MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................... 3 PHẦN NHẬP MÔN ............................................................................................................................. 4 I. YÊU CẦU ĐỐI VỚI SINH VIÊN TRONG THÍ NGHIỆM HÓA LÝ .................................. 4 II. XỬ LÝ SỐ LIỆU.................................................................................................................... 4 BÀI 1: CÂN BẰNG LỎNG - LỎNG HỆ HAI CẤU TỬ .................................................................. 6 1.1. MỤC ĐÍCH ............................................................................................................................ 6 1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC............................................................................ 6 1.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT ...................................................................................................... 7 1.4. THỰC HÀNH ........................................................................................................................ 7 1.5. KẾT QUẢ ............................................................................................................................... 8 1.6. CÂU HỎI................................................................................................................................ 8 BÀI 2: CÂN BẰNG LỎNG - HƠI ...................................................................................................... 9 2.1. MỤC ĐÍCH ............................................................................................................................ 9 2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC............................................................................ 9 2.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT ...................................................................................................... 9 2.4. THỰC HÀNH ........................................................................................................................ 9 2.5. KẾT QUẢ ............................................................................................................................. 12 2.6. CÂU HỎI.............................................................................................................................. 13 BÀI 3: CÂN BẰNG LỎNG RẮN ..................................................................................................... 14 3.1. MỤC ĐÍCH .......................................................................................................................... 14 3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC.......................................................................... 14 3.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT .................................................................................................... 15 3.4. THỰC HÀNH ...................................................................................................................... 15 3.5. KẾT QUẢ ............................................................................................................................. 15 3.6. CÂU HỎI.............................................................................................................................. 16 BÀI 4: XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG ............................................................................................. 17 4.1. MỤC ĐÍCH .......................................................................................................................... 17 4.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC.......................................................................... 17 4.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT .................................................................................................... 18 4.4. THỰC HÀNH ...................................................................................................................... 18 4.5. KẾT QUẢ ............................................................................................................................. 19 4.6. CÂU HỎI.............................................................................................................................. 19 1
BÀI 5: THỦY PHÂN ESTER BẰNG KIỀM .................................................................................. 21 5.1. MỤC ĐÍCH .......................................................................................................................... 21 5.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC.......................................................................... 21 5.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT .................................................................................................... 22 5.4. THỰC HÀNH ...................................................................................................................... 23 5.5. KẾT QUẢ ............................................................................................................................. 23 5.6. CÂU HỎI.............................................................................................................................. 24 BÀI 6: ĐỘ DẪN DUNG DỊCH ......................................................................................................... 25 6.1. MỤC ĐÍCH .......................................................................................................................... 25 6.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC.......................................................................... 25 6.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT .................................................................................................... 27 6.4. THỰC HÀNH ...................................................................................................................... 27 6.5. KẾT QUẢ ............................................................................................................................. 27 6.6. CÂU HỎI.............................................................................................................................. 28 BÀI 7: 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6.
NHIỆT PHẢN ỨNG ............................................................................................................ 29 MỤC ĐÍCH .......................................................................................................................... 29 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC.......................................................................... 29 DỤNG CỤ - HÓA CHẤT .................................................................................................... 31 THỰC HÀNH ...................................................................................................................... 32 KẾT QUẢ ............................................................................................................................. 33 CÂU HỎI.............................................................................................................................. 34
BÀI 8: ĐỘ NHỚT DUNG DỊCH POLYME VÀ HỆ KEO ............................................................ 35 8.1. MỤC ĐÍCH .......................................................................................................................... 35 8.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC.......................................................................... 35 8.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT .................................................................................................... 38 8.4. THỰC HÀNH ...................................................................................................................... 38 8.5. KẾT QUẢ ............................................................................................................................. 39 8.6. CÂU HỎI.............................................................................................................................. 39 BÀI 9: HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI LỎNG – RẮN .................................................................. 41 9.1. MỤC ĐÍCH .......................................................................................................................... 41 9.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC.......................................................................... 41 9.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT .................................................................................................... 42 9.4. THỰC HÀNH ...................................................................................................................... 43 9.5. KẾT QUẢ ............................................................................................................................. 43 9.6. CÂU HỎI.............................................................................................................................. 43
2
LỜI MỞ ĐẦU
THÍ NGHIỆM HÓA LÝ được soạn thảo nhằm mục đích giúp sinh viên củng cố, bổ sung và làm sáng tỏ các bài giảng lý thuyết Hóa lý. Tài liệu này đã và đang được dùng để giảng dạy và hướng dẫn thực hành cho sinh viên Khoa Sinh học - Môi trường của trường Đại học Lạc Hồng. Tài liệu biên soạn gồm 9 bài thực hành, mỗi bài được cấu trúc thành 6 phần: 1. Mở đầu mỗi bài là nội dung mục đích nhằm giúp sinh viên sơ lược về những kiến thức cần và sẽ được ôn tập, thực hành trong bài. 2. Phần lý thuyết, nêu lên một cách ngắn gọn các vấn đề có liên quan để sinh viên vận dụng cùng với bài giảng trên lớp, trả lời được các câu hỏi trọng tâm. 3. Phần dụng cụ và hóa chất, giúp sinh viên hình dung được những dụng cụ và hóa chất sẽ được sử dụng trong bài. 4. Phần thực hành được hướng dẫn cụ thể chi tiết từng bước thực hiện thí nghiệm, giới thiệu và hướng dẫn sử dụng cụ thể đối với những dụng cụ thiết bị lạ, có độ nhạy cao mà sinh viên chưa hoặc ít được thao tác. 5. Phần kết quả, giúp sinh viên biết cách tổng hợp số liệu và trình bày kết quả thành một bài báo cáo hoàn chỉnh cũng như giúp sinh viên biện luận dựa trên số liệu thí nghiệm được so với cơ sở lý thuyết đã trang bị trước đó. 6. Câu hỏi cuối bài nhằm giúp sinh viên tóm lược lại kiến thức trong bài, những câu hỏi sẽ giúp sinh viên nắm vững thêm những điểm quan trọng cũng như hiểu rõ hơn về những sai sót trong tiến trình thí nghiệm. Chúng tôi hy vọng các bài thực hành này sẽ giúp cho sinh viên làm quen với các phương pháp đo tính chất vật lý xác định trên các hệ hóa học, phát triển kỹ năng thực hành trên các thiết bị có độ nhạy cao, có đánh giá sai số cũng như làm quen với việc làm báo cáo số liệu hóa lý. Việc biên soạn tài liệu này không thể tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi rất mong được các bạn đồng nghiệp và bạn đọc góp ý chân thành để tài liệu được hoàn thiện hơn trong những lần tái bản sau. Địa chỉ liên hệ: Khoa Công nghệ Sinh học – Môi trường, Trường Đại học Lạc Hồng, số 10 – Huỳnh Văn Nghệ – P. Bửu Long – Biên Hòa – Đồng Nai. ĐT: (061) 3953442
3
PHẦN NHẬP MÔN I.
YÊU CẦU ĐỐI VỚI SINH VIÊN TRONG THÍ NGHIỆM HÓA LÝ
1. Chuẩn bị trước nội dung thí nghiệm để có thể sử dụng thiết bị đo và tự lắp được hệ thống thí nghiệm (TN). Trước khi làm TN, sinh viên phải qua kiểm tra vấn đáp hay trả lời câu hỏi trên giấy. 2. Rèn luyện tác phong nghiên cứu cẩn thận chính xác và tính quan sát. - Trước khi tiến hành thí nghiệm cần rửa thật sạch các dụng cụ (trừ các trường hợp đặc biệt có hướng dẫn riêng). - Phải tuân thủ các điều kiện thí nghiệm (nhiệt độ, áp suất) và các chế độ tiến hành TN. Không tự động đơn giản hóa thao tác. Khi sử dụng số liệu trong sổ tay Hóa lý (thường cho ở 25oC) để tính toán phải quy về nhiệt độ của phòng TN. Ví dụ: Cần phải đo một dãy dung dịch (DD) có nồng độ khác nhau, các bình tam giác, cốc đo hoặc burette … trước hết cần phải được rửa sạch, tráng kỹ bằng nước cất, sau đó tráng bằng chính DD cần đo. Đo DD loãng trước, DD đậm đặc sau (sau lần đo với DD thứ nhất, chỉ cần tráng bằng DD sắp đo, không cần tráng nước cất nữa để tránh làm loãng DD). 3. Ghi chép kết quả thí nghiệm - Tất cả số liệu thu được trong buổi TN phải được ghi chép lại rõ ràng bằng bút mực theo biểu mẫu của phòng TN và có xác nhận của giáo viên hướng dẫn trên kết quả thô. - Ghi chép cụ thể điều kiện thực hiện TN (nhiệt độ, áp suất, nồng độ các hóa chất đã sử dụng…) và những thay đổi (nếu có) so với bài hướng dẫn. 4. Báo cáo thí nghiệm - Thực hiện tất cả các nội dung yêu cầu từng bài theo mẫu của phòng TN - Đồ thị phải được vẽ bằng tay trên giấy ô ly (giấy milimet) hay sử dụng các phần mềm vẽ đồ thị in trên giấy thường, dán vào bài báo cáo.
II.
XỬ LÝ SỐ LIỆU
1. Trình bày số liệu Có ba cách trình bày số liệu: bảng số liệu, đồ thị và phương trình a. Bảng số liệu Có thể sử dụng dạng bảng thống kê chỉ để liệt kê các số liệu theo thứ tự mà không thiết lập mối quan hệ giữa chúng. Ngược lại, trong bảng số liệu hàm số các giá trị tương ứng của một biến độc lập và của một hay nhiều biến phụ thuộc được liệt kê cạnh nhau. Mỗi bảng số liệu phải được đặt tên rõ ràng, ngắn gọn, đầy đủ; mỗi cột trong bảng phải có tiêu đề mô tả số liệu liệt kê và ghi rõ đơn vị. 4
b. Đồ thị Có nhiều lợi điểm trong việc trình bày số liệu. Một trong những thuận lợi quan trọng nhất là từ đồ thị ta có thể phát hiện được các điểm cực đại, cực tiểu, điểm uốn hay những tính chất đặc biệt khác có thể bị bỏ qua trong bảng số liệu hay trong công thức. Hơn nữa, các phép tính vi phân trực tiếp có thể được thực hiện bằng cách vẽ tuyến tính các đường cong, và tích phân được tính bằng cách xác định diện tích dưới đường cong. Một số điểm cần lưu ý khi vẽ đồ thị:
-
Chọn giấy vẽ đồ thị: thường là giấy kẻ ô ly. Nếu một trục tọa độ là logarit của một biến số sử dụng giấy nửa logarit. Nếu cả 2 trục tọa độ là logarit của các biến số log – log là thích hợp nhất
-
Chọn trục tọa độ: cần lưu ý 5 điểm sau: 1. Biến độc lập biểu diễn trên trục X 2. Phải chọn thang đo sao cho tọa độ của mọi điểm trên đồ thị được xác định nhanh chóng, dễ dàng. Thang đơn vị của 2 trục không nhất thiết phải bằng nhau 3. Phải chia trục tọa độ sao cho đường biểu diễn phải trãi đều hầu như khắp bề mặt giấy 4. Nếu có thể được nên chọn các biến số sao cho đường biểu diễn thu được có dạng gần đường thẳng 5. Thang đo phải được chọn sao cho đường biểu diễn có độ dốc hình học xấp xỉ 45o.
-
Đặt tên cho trục tọa độ, ghi đơn vị
Vẽ đồ thị: Mỗi điểm phải được đánh dấu bằng một ký hiệu thích hợp (vòng tròn, hình vuông, tam giác …). Kích thước của ký hiệu thường tương đương với độ chính xác của phép đo. Đường biểu diễn phải đi qua hoặc nằm gần càng nhiều điểm thực nghiệm càng tốt và phải không chứa những điểm kỳ dị hay bất thường c. Phương trình Tiện dụng để tổng quát hóa mối quan hệ giữa các biến số, dễ dàng lấy vi phân, tích phân hay nội ngoại suy. Thông thường, dạng phương trình liên hệ giữa biến độc lập và biến phụ thuộc đã biết trước, chỉ cần xác định giá trị các hệ số trong phương trình, vì các hệ số này tương ứng với các đại lượng vật lý. 2. Độ chính xác của phép đo
-
Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào cả hai yếu tố: dụng cụ và con người. Ví dụ: Với cùng nhiệt kế chia vạch tới 0,10C (khoảng cách giữa hai vạch thường là 1mm), người quan sát tinh có thể đọc chính xác 0,030C còn người quan sát không tinh có thể đọc chính xác 0,050C. Nếu vạch chia tới 0,010C (mao quản của nhiệt kế bé hơn) và khoảng cách giữa hai vạch vẫn như cũ thì độ chính xác tăng lên 10 lần.
-
Muốn đo một đại lượng nào đó ta phải đo nhiều lần để lấy giá trị trung bình. Số lần đo ít và sự sai khác ở mỗi lần đo lớn thì lấy giá trị trung bình không có ý nghĩa.
-
Mặc dù vậy vẫn không tránh khỏi sai số vì mọi phép đo đều chứa sai số. Vấn đề là hạn chế sai số và xác định được phép đo nào gây sai số lớn nhất. Khảo sát sai số cho ta biết độ chính xác của phép đo. 5
BÀI 1: CÂN BẰNG LỎNG - LỎNG HỆ HAI CẤU TỬ 1.1.
MỤC ĐÍCH Khảo sát độ tan của hệ 2 chất lỏng hòa tan hạn chế vào nhau, từ đó thiết lập giản đồ pha nhiệt độ - thành phần của hệ. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC Xét hệ phenol - nước ở nhiệt độ cố định. Khi thêm dần phenol vào nước thì lúc đầu phenol tan hoàn toàn trong nước, hệ tạo thành 1 pha duy nhất (đồng thể). Nếu tiếp tục cho phenol vào tới một nồng độ nào đó, nó không tan nữa và hệ phân ra 2 lớp (pha): lớp phenol bão hòa nước (ở dưới) và lớp nước bão hòa phenol (trên). Hai lớp chất lỏng này được gọi là liên hợp nhau, khi lắc mạnh thì hỗn hợp trộn lẫn vào nhau gây đục. Ở mỗi nhiệt độ, độ hòa tan của phenol trong nước và của nước trong phenol có giá trị xác định. Khi nhiệt độ tăng, độ tan lẫn tăng. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan lẫn (biểu đồ nhiệt độ – thành phần) có dạng như hình vẽ dưới đây: 1.2.
Nhiệt độ K Tc
T a
100%H2O
b
m
100%Phenol
Thành phần Hình 1.1: Giản đồ “nhiệt độ - thành phần” aK và Kb lần lượt biểu diễn ảnh hưởng của phenol trong nước (lớp nước) và của nước trong phenol (lớp phenol). K là điểm hòa tan tới hạn, ở đó thành phần của 2 pha bằng nhau. Tc gọi là nhiệt độ hòa tan tới hạn. Đường cong aKb chia biểu đồ thành hai miền, miền trong gạch chéo ứng với hệ dị thể (2 pha); miền ngoài hệ đồng thể. Có thể thiết lập biểu đồ nhiệt độ thành phần bằng 2 cách: 1.2.1. Phương pháp đẳng nhiệt Giữ nhiệt độ của hệ không đổi, thay đổi thành phần của hệ (chẳng hạn thêm dần phenol vào nước). Xác định điểm hệ chuyển từ đồng thể sang dị thể và ngược lại. 6
Lắc mạnh lọ đựng hai chất lỏng này rồi ngâm trong bình điều nhiệt đã cố định nhiệt độ, cho tới khi phân hoàn toàn thành 2 pha (lớp). Sau đó phân tích định lượng 2 lớp này. 1.2.2. Phương pháp đa nhiệt Với hỗn hợp có thành phần m chẳng hạn (hệ vẫn đục), tăng dần nhiệt độ đến khi hỗn hợp trở thành trong. Nhiệt độ tiếp tục tăng, hỗn hợp vẫn trong. Vậy căn cứ vào nhiệt độ bắt đầu trong hay bắt đầu đục để xác định điểm b. Làm thí nghiệm với những hỗn hợp có thành phần khác nhau sẽ xác định được đường cong aKb. 1.3.
DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 1.3.1. Dụng cụ: - Ống nghiệm - Burette - Nhiệt kế 100oC - Đũa khuấy - Bếp điện - Nồi đun - Becher 50 ml - Becher 100 ml
: 11 ống : 1 cái : 3 cái : 3 cái : 1 cái : 1 cái : 2 cái : 2 cái
1.3.2. Hóa chất: - Phenol - Nước cất 1.4.
THỰC HÀNH - Cho lọ đựng phenol vào bình điều nhiệt để phenol chảy ra (nhiệt độ khoảng 50oC). Tuyệt đối không đun trực tiếp phenol trên bếp. Sau đó định lượng khoảng giá trị phenol cần dùng rồi cho ra becher 50ml. - Pha các hỗn hợp vào 11 ống nghiệm theo bảng số liệu sau: Ống
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Phenol (ml)
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3,0
3,3
3,6
H2O (ml)
5,4
5,1
4,8
4,5
4,2
3,9
3,6
3,3
3,0
2,7
2,4
- Cho đũa khuấy và nhiệt kế lần lượt vào các ống nghiệm. Lưu ý không để bầu nhiệt kế chạm đáy ống nghiệm. - Nhúng ống nghiệm vào cốc nước nóng (cốc nước khoảng 800C đã đặt sẵn trên nồi đun cách thủy). Quan sát sự thay đổi nhiệt độ và sự biến đổi của hỗn hợp. Khi hỗn hợp sắp trong phải cho nhiệt độ tăng rất chậm (bằng cách nhấc ống nghiệm ra khỏi cốc nước nóng) và khuấy mạnh hơn. 7
- Ghi nhiệt độ bắt đầu trong. Sau đó cho nhiệt độ hạ từ từ (bằng cách nhấc ống nghiệm ra khỏi cốc, tiếp tục khuấy). Ghi nhiệt độ lúc bắt đầu đục. Hai nhiệt độ này phải chênh nhau không quá 0,50C. Thực hiện trên mỗi ống nghiệm 3 lần lấy giá trị nhiệt độ trung bình. 1.5.
KẾT QUẢ 1.5.1. Kết quả thô Lập bảng ghi các giá trị nhận được cho 11 ống nghiệm. 1.5.2. Kết quả tính - Vẽ đồ thị nhiệt độ thành phần khối lượng của hệ phenol nước. - Xác định nhiệt độ tới hạn và thành phần hòa tan tới hạn của hệ.
1.6. CÂU HỎI Câu 1: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Nêu nguyên tắc của bài thí nghiệm với hệ hai chất lỏng hòa tan hạn chế vói nhau (phenol – nước) c. Tại sao khi làm thí nghiệm không để nhiệt độ môi trường quá cao so với nhiệt chuyển pha Câu 2: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ tan lẫn và thành phần có dạng như thế nào ? Giải thích các miền của đồ thị đó ? c. Cho biết ý nghĩa của nhiệt độ tới hạn ? Câu 3: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Tại sao trong quá trình đun nóng, khi hỗn hợp sắp trong phải cho nhiệt độ tăng chậm lại và khuấy mạnh hơn ? c. Trình bày phương pháp của nguyên tắc đa nhiệt Câu 4: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Trong 2 phương pháp đẳng nhiệt và đa nhiệt, theo anh chị thì phương pháp nào đơn giản hơn ? Tại sao ? c. Giữ nguyên thành phần phenol và nước trong ống nghiệm, đun không khuấy thì có xảy ra hiện tượng chuyển pha không ? Câu 5: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Ở một nhiệt độ nhất đinh với lượng nước nhất định, cho dần phenol vào nước (có khuấy trộn), dự đoán hệ sẽ xảy ra như thế nào ? c. Tại sao không được đun trực tiếp phenol trên bếp ? 8
BÀI 2: CÂN BẰNG LỎNG - HƠI 2.1.
MỤC ĐÍCH Khảo sát cân bằng giữa dung dịch – hơi của hai chất lỏng tan lẫn vô hạn bằng phương pháp chưng cất. Thiết lập giản đồ pha nhiệt độ – thành phần và xác định tọa độ của điểm đẳng phí trên đồ thị nếu có
2.2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC Xét hệ trong đó dung dịch của hai chất lỏng A, B hoàn toàn tan lẫn vào nhau, nằm cân bằng với pha hơi gồm hai cẩu tử A và B - Với dung dịch lý tưởng thì thành phần của pha hơi có thể tính theo định luật Raoult hay định luật Konovalop I - Với dung dịch thực các định luật trên không còn đúng, ở dung dịch thực xảy ra sai lệch âm và dương với định luật Raoult, sự sai lệch nhiều khi lớn đến nỗi tạo thành các điểm cực trị trên đường (P-x) hay (T-x). Những giản đồ này được xác định bằng thực nghiệm Việc xác định nồng độ cấc cấu tử thực hiện bằng nhiều cách, song đơn giản nhất là xác định thông qua việc đo một tính chất hóa lý nào đó, chẳng hạn như đo độ chiết suất n. Trước hết pha các dung dịch có thành phần chính xác, đo chiết suất của chứng để lập đường chuẩn n = f(x), sau đó dùng đường chuẩn này để xác định các thành phần của dung dịch khi biết chiết suất của nó 2.3.
DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 2.3.1. Dụng cụ: - Bộ chưng cất có ống ngưng : 1 bộ - Bếp điện : 1 cái 0 - Nhiệt kế rượu 100 C : 1 cái - Nút nhựa : 1 cái - Lọ thủy tinh lấy mẫu : 1 cái - Đũa thủy tinh : 1 cái - Becher 250ml : 1 cái - Máy đo chiết quang : 1 cái - Giấy lọc 2.3.2. Hóa chất: - Dung dịch benzen – aceton chưa biết thành phần - Nước cất
2.4.
THỰC HÀNH Trong bài thí nghiệm ta khảo sát cân bằng lỏng hơi của hệ benzen – aceton 9
Trước khi tiến hành thí nghiệm sinh viên sẽ được hướng dẫn thao tác sử dụng bộ chưng cất. Làm thí nghiệm đối với từng dung dịch (được đánh dấu từ 1 đến 6) như sau: - Đo chiết suất của dung dịch bằng khúc xạ kế, ghi kết quả vào bảng - Cho tất cả dung dịch trong lọ vào bình chưng cất (chú ý bình phải nguội), lượng chất lỏng trong bình phải chiếm khoảng 2/3 thể tích bình. Cho vào bình vài viên đá bọt - Lắp bình vào bộ chưng cất cách thủy, chú ý để cho bầu thủy ngân hay bầu rượu của nhiệt kế ngập một nửa vào dung dịch. Cho nước lạnh chảy qua sinh hàn
3 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
1 2
7 4 5
Nhiệt kế Giá đỡ Sinh hàn Nồi nước Bếp điện Bình cầu Lọ thủy tinh lấy mẫu Becher
8
6
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống chưng cất - Bắt đầu gia nhiệt và quan sát dung dịch. Khi dung dịch bắt đầu sôi (có bọt khí nhỏ xuất hiện đều đặn từ trong lòng dung dịch) thì ghi lại nhiệt độ T1. - Quay nhanh ống sinh hàn xuống vị trí dưới (cẩn thận đoạn ống nối dễ vỡ, chú ý hệ thống kín không để hơi thoát ra ngoài từ cổ nhám của bình cầu) và lấy 3 – 5 giọt hơi ngưng vào lọ thủy tinh, xong đậy nút kín lại. Đo chiết suất của phần hơi ngưng tụ được - Quay sinh hàn trở lại vị trí cũ cà đọc lại nhiệt độ sôi T2 (nếu T1 và T2 chênh lệch quá 10 phải làm lại thí nghiệm từ đầu) T +T - Nhiệt độ sôi của hệ được tính là giá trị trung bình của T1 và T2: Ts = 1 2 2 - Ngưng gia nhiệt, nhấc bình chưng ra khỏi chậu nước, làm nguội bình chưng bằng vải thấm nước bọc bên ngoài hoặc cốc nước lạnh. Khi bình đã nguội, đổ trả dung dịch vào bình chứa ban đầu Tiếp tục tiến hành thí nghiệm với các dung dịch khác PHỤ LỤC Khúc xạ kế Để đo chiết suất của chất lỏng người ta thường dùng khúc xạ kế Abbe dựa trên nguyên tắc về sự phản xạ toàn phần ánh sáng. 10
Hình 2.2: Sơ đồ quang học khúc xạ kế Abbe Máy có 2 phần chính là hệ thống lăng kính và hệ thống quan sát. Hệ thống lăng kính gồm 2 kính vuông góc mà hai cạnh huyền đặt sát vào nhau. Chất lỏng nghiên cứu đặt giữa hai mặt này thành một lớp mỏng. Tia sáng từ gương phản chiếu rọi vào cạnh đáy lăng kính thứ nhất qua lớp chất lỏng vào lăng kính thứ hai theo theo cùng phương với lúc đi qua lăng kính thứ nhất. Tia ló này đi qua ống quan sát và hiện ra trên thị trường.
Hình 2.3: Hệ thống lăng kính của khúc xạ kế Abbe Cả hai lăng kính cùng xoay quay một trục. Xoay hệ thống này tương đối với nguồn tia tới để đạt vị trí mà ở đó một phần một phần tia chịu sự phản xạ toàn phần tại mặt phân cách của chất lỏng và lăng kính thứ nhất, nghĩa là những tia này không thể lọt vào lăng kính thứ nhau và trên thị trường xuất hiện một miền đen và một miền sáng. Xoay hệ thống lăng kính cho ranh giới hai miền 11
tối sáng trùng với giao điểm của dây chéo trong thị trường. Kim chỉ gắn liền với hệ thống lăng kính, nên khi xoay lăng kính kim sẽ xoay và chỉ trên một thước chia cố định. Vạch chia cho biết chiết suất n của chất lỏng. Khi ta dùng ánh sáng mặt trời để đo chiết suất thì không thể nhận thấy rõ rệt ranh giới của hai vùng tối sáng được bởi vì sẽ xuất hiện nhiều màu sắc. Để loại bỏ hiện tượng này người ta lắp thêm bộ phận bổ chính đặt ở phía dưới bộ phận quan sát. Bộ phận bổ chính là một hệ gồm hai lăng kính có thể quay quanh một trục theo chiều ngược nhau. Ta chọn một vị trí tương đối của hai lăng kính đó để thấy ranh giới hai miền sáng tối trên thị trường được rõ ràng nhất.
Hình 2.4: Máy đo chiết suất Nếu cần giữ nhiệt độ ổn định, lắp hệ thống điều hòa nhiệt và cho nước chảy qua vỏ điều nhiệt của khúc xạ kế Hiệu chỉnh máy: cho vài giọt nước cất vào lăng kính. Để thang đo ở 1,33250. Ranh giới vùng sáng tối phải cắt ngang vạch chéo trong thị trường (nếu sai phải hiệu chỉnh lại)
2.5.
KẾT QUẢ 2.5.1. Kết quả thô Ghi giá trị chiết suất của các dung dịch ban đầu, chiết suất hơi ngưng, nhiệt độ T1 và T2 của các dung dịch từ 1 đến 6 2.5.2. Kết quả tính Từ bảng số liệu do PTN cung cấp (thành phần khối lượng, chiết suất của hỗn hợp benzen – aceton), tra nhiệt độ sôi, khối lượng riêng từng chất. Từ đó: - Lập bảng số liệu và vẽ đường biểu diễn “chiết suất – thành phần mol” của hệ - Xây dựng giản đồ “nhiệt độ – thành phần mol” của hệ benzen – aceton - Xác định tọa độ điểm đẳng phí nếu có 12
2.6. CÂU HỎI Câu 1: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Thế nào là dung dịch lý tưởng c. Từ chiết suất các mẫu dung dịch đo được, làm thế nào xác định nồng độ dung dịch Câu 2: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Nêu định luật Raoult hay Konovalop 1 đối với dung dịch lý tưởng Thành phần pha hơi nằm cân bằng với pha lỏng được xác định như thế nào c. Câu 3: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Trong bài thí nghiệm này tại sao chỉ phải lấy từ 3 đến 5 giọt hơi ngưng để đo chiết suất ? c. Thế nào là điểm đẳng phí ? Ứng dụng của chưng cất lôi cuốn hơi nước ? Câu 4: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Tại sao khi chưng cất dung dịch thí nghiệm, người ta cho đá bọt vào ? c. Muốn thiết lập giản đồ nhiệt độ - thành phần của hỗn hợp hai chất lỏng hòa tan vào nhau, người ta làm như thế nào ? Câu 5: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Tại sao đặt bầu thủy ngân của nhiệt kế ngập một nửa trong dung dịch để đo nhiệt độ khi chưng cất ? c. Khi chưng cất dung dịch có điểm đẳng phí thì sản phẩm đỉnh có thành phần là bao nhiêu ? Minh họa bằng đồ thị chưng cất.
13
BÀI 3: CÂN BẰNG LỎNG RẮN 3.1.
MỤC ĐÍCH Làm quen với phương pháp phân tích nhiệt và thiết lập giản đồ “nhiệt độ – thành phần” của hệ hai cấu tử kết tinh không tạo hợp chất hóa học và dung dịch rắn.
3.2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC Phương pháp phân tích nhiệt đặt trên cơ sở nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ của hệ nguội dần hoặc nóng dần theo thời gian. Ở áp suất nhất định, nhiệt độ kết tinh của một chất nguyên chất có giá trị không đổi và giữ nguyên trong suốt quá trình kết tinh. Đối với dung dịch, nhiệt độ bắt đầu kết tinh phụ thuộc thành phần dung dịch (thành phần khác nhau nhiệt độ bắt đầu kết tinh khác nhau) và trong quá trình kết tinh cấu tử thứ nhất, nhiệt độ giảm dần cho tới khi xuất hiện cấu tử thứ hai cùng kết tinh thì nhiệt độ giữ nguyên tc (ứng với nhiệt độ eutecti) cho tới khi quá trình kết tinh kết thúc. Sau đó nhiệt độ tiếp tục giảm. 1
2
3
4
5
3
4
5
A
Nhiệt độ
a
Nhiệt độ
2
1
d b c
b
e
c
a
D B C E e
c
d
Thời gian
Hình 3.1: Giản đồ nhiệt độ – thời gian
Hình 3.2: Giản đồ nhiệt độ–thành phần
Trên hình đường nguội (1) và (5) ứng với A, B nguyên chất. Đường (2) và (4) ứng với hỗn hợp có %B tăng dần. Đường (3) ứng với hỗn hợp có thành phần bằng đúng thành phần eutecti. Trên đường (1) và (5) các đoạn thẳng nằm ngang ứng với quá trình kết tinh A và B nguyên chất. Trên đường (2), (3), (4) đoạn nằm ngang b, e, c ứng với quá trình kết tinh eutecti, còn các điểm b, c ứng với điểm bắt đầu kết tinh 1 cất tử nào đó (các hỗn hợp (2), (4)) những điểm này xác định dễ dàng vì ở đó độ dốc của đường biểu diễn thay đổi do tốc giảm nhiệt độ trước và trong khi kết 14
tinh không giống nhau. Trong thực nghiệm việc xác định điểm eutecti rất quan trọng nhưng lại rất khó, thường dùng phương pháp Tamman. Nếu điều kiện nguội lạnh hoàn toàn như nhau thì độ dài của đoạn nằm ngang (thời gian kết tinh) trên đường cong nguội lạnh sẽ tỷ lệ với lượng eutecti. Như vậy nếu đặt trên đoạn ad thành phần và trên trục tung là độ dài các đoạn nằm ngang của đường nguội lạnh tương ứng nối các đầu mút lại, ta sẽ được tam giác aId. Đỉnh I của tam giác ứng với thành phần eutecti. Tam giác aId gọi là tam giác Tamman.
3.3.
DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 3.3.1. Dụng cụ: - Ống nghiệm - Nhiệt kế 100oC - Bếp điện - Đũa khuấy - Becher 250ml
: 8 ống : 8 cái : 1 cái : 8 cái : 3 cái
3.3.2. Hóa chất: - Naphtalein - Diphenil – amin 3.4.
THỰC HÀNH - Tiến hành chuẩn bị 8 ống nghiệm có thành phần như sau: Ống
1
2
3
4
5
6
7
8
Naphtalen (g) Diphenil – amin (g)
10 0
8 2
6 4
4,5 5,5
3 7
2,5 7,5
1 9
0 10
- Lần lượt đun cách thủy từng ống nghiệm cho đến khi hỗn hợp chảy lỏng hoàn toàn. - Lấy ống ra lau khô ngoài ống. - Theo dõi sự hạ nhiệt độ theo thời gian, cứ sau 30 giây ghi nhiệt độ 1 lần. - Liên tục khuấy nhẹ và đều tay cho tới khi tinh thể đầu tiên xuất hiện thì ngưng khuấy và ghi nhiệt độ này. - Để kiểm tra độ bắt đầu kết tinh ta nhúng ống nghiệm trở lại cho hỗn hợp chảy lỏng và làm lại từ đầu thí nghiệm). - Tiếp tục theo dõi (không khuấy) và ghi nhiệt độ hỗn hợp nguội dần, cho tới khi hỗn hợp hoàn toàn đông đặc. Chú ý: Khi nhiệt độ ống nghiệm nguội đến khoảng 40oC thì sử dụng ống bao không khí bên ngoài ống nghiệm và nhúng vào cốc đựng nước lạnh. Tiếp tục ghi nhiệt độ cho đến khi nhiệt độ giảm xuống 30oC thì ngừng thí nghiệm.
3.5.
KẾT QUẢ 3.5.1. Kết quả thô: ghi lại nhiệt độ của hỗn hợp trong ống nghiệm ở từng thời điểm. 15
3.5.2. Kết quả tính: lập bảng tính và vẽ - Vẽ giản đồ nhiệt độ - thời gian. Xác định nhiệt độ bắt đầu kết tinh, nhiệt độ eutecti, thành phần eutecti. - Vẽ giản đồ nhiệt độ – thành phần của hệ diphenilamin – naphthalen, xác định nhiệt độ và thành phần eutecti. 3.6. CÂU HỎI Câu 1: Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm a. b. Nêu nguyên tắc xây dựng giản đồ nhiệt đồ thành phần của hỗn hợp Naphthalen – Diphenylamin c. Thế nào là hỗn hợp eutecti Câu 2: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Đường cong nguội lạnh của chất nguyên chất và của hỗn hợp 2 cấu tử khác nhau như thế nào ? c. Tại sao nhiệt độ môi trường làm lạnh phải nhỏ hơn nhiệt độ eutecti ? Câu 3: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Cách xác định điểm eutecti từ giản đồ nhiệt độ - thành phần ? c. Tại sao trong quá trình kết tinh tinh thể người ta thường cho vào các tinh thể làm mầm ? Câu 4: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Đường cong nguội lạnh của chất nguyên chất và của hỗn hợp 2 cấu tử khác nhau như thế nào ? c. Dùng nguyên tắc pha giải thích tại sao trong quá trình kết tinh của các chất nguyên chất hoặc hỗn hợp eutecti có nhiệt độ không đổi, còn quá trình kết tinh hỗn hợp dung dịch thì nhiệt độ giảm dần Câu 5: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Đường cong nguội lạnh của chất nguyên chất và của hỗn hợp eutecti có dạng như thế nào ? Nhận xét ? c. Nêu cách xác định điểm eutecti bằng phương pháp Tamman.
16
BÀI 4: XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG 4.1.
MỤC ĐÍCH - Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến vận tốc phản ứng. - Xác định bậc của phản ứng phân hủy Na2S2O3 trong môi trường acid bằng thực nghiệm.
4.2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC Vận tốc phản ứng được định nghĩa là đại lượng đặc trưng cho diễn biến nhanh hay chậm của một phản ứng hoá học. Trong dung dịch tốc độ phản ứng trung bình của một phản ứng hoá học được xác định bằng biến thiên nồng độ của một chất trong một đơn vị thời gian: ∆C V =± ∆t Dấu (-) nếu ∆C là biến thiên nồng độ tác chất. Dấu (+) nếu ∆C là biến thiên nồng độ sản phẩm. Khi ∆t → 0 thì tỷ số trên dần tới giá trị giới hạn ta gọi là tốc độ tức thời của phản ứng tại thời điểm khảo sát. dC V =± dt Với phản ứng tổng quát: aA + bB → cC + dD (*) Tốc độ tức thời của phản ứng tại một thời điểm t có thể biểu thị: dCA a dCB a dCC a dCD V =− =− = = dt b dt c dt d dt Định luật tác dụng khối lượng cho biết ảnh hưởng của nồng độ các tác chất tới tốc độ phản ứng: “Tại nhiệt độ xác định, tốc độ phản ứng ở mỗi thời điểm tỷ lệ thuận với tích số nồng độ các tác chất (với số mũ thích hợp)” Biểu thức toán học của định luật tác dụng khối lượng áp dụng cho phản ứng (*) có dạng sau: dCA V =− = k.CAn .CBm dt n+m: bậc tổng quát của phản ứng, m và n là của các số được xác định bằng thực nghiệm chứ không thể rút ra trực tiếp từ phương trình phản ứng. k: được gọi là hằng số tốc độ, giá trị của nó chỉ phụ thuộc bản chất các chất tác dụng và nhiệt độ và k còn được gọi là vận tốc riêng của phản ứng. Phản ứng phân huỷ Na2S2O3 trong môi trường acid diễn ra như sau: H2SO4 + Na2S2O3 → Na2SO4 + H2SO3 + S Để đo vận tốc phản ứng ta phải xác định tỉ số ∆C/∆t, trong đó ∆C là biến thiên nồng độ sản phẩm (ta chọn lưu huỳnh) trong khoảng thời gian ∆t, thường trong thực nghiệm người ta cố định ∆C và đo ∆t. Giá trị ∆C phải nhỏ để coi như nồng độ các chất chưa thay đổi đáng kể và vận tốc xác định được là vận tốc tức thời. Tuy nhiên nếu quá nhỏ thì ∆t cũng rất nhỏ, khó đo. 17
Trong thí nghiệm này ta cố định ∆C bằng cách ghi nhận thời gian từ lúc đầu phản ứng đến khi dung dịch bắt đầu chuyển sang đục. Như vậy khi vận tốc phản ứng tăng chỉ có ∆t giảm còn nồng độ lưu huỳnh sinh ra trong khoảng thời gian ∆t lúc nào cũng như nhau (độ đục như nhau). Để xác định bậc phản ứng theo Na2S2O3 ta cố định nồng độ H2SO4, tăng dần nồng độ Na2S2O3. Ví dụ ở thí nghiệm 1, nồng độ Na2S2O3 là x, nồng độ H2SO4 là y, thời gian ∆t là t1, ở thí nghiệm 2, nồng độ Na2S2O3 là 2x, nồng độ H2SO4 là y, thời gian là t2, ta có: ∆C V1 = = kxmyn t1 ∆C V2 = = k(2x)myn t2 Lập tỉ số V1/V2 ta được : t lg( 1 ) t2 2m = t1/t2 → lgt1/t2 = mlg2 → m = lg 2
Để xác định bậc phản ứng theo H2SO4, ta cố định nồng độ Na2S2O3 và tăng dần nồng độ acid H2SO4. Kết quả tính n cũng được thực hiện tương tự như khi tính m. 4.3.
DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 4.3.1. Dụng cụ: - Bình cầu 1 cổ - Ống nghiệm - Pipette 10ml - Nhiệt kế 100oC - Đồng hồ bấm giây - Quả bóp cao su - Bình xịt nước cất - Burette 25 ml
: 3 cái : 6 cái : 1 cái : 3 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái
4.3.2. Hóa chất: - Dung dịch Na2S2O3 0,1M - Dung dịch H2SO4 0,4M - Nước cất 4.4.
THỰC HÀNH 4.4.1. Xác định bậc phản ứng theo Na2S2O3 Chuẩn bị 3 ống nghiệm đựng acid và 3 bình đáy bằng đựng Na2S2O3 và H2O theo bảng sau:
STT
Ống nghiệm V(ml) H2SO4 0,4M
Bình cầu V(ml) Na2S2O3 0,1M
18
H2 O
1 2 3 -
4 8 16
8 8 8
Cho acid vào các ống nghiệm theo bảng số liệu. Lần lượt cho H2O và Na2S2O3 0,1M vào 3 bình cầu. Chuẩn bị đồng hồ bấm giây. Lần lượt cho phản ứng từng cặp “ống nghiệm và bình cầu” như sau: + Đổ nhanh acid trong ống nghiệm vào bình cầu. + Bấm đồng hồ + Lắc nhẹ bình cầu cho đến khi vừa thấy dung dịch chuyển sang đục thì bấm đồng hồ lần nữa. + Đọc ∆t. + Lặp lại mỗi thí nghiệm 2 lần nữa để lấy giá trị trung bình.
4.4.2. Xác định bậc phản ứng theo H2SO4 Làm tương tự phần 4.4.1 với lượng acid và Na2S2O3 theo bảng sau: Bình cầu Ống nghiệm STT V(ml) Na2S2O3 0,1M V(ml) H2SO4 0,4M 1 8 4 2 8 8 3 8 16 4.5.
28 24 16
H2 O 28 24 16
KẾT QUẢ 4.51. Kết quả thô: Ghi lại các giá trị ∆t thu được. 4.52. Kết quả tính: Tính giá trị bậc phản ứng
4.6. CÂU HỎI Câu 1: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm ? b. Thế nào là bậc nồng độ, bậc thời gian ? c. Định nghĩa bậc phản ứng, nêu cách xác định bậc phản ứng ? Câu 2: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Na2S2O3 cho vào để làm gì? Viết phương tình phản ứng. Công dụng của hồ tinh bột? c. Tại sao phải ghi nhiệt độ của mỗi thí nghiệm ? Nhiệt độ ảnh hưởng đến hằng số tốc độ phản ứng như thế nào ? Câu 3: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm
19
b. c.
Trình bày rõ phương pháp xác định bậc phản ứng bằng phương pháp tích phân và vi phân ? Tại sao khi dung dịch có chuyển đục thì bấm ngưng thì kế (đồng hồ bấm thời gian)
Câu 4: a. b. c.
Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Nêu các phương pháp xác định bậc của một phản ứng hóa học. Định nghĩa bậc phản ứng ? Bình 1 gồm Na2S2O3, H2O; bình 2 gồm H2SO4. Đổ bình nào vào bình nào ? Làm ngược lại có được không ? Tại sao ?
Câu 5: a. b.
c.
Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Trong biểu thức xác định v tại thời điểm đầu, tại sao có thể viết: dC ∆C A C Ao − C A a b v=− A =− = = kC Ao CBo dt ∆t t Ý nghĩa của việc xác đinh bậc phản ứng ?
20
BÀI 5: THỦY PHÂN ESTER BẰNG KIỀM 5.1.
MỤC ĐÍCH Khảo sát tốc độ phản ứng thủy phân ester trong môi trường kiềm và ảnh hưởng của nhiệt độ lên hằng số tốc độ của phản ứng.
5.2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC Phản ứng giữa ester acetatetyl và NaOH xảy ra như sau: CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa t =0 a b 0 t a-x b-x x Vì đây là phản ứng bậc hai, nên tốc độ của phản ứng là: − d (a − x) = k ( a − x )(b − x ) dt Lấy tích phân 2 vế dx = kd t [( a − x )( b − x )] Hay
a 1 1 − + (a − b) a − x b −
+ C2H5OH. 0 x
dx = kdt x
Tích phân 2 vế ta được 1 a−x ln = kt + c a−b b− x Điều kiện đầu t = 0, x = 0 1 a (1) ⇒C = ln a −b b 1 b( a − x) ln = kt Ta được a − b a (b − x) Gọi n0, nt , n∞ là thể tích NaOH còn trong hỗn hợp phản ứng ở các thời điểm t = 0, t và ∞. Nồng độ NaOH ở các thời điểm sẽ tỷ lệ với các thể tích đó. Còn nồng độ ester ở thời điểm đầu và ở thời điểm t sẽ tỷ lệ tương ứng với (n0 - n∞) và (nt – n∞). Do đó C0 NaOH = b = A . n0 C0este = a = A (n0 – n∞) CtNaOH = b – x = A. nt Cteste = a – x = A[(n0 - n∞) – (n0 – nt)] = A (nt - n∞)
Với A là hằng số tỷ lệ theo bài này ta có:
21
A.n 0 . A.( n t − n ∞ ) 1 ln = kt A.( n 0 − n ∞ ) − A.n 0 A.( n 0 − n ∞ ). A.n t
(2)
Thay các giá trị trên vào (1) ta được: n (n − n∞ ) 1 ⇔− ln 0 t = kt A.n∞ nt (n0 − n∞ )
⇔
n −n nt 1 ln( 0 ∞ . )=k t. A.n∞ n0 nt − n∞
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hằng số tốc độ. Phương trình Arrhenius mô tả sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ có dạng: k = k0e -E/RT (3) k0 : hằng số được gọi là thừa số tần số hay thừa số Arrhenius nó không phụ thuộc nhiệt độ. E : năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Lấy logarit 2 vế: lnk = lnk0 – E/RT. Theo phương trình này, hằng số tốc độ phụ thuộc tuyến tính với nghịch đảo của nhiệt độ k E 1 1 phản ứng. ln 2 = ( − ) (4) k1 R T1 T2 Gọi k1, k2 là hằng số tốc độ ở các nhiệt độ T1, T2 khi đó: Dựa vào (4) có thể tìm năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi biết hằng số tốc độ ở 2 nhiệt độ khác nhau.
5.3.
DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 5.3.1. Dụng cụ: - Ống đong 250ml - Erlen 500ml - Erlen 100ml - Pipette 10ml - Ống sinh hàn - Burette 25ml - Becher 100ml - Nhiệt kế 100oC - Bể điều nhiệt - Bình xịt nước cất - Quả bóp cao su
: 1 cái : 2 cái : 3 cái : 3 cái : 1 cái : 1 cái : 2 cái : 2 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái
5.3.2. Hóa chất: - NaOH 0,01N - CH3COOC2H5 0,005N - HCl 0,01N - Phenolphtalein 22
5.4.
THỰC HÀNH 5.4.1. Nhiệt độ phòng T1 - Dùng ống đong lấy 150 ml dung dịch NaOH 0,01N và 150 ml dung dịch ester 0,005N cho vào 2 bình tam giác 500ml khác nhau, đậy nút kín. - Chuẩn bị 3 bình tam giác, mỗi bình chứa 12,5 ml dung dịch 0,01N HCl. - Đổ nhanh dung dịch NaOH vào ester (ghi thời điểm t = 0), đậy nút và lắc mạnh. - Sau 5, 10, 20, 30, 40, 50 phút dùng pipette hút 25ml hỗn hợp phản ứng cho vào bình chứa acid. - Định chuẩn HCl dư bằng dung dịch NaOH 0,01N chỉ thị phenolphtalein 1%. Sau 50 phút, đun hoàn lưu cách thủy hỗn hợp phản ứng còn thừa đến 700C và giữ ở nhiệt độ đó trong 30 phút. Để nguội tới nhiệt độ phòng, sau đó lấy mẫu và chuẩn độ như trên. Ở 700C phản ứng xảy ra rất nhanh nên sau 30 phút có thể coi phản ứng đã hoàn tất và dữ kiện thu được khi chuẩn độ NaOH lần này ứng với thời điểm t = ∞ 5.4.2. Nhiệt độ bể điều nhiệt T2 Lượng dung dịch thí nghiệm giống như trên. Ngâm 2 bình đựng ester và NaOH trong bể điều nhiệt trong 20 phút, để đạt nhiệt độ t = 400C rồi mới bắt đầu cho phản ứng. Tiến hành thí nghiệm tương tự như trên. 5.5.
KẾT QUẢ 5.5.1. Kết quả thô Lập bảng ghi thể tích NaOH dùng chuẩn độ HCl dư. 5.5.2. Kết quả tính - Tính thể tích NaOH có trong 25ml mẫu thử. - Tính k trung bình ở mỗi nhiệt độ. - Tính năng lượng hoạt hóa E của phản ứng
PHỤ LỤC Tìm A trong biểu thức (2). Dung dịch NaOH có nồng độ đương lượng N/100. Vậy số đương lượng NaOH có trong 25 ml hỗn hợp phản ứng (hay trong n0 ml NaOH) là: 1000 → 1/100 1 1 × = Số đương lượng NaOH/25ml. n0 × n0 → ? 100 1000 Nồng độ NaOH trong mẫu thử sẽ là: n 1 1 1000 C0 NaOH = n0 × × × = 0 100 1000 25 2500 Mà ta có: C0 NaOH = A.n0
Suy ra
A=
1 2500 23
5.6. CÂU HỎI Câu 1: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Lập công thức tính hằng số tốc độ phản ứng giữa CH3COOC2H5 và NaOH c. Sau từng thời điểm, lấy 25ml dung dịch phản ứng cho vào bình chứa sẵn acid, sau đó định phân bằng NaOH. Có thể thời gian lâu hơn rồi định phân có được hay không ? Câu 2: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Sau khi cho 150ml NaOH vào bình có chứa 150ml ester, tại sao phải đậy kín nút và b. lắc đều ? c. Tại sau phải ngâm dung dịch ở 400C, lớn hơn hoặc nhỏ có được không ? Câu 3: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Khi thực hiện thí nghiệm ở 400C tại sao phải ngâm 2 bình đựng NaOH và ester trong bình điều nhiệt ít nhất 20 phút mới đỏ chung vào nhau ? Nêu nguyên tắc tính năng lượng hoạt hóa của một phản ứng khi biết hằng số tốc độ c. phản ứng ở hai nhiệt độ khác nhau ? Câu 4: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Tại sao khi chuẩn độ acid dư HCl bằng kiềm (NaOH) trong bài thí nghiệm này thì màu ở điểm tương đương để lâu sẽ nhạt hay mất màu ? c. Tại sao khi thủy phân ester bằng NaOH phải dùng sinh hàn hồi lưu ? Câu 5: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Bình tam giác chứa sẵn 12,5ml HCl có thể đun nóng hay làm nguội được không ? Tại sao ? c. Thể tích chuẩn NaOH chuẩn độ tại t = 0
24
BÀI 6: ĐỘ DẪN DUNG DỊCH 6.1.
MỤC ĐÍCH Giúp sinh viên nắm vững nguyên tắc đo độ dẫn điện của chất điện ly, phân biệt được các khái niệm về độ dẫn riêng và độ dẫn đương lượng.
6.2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC 6.2.1. Độ dẫn dung dịch Gọi R là điện trở của dung dịch dẫn điện (lớp dung dịch nằm trong hình hộp) l R=ρ S 1 Vậy L = = độ dẫn dung dịch, Ω −1 R 1 χ = = độ dẫn riêng, Ω −1.cm −1
ρ
l = kL , với k là hằng số điện cực S Thông thường để xác định hằng số điện cực k người ta đo độ dẫn L của dung dịch có nồng độ xác định và nhiệt độ cố định, tra tài liệu để tìm độ dẫn riêng χ ở cùng điều kiện rồi suy ra k Vậ y χ = L
Hình 6.1: Điện trở trong dung dịch
Độ dẫn đương lượng λ được định nghĩa: 1000.χ λ= N Với N là nồng độ đương lượng của dung dịch điện ly Khi dung dịch vô cùng loãng, N → 0 ; λ → λ∞ (hay λ0 ) gọi là độ dẫn đương lượng tới hạn Với chất điện ly yếu, hệ số phân ly α =
λ , trong đó λ xác định ở cùng điều kiện với λ∞ λ∞
Xác định λ∞ - Chất điện ly mạnh α = 1 (ví dụ HCl, NaCl...): áp dụng hệ thức Onsager – Kohlrauch cho dung dịch loãng:
λ = λ∞ − a C a = const C = nồng độ, đlg/l Vẽ đường biểu diễn λ = f ( C ) xác định được λ∞
- Chất điện ly yếu: với dung dịch vô cùng loãng, áp dụng công thức tổng quát
λ∞ = λ∞ + + λ∞ − 25
Ví dụ
λ∞ CH COOH = λ∞ H + + λ∞ CH COO − 3
3
λ∞ CH COOH = λ∞ H + + λ∞ Cl − − λ∞ Cl − + λ∞ Na + + λ∞ CH COO − − λ∞ Na + 3
3
λ∞ CH COOH = λ∞ HCl + λ∞ CH COONa − λ∞ NaCl 3
3
Bằng thực nghiệm đo được λ∞ HCl ; λ∞ CH3COONa ; λ∞ NaCl ⇒ λ∞CH 3COOH - Đo điện trở theo phương pháp cầu Wheatstone (Hình 6.2) Cầu đạt cân bằng khi điều kiện sau đây được thiết lập: R1 R = R2 R3 Khi đó điện kế G không có dòng điện qua CD. Để thuận tiện, người ta cố định R1 = R2 chỉ thay đổi R3 cho đến khi cầu cân bằng Nguồn điện dùng trong mạch đo là điện xoay chiều có điện thế thấp và tần số cao từ 500 – 1000Hz
6.2.2. Hằng số phân ly của acid yếu CH 3COOH
CH 3COO −
⇔
C0 (1 − α )
+
H+
C0α
C0α
C0 a.γ ( − ) .C0 a.γ ( + )
C0 a 2 .γ ±2 = 1−α
Ta có
Ka =
aCH COO − .aH + 3
aCH 3COOH
=
C0 (1 − a )
= K C .γ ±2 Vớ i
C0
: hệ số phân ly (độ phân ly) : nồng độ acid ban đầu (mol/l)
γ±
: hệ số hoạt độ trung bình với γ ± = γ ( + ) .γ ( − )
α
Theo thuyết Debye – Huckels: log γ ± = −0,509 Z ( + ) Z ( − ) I Vớ i
Z(+), Z(-) I
: điện tích ion (+) và ion (-) : lực ion; I = Cα
Suy ra
log γ ± = −0,509 Cα
Theo trên
log K a = log K C + 2 log γ ±
log K a = log K C − 0,509.2 Cα Như vậy
log K C = log K a + 1, 018 Cα
26
Hình 6.2: Sơ đồ cầu Wheatstone
Để tìm Ka ta thực hiện một loạt thí nghiệm thay đổi nồng độ dung dịch C, đo KC tương ứng. Vẽ đường biểu diễn log K C = f ( Cα ) có dạng tuyến tính log K C = A Cα + B . Xác định hệ số góc
A và B = log Ka từ đó tính Ka 6.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 6.3.1. Dụng cụ: - Becher 100ml - Becher 250ml - Burette 250ml - Nhiệt kế 100oC - Máy đo độ dẫn - Máy khuấy từ - Cá từ - Đũa khuấy từ
: 6 cái : 2 cái : 4 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái
6.3.2. Hóa chất: - HCl 0,02M - NaCl 0,02 M - CH3COOH 0,02M - CH3COONa 0,02M 6.4.
Hình 6.3: Máy đo độ dẫn
THỰC HÀNH - Khởi động máy đo độ dẫn - Pha trong 6 cốc các dung dịch có thành phần sau (dùng burette) Bình
1
2
3
4
5
6
DD nguyên (HCl, NaCl …) (ml)
100
50
25
10
5
2,5
Nước cất (ml) 0 50 75 90 95 97,5 - Dung dịch pha xong được đo độ dẫn riêng trực tiếp trên máy. Lần lượt thực hiện với các dung dịch HCl, NaCl, CH3COONa, CH3COOH.
6.5.
KẾT QUẢ 6.5.1. Kết quả thô Ghi giá trị độ dẫn của tất cả các bình 6.5.2. Kết quả tính Lập thành bảng cho từng dung dịch theo mẫu (trang bên) Yêu cầu: -
Vẽ đường biễn diễn λ = f ( C ) của các chất điện ly mạnh (NaCl, HCl, CH3COONa) suy
ra λ∞ của chúng -
Vẽ đồ thị logKC và
Cα của CH3COOH và suy ra Ka 27
Bình
1
2
3
4
5
6
C (mol/l) C
χ λ CH3COOH
α=
λ λ∞
KC
6.6. CÂU HỎI Câu 1: Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm a. b. Nêu nguyên tắc hoạt động của bình cầu Wheatone c. Tại sao độ linh động của các ion OH- và H+ lại lớn hơn so với các ion khác ? Câu 2: Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm a. b. Các giá trị λoHCl, λoNaCl, λoCH3COOH xác định bằng cách nào ? c. Hệ số phân ly của chất điện ly yếu quan hệ với độ dẫn điện như thế nào ? Câu 3: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm. b. Làm thế nào để xác định hằng số cân bằng Kc của chất điện ly yếu từ phép đo độ dẫn điện đương lượng l. c. Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn dung dịch. Câu 4: Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm a. b. Trình bày và cho biết điều kiện áp dụng hệ thức Onsager – Kohlrauch. c. Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ dẫn như thế nào ? Câu 5: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Tại sao khi đo độ dẫn diện của dung dịch lại sử dụng nguồn nguồn điện xoay chiều có tần số cao ? c. Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn dung dịch.
28
BÀI 7: NHIỆT PHẢN ỨNG 7.1.
MỤC ĐÍCH Giúp sinh viên cần nắm vững các vấn đề trọng tâm sau đây: - Nắm nguyên tắc phương pháp nhiệt lượng kế. - Biết cách xác định hiệu số nhiệt độ ∆T từ đồ thị “ nhiệt độ – thời gian” - Xác định được nhiệt trung hòa của acid mạnh và bazơ mạnh. - Xác định được nhiệt phân ly của acid yếu.
7.2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC 7.2.1. Nhiệt trung hòa Trong dung dịch nước, các acid mạnh và bazơ mạnh phân ly hoàn toàn nên phản ứng trung hòa của chúng thực chất là phản ứng tạo thành phân tử nước từ ion H+ và ion OH- : H+ + OH- = H2O + Qt.h (1) Trong quá trình thực hiện phản ứng, ta đã cho một thể tích dung dịch V1 acid mạnh HAm tác dụng với một thể tích V2 dung dịch bazơ BzOH để được một DD sản phẩm có thể tích V V1+ V2 Nói cách khác ta có: HAmxH 2O + Bz OH yH 2O = Bz Am ( x + y ) H 2O + H 2O + Q2
(2)
(ở đây x, y là số mol H2O/ 1 mol chất phản ứng). Nhiệt của quá trình (2) khác nhiệt của quá trình (1): Q2 Qth Vì trong quá trình (2), ngoài quá trình (1) còn có các quá trình pha loãng các DD acid và bazơ từ thể tích ban đầu đến thể tích chung của DD sau phản ứng: Q2 = Qth + ΣQ ph.lg Muốn xác định Qth ta phải xác định được Q2 và Qph.lg
7.2.2. Nhiệt phân ly Nếu cho một acid yếu HAm tác dụng với một bazơ mạnh: HAmxH 2O + Bz OH yH 2O = Bz Am ( x + y ) H 2O = Bz Am ( x + y ) H 2O + H 2O + Q3
(3)
Trong quá trình (3) ngoài quá trình trung hòa, quá trình pha loãng, còn có quá trình phân ly của acid yếu: HAm ⇔ H+ + Am− + Qply Như vậy:
Q3 = Qth + ΣQ ph. lg + ∑ Q ply
Nếu biết Q3, Qth và tổng Qph.lg ta sẽ tính được Qp.ly
7.2.3. Xác định các hiệu ứng nhiệt bằng nhiệt lượng kế (NLK) Nhiệt lượng kế là thiết bị có cấu tạo sao cho có thể tiến hành các quá trình nhiệt động trong đó và đo hiệu ứng nhiệt của các quá trình này thông qua việc đo sự chênh lệch nhiệt độ ∆T trước và sau quá trình. 29
Như vậy bình phản ứng của NLK phải được cách nhiệt rất tốt.
1
2 123456789-
4 3
6 8 9
5
Nhiệt kế Beckman Đũa thủy tinh Bình phản ứng Ampul Cánh khuấy từ Dung dịch chất phản ứng Máy khuấy từ Chất phản ứng Lớp cách nhiệt của nhiệt lượng kế
7
Hình 7.1. Nhiệt lượng kế Hiệu ứng nhiệt của quá trình tiến hành trong NLK được tính: Q = W .∆T = [∑ Ci .g i + K ]∆T Trong đó: W C i , gi K
: nhiệt dung tổng cộng trung bình của cả hệ thống : lần lượt là nhiệt dung riêng và khối lượng của các chất phản ứng (kể cả dung môi) : hằng số của NLK
Nếu tiến hành trong cùng một điều kiện (về dung môi, thể tích tổng cộng) thì ta có thể xem W là hằng số. Muốn xác định được hiệu ứng nhiệt của các quá trình, ngoài các giá trị của ∆T ta phải xác định được hằng số K hay W. Để xác định các hằng số K và W ta tiến hành trong NLK một quá trình đã biết chính xác hiệu ứng nhiệt của nó, có thể tiến hành đo bằng hai phương pháp sau đây: a. Dùng nhiệt hòa tan của một muối đã biết Tiến hành quá trình hoa tan g gam muối khan trong G gam nước cất, đo ∆T M ⇒ Qmuoái = ( G + g ) C + K .∆T . g Trong đó:
Qmuối : Nhiệt hòa tan mol muối C M
: nhiệt dung riêng trung bình của DD muối. : khối lượng phân tử muối.
30
Có thể sử dụng các muối sau đây:
Muối
KCl
KNO3
CaCl2
Đơn vị
Qmuối
4,17
8,37
-19,7
(Kcal/mol)
C
0,98
(cal/gđộ)
Giá trị W tính được từ sổ tay Hóa lý khi sử dụng khoảng 1÷ 2 g muối trong 500ml nước cất. Hoặc có thể tính giá trị của W bằng phương trình:
Qmuoi = W .∆T .
M g
Qmuoi .g ∆T .M Dùng dòng điện W=
b.
Lập sơ đồ như hình. Cho dòng điện có điện áp U (volt), cường độ I (A) chạy qua điện trở đốt nóng R trong thời gian t (giây), nhiệt lượng tỏa ra là: Q = 0,2392U .I .t = W .∆T (cal ) Suy ra W = 0,2392
Hình 7.2: Sơ đồ điện 7.3.
DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 7.3.1. Dụng cụ: - Máy khuấy từ - Cá từ - Kính lúp - Nhiệt kế Beckmann - Bể điều nhiệt - Becher nhựa 50ml - Bình định mức 500ml - Cối, chày sứ - Giá pipette - Pipette 10ml - Becher nhựa 250ml - Bình xịt nước cất
: 1 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái : 2 cái : 1 cái : 1 bộ : 1 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái
7.3.2. Hóa chất: - HCl 0,1M 31
U .I .t ∆T
- NaOH 6M - CH3COOH 0,1M - KCl rắn
7.4.
THỰC HÀNH Trước khi tiến hành cần tập sử dụng nhiệt kế Beckmann theo hướng dẫn ở phần phụ lục. 7.4.1. Xác định nhiệt dung tổng cộng W - Dùng cối và chày sứ nghiền mịn KCl (có thể thay bằng KNO3) đã sấy khô, sau đó cân chính xác khoảng 5g KCl vào cân đĩa cân nhựa. - Dùng bình định mức 500ml và pipette 10ml để đong 510ml nước cất, cho vào bình phản ứng (bình Dewar) của NLK. - Lắp dụng cụ theo hướng dẫn - Cho máy khuấy hoạt động 5 phút để ổn định nhiệt độ. - Bấm đồng hồ bấm giây và bắt đầu tính thời gian để ghi nhiệt độ. - Cứ 30 giây ghi nhiệt độ một lần. - Sau 8 lần ghi nhiệt độ thì mở nắp NLK, cho hết KCl vào nước (thao tác nhanh) - Tiếp tục theo dõi và ghi nhiệt độ sau 15 giây. - Giai đoạn này nhiệt độ sẽ thay đổi rất nhanh, nên cứ 15 giây ghi trị số một lần,cho đến khi nào hai giá trị liên tiếp không thay đổi nữa thì ghi thêm 5 điểm nữa (cách nhau 30 giây) và kết thúc. - Tháo dụng cụ, đổ bỏ DD (chú ý giữ lại cá từ), rửa sạch bằng nước. - Vẽ đồ thị nhiệt độ - thời gian (T-t), xác định ∆T1 theo hướng dẫn phụ lục ở cuối bài. 7.4.2. Xác định nhiệt pha loãng Làm tương tự như TN 7.4.1 (phần hòa tan KCl) chỉ khác là - Thay KCl bằng 10ml DD NaOH 6M, chứa trong becher nhựa 50ml. - Thay 510ml nước cất bằng 500ml nước cất Từ TN này xác định được ∆T2 7.4.3. Xác định nhiệt trung hòa Làm tương tự như TN 7.4.2, chỉ khác là thay 500ml nước cất bằng 500ml HCl 0,1M. Từ TN này xác định được ∆T3 7.4.4. Xác định nhiệt phân ly Làm tương tự như TN 7.4.3, chỉ khác là thay 500ml HCl bằng 500ml CH3COOH 0,1M. Từ TN này xác định được ∆T4 PHỤ LỤC a. Nhiệt kế beckman: Loại nhiệt kế này chỉ dùng để xác định độ chênh lệch nhiệt độ với khoảng đo 5 hay 6 độ và chia vạch đến 0,010 hay 0,020. Có thể thay đổi vị trí ban đầu trên thang nhiệt độ bằng 32
cách điều chỉnh lượng thủy ngân trong bầu chứa thủy ngân và trong đoạn ống mao quản của nhiệt kế. Vì vậy nhiệt kế Beckman có một bầu dự trữ thủy ngân nằm ở đầu trên của nhiệt kế Để điều chỉnh mực thủy ngân, ta làm nóng bầu chứa để thủy ngân giãn nở ra và đặt nhiệt kế hơi nghiêng xuống để thủy ngân trong ống mao dẫn nối liền với cột thủy ngân của bầu dự trữ. Sau đó, làm nguội bầu chứa để kéo thủy ngân từ bầu dự trữ vào đoạn ống mao quản có khắc vạch nhiệt độ. Khi mức thủy ngân xuống đến vị trí 2 – 30 cao hơn nhiệt độ mong muốn thì dùng ngón tay gõ mạnh vào đoạn ống mao quản có khắc vạch để cắt đứt cột thủy ngân. Lật ngược nhiệt kế để thủy ngân chạy về lại bầu dự trữ Việc thực hiện này cần nhiều thời gian và kinh nghiệm nên nhân viên phòng thí nghiệm thường thực hiện sắn, sinh viên không nên tự ý điều chỉnh nhiệt kế.
b. Xác định ∆T từ đồ thị nhiệt độ - thành phần: Nếu trong một phép đo nhiệt độ T thay đổi theo thời gian t, ta vẽ được một đường biểu diễn như hình 7.3 thì ∆T được lấy như sau : - Lấy điểm C nằm giữa A và B - Từ C vẽ đường thẳng song song với trục tung và MN là đoạn ∆T cần tìm. Nhớ rằng điểm P và Q (ứng với A và B) là các đường biểu diễn lệch khỏi đường thẳng
Hình 7.3: Cách xác định ∆T 7.5.
KẾT QUẢ: 7.5.1. Kết quả thô: Ghi nhận số liệu nhiệt độ đọc được trên nhiệt kế Beckmann theo thời gian trong các TN a ,b ,c , d
33
7.5.2. Kết quả tính - Vẽ đồ thị “ nhiệt độ – thời gian” cho các TN trên và xác định ∆T -
Tính các hiệu ứng nhiệt sau đây (kcal/mol) + Nhiệt trung hòa (Qth) + Nhiệt pha loãng NaOH (Qphlg) + Nhiệt phân ly CH3COOH (Qply)
7.6. CÂU HỎI Câu 1: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Nguyên tắc hoạt động của nhiệt lượng kế c. Thành lập công thức tính nhiệt trung hòa Qth từ các giá trị ∆T1, ∆T2 và ∆T3 Câu 2: Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm a. b. Trình bày cách xác định độ chênh lệch nhiệt độ ∆T từ các giá trị đo trên nhiệt kế Beckman (phương pháp đồ thị) Tại sao khi xác định nhiệt trung hòa phải biết trước nhiệt pha loãng ? c. Câu 3: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm. b. Tại sao trong bài này có thể bỏ qua nhiệt pha loãng của acid c. Các giá trị Qth và Qply được xác định theo lượng acid hay lượng kiềm ? Vì sao? Câu 4: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Tại sao khi xác định nhiệt phân ly phải biết trước nhiệt pha loãng và nhiệt trung hòa ? M Cách xác định hằng số W của nhiệt lượng kế trong công thức Q = W.∆T . c. g Câu 5: a. b. c.
Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Thành lập công thức để tính nhiệt phân ly Qply, từ các giá trị ∆T1, ∆T2, ∆T3 và ∆T4 Độ chính xác của kết quả trong bài thí nghiệm này phụ thuộc vào các yếu tố nào ?
34
BÀI 8: ĐỘ NHỚT DUNG DỊCH POLYME VÀ HỆ KEO 8.1.
MỤC ĐÍCH Giúp sinh viên cần nắm vững các vấn đề trọng tâm sau: - Hiểu rõ khái niệm độ nhớt tuyệt đối, độ nhớt tương đối, độ nhớt riêng, độ nhớt rút gọn, độ nhớt đặc trưng. - Chú ý sự thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ. - Nắm vững hệ thức Mark – Houwink. - Thành thạo phương pháp đo độ nhớt DD bằng nhớt kế mao quản để xác định phân tử lượng trung bình của polymer. - Nắm vững ảnh hưởng của pH môi trường đến độ nhớt hệ keo.
8.2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC Một chất lỏng đồng nhất trong ống hình trụ có chiều dài l, tiết diện s, bán kính r, dưới sự chênh lệnh áp suất giữa hai đầu (p = P1 - P2), khối chất lỏng này sẽ chịu lực tác dụng F = s.p Dưới tác dụng của lực F, chất lỏng trong ống sẽ chuyển động, chảy thành lớp theo một hướng. Do các lớp khác nhau chảy với vận tốc khác nhau nên sẽ xuất hiện lực nội ma sát giữa các lớp với nhau. Theo Newton, lực ma sát này xác định bởi: dυ Fms = ηS dx Trong đó: S : diện tích bề mặt lớp chất lỏng; dυ : gradient vận tốc theo phương x dx : hệ số tỷ lệ, gọi là độ nhớt (độ nhớt tuyệt đối), đặc trưng cho lực nội ma sát, cản trở η sự chuyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng. η phụ thuộc vào bản chất chất lỏng
và vào nhiệt độ. Đơn vị đo độ nhớt là N.s/m2 hay dyne.s/cm2 (còn gọi là poise, ký hiệu p). Thường dùng centipoise (cp). Trong kỹ thuật còn sử dụng độ nhớt động học (kinematics viscosity) đo bằng đơn vị cm2/s hay Stock (ký hiệu St) Poiseuille tính được độ nhớt tuyệt đối của khối chất lỏng nêu trên có thể tích V chảy qua mao quản có bán kính r trong thời gian t là:
η=
πr 4 pt 8V .l
Một số định nghĩa: -
Độ nhớt tương đối η td =
η dd τ dd = η dm τ dm
35
Trong đó η dd , τ dd và η dm , τ dm lần lượt là độ nhớt và thời gian chảy trong nhớt kế của DD và dung môi nguyên chất. - Độ nhớt riêng η r
ηr = -
η dd − η dm = η td − 1 η dm
Độ nhớt rút gọn η rg :
η rg =
ηr
C C : nồng độ DD tính bằng g/100ml dung môi.
η Độ nhớt đặc trưng [η ] = lim r c→0 C Dung dịch hợp chất cao phân tử được đặc trưng bởi giá trị độ nhớt. Giá trị này khá cao ngay khi nồng độ DD rất thấp. Khi các DD chảy theo dòng, hệ số độ nhớt thường thay đổi dưới các áp lực gây các dòng chảy khác nhau và tăng khi nồng độ polymer hòa tan tăng lên. Mối quan hệ giữa phân tử lượng trung bình M và độ nhớt đặc trưng [η ] thể hiện qua hệ thức -
Mark – Houwink – Sakurada:
[η ] = k.M α Với: k và a (a < 1) là các hằng số phụ thuộc loại polymer, dung môi và nhiệt độ. Giá trị k và a theo hệ thức Mark – Houwink Polymea Dung môi Nhiệt độ (C) k (cm3/g) a Polystyren Benzen 25 0,034 0,65 Polystyren Toluen 25 0,00848 0,748 Polystyren Cyclohexan 28 0,108 0,479 Polyisobutylen Benzene 25 0,083 0,53 Polyisobutylen Toluen 25 0,087 0,56 Polyisobutylen Cyclohexan 25 0,040 0,072 Polypropylen Benzen 25 0,027 0,71 Polypropylen Toluen 30 0,0218 0,725 Polypropylen Cyclohexan 25 0,016 0,80 b Polyvinylalcohol Nước 25 0,02 0,76 Cao su tự nhiên Toluen 25 0,05 0,667 Cao su tự nhiên Benzen 30 0,018 0,74 Cao su tự nhiên n-prpyl ketone 14,5 0,119 0,50 a
J.Brandrup and E.H.Immergut, eds., Plymer handbook, 2nd Edition, Wiley Interscience, NewYork, 1975 b P.J.Flory and F.S.Leutner, J.Polym.Sci.,3,880 (1948) Hệ thức trên chỉ đúng khi DD đủ loãng. Khi nồng độ DD khá cao các phân tử gần nhau đủ để tạo nên các polymer, do vậy hệ số độ nhớt sẽ tăng rất nhanh. 36
n Cũng theo hệ thức trên tỉ số r phải là một số không đổi và không phụ thuộc nồng độ, tuy C n nhiên thực tế cho thấy: r = f(C) C f(C) là hàm phụ thuộc nồng độ C. Đó là đường thẳng có dạng: f(C) = [η ] + bC ηr = [η ] + bC C Với b – hằng số; [η ] - độ nhớt đặc trưng C
η rg =
Hình 8.1: Nhớt kế Cannon - Fenske Độ nhớt đặc trưng được xác định bằng thực nghiệm: vẽ đồ thị η rút gọn theo nồng độ C rồi ngoại suy ở C = 0 để suy ra [η ] Có nhiều loại dụng cụ đo độ nhớt: Nhớt kế Ostwald, nhớt kế Hoppler, nhớt kế Engler, nhớt kế Ubbelohde, nhớt kế Cannon – Fenske. Mô tả các loại nhớt kế thông dụng trong PTN. Nhớt kế Ostwald: có hình chữ U, một bên có mao quản kích thước 0,4 - 0,8mm. Phần trên mao quản nối liền với hai bầu hình cầu thể tích khoảng 1-2ml. Lực gây ra dòng chảy của chất lỏng trong nhớt kế là trọng lực. Dùng xác định độ nhớt với từng nồng độ xác định. Thể tích DD dùng cho mỗi lần đo phải bằng nhau. Nhớt kế Canon - Fenske: tương tự nhớt kế Ostwald, chỉ khác là đoạn dưới nghiêng 1 góc khoảng 30 độ. Nhớt kế Ubbelohde: Khác với nhớt kế Ostwald là có thêm một nhánh thứ 3 gắn liền với nhánh có mao quản qua 1 bầu chứa nhỏ. Nhánh thứ 3 này có tác dụng ngắt dòng DD cuối mao quản. 37
Lực gây ra dòng chảy của chất lỏng trong nhớt kế là sự chênh lệch áp suất giữa 2 đầu mao quản, cho nên thời gian DD chảy qua mao quản không phụ thuộc vào lượng DD trong bầu chứa.
Hình 8.2: Nhớt kế Ostwald
Hình 8.3: Nhớt kế Ubbelohde
Nhớt kế Ubbelohde có ưu điểm hơn, tiện lợi hơn vì thế có thể pha loãng nồng độ dung dịch ngay trong bầu chứa bằng cách cho thêm vào lượng dung môi tương ứng.
8.3.
DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 8.3.1. Dụng cụ: - Nhớt kế Ostwald - Pipette 10ml - Ống nghiệm - Becher 100ml - Đồng hồ bấm giây - Nhiệt kế rượu 1000C - Quả bóp cao su - Bình xịt nước cất
: 1 cái : 2 cái : 5 cái : 2 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái
8.3.2. Hóa chất: - Polyvinylalcohol 0,4g/100ml H2O - Cao su isoprene 0,4g/100ml toluen 8.4.
THỰC HÀNH 8.4.1. Xác định khối lượng phân tử Polyme Để xác định thời gian chảy của dung môi và của DD cần nghiên cứu, chúng ta sử dụng nhớt kế Ostwald. 38
- Dùng pipette pha DD polyvinylalcohol trong nước (hay DD cao su trong Toluen tùy theo yêu cầu của PTN) có nồng độ 0,1 - 0,2 - 0,3 - 0,4 - 0,5 - 0,6g/100ml đi từ DD 1g/100ml trong các ống nghiệm. Tổng thể tích cần thiết là 16ml. Đo thời gian chảy của chất lỏng như sau: - Tráng nhớt kế bằng chất lỏng vài lần. - Dùng pipette hút 6ml chất lỏng, cho vào nhánh bên phải của nhớt kế. Dùng quả bóp hút chất lỏng lên ngập quá vạch A một ít (tránh mọi bọt khí lẫn trong cột chất lỏng) rồi bỏ quả bóp ra cho chất lỏng chảy tự nhiên. Dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian chất lỏng chảy từ vạch A đến vạch B. Đo ít nhất ba lần, lấy giá trị trung bình. - Tiến hành đo thời gian chảy của dung môi và của các DD đã pha từ loãng tới đặc. Mỗi lần đo DD mới phải tráng nhớt kế bằng chính DD đó 3 lần. Ghi nhiệt độ sau mỗi lần đo. - Làm xong TN phải rửa sạch nhớt kế bằng dung môi nhiều lần và đổ đầy dung môi để ngâm.
8.4.2. Khảo sát ảnh hưởng pH đến độ nhớt hệ keo (chỉ thực hiện theo yêu cầu của PTN) - Hòa tan 3 gam gelatin sạch vào 100ml nước cất ở 500C, lắc cho tan hết. - Chuẩn bị 8 ống nghiệm khô sạch lên giá. Cho vào mỗi ống nghiệm 10ml DD gelatin. Sau đó thêm vào theo thứ tự mỗi ống trên đúng 20ml các DD sau: Ống 1 2 3 4 5 6 7 8 Thêm vào HCl HCl HCl HCl HCl NaOH NaOH H2 O 10ml 0,3N 0,1N 0,025N 0,01N 0,001N 0,05N 0,2N pH hỗn hợp - Lắc đều các DD. - Đo pH các DD trong các ống nghiệm bằng pH kế. Tiến hành đo độ nhớt ở 250C. Đo thời gian chảy của nước cất trước, rồi đến dung dịch loãng, cuối cùng là DD đặc. Chuyển từ DD acid sang kiềm và tráng nhớt kế cẩn thận. 8.5.
KẾT QUẢ: 8.5.1. Kết quả thô: - Lập bảng ghi thời gian chảy của các DD polymer ở các nồng độ khác nhau. - Lập bảng trị số và vẽ đồ thị η rút gọn theo C suy ra [ η ] 8.5.2. Kết quả tính: Ghi theo bảng - Tính phân tử lượng trung bình của polymer. - Lập đồ thị độ nhớt η theo pH của DD gelatin và nhận xét điểm cực trị của đồ thị
8.6. CÂU HỎI Câu 1: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Định nghĩa: độ nhớt tương đối, độ nhớt riêng, độ nhớt rút gọn, độ nhớt đặc trưng ?
39
c.
Thế nào là dung dịch cao phân tử điện ly ? Dung dịch cao su / toluen có điện ly hay không ? Tại sao ?
a. b. c.
Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Nêu phương pháp xác định trọng lượng phân tử của các chất cao phân tử Nguyên nhân gây ra độ nhớt của dung dịch cao phân tử ?
a. b. c.
Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Các vấn đề cần chú ý trong và sau khi thí nghiệm là gì ? Tính chất đặc trưng nhất của dung dịch cao phân tử là gì ?Ảnh hưởng của trọng lượng phân tử đến tính chất này ?
a. b. c.
Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Nguyên nhân gây ra độ nhớt của dung dịch cao phân tử ? Tại sao cao su hòa tan được trong toluen ? Trình bày các giai đoạn hoàn tan cao phân tử vào trong dung môi.
a. b.
Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Mô tả nhớt kế Ostwald. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch cao phân tử và ảnh hưởng theo chiều hướng như thế nào ? Dung dịch PVA / H2O ban đầu có nồng độ C0 = 1g/100ml H2O. Tính toán lượng dung dịch ban đầu cần thiết để pha 16ml dung dịch PVA có nồng độ 0,3g/100ml H2O và 0,5g/100ml H20.
Câu 2:
Câu 3:
Câu 4:
Câu 5:
c.
40
BÀI 9: HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI LỎNG – RẮN
9.1.
MỤC ĐÍCH Khảo sát sự hấp phụ acid acetic trong dung dịch trên than hoạt tính và thiết lập các đường đẳng nhiệt hấp phụ tương ứng. 9.2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC Danh từ hấp phụ dùng để mô tả hiện tượng trong đó một chất nào đó (dưới dạng phân tử, nguyên tử hay ion) có khuynh hướng tập trung, chất chứa trên bề mặt phân chia pha nào đó. Trong trường hợp chất hấp phụ rắn, thường thì chất có bề mặt riêng (tổng diện tích trên 1 gam chất rắn) rất lớn, có giá trị vào khoảng 10 – 1000 m2/g. Các chất hấp phụ rắn thường dùng là: than hoạt tính, silicagel (SiO2), alumin (Al2O3), zeolit… Trong sự hấp phụ các chất trên bề mặt chất hấp phụ rắn, nguyên nhân chủ yếu của sự hấp phụ là do năng lượng dư bề mặt trên ranh giới phân chia pha rắn – khí hay rắn – lỏng. Các lực tương tác trong hấp phụ này có thể là lực Van der Waals (hấp phụ vật lý) hay các lực gây nên do tương tác hóa học (hấp phụ hóa học) hay do cả hai loại tương tác trên cùng tác dụng. Lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: - Bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. - Nồng độ của chất tan. - Nhiệt độ. Thực nghiệm thí nghiệm ở nhiệt độ không đổi, ta có thể đo được số mol chất bị hấp phụ trên 1g chất hấp phụ rắn Γ ở các nồng độ chất tan khác nhau (C). Đường biểu diễn Γ - C gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ. Một số phương trình thực nghiệm và lý thuyết đã được sử dụng để biểu thị các đường đẳng nhiệt hấp phụ: Freundlich, Langmuir, BET… 9.2.1. Phương trình Freundlich - Đây là phương trình thực nghiệm, áp dụng cho sự hấp phụ chất khí hay chất hoà tan trong dung dịch Γ = K. C1/n. - Trong đó K và 1/n là những hằng số không có ý nghĩa vật lý - C là nồng độ dung dịch hấp phụ đạt cân bằng - Viết dưới dạng logarit logΓ = 1/n logC + logK - Như vậy nếu biểu thị logΓ theo logC, ta sẽ được 1 đường thẳng có hệ số góc 1/n và tung độ góc là logK. - Phương trình Freundlich thường thích hợp ở khoảng nồng độ (hay áp suất) trung bình, vì ở nồng độ thấp Γ thường tỷ lệ thuận với C và ở nồng độ cao Γ thường đạt tới 1 trị số giới hạn và do đó độc lập với C. 41
9.2.2. Phương trình Langmuir: - Đây là phương trình lý thuyết, áp dụng cho hấp phụ đơn lớp: Γ kC θ= = Γ∞ 1 + kC Trong đó: : độ che phủ bề mặt : số mol tối đa chất bị hấp phụ trên 1g chất rắn sao cho các phân tử tạo thành đơn lớp. k : hằng số. Có thể viết lại phương trình trên dưới dạng: C C 1 = + Γ Γ∞ kΓ∞
θ Γ∞
Vậy nếu biểu thị C/Γ ta được 1 đường thẳng có hệ số góc 1/Γ∞ và tung độ góc 1/kΓ∞ Từ phương trình Langmuir, có thể xác định được bề mặt riêng S0 của chất hấp phụ theo công thức: S0 = Γ∞. N. A0 Trong đó N: số Avogadro = 6,023.1023. A0: diện tích chiếm chỗ trung bình của một phân tử chất bị hấp phụ (khi hấp phụ gọi là đơn o
lớp). Chẳng hạn với CH3COOH, A0CH3COOH = 21 A 2
9.3.
DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 9.3.1. Dụng cụ: - Becher 250 ml - Becher 100 ml - Phễu lọc - Burette 25ml - Quả bóp cao su - Bình xịt nước cất - Erlen 100ml - Pipette 10ml - Nhiệt kế 100oC - Giấy lọc
: 6 cái : 2 cái : 6 cái : 1 cái : 1 cái : 1 cái : 5 cái : 3 cái : 1 cái
9.3.2. Hóa chất: - CH3COOH 0,2M - Nước cất - Than hoạt tính - NaOH 0,1N - Phenolphtalein 1%
42
9.4.
THỰC HÀNH - Dùng acid acetic CH3COOH 0,2M nón có nút nhám. Bình 1 CH3COOH (ml) 50 Nước cất (ml) 0
và nước cất, pha loãng các dung dịch sau trong 6 bình 2 40 10
3 30 20
4 20 30
5 10 40
6 5 45
- Lắc đều các bình vừa pha. - Dùng cân phân tích cân 6 mẫu than hoạt tính, mỗi mẫu 1g. - Cho vào mỗi bình chứa dung dịch CH3COOH một mẫu than, đậy nút lắc mạnh trong vài phút. Để yên 10 phút rồi lắc mạnh vài phút. Để yên 30 phút xong đem lọc. - Ghi nhiệt độ thí nghiệm. Nước qua lọc định phân bằng dung dịch NaOH 0,1N với chỉ thị phenolphtalein. - Với bình 1, 2, 3 định phân 3 lần, mỗi lần 5 ml nước qua lọc. - Với bình 4, 5 định phân 3 lần, mỗi lần 10 ml nước qua lọc. - Với bình 6 định phân 2 lần, mỗi lần 20 ml nước qua lọc. Lưu ý: than hoạt tính đã dùng đem rửa lại bằng nước nóng sau đó lọc, sấy rồi cho vào chai để thu hồi lại.
9.5.
KẾT QUẢ: 9.5.1. Kết quả thô: lập thành bảng ghi các giá trị thu được khi định phân bằng dung dịch NaOH 9.5.2. Kết quả tính: ghi theo bảng Bình C0(mol/l) C(mol/l) logC Γ(mol) Log(Γ) C/Γ
a. Vẽ đồ thị logΓ theo logC. Suy ra hằng số K, 1/n b. Vẽ đồ thị C/Γ theo C. Suy ra K, Γ∞ c. Tính bề mặt riêng S0 của than hoạt tính m2/g. (Dùng phương pháp bình phương cực tiểu để viết phương trình các đường biểu diễn).
9.6. CÂU HỎI Câu 1: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm b. Phạm vi ứng dụng của phương trình Freundlich, Langmuir. c. Các loại chất hấp phụ rắn và các tính chất đặc trưng của chúng ? Câu 2: a. Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm 43
b. c.
Nêu 3 ứng dụng thực tế của hấp phụ lỏng – rắn và khí – rắn. Cho ví dụ 3 tên chất phụ rắn đó Có cần cân chính xác 1,0000g than hoạt tính hay chỉ cần cân chính xác 1,xxxxg hay 0,9xxx. Giải thích ?
Câu 3: a. b. c.
Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Định nghĩa bề mặt riêng của chất hấp phụ. Làm thế nào để xác định bề mặt riêng của một chất hấp phụ ? Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ ?
Câu 4: a. b. c.
Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Định nghĩa sự hấp phụ, chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Trình bày phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm để xác định các hằng số của phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
a. b. c.
Nêu mục đích và trình tự thí nghiệm Nêu nguyên nhân của sự hấp phụ. So sánh các loại lực hấp phụ Trình bày phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm để xác định các hằng số của phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freunlich.
Câu 5:
44
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. [2]. [3]. [4]. [5]. [6].
Mai Hữu Khiêm. Hóa keo. Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh. 2003. Mai Hữu Khiêm, Dương Thành Trung. Hóa lý tập 3. Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh. 2003. Nguyễn Đình Huề. Giáo trình hóa lý. Nhà xuất bản Giáo dục, 2000. Nguyễn Thị Phương Thoa. Thực tập Hóa lý. Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh. 2002 Trần Khắc Chương, Mai Hữu Khiêm. Hóa lý tập 2. Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh. 2003. Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế. Hóa lý. Nhà xuất bản Giáo dục. 2002.
45
