Thực hành hóa lý

Thông tin môn thực hành thí nghiệm Hóa Lý

Chào mừng đến với thí nghiệm hóa lý Sinh viên sẽ hoàn thành 5 thí nghiệm tại phòng thí nghiệm trong học kì này Phần giới thiệu sẽ cho sinh viên cách nhìn tóm tắt nhất những vấn đề sinh viên cần làm trước khi bắt đầu làm việc trong phòng thí nghiệm

Đây là ba qui tắc cơ bản khi đến phòng thí nghiệm (theo trật tự mức độ quan trọng):

1 An toàn Tuân theo tất cả các hướng dẫn an toàn trong phòng thí nghiệm và các hướng dẫn được chú ý bởi giảng viên hướng dẫn (đây là qui tắc quan trọng nhất trong phòng thí nghiệm)

2 Quan sát và học hỏi 3 Hứng thú khoa học

Hướng dẫn phòng thí nghiệm

1 Sinh viên in tất cả các bài thí nghiệm và đóng thành 1 quyển (bao gồm cả trang bìa với đầy đủ thông tin SV: họ tên, lớp, nhóm)

2 Trước khi đến phòng thí nghiệm, sinh viên phải:

+Hoàn thành phần “báo cáo thí nghiệm” của bài thí nghiệm trước;

+Đọc kĩ phần “Thảo luận lý thuyết”; học thuộc phần “Qui trình tiến hành thực nghiệm” hoàn thành trả lời câu hỏi trong phần “Chuẩn bị thí nghiệm”

của bài thí nghiệm ngày hôm đó, và nộp cho GV hướng dẫn kiểm tra trước khi vào làm thí nghiệm

GV hướng dẫn kiểm tra sau đó đó trả lại để sinh viên ghi kết quả thí nghiệm vào cuối phần quy trình tiến hành thí nghiệm Sau khi làm thí nghiệm xong sinh

viên cần đưa lại bảng kết quả cho GV kí xác nhận

3 Sinh viên sẽ làm việc theo nhóm cho tất cả các thí nghiệm, nhưng mỗi sinh viên

phải tự hoàn thành phần “báo cáo thí nghiệm” Phần này sinh viên có thể thực hiện ở nhà

Thang tính điểm thí nghiệm

Mỗi thí nghiệm có tổng 10 điểm, chia theo các phần sau:

1) Chuẩn bị thí nghiệm – 2 điểm

Phần “chuẩn bị thí nghiệm” nằm ở một số trang cuối của mỗi bài thí nghiệm, và phải được hoàn thành trước khi đến lớp Các câu hỏi trong phần này dựa trên

kiến thức của phần “thảo luận” và “qui trình tiến hành”, cũng như kiến thức từ

bài học liên quan Phần “chuẩn bị thí nghiệm” phải được nộp để GV hướng dẫn kiểm tra khi sinh viên đến lớp

Trước khi tiến hành thí nghiệm GV sẽ kiểm tra phần thảo luận Sinh viên viết câu trả lời ra giấy và nộp lại

2) Tiến hành thực nghiệm – 3 điểm

 Thao tác thực hành – 2 điểm

Trong quá trình SV làm thí nghiệm GV hướng dẫn sẽ quan sát cách SV thực hiện các thao tác và chấm điểm

 An toàn – 0,5 điểm

Sinh viên thực hiện đúng nội quy an toàn phòng thí nghiệm Bất kì sự đổ vỡ dụng cụ thí nghiệm nào xảy ra, sinh viên sẽ mất điểm phần này

 Vệ sinh – 0,5 điểm

Sau khi hoàn thành quá trình thu thập số liệu thực nghiệm và đưa cho GV hướng dẫn kí xác nhận kết quả, sinh viên phải kiểm tra cẩn thận vệ sinh khu vực thí nghiệm và kiểm tra tất cả các dụng cụ để đảm bảo các dụng cụ được sạch hoàn toàn và được đặt đúng nơi qui định Nếu một trong các điều trên bị vi phạm, nhóm sinh viên sẽ mất tất cả điểm ở phần này

3) Báo cáo thí nghiệm – 5 điểm

SV tiến hành tính toán với các số liệu thu được theo yêu cầu của phần báo cáo thí nghiệm

Cuối kì sinh viên nộp lại quyển báo cáo để GV chấm điểm

Một số nội quy phòng thí nghiệm hóa lý

An toàn trong phòng thí nghiệm

 Phải mặc áo blouse tay dài trong suốt thời gian thí nghiệm (áo tay ngắn không được phép vào phòng thí nghiệm) Trên áo mỗi sinh viên phải gắn bảng tên để thuận tiện cho việc GV chấm điểm mục thao tác thực hành  Phải mang dày đế mềm (dép lê, giày cao gót không được cho phép vào

phòng thí nghiệm)  Phải búi tóc gọn gàng

 Khuyến khích mang găng tay nitrile và đeo kính bảo hộ  Không mang đồ ăn, nước uống vào phòng thí nghiệm

Vứt rác và vệ sinh

 Rửa sạch các phễu chiết, các lọ tam giác, các buret và giặt sạch khăn lau  Đặt các dụng cụ và trải khăn lại theo hiện trạng ban đầu

 Quét dọn phòng, đóng cửa, tắt điện, tắt quạt…

Trước khi rời phòng thí nghiệm

 Báo giảng viên kiểm tra khu vực thí nghiệm  Rửa sạch tay trước khi rời phòng thí nghiệm

Kế hoạch môn thực hành Hóa lý

- Buổi 1: gặp gỡ, đưa tài liệu; phổ biến nội quy phòng thí nghiệm; thông tin môn học; giới thiệu một số dụng cụ máy móc sử dụng trong môn học

- Buổi 2: Bài 1, thí nghiệm 1, 2 - Buổi 3: Bài 1, thí nghiệm 3 - Buổi 4: Bài 2, thí nghiệm 1, 2 - Buổi 5: Bài 2, thí nghiệm 3, 4, 5 - Buổi 6: Bài 3, thí nghiệm 1,2 - Buổi 7: Bài 3, thí nghiệm 3 - Buổi 8: Bài 4

- Buổi 9: Bài 5

- Buổi 10: Hướng dẫn xử lý kết quả thí nghiệm và viết báo cáo

THẢO LUẬN LÝ THUYẾT1 ĐIỀU KIỆN CÂNBẰNG HÓA HỌC

Dựa vào các kết quả nghiên cứu thực nghiệm người ta nhận thấy rằng, ở những điều kiệnxác định về nhiệt độ và áp suất, một số lớn phản ứng hóa học diễn biến tới một trạng thái cuối cùng mà ở đó có tồn tại đồng thời cả các chất tham gia phản ứng lẫn sảnphẩm phản ứng, gọi là trạng thái cân bằng. Những phản ứng hóa học xảy ra không hoàn toàn này được gọi làphản ứngthuận nghịch.

Điềukiện cân bằng của phản ứng:

+ Về mặtđộng học: phản ứng đạt cân bằngkhi vt =vn

+ Về mặt nhiệt động: ở điều kiện T, p = const phản ứng đạt cân bằng khi

,\r T,p Gt n=ỵuy,i =0

2 ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG

Định luật này do Gulberg, Waage (NaUy) đưa ra năm 1864, nhằm xác định trạngthái cân bằng của một phản ứng cânbằng.

Xét phản ứngthuận nghịch xảyra trong phakhí: Kc, Kp được gọi là hằngsố cân bằng của phản ứng liên hệ đến nồng độ và áp suất riêng phần cua các chất khí Kc và Kp chỉ phụ thuộc nhiệt độ và bản chất

của chất tham gia phản ứng, sản phẩm tạo thành, mà không phụ thuộc vào nồng độ các chất trong phản ứng cũng như áp suất của hệ

Trường hợp cân bằng xảy ra trong dung dịch:

với aA, aB, aC, aD là hoạt độ ở trạng thái cân bằng của các chất A, B, C, D KT gọi là

hằng số cân bằng nhiệt động hay gọi vắn tắt là hằng số cân bằng KT chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của chất tham gia và sản phẩm tạo thành Đối với dung dịch loãng hệ số hoạt độ của các chất coi như bằng 1, vị trí của hoạt độ có thể thay thế 3.1 Dựa vào thành phần cân bằng

Khi biết thành phần của hệ ở trạng thái cân bằng, có thể tìm hằng số cân bằng bằng cách thay nồng độ hoặc áp suất của các chất vào các biểu thức (1), (2)

Khi biết rGo sẽ xác định được KP, từ đó suy ra KC = KP.(RT)-Δυ Trường hợp cân bằng xảy ra trong dung dịch:

4 ĐỊNH LUẬT PHÂN BỐ NERNST

Ta biết rằng, khi hai chất lỏng không tan vào nhau thì hỗn hợp sẽ được tách làm hai (lớp nặng hơn ở dưới và nhẹ hơn ở trên, chính xác hơn là chất có khối lượng riêng lớn hơn nằm dưới) Nếu ta thêm một chất thứ 3 nào đó có khả năng

dịch cân bằng có nồng độ khác nhau Giả thuyết rằng giữa chất tan và dung môi không có phản ứng hóa học xảy ra Theo Nhiệt động học, thế hóa học của chất tan trong 2 pha bằng:

µ1 = µ01 + RT lna1 µ2 = µ02 + RT lna2

với µ1, µ2, µ01, µ02 là hóa thế và hóa thế tiêu chuẩn của chất tan trong 2 dung môi tương ứng; a1 và a2 là hoạt độ của chất tan trong 2 dung môi

Điều kiện cân bằng: µ1 = µ2

Suy ra µ01 + RT lna1 = µ02 + RT lna2  1

Kpb được gọi là hệ số phân bố của chất tan giữa dung môi 1 và dung môi 2 Kpb chỉ phụ thuộc vào bản chất của các chất và nhiệt độ Đối với dung dịch loãng có thể thay hoạt độ của chất tan bằng nồng độ

Cách tính trên chỉ đúng khi chất tan thứ 3 không làm thay đổi sự tan lẫn của hai chất lỏng và các chất không có sự phân li hay kết hợp

Ví dụ xét trường hợp có sự phân li của chất tan trong 1 pha: giả sử chất tan KA phân bố trong 2 dung môi 1 và 2, trong dung môi 1 KA phân li tạo thành K+ và A- (Hình 1)

Gọi nồng độ của KA trong dung môi 1 là C1 và độ điện li của KA là α thì

nồng độ ion K+ và A- bằng αC1, nồng độ KA không phân li là (1- α)C1

Như vậy muốn xác định được hằng số cân bằng Kcb cần tìm C1 và α

Giả sử nồng độ KA trong dung môi 2 là C2 Khi đó hằng số phân bố:

Nếu biết Kpb và bằng thực nghiệm có thể xác định được nồng độ KA trong dung môi 2 ([KA]2 = C2), thì có thể tính được nồng độ cân bằng của KA trong dung môi 1 ([KA]1 = (1- α)C1) dựa theo công thức (5)

Dựa vào định luật bảo toàn khối lượng xác định được nồng độ C1:

với V1, V2 là thể tích dung môi 1, 2; n0KA là tổng số mol KA

Khi biết C1 và (1- α)C1 sẽ suy ra α, từ đó xác định được hằng số cân bằng theo (4)

Như vậy dựa vào định luật phân bố có thể xác định được nồng độ cân bằng của [KA], [A-], [K+] và từ đó có thể xác định được hằng số cân bằng

QUY TRÌNH TIẾN HÀNH VÀ THU THẬP SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM Thí nghiệm 1: Chiết I2 từ dung dịch CCl4 bằng nước cất và dung dịch KI

Cho vào 2 bình nón nút mài mỗi bình 10 mL I2 trong CCl4 Bình thứ nhất thêm 100 mL nước cất, bình thứ 2 thêm vào 50 mL dung dịch KI 0,1 N Đậy nắp và lắc thật kĩ trong 30 phút, thỉnh thoảng mở nắp cho CCl4 bay ra Sau khi lắc xong, cho vào 2 phễu chiết để yên trên giá cho hệ tách lớp Chiết lấy lớp CCl4 phía dưới cho vào 2 bình nút mài 100 mL đậy chặt Phần dung dịch trong phễu chiết xả bỏ đi một phần lẫn CCl4 ở phía dưới, phần còn lại cho vào 2 bình nút mài 100 mL và đậy chặt lại Ghi số thứ tự các bình:

Bình 1: đựng I2 / CCl4 lấy từ phễu chiết 1 Bình 2: đựng I2 / CCl4 lấy từ phễu chiết 2 Bình 3: đựng I2 / H2O lấy từ phễu chiết 1

Bình 4: đựng I2 / dung dịch KI lấy từ phễu chiết 2

Thí nghiệm 2: Chuẩn độ dung dịch gốc I2 trong CCl4

Chuẩn độ dung dịch gốc I2 trong CCl4 bằng dung dịch Na2S2O3 0,01 N Lấy chính xác 1 mL dung dịch I2 trong CCl4 cho vào một bình tam giác 250 mL, thêm vào 10 mL KI 0,1 N, lắc kĩ rồi chuẩn độ hỗn hợp cho đến màu vàng rơm thì cho hồ tinh bột vào và chuẩn độ đến mất màu là dừng Khi chuẩn độ cần lắc mạnh, chuẩn độ 3 lần rồi lấy kết quả trung bình

Thí nghiệm 3: Xác định hằng số phân bố và hằng số cân bằng bằng phương pháp chuẩn độ

Chuẩn độ dung dịch I2 trong CCl4 ở bình 1 và bình 2 bằng dung dịch Na2S2O3 0,01 N Các bước tiến hành chuẩn độ giống thí nghiệm 2 Chuẩn độ 3 lần rồi lấy kết quả trung bình

Chuẩn độ I2/H2O ở bình 3: Mỗi lần chuẩn độ lấy 10 mL dung dịch, chuẩn bằng dung dịch Na2S2O3 0,001 N Chuẩn độ 3 lần rồi lấy kết quả trung bình

Chuẩn độ I2 / dung dịch KI: Mỗi lần chuẩn độ lấy 2 mL dung dịch, chuẩn bằng dung dịch Na2S2O3 0,01 N Chuẩn độ 3 lần rồi lấy kết quả trung bình

Kết quả thí nghiệm ghi vào bảng sau:

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Thí nghiệm 2: Xác định nồng độ dung dịch gốc I2 trong CCl4

1 Tính giá trị trung bình thể tích dung dịch Na2S2O3

3 Tính hằng số phân bố của sự phân bố I2 trong H2O/CCl4

4 Tính nồng độ cân bằng của I2 tự do trong lớp dung dịch KI (tức là [I2]H2O (p2))

5 Tính nồng độ cân bằng của KI và KI3 trong lớp dung dịch KI

Chuyển nồng độ thành mol/L: CM = CN/n (n là số e trao đổi hoặc điện tích)

6 Từ kết quả thu được hãy tính hằng số cân bằng của phản ứng KI +I2 KI3

CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM

1 Trình bày các bước tiến hành thí nghiệm để xác định hằng số cân bằng của cân bằng KI + I2 KI3

2 Viết biểu thức tính K cân bằng của phản ứng I2 + KI KI3 Cho biết Kcb phụ thuộc vào những yếu tố nào? Kể tên các phương pháp xác định Kcb Trong thí nghiệm trên Kcb được xác định bằng phương pháp nào?

3 Nêu mục đích của việc tiến hành thí nghiệm ở bình 1 tức là thí nghiệm phân bố I2 giữa lớp nước và CCl4?

4 Nêu mục đích của việc tiến hành thí nghiệm ở bình 2 tức là thí nghiệm phân bố I2 giữa lớp dung dịch KI và CCl4?

5 Mục đích của việc chuẩn độ các dung dịch bằng Na2S2O3? Viết phương trình phản ứng xảy ra Tại sao khi chuẩn độ lớp nước ở phễu 1 người ta lấy 10 mL dung dịch chuẩn độ bằng dung dịch Na2S2O3 0,001 N, trong khi chuẩn độ các dung dịch khác người ta lại lấy 1 mL (lớp CCl4) và 2 mL (lớp dung dịch KI) và sử dụng dung dịch Na2S2O3 0,01 N?

6 Tại sao khi chuẩn độ I2 trong nước thì không nên cho hồ tinh bột vào ngay từ đầu và khi chuẩn I2 trong CCl4 phải thêm dung dịch KI vào

Nhóm SV thực hiện bài TN gồm:

BÀI THÍNGHIỆMSỐ 2

XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG HOẠT HÓA CỦA PHẢNỨNG HÓA HỌC

GIỚI THIỆU MỤC ĐÍCH

Xác định năng lượnghoạt hóa Ea của phản ứng thủy phân etyl axetat:

CH3COOC2H5 +H2O,h+ sCH3COOH+ C2H5OH

THẢO LUẬN LÝ THUYẾT1 Tốc độ của phản ứnghóa học

Các phản ứng diễn ra nhanh chậm khác nhau Để đặc trưng cho diễn biến nhanh hay chậm của một phản ứng người ta dùng khái niệm tốc độ phảnứng.

Tốc độ phản ứng được đo bằng độ biến thiên nồng độ của một trong các chất tham gia hoặc tạo thànhtrong một đơn vịthờigian Đơn vịtốc độ phản ứng là [nồng

ở đây AC là biến thiên nồng độ của các chất = nồng độ sau trừ nồng độ trước, tương ứng At = thời gian sau trừ thời giantrước.

Như vậy để biểu diễn tốc độ phản ứng người ta có thể chọn bất kỳ chất nào trong phản ứng, nhưng trên thực tế, người ta thường chọn chất nào dễ theo dõi, dễ xác địnhđược lượng của chúng ở các thời điểm khác nhau.

Tốc tức thời của phảnứng

Tốc độ tức thời là tốc độ được đo tại thời điểm t và được tính bằng vi phân của nồng độ theo thời gian:

a dt b dt c dt d dt

2 Định luật cơ bản trong động hoá học

Định luật tác dụng khối lượng: “Ở nhiệt độ không đổi tốc độ của một phản ứng xảy ra trong hệ đồng thể tỷ lệ thuận với tích nồng độ của các chất tham gia

phản ứng (với số mũ xác định)”

Ví dụ: Đối với phản ứng tổng quát: aA + bB ⟶ cC + dD

Biểu thức toán học của định luật tác dụng khối lượng có dạng: v = kC C nA mB trong đó, v: tốc độ tức thời của phản ứng ở thời điểm xác định;

CA, CB : nồng độ tức thời của các chất A và B ở thời điểm đó;

n, m: là bậc của phản ứng theo chất A, B; tổng n+m là bậc chung của phản ứng

k: hằng số tốc độ, phụ thuộc vào bản chất của phản ứng; nhiệt độ và sự có mặt của chất xúc tác Ta thấy khi nồng độ các chất bằng 1 mol/L thì k = v Vậy hằng số tốc độ chính là tốc độ của phản ứng khi nồng độ các chất bằng đơn vị - gọi là tốc độ riêng Đây chính là ý nghĩa vật lí của hằng số tốc độ k Đơn vị của hằng số tốc độ tùy thuộc vào bậc phản ứng (n): [k] = M1-n(thời gian)-1

lnC phụ thuộc vào thời gian t theo phương trình là một

đường thẳng Hệ số góc cho biết giá trị (-k)

C phụ thuộc vào thời gian t theo phương trình đường thẳng Hệ số góc cho biết giá trị k

C phụ thuộc vào thời gian t theo phương trình đường thẳng Hệ số góc cho biết (-k) Nếu tất cả các trường hợp đều không thu được dạng đường thẳng thì phản ứng có bậc phức tạp

Thông thường trong thực nghiệm người ta sử dụng phương pháp cô lập để xác định bậc phản ứng của từng chất Theo đó ví dụ để xác định bậc phản ứng của chất A thì ta lấy các chất khác với nồng độ rất lớn so với chất A Vậy nồng độ các chất phản ứng khác xem như không đổi tại thời điểm t, nên trong biểu thức của định luật tác dụng khối lượng sẽ không có mặt các chất phản ứng khác, mà chỉ có mặt chất A Từ đó xác định bậc phản ứng chính là bậc của A Tương tự cũng làm như vậy lần lượt với các chất phản ứng khác

4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng Năng lượng hoạt hóa và các phương pháp xác định năng lượng hoạt hóa

Thực nghiệm cho thấy sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng v vào nhiệt độ T là khác nhau đối với những phản ứng khác nhau Đối với đa số các phản ứng trong thực tế khi tăng nhiệt độ tốc độ phản ứng tăng theo quy luật hàm số mũ

Quy tắc gần đúng của Van’t Hoff: Ở nhiệt độ không cao và trong khoảng

nhiệt độ không lớn, Van’t Hoff khi khảo sát thực nghiệm đã khái quát: Thông thường cứ tăng lên 10oC thì tốc độ phản ứng tăng từ 2 đến 4 lần Số lần tăng tốc độ khi tăng mỗi 10oC gọi là hệ số nhiệt độ  tức là:  = T 10 T 10

Quy tắc này chỉ áp dụng được khi khoảng nhiệt độ biến thiên nhỏ hơn 100oC Trên thực tế giá trị hệ số nhiệt độ có thể nằm trong hoặc ngoài khoảng (2; 4)

Phương trình Van’t - Hoff chỉ là phương trình gần đúng Khi phản ứng thực hiện ở nhiệt độ cao thì biểu thức của Van’t - Hoff không còn dùng được

Với k - là hằng số tốc độ; A- hằng số trước lũy thừa, có giá trị riêng cho mỗi loại phản ứng và không phụ thuộc vào nhiệt độ; Ea - hằng số đối với một phản ứng xác định, nghĩa là nó phụ thuộc vào bản chất của các chất phản ứng, Ea không phụ

thuộc vào nhiệt độ và được gọi là năng lượng hoạt hóa; T – nhiệt độ của phản ứng

Từ biểu thức Arrhenius, ta thấy khi T tăng, tốc độ phản ứng tăng Mặt khác, phản ứng có năng lượng hoạt hóa càng lớn sẽ diễn

ra với tốc độ càng nhỏ

Năng lượng hoạt hóa là năng lượng dư tối thiểu mà phân tử chất phản ứng cần đạt được để phản ứng có thể xảy ra, là độ cao của hàng rào năng lượng của phản ứng

EI, EII: năng lượng của các chất phản ứng (A+B); và sản phẩm (C+D); E*: năng lượng của các chất ở trạng thái hoạt động;

E1 = E*-EI; E2 = E*-EII: năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận và phản ứng nghịch;

ΔH = EII - EI = E1 – E2: hiệu ứng nhiệt của phản ứng

Phương pháp xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng:

+ Phương pháp 2 nhiệt độ :

Từ phương trình Arrhenius suy ra lnk = lnA – Ea/(RT) Với nhiệt độ T1 ta có lnkT1 = lnA – Ea/(RT1) Với nhiệt độ T2 ta có lnkT2 = lnA – Ea/(RT2)

đây là hệ quả rút ra từ phương trình Arrhenius

Như vậy bằng thực nghiệm nếu ta xác định được hằng số tốc độ của phản ứng ở ít nhất hai nhiệt độ khác nhau T1, T2 thì khi đó có thể tính được năng lượng

Sự diễn biến của phản ứng A + B → C + D theo năng lượng

xác địnhtheophươngpháp đồ thị.

Từ phương trình Arrhenius In k = —a + constsuy ra Ink phụ thuộc tuyên

tính vào 1/T Vẽ đồ thị phụ thuộc của Ink vào 1/T Từ phương trình đường thẳng (hồi quy tuyên tính) y = ax + b sẽ suy ra năng lượnghoạt hóa: Ea = R.a.

Trong thí nghiệm ta xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng:

CH3COOC2H5 +H2O, "sCH3COOH+ C2H5OH

Khi thực hiện phản ứng trên ta lấy lượng nước rất lớn so với lượng etyl axetat thì ta có thể xem nồng độ của nước làkhông thay đổi và phản ứng tiên hành theo cơ chê bậc 1 Phương trình động học của phản ứng bậc 1 có dạng:

Trong đó C°: nồng độ ban đầu của etyl axetat; x: nồng độ etylaxetat đã phản ứng sau thời gian t; k là hằng số tốc độ phản ứng.

k/2,303, từ đó suy ra k Tiên hành hai thí nghiệm ở 2 nhiệt độ khác nhau sẽ thu được hai giá trị kTi và kT2 và suy ra giá trị năng lượng hoạthóa Ea bằng cách thay vào (2) hoặc tiên hành ở nhiều nhiệt độ khác nhau và sử dụng phương pháp đồ thị để xác địnhnăng lượng hoạt hóa.

QUI TRÌNH TIẾN HÀNH VÀ THU THẬP SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM Thí nghiệm 1: Xác định hằng số tốc độ của phản ứng giả bậc một ở nhiệt độ phòng To

Cho vào bình tam giác 100 mL nút mài 80 mL HCl 0,1 N Sau đó cho vào bình 4 mL etyl axetat tinh khiết Lắc đều và tính thời gian

Xác định Vo: Sau khi thêm etyl axetat vào bình, lắc đều rồi nhanh chóng lấy

10 mL dung dịch cho vào bình tam giác và chuẩn độ nhanh bằng dung dịch NaOH 0,1 N với chỉ thị phenolphthalein (chuẩn độ đến vừa xuất hiện màu hồng bền là dừng)

Xác định Vt: Cứ 20 phút lấy 10 mL ở mỗi bình và chuẩn độ bằng NaOH 0,1 N Làm 6 lần và ghi kết quả vào bảng

Xác định V∞: Cho vào bình tam giác 100 mL nút mài 80 mL HCl 0,1 N và 4

mL etyl axetat tinh khiết Đậy chặt bình phản ứng Sau thời gian 1 tuần lấy 10 mL chuẩn độ bằng NaOH 0,1 N

Thí nghiệm 2: Xác định hằng số tốc độ của phản ứng giả bậc một ở nhiệt độ 35oC

Cho vào bình tam giác 100 mL nút mài 80 mL HCl 0,1 N Đặt bình phản ứng vào trong bếp cách thủy có nhiệt độ bằng 35oC Sau 5 phút khi nhiệt độ của dung dịch đạt 35oC cho tiếp vào bình 4 mL etyl axetat và lắc đều, đặt lại vào trong bếp cách thủy và tính thời gian Cứ 20 phút lấy 10 mL dung dịch và chuẩn độ bằng dung dịch NaOH 0,1 N Làm 6 lần và ghi kết quả vào bảng

Thí nghiệm 3, 4, 5: Xác định hằng số tốc độ của phản ứng giả bậc nhất ở nhiệt độ 40oC; 45oC; 50oC

Làm tương tự thí nghiệm 2 Đặt bình phản ứng vào các bếp cách thủy có nhiệt độ tương ứng là 40oC; 45oC; 50oC Mỗi bình chuẩn độ 6 lần và ghi kết quả vào bảng:

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

1 Điền các kết quả thí nghiệm ở các nhiêt độ vào bảng:

2) Vẽ đồ thị phụ thuộc log (V∞-Vt) vào thời gian t ở các nhiệt độ khác nhau và tính kT của phản ứng Xác định các giá trị hằng số tương quan R2, từ đó nhận xét kết quả thu được

3) Ghi kết quả tính k vào bảng và tính năng lượng hoạt hóa dựa vào 2 nhiệt độ (T0;T1); (T0; T2); (T0; T3); (T0; T4) Nhận xét kết quả thu được

4) Vẽ đồ thị phụ thuộc của ln k vào 1/T Dựa vào đồ thị tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng (ghi rõ đơn vị) So sánh với kết quả thu được ở mục 3 Rút ra kết luận cần thiết

CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM

1 Trình bày các bước tiến hành thí nghiệm để xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng thủy phân etyl axetat trong môi trường axit

2 Năng lượng hoạt hóa là gì? Nêu các phương pháp xác định năng lượng hoạt hóa 3 Nhiệt độ có ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ phản ứng?

4 Nêu mục đích của việc sử dụng dung dịch NaOH trong các thí nghiệm trên Viết phản ứng xảy ra Nồng độ NaOH ảnh hưởng gì đến chuẩn độ? Tại sao trong thí nghiệm lại chọn dung dịch NaOH 0,1 N?

Hướngdẫn xử lý sốliệu

Tại thời điểm ban đầu trong dung dịch chỉ có CH3COOC2H5 và HCl (xúc tác), chuẩn độ bằng NaOH xảyra phản ứng:

CH3COOH + NaOH ^ CH3COONa +H2O

Gọi V0 là thể tích NaOH cần để chuẩn độ lượng HCl ban đầu có trong 10 mL dung dịch được chuẩn độ Như vậy giátrị (Vt -Vo) là thể tích NaOH cần thiết để chuẩn lượng CH3COOH sinh ra do phản ứng thủy phân sau thời gian t Lượng etyl axetat đãphản ứng sau thời gian t tỉ lệ với (Vt -Vo) do vậy taviết:

x = m (Vt -Vo), trong đó m là hệ số tỉ lệ.

Một cách tương tự như vậy, lượng CH3COOC2H5 đã phản ứng ở thời điểm vô cùng sẽ tỉ lệ với (V® -Vo) Lượng này chính bằng lượngCH3COOC2H5 ban đầu:

log(V, - ý.)= log(V, - Vo ) - yl^i

Phươngtrình trên có dạng: y = ax + b (x = t; y= log(V®-Vt)) Từ các cặp số liệu thực nghiệm (xi;yi), dùng các

phần mềm tính toán thống kê như excell, origin, xây dựng phương trình hồi qui tuyến tính y = ax +b (theo phương pháp “tôngbìnhphương các sai số lànhỏ nhât”) Biễu diễn các phương trình thu được trên đồ thị theo mẫu

ở hình bên Từ giá trị a tìm được suy ra hằng số tốc độ kT1 và kT2

Bằng phương pháp đồ thị xác định năng lượng hóa bằng cách vẽ đồ thị phụ thuộc của lnk vào 1/T, thu phương trình hồi quy tuyến tính y = Ax + B, khi đó năng lượng hoạt hóa Ea = - A.R

Chú ý: hằng số tương quan cho phép đánh giá định lượng sai số của thí nghiệm Giá trị R2 càng gần 1 thì kết quả thí nghiệm có độ tin cậy càng cao và ngược lại nếu giá trị R2 càng bé hơn 1 thì mức độ tin cậy của thí nghiệm càng thấp

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 3

HẤP PHỤ ĐẲNG NHIỆT VÀ PHƯƠNG TRÌNH FRENDLICH

GIỚI THIỆU MỤC ĐÍCH

Xác định sự hấp phụ axit axetic bởi than hoạt tính trong nước

THẢO LUẬN LÝ THUYẾT 1 Một số khái niệm cơ bản

Sự hấp phụ là hiện tượng bề mặt nhằm thu hút chất bị hấp phụ lên bề mặt

chất hấp phụ, làm giảm sức căng bề mặt của chất hấp phụ Ngược với sự hấp phụ,

quá trình đi ra của chất hấp phụ khỏi bề mặt chất hấp phụ gọi là sự giải hấp hoặc

phản hấp Khi tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì sự hấp phụ đạt trạng thái cân bằng

Dựa vào bản chất của lực hấp phụ, người ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực vật lý (lực tương tác phân tử), còn hấp phụ hoá học gây ra bởi lực hoá học (lực của liên kết hoá học)

Do lực hấp phụ yếu, nên hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch Khi nhiệt độ tăng lực tương tác phân tử giảm nên độ hấp phụ vật lý giảm Vì vậy hấp phụ vật lý thường tiến hành ở nhiệt độ thấp (thấp hơn nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụ) Hấp phụ vật lý có thể là hấp phụ đơn lớp hoặc đơn phân tử, cũng có thể là đa lớp hoặc đa phân tử

Hấp phụ hoá học có bản chất của một phản ứng hoá học, nên hấp phụ hoá học có tính bất thuận nghịch (rất khó thực hiện sự giải hấp) Khi nhiệt độ càng tăng, tốc độ phản ứng hoá học tăng, nên độ hấp phụ hoá học tăng Do đó hấp phụ hoá học thường xảy ra ở nhiệt độ cao

Sự hấp phụ phát nhiệt, nhiệt hấp phụ vật lý rất nhỏ, nhiệt hấp phụ hoá học lớn; tương đương hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoá học Tuy nhiên ranh giới giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học chỉ là tương đối Đặc biệt khi chất hấp phụ là những ion hữu cơ thì hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học thường xảy ra đồng thời Ion hữu cơ dễ bị hấp phụ bởi các bề mặt phân cực, bề mặt có điện tích ngược dấu, cũng có trường hợp bề mặt mang điện tích cùng dấu thì có thể do lực tương tác phân tử lớn hơn lực đẩy tĩnh điện

Nhóm SV thực hiện bài TN gồm:

Sự hấp phụ có tính chọn lọc và định hướng theo quy tắc: những chất có

tính chất tương tự nhau dễ hấp phụ vào nhau Những phần có tính phân cực như nhau hoặc gần giống nhau sẽ hướng vào nhau Nếu là hấp phụ hoá học đối với các ion, thì ion bị hấp trước phải là ion có trong thành phần cấu tạo tinh thể ở bề mặt, sau đó là những ion tương tự có khả năng hoàn thành cấu tạo mạng lưới tinh thể ở bề mặt Thứ tự hấp phụ đối với các ion ấy theo sự ưu tiên cho ion có điện trường lớn hơn (điện tích lớn, sonvat hoá ít hơn)

Ví dụ: chất rắn AgI hấp phụ mạnh đối với I- khi trong dung dịch có KI, nhưng cũng có khả năng hấp phụ ion Cl- (hoặc SCN-) khi trong dung dịch có NaCl hoặc NaSCN …

2 Độ hấp phụ và độ phủ

Độ hấp phụ (G) hay còn gọi là tải trọng hấp phụ của một chất hấp phụ là

lượng chất bị hấp phụ đã bị hấp phụ trên một đơn vị diện tích hoặc trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ, ở một nhiệt độ xác

Trong thực nghiệm, việc xác định độ hấp phụ của chất hấp phụ rắn trong dung dịch phân tử và dung dịch điện ly ở nhiệt độ không đổi, dựa vào phương

Với G: độ hấp phụ (mol/g); C0 và C: nồng độ đầu và cân bằng của dung dịch chất bị hấp phụ (mol/L); V: thể tích (L) dung dịch; m: khối lượng (g) chất hấp phụ

Ở nhiệt độ không đổi, độ hấp phụ phụ thuộc vào bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, bề mặt chất hấp phụ, nồng độ (hoặc áp suất) của chất bị hấp phụ

Khi tăng nồng độ chất bị hấp phụ thì độ hấp phụ tăng đến sau đó không đổi cho dù nồng độ chất bị hấp phụ tiếp tục tăng Độ hấp phụ cực đại Gmax là độ hấp phụ tối đa của chất hấp phụ ứng với nồng độ cân bằng xác định của

Khoảng xác định của độ phủ: khi 0 < θ < 100% thì xảy ra hấp phụ đơn lớp không hoàn toàn, khi θ >100% thì có hấp phụ đa lớp và khi θ =100% thì xảy ra hấp phụ đơn lớp hoàn toàn

Quan hệ giữa độ phủ với độ hấp phụ:

Diện tích bề mặt đã hấp phụ có liên hệ với độ hấp phụ: Sp = G.NA.So, ở đây So gọi là độ phủ cơ bản hoặc độ phủ nguyên tố, đó là diện tích tối thiểu của một phân tử hoặc một ion chiếm chỗ ở bề mặt chất hấp phụ; NA là số Avogadro

a) Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Giả thiết hấp phụ vật lý trên bề mặt rắn là hấp phụ đơn lớp, bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lượng, do đó nhiệt hấp phụ ở mọi điểm là như nhau

Trong một hệ kín đẳng nhiệt, một chất rắn hấp phụ tiếp xúc với một chất khí có áp suất p Nếu tổng số điểm có khả năng hấp phụ trên một cm2 bề mặt chất hấp

phụ là x, trong đó y điểm đã hấp phụ thì số điểm còn lại chưa hấp phụ là: x-y và tốc độ hấp phụ (vh) được xác định theo công thức: vh= kh(x-y)P

Tốc độ giải hấp (vp) tỷ lệ thuận với y: vp= kp.y

Khi có cân bằng hấp phụ thì vh = vp, nên: kh(x-y)p = kp.y

Phương trình (1) được gọi là phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, cho biết quan hệ giữa độ hấp phụ và áp suất (nồng độ) cân bằng của chất bị hấp phụ, trong đó Gmax và a là các hằng số phụ thuộc nhiệt độ đối với một cặp chất hấp phụ và chất bị hấp phụ xác định Đại lượng a = kh/kp có ý nghĩa của hằng số cân bằng hấp phụ được gọi là hệ số hấp phụ, nó tăng theo hệ số mũ với nhiệt độ ở áp suất thấp

Hình 1 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

+ Tại vùng áp suất thấp: ap << 1 thì G = Gmax a.p => độ hấp phụ tỉ lệ tuyến tính với áp suất;

+ Tại vùng áp suất cao ap >> 1 thì G = Gmax => độ hấp phụ đạt cực đại; + Ứng với khoảng áp suất trung bình đường cong hấp phụ Langmuir không phù hợp với đường cong thực nghiệm

Phương trình (1) có thể biến đổi về dạng:

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir cho sự hấp phụ đơn lớp không chỉ áp dụng đối với chất khí mà cả dung dịch phân tử loãng, khi đó áp suất được thay bằng nồng độ

b) Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich

Freundlich nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất chất khí đến độ hấp phụ ở nhiệt độ không đổi và nhận thấy: các đường hấp phụ đẳng nhiệt có dạng gần giống với 1 nhánh của parabol nên ông đã đề nghị công thức thực nghiệm:

Trong đó G: độ hấp phụ (tính theo mol/g); x: số mol chất bị hấp phụ; m: khối lượng chất hấp phụ (g); p là áp suất cân bằng của khí quanh vật hấp phụ; C: nồng độ cân bằng hấp phụ (mol/L); k và n: các hằng số đối với một cặp chất hấp

Phương trình (2) chỉ thích hợp cho khoảng áp suất hoặc nồng độ chất hấp phụ trung bình, không áp dụng khi nồng độ chất bị hấp phụ lớn

c) Phương trình BET

Trong một số trường hợp, đường hấp phụ đẳng nhiệt không tiệm cận với đường nằm ngang mà có dạng hình chữ s ngược, tức là ở áp suất cao độ hấp phụ lại tăng

Có 2 khả năng cho trường hợp này:

+ Với các vật hấp phụ xốp, các phân tử chất bị hấp phụ có thể bị ngưng tụ

trong các lỗ xốp mao quản của vật hấp phụ, ở đó áp suất hơi bão hòa bé hơn áp suất hơi bão hoà của nó ở trên bề mặt thoáng Đây là sự ngưng tụ mao quản

+ Theo Poliani, trong một số trường hợp, bán kính tác dụng của lực phân tử

lớn hơn bán kính tác dụng của lực hoá trị dư trong thuyết Langmuir, khi đó sự hấp phụ không chỉ tạo lớp hấp phụ đơn phân tử mà thành nhiều lớp phân tử chồng lên nhau (lớp đa phân tử)

Brunaoe, Emét và Tenle đã khái quát hóa các lý luận của Langmuir và Poliani để đưa ra phương trình hấp phụ đẳng nhiệt cho quá trình này như sau: Trong đó: p0 là áp suất hơi bão hoà của chất bị hấp phụ ở cùng nhiệt độ với nhiệt độ xảy ra hấp phụ; V: thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất cân bằng p đã cho; Vm : thể tích khí bị hấp phụ ở lớp đơn phân tử; c: hằng số phụ thuộc nhiệt độ: ceRT



Biết Vm có thể tính được diện tích bề mặt chất hấp phụ Phương trình BET là phương trình hấp phụ vật lý đa lớp của chất hấp phụ rắn đối với chất khí Phương trình đó được áp dụng để xác định bề mặt riêng của chất xúc tác và chất hấp phụ rắn

4 Sự hấp phụ trên bề mặt lỏng

Các chất hoà tan có thể bị hấp phụ lên bề mặt lỏng để làm giảm sức căng bề mặt Quan hệ giữa lượng chất bị hấp phụ (G) trong lớp bề mặt, nồng độ chất tan trong dung dịch (C) và sức căng bề mặt (σ) của dung dịch theo phương trình:

Phương trình (5) gọi là phương trình hấp phụ Gibbs Có 2 trường hợp xảy ra

+ TH1: dσ/dC > 0 => G < 0, đó là hấp phụ âm, nồng độ chất tan trong lớp

bề mặt nhỏ hơn trong thể tích dung dịch Những chất tan như thế gọi là những chất

không hoạt động bề mặt Đối với nước, chất điện ly vô cơ như axit, kiềm, muối là những chất không hoạt động bề mặt Dung dịch các chất đó có sức căng bề mặt lớn hơn chút ít so với nước

+ TH2: dσ/dC < 0 => G > 0, đó là sự hấp phụ dương, nồng độ chất tan trong

lớp bề mặt lớn hơn trong thể tích dung dịch Những chất hoà tan làm giảm sức căng bề mặt của dung môi gọi là những chất hoạt động bề mặt Đối với nước, chất hoạt động bề mặt thường là các hợp chất hữu cơ phân cực như rượu, axit béo, muối của axit béo (thường gọi là xà phòng), các ankyl sunfat (như NaDS)…

Cấu tạo phân tử chất hữu cơ phân cực gồm 2 phần: phần không phân cực là gốc hydrocacbon và phần phân cực là các nhóm chức Trong dung dịch nước chất hoạt động bề mặt bị hấp phụ sắp xếp định hướng với phần phân cực hướng về phía dung môi phân cực hơn Mạch cacbon càng dài, tính ghét nước của các phân tử chất hoạt động bề mặt càng tăng, chúng càng có khuynh hướng tập trung trên bề mặt, sức căng bề mặt của dung dịch càng giảm Đó là cơ sở lý thuyết của quy tắc

Traube: Khả năng bị hấp phụ của một dãy đồng đẳng các hợp chất hữu cơ phân cực trên bề mặt nước tăng với sự tăng độ dài mạch cacbon