wheatstone :

Thay đổi biến trở R 3 đến khi cầu đạt cân bằng (i G = 0), ta có:

 Điện thế tại C và D bằng nhau nên:

Chia hai phương trình trên cho nhau, ta có điều kiện cân bằng:

Từ đó xác định được R, thay vào (3) tính được độ dẫn dung dịch, với hằng số bình được xác định trước

SỐ TẢI

- Làm quen với phương pháp xác định số tải bằng phương pháp Hittorf

- Áp dụng xác định số tải của các ion H + và SO 4 2- trong dung dịch H 2 SO 4

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC

II.1 SỐ TẢI CỦA CÁC ION TRONG DUNG DỊCH

Trong dung dịch, chất điện ly phân ly thành cation và anion, và khi áp điện thế, các ion di chuyển về các điện cực trái dấu dưới tác dụng của điện trường Mỗi loại ion khi di chuyển sẽ tải một phần điện lượng xác định Tỷ số giữa điện lượng của một loại ion qua tiết diện của chất điện ly và tổng điện lượng đi qua tiết diện đó được gọi là số tải của ion.

Trong đó: t i là số tải của ion i q i: điện lượng tải bởi ion i

Trong dung dịch có nhiều loại ion: ∑ (2)

Nếu dung dịch chỉ chứa một loại cation và một loại anion, số tải của mỗi ion được tính bằng biểu thức:

: số tải của cation và anion

: điện lượng do cation và anion tải

: độ dẫn điện đương lượng giới hạn của cation và anion

Từ hai biểu thức trên:

Số tải của ion phụ thuộc vào linh độ của ion, bản chất dung môi, nồng độ, nhiệt độ

55 và các loại ion khác cùng tồn tại trong dung dịch.

II.2 XÁC ĐỊNH SỐ TẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HITTORF

Có nhiều phương pháp xác định số tải, bao gồm phương pháp Hittorf, phương pháp màng chuyển động và phương pháp đo sức điện động của pin Trong số đó, phương pháp Hittorf được coi là đơn giản và phổ biến nhất.

Phương pháp này dựa trên sự biến đổi nồng độ của dung dịch chất điện ly trong các ngăn anod và catod của bình điện phân khi dòng điện một chiều đi qua Sự thay đổi nồng độ này xảy ra do tốc độ di chuyển của các ion khác nhau, cùng với sự khác biệt về số vận tải và các phản ứng hóa học diễn ra trên các điện cực Tùy thuộc vào các phản ứng xảy ra tại điện cực, chúng ta có thể xây dựng các phương trình tính toán số tải khác nhau.

Trong bài thực nghiệm này, chúng tôi sẽ xây dựng phương trình tính toán số tải của ion H⁺ và SO₄²⁻ trong dung dịch H₂SO₄ bằng phương pháp Hittorf Thí nghiệm được thực hiện trong một bình điện phân chứa dung dịch H₂SO₄, sử dụng điện cực platin, và xác định điện lượng chuyển qua dung dịch bằng coulomb kế đồng.

Điện tải qua dung dịch được xác định bởi các ion H+ và SO4 2- Bình điện phân được chia thành ba khu vực: ngăn anod, ngăn giữa và ngăn catod Chúng ta sẽ phân tích sự biến đổi số đương lượng của các ion H+ và SO4 2- tại ngăn anod và ngăn catod.

Khi xem xét trường hợp có một điện lượng q = 1 Faraday đi qua dung dịch H2SO4, điện lượng này được vận chuyển bởi các ion, trong đó q+ tương ứng với ion H+ và q- tương ứng với ion SO4²- Tại ngăn anod, các ion H+ sẽ tham gia vào quá trình oxi hóa, tạo ra khí hydro.

- Mất đi t + đượng lượng H + do tải điện lượng q + sang ngăn giữa

- Nhận 1 đương lượng H + do phản ứng của điện lượng q = 1 tại điện cực:

Nhận thêm đương lượng SO 4 2- do tải điện lượng từ ngăn giữa sang Như vậy, ngăn anod nhận thêm đương lượng H2SO4

Vậy khi có điện lượng q = 1 Faraday đi qua dung dịch, đương lượng H 2 SO 4 thay đổi tại ngăn anod và ngăn catod là:

Khi điện lượng q Faraday đi qua dung dịch, đương lượng H2SO4 tại khu anod và catod sẽ thay đổi khác nhau Sự biến đổi này diễn ra đồng thời tại mỗi ngăn, ảnh hưởng đến quá trình điện phân.

 Phương trình tính số tải là:

 Để tính được số tải của mỗi ion trong dung dịch, ta cần phải:

- Xác định bằng cách chuẩn độ dung dịch H2SO4 ban đầu và dung dịch

H2SO4 tại mỗi ngăn của bình Hittorf sau khi kết thúc điện phân

- Xác định điện lượng q qua dung dịch bằng coulumb kế

II.2.2 Xác định điện lượng qua dung dịch: Điện lượng q qua dung dịch được xác định bằng coulomb kế theo định luật Faraday:

Với: m là khối lượng chất phóng thích ở điện cực n là số điện tử phóng thích

A là nguyên tử gam chất phóng thích

Bài thí nghiệm này sử dụng coulomb kế đồng, bao gồm hai bản đồng được nhúng trong dung dịch CuSO4, kết nối nối tiếp với bình điện phân Hittorf Điện lượng đo được qua coulomb kế tương đương với điện lượng qua bình điện phân.

Các phản ứng xảy ra ở điện cực của coulomb kế đồng:

Xác định được lượng Cu sinh ra trên catod, ta xác định được điện lượng qua dung dịch

III.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ

Hoá chất Dụng cụ Số lượng

- Dung dịch H 2 SO 4 0,2N - Bình Hittorf 01

- Dung dịch NaOH 0,1N - Bộ nguồn 01

- Dung dịch CuSO 4 0,1M - Điện cực Pt 02

III.2 TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Để chuẩn bị cho thí nghiệm, hãy đánh bóng hai bản cực Cu của coulomb kế bằng giấy nhám và rửa sạch chúng bằng nước cất Sau đó, tráng lớp catod bằng etanol, để khô trong không khí và tiến hành cân để xác định khối lượng.

2 Lắp sơ đồ thí nghiệm như hình vẽ:

3 Lắp hai điện cực Cu vào coulumb kế.

Sử dụng ống đong để xác định thể tích H2SO4 cho hai nhánh của thiết bị Hittorf, đảm bảo thể tích trong mỗi nhánh khoảng 70-75 mL, sao cho cột chất lỏng trong hai nhánh đạt độ cao bằng nhau.

5 Gắn hai điện cực Pt vào hai nhánh của bình Hittorf.

III.2.2 TIẾN HÀNH ĐIỆN PHÂN

Sau khi giảng viên hướng dẫn kiểm tra an toàn cho mạch điện, hệ thống được bật lên để hoạt động Quá trình điện phân diễn ra trong 1 giờ với cường độ dòng điện là 200 mA.

2 Trong quá trình điện phân, chuẩn độ dung dịch H 2 SO 4 ban đầu 3 lần bằng NaOH (mỗi lần 10mL)

Sau khi hoàn tất quá trình điện phân, hãy nhấc catod đồng ra và ngắt mạch điện Tiến hành rửa sạch catod bằng nước cất, sau đó tráng bằng etanol và làm khô Cuối cùng, cân lại khối lượng để xác định độ tăng trọng lượng trong quá trình điện phân.

4 Đổ dung dịch H2SO 4 trong hai ngăn anod và catod của bình Hittorf ra 2 becher rồi khuấy đều Chuẩn độ mỗi dung dịch 3 lần bằng NaOH, mỗi lần 10mL

IV KẾT QUẢ BÁO CÁO

1 Tính lượng Cu sinh ra trên catod của coulumb kế

2 Tính điện lượng q qua dung dịch.

3 Tính đương lượng H 2 SO 4 thay đổi tại hai ngăn anod và catod

V a , V c là thể tích dung dịch H 2 SO 4 lần lượt trong ngăn anod và catod(L)

59 ΔC a , ΔC c là biến thiên nồng độ đương lượng của H 2 SO 4 tại hai ngăn anod và catod (đlg/L)

C NaOH : nồng độ đương lượng của dung dịch NaOH (đlg/L)

: thể tích dung dịch H 2 SO 4 được lấy để chuẩn độ

, : lần lượt là thể tích dung dịch NaOH dùng để chuẩn độ thể tích của dung dịch H 2 SO 4 ban đầu và dung dịch H 2 SO 4 sau khi điện phân

4 Tính số tải của H + và SO 4 2- theo số liệu tại anod và catod

1 Định nghĩa số tải ion.

2 Nguyên tắc Hittorf để xác định số tải của ion Dẫn ra công thức tính số tải ion cho dung dịch H 2 SO 4 khi sử dụng điện cực trơ.

3 Công dụng coulumb kế Có mấy loại coulumb kế Dẫn ra biểu thức xác định điện lượng cho mỗi loại.