Bài 2 nhắc lại một số kiến thức cần cho hóa phân tích

Bài 2 nhắc lại một số kiến thức cần cho hóa phân tích tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập l...

Bài 2 NHẮC LẠI MỘT SỐ KIẾN THỨC CẦN CHO

HÓA PHÂN TÍCH

I ĐƯƠNG LƯỢNG

1 Định nghĩa đương lượng

Đương lượng của một nguyên tố hay một hợp chất là số phần khối lượng của nguyên tố hay hợp chất kết hợp hay thay thế vừa đủ với một đơn vị đương lượng (bằng 1,008 phần khối lượng của H2 hay 8 phần khối lượng của O2), hoặc một đương lượng của một nguyên tố hay hợp chất khác

2 Cách xác định đương lượng

2.1 Đương lượng của một nguyên tố X ĐX =

n

M X

n - hóa trị của X trong hợp chất

Ví dụ: đương lượng của nguyên tố N trong các hợp chất N2O, NO, N2O3, NO2 và N2O5

:

ĐN =

n

2.2 Đương lượng của hợp chất AB ĐAB =

n

M AB

n - số đơn vị đương lượng tham gia phản ứng, thay đổi theo từng phản ứng mà

AB tham gia:

AB là chất oxy hóa hay chất khử

Đương lượng của AB là lượng AB có khả năng cho hay nhận 1 mol điện tử Do

vậy, n là số điện tử trao đổi ứng với 1 mol Ví dụ:

MnO4− + 5e− Mn2+ ĐKMnO4 = MKMnO4 / 5

ĐMnCl2 = MMnCl2 / 5

Cl2 + 2e− 2Cl −

ĐCl2 = MCl2 / 2

ĐHCl = MHCl / 1

Cr2O72− + 6e− 2Cr3+

ĐK2Cr2O7 = M/ 6

ĐCrCl3 = M / 3

S4O62− + 2e− 2 S2O32 −

ĐNa2S4O6 = M / 2

ĐNa2S2O3 = M / 1

Fe2(SO4)3 +2e− 2FeSO4

Đ FeSO4 = M / 1

ĐFe2(SO4)3 = M / 2

AB là acid hay baz

Đương lượng của AB là lượng AB có khả năng cho 1 mol H+ hay 1 mol OH− Như vậy, n là số ion H+ hay OH− thực sự tham gia phản ứng tính cho 1 mol chất

Với các phản ứng trung hòa hoàn toàn :

ĐHCl = M/1 ; ĐH2SO4 = M / 2 ; ĐH3PO4 = M/ 3

ĐNaOH = M/1 ; ĐCa(OH)2 = M/2 ; ĐNH3 = M/1 ; ĐNa2CO3 = M/2

AB là hợp chất ion (hay muối)

Đương lượng của AB là lượng AB có khả năng trao đổi với 1 mol ion mang điện tích 1+ hay 1− :

ĐBaCl2 = M/ 2 ; ĐNaCl = M/ 1 ; ĐFeSO4 = M/ 2 ; ĐFe2(SO4)3 = M/ 6

AB là phức chất

Nếu AB là phức chất [ MLx ]n+ đượctạo thành theo phản ứng :

Mn+ + xL [ MLx ]n+

Mn+ thường là nguyên tố kim loại chuyển tiếp, tức có phụ tầng d chưa lấp đầy điện tử; các ligand L là nguyên tố hoặc nhóm nguyên tố có các electron tự do

Đương lượng của phức hoặc các thành phần của phức được xác định giống đương

lượng của muối hoặc hợp chất ion

Ví dụ: Cu2+ + 4 NH3 → [Cu(NH3 )4]2+

ĐCu2+ = M/2 ; ĐNH3 = M/ ½ = 2M ; Đ ([Cu(NH3 )4]2+ ) = M/2

II DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH

Dung dịch là hệ đồng thể thu được do sự phân tán của phân tử hay ion (được gọi là chất tan) trong môi trường phân tán (được gọi là dung môi) Chất tan và dung môi đều có thể tồn tại dạng rắn (R), lỏng (L) hoặc khí (K) Nói cách khác, dung dịch bao gồm hai hay nhiều chất mà thành phần của chúng có thể thay đổi trong một giới hạn rộng

Tùy trạng thái tập hợp của chất tan và dung môi, ta có các loại dung dịch R / R như hợp kim, dung dịch R / L như đường trong nước, dung dịch L / L như rượu trong nước, dung dịch R / K như bụi trong không khí và dung dịch L /K như sương mù Trong HPT, 2 loại dung dịch thường gặp phổ biến nhất là dung dịch R/L hoặc L/L

2 Nồng độ của dung dịch

2.1 Cách biểu diễn nồng độ của dung dịch

Nồng độ dung dịch được sử dụng để biểu diễn lượng chất tan có trong một lượng dung môi hoặc dung dịch xác định Người ta phân biệt:

- Dung dịch loãng: lượng chất tan chiếm tỷ lệ nhỏ

- Dung dịch đậm đặc:lượng chất tan chiếm tỷ lệ lớn

- Dung dịch bão hoà:dung dịch chứa chất tan tối đa (ở toC, P xác định)

- Dung dịch quá bão hòa: được tạo thành khi đun nóng dung dịch bão hòa trong

hòa là trạng thái kém bền, chỉ cần lắc, khuấy hay thêm một ít tinh thể chất tan, lượng chất tan dư trong dung dịch sẽ lập tức tách ra trả về trạng thái bão hòa bền vững

Hòa tan m(g) hoặc VX (ml) chất tan (có phân tử gram MX hoặc đương lượng gram ĐX) vào q(g) dung môi nhận được V(ml) dung dịch có khối lượng riêng d(g/ml) Các loại nồng độ phổ biến của dung dịch gồm có:

Độ tan S

Độ tan S biểu diễn lượng chất tan trong dung dịch bão hòa ở nhiệt độ và áp suất nhất định, thường được tính bằng số gam chất tan có trong 100g dung môi:

S = ⋅100

q

Nồng độ khối lượng Cg/l

Biểu diễn số gram chất tan có trong 1 lít dung dịch:

Cg/l = ⋅1000

V m

Độ chuẩn

Biểu diễn số gram hoặc số mg chất tan có trong 1 ml DD, ký hiệu bằng chữ T:

Tg/mL =

V

m

Hay Tmg/ml = ⋅1000

V

m

Nồng độ phần trăm

% (khối lượng/ khối lượng):biểu diễn số gram chất tan/100 gram DD:

% (khối lượng/ thể tích) : biểu diễn số gram chất tan/ 100ml dung dịch

% (thể tích/ thể tích) : biểu diễn số ml chất tan/ 100 ml dung dịch

Nồng độ phần triệu ppm (part per million)

Biểu diễn khối lượng chất tan chứa trong 106 lần khối lượng mẫu tính cùng đơn vị :

1 ppm = 1 g chất tan / 106 g hay 1000 kg mẫu = 1 mg chất tan / 106 mg hay 1 kg mẫu

100 q m

m ) KL / KL

%(

C

+

=

100 V

m ) TT / KL

%(

100 V

V ) TT / TT

%(

=

6 10

q m

m Cppm

+

=

Nếu mẫu ở dạng lỏng và có nồng độ chất tan bé (dung dịch loãng) và nếu dung môi có d o ~ 1 tức d ≈ 1 , 1 ppm = 1 mg chất tan/ 1 kg hay 1 lít dung dịch Nồng độ phần triệu bây giờ trở thành một loại nồng độ khối lượng (mg/l)

Ngoài ppm, để biểu diễn nồng độ các dung dịch loãng hơn, người ta còn sử dụng ppb (nồng độ phần tỉ ); ppt (phần ngàn của tỉ)

Nồng độ mol CM

Biểu diễn số mol chất tan / 1 lít dung dịch :

Nồng độ molan Cm

Biểu diễn số mol chất tan/ 1000 gram dung môi:

Cm =

q M

m 1000

×

Nồng độ phân mol N i

Biểu diễn tỷ số giữa số mol của cấu tử i (ni) trên tổng số mol N của các chất

tạo thành dung dịch:

Nồng độ đương lượng C N

Biểu diễn số đương lượng chất tan trong 1 lít dung dịch:

2.2 Nồng độ của dung dịch sau khi pha trộn

Trộn dung dịch a% với dung dịch b% (của cùng một chất) sẽ được dung dịch c

% với a > c > b nếu a>b

Tỷ lệ pha trộn được xác định bằng quy tắc đường chéo :

a (c−b) = ma

c

b (a−c) = mb

tức:

c a

b c m

m

b

a

−

−

=

2.3 Mối liên hệ giữa một số nồng độ thông dụng

V M

m

CM

1000

×

=

N

n

i=

V Đ m

CN = ×1000

Cg / l = CM.M = CN.Đ Các nồng độ còn lại, dựa vào định nghĩa, có thể chuyển đổi rất dễ dàng từ nồng độ này sang nồng độ kia và ngược lại:

3 Hoạt độ của dung dịch

Nếu chất tan trong dung dịch hiện diện dưới dạng ion và nếu dung dịch đồng thời hiện diện nhiều ion thì giữa chúng có lực tương tác µ làm cho khả năng hoạt động của các ion thay đổi theo chiều hướng giảm đi Lúc đó trong dung dịch ion không còn hiện diện với nồng độ thực c mà xem như hiện diện với nồng độ hiệu dụng a (còn gọi là hoạt độ)

với : a = f.c

f là hệ số hoạt độ, thay đổi theo lực tương tác (lực ion) µ với

Ci, Zi - nồng độ và điện tích của ion i trong dung dịch Sự thay đổi của f theo µ có thể được biểu diễn bằng các công thức thực nghiệm sau đây:

h : hệ số hiệu chỉnh

Giá trị gần đúng của hệ số hoạt độ f khi dung dịch có lực ion µ khác nhau còn có thể được tóm tắt trong bảng sau:

Lực ion, µ Điện tích

của ion 0 0,001 0,002 0,005 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2

1 1 0,97 0,95 0,93 0,90 0,87 0,81 0,76 0,70

2 1 0,87 0,82 0,74 0,66 0,57 0,44 0,33 0,24

3 1 0,73 0,64 0,51 0,39 0,28 0,15 0,08 0,04

4 1 0,56 0,45 0,30 0,19 0,10 0,04 0,01 0,003 1(H+) 1 0,98 0,97 0,95 0,92 0,90 0,88 0,84 0,83 1(OH- ) 1 0,98 0,97 0,95 0,92 0,89 0,85 0,81 0,80

Ví dụ:tính hoạt độ của dung dịch KCl và của K+, Cl−

trong nước có C =0,01M:

KCl → K+ + Cl−

∑ = × + + × − =

=

2

1 2

, ] ) ( , ) ( , [ Z

Ci i

89 , 0 05

, 0 01 , 0 1 5 , 0 lg

02 ,

µ

aKCl = aK+ = aCl− = 0,89×0,01 = 0,0089 M

∑

=

= µ

n i i

iZ C 1

2 2

1

µ

5

0, Zi

µ +

µ

− 1

5

0, Z2i

µ + µ +

µ h Z

, i 1 5

Hoạt độ thường được ký hiệu bằng dấu ( ) Nếu dung dịch loãng µ ≈ 0 ⇒ f = 1

⇒ a = c Trong HPT, các dung dịch được sử dụng có nồng độ thường không lớn, điều này làm cho f tiến khá gần đến 1 Trong các bài sau, để đơn giản hóa việc tính toán, f thường được lấy = 1

III ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG ĐƯƠNG LƯỢNG

Định luật tác dụng đương lượng được Dalton phát biểu như sau : “Trong một phản ứng hóa học, số đương lượng của các chất tham gia phản ứng phải bằng nhau Nói cách khác, trong một phản ứng hóa học, một đương lượng của chất này chỉ thay thế hay kết hợp với một đương lượng của chất khác mà thôi”

Xét phản ứng : A + B → D+ E

Gọi: - mA, mB : khối lượng (tính bằng g) của A, B nguyên chất tác dụng vừa đủ với nhau

- ĐA, ĐB : đương lượng gram của A, B

- VA, VB : thể tích (tính bằng ml) của A, B tác dụng vừa đủ với nhau

- CA, CB : nồng độ đương lượng của dung dịch A, B

Áp dụng định luật tác dụng đương lượng đối với các tác chất A, B (số đương lượng của A bằng số đương lượng của B), ta có:

B

A B

A B

B A

A

Đ

Đ m

m hay Đ

m Đ

m

=

và VA CA 10 – 3 = VB CB 10 – 3 hay VA CA = VB CB

IV CÂN BẰNG HÓA HỌC- ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI

LƯỢNG

Khi cho các chất tác dụng với nhau, có những phản ứng hóa học xảy ra hoàn toàn, nghĩa là toàn bộ các tác chất phản ứng hết với nhau để tạo thành sản phẩm, ví dụ :

2H2 + O2 → 2H2O

Trong thực tế, đa số các phản ứng thường gặp lại là thuận nghịch, nghĩa là các phản ứng không diễn ra đến cùng mà chỉ diễn ra đến trạng thái cân bằng, trong đó có sự tồn tại song song giữa sản phẩm và tác chất Ví dụ :

H2 + I2 2HI Theo định luật tác dụng khối lượng, tỷ số giữa tích hoạt độ sản phẩm trên tích

hoạt độ tác chất là một hằng số, được gọi là hằng số cân bằng K

Xét phản ứng thuận nghịch tổng quát:

aA + bB dD + eE

(2) Định luật tác dụng khối lượng áp dụng cho phản ứng thuận nghịch trên:

K = a b

e d ) B (

) A (

) E (

) D (

Nếu dung dịch loãng : K = a b

e d ] B [

] A [

] E [

] D [

Hằng số cân bằng K cho biết phản ứng thuận nghịch đang xét diễn ra với mức độ nào K càng lớn, phản ứng thuận (1) càng chiếm ưu thế và ngược lại K càng nhỏ, phản ứng nghịch (2) càng chiếm ưu thế Tuy nhiên, vì cân bằng đạt được là cân bằng động nên khi có sự thay đổi của một trong số các yếu tố: nồng độ, áp suất, nhiệt độ thì cân bằng sẽ dịch chuyển tuân theo nguyên lý Le Châtelier (khi có các yếu tố bên ngoài tác động lên hệ, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều chống lại sự thay đổi)

Phương trình trên chỉ hoàn toàn nghiệm đúng đối với dung dịch lý tưởng Với các dung dịch thực, phương trình này có thể áp dụng khá đúng đối với các chất không điện ly hoặc các chất điện ly yếu trong các dung dịch nước loãng và hoàn toàn không thể áp dụng đối với các chất điện ly mạnh (kiềm, acid mạnh, muối) hoặc các chất điện

ly yếu trong các dung dịch đậm đặc có dung môi là nước

Các giá trị hằng số cân bằng cho bởi các sổ tay hóa học, hóa lý, hóa phân tích… thường đã kể luôn nồng độ của nước khi nước đóng vai trò dung môi Khi đó để tính toán, nồng độ của nước được lấy bằng 1

BÀI TẬP

1 Cân bằng các phản ứng và xác định n trong biểu thức tính đương lượng Đ=

n

M của

các chất có gạch dưới:

1.1 H2S + NaOH → Na2S + H2O

1.2 SO2 + NaOH → Na2SO3 + H2O

1.3 NH4Cl + NaOH → NH3 + NaCl + H2O

1.4 FeCl3 + NaOH → Fe(OH) 3 + NaCl

1.5 ZnCl2 + NaOH → Na2ZnO2 + NaCl + H2O

1.6 H3PO4 + Ca(OH)2 → CaHPO4 + H2O

1.9 AgCl + NH4OH → [Ag(NH3 )2]Cl + H2O

1.10 Cu+ + CN- → [Cu(CN)3]2-

1.11 Fe2+ + CN- → [Fe(CN)6]4-

1.12 Zn + H2SO4 → ZnSO4 + S + H2O

1.13 Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2S + H2O

1.14 Zn + HNO3 → Zn(NO3 )2 + NH4NO3 + H2O

1.15 PbO2 + HCl → PbCl2 + Cl2 + 2 H2O

1.16 SO2 + H2S → S + H2O

1.17 SO2 + K2Cr2O7 + H2SO4 → Cr2(SO4 ) 3 + K2SO4 + H2O

1.18 KMnO4 + H2O2 + H2SO4 → MnSO4 + O2 + K2SO4 + H2O

1.19 PbO2 + H2O2 + CH3COOH → Pb(CH3COO)2 + O2 + H2O

1.20 As2S3 + H2O2 + OH-→ AsO43- + SO42- + H2O

1.21 Fe2(SO4 )3 + KI → FeSO4 + I2 + K2SO4 1.22 CH3CHO+ KMnO4 + H2SO4 → CH3COOH+MnSO4+ K2SO4 + H2O 1.23 C2H5OH + K2Cr2O7 + H2SO4 →CH3CHO +Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O

2 Cần bao nhiêu gam NaOH để pha 3 lít dung dịch NaOH 1O %, biết dung dịch

NaOH 10 % có d =1,110g/ml

3 Có dung dịch HCl 36,5 % ( d = 1,180g/ml):

- Tính số gam HCl nguyên chất trong mỗi ml dung dịch ?

- Tính nồng độ mol của dung dịch?

- Tính số ml dung dịch trên cần dùng để pha 200 ml dung dịch HCl 3M?

4 Cần thêm bao nhiêu ml nước vào 100ml dd HCl 2O % (d=1,1O g/ml) để có dung dịch HCl 5% ?

5 Xác định lượng nước cần hòa tan 44,8 lít HCl (ở điều kiện tiêu chuẩn) để được dd HCl 14,6 %?

6 Phải hòa tan bao nhiêu ml dd HNO3 98 % vào 100 ml nước để được dd HNO3 có

7 Phải dùng bao nhiêu ml dd CH3COOH 98 % để pha 250 ml dd acid acetic 1M?

8 Cần bao nhiêu ml dd H2SO4 96 % (d=1,84 g/ml) để pha l lít dd H2SO4 0,5N?

9 Xác định nồng độ mol - nồng độ đương lượng theo chức thứ nhất, theo hai chức đầu và theo cả ba chức của dd H3PO4 17,9 % ?

10 Tính khối lượng riêng của dd H3PO4 17,87 %, biết CM = 2,005 M

11 Tính khối lượng tinh thể Na2SO4 10 H2O thu được khi cô cạn 500 ml dung dịch

Na2SO4 2N, biết rằng Na2SO4 là sản phẩm của quá trình trung hòa hoàn toàn NaOH

12 Tính nồng độ đương lượng của dd Al2(SO4)3 15% KL/KL (d=1,12 g/ml), biết rằng

Al2(SO4)3 là sản phẩm của quá trình trung hòa hoàn toàn Al(OH)3 bằng dd H2SO4

13 Tính số gam K2Cr2O7 cần dùng để pha 250 ml dung dịch 0,050 N, biết rằng

K2Cr2O7 sau khi tham gia phản ứng bị chuyển thành Cr3+?

14 Cho phản ứng thuận nghịch A + B D + E Tính hằng số cân bằng của phản ứng trên, biết rằng ở trạng thái cân bằng, [A] = [B] = 0,25M; [D] = [E] = 0,75M

15 Hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch A + B D + E bằng 9 Xác định nồng độ cân bằng của [D] và [E], biết nồng độ ban đầu của A và B đều bằng 1M

16 Xác định nồng độ cân bằng của [D] và [E] sau khi trộn 1 lít dd chất A có nồng độ 2M với 1 lít dd chất B có nồng độ 4M, nếu hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch A + B D + E bằng 9 So sánh kết quả với bài 16 và nêu nhận xét