giáo trình Hóa cơ bản

Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa CHƯƠNG I: MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC I.1 Các khái niệm 1.1 Nguyên tử, nguyên tố hóa học Khái niệm nguyên tử - phân tử Các chất hoá học tự nhiên phong phú, gồm hàng ngàn, hàng vạn chất vô cơ, hữu Các chất tạo nên kết hợp 90 nguyên tố bền Mỗi nguyên tố đặc trưng tồn hàng triệu nguyên tử giống hệt mặt hoá học 1.1.1 Nguyên tử Là phần tử nhỏ nguyên tố hoá học, tham gia vào thành phần phân tử đơn chất hợp chất Ví dụ: H, O, Na 1.1.2 Nguyên tố hoá học Là khái niệm đặc trưng cho loại nguyên tử có điện tích hạt nhân xác định, biểu thị kí hiệu hố học riêng 1.2 Phân tử, chất hóa học 1.2.1 Phân tử Là phần tử nhỏ chất, có khả tồn độc lập có đầy đủ tính chất hố học chất Ví dụ: H2, H2O, Na 1.2.2 Chất hóa học Khái niệm nguyên tử gam, phân tử gam, ion gam 3.1 Nguyên tử gam Là khối lượng mol nguyên tử tính gam (nguyên tử gam nguyên tử khối có trị số khác đơn vị) Ví dụ: Oxi có nguyên tử khối = 16 đ.v C nguyên tử gam = 16g 3.2 Phân tử gam: Là khối lượng mol phân tử tính gam Ví dụ: H2SO4 có phân tử khối = 98 đ.v C phân tử gam = 98g (Phân tử khối phân tử gam có trị số khác đơn vị) Kí hiệu hố học - Cơng thức hố học- Phương trình hóa học 4.1 Kí hiệu hố học Mỗi nguyên tố biểu diễn ký hiệu gọi ký hiệu hố học Ví dụ: Na, O, Ne, Ar 4.2 Cơng thức hóa học Mỗi chất hố học biểu thị công thức - Công thức phân tử: biểu thị thành phần định tính định lượng chất Ví dụ: H2O, NaCl, KMnO4 - Công thức cấu tạo: biểu diễn thứ tự kết hợp nguyên tử phân tử Rượu: CH3 - CH2 - OH Ví dụ: C2H6O Ete : CH3 - O - CH3 4.3 Phương trình hóa học Hệ cao đẳng -1- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa Để biểu diễn tương tác chất người ta dùng phương trình hố học Ví dụ: NaOH + HCl = NaCl + H2O Qua phương trình ta thấy: - Tổng khối lượng chất tham gia phản ứng tổng khối lượng chất tạo thành sau phản ứng - Tổng số nguyên tử nguyên tố vế Các định luật 2.1 Định luật thành phần không đổi (Dalton - 1799) Định luật: hợp chất hoá học dù điều chế cách có thành phần khơng đổi Ví dụ: Nước dù điều chế nhiều cách khác đốt hidrơ ơxi khơng khí, thực phản ứng axit bazơ, đốt chất hydrôcacbon … luôn chứa hydrô ôxi theo tỷ lệ khối lượng hydrô ôxi 1:8 2.2 Định luật bảo toàn khối lượng(Lomonossov 1756) - Định luật: Khối lượng chất tham gia phản ứng khối lượng chất tạo thành sau phản ứng - Ứng dụng: - Dùng để cân phương trình phản ứng - Tính khối lượng chất tham gia tạo thành sau phản ứng 2.3 Định luật thể tích chất khí Những nghiên cứu tính chất chất khí cho thấy nhiệt độ không thấp áp suất không cao (so với nhiệt độ áp suất thưởng), phần lớn khí tuân theo hệ thức gọi phương trình trạng thái khí lý tưởng PV = nRT Trong đó: P: Áp suất chất khí V: thể tích chất khí n: số mol khí T: 0K (T = t0 + 273) R: số khí (Khi P tính atm, V tính lít R = 0,082lít atm/mol độ) (Khi P tính mmHg, V tính ml R = 62400ml mmHg/mol độ) Ứng dụng: Ta biết n = m m mRT PV= RT  M= M M PV Vì định luật ứng dụng để xác định phân tử gam chất khí thực nghiệm 2.4 Định luật đương lượng 2.4.1 Đương lượng nguyên tố Trong phản ứng hoá học, nguyên tố kết hợp với theo tỷ lệ xác định gọi tỷ lệ kết hợp hay đương lượng chúng Vậy "Đương lượng nguyên tố số phần khối lượng nguyên tốt tác dụng thay vừa đủ với phần khối lượng hydrô phần khối lượng ôxi ” Đương lượng ký hiệu Đ Ví dụ: HCl có ĐCl = 35,5 ĐH = Đương lượng nguyên tố thực chất số phần khối lượng nguyên tố ứng với đơn vị hố trị mà tham gia phản ứng Đ= Hệ cao đẳng -2- A n Trường CĐN Sóc Trăng Hóa Trong đó: GVBS: Nguyễn Dư Thừa A: khối lượng mol nguyên tử Đ : đương lượng ngun tố n : hố trị ngun tố * Chú ý: Vì hố trị nguyên tố thay đổi nên đương lượng thay đổi Ví dụ: Đương lượng C CO ĐC = 12/2 = Đương lượng C CO2 ĐC = 12/4 = Đối với ngun tố có hố trị khơng đổi đương lượng khơng đổi - Đương lượng gam nguyên tố khối lượng ngun tố tính gam đương lượng ngun tố 2.4.2 Đương lượng hợp chất Đương lượng hợp chất số phần khối lượng chất tác dụng vừa đủ với đương lượng nguyên tố hay hợp chất khác Đương lượng hợp chất thường tính theo cơng thức: Đ= M n Trong đó: M: khối lượng mol phân tử hợp chất - Trong phản ứng trao đổi n: - số ion H+ mà phân tử axit tham gia trao đổi - số ion OH- mà phân tử bazơ tham gia trao đổi - Tổng số điện tích ion âm dương mà phân tử muối tham gia trao đổi - Trong phản ứng ơxi hố khử n: số ecletron mà phân tử chất ơxi hố thu vào hay phân tử chất khử Ví dụ: Đương lượng gam KMnO4 môi trường sau - Môi trường axit: MnO4 - + 5e + 8H+ = Mn2+ + 4H2O ĐKMnO4 = - Mơi trường trung tính: MnO4 - + 3e- + 2H2O = MnO2 + 4OH- Môi trường bazơ: MnO4- + 1e- = MnO42- Đ= M Đ= M M - Đương lượng gam hợp chất giá trị đương lượng chất tính gam Ví dụ: Đương lượng gam HCl 36,5gam Đương lượng gam H2 2gam 2.4.3 Nồng độ đương lượng (N) Nồng độ đương lượng gam dung dịch số đương lượng gam chất tan có lít dung dịch Ví dụ: dd HCl 1N có 36,5gam HCl ngun chất lít dd H2SO4 0,1N có 4,9 gam H2SO4 lít 2.4.4 Định luật đương lượng "Các chất phản ứng với theo khối lượng tỷ lệ với đương lượng chúng" hay "các chất tham gia phản ứng với theo số lượng đương lượng gam nhau" Hệ cao đẳng -3- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa Ta có mA ĐA = hay mB ĐB GVBS: Nguyễn Dư Thừa mA mB = ĐA ĐB Trong đó, mA, mB khối lượng hai chất A, B phản ứng vừa đủ với Đ A, ĐB đương lượng hai chất A, B Áp dụng định luật đương lượng cho phản ứng xảy dung dịch: Giả sử có chất A B phản ứng với theo phương trình: A+ B → C Gọi NA, NB nồng độ đương lượng dd A B V A, VB thể tích dung dịch A dung dịch B phản ứng vừa đủ với Theo định luật đương lượng ta có: chất A B phản ứng vừa đủ với theo số đương lượng nên: VA.NA = VB.NB Từ ta xác định nồng độ đương lượng chất biết nồng độ đương lượng chất thực nghiệm CHƯƠNG 2: HYDRÔ VÀ NƯỚC I HYDRO Đặc điểm cấu tạo nguyên tử Hydro H: 1s1 có khả năng: - Mất e hóa trị biến thành H+ - Kết hợp e hóa trị biến thành H- - Tạo nên cặp e chung cho liên kết cộng hóa trị - Tạo liên kết Hydro: Liên kết Hydro loại liên kết đặc biệt có lượng yếu (chỉ mạnh lực nối liền phân tử Vander Waals, yếu nối hóa học) - Điều kiện để có tạo liên kết Hydro H phải có tính di động nghĩa nối cộng hóa trị với nguyên tử có độ âm điện mạnh phải có nguồn giàu điện tử (F, O, N ) Nếu H liên kết với nguyên tử X khác (chủ yếu F, O, N, Cl ) liên kết HX có cực lớn phần điện tích dương tập trung nguyên tử H đó, nguyên tử H tương tác với nguyên tử Y khác tích điện âm hay có dư e tạo thành liên kết hydro X- - H+… YLiên kết hydro đóng vai trò quan trọng hóa tính nước, dung dịch nước, dung môi chứa -OH phân tử chứa -OH Đặc biệt, chúng liên kết mạch Polypeptit Protein cặp Baz acid Nucleic Đơn chất Dạng tồn bình thường trạng thái tự hydro phân tử H gồm nguyên tử: H - H : dlk =0,74A0 ; Elk = 103 Kcal/ptg Vì vậy, H2 có độ bền lớn, khó bị cực hóa O 2.1 Lý tính - Phân tử H2 có độ bền lớn, khó bị cực hóa, bé nhẹ nên có T 0nc, T0e thấp (T0nc = -259,10C, T0e =-252,60C) Hệ cao đẳng -4- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa - Ở nhiệt độ thường, hydro chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, tan nước (18,8cm3khí/1L nước 150C) dung môi hữu - Hydro chất khí nhẹ (tỷ trọng khí 0C 1at 0,08986g tỷ trọng lỏng 0,071g/ml) nên H2 có tốc độ khuếch tán lớn nhất, dễ dàng khuếch tán qua vật liệu xốp kim loại nung nóng (P t, Pd) Nhờ có tốc độ khuếch tán lớn, khí hydro có độ dẫn nhiệt lớn (nếu dùng khí hydro để làm nguội vật nóng q trình nguội xảy nhanh lần so với khơng khí) - Gần đây, người ta tạo trạng thái hydro trạng thái kim loại nén hydro áp suất 3.000.000 atm, - 270 0C Hydro kim loại chất rắn có độ dẫn điện cao tính chất khác kim loại 2.2 Hóa tính: a Phản ứng Oxy - hóa khử: Ở điều kiện thường, phân tử bền nên H hoạt động, đốt nóng, cho phản ứng dễ dàng H vừa có tính khử vừa có tính Oxy hóa tính oxy hóa khơng điển hình, thể kim loại cực mạnh (kim loại kiềm, kiềm thổ) tính khử thể tất phi kim loại nhiều hợp chất + Tính Oxy hóa : Khi tác dụng với kim loại kiềm, kiềm thổ hydrua muối hợp chất ion có cấu tạo tinh thể rắn Na + 1/2H2 = NaH + Tính khử: - Với đơn chất: Tuỳ thuộc vào hoạt tính phi kim loại mà phản ứng diễn với tốc độ khác VD: - Với F2 : luôn gây nổ : H2 + F2 = 2HF - Với Cl2 : Phản ứng diễn chậm bóng tối khơng đun nóng, ngồi ánh sáng diễn nhanh kích thích (chiếu sáng, đun nóng) phản ứng diễn tức thời gây nổ: H2 + Cl2 = 2HCl - Với O2 : Ở nhiệt độ thường không tác dụng, tiếp xúc lửa hay có tia lửa điện nổ mạnh H2 + 1/2O2 = H2O , (H = - 68 Kcal/mol) - Phản ứng nổ giải thích sau: nhiệt độ bắt cháy hỗn hợp HydroOxy có tỷ lệ :1 550 0C cần điểm hỗn hợp đạt tới nhiệt độ đó, phản ứng xảy điểm đốt nóng phân tử H O2 chung quanh làm cho chúng phản ứng với phản ứng lan truyền nhanh toàn thể tích hỗn hợp gây tượng nổ nhiệt phản ứng làm thể tích khí tăng lên đột ngột Do phản ứng phát nhiều nhiệt nên lửa hydro cháy Oxy nguyên chất có nhiệt độ khoảng 25000C + Với hợp chất: - H2 lấy oxy hay halogen từ nhiều hợp chất kim loại phi kim loại (ứng dụng để điều chế kim loại tự do: Cu, Pb, Fe, Hg, Ni, W) H2 + CuO = Cu + H2O H2 + CuCl2 = Cu + 2HCl - Khi có mặt Pt xúc tác, hydro khử nhiều hợp chất hữu tan dung môi hữu cơ: khử hợp chất không no thành no, khử andehyd thành rượu Hệ cao đẳng -5- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa - Hydro tan kim loại hoạt động (Pd, Ni, Pt) Khi đó, H 2→2H, hydro xâm nhập vào mạng tinh thể kim loại tạo thành dung dịch rắn với liên kết kim loại - Hydro nguyên tử: TN: FeCl3 + HCl + Zn → hydro vừa giải phóng biến FeCl (màu vàng nhạt) thành FeCl2 (màu xanh nhạt) (1) FeCl3 + H2 khơng xảy (2) Giải thích: Trường hợp 1: hoạt tính đặc biệt hydro hydro tác dụng với FeCl3 thời gian phân ly có nghĩa thời gian nguyên tử H chưa kết hợp với thành phân tử H2 Điều kiện: 1/ Dùng nhiệt độ cao để phân ly phân tử H2 thành nguyên tử H: t cao H ← → H ΔH = 103Kcal/ptg Nhiệt độ cao tỷ lệ H nguyên tử nhiều phải dùng để nguội có phản ứng nghịch 2/ Phóng điện yên lặng hydro có áp suất bé từ 0,1 → 1mmHg Ở điều kiện thường, hydro nguyên tử kết hợp với O2, S, P, As khử oxy nhiều kim loại, đẩy số kim loại (Cu, Ag, Pb) khỏi dung dịch muối tham gia vào phản ứng mà điều kiện hydro phân tử khơng có khả Giải thích: Trong phản ứng hóa học, H2 trước hết phải phân ly thành nguyên tử, q trình đòi hỏi nhiều lượng, tương tác với H khơng cần lượng phân hủy nên phạm vi phản ứng rộng Trạng thái tự nhiên - điều chế - ứng dụng: a Trạng thái tự nhiên - Hydro nguyên tố phổ biến tự nhiên hàm lượng ciủa vỏ trái đất 17% tổng số nguyên tử Ở Địa cầu, hydro có dạng đơn chất có nhiều dạng hợp chất : nước, đất đá, chất khoáng, thể động thực vật Hydro lại phổ biến vũ trụ, chiếm nửa trọng lượng Mặt trời phần lớn sao, có kkhí nhiều hành tinh, chổi, vân tinh - Có đồng vị: proti (11H ) 99,984%; Deuteri (12H hay D) 0,016% Triti (13H hay T):10-4% 1H 2H đồng vị bền, 3H đồng vị phóng xạ b Điều chế + Trong phòng thí nghiệm: - Cho HCl hay H2SO4(l) tác dụng với kim loại đứng trước hydro dãy Beketov: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 - Cho kiềm đặc tác dụng với Al hay Zn nhiệt độ nóng: o Zn + 2NaOH t Na2ZnO2 + H2 - Cho kim loại kiềm, kiềm thổ tác dụng với nước : 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 + Trong công nghiệp: - Điện phân nước chứa lượng nhỏ H2SO4 hay NaOH - Cho nước tác dụng với C nhiệt độ cao (phương pháp khử Oxy nước than) C + H2O 1050 C CO + H2, ΔH = 31 Kcal/ptg Hệ cao đẳng -6- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa - Hỗn hợp khí CO + H2 gọi khí than ướt khó tách Người ta cho hỗn hợp với nước qua Fe2O3 nung nóng đến 4500C làm chất xúc tác, CO biến thành CO2 đồng thời thu thêm lượng khí H2 (H2) + CO + H2O Fe2O3 450 C = H2 + CO2 + (H2) Rửa khí thu với nước áp suất 20at để hòa tan CO 2, tách xong rửa với dung dịch muối Cu(1)/NH4OH để hấp thụ dấu vết CO sót lại Còn lại H2 - Phương pháp khử nước sắt: cho nước qua sắt nung đỏ 5000C 3Fe + 4H2O = FeO.Fe2O3 + 4H2 Fe3O4 - Phương pháp biến đổi khí CH4 (phương pháp kinh tế nhất): CH biến đổi tác dụng nước 8000C → 10000C, xúc tác Ni pha Co: Có q trình biến đổi: CH4 + H2O = CO + 3H2 CO + H2O = CO2 + H2 c Ứng dụng: Hydro có nhiều ứng dụng quan trọng - Dùng để tổng hợp NH3, HCl - Dùng để hydro loại dầu mỡ để dược thứ đặc tốt - Dùng đèn xì hydro để hàn cắt kim loại khó chảy (vì đốt với Oxy nhiệt độ lên đến 26000C) - Dùng làm nguồn nhiên liệu hóa học (hỗn hợp CO H gọi khí than ướt đốt cháy được) - Dùng để điều chế kim loại có độ tinh khiết cao II NƯỚC H2O hợp chất quan trọng oxy hydro - Theo thuyết MO, phân tử H 2O có 8e hóa trị xếp orbital phân tử tương ứng với cấu hình e- : (σslk)2 (σzlk)2 (σx)2 (πy)2 O : HOH = 1050 ,dO-H = 0,96A0 - Phân tử H2O có dạng góc H H μ = 1,84D Trong phân tử H2O, nguyên tử O trạng thái lai hóa sp , orbital lai hóa tham gia tạo liên kết O_H Trên orbital lai hóa lại có cặp e- tự Vì nối O_H bị phân cực nên phân tử nước bị phân cực mạnh với đầu O mang điện tích âm đầu H mang điện tích dương a Tính chất - Ở điều kiện thường H2O chất lỏng không màu, không mùi, không vị, khối lượng riêng = 1g/ cm3 40C (khối lượng riêng lớn kể thể rắn), nhiệt dung = 4,185 J/g độ, 150C (lớn tỷ nhiệt chất lỏng khác), Tnc 0= 00C Ts0= 1000C áp suất 1at - Nước dung môi quan trọng thiên nhiên kỹ thuật, phân tử có cực, kích thước nhỏ nên H2O dung mơi ion hóa tốt, nước có khả hòa tan nhiều chất (chất điện ly khơng điện ly) b Hóa tính Nước có khả phản ứng hóa học cao : kết hợp vớinhiều oxyd nguyên tố với muối, tương tác với nhiều nguyên tố - Q trình nước hòa tan chất q trình hydrat hóa chất (hydrat hóa phản ứng hóa học) * Đối với chất điện ly, q trình hydrat hóa xảy nhờ tương tác tĩnh điện ion với phân tử lưỡng cực H2O hay nhờ liên kết cho nhận ion với phân tử H2O Hệ cao đẳng -7- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa * Đối với chất không điện ly hay điện ly mà phân tử có nhóm _OH (axit yếu, hợp chất hữu : đường, rượu…), q trình hydrat hóa xảy nhờ liên kết hydro nhóm _OH với phân tử H2O - Nước có khả phân hủy nhiều muối Phản ứng hủy đól phản ứng thủy phân Thực chất phản ứng thủy phân tương tác ion muối với H +và OH- làm chuyển dịch cân phân ly H2O H2O ⇔ H+ + OHhay 2H2O ⇔ H3O+ + OH(Theo Bronsted, xem H2O vừa axit vừa baz) CH3COO - + H2O ⇔ CH3COOH + OHNH4+ + H2O ⇔ NH3 + H3O+ - Nước vừa có tính oxy hóa vừa có tính khử * Những chất khử mạnh hydro khử nước lấy oxy, giải phóng hydro (nước chất oxy hóa) Đó chất không kim loại P, C…, kim loại kiềm, kiềm thổ (tác dụng t0 thường), kim loại chuyển tiếp (tác dụng nóng); hợp chất hydrua kim loại, oxyd carbon Ví dụ : 2F2 + 2H2O = CO + H2 t0 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 * Những chất oxy hóa lấy hydro, giải phóng oxy (nước chất khử) Trường hợp hiếm, có với nguyên tố có độ âm điện lớn oxy flor Ví dụ : 2F2 + 2H2O = 4HF + O2 c Trạng thái tự nhiên – Tinh chế – Ưng dụng c.1 Trạng thái tự nhiên Nước hợp chất phổ biến thên nhiên (2.10 tấn) bao phủ ¾ bề mặt trái đất, tập trung chủ yếu vào đại dương biển, có khí quyển, đất, tế bào sinh vật (hơn 70% khối lượng người nước) c.2 Tinh chế - Nước uống nước dùng công nghiệp thực phẩm cần phải suốt, không màu, không mùi, vị dễ chịu, không chứa tạp chất hữu cơ, vi khuẩn, lượng muốivô 0), ta có: A + ΔU = => A = -ΔU > Nghĩa là: (U2 - U1) > → U1 > U2: nội hệ phải giảm - Trong phản ứng hố học, thơng thường cơng A cơng dãn nở, chống lại áp suất bên gồi q = A + ΔU A = P (V2 - V1) = PΔV Vậy q trình đẳng tích: ΔV = → A = Do đó: qv = ΔU - Kết luận: nhiệt toả hay thu vào q trình đẳng tích phản ứng hố học biến thiên nội hệ Entanpi (H) Đa số phản ứng hoá học xảy áp suất khơng đổi (ví dụ: áp suất khí quyển) biểu thức lượng nhiệt mà hệ hấp phụ qp qp = ΔU + PΔV = (U2 - U1) + P (V2 - V1) = (U2 + PV2) - (U1 + PV1) Đặt: H = U + PV → qp = H2 - H1 = DH → DH = DU + PDV Đại lượng H gọi entanpi hệ Do U, P, V hàm trạng thái nên H hàm trạng thái, đặc trưng cho trạng thái hệ - Kết luận: lượng nhiệt toả hay thu vào trình đẳng áp biến thiên entanpi hệ Hiệu ứng nhiệt phản ứng Các q trình hố học ln ln kèm theo thay đổi lượng Năng lượng toả ra, hấp thụ dạng khác : nhiệt năng, điện quang Nếu dẫn clo vào luồng hiđro cháy, clo chấy hiđro, tạo thành hiđro clorua Phản ứng toả lượng dạng nhiệt ánh sáng Thuỷ ngân oxi tạo thành Nếu đặt ống khí vào cốc nước để theo dõi q trình phản ứng oxi ngừng ngừng đun (bọt khí khơng xuất hiện) Hiện tượng cho thấy, phản ứng xảy hấp thụ nhiệt Hệ cao đẳng -48- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa Năng lượng toả hay thu vào phản ứng hoá học gọi hiệu ứng nhiệt phản ứng Giải thích nào, phản ứng tảo lượng, phản ứng khác lại hấp thụ lượng ? Ta nhớ lại rằng, phản ứng hoá học tạo thành chất từ chất ban đầu với phá vỡ liên kết hoá học chất tham gia phản ứng tạo thành liên kết sản phẩm phản ứng Sự phá vỡ liên kết phải tiêu hao lượng, tạo thành liên kết toả lượng Năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết hoá học gọi lượng liên kết Năng lượng liên kết tính kJ với mol chất (kJ/mol) Nếu liên kết chất tham gia phản ứng bền vững liên kết tạo thành sản phẩm phản ứng toả lượng Ngược lại, liên kết chất tham gia phản ứng bền vững chất tạo thành phản ứng hấp thụ lượng Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng ? Lấy ví dụ phản ứng tạo thành HCl : H2 + Cl2 = 2HCl Năng lượng liên kết chất tham gia tạo thành sau phản ứng : H2 + Cl2 = HCl E, kJ/ mol : 435,9 242,4 432 Năng lượng để phá vỡ chất tham gia phản ứng : 435,9 + 242,4 = 678,3 (kJ) Năng lượng toả tạo thành mol HCl : 432 = 864 (kJ) Năng lượng toả lượng tiêu hao : 864 - 678,3 = 185,7 (kJ) Phản ứng tỏa lượng Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng phân hủy thủy ngân oxit Hệ cao đẳng -49- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa 2HgO = 2Hg + O2 Năng lượng liên kết chất : HgO Hg O2 E, kJ/ mol : 355,7 61,2 498,7 Trong phản ứng này, lượng tiêu hao lớn lượng tỏa : 355,7 - (2 61,2 + 498,7) = 90,3 (kJ) Phản ứng hấp thụ lượng Những phản ứng toả lượng gọi phản ứng toả nhiệt Những phản ứng hấp thụ lượng gọi phản ứng thu nhiệt Phương trình phản ứng có ghi hiệu ứng nhiệt phản ứng gọi phương trình nhiệt hố học Với phản ứng nói đến, phương trình nhiệt hố học ghi sau : H2 + Cl2 = 2HCl + 185,7 kJ 2HgO = 2Hg + O2 - 90,3 kJ Tận dụng nhiệt phản ứng, cung cấp lượng cần thiết để phản ứng hoá học xảy phải dựa xác định hiệu ứng nhiệt phản ứng Do vậy, xác định hiệu ứng nhiệt phản ứng nhiệm vụ quan trọng hoá học Nguyên lý II nhiệt động học Nguyên lí thứ nhiệt động học đến kết luận: dạng lượng hệ nhiệt động chuyển hố tương hổ theo tỷ lệ định lượng nghiêm ngặt Tuy nhiên nguyên lí không cho phép xác định chiều hướng giới hạn q trình Chính ngun lí thứ hai xác định trình điều kiện cho tự diễn biến diễn biến tới giới hạn 4.1 Nội dung Có thể phát biểu nhiều cách: Cách 1: Nhiệt tự truyền từ vật lạnh sang vật nóng Cách 2: cơng chuyển hồn tồn thành nhiệt, nhiệt khơng chuyển hồn tồn thành cơng Cách 3: Khơng thể có động vĩnh cửu loại 2, loại động biến nhiệt hồn tồn thành cơng 4.2 Entropi Xét khí lí tưởng A B không tương tác nhau, hai ngăn bình kín Khi cất màng ngăn, A B khuếch tán tự nhiên vào trộn nhau, q trình khơng kèm theo hiệu ứng lượng khí lý tưởng Ta thấy phân bố phân tử trạng thái ban đầu có trật tự cao trạng thái cuối hay trạng thái cuối có độ hỗn độn cao Như vậy, điều kiện lượng không đổi, hệ có khuynh hướng chuyển từ trạng thái có độ hỗn độn thấp sang trạng thái có độ hỗn độn cao Về mặt tốn học, trạng thái có độ hỗn độn cao có xác suất tồn lớn hơn, gọi xác suất nhiệt động trạng thái hay xác suất trạng thái, kí hiệu W Vì xác suất trạng thái trạng thái vĩ mô có trị số lớn, khó tính tốn nên người ta dùng đại lượng entropi, kí hiệu S S = RlnW R: số khí lý tưởng Trong điều kiện lượng hệ không đổi, xảy trình chuyển hệ từ trạng thái có xác suất nhỏ (W1) sang trạng thái có xác suất lớn (W2): Hệ cao đẳng -50- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa Do hệ có khuynh hướng chuyển chất từ trạng thái có entropi nhỏ sang trạng thái có entropi lớn ΔS = S2 - S1 > Vậy entropi hàm trạng thái, đặc trưng cho mức độhỗn độn hệ Hệ đạt trạng thái bền entropi cực đại Biểu thức tốn học ngun lí II Biểu thức vi phân: δQ: đạo hàm riêng nhiệt lượng trao đổi T: nhiệt độ tuyệt đối S: entropi Dấu = ứng với trình thuận nghịch Dấu > ứng với trình bất thuận nghịch Như entropi thước đo thuận nghịch hay khơng thuận nghịch q trình CHƯƠNG 10: CÂN BẰNG HÓA HỌC Định luật Vanhopp: Định luật Van’t Hoff áp suất thẩm thấu Năm 1887 Van't Hoff xác định áp suất thẩm thấu dung dịch thoả mãn phương trình π V = nRT Vì C = n / V nên ta có π = CRT C: nồng độ mol/l V: thể tích dung dịch R: số khí T: nhiệt độ tuyệt đối "Áp suất thẩm thấu chất tan dung dịch lỗng có độ lớn áp suất gây chất nhiệt độ trạng thái khí chiếm thể tích thể tích dung dịch'' Định luật áp dụng cho dung dịch lỗng chứa chất tan khơng bay khơng có tương tác chất Áp suất thẩm thấu phụ thuộc vào nhiệt độ nồng độ chất tan Ứng dụng: Việc đo áp suất thẩm thấu sử dụng để xác định khối lượng phân tử chất tan Hệ cao đẳng -51- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa π = CRT = GVBS: Nguyễn Dư Thừa m mRT RT ⇒ M = MV πV Ví dụ: Cho áp suất thẩm thấu dung dịch chứa π 0,66g urê (NH 2)2CO 250ml dung dịch 330C 836mmHg Tính phân tử lượng urê Giải: πV = m mRT 0,66 ⋅ 62400 ⋅ 306 RT ⇒ M = = = 60,3đvC M πT 836 ⋅ 250 Nguyên lý chuyển dịch cân Lơsactơlie Trạng thái cân hóa học khơng thay đổi điều kiện bên ngồi giữ nguyên Khi thay đổi điều kiện (t 0, P, nồng độ) trạng thái cân bị thay đổi vt tác dụng thay đổi biến đổi khác Sau thời gian hệ đạt đến trạng thái cân ứng với điều kiện Sự thay đổi trạng thái cân thay đổi điều kiện bên gọi chuyển dịch cân bằng, tuân theo nguyên lý Lơsactơlie - Nguyên lý Lơsactơlie "Khi tác dụng từ vào hệ cân bằng cách thay đổi điều kiện định vị trí cân vị trí cân hệ dịch chuyển phía làm giảm hiệu tác dụng" * Các yếu tố ảnh hưởng tới trạng thái cân hoá học hệ: - Nồng độ - Nhiệt độ - Áp suất (chất khí) - Chất xúc tác khơng làm thay đổi trạng thái cân hệ mà chi làm tăng tốc độ phản ứng nhằm giúp hệ nhanh đạt tới trạng thái cân Các yếu tố ảnh hưởng đến cân hóa học a Ảnh hưởng nồng độ - Đối với hệ cân bằng, tăng (hay giảm) nồng độ chất cân chuyển dịch phía làm giảm(hay tăng) nồng độ chất - Xét phản ứng : aA + bB  cC + dD Theo phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff c d CC D CG = G0 + RTln CAaCBb Khi cân G = [Cc]c[CD]d G0 = -RTln = -RTlnKc [CA]a[CB]b CcCCdD G = RTlnKc + RTln CAaCBb Tăng nồng độ A (chất phản ứng) G0 :P.ứng nghịch xảy b Ảnh hưởng áp suất : - Đối với hệ cân chất khí, tăng áp suất hệ cân chuyển dịch phía làm giảm áp suất (phía tạo phân tử khí hơn), ngược lại làm giảm áp Hệ cao đẳng -52- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa suất hệ cân chuyển dịch phía tăng áp suất (phía tạo thành nhiều phân tử khí hơn) Nếu phản ứng có Δn = thay đổi áp suất hệ khơng gây nên chuyển dịch cân - Xét phản ứng : aA + bB  cC + dD Giả sử : a + b > c + d Ta có : c d PcCPdD CP D ΔG = G0 + RTln = -RTlnKp +Rln a b PA PB PAaPBb Tăng áp suất lên n lần (n > 1) : áp suất riêng khí tăng n lần nên G < : phản ứng theo chiều thuận Nếu giảm áp suất n lần ΔG > : phản ứng theo chiều nghịch (chiều tăng số phân từ khí) c Ảnh hưởng nhiệt độ - Đối với hệ cân bằng, tăng nhiệt độ cân chuyển dịch phía thu nhiệt Ngược lại giảm nhiệt độ cân chuyển dịch phía phát nhiệt - Dựa vào biểu thức : ΔG0 = -4,576 TlgK =ΔH0 - TΔS0 K = 10-ΔH/4,576T.10ΔS/4,576 Đặc trưng thay đổi cân theo t0 định thừa số (1) + ΔH0 < (phản ứng phát nhiệt) * Khi T0 tăng → thừa số (1) giảm → K tăng : Cân chuyển dời theo chiều nghịch (chiều thu nhiệt) * Khi T0 giảm → K tăng : Cân chuyển dời theo chiều thuận (chiều phát nhiệt) + ΔH0 > (phản ứng thu nhiệt) * Khi T0 tăng → thừa số (1) tăng → K tăng : Phản ứng thuận xảy (chiều thu nhiệt) * Khi T0 giảm → K tăng :Phản ứng theo chiều nghịch (chiều phát nhiệt) CHƯƠNG 11: CÂN BẰNG PHA Cân hai pha Khi hệ có hai pha cân chúng trước hết biểu thị cân nhiệt độ áp suất T1 = T2, p1 = p2 (2.1) Các hàm nhiệt động lực đạt cực tiểu cân Nếu chọn hàm có biến số T, p Ni (số hạt loại i) hàm nhiệt động lực Helmholtz Φ: Φ = Φ (T, p, Ni): dΦ = - SdT + Vdp + ∑i μi dNi (2.2) Đại lượng μi có tên hóa (của hạt loại i), biểu thị lượng thêm vào hệ có thêm hạt (loại i) Vì hàm Helmholtz đạt cực tiểu cân nên dΦ = 0, với (2.1) dẫn đến ∑i μi dNi = Áp dụng cho hệ có hai pha μ1 dN1 + μ2 dN2 = Nếu gọi N1 N2 số hạt pha tổng chúng khơng đổi N1 + N2 = N = const, tức dN = dN1 + dN2 = Kết hợp hai kết cho μ1(T, p) = μ2 (T, p) (2.3) Đây điều kiện thứ ba cân cho hai pha Trong (2.3) ta viết rõ hai biến số của hóa T p Hệ cao đẳng -53- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa Trên đồ thị (T, p) biểu thức (2.3) biểu thị đường cong, gọi đường cong cân pha (Hình 6.1) Trên đường cong ta có (2.1) Ngồi đường cong hai phía trạng thái hai pha Cân ba pha Tương tự ta thiết lập hệ thức biểu thị cân ba pha: T1 = T2 = T3, p1 = p2 = p3, μ1(T, p) = μ2 (T, p) = μ3 (T, p) (2.4) Vì hệ thức cân hóa hai phương trình nên nghiệm chúng xác định điểm (Tb, pb) đồ thị (T, p) gọi điểm ba (điểm M Hình 6.2) Trên đồ thị có ba pha với ký hiệu: R, L, K Điểm ba giao điểm ba đường cong cân cặp pha (thí dụ: rắn-lỏng, rắn-khí lỏng-khí) Cân nhiều pha Bây xét trường hợp tổng quát cân nhiều pha Giả thiết hệ có r pha, ký k hiệu số i = 1, 2, , r, có n chất thành phần, ký hiệu k = 1, 2, , n Gọi N i số hạt chất thứ k pha i nồng độ tỉ đối C ik = N ik ∑ N ik k Các lượng tham số trạng thái Vì ∑k C ik = nên có (n - 1)r tham số nồng độ độc lập Ngồi hai tham số độc lập T p, tổng số tham số độc lập (n -1)r + Điều kiện cân pha hóa µ1k = µ 2k = = µ rk Các hệ thức (2.5) biểu thị (r - 1)n phương trình Để hệ phương trình (2.5) có nghiệm số tham số phải lớn số phương trình, tức (n - 1)r + ≥ (r - 1)n Từ rút bất đẳng thức sau đây, gọi qui tắc Gibbs r ≤ n + (2.6) Qui tắc Gibbs biểu thị mối quan hệ số pha số chất cân với lập thành hệ Thí dụ, hệ gồm chất, n = 1, qui tắc Gibbs r ≤ 3; có hai chất, n = 2, r ≤ Hệ cao đẳng -54- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa CHƯƠNG 12: HÓA LÝ BỀ MẶT - HÓA KEO I Các khái niệm 1.1 Hệ phân tán: hệ gồm hai chất trở lên pha trộn đồng vào 1.2 Chất phân tán: (pha phân tán) chất bị phân cắt gián đoạn thành hạt nhỏ gọi hạt phân tán 1.3 Môi trường phân tán: chất giữ cấu trúc liên tục chất có tỷ lệ thành phần lớn (khi khơng phân biệt chất có cấu trúc gián đoạn chất có cấu trúc liên tục) Hệ phân tán Chất phân tán Môi trường phân tán - Nước đường hay Đường hay muối Nước nước muối - Rượu 300 Rượu Nước - Cồn 900 Nước Rượu Đất Nước Nước Khơng khí - Nước đục (phù sa) - Sương mù II Phân loại dựa tương tác chất phân tán môi trường phân tán Sức căng bề mặt Các phần tử lòng pha ngưng tụ (rắn, lỏng) chịu tác dụng trung bình phía lực nên lực tổng hợp tác dụng lên phân tử khơng, đó, với phân tử bề mặt hay sát bề mặt, tổng hợp lực tác dụng vào khác khơng hướng lòng chất lỏng theo phương vng góc với bề mặt pha ngưng tụ Vậy lượng "dư" phân tử bề mặt so với phân tử nằm sâu lòng chất gọi lượng bề mặt Giả sử chất có bề mặt S, lượng bề mặt ES thì: ES = k.S Trong k số phụ thuộc vào nhiệt độ chất chất chất đó, gọi sức căng bề mặt, kí hiệu σ ∑F=0 Vậy, sức căng bề mặt σ lượng bề mặt đơn vị diện tích ES = σ.S Hệ cao đẳng -55- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa Hay σ = Es S Nếu lượng bề mặt σ đo erg, diện tích đo cm2 σ= erg dyn.cm dyn = = cm cm cm Vậy sức căng bề mặt có thứ nguyên lực tác dụng đơn vị chiều dài bề mặt Đó lực cần thiết (erg) để tách phân tử nằm 1cm chiều dài bề mặt khỏi lực hút phân tử lòng chất Thực nghiệm cho thấy rằng: sức căng bề mặt chất rắn lớn nhất, sau đến chất khác theo thứ tự: σrắn > σlỏng > σkhí Vì lực phân tử nhỏ nên sức căng bề mặt hợp chất phân tử nhỏ giảm theo chiều: phân cực + liên kết hidro > phân cực > khơng phân cực Vì lý mà sức căng bề mặt nước lớn hidrocarbon có sức căng bề mặt nhỏ Các chất điện li nóng chảy kim loại có sức căng bề mặt lớn liên kết phân tử bền Sự hấp phụ 2.1 Khái niệm hấp phụ Những chất mà tồn có hình thành bề mặt có lượng dự trữ cao chất không tồn bề mặt Theo ngun lí II, hệ có tồn bề mặt không bền, gặp điều kiện có thể, chúng tự diễn biến để trở trạng thái có lượng thấp Theo biểu thức: ES = σ.S, muốn làm giảm lượng bề mặt tự làm giảm bề mặt S hay làm giảm sức căng bề mặt σ Sự tự làm giảm bề mặt S giải thích trình rơi tự do, chất lỏng tự kiện tồn khối cầu khối cấu có bề mặt nhỏ nhất, ứng với khối lượng vật chất Khi khơng có khả làm giảm bề mặt S, hệ tự diễn để giảm sức căng bề mặt cách hấp phụ chất khác có sức căng bề mặt nhỏ Vậy hấp phụ tập trung (tự diễn biến) chất lên bề mặt chất khác thường làm giảm lượng bề mặt - Nếu trình hấp phụ dẫn đến giảm lượng bề mặt vật hấp gọi hấp phụ dương (ví dụ nước hấp phụ rượu) - Nếu hấp phụ dẫn đến tăng lượng bề mặt vật hấp gọi hấp phụ âm (ví dụ: dầu hấp phụ rượu) 2.2 Độ hấp phụ Độ hấp phụ lượng chất hấp phụ đơn vị diện tích hay đơn vị khối lượng vật hấp trạng thái cân hấp phụ Chất bị hấp phụ tạo lớp bề mặt chất hấp phụ gọi hấp phụ đơn lớp Nếu lực hấp phụ chất hấp phụ chất bị hấp phụ lớn khiến cho hấp phụ tạo nên nhiều lớp chất bị hấp phụ bề mặt chất hấp phụ gọi hấp phụ đa lớp Tuỳ thuộc vào chất lực tương tác chất hấp phụ chất bị hấp phụ người ta chia hấp phụ lý học hấp phụ hoá học 2.3 Sự hấp phụ lý học Thực chất hấp phụ lý học hấp phụ phân tử Sự hấp phụ xảy lực hút phân tử (lực Vander Waals) định Ví dụ: than hoạt tính hấp phụ khí Clo mặt nạ phòng độc Sự hấp phụ lý học có đặc điểm sau: - Lực hấp phụ nhỏ nên hấp phụ mang tính thuận nghịch Hệ cao đẳng -56- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa - Sự hấp phụ toả nhiệt nên nhiệt độ tăng, độ hấp phụ giảm q trình phản hấp phụ tăng cường Đó nguyên tắc để phục hồi lại mặt nạ phòng độc 2.4 Sự hấp phụ hoá học Thực chất hấp phụ hoá học hấp phụ ion Các ion bị hấp phụ tạo nên hợp chất hố học khó tan bề mặt chất hấp phụ Sự hấp phụ hố học có đặc điểm sau: - Bề mặt chất hấp phụ bị hấp phụ ion có điện tích trái dấu với điện tích bề mặt chất hấp phụ - Lực hấp phụ lớn, nên hấp phụ hố học có tính chất bất thuận nghịch, nhiệt hấp phụ tương đương với nhiệt phản ứng hố học Nói chung nhiệt độ tăng, độ hấp phụ tăng - Sự hấp phụ hoá học mang tính chất hố học, chọn lọc tn theo quy tắc sau đây: - Với ion có điện tích, chất hấp phụ ưu tiên hấp phụ ion có thành phần chất hấp phụ - Việc hấp phụ ion có thành phần chất hấp phụ tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng mạng lưới tinh thể - Với ion có điện tích khác nhau, bề mặt ưu tiên hấp phụ có ion điện tích trái dấu với điện tích bề mặt * Cần lưu ý hấp phụ lý học hấp phụ hố học khơng có ranh giới rõ rệt mà phân chia có tính tương đối 2.5 Sự hấp phụ ranh giới phân chia dung dịch - khí Chất hoạt động bề mặt Tuỳ theo khả bị hấp phụ ranh giới phân chia dung dịch - khí mà người ta chia làm chất hoạt dộng bề mặt (viết tắt HĐBM) chất không hoạt động bề mặt (KHĐBM) - Chất HĐBM chất có khả bị hấp phụ bề mặt phân chia hai pha Sự hấp phụ chất HĐBM tượng bề mặt nên xảy chất HĐBM làm giảm sức căng bề mặt dung mơi Do định nghĩa chất HĐBM chất làm giảm sức căng bề mặt dung mơi Vậy chất HĐBM phải có sức căng bề mặt nhỏ so với dung môi hồ tan, khơng, có xu hướng rời khỏi bề mặt mà tan sâu vào chất lỏng Các chất HĐBM nước thường hợp chất hữu mà phân tử chúng có nhóm phân cực -COOH, -NH2, -NO2, -SO3H nhóm khơng phân cực CnHm (với n lớn) Nhóm phân cực ưa nước nên quay vào bề mặt nước, nhóm khơng phân cực kỵ nước nên bị đẩy ngồi Từ ta hiểu chất HĐBM tan nước Các chất HĐBM ứng dụng rộng rãi để làm bền hệ nhũ tương, huyền phù … mà dùng làm chất tẩy rửa, làm chất ăn mòn (pha thêm lượng nhỏ số chất HĐBM vào dầu, mỡ làm giảm tốc độ ăn mòn thép nhiều lần) Nếu phân tử chất tan không tập trung bề mặt mà sâu vào lòng dung mơi làm tăng sức căng bề mặt dung mơi gọi chất khơng hoạt động bề mặt Đó chất có sức căng bề mặt lớn dung mơi tan nhiều dung mơi Nếu dung mơi nước axit, bazơ muối vơ tan Trong phân tử chất khơng có phần kị nước (đảm bảo cho chúng sâu vào lòng nước làm tăng sức căng bề mặt nước), từ suy rằng: Ion bị hidrat hố mạnh khả làm tăng sức căng bề mặt dung mơi lớn Hệ cao đẳng -57- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa Cl- > Br- > I- ; Li+ > Na+ > K+ ; Ca2+ > Na+ Ngoài có chất tan khơng làm biến đổi sức căng bề mặt, có sức căng bề mặt gần sức căng bề mặt dung mơi Ví dụ đường saccharose không làm biến đổi sức căng bề mặt nước 2.6 Sự hấp phụ trao đổi Các ion tầng khuếch tán ion bị vật rắn hấp phụ tham gia trao đổi với ion có mơi trường - người ta gọi hấp phụ trao đổi Sự hấp phụ trao đổi có đặc điểm sau: a Sự hấp phụ trao đổi xảy số ion xác định Người ta phân biệt chất hấp phụ axit chất hấp phụ bazơ - Chất hấp phụ axit, ví dụ SiO2, SnO2 xử axit, có khả trao đổi với cation - Chất hấp phụ bazơ, ví dụ Al(OH)3, Fe(OH)3, xử bazơ, có khả trao đổi với anion Đối với chất hấp phụ lưỡng tính, tuỳ theo pH mơi trường mà có khả hấp phụ trao đổi với cation anion- ví dụ Aluminosilicat b Sự hấp phụ trao đổi luôn thuận nghịch c Xảy chậm nhiều so với hấp phụ phân tử, ion nằm sâu chất hấp phụ d Có thể làm thay đổi pH môi trường ion trao đổi H+ hay OH- [CHP-]H+ + Na+ + Cl[CHP-]Na+ + H+ + Cl[CHP+]OH- + Na+ + Cl[CHP+]Cl- + Na+ + OH Sự hấp phụ trao đổi có ý nghĩa lớn việc nghiên cứu đất sinh vật học kỹ thuật Trong đất có keo lưỡng tính, hấp phụ trao đổi, đất có khả giúp trồng giữ phân bón giải phóng dần cung cấp cho điều kiện cần thiết, phân bón khơng bị rửa trơi - Với đất bạc màu, keo đất dạng hữu có nên khả giữ phân bón kém, phân dễ bị rửa trôi Trong kỹ thuật, hấp phụ trao đổi có ý nghĩa lớn Ví dụ q trình nhuộm sợi thực vật hấp phụ từ môi trường cation màu đẩy vào dung dịch ion Ca2+ Những chất có khả hấp phụ trao đổi với cation gọi Cationit, chất có khả hấp phụ trao đổi với anion gọi Anionit - Việc sử dụng cationit anionit áp dụng rộng rãi để làm nước, thu hồi kim loại q từ dùng dịch vơ lỗng kim loại Đại cương hệ keo - Nếu hạt phân tán môi trường phân tán có tương tác, hệ keo gọi hệ keo ưa lưu, làm đông tụ thu khối đặc gọi gel Ví dụ: Keo protit - Nếu hạt phân tán phân tử dung mơi khơng có tương tác, người ta gọi hệ keo ghét lưu - Nếu hệ phân tán, điều kiện hệ phân tán thật, điều kiện khác lại hệ phân tán keo, người ta gọi hệ bán keo Ví dụ: dung dịch xà phòng 3.1 Các phương pháp điều chế tinh chế keo Các hệ keo chứa hạt có kích thước trung gian phân tử hạt thô Để đạt độ phân tán keo, người ta sử dụng phương pháp sau: - Phương pháp phân tán: chia nhỏ vật chất - Phương pháp ngưng tụ: liên kết ion, nguyên tử hay phân tử thành tập hợp a Phương pháp phân tán Hệ cao đẳng -58- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa Phân tán trình dùng lượng (cơ năng, điện năng, lượng sóng siêu âm ) để chia nhỏ vật chất phân bố vào môi trường đồng Năng lượng chủ yếu dùng để thắng lực liên kết phân tử tướng bị phân tán Những phương pháp phân tán thường gặp: - Phân tán học: nghiền, xay hạt rắn cối xay keo có kích thước hạt keo - Phân tán siêu âm: dao động siêu âm có tần số cao dao động âm thường, tác dụng dao động siêu âm, tiểu phân thơ bị dãn nén liên tục, bị gãy thành tiểu phân có kích thước hạt keo - Phương pháp keo tán (sự pepti hoá) làm tan kết tủa keo tụ gây – Phương pháp keo tán thực cách làm giảm lực liên kết hạt lớn chất điện li đó, kết hạt lớn phân tán thành hạt nhỏ có kích thước hạt keo Ví dụ: Cho FeCl3 vào ống nghiệm đựng keo thô Fe(OH) lắc, lúc sau dung dịch có màu đỏ thắm kết tủa biến Trong thiên nhiên, tạo thành dung dịch keo chủ yếu xảy tác dụng yếu tố học rửa trơi, bào mòn b Phương pháp ngưng tụ Hạt keo hình thành ngưng tụ phân tử, nguyên tử, ion thành hạt có kích thước hạt keo (khoảng 1mm (10-7cm)) Q trình ngưng tụ có giai đoạn: - Giai đoạn tạo mầm dung dịch bão hoà với vận tốc v1: cho phân tử tập trung với để tạo mầm - Giai đoạn phát triển mầm với tốc độ v2 Các phương pháp ngưng tụ thường dùng: 3.2 Phương pháp hoá học Ngưng tụ phản ứng hố học Ví dụ: dung dịch keo sắt (III) điều chế phản ứng thủy phân FeCl đun nóng FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl Fe(OH)3 thu không tan nước, không bị lắng xuống thành kết tủa, dung dịch dạng keo suốt có dạng màu nâu đỏ 3.3 Phương pháp thay dung môi Nếu chất tan A hồ tan dung mơi B, dung mơi B lại tan dung môi C chất A lại không tan C Ta điều chế hệ keo A C sau: Cho A hoà tan B, sau dung dịch thật hồ tan C, có B tan C, A khơng tan C, ngưng tụ lại thành hạt keo Ví dụ: điều chế keo lưu huỳnh nước S tan rượu khơng tan nước Lấy S hồ tan rượu sau cho dung dịch vào bình đựng nước, lắc đều, rượu ít, nước nhiều nên nước dung môi, phân tử S không tan nước, kết hợp lại thành keo S Tinh chế dung dịch keo Trong dung dịch keo điều chế lẫn tiểu phân dung dịch thật hay tiểu phân thô làm cho dung dịch bền, nên phải tiến hành tinh chế, tức loại bỏ tiểu phân nói 3.1 Loại tiểu phân thơ Do kích thước tiểu phân thơ lớn tiểu phân keo nên để loại tiểu phân thô, phải dùng giấy lọc phễu lọc xốp có kích thước khoảng 10-5cm, hạt keo dung dịch thật qua, tiểu phân thô bị giữ lại Hệ cao đẳng -59- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa Ngoài người ta dùng phương pháp sàng để loại bỏ tiểu phân thô 3.2 Loại tiểu phân dung dịch thật (phân tử hay ion) Dùng phương pháp thẩm tích Cho dung dịch keo vào túi thẩm tích (thường túi giấy bóng kính), nhúng vào cốc nước cất, tiểu phân dung dịch thật khỏi túi (do túi có kích thước lỗ nhỏ), hạt keo bị giữ lại Cứ vậy, thay nước cất cốc dung dịch túi tinh khiết Ngồi người ta dùng phương pháp siêu lọc, lọc áp suất thấp, dùng phễu có lỗ nhỏ, nhỏ kích thước hạt keo Các tính chất hệ keo Cấu tạo hạt keo (micelle) Dựa lý thuyết lớp diện kép thực nghiệm tượng điện động, người ta cho pha phân tán tồn dạng tập hợp phức tạp gọi micelles Cấu tạo mixen chia làm lớp: 1) Trong nhân keo, gồm nhiều (tới hàng trăm hay hàng ngàn) phân tử trung hòa điện vốn khơng tan mơi trường 2) Bọc ngồi nhân keo lớp ion nhân keo hấp thụ cách chọn lọc từ môi trường Lớp định dấu điện tích hạt keo nên gọi lớp tạo (cũng có tài liệu gộp chung lớp hấp thụ vào nhân keo) 3) Lớp đối hấp phụ lớp ion ngược dấu với lớp hấp phụ, lực hút tĩnh điện mà bị kéo theo, chuyển động với hạt keo 4) Lớp khuếch tán phần ion đối bị lực khuếch tán môi trường mà nằm rải rác hạt keo Hạt keo (granul) tập hợp lớp đầu: nhân keo, lớp hấp phụ lớp đối hấp phụ Ví dụ: cơng thức micelle số keo thường gặp biểu diễn sau: - Keo dương Fe(OH)3 điều chế phản ứng thủy phân FeCl3 nước sôi: [mFe(OH)3.nFeO+.(n – x)Cl–]x+.xCl– lớp lớp lớp lớp - Keo dương Al(OH) điều chế thủy ngân Al(SO4)3 (phèn nhôm) nước (môi trường axit): [mAl(OH)3.nAlO+ (n – x)/2 SO42–]x+.x/2SO42– AlO+ hình thành phân li phần Al(OH)3 môi trường axit: Al(OH)3 + H+ AlO+ + 2H2O Trong môi trường kiềm, Al(OH)3 keo âm: [mAl(OH)3.nAlO2–.(n – x)Na+]x–.xNa+ AlO2 hình thành Al(OH)3 phân li môi trường kiềm: Al(OH)3 + OH– AlO2– + 2H2O - Keo AgCl (hay AgBr , AgI ) điều chế phản ứng KCl (hay KBr, KI ) với AgNO3 mang điện trường dư AgNO3 mang điện âm dư KCl (hay KBr, Kl): AgNO3 + KCl = AgCl + KNO3 [mAgCl.nAg+.(n – x)NO3–]x+.xNO3– (keo dương) – + x– + [mAgCl.nCl (n – x)K ] xK (keo âm) - Keo âm SiO2 đất: [mSiO2.nSiO32–.(2n – x)H+]x– xH+ SiO32– hình thành phân hủy phần SiO2: Hệ cao đẳng -60- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa SiO2 + H2O H2SiO3 2H+ + SiO32– - Keo âm As2S3 (hay Sb2S3) điều chế dòng H2S (dư) với dung dịch AsCl3 (hay SbCl3) nước: [mAs2S3.nHS–.(n – x)H+]x– xH+ [mAs2S3.nS2–.(2n – x)H+]x– xH+ - Keo protein H2N–R–COOH mang điện dương môi trường acid (HCL) mang điện âm môi trường kiềm (NaOH) không mang điện điểm đẳng điện (điểm pH mà protein không phân ly) [mNH2RCOOH.nNH3+RCOOH.(n – x)Cl–]x+.xCl– [mNH2RCOOH.nNH2RCOO–.(n – x)Na+]x– xNa+ Các ion NH3+RCOOH NH2RCOO– hình thành protein phân ly mơi trường acid kiềm: NH2RCOOH + HCl NH3+RCOOH + Cl– NH2RCOOH + NaOH NH2RCOO– + Na+ + H2O R: gốc polypeptid hay protein Độ bền keo tụ hệ keo Sự bền vững hệ keo phụ thuộc vào hai yếu tố tác động ngược chiều là: sa lắng muốn kéo hạt keo xuống phía khuếch tán ln có khuynh hướng san nồng độ (hạt keo chuyển dịch từ phía lên bề mặt dung dịch) Tuỳ thuộc vào tốc độ khuếch tán (vkt) tốc độ sa lắng (vsl) mà: - Hệ keo bị sa lắng khi: vkt > vsl - Hệ keo cân bằng: vkt = vsl - Hệ keo bền vững: vkt < vsl Do đó, lên cao nồng độ hạt keo giảm Muốn hệ phân bố đồng cần giảm khối lượng m hạt nghĩa tăng độ phân tán hạt Huyền phù, nhũ tương 6.1 Tác dụng chất nhũ hoá: Chất nhũ hoá hợp chất trung gian có tác dụng liên kết pha tan lẫn vào hệ phân tán, làm ổn định hệ phân tán, tránh tượng tách lớp sản phẩm thời gian bảo quản Chất nhũ hố chất lưỡng cực, hoà tan vào hai pha hệ phân tán Chúng phân bố vào hỗn hợp hai pha, làm cho hai phân tán vào Ngồi ra, chất nhũ hố có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt hai chất lỏng nhũ hoá bảo vệ hỗn hợp nhũ tương cách ngăn cản kết tụ hạt nhỏ pha bị phân tán giúp cho hệ phân tán bền vững Chất nhũ hố chiết tách từ nguyên liệu tự nhiên (leucithin từ lòng đỏ trứng) hay tổng hợp Mỗi loại chất nhũ hố có tính chất khả nhũ hố khác Tuỳ theo loại sản phẩm mà người ta sử dụng loại lượng chất nhũ hoá phù hợp 6.2 Chỉ số HLB (Hydrophile Lipophile Balance) Là tỷ số phần trăm khối lượng nhóm ưa nước phần trăm khối lượng nhóm kỵ nước phân tử Để hệ nhũ tương ổn định tính tan chất nhũ hoá pha phân tán phải nhỏ pha liên tục Ví dụ: – Sữa tươi: hệ nhũ tương dầu nước (chất béo khoảng 3%, nước chất tan nước khoảng 97%) Phụ gia bền cấu trúc sữa cần tan nước nhiều chất béo Hệ cao đẳng -61- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa – Magarine: Là hệ nhũ tương nước dầu (dầu chất tan dầu khoảng 80 – 85%, nước khoảng 15 – 20%) Phụ gia làm bền cấu trúc magarine cần tan dầu nhiều tan nước Tính tan chất hoạt động bề mặt đặc trưng số HLB Với chất nhũ hố có số HLB lớn 12 thích hợp cho hệ nhũ tương dầu nước Ngược lại, với chất nhũ hoá có số HLB nhỏ 12 thích hợp cho hệ nhũ tương nước dầu Chỉ số HLB số chất nhũ hoá Chất nhũ hoá HLB Sorbitan Monostearate 5,7 Sorbitan Monopalmitate 6,6 Sorbitan Monolaurate 6,6 Propylene Glycol Monostearate 4,6 Propylene Glycol Monostearate 1,8 Glycerol Monostearate 3,7 Diglycerol Monostearate 5,5 Polyoxyethylene (5) Sorbitan Monooleate 10,9 Polyoxyethylene (20) Sorbitan Monooleate 15,8 Sorbitan Polyoxyethylene Monostearate 14,9 Glycerol Lacto Palmitate 3,7 Ester Monoglycerid với acid succinic 5,3 Ester Monoglycerid với acid diacetyl tartric 9,2 Sodium Stearyl lactylate 21 Hệ cao đẳng -62- Trường CĐN Sóc Trăng ... tác với nhiều ngun tố - Q trình nước hòa tan chất q trình hydrat hóa chất (hydrat hóa phản ứng hóa học) * Đối với chất điện ly, q trình hydrat hóa xảy nhờ tương tác tĩnh điện ion với phân tử lưỡng... trình gọi trình bay Mặt khác, phân tử chất lỏng tinh khiết A trạng thái chuyển động hỗn loạn, va vào bề mặt chất lỏng số phân tử ngưng tụ trở lại, q trình gọi trình ngưng tụ Khi vận tốc hai trình. .. phức bền ion phức phân li ion đơn nhiều CHƯƠNG 6: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HÓA HỌC HỮU CƠ Hệ cao đẳng -20- Trường CĐN Sóc Trăng Hóa GVBS: Nguyễn Dư Thừa I Cấu tạo lớp vỏ điện tử nguyên tử cacbon