Bài giảng thí nghiệm hóa lý

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 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 25 o C) 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 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. XỬ LÝ SỐ LIỆU Trình bày số liệu bằng phương pháp đồ thị: 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 vẽ tiếp tuyến với đường cong, và tích phân được tính bằng cách xác định diện tích dưới đường cong. BÀI 1: CÂN BẰNG LỎNG - LỎNG HỆ HAI CẤU TỬ Trang 1 Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 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. 1.2. 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: Nhiệt độ K T c a b 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. T c 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 Trang 2 T m 100%H 2 O 100%phenol Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 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 100 o C: 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 1.4. THỰC HÀNH - Cho lọ đựng Phenol vào bình điều nhiệt để Phenol chảy ra (nhiệt độ khoảng 50 o C). 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 H 2 O (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. Trang 3 Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý - Nhúng ống nghiệm vào cốc nước nóng (cốc nước khoảng 80 0 C 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 0,5 0 C. 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 BÀI 2: CÂN BẰNG LỎNG RẮN 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. 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. 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 Trang 5 Nhiệt độ Nhiệt độ Thời gian a b c d e cb e E a A B C D 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 d c Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 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 6 7 8 Naphtalen (g) 10 8 6 4,5 3 2,5 1 0 Diphenil – amin (g) 0 2 4 5,5 7 7,5 9 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 40 o C 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 30 o C thì ngừng thí nghiệm. Trang 6 Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 2.5. KẾT QUẢ 1. Kết quả thô ghi lại nhiệt độ của hỗn hợp trong ống nghiệm ở từng thời điểm. 2. 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. 2.6. 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? 3. Tại sao nhiệt độ môi trường làm lạnh phải thấp hơn nhiệt độ eutecti (t e ) nếu nhiệt độ môi trường lớn hơn t e thì sẽ gây nên điều gì? 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 BÀI 3: XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG 3.1. MỤC ĐÍCH - Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến vận tốc phản ứng. - Xác định bậc của phản ứng phân huỷ Na 2 S 2 O 3 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: t C V ∆ ∆ ±= + 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. dt dC V ±= 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: dt dC d a dt dC c a dt dC b a dt dC V DCBA ==−=−= 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: =−= dt dCA V k.C A n . C B m 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 Na 2 S 2 O 3 trong môi trường acid diễn ra như sau: H 2 SO 4 + Na 2 S 2 O 3 ® Na 2 SO 4 + H 2 SO 3 + S Trang 8 Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý 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 2 S 2 O 3 ta cố định nồng độ H 2 SO 4 , tăng dần nồng độ Na 2 S 2 O 3 . Ví dụ ở thí nghiệm 1, nồng độ Na 2 S 2 O 3 là x, nồng độ H 2 SO 4 là y, thời gian Dt là t 1 , ở thí nghiệm 2, nồng độ Na 2 S 2 O 3 là 2x, nồng độ H 2 SO 4 là y, thời gian là t 2 , ta có: = ∆ = 1 1 t C V kx m y n 2 2 t C V ∆ = = k(2x) m y n Lập tỉ số V 1 /V 2 ta được : 2 m = t 2 /t 1 ® lgt 2 /t 1 = mlg 2 ® m = 2lg /lg 12 tt Để xác định bậc phản ứng theo H 2 SO 4 , ta cố định nồng độ Na 2 S 2 O 3 và tăng dần nồng độ acid H 2 SO 4 . 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 Na 2 S 2 O 3 0,1M - Dung dịch H 2 SO 4 0,4M - Nuớc cất 3.4. THỰC HÀNH 3.4.1. Xác định bậc phản ứng theo Na 2 S 2 O 3 Chuẩn bị 3 ống nghiệm đựng acid và 3 bình đáy bằng đựng Na 2 S 2 O 3 và H 2 O theo bảng sau: Trang 9 Giáo Trình Thí Nghiệm Hóa Lý STT Ống nghiệm Bình cầu V(ml) Na 2 S 2 O 3 0,1M H 2 O 1 2 3 8 8 8 4 8 16 28 24 16 - Cho acid vào các ống nghiệm theo bảng số liệu. - Lần lượt cho H 2 O và Na 2 S 2 O 3 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 2 SO 4 Làm tương tự phần a với lượng acid và Na 2 S 2 O 3 theo bảng sau: STT Ống nghiệm V(ml) Na 2 S 2 O 3 0,1M Bình cầu V(ml) H 2 SO 4 0,4M H 2 O 1 2 3 8 8 8 4 8 16 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 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? Trang 10 . được xác định bằng biến thi n nồng độ của một chất trong một đơn vị thời gian: t C V ∆ ∆ ±= + Dấu (-) nếu DC là biến thi n nồng độ tác chất. + Dấu (+) nếu DC là biến thi n nồng độ sản phẩm. Khi. (2) Mà biến thi n 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): A 2 BA C .CC K dt dC V K dt dC V =−= =−= Biến thi n nồng độ. V t ).C.10 -3 Trong đó V 0 và V t 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