Báo cáo thí nghiệm hóa lý bài 1 nhiệt phản ứng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TPHCM BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HĨA LÝ - CNVL GV: TS Lương Thị Quỳnh Anh  Lớp: L01 Thành viên:  Họ Hồ Danh Tên Giá MSSV  2113266   Mục lục Bài 1: NHIỆT PHẢN ỨNG .2 1.1 LÝ THUYẾT 1.2 THỰC NGHIỆM 1.3 NHẬN XÉT .11 BÀI 2: HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI LỎNG - RẮN .12 2.1 LÝ THUYẾT 12 2.2 THỰC NGHIỆM .15 2.3 NHẬN XÉT 26 Bài 1: NHIỆT PHẢN ỨNG 1.1 LÝ THUYẾT 1.1.1 Nhiệt hịa tan: Q trình hồ tan ln ln kèm theo giải phóng hay hấp thụ nhiệt tuỳ theo chất chất tan dung môi Hiệu ứng nhiệt kèm theo q trình hồ tan mol chất tan lượng dung mơi để thu dung dịch có nồng độ xác định gọi nhiệt hồ tan tích phân Hiệu ứng nhiệt kèm theo q trình hồ tan mol chất tan lượng dung mơi có nồng độ xác định tính từ chênh lệch nhiệt độ trước vào sau  phản ứng hệ, với giả sử hệ đoạn nhiệt phương pháp nhiệt lượng kế 1.1.2 Xác định hiệu ứng nhiệt nhiệt lượng kế (NLK)  NLK thiết bị có cấu tạo sau cho tiến hành q trình nhiệt động đo hiệu ứng nhiệt q trình thơng qua việc đo chênh lệch nhiệt độ ∆T trước sau trình Như bình phản ứng NLK phải cách nhiệt tốt (hệ đoạn nhiệt) 1- Nhiệt kế Beckman 2- Đũa thủy tinh 3- Bình phản ứng 4- Ampul 5- Cá khuấy từ 6- Dung dịch chất phản ứng 7- Máy khuấy từ  8- Chất phản ứng 9- Lớp cách nhiệt nhiệt lượng kế  Hình 1.1 Nhiệt lượng kế  Hiệu ứng nhiệt trình tiến hành NLK tính: Trong đó: W : nhiệt dung tổng cộng trung bình hệ thống (nhiệt dung thiết bị nhiệt lượng kế) : nhiệt dung riêng khối lượng chất phản ứng (kể dung môi) K : số NLK   Nếu tiến hành điều kiện (về dung mơi, thể tích tổng cộng) ta xem W số Muốn xác định hiệu ứng nhiệt q trình, ngồi giá trị ΔT ta phải xác định số K hay W Để xác định số K W ta tiến hành NLK trình biết xác hiệu ứng nhiệt nó, tiến hành đo phương pháp sau *Dùng nhiệt hòa tan muối biết: Tiến hành q trình hịa tan g gam muối khan G gam nước cất, đo ΔT Q muối : Nhiệt hòa tan x mol muối C: nhiệt dung riêng trung bình dung dịch muối M : khối lượng phân tử muối 1.2 THỰC NGHIỆM 1.2.1 Dụng cụ hóa chất Bảng 1.1 Bảng dụng cụ Dụng cụ Thông số kỹ Số thuật lượng Dụng cụ Số lượng Máy khuấy từ số vòng quay Ống đong 100mL Cá tử quay cm Nhiệt kế 250 mL Phễu thủy tinh nhỏ 1 Bình Dewar 1000mL  Nhiệt kế rượu từ 0100oc Bình xịt nước cất Giấy cân Đồng hồ điện thoại  bấm giây Bảng 1.2 Bảng hóa chất Hóa chất Dạng KCL Rắn, 500g/hũ  NaOH Rắn, 500g/hũ Hóa chất Ghi  1.2.2 Tiến hành 1.2.2.1 Xác định nhiệt dung tổng cộng W dùng KCl Dùng ống đong 100mL đong xác 1000mL nước cất cho vào bình nhiệt lượng kế (NLK) Cho cá từ vào bình phản ứng Đậy nắp lại, cắm nhiệt kế rượu vào, đảm bảo hiệu khuấy trộn, không bị cá từ đánh vỡ nhiệt kế ghi nhận nhiệt độ t ban đầu nhiệt lượng kế Dùng cối chày sứ nghiền mịn KCl sấy khơ, sau cân xác khoảng 0.75g KCl (tương đương 0.01mol KCl) dùng giấy cân Mở nắp bình NLK, sau cho nhanh 0.01mol KCl vào bình NLK Duy trì tốc độ: 500 rpm Ghi nhận giá trị thời gian biến thiên nhiệt độ thay đổi 1oC 0.5oC Sau khoảng thời gian ∆T, nhiệt độ hệ không thay đổi, kết thúc thí nghiệm Tháo dụng cụ, đổ bỏ dung dịch (chú ý giữ lại cá từ), rửa nước Vẽ đồ thị nhiệt độ - thời gian (T-t), xác định giá trị biên thiên nhiệt độ hòa tan KCl, ∆TKCl, tính giá trị W hệ theo cơng thức: W = (∆HhtanKCl.nKCl) / ∆TKCl (kcal/oC) Với ∆HhtanKCl: nhiệt hòa tan 0,01 mol muối KCl 1000g H 2O 5oC: 4.157kcal/mol Lặp lại thí nghiệm trên, dùng 22.35g KCl (0.3mol KCl), ∆HhtanKCl: nhiệt hòa tan 0.3 mol muối KCl 1000g H2O 25oC: 4.194kcal/mol  Nêu nhận xét giá trị ∆T0.01(KCl) ∆T0.3(KCl), W0.01(KCl) W0.3(KCl) 1.2.3 Báo cáo kết thí nghiệm a Thí nghiệm Cho 0.01 mol muối KCl 1000g H2O 25oC Số tự thứ Thời gian t (s) Nhiệt độ T (oC) Ghi 27 Nhiệt độ phịng 30 27 Nhiệt độ khơng đổi 60 27 Nhiệt độ không đổi 90 27 Nhiệt độ không đổi 120 27 Nhiệt độ không đổi 150 27 Nhiệt độ không đổi Bảng kết thí nghiệm Tính tốn số liệu W0.01 =(∆HhtanKCl.nKCl) / ∆TKCl = (4.157.0,01)/(27-27)= 1/0(kcal/oC)  Nhận xét: Trong q trình thí nghiệm, gần không đổi thời gian dài (>10p) nên W xem không xác định b Thí nghiệm 2: Cho 0.3 mol muối KCl 1000g H2O 25oC Số tự thứ Thời gian t (s) Nhiệt độ T (oC) Ghi 27,0 Nhiệt độ phòng 30 26,0 Nhiệt độ giảm 60 25,5 Nhiệt độ giảm 90 25,5 Nhiệt độ giảm 120 25,5 Nhiệt độ giảm 150 25,5 Phản ứng thu nhiệt Bảng kết thí nghiệm Khi dùng 0.3mol KCl hòa tan 1000g H2O W0.3 = (∆HhtanKCl.nKCl) / ∆TKCl = (4,194.0.3)/(25,5-27)= -0,839 (Kcal/oC)  Q = W.∆ T  KCL( ,3 mol) = -0,839.(25,5-27) = 1,26 (Kcal)  Nhận xét giá trị ∆T0.01(KCl) ∆T0.3(KCl),W0.01(KCl) W0.3(KCl)  Dựa vào kết thí nghiệm đồ thị ta thấy giá trị ∆T 0.01(KCL) (bằng nhỏ đến mức thiết bị đo xác định biến thiên Trong ∆T0.3(KCl) -1,5 tương ứng hệ phản ứng tỏa nhiệt Khoảng thay đổi nhiệt độ ∆T KCL 0.3 mol lớn KCL 0,01 mol điều kiện thí nghiệm  Giá trị W0.01(KCl) xác định 1/0 W0.01(KCl) tính giải thích tỏa nhiệt bé ảnh hưởng từ yếu tố ngoại cảnh q trình thí nghiệm khiến cho biến thiên không thay đổi (hoặc thay đổi nhỏ) Giá trị W0.3(KCl) tính -0,839 (Kcal/oC) hiệu ứng nhiệt Q 1,26 Kcal; giá trị W0.01(KCl) khó dùng để so sánh với giá trị W0.3(KCl) Phản ứng 0,3 mol KCl tác dụng với 1000 ml nước phản ứng tỏa nhiệt Q>0 c Thí nghiệm 3: Cho 0.01 mol NaOH 1000g H2O 25oC Số thứ tự Thời gian t  Nhiệt độ T (oC) (s) Ghi 27.0 Nhiệt độ phịng 30 27.0 Nhiệt độ khơng đổi 60 27.0 Nhiệt độ không đổi 90 27.0 Nhiệt độ không đổi 120 27.0 Nhiệt độ không đổi 150 27.0 Nhiệt độ không đổi Bảng kết thí nghiệm Cũng với giá trị 0.01 mol, thay 0.75g KCl 0.40g NaOH, xác định giá trị thay đổi nhiệt độ ∆T NaOH với giá trị W0.3(KCl) xác định thí nghiệm nhiệt hịa tan KCl Xác định nhiệt hòa tan 0.40g NaOH 1000g H2O: Qhtan (NaOH) = W x ∆T NaOH (kcal)  Nhật xét: Dựa vào kết đo thực nghiệm bảng trên, ta thấy cho 0.01mol  NaOH (hay 0.40g NaOH) vào 1000g H2O hàm lượng NaOH chiếm dung dịch nhỏ không đủ để ta ghi nhận kết cụ thể để đưa kết d Thí nghiệm 4: Cho 0,3 mol NaOH 1000g H2O 25oC Số thứ tự Thời gian t  Nhiệt độ T (oC) (s) Ghi 27.0 Nhiệt độ phòng 30 30.0 Nhiệt độ tăng 60 30.0 Nhiệt độ tăng 90 30.0 Nhiệt độ tăng 120 30.0 Nhiệt độ tăng 150 30.0 Nhiệt độ tăng Bảng kết thí nghiệm Tính tốn số liệu Xác định nhiệt hòa tan 12.00 g NaOH 1000g H2O Qhtan (NaOH) = W x ∆T NaOH (kcal) = -0,839x(30-27)= -2,517 (Kcal) 30 25 20    )    C15    (    ộ    đ    t    ệ 10    i    h    N       o 0 20 40 60 80 Thời gian (s) 10 100 120 140 160 Trong trường hợp chất hấp phụ rắn, thường chất có bề mặt riêng (tổng diện tích gam chất rắn) lớn, có giá trị vào khoảng 10 – 1000 m2/g Các chất hấp phụ rắn thường dùng là: than hoạt tính, silicagel (SiO2), alumin (Al2O3), zeolit Trong hấp phụ chất bề mặt chất hấp phụ rắn, nguyên nhân chủ yếu hấp phụ lượng dư bề mặt ranh giới phân chia pha rắn – khí hay rắn – lỏng Các lực tương tác hấp phụ lực Van der Waals (hấp phụ vật lý) hay lực gây nên tương tác hóahọc (hấp phụ hóa học) hay hai loại tương tác tác dụng Lượng chất bị hấp phụ bề mặt chất hấp phụ tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: - Bản chất chất hấp phụ chất bị hấp phụ - Nồng độ chất tan - Nhiệt độ Thực nghiệm thí nghiệm nhiệt độ khơng đổi, ta đo số mol chất bị hấp phụ 1g chất hấp phụ rắn  Γ  ở nồng độ chất tan khác (C) Đường biểu diễn  Γ  - C gọi đường đẳng nhiệt hấp phụ Một số phương trình thực nghiệm lý thuyết sử dụng để biểu thị đường đẳng nhiệt hấp phụ: Freundlich, Langmuir, BET Phương trình Freundlich Đây phương trình thực nghiệm, áp dụng cho hấp phụ chất khí hay chất hồ tan dung dịch l /n  Γ = K C  Trong đó: K 1/n: số khơng có ý nghĩa vật lý C  : nồng độ dung dịch hấp phụ đạt cân Viết dạng logarit 14   lnΓ = 1/n lnC + lnk  Như biểu thị ln Γ  theo lnC, ta đường thẳng có hệ số góc l/n và tung độ góc lnK Phương trình Freundlich thường thích hợp khoảng nồng độ (hay áp suất) trung  bình, nồng độ thấp  Γ  thường tỷ lệ thuận với C nồng độ cao  Γ  thường đạt tới trị số giới hạn độc lập với C Phương trình Langmuir Đây phương trình lý thuyết, áp dụng cho hấp phụ đơn lớp:     Γ    kC  θ= =  Γ ∞ + kC  Trong đó:   θ   : độ che phủ bề mặt    Γ ∞  : số mol tối đa chất bị hấp phụ 1g chất rắn cho phân tử tạo thành đơn lớp   k : số Có thể viết lại phương trình dạng: C   C    = +    Γ   Γ ∞ kΓ ∞   Vậy biểu thị C/  Γ  ta đường thẳng có hệ số góc 1/  Γ   và tung độ góc 1/k  ∞  Γ ∞ Từ phương trình Langmuir, xác định bề mặt riêng S0 chất hấp phụ theo công thức: S0 = Γ ∞ N A0   Trong đó:  N : số Avogadro = 6,023.10 23 15  A0 : diện tích chiếm chỗ trung bình phân tử chất bị hấp phụ (khi hấp phụ gọi đơn lớp) Chẳng hạn với CH3COOH,  A0 CH 3 COOH =21 A 2.2 THỰC NGHIỆM 2.3.1 Dụng cụ hóa chất Bảng 2.1 Dụng cụ, hóa chất thí nghiệm Dụng cụ Số lượng Hóa chất Erlen 250 ml Lít CH3COOH 0,2 M Becher 100 ml  Nước cất Phễu sứ để lọc Than hoạt tính Burette 25 ml 500 ml NaOH 0,05 M Quả bóp cao su Phenolphtalein 0,05% Bình xịt nước cất Erlen có nút 100 ml Pipette 10ml  Nhiệt Kế Giấy lọc 2.3.2 Cách tiến hành - Dùng acid acetic CH3COOH 0,2M nước cất, pha loãng dung dịch sau bình nón có nút nhám Bình CH3COOH (ml) 50 40 30 20 10  Nước cất (ml) 10 20 30 40 45 16  Hình 2.1(a,b,c,d,e,f) dung dịch pha loãng theo thứ tự nồng độ từ bình đến bình 6  - Lắc bình vừa pha  Hình 2.2: Lắc bình chứa dung dich vừa pha - Dùng cân phân tích cân mẫu than hoạt tính đĩa nhựa, mẫu 1g 17  Hình 2.3 cân than - Cho vào bình chứa dung dịch CH3COOH vừa pha mẫu than, đậy nút, lắc mạnh vài phút Để yên 10 phút lắc mạnh vài phút Để yên 30 phút xong đem lọc  Hình 2.3(a,b)đổ than vào bình lắc 18  Hình 2.3(c,d)  (Để yên 10 phút tiếp tục lắc mạnh   (Để yên 30 phút) phút)  Hình 2.3(e,f) (Sau để yên 30 phút, tiến hành đem mẫu lọc qua phễu sứ (có lót giấy lọc) Tiến hành lọc thu lấy dung dịch lỏng ) 19  Hình 2.4(a,b,c,d,e,f) (Dung dịch lỏng thu sau lọc ) - Ghi nhiệt độ thí nghiệm Nước qua lọc định phân dung dịch NaOH 0,05N với thị phenolphtalein Hình 2.5(a,b)   (Nhiệt độ thí nghiệm ghi nhận 27,5 oC ) (Cho vài giọt thị phenolphtalein vào   nước sau lọc trước mang 20   chuẩn độ với NaOH 0,05N)  Hình 2.6(a,b) (Nước qua lọc định phân dung dịch NaOH 0,05N với thị phenolphtalein) - Với bình 1, 2, định phân lần, lần ml nước qua lọc Hình 2.7(a,b) định phân mẫu 21 - Với bình 4, định phân lần, lần 10 ml nước qua lọc  Hình 2.8(a,b)định phân mẫu - Với bình định phân lần, lần 20 ml nước qua lọc 22  Hình 2.9(a,b)định phân mẫu  Hình 2.10(a,b,c,d,e,f) (Mẫu định phân sau chuẩn độ với NaOH 0,05N chuyển sang màu hồng nhạt) 2.4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 2.4.1 Kết thô Bảng 2.3  Kết thô chuẩn độ dung dịch NaOH  Bình C0(CH3COOH) (mol/l) Thể tích acid acetic V1(ml) 23 Thể tích NaOH chuẩn độ V2(ml) V3(ml) VTB(ml) chuẩn độ (ml) 5 10 10 20 0.2 0.16 0.12 0.08 0.04 0.02 3.9 2.9 2,5 3.2 1.2 1.5 3.8 3.0 2,5 3.25 1.25 1.5 3.8 3.0 2,5 3.3 1.25 X 3.83 2.97 2.5 3,25 1.23 1.5 2.4.2 Kết Quả Tính Bảng 2.4 Kết tính chuẩn độ dung dịch NaOH  ST T   C 0( CH 3 COOH ) (mol/l) 0,2 0,16 0,038 0,03 0,12 0,025 0,08 0,016 0,04 0,0062 0,02 0,0038 C CH 3 COOH  ¿ lúc sau (mol/l) C hap thu 0,16 0,13 0,09 0,06 0,03 0,01 Γ lnΓ 4,69 4,61 -3,27 -3,51 0,0048 -5,34 5,26 -3,69 0,0034 -5,68 5,00 -4,14 0,0017 0,0008 -6,38 3,67 -5,08 -7,12 4,69 -5,57 Được tính theo cơng thức:  C   1.V1 = C2.V2 Trong đó: C1,V1: nồng độ thể tích CH3COOH cịn lại C2,V2: nồng độ thể tích NaOH để chuẩn độ acid acetic Bình 1: C CH 3 COOH .V CH 3 COOH =C  NaOH  V  NaOH     C CH 3 COOH  =0.05 , 17  24 lnC 0,0081 -4,82 0,0065 -5,036 Tính C (mol/l)   C/Γ  = 0,032 mol/l    C CH 3 COOH  Tính tương tự cho bình cịn lại Sai số: ; Độ hấp phụ  ¿  C 0 −C  m   ∗10−Γ3∗V   (mol/g) Trong đó: Co: nồng độ ban đầu   C: nồng độ cân chất bị hấp phụ   V: thể tích xảy hấp phụ   m: lượng chất rắn hấp phụ , −0,032 Bình 1: Γ =  * 10−3 * 50 = 0,0084 Tính tương tự với bình cịn lại Sai số: Do sai số giá trị ; nhỏ ( ; nên bỏ qua xem khơng đáng kể 25 Từ đồ thị trên, ta có phương trình tuyến tính: Y=1,048x + 1,80 Từ biểu thức thể mối tương quan lý thuyết:  l lnΓ = lnC + lnK  n  Như vậy, tính hệ số như: n =1,048 => n = 0,95 k = e , 80 = 6,05 Từ đồ thị trên, ta có phương trình tuyến tính: y = 16,81x + 4,33 Từ phần lý thuyết, ta có phương trình ( )( C    C    Γ =  Γ ∞ +   k.Γ∞ ) 26  Như vậy, tính được:   Γ  =¿16,81 ∞ ⇨ Γ = 0,059  ⇨ k = 3,91 ? Từ đó, tính bề mặt riêng S0 của chất hấp phụ theo công thức:  SO = Γ N.AO  =0,059.6,023.1023.21.10-20 = 7462,497 (m2/g) ? 2.3 NHẬN XÉT Qua thực nghiệm cho thấy phương trình Freundlich cho thấy độ xác cao  phương trình Langmuir, điều biểu diễn thông qua hệ số R 2của đường hồi quy tuyến tính biểu diễn ln( ) theo ln (C) lớn hệ số R 2 của đường hồi quy tuyến tính biểu diễn C/ theo C (0.986 > 0.165) Và theo biểu đồ tương quan ta dễ nhận thấy điểm biểu đồ lnΓ theo lnC tập trung gần đường thẳng tuyến tính ta có 27 thể kết luận biểu đồ biểu thị hấp phụ CH3COOH than hoạt tính đường đẳng nhiệt Freundlich thích hợp Diện tích bề mặt riêng chất tổng diện tích mặt chất đơn vị khối lượng, liên quan trực tiếp đến khả phản ứng bề mặt chất Thơng qua thực nghiệm cho thấy than hoạt tính có tổng diện tích bề mặt 7462,497 m2/g Hệ số phụ thuộc vào kích thước hạt nguyên tố cấu thành cấu trúc có trật tự chúng Hạt mịn hệ số cao  Nguyên nhân dẫn đến sai số: + Sai số thị : chuẩn độ ta không chuẩn độ điểm tương đương thị màu thay đổi màu trước sau điểm tương đương + Sai số chủ quan: sai số trình cân, đong thể tích, tính tốn kết + Sai số khách quan: dụng cụ nghiệm, đặt biệt hóa chất sai nồng độ 28