TÍNH TAN HẠN CHẾ CỦA CHẤT LỎNG

BÀI SỐ TÍNH TAN HẠN CHẾ CỦA CHẤT LỎNG 3.1 Mục đích Xây dựng giản đồ độ tan hai chất lỏng hoà tan hạn chế xác định nhiệt độ hoà tan tới hạn Xây dựng giản đồ độ tan hệ ba cấu tử hoà tan hạn chế 3.2 Lí thuyết Các chất lỏng hồ tan hoàn toàn vào (nước - etanol, benzen - cloroform – cacbon tetraclorua ), thực tế khơng hồ tan vào (dầu hoả - nước, nước thuỷ ngân - benzen, ) hoà tan hạn chế vào (phenol - nước, nước - cloroform - axit axetic ) Ở xét trường hợp hoà tan hạn chế 3.2.1 Hệ hai cấu tử a) Giản đồ độ tan hệ hai chất lỏng hoà tan hạn chế Xét hệ phenol - nước làm ví dụ Ở nhiệt độ, độ hoà tan phenol nước nước phenol có giá trị xác định Khi nhiệt độ tăng, độ tan chất chất tăng Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nhiệt độ đến độ tan lẫn chúng P = const có dạng hình 3.1, HK IK đường biểu diễn ảnh hưởng nhiệt độ tới độ tan phenol nước nước phenol Hai đường cắt điểm K ứng với nhiệt độ tk, nhiệt độ phenol nước hồ tan vào theo tỉ lệ Nhiệt độ tk gọi nhiệt độ tới hạn hồ tan Hình 3.1: Giản đồ tan hệ phenol – nước K t H K' I BK E P R Q F ACD C o tK tR t3 t2 t1 H O2 C H OH % C H OH 5Bài giảng Thực hành Hóa lý 2014 Trang 35 Để hiểu rõ giản đồ, ta xét biến đổi xảy hệ thay đổi thành phần hỗn hợp nhiệt độ định Giả sử lấy lượng nước xác định nhiệt độ t1 (điểm A giản đồ) Thêm dần phenol vào nước, lúc đầu thu dung dịch đồng phenol hoà tan nước, lượng phenol thêm vào đủ lớn (nồng độ dung dịch ứng với điểm B) nước bão hoà phenol tiếp tục thêm phenol hệ tách thành hai lớp: lớp cũ dung dịch nước bão hồ phenol có thành phần ứng với điểm B (lớp B) lớp dung dịch phenol bão hồ nước có thành phần ứng với điểm C (lớp C) Vì độ tan nước vào phenol phenol vào nước nhiệt độ xác định, không phụ thuộc vào lượng chất tan thêm vào, nên việc thêm tiếp tục phenol làm thay đổi lượng tương đối hai lớp mà không làm thay đổi thành phần hai lớp Điều thấy rõ giản đồ: thêm dần phenol điểm biểu diễn hệ dịch chuyển từ B đến C thành phần hai lớp chất lỏng biểu thị điểm B C không thay đổi Tỉ lệ khối lượng hai lớp xác định quy tắc địn bẩy, ví dụ điểm biểu diễn M: Khối lượng lớp B Khối lượng lớp C = MC MB Khi thêm phenol tới điểm C, lớp B biến (MC = 0) hệ lớp C (dung dịch phenol bão hoà nước) từ trở (từ C đến D) hệ đồng thể (nước hoà tan phenol) Như vậy, nhiệt độ t1 khu vực AB CD hệ đồng thể, khu vực BC hệ dị thể Khi nâng nhiệt độ, độ tan phenol nước nước phenol tăng nên khu vực dị thể thu hẹp dần (EF nhiệt độ t2 , PQ nhiệt độ t3 ) nâng đến nhiệt độ tk khu vực dị thể biến mất, từ nhiệt độ trở lên hệ ln ln đồng thể với tỉ lệ phenol - nước Nhiệt độ tk gọi nhiệt độ hoà tan tới hạn hệ Đó nhiệt độ tới hạn Có hệ có nhiệt độ tới hạn nghĩa nhiệt độ nhiệt độ thấp hai chất lỏng hồ tan hồn tồn, ví dụ hệ colodin - nước Cũng có hệ tồn nhiệt độ tới hạn dưới, ví dụ hệ nicotin - nước Đường cong HKI phân chia hệ thành hai khu vực đồng thể dị thể gọi đường cong phân lớp Mỗi điểm đường cong biểu thị thành phần lớp cân Ví dụ nhiệt độ t1 , thành phần hai lớp cân xác định điểm B C, t2 - điểm E F, t3 - điểm P Q Các đường thẳng BC, EF, PQ nối cácBài giảng Thực hành Hóa lý 2014 Trang 36 điểm biểu diễn thành phần lớp cân liên hợp gọi đường liên hợp Theo quy tắc gần Alecxêep trung bình cộng thành phần lớp liên hợp nhiệt độ khác phân bố đường thẳng điểm cắt đường thẳng (đường K’K hình 3.1) với đường phân lớp điểm tới hạn hoà tan Dựa vào quy tắc xác định xác nhiệt độ tới hạn hệ từ kiện thực nghiệm b)Phương pháp xây dựng giản đồ độ tan hai chất lỏng Qua phân tích nhận thấy xây dựng giản đồ độ tan hai chất lỏng hoà tan hạn chế theo hai cách sau đây: o Trộn lẫn hai chất lỏng đặt vào bình điều nhiệt nhiệt độ t1 (sau t2 , t3 ) tách hồn tồn thành hai lớp cân Phân tích định lượng thành phần hai lớp thu điểm thực nghiệm B, C (E, F P, Q ) từ xây dựng đường cong phân lớp o Lấy hỗn hợp có thành phần nằm khu vực dị thể (ví dụ hỗn hợp N) đun nóng đến nhiệt độ R t hỗn hợp chuyển từ dị thể sang đồng thể (đục sang trong) Nếu đun hỗn hợp đến nhiệt độ cao R t cho nguội dần đến nhiệt độ R t hỗn hợp chuyển từ đồng thể sang dị thể (trong sang đục) Căn vào nhiệt độ bắt đầu bắt đầu đục xác định điểm R Làm thí nghiệm tương tự với hỗn hợp có thành phần khác xây dựng đường cong phân lớp Cách thứ hai đơn giản thuận tiện nên thường sử dụng để xây dựng giản đồ độ tan hệ 3.2.2 Hệ ba cấu tử a) Phương pháp biểu diễn thành phần hệ ba cấu tử Thành phần hệ ba cấu tử biểu diễn giản đồ tam giác (hình 3.2) Ba đỉnh tam giác ứng với ba cấu tử tinh khiết Các điểm nằm cạnh tam giác biểu thị thành phần hệ hai cấu tử, điểm nằm tam giác biểu thị thành phần hệ ba cấu tử Có hai cách xác định thành phần điểm Theo phương pháp Gibbs, tổng khoảng cách hạ từ điểm M nằm tam giác xuống cạnh (Ma + Mb +Bài giảng Thực hành Hóa lý 2014 Trang 37 Mc) đường cao tam giác coi 100% Thành phần phần trăm cấu tử, ví dụ cấu tử A xác định khoảng cách Ma từ điểm biểu diễn thành phần hệ M đến cạnh đối diện với đỉnhA tam giác Theo phương pháp Rơzebum độ dài cạnh tam giác coi 100% Tổng độ dài đoạn thẳng song song với cạnh xuất phát từ điểm biểu diễn thành phần hệ M (Ma’ + Mb’+ Mc’) cạnh tam giác Khi thành phần phần trăm cấu tử A đoạn Ma’ Vì Ma’ = Cb’ nên để xác định % A, từ M kẻ đường song song với cạnh đối diện A, đường cắt cạnh biểu diễn %A b’, điểm cắt cho biết %A Cả hai phương pháp cho kết thống Dễ dàng nhận thấy theo cách biểu thị thành phần tất điểm biểu diễn nằm đường thẳng song song với cạnh có nồng độ % cấu tử đối diện với cạnh khơng đổi, cịn đường thẳng xuất phát từ đỉnh xuống cạnh đối diện, ứng với hỗn hợp có thành phần % cấu tử ứng với đỉnh thay đổi cịn tỉ lệ thành phần % hai cấu tử không đổi Hình 3.2: Giản đồ tam giác biểu diển thành phần hệ ba cấu tử Hình 3.3: Giản đồ độ tan hệ ba chất lỏng, có cập chất lỏng hòa tan hạn chế A BC M a' a b' c c' b %A %C %B A BxyCK CH COOH CH COOH CHCl3 H O2 % CHCl3 H O2 % % N PKa a Q bM a2 b2 b1Bài giảng Thực hành Hóa lý 2014 Trang 38 b) Giản đồ độ tan hệ ba cấu tử Nếu cấu tử B C hoà tan hạn chế vào cịn cấu tử thứ ba A hồ tan vào chúng khơng hạn chế thêm cấu tử A vào hệ làm độ tan lẫn hai cấu tử B C tăng lên đến hệ trở thành đồng thể Axit axetic – Cloroform - Nước hệ ba cấu tử thuộc loại Giản đồ độ tan chúng có dạng hình 3.3 Nhìn vào giản đồ dễ dàng nhận thấy cloroform nước hồ tan hạn chế, cịn axit axetic hồ tan vơ hạn vào cloroform vào nước Khi thêm nước vào cloroform theo đường BC đến thành phần x cloroform bão hoà nước Thêm tiếp nước vào hệ hình thành thêm lớp lớp nước bão hồ chloroform có thành phần y Nếu thêm axit axetic vào hệ phân bố hai lớp tạo hai dung dịch bậc ba, dung dịch nằm cân với nhau, với điều kiện thành phần chung hỗn hợp nằm miền phía đường cong xKy Ví dụ, thành phần chung hỗn hợp biểu diễn điểm M hai pha nằm cân biểu diễn điểm a b đường liên hợp aMb Những thành phần chung khác có đường liên hợp khác Thường thường đường liên hợp không song song với với cạnh tam giác Càng thêm axit vào, thành phần hai pha cân gần đường liên hợp ngắn Cuối thành phần hai dung dịch đồng nhất, đường liên hợp trở thành điểm K Điểm K điểm tới hạn thêm nhiều axit dẫn tới việc tạo thành pha đồng thể Tất điểm phía đường cong xKy biểu diễn hỗn hợp bậc ba, hỗn hợp chia thành hai pha lỏng Các điểm nằm phía đường cong xKy biểu diễn pha lỏng đồng thể Khi thêm nước vào dung dịch cloroform axit axetic có thành phần N thành phần chung hệ biến đổi theo đường NC Khi thêm nước theo đường NP, thu pha lỏng đồng thể tỉ số nồng độ phần trăm cloroform axit axetic luôn NA/NB Khi đạt tới điểm P thêm nước có hai pha lỏng Khi lượng nước tăng, thành phần pha thay đổi theo đường PQ Giữa P Q lượng pha giàu nước tăng cịn lượng pha chứa nước giảm Thành phần pha thay đổi giao điểm đường liên hợp với đường cong phân lớp rõ Từ Q đến C hệ trở thành đồng thể Cần ý giản đồ độ tan giản đồ đẳng áp đẳng nhiệt Độ tan tương hỗBài giảng Thực hành Hóa lý 2014 Trang 39 cloroform nước tăng theo nhiệt độ miền tồn hai pha thu hẹp Ở nhiệt độ đủ cao khơng phụ thuộc vào lượng tương đối hệ ba cấu tử thu pha lỏng Có thể xác định thành phần lớp lỏng cân dựa vào quy tắc kinh nghiệm Theo quy tắc này, đường liên hợp nối liền thành phần hai lớp cân a1 b1, a2 b2, a3 b3…khi kéo dài đồng quy điểm (điểm K * giản đồ hình 3.3) c) Phương pháp xây dựng giản đồ độ tan hệ ba cấu tử Qua phân tích nhận thấy xây dựng giản đồ độ tan hệ ba cấu tử hai cách sau đây: - Lấy hỗn hợp hai chất lỏng hoà tan với nhau, sau thêm chất thứ ba vào hệ trở thành dị thể (vẩn đục) - Lấy hỗn hợp chất có thành phần tạo thành hệ dị thể, sau cho dần cấu tử thứ ba vào hệ đến hệ trở thành đồng thể (trong suốt) Xác định thành phần hỗn hợp ứng với chuyển từ đồng thể thành dị thể (trong sang đục) ngược lại (đục sang trong) thu điểm thực nghiệm Đường nối điểm thực nghiệm đường cong phân lớp giản đồ độ tan hệ ba cấu tử 3.3 Thực nghiệm 3.3.1 Hóa chất dụng cụ Stt Dụng cụ Số lượng Hóa chất Nhiệt kế - CH3COOH - CHCl3 - Phenol Ống nghiệm 18 Que khuấy + nút cao su Buret 25ml Erlen 100ml + nút cao su Bình tia Kẹp ống nghiệm + giá đỡ Becher chịu nhiệt 500ml Bếp điện 10 Bóp cao su 11 Pipet 1, 2ml 12 Cốc nhựa 50ml 13 Ống nhỏ giọt 3.3.2 Xây dựng giản đồ tính tan hệ phenol - nướcBài giảng Thực hành Hóa lý 2014 Trang 40 Cho nước phenol vào ống nghiệm Để thực điều cần phải nhúng lọ đựng phenol vào cốc nước có nhiệt độ khoảng 40 ÷ 45 oC cho phenol chảy (tuyệt đối không đun lọ chứa phenol trực tiếp bếp, bỏng phenol nguy hiểm) Dùng Pipet lấy vào ống nghiệm có đánh số từ đến hỗn hợp có thành phần sau đây: Số thứ tự ống nghiệm Phenol (ml) 0,6 0,9 1,5 3,0 3,6 4,2 Nước (ml) 5,4 5,1 4,5 3,0 2,4 1,8 Thành phần (% thể tích nước) 90 85 75 50 40 30 Lắp nhiệt kế que khuấy vào ống nghiệm theo hình 3.4 Nhúng ống nghiệm vào cốc nước đun nóng dần bếp điện (hoặc tốt đèn cồn), khuấy hỗn hợp nhẹ tay đồng thời quan sát thay đổi nhiệt độ biến đổi hỗn hợp Khi hỗn hợp trở nên suốt (đồng thể) ghi lấy nhiệt độ (t1) Kiểm tra kết nhận cách nhấc ống nghiệm khỏi cốc nước, khuấy tay quan sát hệ bắt đầu đục ghi lấy nhiệt độ (t2 ) Trên nguyên tắc t1 t2 phải theo nhiệt động học cân nhiệt động khơng phụ thuộc vào phương thức đạt cân bằng, thực tế, hạn chế mắt nhìn độ xác không cao phép đo nên t1≈t2 Nếu hai nhiệt độ khác khơng q oC coi kết thực nghiệm tốt Giá trị trung bình hai nhiệt độ nhiệt độ hoà tan hoàn toàn hệ hai cấu tử có thành phần tương ứng Với ống cần làm ba lần để lấy kết trung bình tính sai số Lần lượt làm thí nghiệm với ống nghiệm từ số đến số theo cách làm Những kiện thu ghi theo bảng sau: Ống nghiệm Nhiệt kế Nút cao su Que khuấy Cốc nước nóngBài giảng Thực hành Hóa lý 2014 Trang 41 STT ống nghiệm Thành phần (% H O2 V ) Nhiệt độ o t C 123 tb t+t+t t= (viết có sai số) Lần TN t t 12t+t t= 90 85 3 75 50 40 30 Từ số liệu thực nghiệm thu được, vẽ giản đồ phụ thuộc nhiệt độ hịa tan hồn tồn phenol nước vào thành phần hỗn hợp tìm nhiệt độ hịa tan tới hạn hỗn hợp đưa lời nhận xét cho kết 3.3.3 Xây dựng giản đồ hòa tan tương hỗ hệ nước – axit axetic – cloroform Cho Cloroform, axit axetic nước vào buret 25 ml, có vạch chia 0,1 ml Lấy vào bình nón có nút nhám cỡ 100 ml hỗn hợp có thành phần sau: Chất/Bình Số Số Số Số Nước (ml) 7,5 Axit axetic (ml) 2,5 Đậy nắp bình lại, lắc cho hỗn hợp trộn với Lấy Cloroform vào buret Cho Cloroform xuống giọt Mỗi lần có giọt rơi xuống lại đậy nắp lại, lắc choBài giảng Thực hành Hóa lý 2014 Trang 42 tan hết Tiếp tục đến bắt đầu thống thấy xuất đục (khơng nên cho q chất lỏng tách thành lớp) Ghi lấy lượng Cloroform thêm vào Như vậy, ta xác định điểm thực nghiệm đường cong tính tan Tiến hành tương tự với ba bình cịn lại, ta xác định thêm điểm giản đồ Lấy vào bình nón có nút nhám cỡ 100 ml hỗn hợp có thành phần sau: Chất/Bình Số Số Số Số Axitaxetic (ml) 2,5 Cloroform (ml) 7,5 Đậy nắp, lắc bình, dùng pipet thêm nước vào giọt một, đậy nút, lắc cho tan hết, tiếp tục thoáng đục Ghi nhận lấy lượng nước cho vào Lần lượt làm với bình, ta xác định thêm điểm giản đồ tính tan Phương pháp tính tốn: Để xây dựng giản đồ tính tan cần đổi tất số ml số gam Cho biết khối lượng riêng (g/cm3 ) chất sau: 233    1,00; 1,05; 1,48 H O CH COOH CH Cl d d d Từ tính thành phần phần trăm theo khối lượng ba chất hỗn hợp tương ứng Ghi kết theo bảng sau: STT bình Nước Axit axetic Cloroform Bình Bình Bình Bình … Bình Dựa vào bảng vẽ giản đồ độ tan tương hỗ hệ ba cấu tử (ở nhiệt độ áp suất không đổi) giấy milimet Hãy rút kết luận độ tan tương hỗ cặp chất lỏng: - Axit axetic – nước - Nước – cloroform - Cloroform – axit axetic Cho biết ảnh hưởng chất thứ ba thêm vào hỗn hợp hệ hai cấu tử  ... độ tan h? ?? ba cấu tử hai cách sau đây: - Lấy h? ??n h? ??p hai chất lỏng h? ?? tan với nhau, sau thêm chất thứ ba vào h? ?? trở thành dị thể (vẩn đục) - Lấy h? ??n h? ??p chất có thành phần tạo thành h? ?? dị thể,... h? ??n h? ?? từ kiện thực nghiệm b)Phương pháp xây dựng giản đồ độ tan hai chất lỏng Qua phân tích nhận thấy xây dựng giản đồ độ tan hai chất lỏng hoà tan h? ??n chế theo hai cách sau đây: o Trộn lẫn hai... gọi nhiệt độ h? ?? tan tới h? ??n h? ?? Đó nhiệt độ tới h? ??n Có h? ?? có nhiệt độ tới h? ??n nghĩa nhiệt độ nhiệt độ thấp hai chất lỏng h? ?? tan h? ??n tồn, ví dụ h? ?? colodin - nước Cũng có h? ?? tồn nhiệt độ tới h? ??n