GIÁO TRÌNH THÍ NGHIỆM HOÁ lý kỹ THUẬT

CÂN BẰNGLỎNG - 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.

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC

11.1 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 diễn ra đến một giới hạn nhất định Ví dụ điển hình cho hiện tượng này là các hệ như phenol - nước, butanol - nước và anilin - nước.

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 A cần thiết để chuyển phân tử qua bề mặt phân pha Khi năng lượng Q lớn hơn công A, hai chất lỏng sẽ dễ dàng hòa tan vào nhau Ngược lại, nếu công A lớn hơn năng lượng Q, chúng sẽ không hòa tan vào nhau.

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

11.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hoà tan có giới hạn:

Khi hai chất lỏng không tương tác, sự 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 hơn, chuyển động này mạnh mẽ hơn, giúp các chất lỏng dễ dàng hòa tan vào nhau.

Khi hai chất lỏng tương tác với nhau, sự tăng nhiệt độ sẽ dẫn đến giảm độ hòa tan Ở dạng phân tử đơn chất, chúng khó có thể hòa tan, nhưng khi tương tác, chúng tạo thành các phân tử liên kết, giúp chúng tan vào nhau Tuy nhiên, nhiệt độ cao lại làm tăng khả năng phân ly các phân tử liên hợp, dẫn đến việc giảm độ tan của chúng.

Khi nhiệt độ đạt 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, với trường hợp (1) có nhiệt độ tới hạn trên và trường hợp (2) có 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 sẽ tan hoàn toàn, tạo thành một pha đồng thể Tuy nhiên, nếu tiếp tục thêm phenol, sẽ đến lúc nó không còn tan và hệ thống sẽ 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 hệ thống là 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, hai chất lỏng sẽ hòa tan hoàn toàn vào nhau, tạo thành một hệ thống đồng thể.

Giản đồ pha của hệ được biểu diễn dưới dạng giản đồ thành phần - nhiệt độ (T-x), cho thấy sự biến đổi trạng thái của hệ khi nhiệt độ thay đổi tương ứng với các hỗn hợp có thành phần khác nhau.

Trên giản đồ, ta thấy có hai vùng:

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

- 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 ở nhiệt độ TP với thành phần cấu tử thứ nhất trong hỗn hợp là x, cần xác định một điểm P trên đồ thị có tọa độ (x, T) Đường cong AKB phân chia hai vùng, được gọi là đường cong hòa tan.

AKB, ta xác định được độ hòa tan của phenol trong nước và của nước trong phenol ở từng nhiệt độ.

Lớp phenol bão hòa nước

Lớp nước bão hòa phenol

Hình Ỉ-Sư phán lớp của hệ phenol -nước ta

Vị trí của điểm P trên giản đồ pha giúp xác định trạng thái đồng thể hoặc dị thể của hệ Điểm K, được gọi là điểm tới hạn, tương ứng với nhiệt độ tới hạn TC và thành phần tới hạn xC Sử dụng quy tắc đòn bẩy, từ giản đồ pha, ta có thể tính toán tỷ lệ khối lượng giữa hai pha của hệ tại điểm P, được biểu diễn bằng công thức j h N =.

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 ổn định của hệ thống, cần thay đổi thành phần của nó bằng cách từ từ thêm phenol vào nước Tiến hành tăng dần tỷ lệ 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 Sau đó, việc phân tích định lượng hai lớp này sẽ giúp xác định thành phần của từng pha một cách chính xác.

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

Xét một hỗn hợp chứa thành phần XQ, ban đầu hệ vẩn đục và khi tăng dần nhiệt độ, dung dịch sẽ trở nên trong suốt tại nhiệt độ TQ Sau đó, bằng cách hạ nhiệt độ từ từ, ta có thể xác định nhiệt độ bắt đầu làm cho dung dịch bị đục Dựa vào nhiệt độ này, ta có thể xác định điểm Q một cách chính xác.

- Làm thí nghiệm với các hỗn hợp có thành phần khác nhau sẽ xác định được đường cong AKB.

III.1 Hoá chất và dụng cụ

Hoá chất Dụng cụ Số lượng

Dung dịch Phenol 80% KL - Buret 25 mL 02

III.2 Trình tự tiến hành thí nghiệm

III.2.1 Pha các hỗn hợp phenol - nước

CÂN BẰNGLỎNG - 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.1 HỆ HAI CHẤT LỎNG TAN LẪN VÔ HẠN

Hệ xét là một dung dịch gồm hai chất lỏng A và B hoàn toàn hòa tan vào nhau, tạo ra sự 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 duy trì trạng thái cân bằng giữa pha lỏng và pha hơi của hệ hai cấu tử bằng cách tự do điều chỉnh một trong hai thông số: nhiệt độ (T) hoặc nồng độ (x), trong khi yếu tố còn lại sẽ tự động thay đổi theo.

Nếu thành phần của hỗn hợp được xác định, nhiệt độ sôi cũng sẽ được xác định Tương tự, khi thành phần lỏng được biết, nhiệt độ sôi sẽ 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 có thành phần pha lỏng X1 sẽ sôi ở nhiệt độ T, với pha hơi cân bằng có thành phần xh Đối với dung dịch lý tưởng, áp suất và thành phần pha lỏng tuân theo định luật Raoult.

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

Áp suất hơi của dung môi nguyên chất tại nhiệt độ xì l là nồng độ phân mol của pha lỏng trong dung dịch Tuy nhiên, đối với dung dịch thực, các định luật này không còn chính xác Trong dung dịch thực, có thể xảy ra sự sai lệch dương hoặc âm so với định luật Raoult, và sự sai lệch này thường lớn đến mức tạo ra các điểm cực trị trên các giản đồ.

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 xì h = X Ì 1.

Hình 1 minh họa giản đồ pha (T-x) của hệ trong trường hợp dung dịch lý tưởng và dung dịch thực Trong đó, sai lệch dương (b) và sai lệch âm (c) thể hiện các trạng thái khác nhau, trong khi sai lệch dương cực đại (d) và sai lệch âm cực tiểu (e) cho thấy các điểm cực trị quan trọng trong quá trình pha trộn.

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 dung 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 nào đó Tính chất được chọn cần phải biến đổi đều và đáng kể trong toàn vùng khảo sát Một trong những tính chất quan trọng đó là chỉ số chiết suất n, được đo bằng khúc xạ kế.

Cách xác định thành phần bằng ph ư ơng pháp đo chỉ số chiết suất nh ư 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 kết quả đo dưới dạng chỉ số chiết suất, mà thay vào đó, chúng cung cấp các đại lượng khác đã được chuyển đổi từ chỉ số chiết suất, chẳng hạn như Độ Brix.

(%Brix) Khi đó ta sẽ lập đường chuẩn có dạng Độ Brix = f(x) rồi làm tương tu như trên.

III.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ

- Iso Propanol - Ống sinh hàn 01

(Hai chất trên được pha thành 6 - Nhiệt kế 150 o C 01 hỗn hợp chứa trong 6 lọ thuỷ tinh) - Khúc xạ kế 01

- 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

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.

Lắp đặt hệ thống chưng cất theo hình 2, đảm bảo bầu thủy ngân của nhiệt kế ngập một nửa trong dung dịch Tiến hành cho nước qua ống sinh hàn, lưu ý rằng nút đậy và vị trí nối giữa bình chưng cất và ống sinh hàn cần phải kín, không để hở trong suốt quá trình thí nghiệm.

Bật bếp điện để đun nóng nước trong nồi đun cách thủy, nhằm gia nhiệt cho bình chưng cất Tiếp theo, theo dõi dung dịch trong bình chưng cất cùng với nhiệt độ của dung dịch để đảm bảo quá trình diễn ra đúng cách.

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

Hình 2- Sơ đồ thi nghiệm

7 - Ong sinh hàn ớ vị tri quay xuống để lấy mầu

Cẩn thận quay nhanh ống sinh hàn xuống vị trí dưới để thu thập 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 của 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, hãy làm nguội bình chưng cất bằng cách 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 cả bình chưng cất lẫn lọ đựng hơi ngưng.

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 p (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 dùng để đo chiết suất của các chất lỏng Nguyên tắc hoạt động của khúc xạ kế dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần ánh sáng.

Theo định luật chiết suất, mỗi môi trường, như môi trường B, có chiết suất tương đối nB Công thức mô tả mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ là ns = (sini/sinB), trong đó i và B là các góc giữa tia tới và tia khúc xạ với đường pháp tuyến tại mặt phân cách giữa môi trường chuẩn (chân không hoặc không khí) và môi trường B.

_ ~ _ sini Đối với môi trường X ta cũng có hệ thức: n x — ——

Khi tia sáng đi từ môi trường B tới môi trường X ta có hệ thức: — — ——n x sin B

CÂN BẰNGLỎNG - 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.

Khi làm lạnh dung dịch hai cấu tử A và B, quá trình kết tinh sẽ diễn ra với các đặc điểm riêng biệt phụ thuộc vào thành phần và sự tương tác giữa hai cấu tử Những trường hợp khác nhau có thể xảy ra trong quá trình 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 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 ra 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 (LAB)

- Vùng phía dưới đường rắn: hệ gồm hai

Hình ! - Giản đấ nhiệt độ - thánh cừa hệ hai cẩu từ không tạophần dung dịch

- pha là rắn A và rắn B (RA và RB)

Trong hai vùng giữa trạng thái lỏng và rắn, hệ thống tồn tại hai pha cân bằng: lỏng cân bằng với rắn A (LAB # RA) và lỏng cân bằng với rắn B (LAB # RB) Đường cong AE biểu thị nhiệt độ bắt đầu kết tinh pha rắn A từ các dung dịch có thành phần trong khoảng A’E’ Trên đường AE, hệ luôn bão hòa với cấu tử A, vì vậy nó được gọi là đường hòa tan của A hay đường kết tinh của A.

Đường cong EB mô tả nhiệt độ bắt đầu kết tinh của pha rắn B từ các dung dịch có thành phần trong khoảng E’B’, được gọi là đường hòa tan hoặc đường kết tinh của B Điểm E là điểm eutecti, nơi xảy ra sự kết tinh đồng thời của hai pha rắn A và B do dung dịch bão hòa cả hai cấu tử TE và xE tương ứng là nhiệt độ và thành phần eutecti.

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 quá trình làm lạnh, hệ ở trạng thái lỏng và nhiệt độ giảm đều do sự trao đổi nhiệt với môi trường (đoạn a-b) Tại điểm b, hệ bắt đầu kết tinh, và trong giai đoạn này, nhiệt độ không thay đổi (đoạn b-c) Đến điểm c, quá trình kết tinh hoàn tất, hệ chuyển hoàn toàn sang trạng thái rắn và nhiệt độ lại tiếp tục giảm (đoạn c-d) Theo quy tắc cân bằng pha Gibbs trong điều kiện áp suất không đổi, công thức c = k - f + 1 được áp dụng, trong đó tại đoạn b-c, hệ có một cấu tử tồn tại ở hai pha (lỏng và rắn), dẫn đến k = 1 và f = 2.

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

Trên đoạn a-b hoặc c-d, hệ chỉ có một pha, do đó c = 1 - 1 + 1 = 1 Điều này cho phép một trong hai biến số thay đổi 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 của hệ tại thời điểm 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, làm thay đổi thành phần của hệ và nhiệt độ kết tinh Trên giản đồ (T-t), đoạn kết tinh b-c có độ dốc xuống thay vì nằm ngang, 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, cho thấy chỉ một biến có thể thay đổi tự do trong khi biến còn lại sẽ thay đổi theo Điều này phù hợp với 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 thứ hai (cấu tử B) bắt đầu kết tinh, tạo thành pha rắn RB, trong khi hai pha 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 không thay đổi là xE 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, cả nhiệt độ và thành phần của hệ không thay đổi, với giá trị c = 2 - 3 + 1 = 0 Ở trạng thái cân bằng, hỗn hợp lỏng tương tác với hai pha rắn, tạo thành hỗn hợp eutecti hay còn gọi là hỗn hợp cộng tinh, với điểm E được xác định là điểm eutecti Đoạn d-e mô tả giai đoạn hệ giảm nhiệt độ sau khi hỗn hợp eutecti đã 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, tạo thành tinh chất Đoạn b-c đại diện cho giai đoạn kết tinh của hỗn hợp, trong đó hệ có 3 pha: RA, RB và LA-B, dẫn đến c = 2 - 3 + 1 = 0, do đó đoạn b-c có hình dạng nằm ngang.

II.1.2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT VÀ PHƯƠNG PHÁP XÂY

Phương pháp phân tích nhiệt là một kỹ thuật thực nghiệm hóa lý dùng để xây dựng các giản đồ kết tinh (T-x) thông qua việc khảo sát các đường cong nguội lạnh (T-t).

Phương pháp phân tích nhiệt dựa trên nguyên tắc rằng các đường biểu diễn trên giản đồ (T-x) thể hiện quỹ tích các điểm có sự thay đổi số pha của hệ Bằng cách xác định các điểm gãy khúc trên đường cong nguội lạnh, chúng ta có thể xác định những điểm có sự thay đổi số pha, từ đó xây dựng được giản đồ (T-x).

• Cách xây dựng giản đồ (T— X ) theo phương pháp phân tích nhiêt:

- Pha các hệ có khối lượng như nhau nhưng có các thành phần khác nhau.

- Làm nóng chảy các hệ rồi hạ dần nhiệt độ để hệ dần dần đông đặc lại

- Vẽ giản đồ biểu diễn biến đổi nhiệt độ của hệ theo thời gian, ta được các đường cong nguội lạnh (T-t).

Trên đường cong nguội lạnh của cấu tử tinh khiết, các đoạn nằm ngang tương ứng với nhiệt độ kết tinh của cấu tử nguyên chất Nhiệt độ này được biểu thị bằng các điểm T o A trên đường I và IV.

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.1 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 không đổi, mặc dù thực chất là phản ứng hai phân tử, nhưng có thể coi là phản ứng bậc 1 Phương trình động học của phản ứng được biểu diễn như sau: v = -£ = kC Để tăng tốc độ phản ứng, H+ được sử dụng làm xúc tác cho quá trình này.

Trong bài TN này, phản ứng được theo dõi qua góc quay mặt phẳng phân cực của dung dịch saccaroz và các sản phẩm thủy phân, vì chúng chứa nguyên tử cacbon bất đối xứng và là các chất hoạt quang Khi ánh sáng phân cực đi qua dung dịch, mặt phẳng phân cực sẽ quay, với góc quay tỉ lệ thuận với nồng độ dung dịch, chiều dày lớp dung dịch, bản chất chất hoạt quang, nhiệt độ và bước sóng ánh sáng Để so sánh, độ quay riêng phần [α] được định nghĩa là góc quay của dung dịch có nồng độ 1g/mL, chiều dày 1 cm, ở 20°C và bước sóng nhất định, thường là 589 nm Công thức xác định độ quay riêng phần là α = [α]C.

Chất quang hoạt Saccaroz Glucoz Fructoz

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

Gọi a 0 ,a t ,a lần lượt là góc quay của hỗn hợp ở thời điểm t = 0, t = t, t = 00

Co, C lần lượt là nồng độ saccaroz ở t = 0, t = t.

Ta có: -7 — —-—— c ott 0C QQ p 1 1 1 “0-aoo

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

- Đường saccaroz - Phân cực kế + Cuvet 01

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

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 a0.

1 Lấy 25 mL dung dịch đường cho vào erlen.

Hút 25 mL dung dịch HCl và cho vào erlen chứa dung dịch đường, đánh dấu 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 a 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 a,.

IV KẾT QUẢ BÁO CÁO

1 Ghi các kết quả đo a 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.

1 n —- —— — f(t) 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 ? r c 0 _ OÍQ—

2 Chứng minh hệ thức: „ — —-— c Ott-ơoo

3 Cách sử dụng phân cực kế như thế nào ?

PHÂN CỰC KẾ ỈỈÌHỈI ỉ — Sơ đô phân cực kê ỉ — Nguồn sáng ; 2 — Kỉnh lọc; -ĩ, 4, 6 — Lăng kính Nì Cũ ỉ phân cực;

5 — Cuvet chừa máu ; 7 — Kỉnh quan sát

Trong phân cực kế, lăng kính 3 và 4 được 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 được quay, độ chiếu sáng vào mặt kính quan sát sẽ thay đổi Vị trí mà độ chiếu sáng trở nên 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 các nút "ROTATE" để đảm bảo vạch chia giữa hai nửa của kính quan sát ở vị trí thẳng đứng và độ chiếu sáng giữa hai nửa hoàn toàn đều nhau.

- Bấm nút “ZERO SET” Màn hình sẽ hiển thị a = 0,00

- 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.

Sơ đồ phân cực kế

Mở nắp cuvet và nhanh chóng đổ dung dịch vào bên trong, sau đó đậy kín nắp cuvet Đảm bảo không có bọt khí dưới mặt kính và 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 a = 0,0

- Nhấn các nút “ROTATE” để quay vạch chia của hai nửa của kính quan sát đến khi độ sỏng ở hai bờn bằng nhau (hỡnh 4) Đọc gúc ô đo được.

Khi sử dụng máy, cần xác định lại vị trí "không" mỗi lần khởi động Nếu máy bị tắt điện, hãy đảm bảo kiểm tra và xác định lại vị trí "không" trước khi tiếp tục sử dụng.

- 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.

Chú ý: Hình 4 — Quay các nút "ROTATE” đê xác định góc phân cực

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.

11.1 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 sự biến đổi nồng độ của các tác chất hoặc sản phẩm trong một khoảng thời gian nhất định Theo định luật tác dụng khối lượng, khi nhiệt độ và áp suất không thay đổi, tốc độ của phản ứng một chiều tại mỗi thời điểm sẽ tỷ 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: V = k c^ c B (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.

11.2 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, được biểu diễn bằng công thức k = k₀ e^(-Eạ/RT).

Trong đó: ko là hằng số được gọi là thừa số tần số hay thừa số Arrhénius, ko 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).

Lấy logarit phương trình (4): 1 nk = 1 nk 0 ( — -lệ)

Theo phương trình này, hằng số tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nghịch đảo của nhiệt độ phản ứng, với kT1 và kT2 lần lượt là hằng số tốc độ phản ứng ở các 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:

CH3COOC2H5 + NaOH ^ CH3COONa + 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:

— ^dT) = k ( a — x )( b — x) (8) hay r/ a _ Y ^ rh-vM = kdt

Tích phân hai vế ta được: —-—1 n (a-x) = kt + c

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 sẽ áp dụng phương pháp theo dõi tiến trình phản ứng để thu thập dữ liệu cần thiết.

Tiến hành phản ứng bằng cách trộn hai dung dịch ester và NaOH, với lượng NaOH dư so với lượng ester Dung dịch NaOH ban đầu có nồng độ CddNaOH.

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 Vo, Vt, x lần lượt là thể tích dung dịch NaOH ban đầu, thể tích dung dịch NaOH tại thời điểm t và thể tích dung dịch NaOH khi phản ứng kết thúc tại thời điểm TO.

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.

C t NaOH = b - x = C 1 V t 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 TO:

C t Ester = a - x = C 1 (V t -Vo) Trong các liên hệ trên C1 là hằng số tỷ lệ.

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

-—777 -— ln -——— „ ; ' = kt c i (Vo - Vo) - c i Vo c i (Vo - Vo), c i Vt

- ~ In „ —7—7 = kt c iVo Vt (Vo - Vo)

1 l^f V 0-Voo vt hay l n ( o ' ■—) = k (10) y tQ.Vo V Vo Vt-Vo7 v ’

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

Nồng độ NaOH trong hỗn hợp phản ứng được tính bằng công thức: r_n NaOH = (C_ddNaOH * V_o * 10^3) / V_hỗn_hợp, trong đó C_ddNaOH là nồng độ dung dịch NaOH ban đầu và V_o là thể tích dung dịch NaOH.

Mà C 0 NaOH - C 1 V 0 vo.cdd NaOH _ r \ĩ ' r _ CddNaOH

III.1 HOÁ CHẤT VÀ DỤNG CỤ

- 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

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

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 chất chỉ thị phenolphtalein Ghi lại thể tích dung dịch NaOH đã sử dụng trong quá trình chuẩn độ, ký hiệu là VNaOH cđ.

Sau 50 phút phản ứng, chuyển bình chứa hỗn hợp vào bể điều nhiệt 1 và đun cách thủy cho đến khi đạt 70 o C Duy trì nhiệt độ này trong 45 phút để đảm bảo phản ứng hoàn tất.

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

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

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.

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

V t NaOH = V HCI - 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 kT1 và kT2

Tính kT1 và kT2 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, trước tiên cần xác định thể tích NaOH sử dụng để chuẩn độ HCl Sau đó, tìm mối liên hệ giữa thể tích NaOH đã dùng 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 tỷ lệ giữa 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,

CH3COONa và chất điện ly yếu CH3COOH.

- Xác định độ phân ly a và hằng số phân ly Ka của CH 3 COOH.

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

Dung dịch điện ly là một loại vật dẫn điện thứ hai, hoạt động dựa trên cơ chế ion Khi đặt dung dịch này vào điện trường giữa hai điện cực, các ion sẽ di chuyển về phía các điện cực trái dấu, tạo ra dòng điện Cả cation và anion đều tham gia vào quá trình dẫn điện Điện trở của dung dịch điện ly, giống như bất kỳ vật dẫn nào khác, phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn, tiết diện và độ dài của nó.

Với: p 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 X, là nghịch đảo của điện trở riêng, thể hiện khả năng dẫn điện của một khối dung dịch Đối với một hình lập phương có cạnh 1 cm, độ dẫn điện riêng được tính bằng công thức x = 1/p, với p là điện trở riêng Đơn vị đo độ dẫn điện riêng là siemen (S), tương ứng với S = Q^-1, và có đơn vị là cm^-1.

Với s = k được gọi là hằng số bình.

Độ dẫn điện đương lượng là chỉ số quan trọng trong việc đo lường khả năng dẫn điện của dung dịch, được xác định bằng độ dẫn điện của một khối dung dịch chứa 1 đương lượng gam chất điện ly giữa hai điện cực cách nhau 1 cm Công thức tính độ dẫn điện đương lượng là À = Q -1 cm² dlg -1 = S.cm² dlg -1.

Độ dẫn điện đương lượng của dung dịch, được biểu thị bằng nồng độ đương lượng (CN) tính bằng đlg/l, có mối quan hệ chặt chẽ với nồng độ dung dịch Khi nồng độ dung dịch giảm, độ dẫn điện đương lượng tăng lên và sẽ đạt giá trị giới hạn khi dung dịch trở nên vô cùng loãng.

II.2 XÁC ĐỊNH ĐỘ DẪN ĐIỆN GIỚI HẠN Â o

Chất điện ly mạnh, như NaCl và HCl, có mối liên hệ giữa độ dẫn điện đương lượng và nồng độ của dung dịch loãng, được mô tả bởi phương trình thực nghiệm của định luật Kohlrausch I: À = Àco — aựõ.

C N là nồng độ đương lượng của dung dịch.

Thực nghiệm thay đổi nồng độ dung dịch và đo độ dẫn điện giúp xác định mối quan hệ giữa độ dẫn và nồng độ Bằng cách vẽ đồ thị À = f(ực^), chúng ta có thể ngoại suy đến giá trị ực^ = 0 để tìm Ằ 00 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 đại lượng không đổi.

Mỗi ion đóng góp một phần vào độ dẫn điện, dẫn đến công thức tổng quát cho độ dẫn điện dương đương lượng giới hạn: À oo = À 0o + À oo.

Với: À0o, ÀO được gọi là độ dẫn điện đương lượng giới hạn của ion dương và âm.

Phương trình (6) chính là nội dung định luật II của Kohlrausch về sự chuyển động độc lập của các ion trong dung dịch.

Đối với các chất điện ly yếu, độ dẫn điện không tuân theo định luật I của Kohlrausch, điều này làm cho việc xác định Ả 00 trở nên khó khăn Trong trường hợp dung dịch rất loãng, công thức (6) được sử dụng để tính toán Ả 00.

Ví dụ: áp dụng công thức (6) để tính À 0 1 3C 0 0 H

,CH3COOH 1H + 1 T CH 3 COO“ T I H + 1 icr _ icr _ iNa+ 1 iNa+ 1 T CH 3 COO“ À QQ À Q Q + À QQ À Q Q + À Q Q À Q Q À Q Q + À Q Q + À QQ

Như vậy khi đã biết À 00 C \ À00 a Cl , À 0 H 3C 0 0 N a ta có thể suy ra được À 0 H 3C 0 0 N a

Độ phân ly a và hằng số phân ly K a của acid yếu được xác định thông qua độ dẫn điện đương lượng Ả 00 khi a = 1 Khi dung dịch càng loãng, độ phân ly a sẽ tiến gần đến 1 Do đó, trong khoảng 0 < a < 1, độ dẫn điện đương lượng được tính bằng a phần của Ả 00: Ằ = aẢ.

(7) Xét cân bằng của acid CH 3 COOH:

_ [C H3 C 0 0 - ].[H + ] _ C ọCC 2 a [C H 3 C 00H] 1 - (C Trong đó: C0 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.

Hằng số phân ly: aC0 aC0

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

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

Từ các dung dịch ban đầu, chúng tôi đã 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 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 LiS/cm để pha 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.

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

2 Tính nồng độ các dung dịch.

3 Vẽ thẳng À = f(VC), suy ra T 00 của các chất điện ly mạnh.

4 Tính Too của CH 3 COOH.

5 Tính a và Ka của các dung dịch CH 3 COOH.

1 Độ dẫn đương lượng giới hạn T o là gì? Phương pháp xác định T o 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 T o 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 (iG = 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 Hittorí.

- Áp dụng xác định số tải của các ion H + và SO4 2- trong dung dịch H2SO4.

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 dụng điện thế, các ion di chuyển về các điện cực trái dấu dưới tác dụng của điện trường Mỗi ion khi di chuyển sẽ mang một phần điện lượng xác định Tỷ lệ giữa điện lượng của một loại ion qua tiết diện của chất điện ly và tổng điện lượng qua tiết diện đó được gọi là số tải của ion.

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

Trong dung dịch có nhiều loại ion: E11 = 1 (2)

Nếu dung dịch chỉ chứa một loại cation và một loại anion, số tải của mỗi ion được tính bằng biểu thức: t + = = -^- (3)

: số tải của cation và anion.

: điện lượng do cation và anion tải. ẤÌ ,Ả “ : độ dẫn điện đương lượng giới hạn của cation và anion.

Từ hai biểu thức trên: t+ + t - = 1 (5)

Số tải của ion chịu ảnh hưởng bởi linh độ của ion, tính chất của dung môi, nồng độ, nhiệt độ, và sự hiện diện của các loại ion khác trong dung dịch.

II.2 XÁC ĐỊNH SỐ TẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HITTORF

Có nhiều phương pháp để 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 thay 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 biến thiên nồng độ này xảy ra do tốc độ di chuyển của các ion khác nhau, cũng như sự khác biệt về số vận tải và các phản ứng hóa học diễn ra tại các điện cực Tùy thuộc vào các phản ứng xảy ra ở điện cực, có thể xây dựng các phương trình tính số tải khác nhau.

Trong bài thử nghiệm này, chúng ta sẽ xây dựng phương trình tính toán số tải của ion H+ và SO4 2- trong dung dịch H2SO4 bằng phương pháp Hittorf Sử dụng bình điện phân với dung dịch H2SO4 và điện cực platin, chúng ta sẽ xác định điện lượng chuyển qua dung dịch bằng cách sử dụng coulomb kế đồng.

Để xây dựng phương trình tính số tải điện qua dung dịch, ta cần xem xét sự tham gia của các ion H+ và SO4 2- Trong bình điện phân, có 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 hai khu vực chính là ngăn anod và ngăn catod.

Khi xem xét trường hợp một điện lượng q = 1 Faraday đi qua dung dịch H2SO4, điện lượng này được mang bởi các ion, với q+ tương ứng với ion H+ và q- tương ứng với ion SO4^2- Tại ngăn anod, các ion H+ sẽ tham gia vào quá trình điện phân.

- 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:

• Ion SO 4 2- :Nhận thêm t_ đương lượng SO4 2- do tải điện lượng q_ từ ngăn giữa sang Như vậy, ngăn anod nhận thêm t_ đương lượng H 2 SO 4

Vậy khi có điện lượng q = 1 Faraday đi qua dung dịch, đương lượng H2SO4 thay đổi tại ngăn anod và ngăn catod là:

Với Ana, Anc là đương lượng H 2 SO 4 thay đổi lần lượt tại khu anod và catod.

Khi có điện lượng q Faraday đi qua dung dịch thì đương lượng H 2 SO 4 thay đổi tại mỗi ngăn sẽ là:

• Phương trình tính số tải là: t _ Ana _ Anc

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

- Xác định An a , An c bằng cách chuẩn độ dung dịch H 2 SO 4 ban đầu và dung dịch

H 2 SO 4 tại mỗi ngăn của bình Hittorf sau khi kết thúc điện phân.

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

Điện lượng q qua dung dịch được xác định bằng coulomb kế theo định luật Faraday, với công thức m.n = q, trong đó m là khối lượng chất phóng thích ở điện cực và n là số điện tử phóng thích.

A là nguyên tử gam chất phóng thích.

Bài thí nghiệm này sử dụng coulomb kế đồng với hai bản đồng ngâm 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 đi 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.

111.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ

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

- Dung dịch NaOH 0,1N - Bộ nguồn 01

- Dung dịch CuSO40,1M - Điện cực Pt 02

111.2 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, sau đó rửa sạch bằng nước cất Tiếp theo, tráng catod bằng etanol, để khô trong không khí và cuối cùng cân 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 trong hai nhánh của Hittorf, đảm bảo thể tích trong mỗi nhánh khoảng 70-75 mL, sao cho cột chất lỏng trong cả 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 để hoạt động Quá trình điện phân được thực hiện trong 1 giờ với cường độ dòng điện 200 mA.

2 Trong quá trình điện phân, chuẩn độ dung dịch H2SO4 ban đầu 3 lần bằng NaOH (mỗi lần 10mL).

Sau khi kết thúc quá trình điện phân, cần nhấc catod đồng ra và ngắt mạch điện Catod được rửa sạch 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 H2SO4 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.

1 Tính lượng Cu sinh ra trên catod của coulumb kế.

2 Tính điện lượng q qua dung dịch.

3 Tính đương lượng H2SO4 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).

ACa, ACc là biến thiên nồng độ đương lượng của H2SO4 tại hai ngăn anod và catod (đlg/L)

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

VHz s 0 4: thể tích dung dịch H2SO4 được lấy để chuẩn độ.

Vo N a 0 H, VN a 0 H: lần lượt là thể tích dung dịch NaOH dùng để chuẩn độ thể tích

VHzS 0 4của dung dịch H2SO4ban đầu và dung dịch H2SO4sau khi điện phân.

4 Tính số tải của H + và SO4 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 H2SO4 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.

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	433,45 KB