Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý
PHẦN NHẬP MÔN 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 luyện tác phong phong nghiên nghiên cứu cẩn cẩn thận chính chính xác và tính quan sát. sát. - Trước Trước khi tiến tiến hành hành thí thí nghiệm nghiệm cần cần rửa thật thật sạch sạch các các dụng cụ ( trừ các các trường 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 buret… 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 Ghi chép chép kết qu quảả thí thí nghiệ nghiệm m - Tất cả số liệu liệu thu được trong trong buổi TN TN phải được được ghi chép chép lại rõ ràng bằng bằng bút mực theo biểu mẫu của phòng TN và có xác nhận của giáo viên hướng dẫn trên kết quả thô. - Ghi chép chép cụ thể thể điều điều kiện kiện thực thực hiện hiện TN (nhiệt (nhiệt độ, độ, áp suất, suất, nồng nồng độ các các hóa hóa chất chất đã sử dụng…) và những thay đổi (nếu có) so với bài hướng dẫn.
4. Báo Báo cáo cáo thí thí ngh nghiệ iệm m - Thực hiện tất cả cả các nội dung dung yêu cầu cầu từng từng bài bài theo theo mẫu mẫu của của phòng phòng TN - Đồ thị phải phải được được vẽ vẽ bằng bằng tay trê trênn giấy giấy ô ly (giấy (giấy milim milimet et)) hay sử sử dụng các các phần phần mềm vẽ đồ thị in trên giấy thường, dán vào bài báo cáo. XỬ LÝ SỐ LIỆU Trình bày số liệu bằng phương pháp đồ thị: Trang 1
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý Phương pháp này có nhiều lợi điểm trong việc trình bày số liệu. Một trong những thuận lợi quan trọng nhất là từ đồ thị 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 thể được thực hiện bằng cách cách vẽ tiếp tiếp tuyến tuyến với đường cong, và và tích phân được được tính bằng bằng cách cách xác định diện tích dưới đường cong.
BÀI 1:
CÂN BẰNG LỎNG - LỎNG HỆ HAI CẤU TỬ
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 nhiệt độ - thành thành phần phần của hệ. 1.1.
1.2. 1.2. CƠ SỞ SỞ LÝ THU THUYẾT YẾT VÀ VÀ NGUY NGUYÊN ÊN TẮC 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: Nhiệt độ K
Tc
T
100%H2O
a
b
m
100%phenol
Thành phần Hình 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. Trang 2
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 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. 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: 11 ống - Buret: 1 cái - Nhiệt kế 100oC: 3 cái - Đũa khuấy: 3 cái - Bếp điện: 1 cái - Nồi đun: 1 cái - Becher 250: 2 cái 1.3.2. Hóa chất: - Phenol - Nước cất THỰC HÀNH - Cho lọ đựng Phenol vào bình điều nhiệt để Phenol chảy ra (nhiệt độ khoảng 50 oC). 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: 1.4.
Ống
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11 Trang 3
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 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. - 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 1. Bài thí nghiệm đã được thực hiện theo phương pháp đẳng nhiệt hay đa nhiệt? Hãy phân tích sự lựa chọn quá trình thực hiện ? 2. Cho biết các đặc trưng của hệ (thành phần và nhiệt độ tới hạn) có ý nghĩa như thế nào? 3. Nếu trong quá trình đun nóng hệ vẫn giữ ở trạng thái phân lớp thì quá trình diễn biến từ dị thể sang đồng thể sẽ như thế nào?
Trang 4
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý
CÂN BẰNG LỎNG RẮN
BÀI 2:
2.1. 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 . 2.2. 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 t c (ứng với nhiệt độ eutecti) cho tới khi quá trình kết tinh kết thúc. Sau đó nhiệt độ tiếp tục giảm. 1 ộ đ t ệ i h N
2
3
4
5
2
1 ộ đ t ệ i h N
a d
3
4
A D B
b c
b
e
5
C
c
E
a e
d c
Thời gian
Hình 2: Giản đồ nhiệt độ–thời gian 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. Trang 5
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 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 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. 2.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 2.3.1. Dụng cụ: - Ống nghiệm: 8 ống - Nhiệt kế: 3 cái - Đũa khuấy: 3 cái - Becher 250ml: 3 cái 2.3.2. Hóa chất: - Naphtalein - Diphenil – amin 2.4. THỰC HÀNH - Tiến hành chuẩn bị 8 ống nghiệm có thành phần như sau: Ống 1 2 3 4 5 Naphtalen (g) 10 8 6 4,5 3 Diphenil – amin (g) 0 2 4 5,5 7
6 2,5 7,5
7 1 9
8 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). Trang 6
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý - 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 40 oC 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. 2.5. KẾT QUẢ 1. Kết quả thô ghi lại nhiệt độ của hỗn hợp trong ống nghiệm ở từng thời điểm. Kết quả tính 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 – naphtalen, xác định nhiệt độ và thành phần eutecti. 2.
2.6. CÂU HỎI 1. Nhiệt độ eutecti là gì? Điểm eutecti là gì? 2. Dùng quy tắc pha, giải thích vì sao trong quá trình kết tinh của chất nguyên chất hoặc hỗn hợp eutecti thì nhiệt độ không đổi còn quá trình kết tinh dung dịch thì nhiệt độ giảm dần? Tại sao nhiệt độ môi trường làm lạnh phải thấp hơn nhiệt độ eutecti (t e) nếu nhiệt độ môi trường lớn hơn te thì sẽ gây nên điều gì? 3.
4. Giải thích giản đồ? - Điền các thành phần vào từng vùng của giản đồ. - Giải thích các đường trên giản đồ.
Trang 7
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý
XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG
BÀI 3:
3.1. MỤC ĐÍCH - Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến vận tốc phản ứng. - Xác định bậc của phản ứng phân huỷ Na2S2O3 trong môi trường acid bằng thực nghiệm. 3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 DC là biến thiên nồng độ tác chất. + Dấu (+) nếu DC là biến thiên nồng độ sản phẩm. Khi Dt ® 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. V = ±
dC 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: V = −
dC A a dC B a dC C a dC D =− = = 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: V = −
dCA = k.CAn .CBm dt Trang 8
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 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 DC/Dt, trong đó DC là biến thiên nồng độ sản phẩm (ta chọn lưu huỳnh) trong khoảng thời gian Dt, thường trong thực nghiệm người ta cố định DC và đo Dt. Giá trị DC 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 Dt cũng rất nhỏ, khó đo. Trong thí nghiệm này ta cố định DC 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 Dt giảm còn nồng độ lưu huỳnh sinh ra trong khoảng thời gian Dt lúc nào cũng như nhau (độ đục như nhau). Để xác định bậc phản ứng theo Na 2S2O3 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 Dt là t 1, ở thí nghiệm 2, nồng độ Na2S2O3 là 2x, nồng độ H2SO4 là y, thời gian là t2, ta có: ∆C V 1 = = kxmyn t 1
V 2 =
∆C t 2
= k(2x)myn
Lập tỉ số V1/V2 ta được : lg t 2 / t 1
2m = t2/t1 ® lgt2/t1 = 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. 3.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 3.3.1. Dụng cụ: - Bình cầu 1 cổ: 3 cái - Ống nghiệm: 6 cái - Pipet 5ml: 1 cái - Pipet 10ml: 1 cái 3.3.2. Hóa chất: - Dung dịch Na2S2O3 0,1M - Dung dịch H2SO4 0,4M - Nuớc cất Trang 9
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 3.4. THỰC HÀNH 3.4.1. Xác định bậc phản ứng theo Na 2S2O3 Chuẩn bị 3 ống nghiệm đựng acid và 3 bình đáy bằng đựng Na 2S2O3 và H2O theo bảng sau: Ống nghiệm V(ml) H2SO4 0,4M
STT 1 2 3
Bình cầu V(ml) Na2S2O3 0,1M
8 8 8
4 8 16
H2O 28 24 16
- 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 Dt. + Lặp lại mỗi thí nghiệm 2 lần nữa để lấy giá trị trung bình. 3.4.2. Xác định bậc phản ứng theo H 2SO4 Làm tương tự phần a với lượng acid và Na 2S2O3 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
H2O 28 24 16
3.5. KẾT QUẢ 1. Kết quả thô: ghi lại các giá trị Dt thu được. 2. Tính giá trị bậc phản ứng Trang 10
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 3.6. CÂU HỎI 1. Trình bày khái niệm về tốc độ của phản ứng hóa học? Hằng số tốc độ của một phản ứng. 2. Phân biệt bậc của phản ứng? 3. Phản ứng một chiều bậc nhất, phản ứng một chiều bậc hai là gì?
THUỶ PHÂN ESTER BẰNG KIỀM
BÀI 4:
4.1. 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. 4.2. LÝ THUYẾT Phản ứng giữa ester acetatetyl và NaOH xảy ra như sau: CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH. t =0 a b 0 0 t a-x b-x x x Vì đây là phản ứng bậc hai, nên tốc độ của phản ứng là: −
d(a x) −
=
dt
hay
k(a x)(b x) −
−
dx [(a
−
x)(b
−
x)]
=
kdt
1 1 1 − + dx = kdt (a− b) a − x b − x
Tích phân 2 vế ta được
1
a −x ln =kt +c a −b b −x
C
⇒
Điều kiện đầu t = 0, x = 0
=
1 a ln a −b b
1 b(a −x) ln a −b a(b −x)
(1)
=kt
Gọi n0, nt, n∞ là thể tích NaOH còn trong hỗn hợp phản ứng ở các thời điểm t = 0, t, ∞ . 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 C
0NaOH
= b = const . n0 Trang 11
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý C0
este
Ct
NaOH
Ct
este
= a = const ( n0 – n∞) = b –x = const. nt = a –x = const[(n0 - n∞) – (n0 – nt)] = const (nt - n∞)
Với const là hằng số tỷ lệ theo bài này ta có:
constn0.const(nt − n∞ ) ln const(n0 − n∞ ) − constn0 const(n0 − n∞ )const.nt 1
−
n (n ln 0 t const.n∞ nt (n0 1
1 t.const.n ∞
= kt
− n∞ ) = kt − n∞ )
n0 − n∞ nt . = k n n n − t ∞ 0
ln
Thay các giá trị trên vào (1) ta được: 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 = k 0e -Ea/RT (3) k 0: hằng số được gọi là thừa số tần số hay thừa số Arrhenius nó không phụ thuộc nhiệt độ. Ea: năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Lấy logarit 2 vế: lnk = lnk 0 – Ea/RT. Theo phương trình này, hằng số tốc độ phụ thuộc tuyến tính với nghịch đảo của nhiệt E 1 k 1 độ phản ứng. ln = − (4) k R T T 2
1
a
1
2
Gọi k 1, k 2 là hằng số tốc độ ở các nhiệt độ T 1, 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. 4.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 4.3.1. Dụng cụ: - Ống đong 250ml: 1 cái - Erlen 500ml: 2 cái - Erlen 100ml: 3 cái - Pipet 10ml: 3 cái - Ống sinh hàn: 1 cái - Buret: 1 cái Trang 12
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý - Beccher 100ml: 2 cái - Nhiệt kế 100oC: 2 cái - Bình điều nhiệt: 1 cái 4.3.2. Hóa chất: - NaOH 0.01N - NaOH 0.01N chuẩn - CH3COOC2H5 0.005N - HCl 0.01N - Phenolphtalein 4.4. THỰC HÀNH 4.4.1. 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 pipet 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 = ∞ . Nhiệt độ bình điều nhiệt T 2 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. 4.4.2.
4.5. KẾT QUẢ 4.5.1. Kết quả thô Lập bảng ghi thể tích NaOH dùng chuẩn độ HCl dư. 4.5.2. 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 Trang 13
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý
PHỤ LỤC Tìm const 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 n 0 ml NaOH ) là: Số đương lượng NaOH/25ml. Nồng độ NaOH trong mẫu thử sẽ là: 1 n
0
x
1 0 0
1000 → n0 →
Vậy
1 x
1 0 0 0
1 100 Mà ta có:
C 0 NaOH
C 0NaOH
=
=
n0 1 1 1000 (n0x x )x 100 1000 25 250 =
const .n0
n0 1 = const .n0 ⇒ const = 2500 2500
4.6. CÂU HỎI 1. Tại sao để lấy dữ kiện ở t ∞ phải đun đến 700C? Không lắp ống sinh hàn hoàn lưu được không ? 2. Thí nghiệm ở t = 400C có cần phải đun hoàn lưu để lấy dữ kiện ở t ∞ không ? Tại sao? 3. Giải thích vì sao theo từng thời gian đoạn phải cho 25ml dung dịch phản ứng vào dung dịch acid HCl? Nếu dung dịch acid HCl đó được làm lạnh trước hay đun nóng lên có được không? Vì sao?
Trang 14
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý
BÀI 5: XÚC TÁC ĐỒNG THỂ PHẢN ỨNG PHÂN HỦY H2O2 5.1. MỤC ĐÍCH Xác định hằng số tốc độ, chu kỳ bán hủy và năng lượng hoạt hóa của phản ứng phân hủy H2O2 vơi ion Cu2+ là chất xúc tác. 5.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC H2O2 tự phân hủy theo phản ứng sau: H2O2 → H2O + 1/2O2 Tốc độ của phản ứng tăng nhanh khi có các xúc tác Pt, muối và oxyt của các kim loại chuyển tiếp… Phản ứng tiến hành qua 2 giai đoạn: 1. HOOH → O2 + 2H+ chậm 2. HOOH + 2H+ → 2H2O nhanh 2H2O2 → 2H2O + O2 Tốc độ tổng quát của phản ứng được xác định bởi giai đoạn 1 và do đó phản ứng xảy ra theo bậc 1. 5.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 5.3.1. Dụng cụ: - Erlen 100ml: 5 cái - Buret 25ml: 1 cái - Pipet 10ml: 4 cái - Bể điều nhiệt: 1 cái 5.3.2. Hóa chất: - H2O2 - H2SO4 10% - CuSO4 0.05N - KMnO4 0.01N 5.4. THỰC HÀNH - Tiến hành lấy 20 ml dung dịch H2O2 5% cho vào 1 bình nón và lấy 10 ml dung dịch CuSO4 0.05N cho vào 1 bình nón khác. Trang 15
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý - Đặt cả hai bình nón này vào nồi ở cùng nhiệt độ (300C) trong 20 – 30 phút. Sau đó trộn dung dịch H2O2 vào dung dịch CuSO4 và để ngay hỗn hợp này vào nồi. - Lấy 2 ml hỗn hợp phản ứng cho vào 1 bình nón đã có sẵn 2 ml H2SO4 10% rồi chuẩn độ với KMnO4 0,01N. Khi bắt đầu nhỏ giọt KMnO4 đầu tiên thì ghi thời gian (bấm thì kế). Đó là thời điểm t = 0. Ghi số ml KMnO4 đã dùng.
t.
- Sau 5, 10, 15, 20 và 30 phút lại lấy 2 ml mẫu thử đem chuẩn độ. Kết quả tính Tính hằng số tốc độ phản ứng CA là lượng H2O2 ban đầu ứng với số ml KMnO4 đã dùng ở thời điểm ban đầu. CA – Cx ứng với số ml KMnO4 đã dùng ở thời điểm t là lượng H 2O2 còn lại sau thời gian Tính hằng số tốc độ k ở mỗi thời điểm và lấy trị số trung bình. Làm lại thí nghiệm ở nhiệt đô t 1 + 10 (400C). Tính k t2 và năng lượng hoạt hóa của phản
ứng. Tính chu kỳ bán hủy τ1/2 ở t1 và t2 5.5. CÂU HỎI 1. Thế nào là xúc tác? Tác dụng của xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể? 2. Chu kỳ bán hủy là gì? 3. Năng lượng hoạt hóa là gì? Nhận xét gì về giá trị năng lượng hoạt hóa tính được từ kết quả làm thí nghiệm?
Trang 16
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý
BÀI 6:
PHẢN ỨNG IOD HÓA ACETON TỰ XÚC TÁC
6.1. MỤC ĐÍCH Xác định hằng số tốc độ phản ứng iod hóa aceton tự xúc tác. 6.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phản ứng bậc hai là phản ứng có dạng: A+ B → Sp (1) → Sp (2) 2A Mà biến thiên của mỗi chất trong quá trình phản ứng là đáng kể. Tốc độ phản ứng được viết lần lượt cho 2 phản ứng (1) và (2): V=− V=−
dC dt dC dt
= K C
A .CB
= K C
2 A
Biến thiên nồng độ theo thời gian có dạng như ứng với trường hợp phản ứng xảy ra. Phản ứng xảy ra trong môi trường đồng thể. Có hoặc không có chất xúc tác (nghịch đảo đường, xà phòng hóa ester) ứng với trường hợp có sự tự xúc tác (iod hóa aceton ). Tốc độ phản ứng tại thời điểm t nào đó được xác định bằng độ lệch của đường tiếp tuyến với đường biểu diễn so với trục thời gian, tại thời điểm đó. Trong trường hợp thứ nhất, tốc độ giảm dần và trong trường hợp thứ hai, tốc độ tăng dần theo thời gian. Phản ứng iod hóa aceton là phản ứng bậc hai có phương trình phản ứng như sau: CH3COCH3 + I2 ↔ CH3COCH2I + HI Phản ứng xảy ra với tốc độ đáng kể trong môi trường acid hoặc kiềm. Cơ chế phản ứng trong hai trường hợp là khác nhau. Trong môi trường kiềm Do ion OH- kết hợp với ion H+ rất mạnh, trong phân tử aceton sẽ có sự chuyển dịch điện tử về oxy. H3C – C – CH3 Do đó mà H của 1 trong 2 nhóm metyl sẽ trở nên linh động và có xu hướng tách ra. Phản ứng xảy ra như sau: CH3COCH3 + OHCH3-C=CH2 + H2O Trang 17
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý Khi đó sẽ có 1 cân bằng giữa aceton cetoenol vừa mới tạo nên, tốc độ của phản ứng này chậm (với hằng số tốc độ k 1 bé) amincetoenol sẽ tương tác với iod. CH3 – C = CH2 + I2 → CH3COCH2I + IGiai đoạn này xảy ra nhanh (với k 2 >k 1). Trong môi trường acid Khi có ion H+ đúng hơn là ion hydro-xoni H3O+) aceton trở nên háo H3O+, khi đó phản ứng xảy ra như sau: CH3 -C-CH3 + H3O+ ↔ CH3 -C -CH3 + H2O Hydro của nhóm metyl trong nhóm anion cetoenol trở nên linh động và liên kết với các phân tử nước. CH3-C-CH3 + H2O ↔ CH3 C=CH2 + H3O+ Phản ứng này xảy ra chậm ( với hằng số tốc độ k 1 bé). Như vậy giai đoạn này của phản ứng là sự chuyển hóa toutomeceton và enol. Trong giai đoạn 2, enol kết hợp với iod. CH3 -C =CH2 + I2 + H2O ↔ CH3COCH2I + H3O+ Giai đoạn này xảy ra nhanh (với k 2>k 1) .
+ I-
Như vậy phản ứng xảy ra trong môi trường kiềm và acid khác nhau ở chỗ trong môi trường kiềm có tạo ion cetoenol, còn trong môi trường acid có chuyển hóa toutome ceton và enol. Trong cả hai trường hợp, tốc độ phản ứng được xác định bằng tốc độ của giai đoạn chậm tức giai đoạn đầu, nghĩa là qua k 1. Trong môi trường acid. Ion hydro-xoni (H3O+) sinh ra mỗi lúc một nhiều, do đó có đầy đủ H3O+ cho phản ứng, vì thế phản ứng trong môi trường acid thuộc loại phản ứng tự xúc tác. Như vậy sự ion hóa aceton trong môi trường acid có tốc độ là tốc độ của giai đoạn thứ nhất tức là tạo enol, phụ thuộc vào nồng độ aceton và ion H3O+, chứ không phụ thuộc vào nồng độ iod, phản ứng là phản ứng bậc hai. Gọi số mol aceton và ion hydroxoni là a và b nồng độ của chúng là C A và CB, ở thời điểm t, có x mol aceton tham gia phản ứng và tạo được x mol H 3O+ và cùng x mol I- lúc đó. a − x C A = V
C B =
b + x V
Theo phương trình (1) ta sẽ có: dV dt
k =
V
2
( a − x)(b + x )
Tách biến số rồi lấy tích phân ở x = 0 lúc t = 0 đến x và t, ta sẽ có: Trang 18
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý x
dx k = 2 V x =0 ( a − x)(b + x)
∫
k =
t
∫ dt
t = 0
2,3V (b + x) a [ thoigian ] −1 [ nongdo] −1 lg (a + b) ( a − x ) b
Lượng aceton ban đầu xác định bằng cách cộng lượng ion H +, bằng lượng dung dịch acid có nồng độ xác định đã lấy; lượng aceton đã tiêu thụ, theo độ gram, lượng iod đã tham gia phản ứng trong sự iod hóa. Như vậy, trong tính toán chỉ còn một biến số, được xác định bằng cách chuẩn độ hỗn hợp phản ứng bằng dung dịch thiosunfat. DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 6.3.1. Dụng cụ: - Bình định mức 250ml: 1 cái - Nồi đun: 1 cái - Bình nón, nút nhám: 1 cái - Buret: 1 cái 6.3.2. Hóa chất: - Dung dịch I2 0.1N trong KI 4% - Dung dịch HCl 1N - Aceton - Dung dịch NaHCO3 0,1 N - Dung dịch Na2S2O3 chuẩn 0,1N
6.3.
6.4. THỰC HÀNH Cho vào bình định mức 250ml, 25 ml dung dịch iod 0,1N I 2 trong dung dịch KI 4%, 25 ml dung dịch HCl 1N, thêm nước cất cho đến khi còn độ 20 ml nữa thì vừa đến vạch, xong đặt bình vào nồi nước nấu cách thủy khoảng 30 0C. Cân trên cân phân tích một bình nón có nút nhám cỡ 50 ml trong đó có sẵn độ 10 – 15ml nước cất, dùng pipet lấy độ 1,5gram aceton (cho biết tỷ khối aceton d = 0,792) cho vào bình nón. Cân lại bình nón và lấy lại hiệu số 2 lần để biết khối lượng aceton đã lấy. Đặt tiếp bình nón đựng dung dịch aceton vào máy điều nhiệt, đợi 10 – 15 phút để cho chất lỏng trong cả 2 bình, bình nón và bình định mức bằng nhau, nghĩa là 30 0C. Đổ dung dịch trong bình nón vào bình định mức tráng vài lần bằng nước cất, nước tráng cũng đổ vào bình định mức, thêm nước cất cho đến vạch của bình định mức. Lúc ấy được xem là thời điểm bắt đầu phản ứng (mất ít phút lúc đổ, tráng không quan trọng vì phản ứng lúc đầu xảy ra rất chậm).
Trang 19
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý Các mẫu thử được lấy ra khỏi bình định mức mỗi lần 25 ml được đổ vào 25 ml dung dịch NaHCO3 0,1 N rồi chuẩn lượng iod còn dư bằng dung dịch Na 2S2O3 chuẩn 0,1N có dung dịch tinh bột làm chỉ thị. Thời gian lấy mẫu là lúc đầu tức lúc t = 0, sau đó t = 10, 15, 30, 45, 60, 90 tất cả 6 mẫu. Tính X bằng công thức: X = ( V0 – Vt).C.10-3 Trong đó V0 và Vt là thể tích dung dịch thiosulfat đã dùng để chuẩn lúc t = 0 và lúc t, tính bằng ml, C nồng độ dung dịch thiosulfat, đlg/l. Cách ghi số liệu và tính toán Khối lượng aceton m Số mol aceton (trong 25 ml) Số mol ion H+ (trong 25 ml)
a b
CÂU HỎI 1. Phản ứng một chiều bậc hai là gì? Nêu liện hệ giữa hằng số tốc độ bậc hai với thời gian và nồng độ. 2. Tính thời gian cần để iod hóa 50%, 80%, 90% aceton. 3. Muốn tính năng lượng hoạt động hóa của phản ứng iod hóa aceton, người ta có phải làm thêm thí nghiệm gì không? Cách tiến hành thí nghiệm đó như thế nào? 6.5.
Trang 20
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý
HẤP PHỤ TRONG DUNG DỊCH TRÊN BỀ MẶT CHẤT HẤP PHỤ RẮN
BÀI 7:
7.1. 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. 7.2. 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 m 2/g. Các chất hấp phụ rắn thường dùng là: than hoạt tính, silicagel (SiO 2), 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 thộc 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… 7.2.1. 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. Trang 21
-
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 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.
7.2.2. Phương trình Langmuir: -
Đây là phương trình lý thuyết, áp dụng cho hấp phụ đơn lớp: Γ kC θ = = Γ ∞ 1 + kC Trong đó: - θ: độ che phủ bề mặt - Γ ∞: 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
Γ Γ ∞
+
1 k Γ ∞
Vậy nếu biểu thị C/Γ ta được 1 đường thẳng có hệ số góc 1/ Γ ∞ và tung độ góc 1/k Γ∞ Từ phương trình Langmuir, có thể xác định được bề mặt riêng S 0 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 1 phân tử chất bị hấp phụ( khi hấp phụ gọi là đơn lớp). Chẳng hạn với CH3COOH, A0CH3COOH = 21 ( )2. 7.3. DỤNG CỤ - HÓA CHẤT 7.3.1. Dụng cụ: - Becher: 6 cái - Phễu lọc: 6 cái - Buret 25ml: 1 cái - Erlen 100ml: 5 cái - Pipet 10ml: 3 cái 7.3.2. Hóa chất: - CH3COOH 0,2M - Nước cất - NaOH: 0.1N - Phenolphtalein 1% Trang 22
Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 7.4. THỰC HÀNH - Dùng acid acetic CH3COOH 0,2M và nước cất, pha loãng các dung dịch sau trong 6 bình nón có nút nhám. Bình 1 2 3 4 5 6 CH3COOH (ml) 50 40 30 20 10 5 Nước cất (ml) 0 10 20 30 40 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. 7.5. KẾT QUẢ: 7.5.1 Kết quả thô: lập thành bảng ghi các giá trị thu được khi định phân bằng dung dịch NaOH 7.5.2. Kết quả tính ghi theo bảng Bình C0(mol/l) C(mol/l) logC Γ (mol) Log(Γ ) C/Γ
Vẽ đồ thị logΓ theo logC. Suy ra hằng số K, 1/n. Vẽ đồ thị C/Γ theo C. Suy ra K, Γ ∞. 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). a. b. c.
7.6. CÂU HỎI 1. Hãy nhận xét biểu thị sự hấp phụ CH 3COOH trên than hoạt tính bằng đường đẳng nhiệt Freundlich hay Langmuir là thích hợp nhất. 2. Đường đẳng nhiệt Freundlich có dạng thế nào khi 1/n =0, 1/n =1, 0<1/n <1. Trong mỗi trường hợp, hiện tượng hấp phụ xảy ra như thế nào? 3. Đường đẳng nhiệt Langmuir có dạng thế nào ở nồng độ C thật nhỏ? Ở C thật lớn? Ở điều kiện nào, các đường Langmuir và Freundlich có dạng tương tự nhau. Trang 23
