Giáo trình Hóa đại cương B1

Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1 Giáo trình Hóa đại cương B1

1 Chương Giới thiệu chung Chương Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Hóa học Hóa học ngành khoa học nghiên cứu chất trình chuyển hóa chất theo quan điểm hóa học Điều có nghóa là: a Hóa học nghiên cứu cấu tạo nguyên tử bao gồm hạt nhân, điện tử vân đạo b Hóa học nghiên cứu cấu tạo chất bao gồm: • Thành phần loại nguyên tố chất • Số lượng tỉ lệ nguyên tố chất • Cách xếp nguyên tử chất Ví dụ: Hydro peroxid H2O2 có: Thành phần nguyên tố H O Tỉ lệ nguyên tử nguyên tố H:O = 1:1 Số lượng nguyên tử 2H 2O Cách xếp nguyên tử hình bên c Hóa học nghiên cứu trình hóa học: • Cắt đứt liên kết cũ để phân hủy tác chất • Tạo liên kết để hình thành sản phẩm • Biến đổi lượng hệ phản ứng xảy trình hóa học Ví dụ: H–H + F–F → 2H–F ΔH = –536kJ d Hóa học nghiên cứu trình lãnh vực liên quan đến hóa học: • Các trình lý hóa: nóng chảy, bay hơi, hòa tan, kết tinh, hấp phụ, phân bố, xúc tác, phóng xạ,… • Các trình sinh hóa: sinh tổng hợp, hoạt tính dược học,… • Các trình đòa hóa: trầm tích, phong hóa,… liên quan đến lãnh vực vật lý, sinh học, đòa chất , y học, vật liệu,… Các chuyên ngành hóa học a Hóa Vô e Hóa Kỹ thuật i Hóa Sinh b Hóa Hữu f j Hóa Y c Hóa Phân tích g Hóa Môi trường k Hóa Nông học d Hóa Lý h Hóa Thực phẩm l Hóa Đại cương Hóa Phóng xạ Hóa Vật liệu,… http://www.ebook.edu.vn Chương Giới thiệu chung 1.1.2 Lòch sử hóa học Lòch sữ phát triển hóa học phân thành giai đoạn là: a Giai đoạn Mô tả thô sơ Minh triết thời Cổ đại b Giai đoạn Giả kim thuật thời Trung cổ c Giai đoạn Hóa y học kỹ thuật thời Phục hưng d Giai đoạn Khoa học hóa thời Cận đại e Giai đoạn Hiện đại hóa thời Hiện đại Đặc trưng giai đoạn phát triển hóa học tóm tắt Bảng 1.1 Bảng 1.1 Đặc trưng giai đoạn phát triển hóa học Giai đoạn Thời đại Mô tả thô sơ Minh triết Giả kim thuật Hóa y học kỹ thuật Khoa học hóa Hiện đại hóa 1.1.3 Đặc trưng Cổ đại Thuyết nguyên tố cổ đại: Đến hết kỷ (tk) • Nước, không khí, đất, lửa • Kim, mộc, thủy, hỏa, thổ Trung cổ • Hòn đá triết học, Đầu tk – đầu tk 16 • Thuốc trường sinh Phục hưng • Thuốc chữa bệnh, Đầu tk 16 – tk 17 • Các hóa chất kỹ thuật Cận đại • Các quan điểm khoa học Giữa tk 17 – cuối tk 18 • Thuyết nguyên tố đại Hiện đại • Các đònh luật – lý thuyết khoa học Thế kỷ 19 • Nguyên tố hóa học Đầu tk 20 đến • Các đònh luật – lý thuyết đại Xu hướng đại Kể từ năm 70 kỷ 20, ngành hóa học nói riêng ngành khoa học nói chung chuyển mạnh sang nghiên cứu ứng dụng công nghệ Hai biện pháp để phát triển hóa học khoa học sống là: a Tăng suất cách thay đổi quy trình thiết bò sở hiểu biết khoa học công nghệ b Tăng giá trò sản phẩm cách tăng chất lượng mở rộng mục tiêu sử dụng sản phẩm Bảng 1.2 Giá sản phẩm Ví dụ Giá trò sản phẩm theo chất lượng mục tiêu sử dụng Công nghệ Thấp Trung bình Cao Rất cao USD/kg 0,1–1 1–10 10–100 100–1000 Muối ăn Bột màu Xúc tác Bán dẫn Chương Giới thiệu chung 1.1.4 Hóa học đời sống Hóa học ngành khoa học lớn có mục tiêu tìm hiểu về: a Thành phần, số lượng tỉ lệ nguyên tố cấu tạo chất b Các tính chất hóa học vật lý chất hỗn hợp chất c Các phương pháp quy trình để điều chế tinh chế chất d Các điều kiện cần thiết để sử dụng tốt chất hỗn hợp chất Hóa học có liên quan mật thiết với hầu hết ngành khoa học công nghiệp khác Một số mối quan hệ hóa học với ngành khác trình bày Bảng 1.3 Bảng 1.3 Một số mối quan hệ hóa học ngành khác Ngành Vật lý Mối quan hệ điển hình • Tiếp nhận lý thuyết giải thích cấu tạo tính chất chất • Cung cấp nguyên vật liệu có độ tinh khiết cao đến cao Sinh học • Cung cấp kiến thức giải thích trình chuyển hóa sinh học Đòa chất • Cung cấp kiến thức giải thích trình chuyển hóa đòa chất Vật liệu • Tiếp nhận lý thuyết giải thích tính chất chất • Cung cấp nguyên vật liệu có đặc tính kỹ thuật Y học • Cung cấp kiến thức cấu tạo phương pháp điều chế hoạt chất dược học (thuốc) từ nguồn hợp chất tự nhiên Cơ khí • Tiếp nhận thiết bò phản ứng đo lường • Cung cấp kiến thức hóa học vật liệu kỹ thuật • Cung cấp chất dinh dưỡng đa lượng vi lượng (phân bón), chất kích thích sinh trưởng,… Nông nghiệp 1.1.5 Các khái niệm khoa học tổng quát Có khái niệm khoa học tổng quát khái niệm kiện, đònh luật, giả thuyết, lý thuyết, tiên đề nguyên lý Sự kiện thuộc tính vật chất (vật) kết tượng (sự), có đặc tính không biến đổi theo thời gian không gian Đònh luật kết luận tổng quát thu từ hệ thống kiện đa số công nhận Giả thuyết lý luận nhằm giải thích hệ thống kiện Lý thuyết giả thuyết kiểm tra kỹ lưỡng thực nghiệm đa số công nhận Tiên đề mệnh đề ban đầu giả thuyết hay lý thuyết, chấp nhận mà không chứng minh Nguyên lý mệnh đề ban đầu hay nhiều ngành khoa học, chấp nhận mà chứng minh Hóa Đại cương http://www.ebook.edu.vn Chương Giới thiệu chung 1.1.6 Phương pháp nghiên cứu khoa học Phương pháp nghiên cứu hóa học cách khoa học giống phương pháp nghiên cứu khoa học nói chung bao gồm bước sau: Thu thập liệu có từ tài liệu thực tế Các tài liệu bao gồm bách khoa toàn thư, sách giáo khoa, sách chuyên ngành, báo chuyên ngành,… Phân tích liệu thu thập để xác đònh chất vấn đề, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, yếu tố khảo sát, phạm vi khảo sát,… Lập kế hoạch tiến hành thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm thu thập kết thực nghiệm Phân tích kết thu so sánh với kết tài liệu cung cấp Giải thích cách hệ thống kết thu dự đònh luật – giả thuyết – lý thuyết biết đưa nhận xét cụ thể Kết luận nhận xét mang tính khái quát cuối dẫn đến đònh luật, giả thuyết hay lý thuyết 1.2 Vật chất Vật chất tồn hai hình thức chất trường Chất hình thức tồn vật chất dạng hạt riêng biệt có khối lượng riêng, gọi khối lượng nghỉ Ví dụ: Hạt cát, cây, người, mặt trời,… Trường hình thức tồn vật chất dạng dõng lượng tử khối lượng nghỉ Ví dụ: Trường hấp dẫn, trường điện từ,… Chất biến đổi thành trường ngược lại Ví dụ cho hạt electron va chạm với hạt positron hai hạt bò “hủy diệt” tạo thành hai lượng tử γ Ngược lại, lượng tử γ tương tác với “hình thành” hạt electron positron e– + e + 2γ Tương tác hạt chất thực thông qua trường Vậy, vật chất có chất nhò nguyên chất–trường 1.2.1 Chất Chất hình thức tồn vật chất dạng tập hợp hạt có khối lượng nghỉ Mỗi dạng chất cụ thể tạo thành từ hạt có: • Thành phần xác đònh nguyên tố chất • Số lượng tỉ lệ xác đònh loại nguyên tố chất • Cách xếp xác đònh nguyên tử chất Ba yếu tố khiến cho chất có tính chất vật lý hóa học xác đònh Ngoài ra, hình dạng, kích thước cách xếp hạt chất rắn ảnh hưởng đến tính chất vật lý hóa học chất Chương Giới thiệu chung 1.2.1.1 Trạng thái tồn chất Trạng thái tồn phổ biến vật chất vũ trụ trạng thái plasma Trên trái đất, trạng thái tồn phổ biến lại rắn, lỏng khí Các hạt tạo thành chất rắn xếp liên kết chặt chẽ với nên hạt dao động mà không di chuyển tự với Vì vậy, vật thể trạng thái rắn tích hình dạng xác đònh Chất rắn không chảy không chòu nén Khi hạt chất rắn xếp cách trật tự ta có chất rắn tinh thể Trường hợp hạt chất rắn xếp cách hỗn độn ta có chất rắn vô đònh hình Các hạt tạo thành chất lỏng xếp liên kết chặt chẽ với nên hạt không dao động mà di chuyển phần tự với Vì vậy, vật thể trạng thái lỏng tích xác đònh hình dạng biến đổi theo bình chứa Chất lỏng chảy chòu nén Các hạt tạo thành chất khí xếp hỗn độn liên kết lỏng lẻo với nên hạt di chuyển hoàn toàn tự với Vì vậy, vật thể trạng thái khí không tích hình dạng xác đònh mà biến đổi theo bình chứa Chất khí chảy chòu nén Do có tính chất chảy nên chất lỏng chất khí gọi lưu chất Chỉ có chất khí chòu nén Khi tăng nhiệt độ vật trạng thái rắn đến nhiệt độ xác đònh gọi nhiệt độ nóng chảy vật chuyển sang trạng thái lỏng Lượng nhiệt cung cấp cho vật sử dụng để làm tăng động cho cấu tử chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng nên vật giữ nguyên nhiệt độ nóng chảy toàn vật chuyển hết sang trạng thái lỏng 10 Tiếp tục tăng nhiệt độ lên vật chuyển sang trạng thái khí nhiệt độ sôi Lượng nhiệt cung cấp cho vật sử dụng để làm tăng động cho cấu tử chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí nên vật giữ nguyên nhiệt độ sôi toàn vật chuyển hết sang trạng thái khí 11 Quá trình xảy ngược lại hạ nhiệt độ song người ta thường gọi nhiệt độ đông đặc hóa lỏng thay nóng chảy sôi Nhiệt độ nóng chảy Tnc Trạng thái rắn Nhiệt độ sôi Ts Trạng thái lỏng Nhiệt độ đông đặc Trạng thái khí Nhiệt độ hóa lỏng 1.2.1.2 Tính chất vật lý hóa học chất Một chất có tính chất vật lý hóa học xác đònh phụ thuộc vào thành phần, tỉ lệ nguyên tố cách xếp nguyên tố Các tính chất vật lý quan trọng là: • Trạng thái rắn (tinh thể−vô đònh hình) – lỏng – khí • Màu sắc • Độ cứng • Tỉ trọng • Tnc ; Ts ; Tphh Các tính chất hóa học quan trọng là: • Tính acid-baz Hóa Đại cương • Tính oxi hóa-khử http://www.ebook.edu.vn Chương Giới thiệu chung Các tính chất khuyếch độ tính chất có giá trò đo tỉ lệ tuyến tính với khối lượng đem đo Ví dụ khối lượng, thể tích, số mol,… Thông số khuếch độ có tính cộng tính Ví dụ khối lượng m hệ tổng khối lượng m1, m2, m3,… hợp phần Các tính chất cường độ tính chất có giá trò đo không tỉ lệ tuyến tính với khối lượng đem đo Ví dụ tỉ trọng, nhiệt độ, nồng độ,… Thông số cường độ tính cộng tính Thí dụ hỗn hợp 1kg H2O 300C 1kg H2O 500C trộn với có nhiệt độ 400C 800C 1.2.1.3 Phân loại chất Phụ thuộc vào mục tiêu cần xem xét mà người ta sử dụng tiêu chuẩn khác để phân loại chất Những tiêu chuẩn phân loại thông thường sau: a Theo trạng thái: Rắn – Lỏng – Khí b Theo pha: Đồng thể – Dò thể c Theo thành phần: Đơn chất (kim loại, không kim loại) Hợp chất d Theo độ tinh khiết: Tinh chất – Hỗn hợp e Theo loại chất: Vô – Hữu f Theo phương pháp điều chế: Tự nhiên − Tổng hợp 1.2.1.4 Đònh luật bảo toàn khối lượng Lavoisier (1777) nung Hg bình kín với không khí tạo thành thủy ngân oxid mà khối lượng bình không thay đổi Thí nghiệm dẫn đến đònh luật bảo toàn khối lượng: Chất bảo toàn khối lượng trình phản ứng hóa học Thí nghiệm dẫn đến đònh luật bảo toàn nguyên tố: Chất bảo toàn nguyên tố trình phản ứng hóa học 1.2.2 Năng lượng 1.2.2.1 Động năng, nội hệ Năng lượng hệ gồm ba phần: • Động chuyển động đònh hướng toàn hệ: = ½mv2 • Thế hệ hệ nằm trọng trường: Et = mgh • Nội U hệ Ngoại hệ Hóa học thường khảo sát hệ không chuyển động chòu tác dụng trọng trường không đổi nên ta quan tâm đến nội hệ Nội U hệ gồm: Chương Giới thiệu chung • Động chuyển động nhiệt hỗn loạn bao gồm chuyển động tònh tiến, dao động, quay,…của tiểu phân phân tử, nguyên tử, hạt nhân điện tử • Thế tương tác hút đẩy tiểu phân Nội hệ phụ thuộc vào chất, thành phần, lượng chất, áp suất, nhiệt độ thể tích hệ 1.2.2.2 Đònh luật bảo toàn lượng Joule (1840) chứng minh đònh luật bảo toàn lượng: Năng lượng không tự sinh mà chuyển từ dạng sang dạng khác 1.2.3 Trường Trường hình thức tồn vật chất dạng khối lượng nghỉ Các trình hóa học chủ yếu liên quan đến trường điện từ Một xạ điện từ có tần số ν bước sóng λ có lượng tính công thức Planck: ε = hν = hc/λ đó: h ν λ c số Planck, tần số xạ, bước sóng xạ, vận tốc ánh sáng, (1.1) h = 6,626.10-27 ec.s cm–1 cm c = 3×1010 cm/s = 6,626.10-34 J.s = 102m–1 = 102m = 3×108 m/s Bức xạ điện từ vừa có chất sóng vừa có chất hạt (photon) Năng lượng photon tính công thức Einstein: ε = mc2 (1.2) Mối quan hệ khối lượng photon với tần số ν xạ là: ε = hν = hc/λ = mc2 (1.3) Broglie (1924) khái quát hóa: Một hạt vật chất có khối lượng m di chuyển với vận tốc v gắn liền với xạ có bước sóng λ cho hệ thức: λ = h/mv 1.3 (1.4) Đo lường 1.3.1 Đại lượng vật lý - Đơn vò đo lường Thứ nguyên Khi ta nói nhà có chiều dài 20m nghóa chiếu dài nhà 20 lần chiếu dài thước chọn làm chuẩn 1m Đại lượng chiều dài có thứ nguyên L (Length) đơn vò đo chọn mét Ta đo chiều dài foot, thước ta,… thứ nguyên chiều dài không đổi Vậy, tượng (sự) hay vật thể (vật) mang số thuộc tính vật chất đo thuộc tính gọi đại lượng vật lý Ví dụ khối hộp (vật) di chuyển (sự) vối vận tốc v có thuộc tính độ dài cạnh, thể tích, khối lượng động khối hộp Hóa Đại cương http://www.ebook.edu.vn Chương Giới thiệu chung v = 1m/s h = 0,2m m = 10kg b = 0,1m l = 0,5m Chúng ta nhận thấy khối hộp có: • Độ dài cạnh ngang l = 0,5m • Diện tích mặt đáy S = l×b = 0,5m×0,1m • Thể tích khối V = l×b×h = 0,5m×0,1m×0,2m = 0,01m3 • Khối lượng khối m • Vận tốc khối v = d/t = 1m/s • Động khối q = ½×m×v2 = ½×10kg×(1m/s)2 = 5kg.m2/s2 = 5N.m = 0,05m2 = 10kg Đơn vò đo lường đại lượng vật lý có số đo chọn Số đo vật khác tỉ số số đo vật với số đo đơn vò Có đại lượng vật lý mà từ ta suy tất đại lượng khác Bảng 1.4 Stt đại lượng vật lý Đại lượng Đơn vò SI Thứ nguyên Tên tiếng Anh Độ dài m L Length Khối lượng kg M Mass Thời gian s T Time Nhiệt độ K θ Temperature Cường độ dòng điện A I (Ampere) Cường độ ánh sáng cd C (Candela) Đơn vò chất mol mol (Mol) Đơn vò đo đại lượng hoàn toàn áp đặt chủ quan người Các đại lượng suy từ đại lượng vật lý khác Ví dụ đơn vò đo khối lượng kilogram chọn cách độc đoán khối lượng cân hình trụ làm platin-iridi lưu giữ Paris Các đại lượng gọi có thứ nguyên độc lập Về hình thức, phương trình thứ nguyên đại lượng bao gồm yếu tố thứ nguyên Các đại lượng không đại lượng dẫn xuất từ đại lượng nêu 10 Như vậy, đại lượng không suy phương trình thứ nguyên đại lượng Ví dụ: S = L2 ; V = L3 ; v = LT–1 ; q = ML2T–2 ,… 11 Ví dụ khối hộp nêu có thuộc tính độ dài cạnh, diện tích, thể tích, vận tốc động trình bày Bảng 1.5 Chương Giới thiệu chung Bảng 1.5 Các thuộc tính khối hộp nêu Stt Đại lượng Đơn vò SI Thứ nguyên Tên tiếng Anh Độ dài l m L Length Diện tích S = l2 m2 L2 Suface Thể tích V = l3 m3 L3 Volume Vận tốc v = d/t m/s LT–1 Velocity Động q = m×v2 kg.m2/s2 = N.m ML2T–2 1.3.2 STT Một số đơn vò sử dụng hệ đơn vò SI ĐẠI LƯNG Chiều dài Khối lượng TÊN KÝ HIỆU GHI CHÚ met m (đơn vò bản) Angstrom Ao Ao = 0,1 nm = 10-10 m Kilogam kg (đơn vò bản) Đơn vò khối lượng nguyên tử u u = 1.660 540 2(10) × 10-27 kg Thời gian Giây s (đơn vò bản) Nhiệt độ Kelvin K (đơn vò bản) Số hạt Mol mol (đơn vò bản) Cường độ dòng điện Ampe A (đơn vò bản) Tần số Héc Hz s-1 10 Lực Niutơn N kg.m.s-2 11 Công Jun J N.m = kg.m2.s-2 12 Công suất oát W J/s = kg.m2.s-3 13 p suất Pascal Pa N/m2 = kg.m-1.s-2 14 Tónh điện Culong C A.s 15 Hiệu điện vôn V J/C = kg.m2.A-1.s-3 16 Điện trở ohm Ω V/A = kg.m2.A-2.s-3 17 Năng lượng electronvon eV eV = 1.602 177 33(49) × 10-19 J Hóa Đại cương http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Chương Nguyên tử chất hóa học Chương Nguyên tử chất hóa học 2.1 Các đònh luật hóa học Từ kỹ thứ trước Công nguyên, nhà triết học Hy Lạp Democritus giả đònh là: a Vật chất không liên tục mà hình thành từ hạt vô nhỏ b Các hạt nhỏ phân nhỏ gọi nguyên tử Giả đònh chưa kiểm chứng thực nghiệm vào thời 2.1.1 Đònh luật bảo toàn khối lượng Vào cuối kỹ 18, Lavoisier nung Hg bình kín với không khí tạo thành thủy ngân oxid mà khối lượng bình không thay đổi Các kết thực nghiệm tương tự dẫn đến đònh luật bảo toàn khối lượng: Chất bảo toàn khối lượng trình phản ứng hóa học 2.1.2 Đònh luật thành phần không đổi Vào đầu kỹ 19, Proust nhận thấy đồng carbonat tinh khiết từ nguồn khác luôn chứa 5,3 phần đồng, phần oxigen phần carbon theo khối lượng,… Các kết thực nghiệm tương tự dẫn đến đònh luật thành phần không đổi: Một hợp chất dù điều chế cách luôn có thành phần không đổi tính theo khối lượng 2.1.3 Đònh luật tỉ lệ bội Cũng vào đầu kỹ 19, Dalton nhận thấy carbon oxigen tạo thành hai hợp chất có chứa khối lượng carbon oxigen với tỉ lệ khác Hợp chất Khối lượng oxigen / 1g carbon 1,33 2,55 Các kết thực nghiệm tương tự dẫn đến đònh luật tỉ lệ bội: Khi hai nguyên tố tạo thành dãy hợp chất khối lượng nguyên tố thứ hai kết hợp với 1g nguyên tố thứ tạo thành tỉ lệ bội số nguyên đơn giản Bài tập: Hãy xác đònh khối lượng tỉ lệ kết hợp đơn giản oxigen với 7g nitrogen hợp chất N2O, NO, N2O3, NO2 N2O5 10 http://www.ebook.edu.vn Hóa đại cương 14.5 Chương 14 Cân dung dòch điện ly Chất thò pH Chất thò pH chất có khả thay đổi màu thay đổi pH Các chất thò màu thường acid (hoặc baz) hữu yếu, ký hiệu HInd Sự phân ly chúng sau: H+ HInd Màu dạng acid + Ind− Màu dạng baz Trong màu dạng acid HInd màu dạng baz Ind− khác Từ phương trình phân ly HInd, ta có số phân ly: KHInd = [H+ ][Ind − ] [HInd] [HInd] Có thể viết: [H+ ] = KHInd hay: pH = pKHInd − lg [Ind − ] [HInd] (5.23) [Ind − ] Phương trình cho thấy tỉ số nồng độ dạng acid dạng baz chất thò có liên quan đến pH dung dòch Người ta thường chấp nhận phân biệt rõ hai màu nồng độ dạng màu lớn dạng màu 10 lần a Khi pH = pKHind [HInd] = [Ind−], nồng độ hai dạng màu nhau, dung dòch có màu hỗn hợp hai dạng màu b Khi pH = pKHind + [Ind−] = 10[HInd], dung dòch có màu dạng baz nồng độ dạng màu baz gấp 10 lần dạng màu acid c Khi pH = pKHind − [HInd] = 10[Ind−], dung dòch có màu dạng acid nồng độ dạng màu acid gấp 10 lần dạng màu baz Như vậy, màu chất thò biến đổi khoảng pH = pKHind ± gọi khoảng đổi màu Màu dạng acid Khoảng đổi màu Màu dạng baz pH ≤ pKHind − pH = pKHind ± pH ≥ pKHind + pH Mỗi chất thò có khoảng đổi màu xác đònh Dựa vào đổi màu mà ta xác đònh pH dung dòch Trong thực tế người ta thường dùng giấy pH tẩm số chất thò màu cho phép xác đònh pH dung dòch (với độ xác từ ± 1pH đến ± 0,1pH) Muốn đo pH xác hơn, người ta sử dụng máy đo pH 14.6 Dung dòch đệm Dung dòch đệm dung dòch có chứa đồng thời hai dạng acid dạng baz liên hợp với Ví dụ: Dung dòch NaCH3COO−CH3COOH, NH4OH−NH4Cl,… Xét dung dòch đệm có chứa đồng thời acid yếu HA với nồng độ đầu Ca baz liên hợp acid dạng muối NaA với nồng độ đầu Cm = Cb Thông thường, nồng độ HA A− lớn so với H+ OH− nên bỏ qua hai nồng độ [H+] [OH−] này: 48 http://www.ebook.edu.vn Hóa đại cương Chương 14 Cân dung dòch điện ly Ca Cm Ta có: [H+ ] = K a hay: pH = pK a − lg (5.24) Ca Cm (5.25) Hoàn toàn tương tự dung dòch có chứa đồng thời baz yếu với nồng độ đầu Cb acid liên hợp baz dạng muối với nồng độ đầu Cm = Ca Ta có phương trình tính pH dung dòch sau: pH = 14 − pK b + lg Cb Cm (5.26) Khi thêm lượng acid vào dung dòch đệm lượng acid kết hợp với baz A− Ngược lại, thêm lượng baz vào dung dòch đệm lại kết hợp với acid HA Do đó, dung dòch đệm có pH thay đổi thêm lượng acid hay baz Sự thay đổi pH thêm acid hay baz vào dung dòch đệm tính phương trình (5.24) Ví dụ: Tính pH dung dòch đệm có chứa acid CH3COOH 10−1M muối NaCH3COO 10−1M, pKa =4,75 Giải: 14.7 14.7.1 pH = pK a − lg Ca 0,1 = 4,75 − lg = 4,75 Cm 0,1 Tích số tan Tích số tan Khi hòa tan chất rắn điện ly vào dung môi luôn có hai trình xảy ngược chiều trình hòa tan trình kết tủa Khi hai trình hòa tan kết tủa cân với nồng độ chất tan dung môi không tăng lên số Trong trường hợp chất tan có độ tan nhỏ gọi chất tan Ví dụ: AgCl(r) Ta có số cân bằng: Ag+(dd) + Cl−(dd) K = T = [Ag+ ][Cl− ] (5.27) Trong dung dòch bão hòa chất điện ly tan, tích số nồng độ ion chất tan số gọi tích số tan, ký hiệu T Trong trường hợp tổng quát, chất điện ly tan AmBn, ta có: TAmBn = [An + ]m [Bm − ]n (5.28) Một chất điện ly tan kết tủa tích số nồng độ ion dung dòch phải lớn tích số tan Mối liên hệ tích số tan độ bão hòa dung dòch điện ly tan sau: Dung dòch chưa bão hòa Dung dòch bão hòa Dung dòch bão hòa [A n+ ]m [Bm− ]n < TAmBn [An + ]m [Bm − ]n = TAmBn [A n+ ]m [Bm− ]n > TAmBn 14.7.2 Độ tan Do độ tan chất điện ly tan nhỏ nên theo đònh luật pha loãng Ostwald, xem chất tan phân ly hoàn toàn Ta có độ tan S: 49 http://www.ebook.edu.vn Hóa đại cương Chương 14 Cân dung dòch điện ly [A n+ ] [Bm− ] = , mol/lít (M) m n SAmBn = SAmBn = (m + n) TAmBn (5.29) mm nn [An + ] = m.SAmBn Và: [Bm− ] = n.SAmBn +n TAmBn = mm nn Sm AmBn (5.30) Ví dụ: Tính độ tan AgCl nước, cho biết TAgCl = 1,78.10−10 SAgCl = TAgCl = 1,78.10 −10 = 1,33.10 −5 M Giải: 14.7.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ tan Quá trình hòa tan làm tăng tiểu phân tự nên có ΔS > Khi tăng nhiệt độ giá trò −T ΔS âm, nghóa ΔG âm làm cho cân chuyển theo chiều thuận khiến cho độ tan tăng lên 14.7.4 Điều kiện kết tủa chất điện ly tan – Hiệu ứng ion chung Một chất điện ly tan kết tủa tích số nồng độ ion dung dòch phải lớn tích số tan Người ta sử dụng điều kiện để kết tủa chất điện ly tan cách thêm lượng ion loại với ion chất tan vào dung dòch chất điện ly tan Loại ion gọi ion chung Lúc đó, nồng độ ion chung tăng lên làm cho tích số nồng độ ion chất tan lớn tích số tan khiến cho chất tan kết tủa Quá trình kết tủa xảy tích số nồng độ ion chất tan tích số tan dừng lại Hiệu ứng kết tủa thêm ion chung vào dung dòch điện ly tan gọi hiệu ứng ion chung Ví dụ: Khi thêm dung dòch Na2SO4 vào dung dòch bão hòa CaSO4 hiệu ứng ion chung, CaSO4 kết tủa tích số nồng độ ion Ca2+ SO 24− lớn TCaSO 14.7.5 Điều kiện hòa tan chất điện ly tan Xét trình hòa tan FeS rắn dung dòch cách thêm acid HCl Trong dung dòch bão hòa FeS có cân động: Fe2+ + S2- FeS(r) 2+ (5.31) 2- Lúc này: [Fe ][S ] = TFeS Khi thêm HCl vào: HCl → H+ + Cl- H+ kết hợp với S2- để tạo thành HS- H2S điện ly S2- + H+ - HS- + HS + H H2S 2- (5.32) (5.33) - S dung dòch chuyển thành HS H2S điện ly; ra, H2S lại bay Hai loại trình làm cho cân (5.31), (5.32) (5.33) chuyển dòch từ trái qua phải, nghóa FeS bò hòa tan 50 http://www.ebook.edu.vn Hóa đại cương Chương 14 Cân dung dòch điện ly Vậy, muốn hòa tan chất điện ly tan phải thêm vào dung dòch chất có khả kết hợp với ion chất điện ly tan để tạo thành chất điện ly hay chất bay cho tích số nồng độ ion chất điện ly tan nhỏ tích số tan 51 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Chương 15 Điện hóa học Chương 15 Điện hóa học 15.1 Phản ứng oxi hóa-khử Số oxi hóa nguyên tử chất điện tích hình thức nguyên tử với giả đònh liên kết điện tử thuộc nguyên tử có độ âm điện Phản ứng oxi hóa-khử phản ứng có thay đổi số oxi hóa nguyên tử tác chất sản phẩm Chất khử chất cho điện tử Ví dụ: Zn Chất oxi hóa chất nhận điện tử Ví dụ: Cu2+ Quá trình oxi hóa trình cho điện tử Ví dụ: Quá trình oxi hóa Zn lên Zn2+ Quá trình khử trình nhận điện tử Ví dụ: Quá trình khử Cu2+ Cu0 Trong trình oxi hóa-khử thông thường, điện tử di chuyển trực tiếp từ chất khử sang chất oxi hóa Năng lượng phản ứng oxi hóa-khử chuyển thành nhiệt Ví dụ: Khi nhúng kẽm kim loại vào dung dòch CuSO4, ion Cu2+ dung dòch di chuyển đến kẽm để nhận điện tử phản ứng tỏa nhiệt: Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+ 15.2 ΔH0298 = –230,12 kcal/mol Pin Galvani Nếu ta tiến hành oxi hóa Zn nơi khử Cu2+ nơi khác cho điện tử di chuyển từ Zn sang ion Cu2+ thông qua dây dẫn tạo thành dòng điện lượng phản ứng oxi hóa-khử chuyển thành điện Một hệ gọi pin Galvani Hình 4.1 Sơ đồ pin Galvani Pin Galvani bình chứa đồng nhúng dung dòch muối đồng CuSO4 kẽm nhúng dung dòch muối kẽm ZnSO4 Hai dung dòch ngăn cách màng xốp sứ xốp Màng xốp cho phép anion di chuyển qua lại để cân điện tích dung dòch hai bình Nhưng không cho cation di chuyển qua màng xốp Khi nối hai kim loại dây dẫn mạch có dòng điện tử di chuyển từ cực Zn đến cực Cu theo dây dẫn 52 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Chương 15 Điện hóa học Điện cực kẽm gọi cực âm điện cực đồng gọi cực dương Tại cực âm (anod) có trình nhường điện tử (quá trình oxi hóa) Zn để tạo thành Zn2+ Điện cực Zn tan Tại cực dương (catod) có trình nhận điện tử (quá trình khử) Cu2+ để tạo thành Cu 10 Điện hai điện cực Zn Cu điện chênh lệch hai lớp điện tích kép Zn Cu 11 Như vậy, toàn bộ, pin xảy phản ứng: Zn − 2e− → Zn2+ Cu2+ + 2e− → Cu và: 12 Nghóa phản ứng xảy tương tự cho Zn phản ứng với dung dòch CuSO4: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu 13 Vậy pin dụng cụ cho phép sử dụng trao đổi điện tử phản ứng oxi hóa để tạo dòng điện 14 Sơ đồ pin Galvani viết theo quy ước sau: (−) Zn ⏐ Zn2+ ║ Cu2+ ⏐ Cu (+) 15.3 (6.1) Thế điện cực 15.3.1 Lớp điện tích kép Khi nhúng kẽm kim loại vào nước, có số nguyên tử Zn kim loại nhường điện tử cho kẽm chuyển vào dung dòch dạng cation Zn2+, lúc kẽm mang điện tích âm Khi trình đạt tới trạng thái cân bề mặt kẽm lớp dung dòch xuất lớp điện tích kép với hiệu điện xác đònh Độ lớn điện tùy thuộc vào chất kim loại Kim loại hoạt động điện lớn Nếu nhúng kẽm vào dung dòch muối kẽm xuất cân tương tự Một hệ vừa kể gọi bán pin Thanh kim loại nằm dung dòch chứa cặp oxi hóa-khử liên hợp gọi điện cực Có bốn loại điện cực là: a Điện cực tan: loại điện cực vừa mô tả, kim loại bò tan b Điện cực khí: gồm điện cực kim loại trơ không tan Pt, vàng,… hay graphit hấp phụ khí bão hòa dung dòch có chứa ion khí Ví dụ điển hình quan trọng điện cực hydro Phản ứng điện cực hydro là: H+(dd) + e− → ½H2(k) Khi nồng độ H+ 1M áp suất H2 1atm ta có điều kiện tiêu chuẩn điện lớp điện tích kép gán 0,000V 53 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Chương 15 Điện hóa học Hình 4.2 Sơ đồ cấu tạo điện cực hydro tiêu chuẩn c Điện cực trơ: gồm điện cực kim loại trơ không tan Pt, vàng,… hay graphit nhúng dung dòch có chứa cặp oxi hóa-khử liên hợp (ví dụ Fe3+/ Fe2+) Điện lớp điện tích kép điện hai dạng oxi hóa khử cặp oxi hóa-khử liên hợp d Điện cực tiếp xúc: gồm điện cực kim loại tiếp xúc với muối tan nằm dung dòch chứa muối tan có anion với muối tan Ví dụ điện cực bạc phủ lớp AgCl nằm dung dòch KCl 15.3.2 Sức điện động − Thế điện cực Sức điện động pin hiệu số điện điện cực dương điện cực âm E = E+ − E− (6.2) Như để tính sức điện động pin cần phải biết điện cực tương ứng Song xác đònh tuyệt đối điện cực Do đó, người ta phải xác đònh điện cực tương đối cách so sánh với điện cực tiêu chuẩn Điện cực chuẩn chọn điện cực hydro T = 250C, CH+ = 1M PH2 = 1atm Thế điện cực gán 0,000V Muốn đo điện cực người ta ghép điện cực với điện cực hydro chuẩn để tạo thành pin đo sức điện động pin thu Dấu điện cực tùy thuộc vào việc tích điện dương hay âm điện cực cần đo Điện cực tích điện âm điện cực mang dấu âm ngược lại Thế điện cực đo T = 2980K, P = 1atm nồng độ ion kim loại 1M (nếu có) gọi chuẩn điện cực Ví dụ sức điện động pin Cu-Zn nêu điều kiện tiêu chuẩn là: E = E+ − E− = 0,34 − (−0,76) = 1,10V 15.4 Chiều phản ứng oxi hóa-khử Trong phần nhiệt động học, biết: ΔG = A Trong đó, công có ích A’ công chuyển n mol điện tử điện trường có hiệu số điện ΔE: A = −nFΔE 54 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương đó: Chương 15 Điện hóa học theo quy ùc nhiệt động học, A âm hệ sinh công F: số Faraday, điện tích mol điện tử = 96500C ΔE: điện cực cặp oxi hóa-khử, thường ký hiệu E, hiệusố điện dạng khử dạng oxh Như vậy: ΔG = −nFΔE (6.3) Xét phản ứng oxi hóa-khử: Ox1 + Kh2 Kh1 + Ox2 ΔG Phản ứng bao gồm hai bán phản ứng oxi hóa khử sau: Ox1 + ne− → Kh1 ΔG1 (6.4) Ox2 + ne → Kh2 ΔG2 (6.5) − ΔG = ΔG1 − ΔG2 ΔG = −nF(E1 − E2) Phản ứng xảy theo chiều thuận ΔG âm, tức E1 > E2 Trong chất Ox1 đóng vai trò chất oxi hóa chất Kh2 chất khử Cần lưu ý giá trò E1 E2 tính cho trao đổi điện tử nên trường hợp tổng quát có trao đổi n1 điện tử Ox1 n2 điện tử Kh2 kết không thay đổi Để đơn giản hóa, phản ứng xảy theo chiều thuận xét theo ΔE: ΔE = E Ox − E Kh > đó: EOx: EKh: (6.6) E cặp oxi hóa-khử Ox1/Kh1 E cặp oxi hóa-khử Ox2/Kh2 Trong điều kiện tiêu chuẩn, ta có: 0 ΔE = E Ox − E Kh >0 (6.7) Ví dụ: Hãy xác đònh phản ứng oxi hóa-khử sau có diễn hay không điều kiện tiêu chuẩn? Fe3+ + Cu0 → Fe2+ + Cu2+ 0 = +0,77V ECu = +0,34V Cho biết: EFe 3+ 2+ / Fe2+ / Cu0 Giải: 0 ΔE0 = EFe − ECu = +0,77 − 0,34 = +0,43V 3+ 2+ / Fe2+ / Cu0 ΔE0 > nên phản ứng xảy theo chiều thuận 15.5 Giản đồ E0 Để so sánh khả phản ứng nhiều cặp oxi hóa-khử, người ta sử dụng giản đồ E0 Một ví dụ cụ thể giản đồ E0 sau: Zn2+ Fe2+ H+ Cu2+ Fe3+ Zn0 −0,76 Fe0 −0,44 H2 +0,00 Cu0 +0,34 Fe2+ E0 (V) +0,77 Các cặp oxi hóa-khử xếp theo thứ tự E0 tăng dần Chất oxi hóa phía bên phải oxi hóa chất khử phía bên trái tạo sản phẩm chất phía ngược lại trục giản đồ 55 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương 15.6 Chương 15 Điện hóa học Ảnh hưởng nồng độ đến điện cực Từ phương trình (6.3): ΔG = −nFΔE hệ thức: ΔG = ΔG0 + RTlnK Chúng ta có: −nFE = −nFE0 + RTlnK hay E = E0 − RT lnK nF (6.8) Áp dụng cho phản ứng (6.4−5) T = 2980K, thay giá trò số R F, chuyển ln thành lg, được: E = E0 − 0,059 [Kh] lg n [Ox] (6.9) Phương trình (6.8) dạng tổng quát (6.9) dạng cụ thể phương trình Nerst Hai phương trình biểu diễn phụ thuộc oxi hóa-khử vào nồng độ dạng oxi hóa dạng khử cặp oxi hóa-khử E0 oxi hóa-khử chuẩn cặp oxi hóa-khử T = 2980K, P = atm nồng độ chất tham gia vào trình oxi hóa-khử (chất oxi hóa, chất khử,…) Các giá trò E0 đo đạc xác ghi lại sổ tay hóa học Trường hợp dạng khử kim loại [Kh] = 1, ta có: E = E0 − 0,059 lg [Ox] n (6.10) Trường hợp có ion H+ hay OH− tác chất hay sản phẩm phản ứng oxi hóa-khử phải thêm thừa số nồng độ chúng vào phương trình oxi hóa-khử với lũy thừa theo hệ số hợp thức Ví dụ: MnO −4 + 8H+ + 5e − → Mn2+ + 4H2O E = E0 − [Mn2 + ] 0,059 lg [MnO 4− ][H+ ] BrO 3− + 3H2O + 6e − → Br − + 6OH− E = E0 − 15.7 0,059 [Br − ][OH− ] lg [BrO 3− ] Hằng số cân phản ứng oxi hóa-khử Xét phản ứng oxi hóa-khử có dạng tổng quát bao gồm hai bán phản ứng hai cặp oxi hóa-khử sau: Ox1 + n1e = Kh1 E1 = E10 − RT [Kh1] ln n1F [Ox1] Ox2 + n2e = Kh2 E2 = E02 − RT [Kh2 ] ln n2F [Ox ] 15.7.1 Trường hợp 1: Phản ứng tổng quát có n1 ≠ n2 n2Ox1 + n1Kh2 n1Ox2 + n2Kh1 56 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Với: Chương 15 Điện hóa học ΔG = n2ΔG1 − n1ΔG2 = − n2n1FE1 − (− n1n2FE2) = − n2n1F(E1 − E2) Khi phản ứng đạt đến cân bằng, ta có ΔG = 0, nghóa (E1 − E2) = hay E1 = E2 Như vậy, lúc cân ta có: E10 − RT [Kh1] RT [Kh2 ] ln ln = E02 − n1F [Ox1] n2F [Ox ] Thực chuyển vế số hạng, ta có: E10 − E02 = RT [Kh1] RT [Kh2 ] ln ln − n1F [Ox1] n2F [Ox ] Nhân hai vế với n1n2 thực biến đổi toán học, ta có: n1n2 (E10 − E02 ) = RT [Kh1]n2 [Ox ]n1 ln F [Ox1]n2 [Kh2 ]n1 Biểu thức sau ln số cân phản ứng Do đó: K= hay: 15.7.2 [Kh1]n2 [Ox ]n1 (6.11) [Ox1]n2 [Kh2 ]n1 lnK = n1n2F(E10 − E02 ) RT (6.12) lgK = n1n2 (E10 − E02 ) 0,059 (6.13) Trường hợp 2: Phản ứng có n1 = n2 Chú ý: Khi n1 = n2, phản ứng có dạng: Ox1 + Kh2 K= [Kh1][Ox ] [Ox1][Kh2 ] lgK = và: Ox2 + Kh1 (6.14) n(E10 − E02 ) 0,059 (6.15) Ví dụ: Tính số cân phản ứng: 2Fe3+ + Cu0 Cu2+ + 2Fe2+ 0 = +0,77V ECu = +0,34V Cho biết: EFe 3+ 2+ / Fe2+ / Cu0 Giải: Ta có: lgK = n1n2 (E10 − E02 ) 1× 2(0,77 − 0,34) = = 14,58 0,059 0,059 K = 1014,58 = [Fe 2+ ] [Cu2+ ] [Fe 3+ ] [Cu0 ] = [Fe 2+ ] [Cu2+ ] [Fe3+ ] K » nên phản ứng xảy theo chiều thuận 15.8 Vài nguồn điện hóa thông dụng Có hai nguồn điện hóa thông dụng pin ac quy Những yêu cầu chung nguồn điện hóa là: 57 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Chương 15 Điện hóa học a Sức điện động cao, cường độ dòng lớn ổn đònh b Công suất đơn vò khối lượng đơn vò thể tích cao c Thời gian sử dụng lâu dài d An toàn, không gây ô nhiễm e Giá thành hạ 15.8.1 Pin Thông dụng cổ điển loại pin khô, gọi pin Leclanché Nó có anod kẽm dạng ống hình trụ dùng làm thân pin Catod làm than chì nằm lớp bột MnO2 Chất điện ly hỗn hợp NH4Cl ZnCl2 hoà hồ tinh bột Phản ứng xảy pin biểu diễn phương trình: Anod: Catod: Zn − 2e− → Zn2+ 2MnO2 + H2O + 2e− → Mn2O3 + 2OH− Zn + 2MnO2 + H2O → Zn2+ + Mn2O3 + 2OH− Người ta làm loại pin khác như: pin kiềm, pin nút áo, pin liti, pin nhiên liệu,… 15.8.2 Ac quy Ac quy loại nguồn điện hóa học pin, tức dựa sở hai điện cực có điện khác Điểm khác biệt ac quy nạp điện để dùng lại nhiều lần lúc pin sử dụng lần Có hai loại ac quy phổ biến ac quy chì ac quy kiềm Ac quy chì gồm hai điện cực dạng lưới nhúng dung dòch H2SO4: điện cực bột chì điện cực bột PbO2 Sự phóng điện xảy nối hai điện cực Phản ứng hai điện cực sau: Anod: Catod: Pb + H2SO4 − 2e− → PbSO4 + 2H+ PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e− → PbSO4 + 2H2O PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O Quá trình phóng điện làm hai điện cực chuyển thành PbSO4 Điện giảm dần Khi muốn dùng lại người ta nạp điện theo chiều ngược lại hai điện cực xảy trình ngược với trình phóng điện 15.9 15.9.1 Điện phân Đònh nghóa Điện phân trình phản ứng hóa học chất trạng thái nóng chảy hay dung dòch có dòng điện chạy qua Ví dụ: dòng điện chiều NaClnóng chảy ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→ Na + ½Cl dòng điện chiều NaCl + H2 O ⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯→ ½H2 + ½Cl + NaOH Người ta phân điện phân thành ba loại điện phân nóng chảy, điện phân dung dòch điện phân dương cực tan 15.9.2 Điện phân nóng chảy Các chất muối hay oxid nóng chảy phân ly thành cation anion 58 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Chương 15 Điện hóa học Dưới tác dụng điện trøng ngoài, cation chạy catod để nhận điện tử; anion chạy anod để nhường điện tử để tạo thành sản phẩm hai điện cực Ví dụ 2: Quá trình điện phân NaCl nóng chảy: a Trên catod: Na+ + e− → Na(r) b Trên anod: Cl− − e− → ½Cl2(k) Các sản phẩm trình điện phân natri kim loại khí clor 15.9.3 Điện phân dung dòch Xét ví dụ cụ thể điện phân dung dòch NiCl2 với điện cực trơ Pt Trong dung dòch có dòch chuyển sau: a Các cation Ni2+ H+ chạy catod b Các anion Cl− OH− chạy anod Nếu áp vào điện cực đủ lớn xảy phản ứng: a Trên catod: Ni2+ + 2e− → Ni(r) b Trên anod: Cl− − e− → ½Cl2(k) Các sản phẩm bao phủ điện cực kết catod trở thành Ni nhúng dung dòch chứa Ni2+, nghóa tạo thành điện cực Ni/Ni2+ Anod trở thành Pt bão hòa Cl2 nhúng dung dòch chứa Cl−, nghóa tạo thành điện cực Pt/Cl2,Cl− 15.9.4 Điện phân điện cực tan Khi điện phân với anod không trơ anod bò tan Người ta sử dụng tượng để tinh chế kim loại hoạt động đồng, bạc, vàng,… Xét trường hợp điện phân dung dòch CuSO4 với anod đồng có lẫn tạp chất catod đồng tinh khiết Các phản ứng xảy sau: • Trên catod: Cu2+ + 2e− → Cu(r) • Trên anod: Cu(r) − 2e− → Cu2+ Đồng không tinh khiết anod tan ra, sản phẩm đồng tinh khiết bám lên catod Các tạp chất có hàm lượng thấp nằm lại dung dòch 15.9.5 Các đinh luật điện phân Faraday nghiên cứu quan hệ đònh lượng trình điện phân tìm đònh luật sau: Khối lượng sản phẩm tạo thành catod anod trình điện phân tỉ lệ với điện lượng qua bình điện phân với đương lượng chúng: m= đó: m: A: I: t: n: F: AIt nF (6.16) khối lượng sản phẩm thoát điện cực, g khối lượng mol sản phẩm, g/mol cường độ dòng điện, A thời gian, s số điện tử trao đổi phản ứng điện cực số Faraday, F = 96.490 ∼ 96.500 59 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Chương 16 Dung dòch keo Chương 16 Hóa Keo 16.1 Dung dòch keo Các hệ dung dòch khảo sát hệ phân tán đồng thể bề mặt phân cách pha phân tán môi trường phân tán, gọi dung dòch thật Dung dòch có pha phân tán có kích thước từ 10−7-10−9m gọi dung dòch keo Các hạt pha phân tán gọi hạt keo Do kích thước pha phân tán nhỏ nên tượng bề mặt dung dòch keo đóng vai trò quan trọng Một tính toán đơn giản cho thấy khối lập phương có cạnh 1mm diện tích bề mặt 6mm2 Khi chia khối thành khối nhỏ có cạnh 10−3mm ta thu tỉ khối nhỏ có tổng diện tích bề mặt 6.000cm2, nghóa diện tích bề mặt tăng lên ngàn lần Trong chương trình, khảo sát hệ keo có môi trường phân tán pha lỏng Người ta chia hệ keo lỏng làm hai loại: a Keo ưa lỏng keo hấp thụ phân tử môi trường phân tán Các hạt keo ưa lỏng bao bọc lớp vỏ solvat Khi môi trường phân tán nước gọi keo ưa nước b Keo kỵ lỏng keo không hấp thụ phân tử môi trường phân tán Khi môi trường phân tán nước gọi keo kỵ nước 16.2 Cấu tạo hạt keo Một cách đơn giản dễ hiểu, xét hạt keo sắt (III) hydroxid Khi thủy phân FeCl3 nước nóng tạo thành kết tủa Fe(OH)3 theo phương trình phản ứng: FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3↓ + 3HCl Sắt (III) hydroxid nằm dạng hạt mòn tạo thành nhân keo: mFe(OH)3 Hình 7.6 [Fe(OH)3]m Sơ đồ cấu tạo mixen keo sắt (III) hydroxid Bề mặt nhân keo hấp phụ ion Fe3+ có dung dòch tạo thành lớp ion bò hấp phụ: [Fe(OH)3]m + nFe3+ [Fe(OH)3]m.nFe3+ 60 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Chương 16 Dung dòch keo Các ion Fe3+ nằm bề mặt nhân keo hút ion Cl− tích điện âm lại gần tạo thành lớp đối ion bò hấp phụ: [Fe(OH)3]m.nFe3+ + xCl− {[Fe(OH)3]m.nFe3+.xCl−}(3n-x)+ Toàn hạt keo lúc tích điện dương (3n-x) Một phần đối ion Cl− khác cách xa nhân tạo thành lớp đối ion khuyếch tán, Tất hợp phần tạo thành mixen: {[Fe(OH)3]m.nFe3+.xCl−}(3n-x)+ (3n-x) Cl− nhân lớp ion lớp đối lớp đối ion keo bò hấp ion bò khuyếch tán phụ hấp phụ hạt keo mixen Như vậy, tính bền vững keo kỵ nước chủ yếu tích điện dấu hạt keo Đối với keo ưa nước, tính bền vững chủ yếu lớp vỏ hydrat đònh Lớp vỏ không cho hạt keo kết tụ lại với Ngoài ra, tính bền vững hạt keo chuyển động nhiệt hỗn loạn hạt keo, song yếu tố thứ yếu 16.3 Tính chất dung dòch keo Hiệu ứng Tyndall: Khi chiếu chùm tia sáng mạnh qua bình đựng dung dòch keo ta thấy hình nón sáng rõ a Hiện tượng xảy hạt keo có kích thước nhỏ, tia sáng chạm vào hạt keo hạt keo tán xạ tia sáng theo phương b Lúc hạt keo trở thành điểm sáng Do ta quan sát đường tia sáng Các tính chất độ giảm áp suất bão hòa, độ tăng nhiệt độ sôi, độ giảm nhiệt độ hóa rắn, áp suất thẩm thấu,… dung dòch keo thể yếu so với dung dòch thật Điều với nồng độ mol số tiểu phân có đơn vò thể tích dung dòch thật lớn nhiều so với dung dòch keo Tính hoạt động bề mặt hạt keo xuất tiểu phân bề mặt bò hút tiểu phân bên hạt keo a Hiện tượng tạo nên sức căng bề mặt (hay lượng bề mặt) b Hệ keo có diện tích bề mặt lớn nên có sức căng bề mặt lớn c Tính hoạt động bề mặt hạt keo đònh tính bám dính loại keo dán, tính tẩy rửa xà phòng chất tẩy rửa, điện tích hạt keo nhiều tính chất khác 16.4 Sự đông tụ keo Nếu cách mà ta (1) làm giảm hay trung hòa điện tích hạt keo kỵ nước (2) phá lớp vỏ hydrat hạt keo ưa nước hạt keo kết tụ lại với tạo thành kết tủa Quá trình gọi trình đông tụ keo Loại keo kỵ nước đông tụ không kéo nước theo nên kết tủa dạng bột mòn dạng Ngược lại, loại keo ưa nước đông tụ kéo theo lượng nước tương đối lớn tạo thành kết tủa dạng nhầy Một số keo ưa nước đông tụ biến toàn hệ thành khối nhầy gọi hydrogel, ví dụ thòt đông 61 http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Chương 16 Dung dòch keo 16.4.1 Đông tụ keo chất điện ly Khi cho chất điện ly vào dung dòch keo hạt keo hấp phụ thêm ion ngược dấu nên điện tích hạt keo giảm nhanh làm cho keo đông tụ Sự hình thành châu thổ cửa sông đổ biển đông tụ keo phù sa dung dòch muối nước biển kéo dài nhiều năm Các keo ưa nước có lớp vỏ hydrat bền vững nên muốn đông tụ phải sử dụng lượng chất điện ly lớn nhiều so với trường hợp keo kỵ nước 16.4.2 Đông tụ keo keo tích điện trái dấu Khi trộn lẫn hai dung dòch keo tích điện trái dấu keo tích điện trái dấu trung hòa lẫn kết tụ xuống Ví dụ để kết tủa hạt keo đất nước sông tích điện âm, thêm phèn nhôm KAl(SO4)2.12H2O Al3+ phèn thủy phân tạo thành keo mang điện tích dng trung hòa với keo âm đất nên chúng đông tụ xuống 16.4.3 Đông tụ keo cách đun nóng Một số chất keo đun nóng bò đông tụ nhiệt độ tăng hấp phụ ion giảm, làm giảm điện tích hạt keo 16.5 Ứng dụng dung dòch keo Các ứng dụng dung dòch keo rộng rãi phong phú đa dạng dung dòch keo Hầu hết thực phẩm tiểu phân thể (chất béo, protit, hydratcarbon,…) chất keo Khói, sương mù, không khí bò ô nhiễm, nùc tự nhiên, nước thải hệ keo Do đó, việc xử lý môi trường liên quan đến vật lý hóa học hệ keo Như vậy, việc nghiên cứu hệ keo có ý nghóa phương diện khoa học lẫn thực tiễn 62 http://www.ebook.edu.vn ... eV = 1.602 177 33(49) × 10-19 J Hóa Đại cương http://www.ebook.edu.vn Hóa Đại cương Chương Nguyên tử chất hóa học Chương Nguyên tử chất hóa học 2.1 Các đònh luật hóa học Từ kỹ thứ trước Công nguyên,... Khoa học hóa thời Cận đại e Giai đoạn Hiện đại hóa thời Hiện đại Đặc trưng giai đoạn phát triển hóa học tóm tắt Bảng 1.1 Bảng 1.1 Đặc trưng giai đoạn phát triển hóa học Giai đoạn Thời đại Mô tả... Paris Các đại lượng gọi có thứ nguyên độc lập Về hình thức, phương trình thứ nguyên đại lượng bao gồm yếu tố thứ nguyên Các đại lượng không đại lượng dẫn xuất từ đại lượng nêu 10 Như vậy, đại lượng