đề tài các phương pháp thực nghiệm xác định khối lượng phân tử

Phương pháp nghiệm áp Vapor pressure lowering of solutions Mở đầu Tính chất tập hợp là một trong những tính chất của dung dịch, phụ thuộc vào số lượng phân tử chất tan trong một thể tích

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hóa Lý

Kỹ Thuật Hóa Học

A Phương pháp nghiệm áp (Vapor pressure lowering of solutions)

Mở đầu

Tính chất tập hợp là một trong những tính chất của dung dịch, phụ thuộc vào số lượng phân tử chất tan trong một thể tích dung môi cho trước và không liên quan đến tính chất riêng của phân tử tan Tính chất tập hợp gồm bốn hiện tượng: giảm áp suất hơi; nâng nhiệt độ sôi; hạ nhiệt độ đông đặc; và áp suất thẩm thấu

I Cơ sở lý thuyết:

Áp suất hơi hay áp suất hơi cân bằng được định nghĩa là áp suất gây ra bởi hơi trong điều kiện cân bằng nhiệt động với các pha ngưng tụ (rắn hay lỏng) ở một nhiệt độ cho trước trong một hệ kín Áp suất hơi cân bằng là một chỉ số của tốc độ bốc hơi của chất lỏng Nó liên quan đến khuynh hướng các hạt thoát ra từ chất lỏng (hay chất rắn) Một chất có áp suất hơi cao ở nhiệt độ bình thường thường được xem là chất dễ bay hơi Áp suất được thể hiện qua sự hiện diện của hơi bên bề mặt chất lỏng được gọi là áp suất hơi Khi tăng nhiệt độ, động năng của các phân tử tăng lên, vì thế có nhiều phân tử chuyển thành pha hơi, tiếp theo đó làm tăng áp suất hơi

Hình dưới đây cho thấy bề mặt của một dung môi tinh khiết so với dung dịch Trong hình bên trái, bề mặt hoàn toàn được chiếm bởi các phân tử chất lỏng, một số trong đó sẽ bay hơi và tạo thành áp suất hơi Ở bên phải, một chất tan không bay hơi đã được hòa tan vào dung môi Không bay hơi có nghĩa là bản thân chất tan có xu hướng bay hơi ít Do một phần bề mặt bây giờ bị chiếm bởi các hạt tan, nên có ít chỗ hơn cho các phân tử dung môi Điều này dẫn đến việc dung môi bay hơi ít đi Việc thêm chất tan không bay hơi sẽ làm giảm áp suất hơi của dung môi

Hình 1.1: Bề mặt của một dung môi tinh khiết so với dung dịch

Cách xác định khối lượng phân tử theo phương pháp nghiệm áp

Phương pháp này dựa trên nguyên lý rằng khi một chất tan được hòa tan vào một dung môi, áp suất hơi của dung môi sẽ giảm Sự giảm áp suất hơi này tỷ lệ thuận với số mol chất tan và cho phép tính toán khối lượng phân tử của chất tan Năm 1886, nhà bác học Pháp Raoult tìm thấy bằng thực nghiệm áp suất hơi của dung môi trên dung dịch loãng bé hơn áp suất hơi của dung môi lỏng nguyên chất ở cùng nhiệt độ (và ở cùng áp suất ngoài)

Công thức chính sử dụng trong phương pháp này là công thức của Raoult I: Δ𝑃=𝑃o−𝑃

trong đó:

ΔP là sự giảm áp suất hơi của dung môi khi có chất tan.

𝑃o là áp suất hơi của dung môi nguyên chất

P là áp suất hơi của dung dịch

Theo định luật Raoult:

Δ𝑃= 𝑋.𝑃o với: 𝑋 là phân số mol của chất tan trong dung dịch

Nếu biết được sự giảm áp suất hơi ΔP, có thể tính được phân số mol của chất tan 𝑋 Sau đó, từ phân số mol, có thể tính toán được khối lượng phân tử của chất tan

Ưu điểm phương pháp trên là có độ chính xác cao, dễ dàng thao tác nhưng thiết bị lại phức tạp

II Thực nghiệm cụ thể:

○ Dung môi tinh khiết (ví dụ: nước, benzen, toluen, v.v.).

○ Chất tan cần xác định khối lượng phân tử (ví dụ: naphthalene, urea, glucose, v.v.).

Bước 1: Chuẩn bị dung môi nguyên chất

● Đặt thiết bị đo áp suất vào bình chứa.

● Đọc và ghi lại giá trị áp suất hơi của dung môi nguyên chất tại nhiệt độ phòng (hoặc một nhiệt độ cố định).

Bước 2: Chuẩn bị dung dịch chứa chất tan

Hòa tan chất tan vào dung môi:

Bước 3: Đo áp suất hơi của dung dịch

● Đổ dung dịch đã chuẩn bị vào ống nghiệm hoặc bình chứa mẫu kín.● Đặt thiết bị đo áp suất vào bình chứa dung dịch

● Đọc và ghi lại giá trị áp suất hơi của dung dịch tại cùng nhiệt độ mà bạn đã đo áp suất hơi của dung môi nguyên chất

III Ứng dụng:

Phương pháp này rất hiệu quả để xác định khối lượng phân tử của các chất không bay hơi hoặc có độ bay hơi thấp Đây là ứng dụng phổ biến trong nghiên cứu các hợp chất hữu cơ và vô cơ, đặc biệt là các polymer, protein, và các chất cao phân tử khác Phương pháp này có thể được áp dụng để nghiên cứu các quá trình sinh học và sinh hóa, chẳng hạn như việc đo khối lượng phân tử của enzyme, protein, và các phân tử sinh học khác Điều này giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và chức năng của các phân tử này trong cơ thể sống

B Phép nghiệm sôi (boiling point elevation)

I Cơ sở lý thuyết

Nguyên lý cơ bản:

Phương pháp nghiệm sôi dựa trên hiện tượng tăng nhiệt độ sôi của dung môi khi có mặt chất tan không bay hơi Đây là một trong những tính chất keo (colligative properties) của dung dịch, chỉ phụ thuộc vào số lượng hạt chất tan trong dung dịch, không phụ thuộc vào bản chất của chất tan

Hòa tan chất tan trong dung môi làm giảm áp suất hơi trên dung môi Đun sôi xảy ra khi áp suất hơi của chất lỏng bằng áp suất hơi của không khí phía trên nó Vì vậy, cần nhiều nhiệt hơn để cung cấp cho các phân tử đủ năng lượng để chuyển từ pha lỏng sang pha hơi Nói cách khác, sôi xảy ra ở nhiệt độ cao hơn

Công thức điểm sôi tính toán chênh lệch nhiệt độ giữa điểm sôi bình thường của dung môi và điểm sôi của dung dịch

Phương trình tính chênh lệch nhiệt độ:

Công thức áp dụng phương trình Clausius Clapeyron và định luật Raoult: ΔTb=Ks.Cm.i

Trong đó:

● ΔTb là độ tăng điểm sôi (ΔTb=|T0-T|)

● Ks là hằng số nghiệm sôi (đặc trưng cho mỗi dung môi Ví dụ hằng số nghiệm sôi của nước là 0,5121 C/m)

● Cm là nồng độ molan của dung dịch, đo bằng số mol chất tan trên mỗi kilogram dung môi Nồng độ molan được tính là n/m (n là số mol chất tan còn m là khối lượng dung môi tính trên 1kg)

● i là hệ số Van't Hoff (số phân tử phân ly so với ban đầu… Ví dụ : NaCl phân li ra Na+ và Cl- thì i=2)

Về nguyên tắc, định luật này chỉ thật đúng cho các dung dịch vô cùng loãng và bằng lý thuyết có thể tìm ra mối quan hệ giữa hằng số Ks với các tính chất hóa lý của dung môi:

Giải thích:

Sự có mặt của chất tan làm giảm số lượng phân tử dung môi có thể bay hơi, do đó áp suất hơi của dung dịch thấp hơn áp suất hơi của dung môi nguyên chất Để đạt đến điểm sôi (khi áp suất hơi bằng áp suất khí quyển), nhiệt độ cần phải cao hơn, do đó dẫn đến hiện tượng tăng nhiệt độ sôi

- 2 bếp đun lửa khò

- một đũa thủy tinh chịu nhiệt và nhiệt kế

● Bước 2: Thực hiện để 2 cốc đốt lên 2 bình như hình 2.1

- Bật bếp đun ở bình 1 chứa 100ml dung môi nguyên chất (nước), ta thấy tại điều kiện thường dung môi nguyên chất sôi ở 1000 C

- Thêm 10g NaCl vào bình 2 và khuấy lên đun ta thấy nhiệt độ sôi tăng lên một chút, thêm càng nhiều muối, nhiệt độ sôi càng tăng

● Bước 3: ghi lại nhiệt độ sôi của bình 2 với mỗi lượng muối tương đương và rút ra ΔTb, từ đó áp dụng Công thức áp dụng phương trình Clausius Clapeyron và định luật Raoult rút ra phân tử khối chất tan Qua nhiều phép tính với nhiều lượng muối khác nhau, ta có thể xác định sai số của phép đo một cách kĩ lưỡng

Ứng dụng thực tiễn:

● Công nghiệp thực phẩm: Kiểm tra độ tinh khiết của nguyên liệu

● Dược phẩm: Phân tích và xác định khối lượng phân tử của các hợp chất hoạt tính ● Hóa học phân tích: Phát hiện và định lượng các chất trong dung dịch

III Kết luận

Ưu điểm:

● Đơn giản, dễ thực hiện với các thiết bị thí nghiệm cơ bản

● Chính xác và hiệu quả cho các chất tan không bay hơi và không phân ly

Nhược điểm:

● Không phù hợp với các chất tan dễ bay hơi hoặc phân ly

● Cần kiểm soát tốt nhiệt độ và áp suất để đảm bảo kết quả chính xác ● Khó thực hiện do đòi hỏi độ tinh khiết cao của hoá chất

=> Phương pháp nghiệm sôi là một trong những phương pháp cơ bản nhưng quan trọng để xác định khối lượng phân tử, và nó có vai trò thiết yếu trong việc nghiên cứu và ứng dụng các dung dịch trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Trong quá trình kết tinh nồng độ của dung dịch tăng dần (vì chỉ có dung môi kết tinh) nên nhiệt độ kết tinh của dung dịch giảm dần cho đến khi chất tan bắt đầu kết tinh (đồng thời với dung môi) thì nhiệt độ kết tinh mới giữ nguyên Nhiệt độ bắt đầu kết tinh hay là bắt đầu xuất hiện các tinh thể đầu tiên của dung môi được gọi là nhiệt độ kết tinh (Tdd) của dung dịch Hiệu số T0 - Tdd được gọi là độ hạ điểm kết tinh Tkt dung dịch

Công thức:

Tkt = KL .m

Với K được gọi là hằng số nghiệm lạnh của dung môi còn m là nồng độ molan hay số mol chất tan trong 1000g dung môi Công thức trên là cơ sở của phép nghiệm lạnh

Khi dung môi nguyên chất cũng như dung dịch kết tinh thường xảy ra hiện tượng chậm Đông nghĩa là khi nhiệt độ hạ xuống thấp hơn T0 hoặc Tdd nhưng vẫn chưa xuất hiện được tinh thể dung môi thêm một tinh thể nhỏ của dung môi hoặc một chất đồng hình với nó hoặc khỏe mạnh thì sẽ phá được hiện tượng chậm đông trong trường hợp dung môi nguyên chất nhiệt độ tăng trở lại T0 và giữ nguyên (đường 1 ở hình 1) Còn đối với dung dịch nhiệt độ tăng tới Tdd rồi lại mới tiếp tục giảm (đường 2 và 3 trên hình 1)

Bước 3: Đo nhiệt độ kết tinh của dung dịch

Đổ Urê đã cân vào ống nghiệm chứa dung môi trên khi các giá trị Tdd không chênh nhau quá 0,0030 C n qua phễu khô Cân lại chén cân xác định nhiệt độ kết tinh của dung dịch Tdd Lặp lại quá trình xác định cho tới khi nào giá trị Tdd chênh nhau không quá 0,0030 C

III Ứng dụng

Ngành ô tô: Ethylene glycol và propylene glycol thường được thêm vào nước làm mát trong động cơ ô tô để hạ điểm đông đặc của nước, ngăn nước làm mát đóng băng trong điều kiện lạnh, giúp bảo vệ động cơ và hệ thống làm mát

Máy bay: Các chất chống đông đặc biệt được phun lên cánh và thân máy bay để ngăn chặn hình thành băng tuyết khi máy bay hoạt động trong điều kiện lạnh giá

D Xác định khối lượng phân tử qua phương pháp nghiệm thẩm thấu

I Cơ sở lý thuyết:

Áp suất thẩm thấu là áp suất tối thiểu cần được áp dụng cho dung dịch để ngăn dòng chảy của dung môi tinh khiết qua màng bán thấm về phía chứa chất tan Nó cũng được định nghĩa là thước đo xu hướng của dung dịch lấy trong dung môi nguyên chất bằng thẩm thấu

Trong thực tế họ đo áp suất thẩm thấu bằng cách đo áp suất thủy tĩnh VÌ thể có thể định nghĩa áp suất thẩm thấu là áp suất phụ phải tác dụng lên dung dịch có nồng độ đã cho để dung dịch cân bằng với dung môi nguyên chất qua màng bán thấm

Về mặt tính toán, công thức được đưa ra là: π= CRT

Trong đó:

Π: áp suất thẩm thấu

R: Hằng số khí lý tưởng T: nhiệt độ

Bây giờ, chúng ta giả sử một dung dịch có m (gam) chất tan, khối lượng mol là M, và có thể tích dung dịch là V (lít), ta có:

Vậy từ áp suất thẩm thấu chúng ta có thể thấy được cách tính khối lượng phân tử thông qua hai

phương trình liên hệ trên

1) Phương pháp nghiệm áp suất thẩm thấu:

Là một phương pháp xác định khối lượng mol của chất dựa trên áp suất thẩm thấu với lý thuyết cơ bản như trên

Phương pháp này còn được gọi là: Đo thẩm thấu màng (membrane osmometry)

Thiết bị được áp dụng cho phép đo này thường là Máy đo thẩm thấu màng: Một thiết bị đo gián tiếp khối lượng phân tử trung bình của mẫu Polyme Thường được cấu tạo bởi 2 ngăn, một ngăn chứa dung môi nguyên chất và một ngăn chứa dung dịch trong đó có chất tan là một Polyme chưa xác định về mặt phân tử khối

2) Nguyên tắc hoạt động

Tạo một dung dịch Polyme có nồng độ thấp, bằng cách thêm Polyme vào dung môi Qua màng bán thấm, dung môi có thể đi qua màng nhưng chất tan trong dung dịch không thể đi qua màn Dung môi sẽ chảy qua màn để pha loãng dung dịch

Áp suất cần thiết để ngăn chặn dòng chảy qua màng bán thấm là áp suất thẩm thấu

Trong một dung dịch loãng lý tưởng, Định Luật Van’t Hoff về áp suất thẩm thấu có thể được áp dụng để tính khối lượng phân tử M

Trong đó: An: là các hằng số C: là nồng độ Polyme,

Ta có thể thấy đồ thị tương quan giữa Π/C và C: sẽ có dạng đường thẳng:

Ta thấy A1 = RT(1/M + A2c2 + A3c3+ )

Đối với một số polyme – dung môi đường phụ thuộc Πi/c2 = f(c2) là đường thẳng,nghĩa là A3

= 0 và phương trình có dạng đơn giản

II Thực nghiệm cụ thể:

Các ống mao dẫn được gắn vào cả ngăn chứa dung môi và dung dịch Trong trường hợp này, áp suất thẩm thấu được cung cấp bởi áp suất bổ sung của chất lỏng trong ngăn chứa dung dịch Sự chênh lệch độ cao của chất lỏng trong ống mao quản của ngăn dung dịch so với chiều cao của chất lỏng trong ống mao dẫn của ngăn dung môi được đo khi dung dịch đạt đến trạng thái cân bằng để tính áp suất thẩm thấu

Π=∆Hpg

Trong đó:

Π: áp suất thẩm thấu p: khối lượng riêng g: gia tốc trọng trường

Ưu điểm: Hai dung dịch cân bằng khuếch tán tự nhiên, khối lượng dung dịch lớn

Nhược điểm: phép đo thẩm thấu tĩnh là thời gian dài để đạt được trạng thái cân bằng Thường phải mất 3 giờ hoặc hơn sau khi thêm chất tan để máy đo thẩm thấu tĩnh đạt đến trạng thái cân bằng

Quy trình thí nghiệm: Chuẩn bị Dụng cụ:

Một ống thủy tinh dài, Một thước đo mm, Một cốc thủy tinh chứa dung môi (H2O), Một chiếc túi được làm từ vật liệu bán thấm (dialysis bag)

Bước 2: quan sát theo thời gian, mực nước trong ống thủy tinh chứa dung dịch dần dần cao lên ( cao dần lên trong khoảng 1h-2h) và qua thước mm ghi lại chiều cao của dung dịch sau một thời gian nhúng dưới cốc thủy tinh chứa dung môi

Ta có thể thấy, dần dần mực nước lên cao là do nước có thể đi qua màng bán thấm nhưng dung dịch không thể thoát ra khỏi màn thấm, dần dần lượng nước đi vào làm dung dịch lấp đầy dần ống thủy tinh, tăng độ cao của mực nước

III Ứng dụng:

Đo phân tử khối các dung dịch polyme

Trong y tế: Hiện nay áp suất thẩm thấu cũng được sử dụng trong việc thiết lập máy lọc plasma hoặc máy lọc máu Vai trò chính của áp suất thẩm thấu đó là kiểm soát dung dịch lọc máu và tốc độ siêu lọc nhằm đảm bảo máu của bệnh nhân được lọc đúng cách, không bị quá tải chất lỏng Cũng như một số thao tác y tế khác như chạy thận, trị phù não …

Hình ảnh minh họa

Kết luận:

Các phương pháp đo phân tử khối dung dịch bằng tính chất tập hợp đều dựa trên những thay đổi vật lý của dung dịch khi hòa tan chất tan, từ đó tính toán được khối lượng phân tử của chất tan Mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng, phù hợp với các loại dung dịch và điều kiện khác nhau Sự lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào tính chất của dung môi, chất tan, và điều kiện thực hiện thí nghiệm Hiểu biết sâu về các phương pháp này giúp ta lựa chọn đúng phương pháp và điều kiện để đo lường chính xác khối lượng phân tử của các chất tan trong dung dịch

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

- Thực hiện nội dung: Phương pháp nghiệm áp

- Thiết kế slide cho nhóm 3. Nguyễn Trọng Thắng

- Thực hiện nội dung: Phương pháp nghiệm sôi

- Tổng hợp bản word lý thuyết 4. Nguyễn Trung Kiên

- Thực hiện nội dung: Phương pháp nghiệm lạnh

- Thuyết trình TÀI LIỆU THAM KHẢO:

- Giáo trình hóa lý / Đại Học Quy Nhơn

- Experiments in Physical Chemistry - Sixth Edition - Giáo trình Hóa Lý Polyme - Bùi Chương

- Giáo trình Hóa Lý tập 2 - Nguyễn Đình Huệ

- https://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_osmometer

- Membrane Osmometry - Prof Grant Wilson - The University of Texas Austin