NXB Đạ i h ọ c qu ố c gia Hà N ộ i 2007, 101 Tr Tài li ệ u trong Th ư vi ệ n đ i ệ n t ử Đ H Khoa h ọ c T ự nhiên có th ể đượ c s ử d ụ ng cho m ụ c đ ích h ọ c t ậ p và nghiên c ứ u cá nhân Nghiêm c ấ m m ọ i hình th ứ c sao chép, in ấ n ph ụ c v ụ các m ụ c đ ích khác n ế u không đượ c s ự ch ấ p thu ậ n c ủ a nhà xu ấ t b ả n và tác gi ả M ụ c l ụ c Bài s ố 1 4 NHI Ệ T HOÀ TAN 4 Bài s ố 2 10 ÁP SU Ấ T H Ơ I BÃO HOÀ 10 Bài s ố 3 14 H Ằ NG S Ố CÂN B Ằ NG 14 Bài s ố 4 17 CÂN B Ằ NG L Ỏ NG H Ơ I C Ủ A H Ệ HAI C Ấ U T Ử 17 Bài s ố 5 22 TÍNH TAN H Ạ N CH Ế C Ủ A CH Ấ T L Ỏ NG 22 Bài s ố 6 30 PH ƯƠ NG PHÁP HÀN NGHI Ệ M 30 Bài s ố 7 35 PH ƯƠ NG PHÁP PHÂN TÍCH NHI Ệ T 35 Bài s ố 8 39 XÁC ĐỊ NH H Ằ NG S Ố T Ố C ĐỘ C Ủ A PH Ả N Ứ NG B Ậ C M Ộ T PH Ả N Ứ NG GH Ị CH ĐẢ O ĐƯỜ NG 39 Bài s ố 9 43 PH Ả N Ứ NG THU Ỷ PHÂN ESTE 43 Bài s ố 10 46 ĐƯỜ NG H Ấ P PH Ụ ĐẲ NG NHI Ệ T 46 Bài s ố 11 52 ĐỘ D Ẫ N Đ I Ệ N C Ủ A DUNG D Ị CH CH Ấ T Đ I Ệ N LI 52 Bài s ố 12 59 S Ứ C Đ I Ệ N ĐỘ NG C Ủ A PIN GANVANI 59 Bài s ố 13 68 Giáo trình th ự c t ậ p hóa lý PGS TS V ũ Ng ọ c Ban S Ố V Ậ N T Ả I 68 Bài s ố 14 74 Đ I Ề U CH Ế CÁC H Ệ KEO VÀ KH Ả O SÁT M Ộ T S Ố TÍNH CH Ấ T C Ủ A CHÚNG 74 Bài s ố 15 81 PHÂN TÍCH SA L Ắ NG 81 Bài s ố 16 88 XÁC ĐỊ NH PHÂN T Ử KH Ố I CH Ấ T POLIME 88 Ph ụ l ụ c 93 SAI S Ố C Ủ A PHÉP Đ O PH ƯƠ NG PHÁP L Ậ P B Ả NG VÀ D Ự NG ĐỒ TH Ị TRONG TH Ự C T Ậ P HOÁ LÝ 93 3 L ờ i m ở đầ u Tài li ệ u này bao g ồ m nh ữ ng bài th ự c t ậ p c ơ b ả n nh ấ t thu ộ c ch ươ ng trình Th ự c t ậ p Hoá lý, Khoa Hoá h ọ c, Tr ườ ng Đạ i h ọ c Khoa h ọ c T ự nhiên, Đạ i h ọ c Qu ố c gia Hà N ộ i N ộ i dung g ồ m 4 ph ầ n chính: Nhi ệ t độ ng h ọ c: 7 bài (t ừ bài 1 ÷ 7) Độ ng h ọ c: 3 bài (t ừ bài 8 ÷ 10) Đ i ệ n hoá h ọ c: 3 bài (t ừ bài 11 ÷ 13) Hoá keo, Cao phân t ử : 3 bài (t ừ bài 14 ÷ 16) Ở m ỗ i bài đề u nêu rõ m ụ c đ ích, c ơ s ở lý thuy ế t, ph ươ ng pháp ti ế n hành thí nghi ệ m và các yêu c ầ u c ủ a bài thí nghi ệ m Trong ph ầ n ph ụ l ụ c trình bày lý thuy ế t sai s ố , ph ươ ng pháp l ậ p b ả ng và d ự ng đồ th ị trong th ự c t ậ p Hóa lý Tài li ệ u đượ c vi ế t v ớ i s ự đ óng góp c ủ a t ậ p th ể cán b ộ B ộ môn Hoá lý, tuy đ ã có nhi ề u c ố g ắ ng nh ư ng không tránh kh ỏ i các thi ế u sót Chúng tôi r ấ t mong nh ậ n đượ c nh ữ ng ý ki ế n đ óng góp quí báu c ủ a các b ạ n đọ c TÁC GI Ả 4 Bài s ố 1 NHI Ệ T HOÀ TAN M ụ c đ ích 1 Xác đị nh nhi ệ t hoà tan c ủ a mu ố i KCl trong n ướ c 2 Xác đị nh nhi ệ t hoà tan c ủ a CuSO4, CuSO4 5H2O trong n ướ c và tính nhi ệ t hi đ rat hoá c ủ a CuSO4 5H2O Lí thuy ế t 1 Nhi ệ t hoà tan và nhi ệ t hi đ rat hoá c ủ a mu ố i Quá trình hoà tan luôn luôn kèm theo s ự gi ả i phóng hay h ấ p th ụ nhi ệ t tu ỳ theo b ả n ch ấ t c ủ a ch ấ t tan và dung môi Hi ệ u ứ ng nhi ệ t kèm theo quá trình hoà tan 1 mol ch ấ t tan trong m ộ t l ượ ng dung môi nào đ ó để thu đượ c dung d ị ch có n ồ ng độ xác đị nh đượ c g ọ i là nhi ệ t hoà tan tích phân Hi ệ u ứ ng nhi ệ t kèm theo quá trình hoà tan 1 mol ch ấ t tan trong m ộ t l ượ ng vô cùng l ớ n dung d ị ch có n ồ ng độ xác đị nh đượ c g ọ i là nhi ệ t hoà tan vi phân B ằ ng th ự c nghi ệ m ch ỉ đ o đượ c nhi ệ t hoà tan tích phân còn nhi ệ t hoà tan vi phân đượ c xác đị nh theo s ự ph ụ thu ộ c c ủ a nhi ệ t hoà tan tích phân vào n ồ ng độ dung d ị ch Nhi ệ t hoà tan có th ể xem là t ổ ng c ủ a hai s ố h ạ ng: nhi ệ t chuy ể n ch ấ t tan vào dung d ị ch Δ H ch và nhi ệ t sonvat hoá (hay nhi ệ t hi đ rat hoá n ế u dung môi là n ướ c) Δ H s phát sinh do t ươ ng tác gi ữ a các ti ể u phân ch ấ t hoà tan v ớ i nh ữ ng ti ể u phân c ủ a dung môi Δ H ht = Δ H ch + Δ H s (1) Nhi ệ t Δ H s luôn luôn âm vì quá trình sonvat hoá luôn to ả nhi ệ t còn nhi ệ t Δ H ch có th ể d ươ ng ho ặ c âm Đố i v ớ i ch ấ t khí, Δ H ch (nhi ệ t ng ư ng t ụ khí vào th ể tích dung d ị ch) luôn âm nên Δ H ht < 0 Đố i v ớ i ch ấ t r ắ n, Δ H ch (nhi ệ t h ấ p th ụ để phá v ỡ m ạ ng l ướ i tinh th ể và đẩ y xa các ti ể u phân trên kho ả ng cách ứ ng v ớ i th ể tích dung d ị ch) luôn d ươ ng nên d ấ u c ủ a Δ H ht s ẽ là d ấ u c ủ a s ố h ạ ng nào trong (1) chi ế m ư u th ế : Nói chung nh ữ ng ch ấ t r ắ n có c ấ u t ạ o m ạ ng l ướ i tinh th ể kém b ề n và có nhi ề u khuynh h ướ ng sonvat hoá hay hình thành nh ữ ng mu ố i ng ậ m n ướ c thì Δ H ht < 0 (s ự hòa tan to ả nhi ệ t) còn nh ữ ng ch ấ t có m ạ ng tinh th ể b ề n và ít sonvat hoá thì Δ H ht > 0 (s ự hoà tan thu nhi ệ t) Nhi ệ t hoà tan c ủ a mu ố i t ă ng khi t ă ng l ượ ng dung môi, nh ư ng n ế u 1 mol mu ố i hoà tan vào 100 − 300 mol dung môi thì khi pha loãng thêm hi ệ u ứ ng nhi ệ t h ầ u nh ư không thay đổ i, l ượ ng nhi ệ t đ ó là nhi ệ t hoà tan c ủ a mu ố i Áp d ụ ng đị nh lu ậ t Hess đố i v ớ i quá trình hoà tan có th ể xác đị nh gián ti ế p hi ệ u ứ ng nhi ệ t c ủ a nh ữ ng quá trình khó đ o tr ự c ti ế p, ví d ụ nh ư nhi ệ t hi đ rat hoá các tinh th ể ng ậ m n ướ c 5 Nhi ệ t hi đ rat hoá là l ượ ng nhi ệ t kèm theo quá trình t ạ o thành 1 mol mu ố i ng ậ m n ướ c t ừ mu ố i khan và l ượ ng n ướ c t ươ ng ứ ng Ví d ụ , s ự t ạ o thành dung d ị ch CuSO 4 trong n mol H 2 O có th ể th ự c hi ệ n b ằ ng hai kh ả n ă ng: 1 CuSO 4 (r) + 5H 2 O ⎯→ CuSO 4 5H 2 O (r) + Δ H hyd CuSO 4 5H 2 O + (n − 5)H 2 O ⎯→ CuSO 4 (dd) + Δ H 1 2 CuSO 4 (r) + nH 2 O ⎯→ CuSO 4 (dd) + Δ H 2 Theo đị nh lu ậ t Hess ta có: Δ H hyd + Δ H 1 = Δ H 2 hay Δ H hyd = Δ H 2 − Δ H 1 = 4 CuSO ht, H Δ − 4 2 ht,CuSO 5H O H Δ (2) Xác đị nh b ằ ng th ự c nghi ệ m nhi ệ t hoà tan c ủ a mu ố i khan và mu ố i ng ậ m n ướ c s ẽ tính đượ c nhi ệ t hi đ rat hoá 2 Ph ươ ng pháp nhi ệ t l ượ ng k ế Hi ệ u ứ ng nhi ệ t c ủ a ph ả n ứ ng hoá h ọ c, nhi ệ t hoà tan, nhi ệ t chuy ể n pha, nhi ệ t dung đượ c xác đị nh b ằ ng m ộ t d ụ ng c ụ g ọ i là nhi ệ t l ượ ng k ế Có nhi ề u lo ạ i nhi ệ t l ượ ng k ế , c ấ u trúc c ủ a chúng r ấ t phong phú ph ụ thu ộ c vào đặ c tr ư ng c ủ a quá trình nghiên c ứ u S ơ đồ m ộ t nhi ệ t l ượ ng k ế đơ n gi ả n nh ấ t ch ỉ ra trên hình 1 Hình 1 Nhi ệ t l ượ ng k ế 1 Bình nhi ệ t l ượ ng k ế ; 2 Nhi ệ t k ế ; 3 Que khu ấ y;4 Ă mpun;5 Nút lie;6 Ch ấ t l ỏ ng Ph ầ n ch ủ y ế u c ủ a nhi ệ t l ượ ng k ế là bình nhi ệ t l ượ ng k ế (1) và l ớ p v ỏ ng ă n c ả n s ự trao đổ i nhi ệ t c ủ a nhi ệ t l ượ ng k ế v ớ i môi tr ườ ng xung quanh Bình nhi ệ t l ượ ng k ế th ườ ng là m ộ t bình Đ êoa đượ c đậ y kín b ằ ng nút lie (5) Nút có khoan l ỗ để c ắ m nhi ệ t k ế (2), que khu ấ y (3) và ă mpun đự ng ch ấ t nghiên c ứ u (4) Nhi ệ t k ế th ườ ng dùng là nhi ệ t k ế kho ả ng hay nhi ệ t k ế Beckman có độ chính xác cao để theo dõi bi ế n thiên nhi ệ t độ trong h ệ Ă mpun là m ộ t ố ng nghi ệ m thu ỷ tinh có đ áy m ỏ ng d ễ b ị ch ọ c th ủ ng để các ch ấ t nghiên c ứ u r ơ i vào ch ấ t l ỏ ng (6) ch ứ a trong bình nhi ệ t k ế 6 Hi ệ u ứ ng nhi ệ t c ủ a quá trình ti ế n hành trong nhi ệ t l ượ ng k ế đượ c xác đị nh theo ph ươ ng trình: q = C k Δ t (3) Ở đ ây: Δ t - bi ế n thiên nhi ệ t độ c ủ a h ệ nhi ệ t l ượ ng k ế ; C k - nhi ệ t dung c ủ a h ệ nhi ệ t l ượ ng k ế (l ượ ng nhi ệ t c ầ n thi ế t để nâng nhi ệ t l ượ ng k ế lên 1 o ) th ườ ng đượ c g ọ i là h ằ ng s ố nhi ệ t l ượ ng k ế − C k có th ể xác đị nh đượ c b ằ ng cách c ộ ng nhi ệ t dung c ủ a t ấ t c ả các b ộ ph ậ n c ủ a nhi ệ t l ượ ng k ế tham gia vào s ự trao đổ i nhi ệ t (bình nhi ệ t l ượ ng k ế , nhi ệ t k ế , que khu ấ y, ă mpun, ch ấ t l ỏ ng trong nhi ệ t l ượ ng k ế v v ): C k = Σ m i C i (4) ở đ ây m i và C i là kh ố i l ượ ng và nhi ệ t dung riêng c ủ a các b ộ ph ậ n c ủ a nhi ệ t l ượ ng k ế Nh ư ng do độ chính xác c ủ a vi ệ c xác đị nh C i không l ớ n nên công th ứ c (4) th ườ ng không đượ c dùng để tính C k Ph ươ ng pháp chính xác h ơ n để tính C k là cho ti ế n hành trong nhi ệ t l ượ ng k ế m ộ t quá trình mà ta đ ã bi ế t tr ướ c hi ệ u ứ ng nhi ệ t q / c ủ a nó Đ o bi ế n thiên nhi ệ t độ Δ t / t ươ ng ứ ng c ủ a h ệ nhi ệ t l ượ ng k ế , s ẽ tính đượ c C k theo ph ươ ng trình: C k = t'''' q'''' Δ (5) − Bi ế n thiên nhi ệ t độ Δ t gây ra do quá trình ti ế n hành trong nhi ệ t l ượ ng k ế có th ể xác đị nh theo hi ệ u nhi ệ t độ tr ướ c và sau khi quá trình x ả y ra ch ỉ trong tr ườ ng h ợ p h ệ hoàn toàn không trao đổ i nhi ệ t v ớ i môi tr ườ ng bên ngoài Trong th ự c t ế , vi ệ c trao đổ i nhi ệ t đ ó không th ể tránh kh ỏ i nên để xác đị nh bi ế n thiên nhi ệ t độ th ự c c ầ n ph ả i hi ệ u ch ỉ nh ph ầ n bi ế n thiên nhi ệ t độ do h ệ trao đổ i nhi ệ t v ớ i môi tr ườ ng ngoài Vi ệ c hi ệ u ch ỉ nh nh ư v ậ y th ườ ng đượ c ti ế n hành b ằ ng ph ươ ng pháp đồ th ị (xem ph ầ n th ự c nghi ệ m) Khi bi ế t Δ t và C k s ẽ tính đượ c hi ệ u ứ ng nhi ệ t c ủ a quá trình theo (3) Ti ế n hành thí nghi ệ m 1 Xác đị nh nhi ệ t hoà tan c ủ a KCl trong n ướ c a) Xác đị nh nhi ệ t dung c ủ a h ệ nhi ệ t l ượ ng k ế C k Hoà tan trong nhi ệ t l ượ ng k ế m ộ t l ượ ng nh ấ t đị nh mu ố i KNO 3 đ ã bi ế t nhi ệ t hoà tan Δ 3 KNO H = 8,52 kcal/mol) Xác đị nh Δ t’ và tính C k theo công th ứ c (5) C k = t'''' q'''' Δ = M g t'''' H 3 KNO Δ Δ − = 8,52 g M t'''' − Δ (kcal/ độ ) (6) Ở đ ây g, M là kh ố i l ượ ng và kh ố i l ượ ng mol c ủ a mu ố i KNO 3 Cách ti ế n hành: Dùng cân phân tích cân ă mpun đ ã s ấ y khô, ghi kh ố i l ượ ng (g 1 ) Cho mu ố i KNO 3 đ ã nghi ề n th ậ t nh ỏ (kho ả ng 6 ÷ 8 g) vào ă mpun (chú ý không để mu ố i dính vào thành ă mpun) và cân l ạ i (g 2 ) L ượ ng mu ố i s ử d ụ ng là g = g 2 − g 1 Dùng bình đị nh m ứ c l ấ y chính xác 500 ml n ướ c c ấ t đổ vào bình nhi ệ t l ượ ng k ế Đậ y n ắ p bình đ ã c ắ m ố ng đự ng ch ấ t, nhi ệ t k ế kho ả ng và 7 que khu ấ y Đế n đ ây b ắ t đầ u ti ế n hành th ự c nghi ệ m xác đị nh Δ t’ Nh ư đ ã nói ở ph ầ n trên, do quá trình hoà tan không th ể tránh kh ỏ i s ự trao đổ i nhi ệ t gi ữ a h ệ nhi ệ t l ượ ng k ế v ớ i môi tr ườ ng xung quanh nên để thu đượ c giá tr ị Δ t th ự c c ầ n ph ả i tính đế n s ự trao đổ i nhi ệ t này V ớ i m ụ c đ ích đ ó thí nghi ệ m đượ c ti ế n hành qua ba giai đ o ạ n liên t ụ c: Giai đ o ạ n đầ u, ch ư a ch ọ c th ủ ng ă mpun, khu ấ y đề u và nh ẹ ch ừ ng 3 phút, sau đ ó v ừ a khu ấ y v ừ a ghi nhi ệ t độ , 30 giây m ộ t l ầ n Khi nào s ự thay đổ i nhi ệ t độ theo th ờ i gian đề u đặ n (kho ả ng 10 ÷ 15 đ i ể m th ự c nghi ệ m) thì ch ọ c th ủ ng ă mpun đự ng ch ấ t nghiên c ứ u và giai đ o ạ n chính b ắ t đầ u Do có hi ệ u ứ ng nhi ệ t c ủ a quá trình hoà tan nên nhi ệ t độ thay đổ i nhanh Ti ế p t ụ c khu ấ y và ghi nhi ệ t độ nh ư trên Khi nhi ệ t độ h ầ u nh ư không thay đổ i n ữ a (mu ố i đ ã tan h ế t) thì giai đ o ạ n chính k ế t thúc và c ũ ng là lúc b ắ t đầ u giai đ o ạ n cu ố i, ti ế p t ụ c khu ấ y và ghi nhi ệ t độ trong vòng 5 phút n ữ a (Chú ý: 3 giai đ o ạ n trên ph ả i làm liên t ụ c, gi ữ a các giai đ o ạ n không d ừ ng thí nghi ệ m l ạ i) D ự a vào các d ữ ki ệ n thu đượ c, v ẽ đồ th ị nhi ệ t độ − th ờ i gian (hình 2) N ế u thí nghi ệ m ti ế n hành t ố t thì giai đ o ạ n đầ u (ab) và giai đ o ạ n cu ố i (de) đượ c bi ể u di ễ n b ằ ng các đ o ạ n th ẳ ng Độ d ố c c ủ a các đ o ạ n th ẳ ng đ ó ph ụ thu ộ c vào t ươ ng quan gi ữ a nhi ệ t độ h ệ nghiên c ứ u và môi tr ườ ng xung quanh Giai đ o ạ n chính đượ c xác đị nh trên đồ th ị tính t ừ các đ i ể m mà đườ ng cong ti ế p xúc v ớ i các đ o ạ n th ẳ ng c ủ a giai đ o ạ n đầ u và giai đ o ạ n cu ố i ( đ o ạ n bd) N ế u cho r ằ ng trong n ử a đầ u c ủ a giai đ o ạ n chính s ự trao đổ i nhi ệ t c ủ a h ệ nghiên c ứ u v ớ i môi tr ườ ng xung quanh gi ố ng nh ư ở giai đ o ạ n đầ u, còn trong n ử a sau gi ố ng nh ư ở giai đ o ạ n cu ố i thì có th ể kéo dài đ o ạ n ab và ed, sau đ ó t ừ C là đ i ể m gi ữ a c ủ a BD k ẻ đườ ng song song v ớ i tr ụ c tung, đườ ng này c ắ t các đườ ng kéo dài ở c và c’; độ dài c ủ a cc’ chính là giá tr ị Δ t th ự c c ầ n tìm Thay Δ t th ự c tìm đượ c vào công th ứ c (6) ở trên tính đượ c C k Hình 2 Xác đị nh Δ t th ự c b ằ ng đồ th ị b) Xác đị nh nhi ệ t hoà tan c ủ a KCl trong n ướ c L ấ y chính xác 500 ml n ướ c c ấ t đổ vào bình nhi ệ t l ượ ng k ế Cân ă mpun đ ã s ấ y khô Cho vào ă mpun kho ả ng 4 ÷ 6 g KCl r ồ i cân l ạ i, tính đượ c l ượ ng cân c ủ a KCl trong ă mpun L ắ p ă mpun vào bình nhi ệ t l ượ ng k ế r ồ i ti ế n hành xác đị nh Δ t c ủ a quá trình hoà tan KCl gi ố ng nh ư đ ã làm v ớ i KNO 3 ở ph ầ n trên Bi ế t Δ t và C k tính đượ c nhi ệ t hoà tan c ủ a KCl trong n ướ c; 8 KCl KCl k KCl g t M C = H Δ − Δ 2 Xác đị nh nhi ệ t hoà tan c ủ a CuSO4 5H2O và CuSO4 Xác đị nh nhi ệ t hoà tan c ủ a CuSO 4 5H 2 O và CuSO 4 khan nh ư đ ã làm v ớ i KCl L ượ ng CuSO 4 5H 2 O l ấ y kho ả ng 8 g, l ượ ng CuSO 4 kho ả ng 5 g Tr ướ c khi cân các mu ố i ph ả i đượ c nghi ề n nh ỏ trong c ố i s ứ Trong tr ườ ng h ợ p không có mu ố i CuSO 4 khan thì l ấ y kho ả ng 10 g mu ố i CuSO 4 5H 2 O nghi ề n trong c ố i s ứ r ồ i đ em rang trên b ế p đ i ệ n (150 ÷ 180 o C) cho đế n khi t ạ o thành mu ố i khan màu tr ắ ng Để ngu ộ i mu ố i đế n nhi ệ t độ phòng r ồ i đ em cân Quá trình hoà tan mu ố i trong nhi ệ t l ượ ng k ế c ầ n khu ấ y m ạ nh h ơ n vì các mu ố i sunfat đồ ng khó tan Sau khi xác đị nh đượ c nhi ệ t hoà tan c ủ a hai mu ố i, tính nhi ệ t hi đ rat c ủ a CuSO 4 5H 2 O theo bi ể u th ứ c (2): H hyd Δ = 4 CuSO ht, H Δ − 4 2 ht, CuSO 5H O H Δ Tính sai s ố c ủ a các k ế t qu ả thí nghi ệ m (C k , Δ H ht ) Ghi các s ố li ệ u và tính toán theo b ả ng 1 B ả ng 1 KNO 3 KCl CuSO 4 5H 2 O CuSO 4 Kh ố i l ượ ng ă mpun r ỗ ng g 1 Kh ố i l ượ ng ă mpun có mu ố i g 2 Kh ố i l ượ ng mu ố i g = g 2 − g 1 Δ t (xác đị nh t ừ đồ th ị ) Nhi ệ t hoà tan Δ H ht (ghi có sai s ố ) Ghi chú: Công th ứ c tính sai s ố các k ế t qu ả th ự c nghi ệ m b) Sai s ố c ủ a vi ệ c xác đị nh C k C k = t H M g 3 KNO Δ Δ ⋅ ( ở đ ây Δ t = t 1 – t 2 ) − L ấ y loga hai v ế : lnC k = lng − lnM + 3 KNO H ln Δ − ln Δ t − L ấ y vi phân: k 1 2 k 1 2 dC dt dt dg d( t) dg = = C g t g t t − Δ − − Δ − − Chuy ể n sang sai s ố : k k 1 2 C g 2 t = + C g t t ε ε ε − ε g là sai s ố c ủ a phép cân (cân phân tích) ε t là sai s ố đọ c nhi ệ t độ (nhi ệ t k ế kho ả ng) c) Sai s ố c ủ a vi ệ c xác đị nh Δ H 9 Δ H = g tM C k Δ ( ở đ ây Δ t = t 1 – t 2 ) Qua bi ế n đổ i nh ư trên thu đượ c: k k 1 2 C H g 2 t = + + H C g t t ε εΔ ε ε Δ − ⎛ ⎞ ε ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ k k võa tÝnh ® − îc ë trªn C C 10 Bài s ố 2 ÁP SU Ấ T H Ơ I BÃO HOÀ M ụ c đ ích Nghiên c ứ u s ự ph ụ thu ộ c c ủ a áp su ấ t h ơ i bão hoà vào nhi ệ t độ và xác đị nh nhi ệ t hoá h ơ i c ủ a ch ấ t l ỏ ng Lí thuy ế t Áp su ấ t h ơ i bão hoà là áp su ấ t c ủ a h ơ i n ằ m cân b ằ ng v ớ i ch ấ t l ỏ ng (ho ặ c v ậ t r ắ n) S ự liên quan gi ữ a áp su ấ t h ơ i bão hoà và nhi ệ t độ sôi c ủ a ch ấ t l ỏ ng đượ c bi ể u th ị b ằ ng ph ươ ng trình Clapeyron - Clausius: hh h 1 H dP = dT T(V V ) Δ − (1) ở đ ây: Δ H hh là nhi ệ t hoá h ơ i mol; V h , V 1 là th ể tích mol c ủ a h ơ i và l ỏ ng Ở áp su ấ t không l ớ n và nhi ệ t độ xa nhi ệ t độ t ớ i h ạ n có th ể b ỏ qua V 1 so v ớ i V h , đồ ng th ờ i xem h ơ i tuân theo đị nh lu ậ t c ủ a khí lí t ưở ng (V h = P RT ), khi đ ó ph ươ ng trình (1) có d ạ ng: 2 hh RT H = dT dlnP Δ (2) Trong kho ả ng nhi ệ t độ t ươ ng đố i h ẹ p có th ể ch ấ p nh ậ n Δ H hh là không đổ i, khi đ ó tích phân ph ươ ng trình (2) thu đượ c: lgP = – T 1 2,303R H hh ⋅ Δ + const = − A B + T 1 ⋅ (3) Ph ươ ng trình (3) ch ứ ng t ỏ s ự ph ụ thu ộ c b ậ c nh ấ t c ủ a lgP vào 1 T N ế u đ o áp su ấ t h ơ i bão hoà c ủ a ch ấ t l ỏ ng ứ ng v ớ i các nhi ệ t độ sôi khác nhau r ồ i l ậ p đồ th ị lgP = f ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ T 1 s ẽ thu đượ c m ộ t đườ ng th ẳ ng (hình 1), d ự a vào h ệ s ố góc c ủ a đườ ng th ẳ ng đ ó tính đượ c nhi ệ t hoá h ơ i c ủ a ch ấ t l ỏ ng: Δ H hh = − 2,303 R tg α (4) Ở đ ây tg α đượ c xác đị nh t ừ to ạ độ c ủ a hai đ i ể m M và N n ằ m chính xác nh ấ t và xa nhau trên đườ ng bi ể u di ễ n N ế u l ấ y hai đ i ể m n ằ m g ầ n nhau ngh ĩ a là khi kho ả ng nhi ệ t độ h ẹ p thì nhi ệ t hoá h ơ i trung bình xác đị nh đượ c s ẽ càng g ầ n nhi ệ t hoá h ơ i th ự c nh ư ng sai s ố c ủ a k ế t qu ả s ẽ càng l ớ n (xem ph ầ n tính sai s ố c ủ a nhi ệ t hoá h ơ i)
Trang 1
NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007, 101 Tr. Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả Mục lục Bài số 1 4
NHIỆT HOÀ TAN 4
Bài số 2 10
ÁP SUẤT HƠI BÃO HOÀ 10
Bài số 3 14
HẰNG SỐ CÂN BẰNG 14
Bài số 4 17
CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỆ HAI CẤU TỬ 17
Bài số 5 22
TÍNH TAN HẠN CHẾ CỦA CHẤT LỎNG 22
Bài số 6 30
PHƯƠNG PHÁP HÀN NGHIỆM 30
Bài số 7 35
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT 35
Bài số 8 39
XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ TỐC ĐỘ CỦA PHẢN ỨNG BẬC MỘT PHẢN ỨNG GHỊCH ĐẢO ĐƯỜNG 39
Bài số 9 43
PHẢN ỨNG THUỶ PHÂN ESTE 43
Bài số 10 46
ĐƯỜNG HẤP PHỤ ĐẲNG NHIỆT 46
Bài số 11 52
ĐỘ DẪN ĐIỆN CỦA DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN LI 52
Bài số 12 59
SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA PIN GANVANI 59
Bài số 13 68
Giáo trình thực tập hóa lý
PGS TS Vũ Ngọc Ban
Trang 2PHÂN TÍCH SA LẮNG 81
Bài số 16 88
XÁC ĐỊNH PHÂN TỬ KHỐI CHẤT POLIME 88
Phụ lục 93
SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO PHƯƠNG PHÁP LẬP BẢNG VÀ DỰNG ĐỒ THỊ TRONG THỰC TẬP HOÁ LÝ 93
Trang 3Lời mở đầu
Tài liệu này bao gồm những bài thực tập cơ bản nhất thuộc chương trình Thực tập Hoá
lý, Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Nội dung gồm 4 phần chính:
Nhiệt động học: 7 bài (từ bài 1 ÷ 7)
Động học: 3 bài (từ bài 8 ÷ 10)
Điện hoá học: 3 bài (từ bài 11 ÷ 13)
Hoá keo, Cao phân tử: 3 bài (từ bài 14 ÷ 16)
Ở mỗi bài đều nêu rõ mục đích, cơ sở lý thuyết, phương pháp tiến hành thí nghiệm và các yêu cầu của bài thí nghiệm Trong phần phụ lục trình bày lý thuyết sai số, phương pháp lập bảng và dựng đồ thị trong thực tập Hóa lý
Tài liệu được viết với sự đóng góp của tập thể cán bộ Bộ môn Hoá lý, tuy đã có nhiều cố gắng nhưng không tránh khỏi các thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quí báu của các bạn đọc
TÁC GIẢ
Trang 4Bài số 1
NHIỆT HOÀ TAN
Mục đích
1 Xác định nhiệt hoà tan của muối KCl trong nước
2 Xác định nhiệt hoà tan của CuSO4, CuSO4.5H2O trong nước và tính nhiệt hiđrat hoá của CuSO4.5H2O
Lí thuyết
1 Nhiệt hoà tan và nhiệt hiđrat hoá của muối
Quá trình hoà tan luôn luôn kèm theo sự giải phóng hay hấp thụ nhiệt tuỳ theo bản chất của chất tan và dung môi
Hiệu ứng nhiệt kèm theo quá trình hoà tan 1 mol chất tan trong một lượng dung môi nào
đó để thu được dung dịch có nồng độ xác định được gọi là nhiệt hoà tan tích phân Hiệu ứng nhiệt kèm theo quá trình hoà tan 1 mol chất tan trong một lượng vô cùng lớn dung dịch có nồng độ xác định được gọi là nhiệt hoà tan vi phân Bằng thực nghiệm chỉ đo được nhiệt hoà tan tích phân còn nhiệt hoà tan vi phân được xác định theo sự phụ thuộc của nhiệt hoà tan tích phân vào nồng độ dung dịch
Nhiệt hoà tan có thể xem là tổng của hai số hạng: nhiệt chuyển chất tan vào dung dịch ΔHch
và nhiệt sonvat hoá (hay nhiệt hiđrat hoá nếu dung môi là nước) ΔHs phát sinh do tương tác giữa các tiểu phân chất hoà tan với những tiểu phân của dung môi
Nhiệt ΔHs luôn luôn âm vì quá trình sonvat hoá luôn toả nhiệt còn nhiệt ΔHch có thể dương hoặc âm Đối với chất khí, ΔHch (nhiệt ngưng tụ khí vào thể tích dung dịch) luôn âm nên ΔHht < 0 Đối với chất rắn, ΔHch (nhiệt hấp thụ để phá vỡ mạng lưới tinh thể và đẩy xa các tiểu phân trên khoảng cách ứng với thể tích dung dịch) luôn dương nên dấu của ΔHht sẽ là dấu của số hạng nào trong (1) chiếm ưu thế: Nói chung những chất rắn có cấu tạo mạng lưới tinh thể kém bền và có nhiều khuynh hướng sonvat hoá hay hình thành những muối ngậm nước thì ΔHht < 0 (sự hòa tan toả nhiệt) còn những chất có mạng tinh thể bền và ít sonvat hoá thì ΔHht > 0 (sự hoà tan thu nhiệt)
Nhiệt hoà tan của muối tăng khi tăng lượng dung môi, nhưng nếu 1 mol muối hoà tan vào
100 − 300 mol dung môi thì khi pha loãng thêm hiệu ứng nhiệt hầu như không thay đổi, lượng nhiệt đó là nhiệt hoà tan của muối
Áp dụng định luật Hess đối với quá trình hoà tan có thể xác định gián tiếp hiệu ứng nhiệt của những quá trình khó đo trực tiếp, ví dụ như nhiệt hiđrat hoá các tinh thể ngậm nước
Trang 5Nhiệt hiđrat hoá là lượng nhiệt kèm theo quá trình tạo thành 1 mol muối ngậm nước từ
muối khan và lượng nước tương ứng Ví dụ, sự tạo thành dung dịch CuSO4 trong n mol H2O
có thể thực hiện bằng hai khả năng:
1 CuSO4 (r) + 5H2O ⎯→ CuSO4.5H2O (r) + ΔHhyd
CuSO4.5H2O + (n − 5)H2O ⎯→ CuSO4 (dd) + ΔH1
2 CuSO4 (r) + nH2O ⎯→ CuSO4 (dd) + ΔH2
Theo định luật Hess ta có:
ΔHhyd + ΔH1 = ΔH2
hay ΔHhyd = ΔH2 − ΔH1 = ΔHht,CuSO4 −ΔHht,CuSO 5H O4 2 (2) Xác định bằng thực nghiệm nhiệt hoà tan của muối khan và muối ngậm nước sẽ tính được nhiệt hiđrat hoá
2 Phương pháp nhiệt lượng kế
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoá học, nhiệt hoà tan, nhiệt chuyển pha, nhiệt dung được xác định bằng một dụng cụ gọi là nhiệt lượng kế
Có nhiều loại nhiệt lượng kế, cấu trúc của chúng rất phong phú phụ thuộc vào đặc trưng của quá trình nghiên cứu Sơ đồ một nhiệt lượng kế đơn giản nhất chỉ ra trên hình 1
Hình 1
Nhiệt lượng kế
1 Bình nhiệt lượng kế; 2 Nhiệt kế; 3 Que khuấy;4 Ămpun;5 Nút lie;6 Chất lỏng
Phần chủ yếu của nhiệt lượng kế là bình nhiệt lượng kế (1) và lớp vỏ ngăn cản sự trao đổi nhiệt của nhiệt lượng kế với môi trường xung quanh Bình nhiệt lượng kế thường là một bình Đêoa được đậy kín bằng nút lie (5) Nút có khoan lỗ để cắm nhiệt kế (2), que khuấy (3) và ămpun đựng chất nghiên cứu (4) Nhiệt kế thường dùng là nhiệt kế khoảng hay nhiệt kế Beckman có độ chính xác cao để theo dõi biến thiên nhiệt độ trong hệ Ămpun là một ống nghiệm thuỷ tinh có đáy mỏng dễ bị chọc thủng để các chất nghiên cứu rơi vào chất lỏng (6) chứa trong bình nhiệt kế
Trang 6Hiệu ứng nhiệt của quá trình tiến hành trong nhiệt lượng kế được xác định theo phương trình:
Ở đây: Δt - biến thiên nhiệt độ của hệ nhiệt lượng kế;
Ck - nhiệt dung của hệ nhiệt lượng kế (lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt lượng kế lên
1o) thường được gọi là hằng số nhiệt lượng kế
− Ck có thể xác định được bằng cách cộng nhiệt dung của tất cả các bộ phận của nhiệt lượng kế tham gia vào sự trao đổi nhiệt (bình nhiệt lượng kế, nhiệt kế, que khuấy, ămpun, chất lỏng trong nhiệt lượng kế v.v ):
ở đây mi và Ci là khối lượng và nhiệt dung riêng của các bộ phận của nhiệt lượng kế Nhưng do độ chính xác của việc xác định Ci không lớn nên công thức (4) thường không được dùng để tính Ck Phương pháp chính xác hơn để tính Ck là cho tiến hành trong nhiệt lượng kế một quá trình mà ta đã biết trước hiệu ứng nhiệt q/ của nó Đo biến thiên nhiệt độ Δt/ tương ứng của hệ nhiệt lượng kế, sẽ tính được Ck theo phương trình:
Ck =
t'
q'
− Biến thiên nhiệt độ Δt gây ra do quá trình tiến hành trong nhiệt lượng kế có thể xác định theo hiệu nhiệt độ trước và sau khi quá trình xảy ra chỉ trong trường hợp hệ hoàn toàn không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài Trong thực
tế, việc trao đổi nhiệt đó không thể tránh khỏi nên để xác định biến thiên nhiệt
độ thực cần phải hiệu chỉnh phần biến thiên nhiệt độ do hệ trao đổi nhiệt với môi trường ngoài Việc hiệu chỉnh như vậy thường được tiến hành bằng phương pháp đồ thị (xem phần thực nghiệm) Khi biết Δt và Ck sẽ tính được hiệu ứng nhiệt của quá trình theo (3)
Tiến hành thí nghiệm
1 Xác định nhiệt hoà tan của KCl trong nước
a) Xác định nhiệt dung của hệ nhiệt lượng kế Ck
Hoà tan trong nhiệt lượng kế một lượng nhất định muối KNO3 đã biết nhiệt hoà tan
Δ
3
KNO
H = 8,52 kcal/mol) Xác định Δt’ và tính Ck theo công thức (5)
Ck =
t'
q'
g
t'
H 3
KNO
Δ
Δ
−
M t'
−
Δ (kcal/độ) (6)
Ở đây g, M là khối lượng và khối lượng mol của muối KNO3
Cách tiến hành:
Dùng cân phân tích cân ămpun đã sấy khô, ghi khối lượng (g1) Cho muối KNO3 đã nghiền thật nhỏ (khoảng 6 ÷ 8 g) vào ămpun (chú ý không để muối dính vào thành ămpun) và cân lại (g2) Lượng muối sử dụng là g = g2 − g1 Dùng bình định mức lấy chính xác 500 ml nước cất đổ vào bình nhiệt lượng kế Đậy nắp bình đã cắm ống đựng chất, nhiệt kế khoảng và
Trang 7que khuấy Đến đây bắt đầu tiến hành thực nghiệm xác định Δt’ Như đã nói ở phần trên, do quá trình hoà tan không thể tránh khỏi sự trao đổi nhiệt giữa hệ nhiệt lượng kế với môi trường xung quanh nên để thu được giá trị Δt thực cần phải tính đến sự trao đổi nhiệt này Với mục đích đó thí nghiệm được tiến hành qua ba giai đoạn liên tục:
Giai đoạn đầu, chưa chọc thủng ămpun, khuấy đều và nhẹ chừng 3 phút, sau đó vừa khuấy vừa ghi nhiệt độ, 30 giây một lần Khi nào sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian đều đặn (khoảng 10 ÷ 15 điểm thực nghiệm) thì chọc thủng ămpun đựng chất nghiên cứu và giai đoạn chính bắt đầu Do có hiệu ứng nhiệt của quá trình hoà tan nên nhiệt độ thay đổi nhanh Tiếp tục khuấy và ghi nhiệt độ như trên Khi nhiệt độ hầu như không thay đổi nữa (muối đã tan hết) thì giai đoạn chính kết thúc và cũng là lúc bắt đầu giai đoạn cuối, tiếp tục khuấy và ghi nhiệt độ trong vòng 5 phút nữa (Chú ý: 3 giai đoạn trên phải làm liên tục, giữa các giai đoạn không dừng thí nghiệm lại)
Dựa vào các dữ kiện thu được, vẽ đồ thị nhiệt độ − thời gian (hình 2) Nếu thí nghiệm tiến hành tốt thì giai đoạn đầu (ab) và giai đoạn cuối (de) được biểu diễn bằng các đoạn thẳng
Độ dốc của các đoạn thẳng đó phụ thuộc vào tương quan giữa nhiệt độ hệ nghiên cứu và môi trường xung quanh
Giai đoạn chính được xác định trên đồ thị tính từ các điểm mà đường cong tiếp xúc với các đoạn thẳng của giai đoạn đầu và giai đoạn cuối (đoạn bd) Nếu cho rằng trong nửa đầu của giai đoạn chính sự trao đổi nhiệt của hệ nghiên cứu với môi trường xung quanh giống như
ở giai đoạn đầu, còn trong nửa sau giống như ở giai đoạn cuối thì có thể kéo dài đoạn ab và
ed, sau đó từ C là điểm giữa của BD kẻ đường song song với trục tung, đường này cắt các đường kéo dài ở c và c’; độ dài của cc’ chính là giá trị Δt thực cần tìm
Thay Δt thực tìm được vào công thức (6) ở trên tính được Ck
Hình 2
Xác định Δt thực bằng đồ thị
b) Xác định nhiệt hoà tan của KCl trong nước
Lấy chính xác 500 ml nước cất đổ vào bình nhiệt lượng kế Cân ămpun đã sấy khô Cho vào ămpun khoảng 4 ÷ 6 g KCl rồi cân lại, tính được lượng cân của KCl trong ămpun Lắp ămpun vào bình nhiệt lượng kế rồi tiến hành xác định Δt của quá trình hoà tan KCl giống như
đã làm với KNO3 ở phần trên Biết Δt và Ck tính được nhiệt hoà tan của KCl trong nước;
Trang 8KCl k
KCl
g
t.M C
=
Δ
2 Xác định nhiệt hoà tan của CuSO4.5H2O và CuSO4
Xác định nhiệt hoà tan của CuSO4.5H2O và CuSO4 khan như đã làm với KCl Lượng CuSO4.5H2O lấy khoảng 8 g, lượng CuSO4 khoảng 5 g Trước khi cân các muối phải được nghiền nhỏ trong cối sứ Trong trường hợp không có muối CuSO4 khan thì lấy khoảng 10 g muối CuSO4.5H2O nghiền trong cối sứ rồi đem rang trên bếp điện (150 ÷ 180oC) cho đến khi tạo thành muối khan màu trắng Để nguội muối đến nhiệt độ phòng rồi đem cân
Quá trình hoà tan muối trong nhiệt lượng kế cần khuấy mạnh hơn vì các muối sunfat đồng khó tan
Sau khi xác định được nhiệt hoà tan của hai muối, tính nhiệt hiđrat của CuSO4.5H2O theo biểu thức (2):
Hhyd
Δ = ΔHht,CuSO4 − ΔHht, CuSO 5H O4 2 Tính sai số của các kết quả thí nghiệm (Ck, ΔHht) Ghi các số liệu và tính toán theo bảng
1
Bảng 1
Khối lượng ămpun rỗng g 1
Khối lượng ămpun có muối g 2
Khối lượng muối g = g 2 − g 1
Δt (xác định từ đồ thị)
Nhiệt hoà tan ΔH ht (ghi có sai số)
Ghi chú: Công thức tính sai số các kết quả thực nghiệm
b) Sai số của việc xác định Ck
Ck =
t
H M
g KNO3
Δ
Δ
⋅ (ở đây Δt = t1 – t2)
− Lấy loga hai vế: lnCk = lng − lnM + lnΔHKNO3 − lnΔt
− Δ
− Chuyển sang sai số: k
−
εg là sai số của phép cân (cân phân tích)
εt là sai số đọc nhiệt độ (nhiệt kế khoảng)
c) Sai số của việc xác định ΔH
Trang 9ΔH =
g
tM
CkΔ
(ở đây Δt = t1 – t2) Qua biến đổi như trên thu được:
k
C
= + +
ε
k k võa tÝnh ®−îc ë trªn
C C
Trang 10Bài số 2
ÁP SUẤT HƠI BÃO HOÀ
Mục đích
Nghiên cứu sự phụ thuộc của áp suất hơi bão hoà vào nhiệt độ và xác định nhiệt hoá hơi của chất lỏng
Lí thuyết
Áp suất hơi bão hoà là áp suất của hơi nằm cân bằng với chất lỏng (hoặc vật rắn)
Sự liên quan giữa áp suất hơi bão hoà và nhiệt độ sôi của chất lỏng được biểu thị bằng phương trình Clapeyron - Clausius:
hh
H dP
=
Δ
ở đây: ΔHhh là nhiệt hoá hơi mol;
Vh, V1 là thể tích mol của hơi và lỏng
Ở áp suất không lớn và nhiệt độ xa nhiệt độ tới hạn có thể bỏ qua V1 so với Vh, đồng thời xem hơi tuân theo định luật của khí lí tưởng (Vh =
P
RT
), khi đó phương trình (1) có dạng:
2
hh
RT
H
= dT
(2)
Trong khoảng nhiệt độ tương đối hẹp có thể chấp nhận ΔHhh là không đổi, khi đó tích phân phương trình (2) thu được:
lgP = –
T
1 2,303R
Δ
+ const = −A +B
T
1
Phương trình (3) chứng tỏ sự phụ thuộc bậc nhất của lgP vào 1
T Nếu đo áp suất hơi bão hoà của chất lỏng ứng với các nhiệt độ sôi khác nhau rồi lập đồ thị lgP = f ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ T
1
sẽ thu được một đường thẳng (hình 1), dựa vào hệ số góc của đường thẳng đó tính được nhiệt hoá hơi của chất lỏng:
ΔHhh = − 2,303.R.tgα (4)
Ở đây tgα được xác định từ toạ độ của hai điểm M và N nằm chính xác nhất và xa nhau trên đường biểu diễn Nếu lấy hai điểm nằm gần nhau nghĩa là khi khoảng nhiệt độ hẹp thì nhiệt hoá hơi trung bình xác định được sẽ càng gần nhiệt hoá hơi thực nhưng sai số của kết quả sẽ càng lớn (xem phần tính sai số của nhiệt hoá hơi)