bài giảng hóa đại cương 1

BÀI GIẢNG HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG LÊ THỊ SỞ NHƯ Khoa HÓA HỌC Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia HCM 2016 Aa Chương GIỚI THIỆU 1.1 Đối tượng nghiên cứu hóa học Thế giới vật chất chung quanh ln ln vận động biến đổi Hóa học ngày khoa học nghiên cứu quy luật liên quan tới biến đổi vật chất gắn liền với thay đổi tính chất, thành phần, cấu tạo chúng Do vấn đề nhà hóa học quan tâm giải thích mối quan hệ tính chất, thành phần, cấu tạo vật chất Ví dụ, điều làm cho kim cương cứng cịn than chì mềm, nước hịa tan đường mà khơng hịa tan dầu, đốt cháy than khí CO2 tạo thành đồng thời với phát nhiệt, v.v Ngoài ra, phải nhớ tất vật chất quanh ta, chất sống (từ tế bào tới động vật bậc cao) không sống (đất đá, sông núi ) tạo thành từ hoá chất, đối tượng quan tâm nhà hóa học không vấn đề liên quan tới giới vơ tri câu hỏi ví dụ trên, mà giới chất “sống” quanh ta Không vậy, cơng việc quan trọng nhà hóa học cịn nghiên cứu để tìm phương pháp điều kiện để tạo chất mới, cải tiến phương pháp điều chế chất biết Trong lĩnh vực này, hóa học liên quan mật thiết với sống Nhờ cơng nghệ liên quan với hóa học mà có vải sợi, thuốc men, thực phẩm chế biến, phân bón, thuốc trừ sâu…với vơ số chủng loại thay đổi theo nhu cầu sống Hóa học đại nghiên cứu để lắp ráp phân tử nhỏ theo cách đó, tạo thành cấu trúc chưa biết tới tự nhiên, ví dụ, hợp chất với lỗ xốp có kích thước định để dùng ngành công nghiệp khác Hóa học đại tìm phương pháp để điều chế hóa chất cho thân thiện với môi trường hơn, hướng nghiên cứu đưa tới lĩnh vực với tên gọi Hóa học xanh (Green Chemistry) Trong trình nghiên cứu tìm chất mới, có khơng chất tạo thành mà khơng có giá trị thiết thực sống, nhiên điều khơng phải hồn tồn vơ ích Chính việc nghiên cứu dẫn tới chất “khơng thiết thực” góp phần giúp nhà hóa học hiểu rõ yếu tố liên quan tới biến đổi vật chất, hoàn thiện kiến thức hóa học Các kiến thức khơng cho phép nhà hóa học cải tiến, điều khiển biến đổi hóa học để hy vọng tạo chất đáp ứng ngày tốt nhu cầu sống chúng ta, mà giúp nhà khoa học nghiên cứu giới theo cách ngày hiệu Nhiều kiến thức hóa học trước kỷ XVII rút từ thí nghiệm theo kiểu “thử sai” Tuy nhiên, tiến hành nghiên cứu theo cách “thử sai” khơng định hướng vừa tốn thời gian cơng sức, vừa phung phí tiền bạc Ngày nay, kiến thức hóa học dựa nguyên lý, thuyết rút từ khám phá giới cách có phương pháp hệ thống, gọi phương pháp nghiên cứu khoa học, giới thiệu phần sau 1.2 Phương pháp nghiên cứu khoa học Galieo, Francis Bacon, Robert Boyle, Isaac Newton người khai sinh phương pháp nghiên cứu khoa học vào kỷ XVII Các nghiên cứu theo phương pháp khoa học bắt đầu quan sát khách quan, không dựa định kiến Khi số lượng quan sát đủ lớn, người ta rút qui luật chung để mô tả tượng quan sát – gọi định luật (natural law) Nhiều định luật phát biểu dạng biểu thức tốn học Ví dụ, đầu kỷ XVI, Nicolas Copernicus quan sát cẩn thận di chuyển hành tinh kết luận trái đất hành tinh quay quanh mặt trời theo quỹ đạo trịn với phương trình định Kết luận ông ngược lại hẳn với điều người ta tin tưởng thời đó, trái đất trung tâm vũ trụ, mặt trời hành tinh khác quay quanh trái đất Giá trị định luật cho phép dự đoán tượng xảy Ví dụ, phương trình Copernicus cho phép dự đốn vị trí trái đất tương lai xác quan niệm thời giờ, nên coi định luật Copernicus thành công Tuy nhiên, ta cần nhớ định luật tuyệt đối Đôi kết từ quan sát buộc phải điều chỉnh định luật Ví dụ, qui luật Copernicus sau điều chỉnh Johannes Kepler, người cho hành tinh chuyển động quanh mặt trời quỹ đạo hình elip Để điều chỉnh định luật – tức điều chỉnh kiến thức – nhà khoa học phải thiết kế thí nghiệm để kiểm tra xem kết luận trước có ln với kết thực nghiệm không Bên cạnh qui luật chung đưa dạng định luật, nhà khoa học tìm cách giải thích tượng lại xảy theo qui luật Các lời giải thích sơ khởi cho qui luật gọi “giả thiết” (hypothesis) Khi có giả thiết, nhà khoa học thiết kế thí nghiệm để kiểm tra giả thiết Nếu kết thực nghiệm phù hợp với giả thiết, tức giả thiết đúng, giả thiết phát triển thành thuyết, hay lý thuyết (model, theory) Như vậy, thuyết lời giải thích tượng tự nhiên xảy theo qui luật Nếu kết thực nghiệm mâu thuẫn với giả thiết, người ta phải điều chỉnh giả thuyết, tiến hành kiểm tra lại giả thuyết Đơi khơng có qui luật lời giải thích cho tất tượng, giả thuyết phù hợp giữ lại Qua thời gian, kiện thực nghiệm tích lũy, số lý thuyết định luật điều chỉnh, số khác bị loại bỏ Nói cách khác, lý thuyết định luật kiến thức bất di bất dịch, mà chúng thay đổi có nhiều thơng tin thu thập Trong khoa học, kiến thức tích lũy phát triển theo phương pháp nghiên cứu khoa học, chuỗi trình quan sát – đưa định luật, giả thiết – thực nghiệm kiểm tra giả thiết định luật – đưa lý thuyết Chu trình tóm tắt Hình 1.1 Hình 1.1 Tóm tắt chu trình nghiên cứu khoa học Như vậy, kiện từ quan sát thực nghiệm bước mở đầu tiêu chuẩn để đánh giá giá trị định luật lý thuyết Do đó, giới thiệu kỹ quan sát: quan sát tiến hành nhờ giác quan người công cụ mà người tạo để nối dài giác quan Một số cơng cụ đơn giản để quan sát mà biết thước để đo độ dài, ống đong, lít để đo thể tích chất lỏng, cân để đo khối lượng, kính viễn vọng để thấy xa, v.v… Việc quan sát nghiên cứu hóa học tiến hành cách định tính định lượng Ví dụ, quan sát cho thấy nước chất lỏng, dung dịch AgCl trộn với dung dịch NaCl xuất kết tủa màu trắng, v.v… Đó quan sát định tính Một số quan sát mang tính định lượng như: nước nguyên chất đông đặc 0oC sôi 100oC, chất kết tủa màu trắng tạo thành trộn dung dịch AgNO3 với dung dịch NaCl chứa 75.27% bạc 24.73% clo theo khối lượng Càng ngày người tìm nhiều cơng cụ để quan sát tốt giới tự nhiên, định luật lý thuyết theo điều chỉnh Cũng lưu ý rằng, định luật thuyết hai sản phẩm lớn nghiên cứu khoa học, định luật khác với thuyết Một cách ngắn gọn nói định luật tổng kết điều xảy ra, cịn lý thuyết giải thích điều lại xảy Điều cần lưu ý lý thuyết sản phẩm từ trí tuệ người Bằng kinh nghiệm mình, người cố gắng giải thích giới tự nhiên qua thuyết Nói cách khác, lý thuyết đoán khoa học người Muốn ngày tiếp cận tới hiểu biết xác giới tự nhiên, người phải liên tục tiến hành thực nghiệm điều chỉnh lý thuyết phù hợp với hiểu biết Những điều ta vừa đề cập bên phương pháp nghiên cứu khoa học coi đường lý tưởng phương pháp nghiên cứu khoa học Thực tế đường tới kiến thức khoa học phẳng hiệu quả, khơng có đảm bảo cho thành công nghiên cứu khoa học Như nói trên, giả thiết chịu ảnh hưởng quan sát, khơng vậy, giả thiết cịn ln dựa tảng lý thuyết trước đó, hết, giả thiết quan sát dều người tiến hành nên không tránh chủ quan người Các kết nghiên cứu tâm lý học rằng, người thường dễ thấy điều theo hướng ta mong đợi nhận điều ta khơng mong đợi Nói cách khác, kiểm chứng lý thuyết thường tập trung vào vấn đề xét, điều cần thiết, lúc, tập trung làm ta khơng nhìn thấy khả giải thích vấn đề theo hướng lạ Điều làm hạn chế óc sáng tạo chúng ta, ngăn cản nhận thức vấn đề cách toàn diện sát với thực tế 1.3 Nội dung yêu cầu môn Hóa học đại cương Như vừa nói trên, nghiên cứu khoa học đươc thực theo trình tự quan sát – định luật lý thuyết – áp dụng Trong mơn học Hóa đại cương, quan tâm chủ yếu tới định luật lý thuyết tảng nhà hóa học cơng nhận Nói cách khác, mơn học Hóa đại cương cung cấp cho sinh viên nguyên lý hóa học thơng qua thuyết định luật Các ngun lý sở để dự đốn tính chất chất khả phản ứng chúng để chuyển hóa chất thành chất hay chất khác Học xong mơn Hóa học đại cương, phải nắm nội dung thuyết định luật hóa học, vận dụng thuyết định luật để giải thích dự đốn số q trình thực tế Điều cần lưu ý có nhiều thuyết giải thích vấn đề, ví dụ thuyết liên kết cộng hóa trị (VB) thuyết vân đạo phân tử (MO) giải thích tạo thành liên kết hợp chất, thuyết có mặt mạnh yếu khác nhau, phải quan tâm đến mặt mạnh yếu thuyết định luật để sử dụng chúng cách hợp lý Chương NGUYÊN TỬ – NGUYÊN TỐ HÓA HỌC – ĐỒNG VỊ 2.1 Sơ lược lịch sử hóa học đến kỷ XIX Vật chất quanh ta đâu mà có, cấu tạo nào, biến đổi xảy ta đốt lửa, hay nướng quặng để thu kim loại làm đồ trang sức, vũ khí, v.v… Các câu hỏi quan tâm từ thuở sơ khai xã hội lồi người Từ có nhiều cách giải thích khác nguồn gốc cấu tạo giới vật chất quanh ta Khoảng 400 năm trước công nguyên, người Hy Lạp người đưa giải thích cho thay đổi vật chất Họ cho tất vật chất tạo thành từ bốn nguyên tố chính: lửa, đất, nước, khơng khí; thay đổi vật chất kết hợp khác bốn yếu tố Khác với người Hy lạp, Democrius, nhà triết học thời cho vật chất tạo thành từ hạt nhỏ khơng thể nhìn thấy hay phân chia nữa, ơng gọi hạt ngun tử (Democrius gọi atomos, ngày ta gọi atom) Có thể coi thuyết giải thích cấu tạo vật chất dựa khái niệm nguyên tử Tuy nhiên thuyết xuất phát từ trực giác người từ kết thực nghiệm Hai ngàn năm giai đoạn giả kim thuật Các nhà giả kim luôn bị ám ảnh mong muốn chuyển kim loại rẻ tiền thành vàng Mặc dù khơng thực điều đó, nhà giả kim khám phá số nguyên tố hóa học thủy ngân, lưu huỳnh, antimon, biết cách điều chế số acid vô Nền móng hóa học đại kỉ XVI với phát triển luyện kim, Georg Bauer (người Đức), việc dùng khoáng chất vào y học Paracelus (người Thụy Sĩ) “Nhà hóa học” tiến hành thực nghiệm mang tính định lượng thực Roberrt Boyle (1627 – 1691) với thí nghiệm khảo sát mối quan hệ thể tích áp suất chất khí Những nghiên cứu định lượng vật lý hóa học thực phát triển sau Boyle xuất “The Steptical Chemist” vào năm 1661 Bên cạnh nghiên cứu chất khí, Boyle nhận thấy kim loại trở nên nặng đốt cháy, từ ơng cho chất nguyên tố, trừ bị bẻ gãy thành nguyên tố đơn giản Sau đó, chất khí oxy, nitơ, carbonic, hydro khám phá, số ngun tố hóa học biết tăng lên khơng ngừng Các thí nghiệm xác nhận nguyên tố chấp nhận rộng rãi thay hẳn thuyết “bốn nguyên tố” người Hy Lạp Điều thú vị Boyle nhà khoa học xuất sắc, ơng có nhận định sai lầm Ơng trung thành với quan điểm nhà giả kim thuật kim loại không nguyên tố thực sự, tìm cách chuyển kim loại thành kim loại khác Chính nghiên cứu định lượng tiền đề thúc đẩy đời định luật sở hóa học Antoine Lavoisier (1743 – 1794) cẩn thận nghiên cứu tổng khối lượng tác chất sản phẩm phản ứng hóa học nhận thấy khối lượng chúng khơng tăng lên khơng Và từ đó, định luật bảo toàn khối lượng đời Đây định luật đặt tiền đề cho phát triển hóa học kỷ XIX Giai đoạn kỷ XVIII – XIX giai đoạn tìm loạt định luật khoa học tự nhiên làm tiền đề cho phát triển hóa học Joseph Proust (1754 – 1826) tìm định luật thành phần khơng đổi nhận thấy chất dù điều chế cách chứa nguyên tố với tỉ lệ khối lượng Jonh Dalton (1766 – 1844) nghiên cứu thành phần nguyên tố hợp chất tìm định luật tỷ lệ bội: hai nguyên tố tạo thành chuỗi hợp chất, tỉ lệ khối lượng nguyên tố thứ hai kết hợp với gam nguyên tố thứ luôn chia chẵn cho số nhỏ Ví dụ, khối lượng oxy kết hợp với gam carbon hai hợp chất khí 1.33 g (hợp chất I) 2.66 g (hợp chất II) Ta thấy hợp chất II giàu oxygen hợp chất I, tỉ lệ khối lượng oxygen hai hợp chất số nguyên, Từ đó, Dalton cho hợp chất I có cơng thức CO hợp chất II phải có cơng thức CO2 Dựa kết thực nghiệm giai đoạn này, năm 1808 Dalton đưa thuyết nguyên tử, nội dung gồm điểm sau:  Mỗi nguyên tố tạo thành từ hạt nhỏ không phân chia được, gọi nguyên tử  Các nguyên tử nguyên tố giống Các nguyên tố khác có nguyên tử khác  Các nguyên tử kết hợp với tạo thành hợp chất Mỗi hợp chất ln có tỉ lệ xác định số nguyên tử loại tạo thành  Khi phản ứng hóa học xảy ra, có xếp lại nguyên tố hợp chất Nói cách khác, nguyên tử kết hợp với theo cách khác để tạo thành hợp chất mới, thân ngun tử khơng thay đổi phản ứng hóa học Từ khái niệm nguyên tử, nguyên tố hóa học, phân tử hóa học trở nên quen thuộc rõ ràng Cũng từ nghiên cứu định lượng, kiến thức hóa học tăng lên cách mau chóng Dựa vào kết định lượng tỷ lệ khối lượng nguyên tố hợp chất (ví dụ nước: khối lượng hydro có lần khối lượng oxy), Dalton người lập nên bảng khối lượng nguyên tử tương đối nguyên tố Vì hợp chất, H ln có khối lượng nhỏ nên khối lượng nguyên tử tương đối H quy ước Từ đó, người ta suy khối lượng nguyên tử nguyên tố khác Vì lúc cơng thức phân tử nhiều chất chưa biết rõ nên có nhiều sai lầm bảng khối lượng tương đối Ví dụ chưa biết công thức phân tử nước, nên từ kết định lượng Dalton cho khối lượng nguyên tử H 1, O Tuy vậy, việc lập bảng khối lượng nguyên tử Dalton bước qua trọng cho khám phá Khi nghiên cứu định lượng phản ứng chất khí, năm 1809 Gay – Lussac nhận thấy lần thể tích khí hydro phản ứng với thể tích khí oxy tạo lần thể tích nước, cịn thể tích khí hydro phản ứng với thể tích khí clo tạo lần thể tích khí hydro clorur Để giải thích kết thí nghiệm Gay – Lussac, năm 1811 Amedeo Avogadro đưa giả thiết nhiệt độ áp suất, thể tích khí khác chứa số lượng “hạt” Giả thiết hợp lý khoảng cách hạt thể tích khí lớn so với kích thước hạt Từ giả thiết mình, Avogadro biểu diễn giải thích kết thí nghiệm Gay – Lussac sau: thể tích hydro + thể tích oxy → thể tích nước ứng với phân tử hydro + phân tử oxy → phân tử nước Các kiện giải thích tốt thừa nhận khí hydro, oxy có phân tử nhị ngun tử: H2, O2, cịn nước có cơng thức phân tử H2O Đáng tiếc giải thích Avogadro khơng đủ sức thuyết phục nhà hóa học Sau đó, Stanislao Cannizzaro tiến hành loạt thí nghiệm đo khối lượng tương đối chất khí so với khí hydro điều kiện nhiệt độ áp suất Ví dụ, ơng đo tỉ lệ khối lượng lít oxy lít hydro 16: Tin tưởng vào thuyết nguyên tử Dalton giả thiết Avogadro, Canmizzaro lập luận khối lượng phân tử hydro (H2) 2, từ dễ dàng suy khối lượng phân tử oxy (O2) 32, khối lượng nguyên tử hydro (H) 1, khối lượng nguyên tử oxy (O) 16 208 tan muối giảm nhiệt độ tăng Nếu hòa tan thu nhiệt, cân dịch chuyển theo chiều thuận nhiệt độ tăng, tức độ tan muối tăng theo nhiệt độ Hình 9.3 Độ tan số muối nước theo nhiệt độ Do đó, muối có trình hịa tan tỏa nhiệt, ta tăng nhiệt độ dung dịch để kết tinh chúng; với muối có q trình hịa tan thu nhiệt, ta hạ nhiệt độ dung dịch để kết tinh chúng Lưu ý điều áp dụng cho dung dịch bão hòa gần bão hòa Kết tinh muối từ dung dịch nước Hầu hết độ tan muối tăng theo nhiệt độ, có hai cách để kết tinh muối từ dung dịch nước chúng Đối với muối có độ tan thay đổi nhiều theo nhiệt độ, ví dụ, KNO3, NH4Cl, tạo dung dịch bão hòa muối nhiệt độ cao, làm lạnh dung dịch tới nhiệt độ thích hợp, độ tan muối giảm nên ta có dung dịch bão hòa, muối kết tinh đạt dung dịch bão hòa Phương pháp gọi phương pháp kết tinh đa nhiệt Đối với muối có độ tan thay đổi theo nhiệt độ, ví dụ NaCl, việc thay đổi nhiệt độ dung dịch bão hịa phương pháp đa nhiệt nói không cho phép thu lượng muối đáng kể Khi ta phải dùng phương pháp làm bay nước nhiệt độ thích hợp để thu muối, phương pháp gọi phương pháp kết tinh đẳng nhiệt 209 Tinh chế chất rắn phương pháp kết tinh phân đoạn Trong thực tế, đơi ta có hóa chất kỹ thuật dạng rắn với độ tinh khiết không cao Kết tinh lại, hay kết tinh phân đoạn, phương pháp tinh chế để thu chất rắn với độ tinh khiết cao ban đầu Thông thường, chất rắn không tinh khiết chứa tạp chất với lượng chất cần tinh chế Khi hòa tan chất rắn cần tinh chế vào nước, chất cần tinh chế tạp chất tan nước, dung dịch chứa chất cần tinh chế với nồng độ cao, tạp chất với nồng độ thấp Nếu chất cần tinh chế đạt điều kiện dung dịch bão hòa xa trước tạp chất đạt điều kiện dung dịch bão hòa, ta dễ dàng kết tinh chất cần tinh chế phần lớn tạp chất nằm lại dung dịch Nếu cần thiết, lặp lại q trình kết tinh lại nhiều lần để thu chất rắn với độ tinh khiết cao 9.5 Độ tan khí dung dịch Nhiệt độ áp suất ảnh hưởng đến độ tan khí dung dịch Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ tan khí dung dịch Nhiệt độ ảnh hưởng phức tạp đến độ tan khí nước dung mơi hữu cơ, ta khơng có quy luật tổng qt ảnh hưởng nhiệt độ đến độ tan khí dung dịch Sau số kết thực nghiệm: - Hầu hết khí có độ tan nước giảm tăng nhiệt độ Do ta thường thấy nhiều sinh vật biển sống tầng sâu đại dương bề mặt đại dương ấm hơn, thường khơng đủ oxy cho sinh vật - Độ tan khí nước phức tạp hơn, thường giảm tăng tới nhiệt độ đó, sau độ tan khí lại tăng theo nhiệt độ Ví dụ, atm, He tan nước 35 oC - Trong nhiều dung môi hữu cơ, độ tan khí tăng theo nhiệt độ Ảnh hưởng áp suất đến độ tan khí dung dịch Ảnh hưởng áp suất đến độ tan chất khí dung dịch nước có qui luật rõ ràng nhiệt độ William Henry (1775 – 1836) quan sát thấy độ tan khí tăng theo áp suất riêng phần khí bề mặt dung dịch, biểu diễn biểu thức (9.7), gọi định luật Henry C = k x Pkhí (9.7) 210 Trong biểu thức trên, C nồng độ khí dung dịch nhiệt độ định, Pkhí áp suất riêng phần khí bề mặt dung dịch, k số tỷ lệ thay đổi theo chất khí, nhiệt độ, đơn vị đo áp suất, nồng độ khí Định luật Henry liên quan đến nhiều tượng quen thuộc tự nhiên, ví dụ, khí chai nước uống có gas Khí nước uống có gas thường CO2 Để giữ CO2 nước uống, cần có áp suất CO2 cao chai Khi ta mở nắp chai, phần CO2 dung dịch thoát ra, tức áp suất CO2 giảm, dẫn tới độ tan CO2 dung dịch giảm, CO2 tan nước thoát Nếu tốc độ khí CO2 đủ cao, ta quan sát thấy tượng sủi bọt khí mở nắp chai Một ví dụ khác, thợ lặn vùng nước sâu dùng bình khí nén để thở, nồng độ khí hịa tan máu dịch thể họ cao bình thường Khi họ trở lên mặt nước, lượng N2 hòa tan dư máu dịch thể thoát dạng bọt khí nhỏ Nếu họ lên mặt nước nhanh, lượng N2 dư thoát nhanh, gây đau chi, khớp, hệ thống thần kinh Để tránh điều đó, dùng hỗn hợp khí He – O2 cho bình thở thay khơng khí khí He tan máu N2 Định luật Henry (phương trình 9.7) khơng áp dụng cho khí có áp suất q cao khí phân ly thành ion hịa tan vào nước, ví dụ, HCl 9.6 Áp suất dung dịch phương pháp chưng cất phân đoạn Trong chương trước, ta thấy bề mặt chất lỏng ln có Vậy áp suất chất lỏng thay đổi chúng chứa chất tan để tạo thành dung dịch? Hơn nữa, nhiệt độ sôi, nhiệt độ đông đặc chất lỏng thay đổi chúng chuyển thành dung dịch? Năm 1880, nhà hóa học người Pháp F.M Raoult thấy rằng, với dung dịch chứa dung môi A chất tan B, áp suất riêng phần A B dung dịch thấp áp suất A B tinh chất Trong dung dịch lý tưởng, quan hệ định lượng áp suất dung dịch áp suất dung môi biểu diễn qua định luật Raoult phương trình (9.8): PA = xA PoA (9.8) Trong PA áp suất riêng phần cấu tử A, PoA áp suất A tinh chất, xA nồng độ phần mol A dung dịch Vì xA + xB = 1, Ta có: 211 xB = (PoA - PA)/ PoA (9.9) Một cách chặt chẽ, định luật Raoult áp dụng cho dung dịch lý tưởng thành phần bay dung dịch Với dung dịch không lý tưởng, định luật Raoult áp dụng tốt cho dung môi A dung dịch loãng (xB < 0.02) Cân lỏng – cho dung dịch lý tưởng Hình 9.4 Đồ thị biểu diễn cân lỏng  dung dịch lotuene benzene 25 oC Đường màu xanh dương (qua điểm 1) áp suất riêng phần toluene, đường màu hồng (qua điểm 2) áp suất riêng phần benzene Đường nét đứt (qua điểm 3) áp suất tổng cộng dung dịch Đường xanh (qua điểm 4) biểu diễn thành phần toluene benzene pha Hình 9.4 biểu diễn cân lỏng  dung dịch toluene benzene Ở 25 oC, áp suất toluene benzene 28.4 mmHg 95.1 mmHg Như nói, toluene benzene tạo thành dung dịch lý tưởng, áp suất dung dịch theo định luật Raoult Giả sử xét dung dịch với phần mol toluene benzene 0.5, 25 oC, áp suất riêng phần toluene Ptoluene = 0.5 x 28.4 mmHg = 14.2 mmHg, điểm đường áp suất toluene Hình 9.4 Áp suất riêng phần benzene Pbenzene = 0.5 x 95.1 mmHg = 47.6 mmHg, điểm đường áp suất benzene Áp suất tổng cộng dung dịch 61.8 mmHg, biểu diễn điểm đường áp suất dung dịch Như vậy, thành phần mol toluene pha 14.2 mmHg/61.8 mmHg = 0.23, benzene pha – 0.23 = 0.77, điểm đường thành phần pha 212 Hình 9.4 Như ta thấy dung dịch lý tưởng có hai thành phần (dung mơi chất tan), thành phần chất tan dung môi pha dung dịch pha không nhau, pha giàu chất dễ bay pha dung dịch Chưng cất phân đoạn Hình 9.5 Đồ thị biểu diễn cân lỏng  dung dịch toluene benzene atm Chưng cất phân đoạn phương pháp tách chất lỏng dung dịch khỏi dựa vào khả bay khác chúng Để xét trình chưng cất phân đoạn, người ta dùng kiểu đồ thị cân lỏng  dung dịch khác với đồ thị Hình 9.4, biểu diễn nhiệt độ sơi dung dịch theo thành phần, nói cách khác, biểu diễn nhiệt độ mà áp suất dung dịch atm Hình 9.5 đồ thị cân lỏng  dung dịch toluene benzene theo nhiệt độ sôi dung dịch Để ý rằng, toluene hay benzene nên nhiệt độ sôi toluene (110.6 oC) cao benzene (80.0 oC) Trái với đồ thị Hình 9.4, đồ thị Hình 9.5, đường thành phần nằm đường thành phần dung dịch pha giàu chất dễ bay (giàu benzene hơn) Trên Hình 9.5 ta thấy, dung dịch với phần mol benzene xbenzene(l) = 0.30 sơi o 98.6 C, nhiệt độ thành phần benzene pha xbenzene(h) = 0.51 Giả sử lấy làm nguội đến chúng hóa lỏng, chất lỏng có thành phần mol benzene xbenzene(l)’ = 0.51 (điểm cuối phân đoạn đồ thị) Nếu tiếp tục 213 làm bay dung dịch này, thành phần benzene pha tăng lên, trở thành xbenzene(h)’ = 0.71 Tiếp tục tiến trình trên, pha ngày giàu benzene Hình 9.6 mơ tả hệ thống dụng cụ dùng chưng cất phân đoạn Dung dịch toluene benzene cần tách đun bình chưng cất, dung dịch lên cột chưng cất phân đoạn thiết kế với nhiều mâm chưng cất (tương ứng với nhiều phân đoạn chưng cất đồ thị lý thuyết), q trình cân  lỏng mô tả bên xảy Càng lên phía cột chưng cất, nhiệt độ giảm giàu chất dễ bay hơi, trường hợp benzene Hơi khỏi cột chưng cất qua ống sinh hàn ngưng tụ thành chất lỏng Bằng cách thay đổi chiều dài cột chưng cất cách thích hợp, người ta tách chất lỏng khỏi dung dịch qua trình chưng cất phân đoạn Hình 9.6 Hệ thống chưng cất phân đoạn Cân lỏng – dung dịch không lý tưởng Giản đồ cân lỏng  dung dịch không lý tưởng khác với dung dịch lý tưởng theo nhiều cách khác nhau: 214 - Trường hợp dung dịch acetone chloroform: nói phần 9.3, tương tác phân tử acetone chloroform dung dịch mạnh phân tử chất riêng biệt, đường áp suất dung dịch acetone chloroform thấp dung dịch lý tưởng, đường nhiệt độ sôi dung dịch cao dung dịch lý tưởng - Trường hợp dung dịch acetone carbon disulfide: tương tác phân tử khác loại yếu phân tử loại acetone phân cực carbon disulfide không phân cực Khi ta có đường áp suất dung dịch cao dung dịch lý tưởng đường nhiệt độ sôi dung dịch thấp dung dịch lý tưởng - Khi tương tác phân tử dung dịch mạnh, vượt xa dung dịch lý tưởng, giản đồ cân lỏng  có cực đại cực tiểu đường áp suất hơi, ứng với cực tiểu cực đại đồ thị nhiệt độ sôi Ở điểm cực đại cực tiểu, thành phần dung dịch pha lỏng pha nhau, dung dịch gọi phị Hình 9.7 Giản đồ cân lỏng  dung dịch nước propanol Ví dụ, Hình 9.7 đồ thị cân lỏng  nước propanol với điểm phị chứa 71.7 % propanol theo khối lượng Dung dịch ethanol nước có giản đồ tương tự vậy, với điểm phị chứa 96.0% ethalnol theo khối lượng, điểm sơi 78.174 oC Ethanol tinh chất sôi nhiệt độ xấp xỉ, 78.3 oC Bằng phương pháp chưng cất phân đoạn mơ tả trên, ta chưng chất dung dịch ethanol loãng thu dung dịch phị Lúc thành phần ethanol pha lỏng nhau, ta tiếp tục tách để thu dung dịch có hàm 215 lượng ethanol cao Vì lý đó, hầu hết ethanol dùng phịng thí nghiệm cơng nghiệp ethanol 96% Để có ethanol tuyệt đối, hay ethanol 100%, cần phải có phương pháp đặc biệt 9.7 Áp suất thẩm thấu dung dịch Trong phần này, ta quan tâm tới áp suất thẩm thấu dung dịch gồm chất bay chất khơng bay Ví dụ, dung dịch nước đường, urea, v.v… Trước tiên ta xem số tượng xảy thực tế Nếu để hai dung dịch nước chất có nồng độ khác nhau, ví dụ dung dịch A có nồng độ thấp dung dịch B, buồng kín (Hình 9.8) Sau thời gian ta thấy lượng dung dịch A giảm xuống, lượng dung dịch B tăng lên Như vậy, nước bay buồng kín chuyển từ A sang B Dung dịch A có nồng độ loãng B, nghĩa lượng nước A nhiều hơn, nên áp suất nước dung dịch A cao dung dịch B, nghĩa dung dịch A bay mạnh B Trong buồng kín, trình bay ngưng tụ liên tục xảy chuyển nước từ A sang B đạt cân bằng, nồng độ chất tan A B trở nên Hình 9.8 Hơi nước chuyển từ dung dịch có nồng độ thấp (A) sang dung dịch có nồng độ cao (B) Hình 9.9 mơ tả q trình tương tự khác, di chuyển nước không xảy qua pha hơi, mà xảy trực tiếp pha lỏng Một dung dịch đường đặt ống thủy tinh thẳng đứng hình, ngăn cách với bình nước bên ngồi màng bán thấm Màng bán thấm cho phép phân tử nước di chuyển qua lại Vì nồng độ nước tinh khiết bình cao nồng độ nước dung dịch nước đường, phân tử nước bình qua màng bán thấm vào ống đựng dung dịch nước đường, làm nồng độ nước đường loãng đi, mực dung dịch nước đường tăng lên Hiện tượng gọi thẩm thấu Nồng độ dung dịch nước đường cao, tượng thẩm thấu xảy mạnh, mực dung dịch nước đường tăng nhiều 216 Nếu ta để áp lực lên dung dịch nước đường, tượng thẩm thấu giảm Áp suất cần thiết để chận không cho tượng thẩm thấu xảy gọi áp suất thẩm thấu Ví dụ, với dung dịch đường sucrose 20%, áp suất thẩm thấu 15 atm Kết nghiên cứu cho thấy độ lớn áp suất thẩm thấu không phụ thuộc vào chất chất tan, phụ thuộc vào nồng độ chất tan Những tính chất dung dịch phụ thuộc nồng độ chất tan gọi tính hạt dung dịch Đối với dung dịch loãng chất tan không điện ly, áp suất thẩm thấu dung dịch theo phương trình (9.10)  V = nRT = RT = C RT (9.10) Hình 9.8 Hiện tượng thẩm thấu: a) nước bên thấm qua màng bán thấm vào ống đựng dung dịch đường sucrose, làm mức dung dịch đường tăng lên đầy ống, dung dịch đường nhỏ ngồi; b) hình phóng lớn vị trí màng bán thấm: phân tử nước (hình cầu nhỏ) di chuyển qua lại màng bán thấm Trong biểu thức (9.10),  áp suất thẩm thấu dung dịch, R số khí lý tưởng (0.08206 L atm mol –1 K–1), T nhiệt độ Kelvin, n số mol chất tan dung dịch, V thể tích dung dịch, C nồng độ mol dung dịch Hầu hết màng tế bào thể sinh vật hoạt động màng bán thấm, cho phép nước qua lại màng tế bào Nếu dịch bên ngồi tế bào có nồng độ cao thấp bên tế bào gây tượng trương nở co rút tế bào Vì 217 dịch truyền vào máu phải có nồng độ tương đương với dịch thể, khoảng 0.92% khối lượng NaCl đơn vị thể tích dung dịch Hiện tượng thẩm thấu ngược: xem hệ thống Hình 9.9, nước (pure water) đặt bình A, nước biển (saltwater) đặt bình B, hai bình ngăn cách màng bán thấm cho phân tử nước qua Bình thường, nước từ bình A thấm qua màng để vào bình B Nếu ta đặt vào B áp lực cao áp suất thẩm thấu nó, nước từ bình B thấm ngược vào bình A Hiện tượng gọi thẩm thấu ngược, áp dụng để khử muối từ nước biển, thu nước dùng hải đảo, dùng để loại bỏ chất tan nước thải công nghiệp trước thải môi trường Hình 9.9 Sơ đồ thiết bị khử muối nước biển phương pháp thẩm thấu ngược 9.8 Độ hạ nhiệt độ đông đặc độ tăng nhiệt độ sôi dung dịch 9.8.1 Dung dịch chứa chất tan không điện ly Trong phần 9.5, ta thấy giảm áp suất dung dịch so với dung mơi tinh chất Trong thực tế, ta quan tâm đến việc đo áp suất dung dịch, mà thường quan tâm tới nhiệt độ sôi, nhiệt độ đông đặc dung dịch Trong phần ta quan tâm tới nhiệt độ sôi, nhiệt độ đông đặc dung dịch với dung mơi bay hơi, chất tan không bay không điện ly Các kết thực nghiệm cho thấy, dung dịch có nhiệt độ đông đặc thấp nhiệt độ sôi cao dung môi chúng Với dung dịch chứa chất tan không điện ly, độ hạ nhiệt độ đông đặc (Tf) độ tăng nhiệt độ sôi (Tb) dung dịch phụ thuộc vào dung môi nồng độ molal (m) chất tan Khi nồng độ dung dịch lỗng, độ hạ nhiệt độ đơng đặc độ tăng nhiệt độ sôi dung dịch theo phương trình sau: Độ hạ nhiệt độ đơng đặc: Tf = - m Kf (9.11) Tb = m Kb (9.12) Độ tăng nhiệt độ sôi: 218 Kf Kb hai phương trình gọi số nghiệm đơng số nghiệm sôi dung môi Các số số dung môi cho Bảng 9.2 Trước đây, nhà hóa học dùng tính chất áp suất thẩm thấu, độ hạ nhiệt độ đông đặc, độ tăng nhiệt độ sôi dung dịch để xác định khối lượng mol chất tan Giới hạn phương pháp dùng cho dung dịch loãng, cần nhiệt kế với độ xác cao Ngồi ra, thường khó đo xác nhiệt độ sơi dung dịch, phương pháp nghiệm đông thường hay dùng phương pháp nghiệm sôi Bảng 9.2 Hằng số nghiệm đông nghiệm sôi số dung môi tạo thành dung dịch lý tưởng Sự giảm nhiệt độ đông đặc dung dịch dùng để tạo hỗn hợp sinh hàn cách cho nước đá nhiệt độ thấp vào dung dịch muối ăn Dung dịch tạo thành có nhiệt độ đông đặc thấp oC, nên ta dùng để giữ dung dịch nhiệt độ thấp oC, làm đông dung dịch khác, ví dụ, làm đơng hỗn hợp đường sữa để làm kem Tương tự vậy, rải muối lên đường phương pháp chống đóng băng tuyết đường nhiệt độ xuống oC 9.8.2 Dung dịch chứa chất tan điện ly Khi đo độ hạ nhiệt độ đông đặc dung dịch muối, ví dụ dung dịch NaCl, ta thấy kết định lượng khác với dung dịch chứa chất tan không điện ly Ví dụ, với dung dịch nước 0.0100 m chất tan đó, dự đốn nhiệt độ đơng đặc chúng theo phương trình (9.11) – 0.0186 oC, điều với dung dịch urea Tuy nhiên, với dung dịch NaCl 0.0100 m, nhiệt độ đông đặc đo – 0.0361 oC Để giải thích điều này, van’t Hoff lưu ý dung dịch nước, NaCl phân ly thành ion dương âm, nồng độ tổng cộng hạt (của ion) dung dịch tăng đáng kể, nhiệt độ đông đặc chất điện ly thấp chất khơng điện ly có nồng độ 219 Van’t Hoff định nghĩa giá trị i, gọi hệ số van’t Hoff để đánh giá nồng độ ion dung dịch điện ly sau: i= (9.13) Ví dụ, dung dịch NaCl nói trên, ta có: i = – 0.0361 oC/– 0.0186 oC = 1.95 Đối với dung dịch điện ly, biểu thức (9.10), (9.11), (9.12) trở thành:  = i C RT (9.14) Tf = - i m Kf (9.15) Tb = i m Kb (9.16) Hệ số van’t Hoff dùng để đánh giá mức độ điện ly chất Với chất điện ly mạnh, hệ số van’t Hoff xấp xỉ số ion chất phân ly thành, ví dụ, hệ số van’t Hoff dung dịch CaCl2 (vì CaCl2 phân ly thành Ca2+ Cl–) Với chất điện ly yếu acid acetic, hệ số van’t Hoff lớn Bảng 9.3 Giá trị hệ số van’t Hoff theo nồng độ số dung dịch Ngoài ra, phép đo cho thấy hệ số van’t Hoff chất điện ly thay đổi theo nồng độ dung dịch Bảng 9.3 cho thấy thay đổi Dung dịch loãng, hệ số van’t Hoff tăng, tiến đến giá trị giới hạn, ứng với phân ly hồn tồn thành ion dung dịch vơ lỗng Điều có ngun nhân từ tương tác hút ion trái dấu dung dịch có nồng độ cao: cation bao quanh chủ yếu anion ngược lại, làm nồng độ biểu kiến (nồng độ đo được) ion giảm so với tính tốn lý thuyết, hệ số van’t Hoff giảm Nồng độ biểu kiến ion gọi hoạt độ ion Trong hầu hết trường hợp với dung dịch có nồng độ khơng q cao, ta dùng nồng độ để dự đốn tính chất dung dịch với độ xác chấp nhận Nếu cần độ xác cao, ta phải dùng hoạt độ dung dịch Sự cần thiết phải dùng hoạt độ dung dịch thay cho nồng độ dung dịch bàn kỹ phần cân hóa học entropy phản ứng hóa học 220 9.9 Dung dịch keo Trong phần chương này, ta xem xét dung dịch chất tan phân tán vào dung môi cấp độ phân tử ion, gọi dung dịch thực Nếu chất phân tán có chiều rộng, dài, cao có kích thước khoảng – 1000 nm, hạt phân tán đủ lớn để tạo dung dịch khơng đồng nhất, ta có dung dịch keo Ví dụ, cho đất vào chậu nước khuấy lên để yên, hầu hết đất lắng xuống đáy chậu, nhiên có hạt đất lơ lửng dung dịch, hệ lơ lửng bền khoảng thời gian dài, gọi hệ dung dịch keo Hình 9.10 Hiệu ứng Tyndall để phân biệt dung dịch thực dung dịch keo Ta dễ dàng phân biệt dung dịch thực dung dịch keo cách chiếu nguồn sáng mạnh vào dung dịch quan sát đường ánh sáng Hình 9.10 Đối với dung dịch thực (ống nghiệm bên trái), ánh sáng xun qua mà khơng gây hiệu ứng đặc biệt Nhưng với dung dịch keo, tia sáng tán sắc theo hướng khác chiếu vào hạt keo, ta dễ dàng nhận biết đường chùm tia sáng (Hình 9.10, ống nghiệm phải) Hiện tượng gọi hiệu ứng Tyndall để phân biệt dung dịch thực dung dịch keo Máu động vật, sữa… số dung dịch keo tự nhiên Các hạt phân tán, hay gọi hạt keo, dung dịch keo có hình cầu, hình dĩa, hình que, v.v… Trong dung dịch keo, bề mặt hạt keo hấp phụ ion dung dịch trở thành tích điện, ví dụ, Hình 9.11 cho thấy hạt keo xSiO2.yH2O tích điện âm hấp phụ ion OH– dung dịch Khi đó, hạt keo mang điện tích giống nên đẩy nhau, chúng khơng kết tụ để lắng xuống 221 Hình 9.11 Bề mặt hạt keo xSiO2.yH2O tích điện âm hấp phụ ion OH– dung dịch Hình 9.12 Phương pháp lọc màng bán thấm để loại bớt ion khỏi dung dịch keo Như vậy, ion dung dịch giữ cho hạt keo lơ lửng Tuy nhiên, nồng độ chất điện ly dung dịch cao, có tượng tiếp tục hấp phụ ion trái điện tích, làm trung hịa điện tích hạt keo làm kết tủa hạt keo Trong số trường hợp, kết tủa hạt keo khơng có lợi, ta lọc bỏ bớt ion dung 222 dịch keo để ngăn kết tụ cách dùng màng lọc bán thấm Hình 9.12 Khi đó, dung dịch keo có nồng độ ion cao cho vào màng bán thấm nhúng vào nước cất Màng bán thấm cho phép dung môi ion qua, khơng cho hạt keo có kích thước lớn qua màng Do tượng thẩm thấu, ion dung dịch keo chuyển dần ngoài, nồng độ ion dung dịch keo giảm xuống Máu hỗn hợp dung dịch keo, trình trao đổi chất thể dẫn tới tăng nồng độ “chất thải” ion máu Thận làm việc lọc ion thừa máu với chế tương tự màng bán thấm lọc chất điện ly mô tả Hiện nay, có máy lọc thận bên ngồi thể hỗ trợ làm chức cho người suy thận ... = 9 .10 9 x 10 – 31 kg h = 6.626 x 10 –34 Js e = 1. 602 x 10 ? ?19 C 1eV = 1. 602 x10? ?19 J = 8.8543 x 10 ? ?12 C2m–1J? ?1 Từ tính được: En = ? ?13 .6/n2 eV = –2 .17 9 x 10 ? ?18 /n2 J (3 .10 ) Giá trị ? ?13 .6 eV = –2 .17 9... e, e– 9 .10 94 x 10 – 31 Proton p, p+ 1. 6726 x 10 –27 Điện tích Tuyệt đối (C) Qui ước Vị trí nguyên tử 0.000549 ? ?1. 602 x 10 ? ?19 ? ?1 Vỏ 1. 0073 +1. 602 x 10 ? ?19 +1 Nhân Neutron n, no 1. 6749 x 10 –27 1. 0087... (phân lớp) Kí hiệu orbital mℓ Số orbital 1s 2s 1 2p -1, 0, +1 3s 1 3p -1, 0, +1 3d -2, -1, 0, +1, +2 4s 1 4p -1, 0, +1 4d -2, -1, 0, +1, +2 4f -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 Tương tự thuyết Bohr, điện