Đang tải... (xem toàn văn)
Microsoft Word 202004 BaiGiangHoaDaiCuong TÓM TẮT BÀI GIẢNG HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG 1 CẤU TẠO CHẤT LÊ THỊ SỞ NHƯ Khoa HÓA HỌC Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Đại Học Quốc Gia tp HCM Tháng 92020 Aa 1 Chương 1 GIỚ.
TÓM TẮT BÀI GIẢNG HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG CẤU TẠO CHẤT LÊ THỊ SỞ NHƯ Khoa HÓA HỌC Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia HCM Tháng 9/2020 Aa Chương GIỚI THIỆU 1.1 Đối tượng nghiên cứu hóa học Thế giới vật chất quanh ta luôn chuyển động biến đổi Hóa học mơn khoa học nghiên cứu quy luật biến đổi vật chất kèm với thay đổi tính chất, thành phần, cấu tạo chúng Bên cạnh việc tìm quy luật, vấn đề mà nhà Hóa học quan tâm giải thích mối liên quan tính chất, thành phần, cấu tạo vật chất Ví dụ, kim cương than chì có thành phần hóa học carbon, điều làm cho chúng có tính chất khác nhau: kim cương cứng, cịn than chì mềm? Tại nước hịa tan đường hay muối ăn, khơng hịa tan dầu ăn? Tại ta đốt cháy than khí CO tạo thành kèm theo phát nhiệt? Câu trả lời cho câu hỏi trình bày mơn học Hóa học Đại cương qua định luật lý thuyết cấu tạo vật chất Ngoài ra, ta cần nhớ tất vật chất chung quanh chúng ta, từ vật vơ tri vơ giác kim cương, than chì, nước, đường, muối, dầu ăn đến chất sống – từ dạng đơn bào đến động vật bậc cao – tạo thành từ hóa chất Do đó, đối tượng nghiên cứu nhà Hóa học khơng gói gọn giới vơ tri ví dụ vừa nêu trên, mà nhà Hóa học nghiên cứu vấn đề liên quan đến chất “sống” chung quanh ta Không vậy, việc quan trọng nhà Hóa học cịn tìm phương pháp điều kiện để điều chế chất mới, cải tiến phương pháp điều chế chất biết Trong lĩnh vực này, hóa học gần gũi với đời sống Nhờ cơng nghệ hóa học mà có vơ số loại sản phẩm khác để đáp ứng nhu cầu sống vải sợi, thuốc men, thực phẩm chế biến, phân bón, thuốc trừ sâu, v.v… Ngày nay, hóa học đại cịn nghiên cứu để tổng hợp chất có cấu trúc chưa biết đến tự nhiên Ví dụ, cách lắp ráp phân tử nhỏ với nhau, người ta tạo hợp chất có lỗ xốp hệ thống rãnh xốp với kích thước thành phần định để dùng nhiều ngành công nghiệp khác Hóa học đại nghiên cứu để tìm phương pháp điều chế cho thân thiện với môi trường hơn, hướng nghiên cứu mở lĩnh vực với tên gọi Hóa học xanh (Green Chemistry) Trong q trình nghiên cứu để tìm chất mới, có khơng chất tạo thành mà khơng có giá trị thực tế đời sống Tuy nhiên, nghiên cứu khơng phải hồn tồn vơ ích Chính việc nghiên cứu chất “khơng có giá trị thực tế” giúp nhà Hóa học hiểu rõ quy luật biến đổi vật chất, góp phần làm hồn thiện kiến thức hóa học Ngồi ra, kiến thức khơng cho phép nhà Hóa học cải tiến điều khiển phản ứng hóa học để hy vọng tạo chất khác đáp ứng ngày tốt nhu cầu chúng ta, mà giúp nhà khoa học nghiên cứu giới theo cách ngày hiệu Trong lịch sử, nhiều kiến thức hóa học trước kỷ thứ XVII khám phá từ thí nghiệm theo kiểu “thử sai” Tuy nhiên, tiến hành nghiên cứu theo cách “thử sai” cách thiếu định hướng vừa tốn thời gian công sức, vừa phung phí tiền bạc Ngày nay, kiến thức hóa học dựa nguyên lý lý thuyết suy từ khám phá giới chung quanh ta cách có phương pháp có hệ thống, gọi phương pháp nghiên cứu khoa học Phương pháp nghiên cứu khoa học giới thiệu phần sau 1.2 Phương pháp nghiên cứu khoa học Galileo Galilei (1564–1642), Francis Bacon (1561–1626), Robert Boyle (1627–1691), Isaac Newton (1642–1726) người khai sinh phương pháp nghiên cứu khoa học vào kỷ thứ XVII Nghiên cứu theo phương pháp khoa học luôn quan sát cách khách quan tượng xảy Quan sát khách quan quan sát không dựa thiên kiến Khi kết quan sát đủ nhiều, ta tìm quy luật tổng quát để mô tả tượng quan sát – quy luật gọi định luật (natural law) Nhiều định luật phát biểu dạng phương trình tốn học Ví dụ, mối liên quan nhiệt độ (T), thể tích (V), áp suất (P) khí lý tưởng phát biểu thành định luật khí lý tưởng theo phương trình sau: PV = n RT, n số mole khí R số khí lý tưởng Trong khơng trường hợp, định luật tìm thấy có nội dung trái với điều mà người tin tưởng trước Ví dụ, đầu kỷ thứ XVI, Nicolaus Copernicus (1473–1543) quan sát cẩn thận di chuyển hành tinh nhận thấy trái đất nhiều hành tinh khác xoay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình trịn Ơng tìm phương trình tốn học để mơ tả chuyển động hành tinh Phát Copernicus hoàn toàn trái ngược với điều người tin tưởng lúc giờ, trái đất trung tâm vũ trụ, mặt trời hành tinh khác xoay quanh trái đất Cũng nên biết định luật có giá trị chúng giúp ta dự đốn điều xảy Ví dụ, phương trình Copernicus cho phép ta tính tốn dự đốn vị trí trái đất tương lai cách xác quan điểm trước đó; vậy, coi định luật Copernicus thành cơng vào lúc Tuy nhiên, khơng phải tất định luật biết cách vĩnh viễn Đôi khi, kết từ nghiên cứu buộc phải điều chỉnh lại số định luật có Ví dụ, sau này, định luật Copernicus điều chỉnh Johannes Kepler (1571–1630), người cho hành tinh chuyển động quanh mặt trời theo quỹ đạo hình ellipse Để xác nhận điều chỉnh định luật – tức xác nhận điều chỉnh kiến thức – nhà khoa học phải tiếp tục quan sát thiết kế thí nghiệm để kiểm tra xem kết thí nghiệm có ln ln phù hợp với kết luận trước hay khơng Nếu kết thí nghiệm không luôn theo định luật, ta cần điều chỉnh lại định luật Để ý lặp lại quan sát hay lặp lại thí nghiệm nhiều lần để kiểm tra kết quả, điều chỉnh định luật, khơng thể điều chỉnh kết thí nghiệm Bên cạnh quy luật chung đưa dạng định luật, nhà khoa học muốn giải thích tượng lại xảy theo quy luật Để giải thích quy luật đó, đầu tiên, nhà khoa học đưa lời giải thích sơ khởi, gọi “giả thuyết” (hypothesis) Khi có giả thuyết, nhà khoa học phải thiết kế thí nghiệm để kiểm tra giả thuyết Nếu kết thí nghiệm thu phù hợp với giả thuyết, tức giả thuyết đúng, giả thuyết phát triển thành thuyết, hay lý thuyết (theory) Đơi thuyết trình bày dạng mơ hình (model) Ví dụ tài liệu ta thấy mơ hình nguyên tử thuyết cấu tạo nguyên tử Trong trường hợp vậy, thuật ngữ “mơ hình” “thuyết” dùng tương đương Vậy, thuyết, mơ hình, hay lý thuyết lời giải thích tượng tự nhiên xảy theo cách Nếu kết thí nghiệm mâu thuẫn với giả thuyết, ta phải điều chỉnh giả thuyết, kiểm tra lại giả thuyết Đơi khi, ta khơng tìm quy luật lời giải thích cho tất tượng, ta dùng thuyết phù hợp Theo thời gian, liệu thí nghiệm tích lũy, số lý thuyết định luật trở thành chắn dùng rộng rãi, số khác điều chỉnh bị loại bỏ Nói cách khác, lý thuyết định luật kiến thức bất di bất dịch, chúng thay đổi ta thu thập thông tin Trong khoa học, kiến thức tích lũy phát triển qua q trình nghiên cứu khoa học Đó chuỗi q trình quan sát – đưa định luật, giả thuyết – tiến hành thực nghiệm để kiểm tra giả thuyết định luật – đưa lý thuyết – tiến hành thực nghiệm để kiểm tra lý thuyết Chu trình tóm tắt Hình 1.1 Hình 1.1 Tóm tắt quy trình nghiên cứu khoa học Trong nghiên cứu khoa học, kiện thu từ quan sát thực nghiệm bước mở đầu tiêu chuẩn để đánh giá giá trị định luật thuyết Do đó, bàn chi tiết quan sát: quan sát tiến hành nhờ giác quan người dụng cụ máy móc mà người tạo để nối dài giác quan Một số dụng cụ đơn giản để quan sát mà biết thước để đo độ dài, ống đong để đo thể tích chất lỏng, cân để đo khối lượng, nhiệt kế để đo nhiệt độ, kính viễn vọng để quan sát ngơi xa, kính hiển vi để quan sát vật có kích thước nhỏ, v.v… Trong nghiên cứu hóa học, có hai kiểu quan sát định tính định lượng Ví dụ, quan sát để nhận nước chất lỏng điều kiện thường, hay trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl ta thấy xuất kết tủa màu trắng, v.v… quan sát định tính Một số quan sát khác có tính định lượng như: nước ngun chất đơng đặc oC sôi 100 oC; trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl, chất kết tủa màu trắng tạo thành có chứa 75.27% bạc 24.73% chlorine theo khối lượng Càng ngày người tạo nhiều máy móc để quan sát tốt giới tự nhiên, định luật lý thuyết theo điều chỉnh Cũng cần lưu ý định luật thuyết hai sản phẩm nghiên cứu khoa học, hai dùng để dự đoán giới tự nhiên, định luật khác với thuyết Một cách ngắn gọn, ta nói định luật tổng kết điều xảy ra, lý thuyết lời giải thích điều lại xảy Điều ta cần nhớ lý thuyết sản phẩm từ trí tuệ người Bằng kinh nghiệm mình, người cố gắng giải thích giới tự nhiên qua thuyết Nói cách khác, lý thuyết đốn khoa học người Muốn giải thích giới tự nhiên ngày hơn, người phải không ngừng tiến hành thí nghiệm điều chỉnh lý thuyết có cho phù hợp với hiểu biết Những điều ta vừa nói phương pháp nghiên cứu khoa học xem đường lý tưởng trình nghiên cứu khoa học Trong thực tế, đường tới kiến thức khoa học phẳng hiệu Khơng có điều bảo đảm cho thành công nghiên cứu khoa học Như ta nói phần trên, giả thuyết chịu ảnh hưởng quan sát, khơng vậy, giả thuyết cịn ln ln dựa lý thuyết có, hết, giả thuyết quan sát người tiến hành nên khơng tránh khỏi hồn tồn tính chủ quan người quan sát Các kết nghiên cứu tâm lý người thường dễ quan sát thấy điều ta mong đợi nhận điều không mong đợi Nói cách khác, kiểm tra giả thuyết hay lý thuyết, ta thường tập trung vào vấn đề xét, điều cần thiết, tập trung làm ta khơng nhìn thấy cách khác để giải thích vấn đề Điều hạn chế óc sáng tạo chúng ta, ngăn cản nhận biết vấn đề cách toàn diện sát với thực tế 1.3 Nội dung u cầu mơn Hóa học đại cương Như vừa nói trên, nghiên cứu khoa học thực theo trình tự quan sát – đưa định luật lý thuyết – áp dụng Trong mơn học Hóa học đại cương, quan tâm tới định luật lý thuyết nhà hóa học kiểm tra công nhận rộng rãi; phần quan sát thực nghiệm kỹ thu thập, xử lý liệu thực nghiệm nhấn mạnh phần thực hành hóa học đại cương Như vậy, mơn học Hóa học đại cương, sinh viên học nguyên lý hóa học thơng qua thuyết định luật Các nguyên lý sở để dự đốn tính chất chất khả phản ứng chúng để chuyển hóa thành chất khác Học xong mơn Hóa học đại cương, cần hiểu rõ nội dung thuyết định luật sở hóa học, áp dụng chúng để giải thích dự đốn số trình thực tế Điều cần lưu ý có nhiều thuyết giải thích vấn đề, ví dụ thuyết Lewis, thuyết liên kết cộng hóa trị (thuyết VB), thuyết orbital phân tử (thuyết MO) giải thích tạo thành liên kết hóa học chất, thuyết có mặt mạnh yếu khác nhau, ta cần hiểu rõ mặt mạnh hay yếu, giới hạn thuyết định luật để áp dụng chúng cách hợp lý hiệu Thông thường, ta dùng thuyết đơn giản để giải thích vấn đề Nếu khơng thể giải vấn đề thuyết đơn giản ta dùng đến thuyết mạnh hơn, phức tạp Chương NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC – ĐỒNG VỊ 2.1 Sơ lược lịch sử hóa học đến kỷ thứ XIX – khái niệm nguyên tử, nguyên tố hóa học, đơn chất, hợp chất Vật chất chung quanh ta có nguồn gốc từ đâu, chúng có cấu tạo nào, biến đổi xảy ta nướng quặng để thu kim loại làm đồ trang sức, vũ khí, v.v… Con người đặt câu hỏi tương tự từ thuở sơ khai xã hội lồi người Từ đến nay, người ta đưa nhiều cách giải thích khác nguồn gốc cấu tạo giới vật chất Trong phần này, ta kể đến vài cách giải thích bật trước kỷ thứ XIX Vào khoảng 400 năm trước công nguyên, người Hy Lạp tin tất vật chất tạo thành từ kết hợp bốn nguyên tố: lửa, đất, nước, khơng khí Bên cạnh đó, họ cho biến đổi vật chất xuất phát từ kết hợp khác bốn yếu tố Họ quan tâm tới vấn đề liệu vật chất có tính liên tục hay gián đoạn, liệu có “hạt khơng thể phân chia nữa” tạo nên vật chất hay không Một nhà triết học Hy Lạp thời Democritus ủng hộ ý tưởng vật chất có tính gián đoạn Theo Democritus, vật chất tạo thành từ hạt nhỏ, khơng thể nhìn thấy, khơng thể phân chia được, ơng gọi hạt ngun tử (chính xác hơn, Democritus gọi hạt atomos, ngày ta gọi atom) Có thể xem Democritus người giải thích cấu tạo vật chất dựa vào khái niệm nguyên tử Tuy nhiên, giải thích ông xuất phát từ trực giác, kết trình nghiên cứu khoa học Hai ngàn năm lịch sử hóa học giai đoạn giả kim thuật Các nhà giả kim ln tìm cách chuyển kim loại rẻ tiền thành vàng Mặc dù khơng thực điều đó, họ khám phá nhiều nguyên tố hóa học thủy ngân (Hg), lưu huỳnh (S), antimony (Sb), biết cách điều chế số acid muối vô cơ, ví dụ acid sulfuric (H2SO4), acid nitric (HNO3), muối natrium sulfate (Na2SO4), v.v… Nền móng hóa học đại bắt đầu xây dựng từ kỷ thứ XVI với nghiên cứu cách có hệ thống lĩnh vực luyện kim Georgius Agricola (cịn có tên Georg Bauer, 1494–1555), việc dùng khoáng chất vào y học Paracelsus (cịn có tên Theophrastus von Hohenheim, 1493–1541) Tuy vậy, Robert Boyle (1627–1691) xem nhà hóa học đại tiến hành thí nghiệm mang tính định lượng theo phương pháp nghiên cứu khoa học ông khảo sát mối tương quan thể tích áp suất chất khí Các nghiên cứu định lượng vật lý hóa học phát triển mạnh sau Boyle xuất “The Steptical Chemist” vào năm 1661 Bên cạnh định luật chất khí, đóng góp quan trọng khác Boyle hóa học đưa khái niệm nguyên tố hóa học Qua quan sát, Boyle thấy có số chất bị phân chia thành chất đơn giản hơn, ví dụ, nung nóng thủy ngân oxide, ông thu thủy ngân oxygen Tuy nhiên, phân chia thủy ngân oxygen thành chất đơn giản Từ đó, Boyle định nghĩa: chất nguyên tố hóa học (element) ta khơng thể phân chia thành hai hay nhiều chất đơn giản Dù vậy, ông không nói rõ có nguyên tố hóa học Hiện nay, từ “element” thuật ngữ hóa học tiếng Anh (ngôn ngữ Boyle) dùng với hai nghĩa, “đơn chất” “nguyên tố hóa học” Thuật ngữ hóa học đại nhiều ngơn ngữ khác với tiếng Anh, có tiếng Việt, phân biệt “đơn chất” “nguyên tố hóa học” “Đơn chất” chất tạo thành từ nguyên tử ngun tố, ví dụ, oxygen đơn chất phân tử oxygen gồm hai nguyên tử O giống nhau, ký hiệu O2 Đối nghịch với đơn chất “hợp chất” chất tạo thành từ hai hay nhiều loại nguyên tử khác nhau, ví dụ, thủy ngân oxide, HgO, hợp chất chất tạo thành từ hai loại nguyên tử, O Hg Trong đó, thuật ngữ “nguyên tố hóa học” để tập hợp nguyên tử có điện tích hạt nhân nguyên tử (xem chi tiết mục 2.3) Ngồi ra, thuật ngữ “chất” dùng chung cho đơn chất hợp chất không cần phân định rõ ràng hai loại Trong phần lại tài liệu này, thuật ngữ chất, đơn chất, hợp chất, nguyên tố hóa học dùng theo định nghĩa vừa nêu Từ khái niệm nguyên tố hóa học Boyle kết nghiên cứu tiếp theo, khí oxygen, nitrogen, hydrogen, carbonic phát hiện, số nguyên tố hóa học biết tăng lên nhanh chóng Khái niệm nguyên tử nguyên tố hóa học chấp nhận rộng rãi thay hẳn thuyết “bốn yếu tố” người Hy Lạp Điều đáng cho ta suy ngẫm Boyle nhà nghiên cứu khoa học xuất sắc, ông mắc sai lầm Boyle trung thành với quan điểm nhà giả kim nên cho kim loại không thực nguyên tố hóa học, ta tìm cách chuyển kim loại thành kim loại khác Chính nghiên cứu định lượng mở đường cho đời định luật sở hóa học Antoine Lavoisier (1743 – 1794) nghiên cứu cẩn thận tổng khối lượng tác chất sản phẩm nhiều phản ứng hóa học khác nhau, ơng nhận thấy khối lượng chất phản ứng không tăng lên giảm xuống sau phản ứng hóa học xảy Các kết tổng kết thành định luật bảo toàn khối lượng Đây định luật đầu tiên, đặt móng cho phát triển hóa học kỷ thứ XIX Thế kỷ thứ XVIII – XIX giai đoạn tìm định luật khoa học tự nhiên làm tiền đề cho phát triển hóa học sau Joseph Proust (1754 – 1826) tìm định luật thành phần khơng đổi sau quan sát thấy chất dù điều chế cách khác chứa nguyên tố hóa học với tỷ lệ khối lượng nguyên tố Ví dụ, khí carbonic (CO2) điều chế cách đốt cháy than cho acid phản ứng với đá vơi, dù điều chế cách tỷ lệ khối lượng oxygen (O) carbon (C) khí carbonic ln ln nhau: mO/mC = 2.66 Jonh Dalton (1766 – 1844) nghiên cứu thành phần ngun tố hóa học hợp chất tìm định luật tỷ lệ bội: hai nguyên tố kết hợp với để tạo nhiều hợp chất tỷ lệ khối lượng nguyên tố thứ kết hợp với gram nguyên tố thứ hai hợp chất luôn số nguyên nhỏ Ví dụ, khối lượng oxygen kết hợp với gram carbon hai hợp chất khí O C 1.33 g (hợp chất I) 2.66 g (hợp chất II) Ta thấy hợp chất II giàu oxygen hợp chất I; tỷ lệ khối lượng oxygen kết hợp với gram carbon hai hợp chất 2.66/1.33 = 2, số nguyên nhỏ Từ kết đó, Dalton đề nghị hợp chất I có cơng thức CO hợp chất II phải có cơng thức CO2 Trong giai đoạn này, nhà khoa học khơng tìm định luật mà bắt đầu đưa thuyết để giải thích cấu tạo vật chất Một thuyết giá trị ngày thuyết nguyên tử Dalton đề nghị năm 1808 Nội dung thuyết gồm điểm sau: Vật chất tạo thành từ hạt nhỏ phân chia thành phần nhỏ hơn, không phá hủy chúng, hạt nhỏ nguyên tử Các nguyên tử nguyên tố giống nhau; nguyên tố khác có nguyên tử khác Nguyên tử nguyên tố khác kết hợp với theo tỷ lệ xác định để tạo thành hợp chất Có xếp lại nguyên tử chất phản ứng hóa học xảy Nói cách khác, phản ứng hóa học xảy ra, nguyên tử kết hợp với theo cách khác để tạo thành chất mới, thân ngun tử khơng thay đổi phản ứng hóa học Có thể xem thuyết nguyên tử xuất phát từ kết thực nghiệm Từ đó, khái niệm nguyên tử nguyên tố hóa học trở nên quen thuộc rõ ràng Cũng từ kết nghiên cứu định lượng, kiến thức hóa học tăng lên cách nhanh chóng Dựa vào kết định lượng tỷ lệ khối lượng nguyên tố hợp chất (ví dụ, khối lượng hydrogen có khối lượng oxygen nước), Dalton người lập bảng khối lượng tương đối nguyên tử Các kết định lượng cho thấy H ln có khối lượng nhỏ chất, khối lượng tương đối nguyên tử H quy ước 1, từ người ta tính khối lượng tương đối nguyên tử nguyên tố khác Vì lúc cơng thức phân tử nhiều chất chưa biết rõ nên có nhiều sai sót bảng khối lượng tương đối Ví dụ, kết thí nghiệm cho thấy khối lượng hydrogen (H) có khối lượng oxygen (O) nước, lúc công thức phân tử nước cho OH, nên Dalton cho khối lượng nguyên tử H khối lượng nguyên tử O (ngày ta biết công thức phân tử nước H2O khối lượng tương đối nguyên tử O 16) Tuy vậy, việc Dalton lập bảng khối lượng tương đối nguyên tử bước quan trọng cho nghiên cứu Cũng vào năm 1808, nhà hóa học Joseph Gay–Lussac (1778–1850) đo thể tích phản ứng chất khí thu nhiều kết có độ tin cậy cao, ơng chưa thể giải thích chúng lại xảy Ví dụ, ơng thấy hai đơn vị thể tích khí hydrogen phản ứng với đơn vị thể tích khí oxygen tạo thành hai đơn vị thể tích nước Ba năm sau, năm 1811, Amedeo Avogadro (1776–1856) ủng hộ giả thuyết cho nhiệt độ áp suất, thể tích chất khí chứa số lượng “hạt” Ông cho giả thuyết hợp lý ta chấp nhận khoảng cách “hạt” thể khí lớn so với kích thước hạt Các “hạt” thể khí Avogadro gọi “phân tử” Từ đó, ơng biểu diễn giải thích kết thí nghiệm Gay-Lussac sau: thể tích hydrogen + thể tích oxygen → thể tích nước tương ứng với: phân tử hydrogen + phân tử oxygen → phân tử nước Avogadro lập luận giải thích tốt kiện ta chấp nhận khí hydrogen oxygen có phân tử dạng nhị nguyên tử: H2, O2, cịn nước có cơng thức phân tử H2O Tuy nhiên, đường khám phá kiến thức lúc phẳng thuận lợi Đáng tiếc lúc chưa có nhiều kết thí nghiệm giải thích Avogadro khơng đủ sức thuyết phục nhà hóa học Gần nửa kỷ sau đó, Stanislao Cannizzaro (1826–1910) thực hàng loạt thí nghiệm đo tỷ lệ khối lượng chất khí so với khí hydrogen điều kiện nhiệt độ áp suất Ví dụ, ơng đo tỷ lệ khối lượng L oxygen L hydrogen 16 biểu diễn sau: 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝐿 𝑜𝑥𝑦𝑔𝑒𝑛 16 32 = = 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝐿 ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛 Tin tưởng vào thuyết nguyên tử Dalton giả thuyết Avogadro cho phân tử oxygen hydrogen O2 H2, Cannizzaro lập luận: khối lượng nguyên tử hydrogen (H) khối lượng phân tử hydrogen (H2) 2, khối lượng phân tử oxygen (O2) 32, khối lượng nguyên tử oxygen (O) 16 Bên cạnh đó, Cannizzaro đo khối lượng phân tử khí carbonic 44 Các thí nghiệm phân tích thành phần hợp chất cho thấy carbon chiếm 27% khối lượng Từ ơng tính 44 gram carbon dioxide có (0.27) x (44 gram) = 12 gram carbon, oxygen chiếm 32 gram, nghĩa có ngun tử O phân tử khí carbonic Cannizzaro đo khối lượng phân tử khối lượng nguyên tố tạo thành chất khí chứa carbon khác methane, ethane, propane, butane… Khối lượng carbon phân tử luôn bội số 12 (xem cột phải Bảng 2.1) Các liệu thuyết phục mạnh mẽ cho việc đề nghị khối lượng tương đối nguyên tử carbon 12, cơng thức phân tử khí carbonic CO2 Bảng 2.1 Khối lượng carbon phân tử khác Hợp chất Khối lượng phân tử % khối lượng C hợp chất Khối lượng C phân tử Methane 16 75 12 Ethane 30 80 24 Propane 44 82 36 Butane 58 83 48 Khí carbonic 44 27 12 Năm 1860, Hội nghị Hóa học giới lần thứ Đức, thảo luận diễn đàn lẫn đàm đạo hành lang, Cannizzaro dùng thuyết nguyên tử Dalton giả thuyết Avogadro để giải thích kết thí nghiệm Với số lượng kết thí nghiệm đủ lớn, giải thích Cannizzaro thuyết phục hội nghị, từ hóa học có bảng quy ước khối lượng tương đối nguyên tử Cũng nói thêm Cannizzaro khơng phải người xác định khối lượng xác nguyên tử, ông xác định giá trị gần khối lượng tương đối nguyên tử Berzelius (1779–1848) người tiến hành thí nghiệm định lượng xác khối lượng tương đối nguyên tử Vào đầu năm 1800, nhà hóa học biết khoảng 30 nguyên tố hóa học Nhờ khám phá hóa học thời gian này, đến năm 1860, số nguyên tố xác định khối lượng ngun tử tính chất hóa học lên tới 60 Cùng lúc đó, nhà hóa học nhận thấy nhiều ngun tố có tính chất hóa học tương tự Đến năm 1872, Mendeleev xếp ngun tố hóa học theo biến thiên tuần hồn tính chất chúng thành bảng phân loại tuần hồn, từ mở đường cho việc nghiên cứu tính chất nguyên tố hóa học cách có hệ thống Ta xem chi tiết bảng phân loại tuần hồn ngun tố hóa học Chương Trong phần chương này, ta xem khám phá cấu tạo nguyên tử từ kết nghiên cứu đại 187 phân tử nước phân tử hydrocarbon không phân cực xăng yếu, phân tử hydrocarbon tách phân tử nước để tan vào nước được, xăng khơng tan vào nước Nhìn tổng quát ta thấy hợp chất phân tử có tương tác liên phân tử giống thường dễ hòa tan vào 9.3.2 Sự hòa tan nhiệt hịa tan hợp chất ion nước Hình 9.2 Sự hòa tan hợp chất ion nước: phân tử nước bao quanh ion dương ion âm tạo thành hydrate hóa hay solvate hóa Phân tử nước phân cực, nước dung mơi phân cực hịa tan nhiều hợp chất ion, ví dụ muối NaCl, Na2SO4, Na2CO3, KMnO4 dễ tan nước Tuy nhiên có số hợp chất ion khó tan thực tế không tan nước CaSO4, CaCO3, v.v… Để giải thích tượng trên, ta xét q trình hịa tan hợp chất ion nước Khi cho tinh thể ion vào nước, đầu dương phân tử nước hướng vào ion âm, đầu âm phân tử nước hướng vào ion dương (Hình 9.2), nghĩa có tương tác lưỡng cực – ion xảy phân tử nước ion, tương tác kéo ion khỏi mạng tinh thể Khi chuyển vào nước, ion luôn phân tử nước bao quanh theo cách đầu dương phân tử nước hướng vào ion âm đầu âm phân tử nước hướng vào ion dương, tượng gọi hydrate hóa, hay solvate hóa, hay dung mơi hóa Nếu lực tương tác ion lưỡng cực đủ mạnh để vượt qua lượng mạng tinh thể hợp chất ion, hịa tan xảy Q trình hịa tan hợp chất ion vào nước kèm theo tỏa nhiệt (ví dụ hịa tan NaOH nước), thu nhiệt (ví dụ hịa tan NH4Cl hay NaCl vào nước) Về lý thuyết, xem nhiệt q trình hịa tan hợp chất ion vào tổng cộng hai trình: a) Quá trình phá vỡ mạng tinh thể ion để tạo thành ion trạng thái khí Q trình cần cung cấp lượng tương đương với giá trị lượng mạng tinh thể hợp chất ion Ví dụ: NaCl (r) Na+ (k) + Cl– (k) Ha = – Umtt > b) Q trình hydrate hóa ion, q trình chuyển ion lập trạng thái khí thành dạng ion hydrate hóa Q trình hình thành liên kết phân tử nước phân cực ion nên tỏa nhiệt: Hb = Hb+ + Hb- < 188 Ví dụ: Na+ (k) + n H2O (l) Na+ (aq) Hb+ < Cl (k) + n H2O (l) Cl (aq) Hb- < – – Nếu nhiệt trình (a) trội nhiệt trình (b) hòa tan thu nhiệt: Hhoatan = Ha + Hb > 0; ngược lại, nhiệt trình (b) trội nhiệt trình (a) trình hịa tan kèm theo tỏa nhiệt: Hhoatan = Ha + Hb < Trong thực tế, khoảng 95% q trình hịa tan hợp chất ion vào nước thu nhiệt Vậy q trình hịa tan xảy ra? Trên phương diện entropy, hầu hết q trình hịa tan thường kèm theo tăng entropy (tức Shoatan > 0) Năng lượng Gibbs q trình hịa tan hợp chất ion nước là: Ghoatan = Hhoatan – TShoatan = Ha + Hb – TShoatan (9.6) Hợp chất ion tan nước q trình hịa tan thuận lợi mặt nhiệt động học, nghĩa Ghoatan < Trong biểu thức (9.6), giá trị (Hb – TSht) thường âm Do đó, để Ghoatan < Ha phải có trị số dương khơng q lớn Nói cách khác, q trình hịa tan hợp chất ion nước xảy lượng mạng tinh thể ion không lớn Do đó, hợp chất ion có điện tích ion nhỏ NaCl, MgCl2… thường có giá trị lượng mạng tinh thể trung bình dễ tan nước; hợp chất ion với điện tích ion cao MgO, CaSO4, CaCO3, Al2O3, v.v… thường có giá trị lượng mạng tinh thể lớn tan khơng tan nước 9.4 Cân hịa tan – kết tủa độ tan hợp chất ion nước Trong phần trên, ta mơ tả hịa tan cấp độ phân tử, phần này, ta xét hòa tan liên quan đến tượng ta quan sát mắt định lượng Khi cho từ từ chất rắn ion, ví dụ KNO3, vào lượng nước định, lượng KNO3 nhanh chóng tan vào dung dịch Khi tiếp tục cho KNO3 vào dung dịch, ta thấy tinh thể KNO3 không tan thêm nữa, từ lúc lượng KNO3 tan dung dịch không thay đổi theo thời gian Dung dịch thu lúc gọi dung dịch bão hịa Các quan sát cho thấy bình đựng dung dịch KNO3 bão hịa với lượng dư KNO3 khơng tan, q trình hịa tan kết tủa KNO3 tiếp tục xảy với tốc độ Quá trình gọi cân hịa tan kết tủa, trình cân động “Động” hiểu ngược lại với “tĩnh” q trình hịa tan kết tủa tiếp tục xảy ra, ta kiểm chứng điều để dung dịch bão hòa nằm cân với chất tan khoảng thời gian đủ lâu ta thấy kích thước tinh thể chất rắn tăng lên tổng lượng chất rắn không tăng Lượng tan tối đa chất tan nước hay dung mơi nhiệt độ định gọi độ tan Có thể biểu diễn độ tan chất theo nhiều cách khác Với hòa tan hợp chất ion nước, cách biểu diễn độ tan thường gặp lượng chất tan trạng thái khan nước tính theo gram 100 g nước Ở nhiệt độ định, dung dịch chứa lượng chất tan thấp độ tan nó, dung dịch gọi chưa bão hòa; dung dịch chứa lượng chất tan cao độ tan nó, dung dịch gọi q bão hịa Dung dịch q bão hịa dung dịch khơng bền, chất tan tách từ dung dịch dung dịch trở thành bão hịa, sau q trình cân động kết tủa hịa tan tiếp tục xảy nói Độ tan hầu hết chất thay đổi theo nhiệt độ Hình 9.3 giản đồ biểu diễn thay đổi độ tan nước số muối thông dụng Ta thấy, số muối có độ tan tăng 189 theo nhiệt độ, số muối khác có độ tan giảm theo nhiệt độ Sự thay đổi độ tan muối theo nhiệt độ phụ thuộc vào nhiệt hòa tan chúng Áp dụng nguyên lý dịch chuyển cân Le Chatelier vào cân “kết tủa hịa tan” ta thấy: q trình hịa tan tỏa nhiệt, cân dịch chuyển theo chiều nghịch tăng nhiệt độ, tức độ tan muối giảm nhiệt độ tăng; hòa tan thu nhiệt, cân dịch chuyển theo chiều thuận nhiệt độ tăng, tức độ tan muối tăng theo nhiệt độ Như vậy, muối có độ tan tăng theo nhiệt độ KNO3, NH4Cl muối có q trình hịa tan thu nhiệt; muối Li2SO4 có độ tan giảm theo nhiệt độ muối có q trình hịa tan tỏa nhiệt Hình 9.3 Giản đồ biểu diễn thay đổi độ tan số muối nước theo nhiệt độ Sau ta xem hai ứng dụng từ ảnh hưởng nhiệt độ đến độ tan muối, kết tinh muối từ dung dịch nước trình tinh chế muối (i) Kết tinh muối từ dung dịch nước Kết tinh hợp chất ion từ dung dịch việc ta thường làm phịng thí nghiệm công nghiệp Áp dụng kết dịch chuyển cân “kết tủa hịa tan” nói trên, ta tăng nhiệt độ dung dịch để kết tinh muối có q trình hịa tan tỏa nhiệt, hạ nhiệt độ dung dịch để kết tinh muối có q trình hịa tan thu nhiệt Lưu ý điều áp dụng cho dung dịch bão hòa gần bão hòa Hầu hết muối có độ tan tăng theo nhiệt độ Với muối này, ta có hai cách để kết tinh chúng từ dung dịch nước Cách thứ nhất, độ tan muối thay đổi nhiều theo nhiệt độ (ví dụ muối KNO3, NH4Cl), trước tiên ta tạo dung dịch bão hòa muối nhiệt độ cao, làm lạnh dung dịch tới nhiệt độ thích hợp, độ tan muối giảm nên dung dịch trở thành bão hòa, muối kết tinh dung dịch đạt bão hòa Phương pháp gọi phương pháp kết tinh đa nhiệt Có thể thúc đẩy trình kết tinh từ dung dịch bão hòa cách đưa mầm tinh thể vào dung dịch q bão hịa 190 Cách thứ nhì, với muối có độ tan thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ muối NaCl, việc thay đổi nhiệt độ dung dịch bão hịa phương pháp đa nhiệt nói không cho phép ta thu lượng muối đáng kể Khi ta phải dùng phương pháp làm bay nước nhiệt độ thích hợp để thu muối, phương pháp gọi phương pháp kết tinh đẳng nhiệt Trong thực tế, để thu muối NaCl từ nước biển, diêm dân phơi nước biển ruộng muối để làm bay nước Đây trình kết tinh đẳng nhiệt nhiệt độ tương đối thấp (khoảng 40 – 50 oC), cần tiến hành với mặt thoáng rộng thời gian dài để bay nước xảy đáng kể Khi tinh chế muối công nghiệp, người ta làm bay nước dung dịch muối cách đun dung dịch nhiệt độ khoảng 80 – 100 oC, tức cao ngồi ruộng muối Đây q trình kết tinh đẳng nhiệt, tiến hành nhiệt độ cao nên nước bay nhanh thời gian kết tinh ngắn ruộng muối (ii) Tinh chế chất rắn phương pháp kết tinh phân đoạn Trong thực tế, đơi ta có hóa chất kỹ thuật dạng rắn với độ tinh khiết không cao Kết tinh lại, hay kết tinh phân đoạn, phương pháp tinh chế để thu chất rắn có độ tinh khiết cao ban đầu Thông thường, chất rắn không tinh khiết chứa tạp chất với lượng chất cần tinh chế Khi hòa tan chất rắn cần tinh chế vào nước, chất cần tinh chế tạp chất tan nước ta có dung dịch chứa chất cần tinh chế với nồng độ cao tạp chất nồng độ thấp Nếu chất cần tinh chế đạt điều kiện dung dịch bão hòa trước tạp chất đạt điều kiện dung dịch bão hịa, ta kết tinh chất cần tinh chế theo phương pháp đề cập (i) phần lớn tạp chất cịn lại dung dịch Đó nguyên tắc chung phương pháp kết tinh phân đoạn Nếu cần thiết, ta lặp lại q trình kết tinh lại nhiều lần để thu chất rắn với độ tinh khiết cao Ngoài ra, cách lựa chọn nước dung mơi hữu thích hợp, ta áp dụng phương pháp kết tinh phân đoạn để tinh chế chất hữu 9.5 Độ tan khí dung dịch Nhiệt độ áp suất ảnh hưởng đến độ tan khí dung dịch 9.5.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ tan khí dung dịch Nhiệt độ ảnh hưởng phức tạp đến độ tan khí nước dung môi hữu cơ, ta quy luật tổng quát ảnh hưởng nhiệt độ đến độ tan khí dung dịch Sau số kết thực nghiệm: - Hầu hết khí có độ tan nước giảm nhiệt độ tăng Do ta thường thấy nhiều sinh vật biển sống tầng sâu đại dương bề mặt đại dương ấm nên thường khơng đủ oxygen cho sinh vật - Độ tan nước khí phức tạp thường giảm tăng tới nhiệt độ đó, sau độ tan khí lại tăng theo nhiệt độ Ví dụ, atm, helium tan nước 35 oC - Độ tan khí thường tăng theo nhiệt độ nhiều dung môi hữu 9.5.2 Ảnh hưởng áp suất đến độ tan khí dung dịch – Định luật Henry Ảnh hưởng áp suất đến độ tan chất khí dung dịch nước có quy luật rõ ràng ảnh hưởng nhiệt độ William Henry (1775 – 1836) quan sát thấy độ tan khí tăng theo áp suất riêng phần khí bề mặt dung dịch Quy luật biểu diễn biểu thức (9.7) gọi định luật Henry C = k x Pkhí (9.7) 191 Trong biểu thức (9.7), C nồng độ khí dung dịch nhiệt độ định, Pkhí áp suất riêng phần khí bề mặt dung dịch, k hệ số tỷ lệ thay đổi theo chất chất khí, nhiệt độ, đơn vị đo áp suất, nồng độ khí Định luật Henry liên quan đến nhiều tượng quen thuộc sống quanh ta, ví dụ khí chai nước uống có gas Khí nước uống có gas thường CO2 Để giữ CO2 nước uống, cần phải có áp suất CO2 cao chai Khi ta mở nắp chai, phần CO2 dung dịch ngồi, tức áp suất CO2 bề mặt dung dịch giảm, dẫn tới độ tan CO2 dung dịch giảm CO2 nước có gas Nếu tốc độ khí CO2 đủ cao, ta thấy tượng sủi bọt khí mở nắp chai Một ví dụ khác thợ lặn vùng nước sâu thường dùng bình khí nén để thở, đó, nồng độ khí hịa tan máu hay dịch thể họ cao bình thường Khi họ từ sâu trồi lên mặt nước, lượng khí N2 hịa tan dư thể dạng bọt khí nhỏ Nếu họ lên mặt nước nhanh, lượng khí N2 dư nhanh, gây đau chi, khớp, hệ thống thần kinh Để tránh điều đó, thường thợ lặn lên mặt nước từ từ theo khoảng độ cao định, kết hợp việc lên từ từ với dùng bình chứa hỗn hợp khí He O2 làm bình thở thay khơng khí khí He tan máu khí N2 Định luật Henry (phương trình 9.7) khơng áp dụng xác cho trạng thái khí áp suất q cao chất khí phân ly thành ion hịa tan vào nước khí HCl 9.6 Áp suất dung dịch phương pháp chưng cất phân đoạn Trong chương trước ta thấy bề mặt chất lỏng ln ln có Trong phần ta xem áp suất chất lỏng thay đổi chúng chứa chất tan để tạo thành dung dịch, liên quan đến thay đổi áp suất nhiệt độ sơi nhiệt độ đơng đặc dung dịch thay đổi so với dung môi ban đầu 9.6.1 Định luật Raoult Năm 1880, nhà hóa học người Pháp Francois-Marie Raoult (1830 – 1901) thấy dung dịch chứa dung môi A chất tan B, với A B chất lỏng dễ bay hơi, áp suất riêng phần A B dung dịch luôn thấp áp suất A B tinh chất Đối với dung dịch lý tưởng, mối tương quan định lượng áp suất dung dịch áp suất dung môi biểu diễn qua định luật Raoult theo phương trình (9.8): PA = xA PoA (9.8) Trong PA áp suất riêng phần A, PoA áp suất A tinh chất, xA nồng độ phần mole A dung dịch Vì: xA + xB = Ta có: xB = (PoA - PA)/ PoA (9.9) Một cách nghiêm ngặt định luật Raoult áp dụng cho dung dịch lý tưởng thành phần bay dung dịch Với dung dịch không lý tưởng, định luật Raoult áp dụng tốt cho dung mơi A dung dịch lỗng, xB < 0.02 9.6.2 Cân lỏng – dung dịch lý tưởng Như nói phần trên, toluene benzene tạo thành dung dịch lý tưởng áp suất dung dịch toluene – benzene theo định luật Raoult Hình 9.4 biểu diễn cân lỏng dung dịch toluene benzene 25 oC, áp suất toluene 192 benzene tinh chất 28.4 mmHg 95.1 mmHg, nồng độ hai chất dung dịch biểu diễn theo phần mole Theo định luật Raoult, đường màu xanh dương (qua điểm 1) áp suất riêng phần toluene, đường màu hồng (qua điểm 2) áp suất riêng phần benzene Cộng áp suất hai đường nói trên, ta có đường đứt nét (qua điểm 3) áp suất tổng cộng dung dịch Đường cong màu xanh (qua điểm 4) biểu diễn thành phần toluene benzene pha hơi, điểm biểu diễn áp suất thành phần hai chất pha nối với qua đường “Tie line” Để hiểu rõ giản đồ cân này, ta xem ví dụ dung dịch với nồng độ phần mole toluene benzene 0.5 Ở 25 oC, áp suất riêng phần toluene tính theo định luật Raoult Ptoluene = 0.5 x 28.4 mmHg = 14.2 mmHg, điểm đường áp suất toluene Hình 9.4 Áp suất riêng phần benzene tính theo định luật Raoult Pbenzene = 0.5 x 95.1 mmHg = 47.6 mmHg, điểm đường áp suất benzene Áp suất tổng cộng dung dịch 61.8 mmHg, biểu diễn điểm đường áp suất dung dịch Tóm lại, lúc pha có: Ptoluene = 14.2 mmHg Pbenzene = 47.6 mmHg Ptổng = 61.8 mmHg Hình 9.4 Đồ thị biểu diễn cân lỏng dung dịch lý tưởng lotuene – benzene 25 oC Đường màu xanh dương (qua điểm 1) áp suất riêng phần toluene, đường màu hồng (qua điểm 2) áp suất riêng phần benzene Đường đứt nét (qua điểm 3) áp suất tổng cộng dung dịch Đường cong màu xanh (qua điểm 4) biểu diễn thành phần toluene benzene pha Từ ta tính nồng độ phần mole toluene pha 14.2 mmHg/61.8 mmHg = 0.23, benzene pha – 0.23 = 0.77, điểm Hình 9.4 193 Như ta thấy dung dịch lý tưởng có hai thành phần (dung môi chất tan), thành phần chất tan dung môi pha dung dịch pha không nhau, pha giàu chất dễ bay pha dung dịch 9.6.3 Quá trình chưng cất phân đoạn dung dịch lý tưởng Hình 9.5 Đồ thị biểu diễn cân lỏng dung dịch toluene benzene atm Hình 9.6 Hệ thống chưng cất phân đoạn 194 Chưng cất phân đoạn phương pháp dùng để tách chất lỏng dung dịch khỏi dựa vào khả bay khác chúng Để xét trình chưng cất phân đoạn, người ta thường dùng đồ thị cân lỏng dung dịch biểu diễn nhiệt độ sôi dung dịch theo thành phần dung dịch Hình 9.5 đồ thị cân lỏng dung dịch toluene benzene theo nhiệt độ sôi dung dịch Để ý rằng, toluene hay benzene nên nhiệt độ sôi toluene (110.6 oC) cao benzene (80.0 oC) Khác với đồ thị Hình 9.4, đường thành phần đồ thị Hình 9.5 nằm đường nhiệt độ sôi dung dịch pha giàu chất dễ bay (giàu benzene hơn) Trên Hình 9.5 ta thấy dung dịch với nồng độ phần mole benzene xbenzene(l) = 0.30 sôi 98.6 oC (điểm A) Ở nhiệt độ này, thành phần benzene pha xbenzene(h) = 0.51 (điểm B) Giả sử ta tách riêng làm nguội đến chúng hóa lỏng, chất lỏng có nồng độ phần mole benzene xbenzene(l)’ = 0.51 Nếu tiếp tục làm bay dung dịch này, dung dịch sôi 91.5 oC (điểm C), nhiệt độ sôi thấp dung dịch ban đầu, thành phần benzene pha tăng lên, xbenzene(h)’ = 0.71 (điểm D) Tiếp tục trình trên, pha có nhiệt độ sơi ngày thấp giàu benzene Hình 9.6 biểu diễn hệ thống dụng cụ dùng chưng cất phân đoạn Dung dịch toluene benzene cần tách đun bình chưng cất, dung dịch lên cột chưng cất phân đoạn thiết kế với nhiều mâm chưng cất tương ứng với nhiều phân đoạn chưng cất đồ thị lý thuyết mà ta vừa nói, q trình cân lỏng mà ta mô tả bên xảy mâm chưng cất Càng lên phía cột chưng cất nhiệt độ giảm giàu chất dễ bay hơi, trường hợp benzene Hơi khỏi cột chưng cất qua ống sinh hàn ngưng tụ thành chất lỏng Bằng cách thay đổi chiều dài cột chưng cất cách thích hợp, người ta tách chất lỏng khỏi dung dịch qua trình chưng cất phân đoạn 9.6.4 Cân lỏng – dung dịch không lý tưởng Trong thực tế, nhiều dung dịch dung dịch không lý tưởng Giản đồ cân lỏng dung dịch không lý tưởng khác với dung dịch lý tưởng theo nhiều cách khác nhau: - - - Trường hợp dung dịch acetone chloroform: nói phần 9.3, tương tác phân tử acetone chloroform dung dịch mạnh tương tác phân tử chất riêng biệt, đường áp suất dung dịch acetone chloroform thấp dung dịch lý tưởng, đường nhiệt độ sôi dung dịch acetone chloroform cao dung dịch lý tưởng Trường hợp dung dịch acetone carbon disulfide: tương tác phân tử khác loại yếu phân tử loại acetone phân cực carbon disulfide không phân cực Trường hợp ta có đường áp suất dung dịch cao dung dịch lý tưởng đường nhiệt độ sôi dung dịch thấp dung dịch lý tưởng Khi tương tác phân tử dung dịch mạnh, vượt xa dung dịch lý tưởng, giản đồ cân lỏng có cực đại cực tiểu đường áp suất hơi, ứng với cực tiểu cực đại đồ thị nhiệt độ sôi Ở điểm cực đại cực tiểu, thành phần dung dịch pha lỏng pha nhau, dung dịch gọi phị 195 Ví dụ, Hình 9.7 đồ thị cân lỏng nước propanol với điểm phị chứa 71.7% propanol theo khối lượng Dung dịch ethanol nước có giản đồ tương tự, điểm phị chứa 96.0% ethalnol theo khối lượng, điểm sơi 78.174 oC, thấp điểm sơi ethanol tinh chất, 78.3 oC (do đó, ta không đưa đồ thị cân lỏng nước ethanol khó quan sát điểm phị) Bằng phương pháp chưng cất phân đoạn mơ tả trên, ta chưng chất dung dịch ethanol loãng thu dung dịch phị Lúc thành phần ethanol pha lỏng pha nhau, ta tiếp tục chưng cất để thu dung dịch có hàm lượng ethanol cao Vì lý đó, hầu hết ethanol dùng phịng thí nghiệm cơng nghiệp ethanol 96% Để có ethanol tuyệt đối, hay ethanol 100%, người ta phải dùng phương pháp làm khan nước đặc biệt Hình 9.7 Giản đồ cân lỏng dung dịch nước propanol 9.7 Áp suất thẩm thấu dung dịch Trong phần này, ta quan tâm tới tính chất dung dịch gồm dung mơi bay chất tan khơng bay Ví dụ, dung dịch nước đường, urea, v.v… Trước tiên, ta xem số tượng xảy thực tế Nếu để hai dung dịch nước chất tan với nồng độ khác nhau, ví dụ dung dịch bình A có nồng độ thấp dung dịch bình B, buồng kín Hình 9.8, sau thời gian ta thấy lượng dung dịch bình A giảm xuống, lượng dung dịch bình B tăng lên Như vậy, nước bay chuyển từ bình A sang bìn B Dung dịch A có nồng độ thấp B, nghĩa lượng nước A nhiều hơn, nên áp suất nước dung dịch bình A cao bình B, nghĩa dung dịch bình A bay mạnh bình B Trong buồng kín, q trình bay ngưng tụ liên tục xảy nước chuyển từ bình A sang bình B đạt cân bằng, nồng độ chất tan A B trở nên 196 Hình 9.8 Hơi nước chuyển từ dung dịch A có nồng độ thấp sang dung dịch B có nồng độ cao Hình 9.9 Hiện tượng thẩm thấu: a) nước bên thấm qua màng bán thấm vào ống đựng dung dịch đường sucrose, làm mức dung dịch đường tăng lên đầy ống, dung dịch đường nhỏ ngồi; b) hình phóng lớn vị trí màng bán thấm cho thấy phân tử nước (hình cầu nhỏ) di chuyển qua lại màng bán thấm Hình 9.9 mơ tả q trình khác, di chuyển nước không xảy qua pha hơi, mà xảy trực tiếp hai pha lỏng qua màng ngăn Một dung dịch đường đặt ống thủy tinh thẳng đứng hình, dung dịch nước đường ngăn cách với bình nước bên ngồi màng bán thấm Màng bán thấm cho phép phân tử nước di chuyển qua lại, trường hợp này, phân tử đường có kích thước lớn nên di chuyển qua màng bán thấm Vì nồng độ nước bình cao nồng độ nước dung dịch nước đường nên phân tử nước bình qua màng bán thấm vào ống đựng dung dịch nước đường làm nồng độ nước đường loãng đi, đồng thời mực dung dịch nước đường ống tăng lên nước đường nhỏ giọt khỏi ống Hiện tượng phân tử nước qua màng bán thấm làm thay đổi nồng độ dung dịch hai bên màng gọi tượng thẩm thấu Trong thí nghiệm này, nồng độ dung dịch nước đường cao tượng thẩm thấu xảy mạnh, mực dung dịch nước đường tăng nhiều Nếu ta để ngoại lực đủ lớn lên ống dung dịch nước đường, tượng thẩm thấu giảm Áp suất cần thiết để chận không cho tượng thẩm thấu xảy gọi áp suất thẩm thấu Ví dụ, với dung dịch đường sucrose 20%, áp suất thẩm thấu 15 atm 197 Kết nghiên cứu cho thấy độ lớn áp suất thẩm thấu không phụ thuộc vào chất chất tan mà phụ thuộc vào nồng độ chất tan Những tính chất dung dịch phụ thuộc vào nồng độ chất tan gọi tính hạt dung dịch Đối với dung dịch lỗng chất tan khơng điện ly, áp suất thẩm thấu dung dịch tuân theo phương trình (9.10) = RT = C RT (9.10) Trong biểu thức (9.10), áp suất thẩm thấu dung dịch, R số khí lý tưởng (0.08206 L atm mol–1 K–1), T nhiệt độ Kelvin, n số mole chất tan dung dịch, V thể tích dung dịch, C nồng độ mole dung dịch Hầu hết màng tế bào thể sinh vật hoạt động màng bán thấm nước qua lại hai phía màng tế bào Nếu dịch bên tế bào có nồng độ cao thấp bên tế bào gây tượng co rút trương nở tế bào Vì dịch truyền vào máu phải có nồng độ tương đương với dịch thể, khoảng 0.92% khối lượng NaCl theo thể tích Sơ đồ Hình 9.10 mơ tả tượng khác liên quan tới thẩm thấu, nước chứa bình A, nước biển chứa bình B, hai bình ngăn cách màng bán thấm cho phép phân tử nước qua Bình thường, nước từ bình A thấm qua màng để vào bình B Tuy nhiên, ta đặt vào bình B áp suất cao áp suất thẩm thấu hệ, nước từ bình B thấm ngược vào bình A, tượng gọi thẩm thấu ngược Sự thẩm thấu ngược áp dụng để khử muối từ nước biển, thu nước để dùng hải đảo, dùng để tách riêng chất tan nước thải công nghiệp trước thải môi trường Hình 9.10 Sơ đồ thiết bị khử muối nước biển phương pháp thẩm thấu ngược 9.8 Độ hạ nhiệt độ đông đặc độ tăng nhiệt độ sôi dung dịch 9.8.1 Dung dịch chứa chất tan không điện ly Trong phần 9.6, ta thấy áp suất dung dịch thấp áp suất dung mơi tinh chất Trong thực tế, ta quan tâm đến việc đo áp suất dung dịch, mà ta thường quan tâm tới nhiệt độ sôi, nhiệt độ đông đặc dung dịch Trong phần ta nói đến nhiệt độ sơi nhiệt độ đơng đặc dung dịch có dung mơi bay hơi, chất tan không điện ly không bay Các kết thực nghiệm cho thấy dung dịch có nhiệt độ đơng đặc thấp nhiệt độ sôi cao dung môi chúng Với dung dịch chứa chất tan không điện ly khơng bay độ hạ nhiệt độ đơng đặc (Tf) độ tăng nhiệt độ sôi (Tb) dung dịch 198 phụ thuộc vào dung môi nồng độ molal (m) chất tan dung dịch Khi nồng độ dung dịch loãng, độ hạ nhiệt độ đông đặc độ tăng nhiệt độ sôi dung dịch tuân theo phương trình sau: Độ hạ nhiệt độ đông đặc: Tf = – m Kf (9.11) Độ tăng nhiệt độ sôi: Tb = m Kb (9.12) Kf Kb hai phương trình gọi số nghiệm đông hay số nghiệm lạnh (f: freezing) số nghiệm sôi (b: boiling) dung môi Các số số dung môi cho Bảng 9.1 Trước đây, nhà hóa học dùng tính chất áp suất thẩm thấu, độ hạ nhiệt độ đông đặc, độ tăng nhiệt độ sôi dung dịch để xác định khối lượng mole chất tan Giới hạn phương pháp dùng cho dung dịch loãng cần nhiệt kế với độ xác cao Ngồi ra, ta thường khó đo xác nhiệt độ sơi dung dịch, phương pháp nghiệm đơng thường dùng phương pháp nghiệm sôi Bảng 9.1 Hằng số nghiệm đông nghiệm sôi số dung môi Sự giảm nhiệt độ đông đặc dung dịch dùng để tạo hỗn hợp sinh hàn Ví dụ, cho nước đá nhiệt độ thấp vào dung dịch muối ăn, dung dịch lúc có nhiệt độ đông đặc thấp oC nên ta dùng dung dịch để giữ dung dịch khác nhiệt độ thấp oC, làm đông đặc dung dịch khác Đây nguyên tắc để làm đông hỗn hợp đường sữa ta làm kem Tương tự vậy, rải muối lên đường phương pháp chống đóng băng tuyết đường nhiệt độ xuống oC 9.8.2 Dung dịch chứa chất tan chất điện ly Khi đo độ hạ nhiệt độ đông đặc nhiều dung dịch muối, ví dụ dung dịch NaCl, người ta thấy kết thu không theo phương trình (9.11) Ví dụ, với dung dịch nước 0.0100 m chất tan đó, nhiệt độ đơng đặc dung dịch dự đốn theo phương trình (9.11) –0.0186 oC, điều với dung dịch urea, nước đường Tuy nhiên, với dung dịch NaCl 0.0100 m, nhiệt độ đông đặc đo –0.0361 oC Để giải thích điều này, Van’t Hoff Jr (1852–1911) lưu ý NaCl phân ly thành ion dương âm dung dịch nước, nồng độ tổng cộng “hạt” (hay ion) dung dịch tăng đáng kể, nhiệt độ đơng đặc chất điện ly thấp chất khơng điện ly có nồng độ Van’t Hoff định nghĩa giá trị i dung dịch điện ly theo biểu thức (9.13), i gọi hệ số van’t Hoff: ∆ i=∆ ự ựđ ế (9.13) Ví dụ, dung dịch NaCl nói trên, ta có: i = –0.0361 oC/–0.0186 oC = 1.95 Đối với dung dịch điện ly, biểu thức (9.10), (9.11), (9.12) trở thành: 199 = i C RT (9.14) Tf = – i m Kf (9.15) Tb = i m Kb (9.16) Hệ số van’t Hoff dùng để đánh giá mức độ điện ly chất Với chất điện ly mạnh, hệ số van’t Hoff xấp xỉ số ion mà chất phân ly thành dung dịch, ví dụ, hệ số van’t Hoff dung dịch CaCl2 loãng CaCl2 phân ly thành ion Ca2+ ion Cl– Với chất điện ly yếu acid acetic, hệ số van’t Hoff lớn Bảng 9.2 Giá trị hệ số van’t Hoff theo nồng độ số dung dịch Ngoài ra, kết thực nghiệm Bảng 9.2 cho thấy hệ số van’t Hoff chất điện ly thay đổi theo nồng độ dung dịch; dung dịch lỗng hệ số van’t Hoff tăng tiến đến giá trị giới hạn số ion tạo thành chất tan phân ly hoàn toàn dung dịch Trong dung dịch có nồng độ cao, tương tác hút ion trái dấu dung dịch làm cation bao quanh chủ yếu anion ngược lại, nồng độ biểu kiến (nồng độ đo được) ion giảm so với lý thuyết, dẫn đến hệ số van’t Hoff giảm Nồng độ biểu kiến ion gọi hoạt độ ion Trong hầu hết trường hợp, dung dịch có nồng độ khơng q cao, ta dùng nồng độ để dự đốn tính chất dung dịch với độ xác chấp nhận Nếu cần độ xác cao, ta phải dùng hoạt độ dung dịch Sự cần thiết phải dùng hoạt độ dung dịch thay cho nồng độ dung dịch bàn luận phần cân hóa học entropy phản ứng hóa học 9.9 Dung dịch keo Trong phần trước chương này, ta xem xét dung dịch chất tan phân tán vào dung mơi cấp độ phân tử ion, dung dịch gọi dung dịch thực Nếu “chất tan” phân tán vào dung dịch dạng “hạt” có kích thước chiều khoảng 10 – 1000 nm hạt phân tán đủ lớn để tạo dung dịch khơng đồng nhất, ta có dung dịch keo chất phân tán lơ lửng mà khơng lắng Ví dụ, cho đất vào chậu nước, khuấy lên để yên, hầu hết đất lắng xuống đáy chậu Tuy nhiên, có hạt đất lơ lửng dung dịch, hệ lơ lửng bền khoảng thời gian dài gọi dung dịch keo Các hạt phân tán dung dịch keo gọi hạt keo 200 Hình 9.11 Hiệu ứng Tyndall để phân biệt dung dịch thực dung dịch keo Ta dễ dàng phân biệt dung dịch thực dung dịch keo cách chiếu nguồn sáng mạnh vào dung dịch quan sát đường ánh sáng qua dung dịch Đối với dung dịch thực (Hình 9.11, ống nghiệm bên trái), ánh sáng xuyên qua mà không gây hiệu ứng đặc biệt Nhưng với dung dịch keo, tia sáng tán sắc theo hướng khác chiếu vào hạt keo, ta dễ dàng nhận biết đường chùm tia sáng (Hình 9.11, ống nghiệm bên phải) Hiện tượng gọi hiệu ứng Tyndall để phân biệt dung dịch thực dung dịch keo Máu động vật, sữa… số dung dịch keo tự nhiên Hình 9.12 Bề mặt hạt keo xSiO2.yH2O tích điện âm hấp phụ ion OH– dung dịch Các hạt keo có hình cầu, hình dĩa, hình que, v.v… Trong dung dịch keo, bề mặt hạt keo hấp phụ ion dung dịch trở thành tích điện Ví dụ, Hình 9.12 cho thấy hạt keo xSiO2.yH2O tích điện âm hấp phụ ion OH– dung dịch Khi đó, hạt keo mang điện tích giống nên đẩy nhau, chúng không kết tụ để lắng xuống Như vậy, ion dung dịch giữ cho hạt keo lơ lửng Tuy nhiên, nồng độ chất điện ly dung dịch q cao có tượng tiếp tục hấp phụ ion có điện tích trái dấu, làm trung hịa điện tích hạt keo, dẫn đến kết tủa hạt keo Trong số trường hợp, kết tủa hạt keo khơng có lợi Muốn ngăn kết tụ hạt keo, ta dùng màng lọc bán thấm Hình 9.13 để loại bỏ bớt ion dung dịch keo Để lọc bỏ ion dung dịch keo, dung dịch keo có nồng độ ion cao cho vào túi có màng bán thấm nhúng vào nước cất Màng bán thấm dùng trường hợp cho phép dung môi ion qua, khơng cho hạt keo có kích thước lớn qua màng Do tượng thẩm thấu, ion dung dịch keo chuyển dần ngồi, nồng độ ion dung dịch keo giảm xuống 201 Hình 9.13 Phương pháp lọc màng bán thấm để loại bớt ion khỏi dung dịch keo Máu hỗn hợp dung dịch keo, trình trao đổi chất thể dẫn tới tăng nồng độ “chất thải” ion máu Trong thể động vật, thận làm việc lọc ion thừa máu theo chế tương tự màng bán thấm lọc chất điện ly mơ tả Hiện nay, có máy lọc thận bên thể hỗ trợ chức cho người bị suy thận Vậy, tài liệu trình bày thuyết cấu tạo vật chất, kiểu lực tương tác nguyên tử phân tử làm ảnh hưởng đến tính chất chất Nền tảng hóa học dựa nguyên lý định luật lượng, định luật định chiều hướng trình biến đổi phản ứng hóa học Nội dung khơng trình bày đây, sinh viên tìm thấy phần khác giáo trình Hóa học đại cương