Bài giảng ĐIỆN HOÁ CHƯƠNG 1

25/01/2015 1 GV: TS MAI THỊ HẢI HÀ Chương 1 DUNG DỊCH CÁC CHẤT ĐIỆN LY : CẤU TRÚC & TÍNH CHẤT Thành phần của dung dịch điện ly  Chất tan : hợp chất liên kết ion/cộng hóa trị có cực  Dung môi : hợp chất phân cực  Chất tan phân ly một phần/hoàn toàn thành ion với độ điện ly   Các hạt trong dd điện ly gồm : ion chất tan, phân tử chất tan chưa bị phân ly, phân tử dung môi 25-Jan-15 TS. MTHH 2 + _ _ + Lực tương tác tĩnh điện Coulomb : ion-ion, ion-dung môi, dung môi-dung môi Các phần tử đều mang điện tích 25/01/2015 2 Cấu trúc của dung dịch điện ly Lực tương tác tĩnh điện Coulomb giữa các tiểu phân làm cho :  Các ion phân bố có trật tự (không chuyển động tự do như ở trạng thái khí). Chuyển động của các ion đều chịu ảnh hưởng bởi điện trường của các ion khác xung quanh.  Mỗi ion được bao quanh bởi một số phân tử dung môi : sự solvat hóa  Khi các ion ở đủ gần nhau (trong dung dịch nồng độ đủ lớn) : có sự liên hợp ion (được thừa nhận bằng pp phổ cộng hưởng từ hạt nhân/electron) 25-Jan-15 TS. MTHH 3 Tương tác ion – dung môi : sự solvat hóa 25-Jan-15 TS. MTHH 4 Phân tử H 2 O gần ion liên kết tĩnh điện chặt với ion Lớp vỏ hydrat sơ cấp H 2 O trong lớp vỏ hidrat mất khả năng quay Hằng số điện môi của nước giảm mạnh ở khu vực gần ion 25/01/2015 3 Tương tác ion – ion : sự liên hợp ion  Khi nồng độ ion đủ lớn : các cation và anion tương tác tĩnh điện mạnh tạo thành cặp 2, 3 hay nhiều hơn ion : C + A - C + , A - C + C + A - .  Sự tạo cặp ion xảy ra dễ dàng hơn trong dung môi có hằng số điện môi  thấp (<5):  H 2 O (=80) : cặp K + Cl - ít được quan sát thấy  Methanol (= 33) : 32% KCl hiện diện dưới dạng cặp K + Cl - (với KCl ở nồng độ 0,1 mol/dm 3 ) 25-Jan-15 TS. MTHH 5 Mẫu dd điện ly cũ - Mẫu của Arrhenius (1887)  Các ion phân bố hỗn loạn (như ở trạng thái khí).  Các lực tương tác giữa ion – dung môi & ion – ion bằng 0.  Dung dịch xử sự như hỗn hợp khí lý tưởng, có các tính chất :  t sôi , t kết tinh , áp suất thẩm thấu của dung dịch tỉ lệ với số hạt chất tan : t s = iK s m (i = hệ số đẳng trương, m=nồng độ molan)  Hằng số cân bằng điện ly không thay đổi theo nồng độ chất điện ly :  Hóa thế của cấu tử i trong dung dịch :  i =  o i + kTlnC i với C i là nồng độ Mẫu Arrhenius nghiệm đúng cho dung dịch  loãng của chất điện ly yếu ở đó các tương tác giữa ion, phân tử dung môi có thể bỏ qua 25-Jan-15 TS. MTHH 6 K = C k  2 1 –  C k : nồng độ ban đầu của chất điện ly  : độ điện ly 25/01/2015 4 Mẫu dd điện ly - Thuyết Debye – Huckel (1923) Các tiểu phân trong dd điện ly được phân bố :  có trật tự do lực tương tác tĩnh điện giữa chúng  hỗn loạn do chuyển động nhiệt  Mô hình bầu khí quyển ion : Mỗi ion là 1 trung tâm, được bao quanh bởi 1 khí quyển gồm các ion tích điện trái dấu với số lượng nhiều hơn ion cùng dấu. 25-Jan-15 TS. MTHH 7 Chọn ion dương bất kì làm trung tâm : điện tích z k e  k o : điện thế tạo bởi ion trung tâm  a : điện thế của bầu khí quyển ion  k : điện thế tại một điểm cách ion trung tâm khoảng r   k =  k o +  a 25-Jan-15 Mẫu dd điện ly - Thuyết Debye – Huckel * Giả thiết : Dd loãng để có thể : Bỏ qua kích thước ion Thế năng tĩnh điện z i e k << năng lượng chuyển động nhiệt của ion kT Bỏ qua tương tác ion – dung môi   = const Phân bố Boltzmann * : dN i : số ion có trong nguyên tố thể tích dV N i = N i /V = số ion trung bình trong 1 đơn vị thể tích Mật độ điện tích của ion i tại một điểm có điện thế  k : Mật độ điện tích  tại một điểm :  * 25/01/2015 5 Mẫu dd điện ly - Thuyết Debye – Huckel 25-Jan-15 TS. MTHH 9 2  = -   Điện thế  tại một điểm  mật độ điện tích  tại điểm đó theo pt Poisson : : toán tử Laplace  : hằng số điện môi của dung dịch Nghiệm tổng quát của pt vi phân : k 1 , k 2 : hằng số tích phân, được xác định dựa vào các điều kiện biên : r  , thì  k  0 : k 2 = 0 r  0, thì  k   k   k o : điện thế gây bởi ion trung tâm = z k e 4r e r k 1 = z k e 4 = z k e 4  Thuyết Debye – Huckel 25-Jan-15 TS. MTHH 10  a (r0) = - Z i e .1/ L D =  -1 được coi là bán kính hiệu dụng của bầu khí quyển ion Điện thế  k tại một điểm cách ion trung tâm khoảng r : Lực ion I : Dung môi nước ở 25 o C : (hệ SI) (I: mol/dm 3 , L D : nm)  k =  k o +  a c i : nồng độ thể tích 25/01/2015 6 1. Tìm lực ion của dung dịch: a. chứa Na 2 SO 4 0,08 mol và Cr 2 (SO 4 ) 3 0,02 mol trong 1000 g nước. b. chứa MgSO 4 0,01 mol, NaCl 0,005 mol và MgCl 2 0,001 mol trong 1000 g nước. 2. Tìm kích thước hiệu dụng của lớp khí quyển ion ở 25 o C trong dung dịch chất điện ly 1-1 có nồng độ 0,1M. Cho hằng số điện môi của nước bằng 78,6. 25-Jan-15 TS. MTHH 11 Hoạt độ - Hệ số hoạt độ 25-Jan-15 TS. MTHH 12  Hóa thế của ion k trong dd lý tưởng :  k,id =  o k,id + RTlnc k Các phương trình mô tả hệ lý tưởng có thể được dùng cho hệ thực tế bằng cách thay nồng độ c bằng hoạt độ a.  Hóa thế của ion k trong dd thực :  k =  o k + RTlna k  Liên hệ giữa hoạt độ & nồng độ : a k =  k . C k  k : hệ số hoạt độ Hoạt độ & hệ số hoạt độ  thang nồng độ : mol/L, molan, đlg/L  Dd  loãng của CĐL yếu : a ≡ C :  → 1 Mức độ lệch của hệ khỏi trạng thái lý tưởng  độ lệch của  khỏi giá trị 1 25/01/2015 7 Hoạt độ & Hệ số hoạt độ trung bình M + A -   + M Z+ +  - A Z- Nồng độ molan : m m + = + m m - =  - m Hoạt độ/Hệ số hoạt độ : a /  a + /  + a - /  - a = m a + =  + m + a - =  - m - Hoạt độ/Hệ số hoạt độ trung bình của các ion : a ± /  ± Hóa thế :  = o + RTlna  + = o + + RTlna +  - =  o - + RTlna - Hóa thế của chất tan =  hóa thế các ion  =  +  + +  -  -  RTlna =  + RTlna + +  - RTlna - ( o =  +  o + +  -  o - )  a = a + + a -  -  Hoạt độ của chất điện ly : a = a +  + a -  - = a ±   =  + +  - Hoạt độ trung bình của các ion : a ± = (a +  + a -  - ) 1/  = a 1/  25-Jan-15 TS. MTHH 13 Hoạt độ & Hệ số hoạt độ trung bình Hoạt độ trung bình của các ion : a ± = (a +  + a -  - ) 1/  a ± = [( + m + ) + (  - m - ) - ] 1/ = ( + +  - - ) 1/ (m +  + m - - ) 1/ Hệ số hoạt độ trung bình của ion :  ± = ( + +  - - ) 1/ Nồng độ trung bình của ion : m ± = (m +  + m - - ) 1/ = [( + m) + ( - m) - ] 1/ = ( +  +  -  - ) 1/ m = Pm với P = ( +  +  -  - ) 1/  a ± =  ± m ± =  ± Pm 25-Jan-15 TS. MTHH 14 CĐL 1 -1 : NaCl 1 -2, 2-1 : K 2 SO 4 , CaCl 2 1 -3 : AlCl 3 2 -3 : Ca 3 (PO 4 ) 2 P = 1 P = 25/01/2015 8 3. Dung dịch Ca(NO 3 ) 2 nồng độ molan 0,2 có hệ số hoạt độ ion trung bình là 0,426. Tìm nồng độ ion trung bình, hoạt độ ion trung bình và hoạt độ của muối. 4. Xác định hoạt độ và hoạt độ trung bình của ZnSO 4 trong dung dịch 0,1 m nếu   = 0,148. 25-Jan-15 TS. MTHH 15 25-Jan-15 TS. MTHH + + _ _ + + _ _ Ở nồng độ C + _ dd lý tưởng dd thực G G id Ở trạng thái chuẩn Hệ số hoạt độ Hóa thế của ion k trong dd thực :  k =  o k + RTlnc k + RTln k   k –  o k = RTlnc k + RTln k   k =  k,id + RTln k =  k,id +  k E Phần hiệu chỉnh do tính chất “thực”  k  k,id G E = G - G id  k E Ở nồng độ C Ở trạng thái chuẩn 25/01/2015 9 25-Jan-15 TS. MTHH 17 + + _ _ + + _ _ Ở nồng độ c (dd thực) : Trạng thái chuẩn (1 mol/dm 3 )  độ loãng vô cùng (dd lý tưởng) Công phóng điện W 1 Không có công điện Công tích điện W 2  k z k e Công phóng điện của 1 ion W 1 Điện thế tại khoảng cách r : Công W k + _ Hệ số hoạt độ theo thuyết Debye – Huckel k 25-Jan-15 TS. MTHH 18 Công tích điện của 1 ion W 2 : Công điện tổng W k cho ion k : Công điện tổng W el cho tất cả các ion trong thể tích dung dịch V : Số ion N i = số mol n i . N A Hệ số hoạt độ theo thuyết Debye – Huckel 25/01/2015 10 25-Jan-15 TS. MTHH 19 Giả sử thể tích V không phụ thuộc n i , tức coi ion như chất điểm, không có kích thước log  k = – Az k Nghiệm đúng cho chất điện ly 1 + -1 - có lực ion dưới 10 -2 mol/dm 3 Nước ở 25 o C : Hệ số hoạt độ theo thuyết Debye – Huckel – log   = – 0,509z + Định luật giới hạn Debye-Huckel (Pt gần đúng bậc 1) Hệ số hoạt độ theo thuyết Debye – Huckel Pt gần đúng bậc 2 của D-H : Có tính đến kích thước riêng của ion  Các ion chỉ đến gần nhau một khoảng gần nhất là a (tính từ tâm ion) 25-Jan-15 TS. MTHH 20 a : đường kính hiệu dụng của ion, a  0,3-0,5 nm [...]... 12 3 12 2 y = -77.231x + 12 6 .18 R² = 0.9996 12 1 12 0 11 9 11 8 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0 .1 0 .12 C1/2 19 MgI2=Mg(CH3COO)2 – 2NaCH3COO + 2NaI = 259,6 20 Kc=2/V (1- )   = 0 ,11 79  =  /    = 41, 3 TS MTH H 57 27 25/ 01/ 2 015 21 [H2O] = 1/ 18/1mL = 0,055 mol/mL = 0,055 đlg/cm3 =5,5 .10 -8/0,055 =10 -6  = 349,8 +19 8=547,8  =  /  =1, 82 .10 -9 Kw=[H+][OH-]= 2C2 =10 -14 22 t- = - /   - = 0,43. 91 =39 ,1 23... = 0,002382 .10 00/0,02 =11 9 ,1  -1. cm2.đlg -1 t+ = +/   + = 0,4375 .11 9 ,1= 52 ,10 6  -1. cm2.đlg -1 u+ = +/F = 5,4 .10 -4  -1. cm2.đlg -1/ A.s2 = cm2/s.Volt (Ampe=Volt/ ) 24 q=5,21mA.67phut=5, 21. 10-3.67.60 giây = t+ = 4,64 cm 0,23cm2 10 -3 0,1mol/dm3 F / q = 0,4 917 25 t+ = (0,085mm..42mm2 10 -6)0,01mol/dm3 F/ 5mA .10 -3 .1 giây=0,824 26 Anode : +1A – t+A + t-B = t-AB Số đlg tăng ở anode = 0, 016 5 - 0, 01= 0,0065 đlg... của ion K+ và NO3- là 64,5 và 61, 6  -1. cm2.đlg -1 11 Hãy tính độ dẫn điện giới hạn (độ dẫn điện vô cùng loãng) của AgIO3 ở 298K biết độ dẫn điện đương lượng giới hạn của NaIO3, CH3COONa, CH3COOAg ở 298K lần lượt là 9 ,11 ; 9 ,10 ; 10 ,28 cm2/ohm.đlg 12 Tìm  cho [KCl] mol/L 0.0005 0.0 01 0.002 0.005 0. 01  ở 25oC 12 4.50 12 3.74 12 2.70 12 0.65 11 8. 51 ( -1. cm2.đlg -1) 25-Jan -15 TS MTH H 38 Sự phụ thuộc linh... : điện trở  Độ dẫn điện riêng  K : hằng số bình (cm -1) (S.cm -1) :  là độ dẫn của khối dung dịch 1 cm3 đặt giữa 2 điện cực diện tích 1 cm2, cách nhau 1 cm  là mật độ dòng điện ở điện trường 1 V/cm 25-Jan -15 TS MTH H 31 15 25/ 01/ 2 015 Độ dẫn điện của dung dịch điện ly  Độ dẫn điện riêng  của dung dịch (S.cm -1) : Mật độ dòng : i = FEzjcjuj Độ dẫn điện riêng của dung dịch = mật độ dòng điện ở điện. .. -2. 714 44 -2.69897 -2.67778 -2.634 51 Sqrt(I) -2.63 + 2lgS -2.64 0 + 1/ 2lgT x = 0  y = 1/ 2lgT = -2,7594 0.05 0 .1 0 .15 0.2 0.25 -2.65 -2.66 lgS y = x + 1/ 2lgT  T = 3,028 .10 -6 -2.67 y = 0.547x - 2.7594 -2.68 -2.69 -2.7 -2. 71 -2.72 25-Jan -15 56 TS MTH H 8 v =1, 2/300=0,004 cm/s u=v/E=0,004/ (12 /1, 53)=5 ,1. e-4 10 =K/R=0,5/423 = /(0, 01. 10-3) đlg/cm3 12 C = 0   =  = 12 6.4 độ dẫn điện đương lượng 12 5 12 4 12 3... 0,004 .1) ] 1/ 2.0,509 ± = 0,834 6 lg- = -0.509.4.0 ,1= -0,2036 -=0,625 lg = -0.509 .1. 2.0 ,1= -0 ,10 18 =0,7 91 a = P.m  = 41/ 3 8 .10 -5.0.7 91= 10-4 ionmol/L [KCl] S I sqrtI lgS 7 T= aTl+aIO3-= [Tl+].[IO3-].Tl+ IO3-=S2 ±2 lgT = 2lg ± + 2lgS Pt gần đúng bậc 1 : lg ± = -A lgT = -2A lgS = A 0.005 0. 01 0.02 0.05 0.0 019 3 0.002 0.00 21 0.00232 0.00693 0. 012 0.02 21 0.05232 0.083247 0 .10 9545 0 .14 86 61 0.228736... (4) NaNO3 nồng độ đi qua 1 cực đại 25-Jan -15 (1) H2SO4; (2) KOH; TS MTH H 41 20 25/ 01/ 2 015 Đo độ dẫn điện bằng cầu Wheatstone Cầu cân bằng : dòng đi qua G = 0 C B I1R1 = I2.L1 S A S : nguồn điện dòng xoay chiều nhỏ, tần số lớn R1 : điện trở bình chứa dung dịch cần đo R2 : điện trở biết trước BD : dây dẫn có tỉ số điện trở của 2 đoạn dây R1 I1R2 = I2.L2 D R2 = = L1 L2 K(cm -1) R1 () Hằng số bình K :... điện cực cách nhau 1, 53 cm Thế 12 V được áp vào 2 điện cực Sau 5 phút, Na di chuyển được 1, 2 cm Tìm tốc độ tuyệt đối của ion 9 Cho linh độ của ion Li+ là 4 .10 -4 cm2/Vs Tìm thời gian ion dịch chuyển từ điện cực này sang điện cực kia nếu hiệu thế 10 V được đặt vào 2 điện cực cách nhau 1 cm 25-Jan -15 TS MTH H 29 14 25/ 01/ 2 015 Độ dẫn điện của dung dịch điện ly  Mật độ dòng ion Jj : Jj = số mol ion j điện. ..25/ 01/ 2 015 Hệ số hoạt độ theo thuyết Debye – Huckel ToC  Pt gần đúng bậc 2 của D-H : A B 0 82,23 0,5 78,54 0,509 0, 30 78,76 0, 514 0, 40 73,35 0,524 0, 50 70 ,1 lg = B= – 88 ,15 0,488 0, 15 25 a : đường kính hiệu dụng của ion (8e2N )1/ 2 (10 3kT )1/ 2 Với nước ở 25oC : – a  0,3-0,5 nm  Ba = 1 0,535 0, - |Z+.Z-|A 1 + a.B a  3-4 .10 -8 cm Pt bậc 2 nghiệm đúng cho dd nồng độ loãng 0, 01 - 0 ,1 mol/lít, CĐL 1+ -12 5-Jan -15 ... dẫn điện mol của dung dịch axit ở độ pha loãng trên 21 Hãy tính độ phân ly và tích số ion của nước ở 25C, biết độ dẫn điện riêng của nước tinh khiết ở 25oC bằng 5,5 .10 -8 om -1. cm -1 Độ dẫn điện đương lượng giới hạn của các ion H+, OH- là 349,8 và 19 8,0 cm2/đlg.om Khối lượng riêng của nước 1g/mL 22 Ở 25oC độ dẫn điện đương lượng giới hạn của NaCH3COO là 91  -1. cm2.đlg -1 Số tải của anion là 0,43 Độ dẫn điện . 9 ,11 ; 9 ,10 ; 10 ,28 cm 2 /ohm.đlg 12 . Tìm  cho 25-Jan -15 TS. MTHH 38 [ KCl] mol/L 0.0005 0.0 01 0.002 0.005 0. 01  ( -1 .cm 2 .đlg -1 ) ở 25 o C 12 4.50 12 3.74 12 2.70 . [1 + ( k – 1) ]c k Độ dẫn điện của dung dịch điện ly 25/ 01/ 2 015 14 Độ dẫn điện của dung dịch điện ly 25-Jan -15 TS. MTHH 28  Tốc độ chuyển động của ion v j : Mỗi ion j sẽ mang điện. (8e 2 N) 1/ 2 (10 3 kT) 1/ 2 lg = - |Z + .Z - |A 1 + a.B Pt bậc 2 nghiệm đúng cho dd nồng độ loãng 0, 01 - 0 ,1 mol/lít, CĐL 1 + -1 - T o C  A B 0 88 ,15 0,488 0,325 .10 8 15 82,23