tiểu luận hóa lý nâng cao

TIỂU LUẬN HOÁ LÝ VÀ HOÁ LƯỢNG TỬ TRONG CHƯƠNG TRÌNH THPT MỚI A. HOÁ LÝ VÀ HOÁ LƯỢNG TỬ TRONG CHƯƠNG TRÌNH THPT MỚI Nhằm đáp ứng và phù hợp với chương trình giáo dục hiện đại trong nước cũng như thế giới, trong chương trình giáo dục THPT mới của Bộ GDĐT (triển khai trong năm học 20212022) đã đưa và một số nội dung mới, trong đó có nội dung về hoá lý và hoá lượng tử. Hoá lý và hoá lượng tử là những phần rất quan trọng trong hoá học phổ thông, vì nó giải quyết được các vấn đề cơ bản về đặc điểm cấu tạo của nguyên tử, năng lượng trong phản ứng từ đó giải thích được vì sao phản ứng này xãy ra mà phản ứng khác không thể xảy ra được… Một số nội dung đã được đưa vào trong hoá học phổ thông như sau: B. TRÌNH BÀY CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT MỘT SỐ CHẤT HỮU CƠ 1. Công nghiệp xản xuất Etanol a. Vai trò của Etanol Etanol có thể sử dụng như là nhiên liệu cồn (thông thường được trộn lẫn với xăng) và trong hàng loạt các quy trình công nghiệp khác. Etanol cũng được sử dụng trong các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm đóng băng thấp của nó. Tại Hoa Kỳ, Iowa là bang sản xuất etanol cho ô tô với sản lượng lớn nhất. Nó dễ dàng hòa tan trong nước theo mọi tỷ lệ với sự giảm nhẹ tổng thể về thể tích khi hai chất này được trộn lẫn nhau. Etanol tinh chất và etanol 95% là các dung môi tốt, chỉ ít phổ biến hơn so với nước một chút và được sử dụng trong các loại nước hoa, sơn và cồn thuốc. Các tỷ lệ khác của etanol với nước hay các dung môi khác cũng có thể dùng làm dung môi. Các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác nhau do có các hợp chất tạo mùi khác nhau được hòa tan trong nó trong quá trình ủ và nấu rượu. Khi etanol được sản xuất như là đồ uống hỗn hợp thì nó là rượu ngũ cốc tinh khiết

[TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học TIỂU LUẬN HOÁ LÝ VÀ HOÁ LƯỢNG TỬ TRONG CHƯƠNG TRÌNH THPT MỚI A HOÁ LÝ VÀ HOÁ LƯỢNG TỬ TRONG CHƯƠNG TRÌNH THPT MỚI Nhằm đáp ứng và phù hợp với chương trình giáo dục hiện đại nước cũng thế giới, chương trình giáo dục THPT mới của Bộ GD&ĐT (triển khai năm học 2021-2022) đã đưa và một số nội dung mới, đó có nội dung vê hoá lý và hoá lượng tử Hoá lý và hoá lượng tử là những phần rất quan trọng hoá học phổ thông, vì nó giải quyết được các vấn đê bản vê đặc điểm cấu tạo của nguyên tử, lượng phản ứng từ đó giải thích được vì phản ứng này xãy mà phản ứng khác không thể xảy được… Môt sô nôi dung đa đươc đưa vao hoa hoc phô thông sau: TT Nội dung Ghi chu HOÁ 10 – THPT Cấu tạo vỏ nguyên tư – Trình bày được mô hình của Rutherford –Bohr và mô hình hiện đại mô tả chuyển động của electron nguyên tử – Nêu được kí hiệu và giá trị của số lượng tử từ spin (ms) – Trình bày được nguyên lí vững bên, quy tắc Klechkowski, quy tắc Hund và nguyên lí loại trừ Pauli – Nêu được khái niệm vê orbital nguyên tử (AO), hình dạng một số AO (s, p) – Vận dụng được mối liên hệ giữa ba số lượng tử n, l, ml để định nghĩa lớp, phân lớp và xác định số lượng, kí hiệu các phân lớp một lớp electron – Tính được số lượng AO một phân lớp, lớp dựa theo số lượng tử – Xây dựng được dãy tăng dần phân mức lượng theo quy tắc n+l – Biểu diễn được cấu hình electron theo ô orbital Liên kết hoá học – Giải thích được hình thành liên kết σ và liên kết π qua xen phủ AO – Viết được công thức Lewis, sử dụng được mô hình VSEPR để dự đoán hình học cho một số phân tử đơn giản Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học – Trình bày được khái niệm lượng liên kết (cộng hoá trị) – Trình bày được khái niệm liên kết hydrogen Vận dụng để giải thích được xuất hiện liên kết hydrogen (với nguyên tố có độ âm điện lớn: N, O, F) – Nêu được vai trò, ảnh hưởng của liên kết hydrogen tới tính chất vật lí của H2O – Nêu được khái niệm vê tương tác van der Waals và ảnh hưởng của tương tác này tới nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các chất – Trình bày được khái niệm, lí vê lai hoá AO (sp, sp2, sp3) – Vận dụng được kiến thức vê lượng liên kết, số lượng và loại liên kết để giải thích độ bên hoá học của các chất các phản ứng (vì đơn chất nitơ (nitrogen) bên, vì đơn chất oxygen (oxi) dễ phản ứng với các chất, ) Năng lượng hoá học – Trình bày được khái niệm phản ứng toả nhiệt, t hu nhiệt; điêu kiện chuẩn (áp suất bar và thường chọn nhiệt độ 25 oC); enthalpy tạo thành (nhiệt sinh/nhiệt tạo thành) ∆ fHo298, enthalpy cháy (nhiệt cháy) ∆cHo và biến thiên enthalpy (nhiệt phản ứng) của phản ứng ∆rHo298 – Nêu được ý nghĩa của dấu và giá trị ∆rHo298 – Vận dụng được các công thức để tính ∆ rHo dựa theo nhiệt sinh, nhiệt cháy, lượng liên kết tiêu chuẩn từ bảng số liệu cho sẵn với công thức: ∆rHo298 = ∑Eb(cđ) - ∑Eb(sp) và ∆rHo298 = ∑∆fHo298 (sp) - ∑∆fHo298(cđ) Eb(cđ), Eb(sp) là tổng lượng liên kết phân tử chất đầu và sản phẩm phản ứng – Nêu được mối liên hệ giữa mức độ thuận lợi (theo khía cạnh nhiệt) của một phản ứng hoá học với ∆rHo của phản ứng đó – Chứng minh được quy luật tính oxi hoá của các halogen giảm dần thông qua việc mô tả thí nghiệm: + Thay thế halogen dung dịch muối một halogen khác Lí giải được qui luật này dựa vào ∆ rHo của phản ứng 1/2X2(g) + e → X–(aq) âm dần từ F tới I1 + Halogen tác dụng với hydrogen và với nước (giải thích được vì không dùng F2 phản ứng thay thế halogen khác dung dịch muối) – Nêu được quy luật biến đổi các giá trị ∆rHo của quá trình HX(aq) + H2O(l) → H 3O+(aq) + X−(aq) và từ đó lí giải được quy luật biến đổi tính acid của dãy acid hydrohalic Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học Tốc độ phản ứng – Trình bày được khái niệm lượng hoạt hoá theo thuyết va chạm – Viết được biểu thức tốc độ phản ứng theo hằng số tốc đợ phản ứng và nồng đợ (cịn gọi là định luật tác dụng khối lượng (M Guldberg và P Waage, 1864) cho phản ứng đơn giản nên không tùy ý áp dụng cho mọi phản ứng) Từ đó nêu được ý nghĩa hằng số tốc độ phản ứng – Nêu được ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng thông qua phương trình Arrhenius : ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 – 1/T2) – Giải thích được vai trò của chất xúc tác –Nêu được ý nghĩa của hệ số nhiệt độ Van’t Hoff (γ) – Nêu được ý nghĩa của dấu và trị số của biến thiên lượng tự để dự đoán hoặc giải thích chiêu hướng và mức độ của một phản ứng hoá học (không cần giải thích rGo là gì) – Tính được ∆ rGo từ bảng cho sẵn các giá trị ∆H o và ∆So theo công thức: ∆ rGoT = ∆ rHoT – T ∆rSoT – Giải thích được chiêu hướng của phản ứng hoá học thông qua việc tính ∆rGo – Giải thích được mức độ của một phản ứng hoá học: Giải thích được quy luật biến đổi tính acid của dãy acid hydrohalic dựa theo ∆rGo của quá trình HX(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + X−(aq) – Giải thích được ảnh hưởng của nhiệt độ tới chiêu hướng và mức độ của phản ứng hoá học (dự đoán nhiệt độ nào thì phản ứng xảy ra; giải thích vì công nghiệp không tổng hợp NH3 từ N2 và H2 nhiệt độ cao) HOÁ 11 – THPT Cân bằng hoá học – Viết được biểu thức hằng số cân bằng (K C) của một phản ứng thuận nghịch – Thực hiện được thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới chuyển dịch cân bằng: (1) Phản ứng: 2NO2 ← → N2O4 (sử dụng ampul kín chứa NO2 để tránh độc) (2) Phản ứng thuỷ phân sodium acetate – Vận dụng được nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier để giải thích ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ, áp suất đến cân bằng hoá học Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học – Nêu và vận dụng được kiến thức vê cân bằng hoá học cho chu trình Haber – Viết được biểu thức tính pH (pH = –lg[H+] hoặc [H+] = 10–pH) và biết cách sử dụng các chất thị để xác định pH (môi trường acid, base, trung tính) bằng các chất thị phổ biến giấy thị màu, quỳ tím, phenolphthalein, – Nêu được nguyên tắc xác định nồng độ acid, base mạnh bằng phương pháp chuẩn độ – Thực hiện được thí nghiệm chuẩn độ acid – base: Chuẩn độ dung dịch base mạnh (sodium hydroxide) bằng acid mạnh (hydrochloric acid) – Trình bày được ý nghĩa thực tiễn cân bằng dung dịch nước của ion Al3+, Fe3+và CO3 Đơn chất nitơ, Lưu huỳnh và hợp chất – Giải thích được tính trơ của đơn chất nitơ (nitrogen) nhiệt độ thường thông qua liên kết và giá trị lượng liên kết – Mô tả được công thức Lewis và hình học của phân tử ammonia – Dựa vào đặc điểm cấu tạo của ammonia giải thích: + Khả tan tốt nước + Tính base theo thuyết Brønsted–Lowry và thuyết Lewis Viết được PTHH minh hoạ + Tính khử Viết được phương trình hoá học minh hoạ – Nêu được đặc điểm nhiệt và động học của phản ứng tạo ammonia từ chu trình Haber – Giải thích được các yếu tố nhiệt và động học của quá trình sản xuất acid sulfuric bằng phương pháp tiếp xúc Phản ứng oxi hoá – khư – Mô tả được điện cực hydrogen tiêu chuẩn; sơ lược vê phương pháp đo thế điện cực – Trình bày được cách xác định chiêu của phản ứng oxi hoá – khử dựa theo thế điện cực – Tính được sức điện động của một pin điện hoá – Vận dụng được kiến thức điện phân để hiểu được quá trình công n ghiệp sản xuất nhôm (aluminium) và quá trình tinh luyện đồng (copper) Đại cương về kim loại – Giải thích mối liên hệ giữa dãy hoạt động kim loại với dãy thế điện cực chuẩn – Vận dụng được dãy thế điện cực chuẩn nhằm: + So sánh tính oxi hoá hoặc khử; Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học + Dự đoán chiêu hướng của phản ứng oxi hoá – khử; + Xác định sở của các phương pháp bản để tách kim loại – Mô tả được khái quát trạng thái tự nhiên của kim loại và một số quặng, mỏ kim loại phổ biến – Trên sở của dãy thế điện cực chuẩn của kim loại, trình bày được: + Phương pháp tách kim loại hoạt động mạnh; + Phương pháp tách kim loại hoạt động trung bình; + Phương pháp tách kim loại yếu – Trình bày được ăn mòn kim loại và các phương pháp bảo vệ kim loại Ứng dụng của hấp phụ và hấp thụ – Trình bày được hai giai đoạn để xử lí mẫu nước vừa đục, vừa có màu dựa sở tác nhân có vai trị mợt giai đoạn xử lí nước – Trình bày được các vật liệu và hoá chất thông dụng có thể được sử dụng than (hoặc than hoạt tính); cát, đá, sỏi; các loại phèn, PAC (Poly Aluminium Chloride), – Chọn lựa được quá trình thực hiện trước giai đoạn hấp thụ màu hoặc giai đoạn làm giảm độ đục đối với mẫu thực Phức chất – Phân tích được các thành phần của các phân tử phức chất phổ biến, gồm: nhân trung tâm (cation, nguyên tử trung hoà) và phối tử (anion, phân tử trung hoà), số phối trí của nhân trung tâm, dung lượng phối trí của phối tử – Trình bày được hình thành liên kết phức chất theo thuyết Liên kết hoá trị áp dụng cho phức chất tứ diện và phức chất bát diện – Biểu diễn được dạng hình học của một số phức chất đơn giản – Viết được một số loại đồng phân bản phức chất: đồng phân cis, trans, đồng phân ion hoá,đồng phân liên kết – Nêu được vai trị của mợt sớ phức chất sinh học: chlorophyll, heme B, vitamin B12, – Nêu được ứng dụng của phức chất tự nhiên, y học, đời sống và sản xuất, hoá học HOÁ 12 - THPT Khái niệm về chế phản ứng HHHC – Nêu được khái niệm vê chế phản ứng – Trình bày được cách phân cắt đồng li liên kết cộng hoá trị tạo thành gốc tự do, cách phân cắt dị li tạo liên kết cộng hoá trị tạo Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] B LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học thành carbocation và carbanion – Nêu được vai trị, ảnh hưởng của gớc tự thể người, độ bên tương đối của các gốc tự do, các carbocation và carbanion Một số chế phản ứng – Nêu được khái niệm vê tác nhân electrophile và nucleophile – Trình bày được một số chế phản ứng hoá học hữu cơ: Cơ chế thế gốc SR (vào carbon no của alkane), chế cộng electrophile AE (vào nối đôi C=C của alkene), chế thế electrophile SE2Ar (vào nhân thơm), chế thế nucleophile SN1, SN2 (phản ứng thuỷ phân dẫn xuất halogen), chế cộng nucleophile AN (vào hợp chất carbonyl) – Giải thích được tạo thành sản phẩm và hướng của một số phản ứng (Cơ chế thế gốc SR vào carbon no của alkane và chế cộng electrophile AE vào nối đôi C=C của alkene theo quy tắc cộng Markovnikov) Hoá học với đời sống - Biết, hiểu và sư dụng Chất đa lượng và chất vi lượng - Hiểu và Trình bày được cấu trúc của một số hormone (cholesterol và hormone giới tính) - Phản ứng oxi hoá tế bào - Vai trò của ion kim loại hệ sinh học TRÌNH BÀY CÔNG NGHIỆP SẢN X́T MỢT SỚ CHẤT HỮU CƠ Cơng nghiệp xản xuất Etanol a Vai trò của Etanol Etanol có thể sử dụng là nhiên liệu cồn (thông thường được trộn lẫn với xăng) và hàng loạt các quy trình công nghiệp khác Etanol cũng được sử dụng các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm đóng băng thấp của nó Tại Hoa Kỳ, Iowa là bang sản xuất etanol cho ô tô với sản lượng lớn nhất Nó dễ dàng hòa tan nước theo mọi tỷ lệ với giảm nhẹ tổng thể vê thể tích hai chất này được trộn lẫn Etanol tinh chất và etanol 95% là các dung môi tốt, ít phổ biến so với nước một chút và được sử dụng các loại nước hoa, sơn và cồn thuốc Các tỷ lệ khác của etanol với nước hay các dung môi khác cũng có thể dùng làm dung môi Các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác có các hợp chất tạo mùi khác được hòa tan nó quá trình ủ và nấu rượu Khi etanol được sản xuất là đồ uống hỗn hợp thì nó là rượu ngũ cốc tinh khiết Dung dịch chứa 70% etanol chủ yếu được sử dụng là chất tẩy uế Etanol cũng được sử dụng các gel vệ sinh kháng khuẩn phổ biến nhất nồng độ khoảng 62% Khả khử trùng tốt nhất của etanol nó dung dịch khoảng 70%; Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học nồng độ cao hay thấp của etanol có khả kháng khuẩn Etanol giết chết các vi sinh vật bằng cách biến tính protein của chúng và hòa tan lipit của chúng Nó là hiệu quả việc chống lại phần lớn các loại vi khuẩn và nấm cũng nhiêu loại virus, không hiệu quả việc chống lại các bào tử vi khuẩn Rượu vang chứa ít 16% etanol không tự bảo vệ được chúng trước vi khuẩn Do điêu này, vang Bordeaux thông thường được làm nặng thêm bằng etanol tới ít nhất 18% etanol theo thể tích để ngăn chặn quá trình lên men nhằm trì độ ngọt và việc pha chế để lưu trữ, từ thời điểm đó nó trở thành có khả ngăn chặn vi khuẩn phát triển rượu, cũng có thể lưu trữ lâu năm các thùng gỗ có thể 'thở', bằng cách này vang Bordeaux có thể lưu trữ lâu năm mà không bị hỏng Do khả sát khuẩn của etanol nên các đồ uống chứa 18% etanol theo thể tích có khả bảo quản lâu dài Nhóm hyđrôxyl phân tử etanol thể hiện tính axít cực yếu, xử lý bằng kim loại kiêm hay các bazơ cực mạnh, ion H+ có thể bị loại khỏi để tạo ion êthơxít, C2H5O- Xăng E5 Kể từ ngày 1/1/2018 Việt Nam đưa xăng E5 (Ron92 95%, ethanol 5%) vào sử dụng toàn quốc So với thế giới có lẽ chậm một bước vì một số quốc gia đã đưa vào sử dụng xăng E10, E15 b Quy trình sản xuất Etanol xúc tác sử dụng Etanol được sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệ hyđrat hóa êtylen, và theo phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với men rượu Hyđrat hóa etilen Etanol được sử dụng là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa êtylen bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản ứng hóa học sau Cho etilen hợp nước 300 độ C, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là axit wolframic hoặc axit phosphoric: Chất xúc tác thông thường là axít phốtphoric, được hút bám các chất có độ xốp cao chẳng hạn điatomit (đất chứa tảo cát) hay than củi; chất xúc tác này đã lần đầu tiên được công ty dầu mỏ Shell sử dụng để sản xuất etanol mức độ công nghiệp năm 1947 Các chất xúc tác rắn, chủ yếu là các loại ôxít kim loại khác nhau, cũng được đê cập tới các sách hóa học Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành mức độ công nghiệp vào năm 1930 Union Carbide, ngày gần đã bị loại bỏ thì êtylen đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo êtyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành etanol và tái tạo axít sulfuric: H2C=CH2 + H2SO4 → CH3CH2OSO3H CH3CH2OSO3H + H2O → CH3CH2OH + H2SO4 Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học Etanol để sử dụng công nghiệp thông thường là không phù hợp với mục đích làm đồ uống cho người ("biến tính") nó có chứa một lượng nhỏ các chất có thể là độc hại (chẳng hạn metanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium- C21H29N2O•C7H5O2-là mợt chất rất đắng, gây tê) Etanol biến tính có số UN là UN 1987 và etanol biến tính độc hại có số là UN 1986 Lên men Etanol để sử dụng đồ uống chứa cồn cũng phần lớn etanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: một số loài men rượu nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường điêu kiện không có ôxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất etanol và cacbon điôxít CO2 Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết sau: C6H12O6 → CH3CH2OH + CO2 Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điêu kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu Men rượu có thể phát triển hiện diện của khoảng 20% rượu, nồng độ của rượu các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học Để sản xuất etanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột hạt ngũ cốc thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường Trong việc ủ men bia, theo truyên thống nó được tạo bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo các enzym có chức phá vỡ tinh bột để tạo đường Để sản xuất etanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng, enzym nấm amylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp Vê tiêm năng, glucoza để lên men thành etanol có thể thu được từ xenluloza Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiêu xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thành các nguồn lượng tái sinh Cho đến gần thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân xenluloza là rất cao Hãng Iogen Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất etanol sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004 Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước Bước 1, thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza (C6H10O5)n -> C12H22O11 Bước 2, thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng của men mantaza C12H22O11 -> C6H12O6 Bước 3, phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima C6H12O6 -> C2H5OH + CO2 Công nghiệp sản xuất axit Axetic a Vai trò của axit Axetic Monome vinyl axetat Ứng dụng chủ yếu của axit axetic là sản xuất monome vinyl axetate Ứng dụng này tiêu thụ khoảng 40% đến 45% sản lượng axit axetic thế giới Phản ứng có tham gia của etylen với oxy và chất xúc tác là palladi H3C-COOH + C2H4 + O2 → H3C-CO-O-CH=CH2 + H2O Vinyl axetate có thể được polyme hóa tạo thành polyvinyl axetat hoặc thành các polyme khác ứng dụng sơn và chất kết dính Sản xuất este Các este chính sản xuất từ axit axetic được sử dụng chủ yếu làm dung môi cho mực, sơn và chất phủ Các este ethyl axetat, n-butyl axetat, isobutyl axetat, và propyl axetat, chúng được sản xuất một cách đặc biệt bằng phản ứng có xúc tác từ axit axetic và rượu tương ứng: Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 10 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học H3C-COOH + HO-R → H3C-CO-O-R + H2O, (R = nhóm ankyl tổng quát]]) Tuy nhiên, hầu hết este axetat được sản xuất từ acetaldehyt bằng phản ứng Tishchenko Thêm vào đó, các ete axetat được sử dụng làm các dung môi để loại bỏ nitrocellulose, sơn acrylic, véc-ni, và chất tẩy gỗ Đầu tiên, glycol monoete được tạo từ etylene oxit hoặc propylen oxit với rượu, sau đó chúng được este hóa với axit axetic Ba sản phẩm chính là etylen glycol monoetyl ete axetat (EEA), etylen glycol mono-butyl ete axetat (EBA), và propylen glycol mono-metyl ete axetat (PMA) Ứng dụng này tiêu thụ khoảng 15% đến 20% sản lượng axit axetic thế giới Các ete axetat, ví dụ EEA, được cho là có hại đối với sức khỏe sinh sản người.[11] Axetic anhydrit Sản phẩm tách phân tử nước từ hai phân tử axit axetic tạo thành một phân tử gọi là axetic anhydrit Sản xuất axetic anhydrit thế giới là một ứng dụng chính chiếm khoảng 25% đến 30% sản lượng axit axetic toàn cầu Axetic anhydrit có thể được sản xuất trực tiếp bằng cacbonyl hóa metanol từ axit, và các nhà máy sản xuất theo công nghệ Cativa có thể được điêu chỉnh để sản xuất anhydrit Axetic anhydrit là một chất acetyl hóa mạnh Vì vậy, ứng dụng chính của nó là tạo cellulose acxtat, một chất dệt tổng hợp cũng được dùng phim chụp ảnh Axetic anhydrit cũng là một chất phản ứng dùng để sản xuất aspirin, heroin, và các hợp chất khác Giấm Ở dạng giấm, các dung dịch axit axetic (nồng độ khối lượng của axit 4% đến 18%) được dùng trực tiếp làm gia vị, và cũng làm chất trộn rau và các thực phẩm khác Giấm ăn (table vinegar) thì loãng (4% đến 8%), loại giấm trộn thương mại thì nồng độ cao Lượng axit axetic dùng làm giấm không chiếm tỉ lệ lớn thế giới, là một ứng dụng nổi tiếng và được dùng từ rất lâu Làm dung môi Axit axetic băng là một dung môi protic phân cực tốt đê cập Nó thường được dùng làm dung môi tái kết tinh cho các hợp chất hữu tinh khiết Axit axetic tinh khiết được dùng làm dung môi việc sản xuất axit terephthalic (TPA), một nguyên liệu thô để sản xuất polyetylen terephthalat (PET) Năm 2006, khoảng 20% axit axetic được dùng để sản xuất TPA.[11] Axit axetic thường được dùng làm dung môi cho các phản ứng liên quan đến cacbocation, Friedel-Crafts alkylation Ví dụ, một giai đoạn sản xuất long não tổng hợp thương mại liên quan đến tái xếp WagnerMeerwein của tạo amfen isobornyl axetat; axit axetic đóng vai trò vừa là dung Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 11 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học môi, vừa là chất ái nhân để giữ carbocation tái xếp Axit axetic là dung môi tự chọn giảm một nhóm nitơ aryl tạo anilin bằng cách sử dụng cacbon mang palladi Axit axetic băng được sử dụng hóa phân tích để ước tính các chất có tính kiêm yếu các amit hữu Axit axetic băng có tính bazơ yếu nước, vì amit ứng xử một bazơ mạnh dung dịch axit trung bình này Sau đó nó có thể được chuẩn độ bằng cách sử dụng một dung dịch axit axetic băng của một axit rất mạnh axit percloric Các ứng dụng khác Các axit axetic loãng cũng được dùng tạo độ chua nhẹ Ví dụ quy mô gia đình, nó được dùng làm chất tẩy cặn vôi từ vòi nước và ấm đun nước Các dung dịch axit axetic băng loãng có thể được dùng các phòng thí nghiệm lâm sàng để dung giải các hồng cầu cũng đếm bạch cầu Một ứng dụng lâm sàng khác là dung giải các hồng cầu, mà có thể làm mờ các thành phần quan trọng khác nước tiểu phân tích dưới kính hiển vi b Quy trình sản xuất axit Axit Axetic xúc tác sử dụng Cacbonyl hóa metanol Hầu hết axit axetic giấm được sản xuất bằng phương pháp cacbonyl hóa metanol Trong quy trình này, metanol và cacbon monoxit phản ứng với tạo axit aextic theo phương trình: CH3OH + CO → CH3COOH Quá trình này liên quan đến chất trung gian iodometan, và diễn theo bước Chất xúc tác, thường là phức chất kim loại, được dùng bước 2 CH3OH + HI → CH3I + H2O CH3I + CO → CH3COI CH3COI + H2O → CH3COOH + HI Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 12 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học Bằng cách theo thế các điêu kiện phản ứng, anhydrit axetic cũng có thể được tạo từ các vật liệu này Bởi vì cả metanol và cacbon monoxit đêu là các hàng hóa nguyên liệu, cacbonyl hóa metanol một thời gian dài là phương pháp sản xuất axit axetic được ưa chuộng Công nghệ Cativa dùng chất xúc tác iridi này sạch và hiệu quả hơn[13] và đã thay thế phần lớn công nghệ Monsanto, thường dùng cùng một nhà máy sản xuất Oxy hóa axetaldehyt Trước thương mại hóa công nghệ Monsanto, hầu hết axit axetic được sản xuất bằng cách oxy hóa axetaldehyt Phương pháp này là phương pháp quan trọng thứ hai được sử dụng mặc dù nó không thể cạnh tranh với phương pháp carbonyl hóa metanol Axetaldehyt có thể được sản xuất bằng cách oxy hóa butan hoặc naphtha nhẹ, hoặc hydrat hóa etylen Khi butan hoặc naphtha nhẹ được nung nó không khí có mặt các ion kim loại khác mangan, coban, và crôm, peroxit và sau đó phân hủy tạo axit axetic theo phương trình phản ứng: C4H10 + O2 → CH3COOH + H2O Phản ứng đặc trưng là kết hợp của nhiệt độ và áp suất được đêu chỉnh sau cho đủ nóng để có thể giữ butan dạng lỏng Các điêu kiện phản ứng đặc trưng là 150 °C và 55atm Các sản phẩm phụ cũng có thể được tạo ra, butanon, etyl axetat, axit formic, và axit propionic Các sản phẩm này cũng có giá trị thương mại, và các điêu kiện phản ứng có thể được thay thế để tạo số lượng sản phẩm nhiêu Tuy nhiên, việc phân tách axit axetic khỏi hỗn hợp này làm cho phương pháp này khá tốn Cùng các điêu kiện và sử dụng các chất xúc tác tương tự việc oxy hóa butan, axetaldehyt có thể bị oxy hóa oxy không khí tạo axit axetic: CH3CHO + O2 → CH3COOH Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 13 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học Sử dụng các chất xúc tác hiện đại, phản ứng này có thể tạo axit axetic 95% Các sản phẩm phụ là etyl axetat, axit formic, và formaldehyt đêu có điểm sôi thấp axit axetic nên dễ tách chúng bằng cách chưng cất.[14] Oxy hóa etylen Axetaldehyt có thể được điêu chế từ etylen theo phản ứng Wacker, và sau đó oxy hóa nên bên dưới Trong thời gian gần đây, việc chuyển đổi etylen thành axit axetic qua theo một bước, chi phí rẻ đã được công ty Showa Denko thương mại hóa, công ty này đã xây dựng một nhà máy oxy hóa etylen Ōita, Nhật Bản năm 1997 [15] Quá trình này sử dụng chất xúc tác là kim loại palladi với hỗ trợ của axit heteropoly axit tungstosilicic Nó được xem là một phương pháp có thể cạnh tranh với phương pháp carbonyl hóa metanol đối với các nhà máy nhỏ (100–250 ngàn tấn/năm), tùy thuộc vào giá địa phương của etylen Lên men oxy hóa Trong lịch sử nhân loại, axit axetic, dạng giấm, đã được tạo từ các vi khuẩn axit axetic thuộc chi Acetobacter Khi cung cấp đủ oxy, các vi khuẩn này có thể tạo giấm từ các thực phẩm sinh cồn khác Các loại được sử dụng rượu táo, rượu vang, và các loại ngũ cốc, gạo, mạch nha hoặc khoai tây lên men Phản ứng hóa học chung nhất các vi khuẩn thực hiện là: C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O Dung dịch rượu loãng trộn với Acetobacter và giữ nơi thoáng khí, ấm tạo giấm vòng vài tháng Các phương pháp sản xuất giấm công nghiệp, người ta tăng tốc độ phản ứng bằng cách cung cấp nhiêu oxy cho vi khuẩn Các lô giấm đầu tiên được sản xuất bằng phương pháp lên men có thể là lỗi quá trình làm rượu vang Nếu hèm rượu nho được lên men nhiệt độ quá cao, acetobacter phát triển lấn án nấm men có mặt tự nhiên nho Vì nhu cầu giấm cho mục đích ẩm thực, y tế, và vệ sinh gia tăng, những người bán rượu nho học nhanh chóng cách sử dụng các vật liệu vô khác để sản xuất giấm các tháng hè nóng trước nho đã chính và sẵn sàng để sản xuất rượu vang Phương pháp này chậm, nhiên, không phải lúc nào cũng thành công, những người bán rượu không hiểu quá trình này.[16] Một những công nghệ thương mại hiện đại đầu tiên là "phương pháp nhanh" hoặc "phương pháp Đức", đã được ứng dụng Đức năm 1823 Trong phương pháp này, quá trình lên men diễn một tháp bọc bằng gỗ bào hoặc than Các chất cung cấp cồn được cung cấp từ đỉnh tháp, và không khí sạch được cung cấp từ dưới lên bằng thông khí tự nhiên hoặc bơn đối lưu Việc cung cấp không khí được cải thiên quá trình này làm giảm bớt thời gian điêu chế giấm từ vài tháng vài tuần.[17] Ngày nay, hầu hết giấm được sản xuất các thùng để ngầm được Otto Hromatka và Heinrich Ebner sử dụng đầu tiên năm 1949.[18] Trong phương pháp này, rượu được lên men thành giấm bồn được đảo liên tục, và oxy được cung cấp bằng cách thổi bọt khí qua dung dịch Sử dụng các ứng dụng hiện đại của phương pháp này, Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 14 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học giấm chứa 15% axit axetic có thể được đêu chế vòng 24 giờ, chí đạt được đợ giấm 20% vịng 60 giờ.[16] Lên men kỵ khí Các loài vi khuẩn kỵ khí bao gồm cả thuộc chi Clostridium, có thể chuyển đổi đường thành axit axetic một cách trực tiếp mà không cần phải qua bước trung gian là tạo thành etanol Phản ứng chung mà các vi khuẩn thực hiện có thể được biểu diễn: C6H12O6 → CH3COOH Trên quan điểm của một nhà hóa học công nghiệp, một điểm đáng ý là các vi khuẩn acetogen có thể tạo axit axetic từ các hợp chất chứa cacbon metanol, cacbon monoxit, hay hỗn hợp của cacbon dioxit và hydro: CO2 + H2 → CH3COOH + H2O Khả Clostridium chuyển hóa trực tiếp các loại đường hoặc tạo axit axetic với chi phí đầu vào thấp, có nghĩa rằng các vi khuẩn này có thể có khả tạo axit axetic hiệu quả phương pháp oxy hóa etanol Acetobacter Tuy nhiên, vi khuẩn Clostridium íy chịu axit Acetobacter Ngay cả hầu hết các chủng Clostridium chịu axit nhất có thể tạo giấm đạt vài phần trăm axit axetic, so với các chủng Acetobacter có thể tạo giấm với nồng độ axit lên đến 20% Hiện tại, chi phí để sản xuất giấm bằng Acetobacter cao dùng Clostridium và sau đó tách nó Kết quả là, mặc dù vi khuẩn acetogenic đã được biết đến rộng rãi từ năm 1940, việc sử dụng quy mô công nghiệp của loại vi khuẩn này cịn giới hạn mợt vài ứng dụng.[19] Công nghiệp sản xuất Xà phòng a Vai trò của Xà phòng Phản ứng xà phịng hóa tạo xà phịng Xà phịng là mợt những ứng dụng quan trọng đời sống Nó được sử dụng rất nhiêu gia đình với nhiêu ứng dụng quan trọng Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 15 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học Mỡ bôi trơn động Dẫn xuất lithium của 12-hydroxystearate và các axit béo khác là thành phần quan trọng của mỡ bôi trơn Đây là sản phẩm của xà phịng tạp chất Bình chữa cháy Những đám cháy liên quan đến dầu mỡ thường rất khó dập tắt bằng nước, mỡ nổi lên mặt nước Loại bình chữa cháy dật tắt đám cháy liên quan đến xăng dầu được thiết kế dựa ứng dụng xà phòng hóa Trong bình chữa cháy chứa chất tạo phản ứng xà phòng hóa, giúp biến dầu thành xà phòng, dập tắt đám cháy nhanh chóng b Quy trình sản xuất Etyl axetat chất xúc tác Nguyên tắc để sản xuất xà phòng Phản ứng bản xảy quá trình nấu xà phòng là phản ứng xà phòng hoá Có thể xà phòng hoá trực tiếp nguyên liệu béo hoặc có thể xà phòng hoá axit béo để thu được xà phòng Vì thực tế có hai phương pháp để nấu xà phòng là: Phương pháp 1: Thuỷ phân chất béo bằng nước áp suất cao và nhiệt độ cao (2500C, 50 atm) Phản ứng xảy là: Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 16 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học Phản ứng xảy lượng nước dư, sau đó có thể tách dễ dàng glyxerin khỏi các axit béo (không hoà tan nước) Rồi các axit béo được làm sạch bằng cách chưng để dùng sản xuất xà phòng Phương pháp này địi hỏi hệ thớng thiết bị phức tạp để thuỷ phân dầu mỡ và làm sạch axit béo, và thường được sử dụng tại các nhà máy sản xuất chất béo là chủ yếu Phương pháp 2: Đun sôi chất béo trực tiếp với dung dịch xút 1000C dưới áp suất không khí Khi đó, các axit béo được hình thành phản ứng tức thì với xút để tạo nên xà bông: Sau đó phải tách glyxerin khỏi xà phịng Đây là mợt công việc khá phức tạp vì dung dịch tương đối bị pha lẫn Tuy nhiên phương pháp này được các nhà sản xuất lớn vê xà phòng sử dụng nhiêu nhất Sản xuất xà phòng trực tiếp từ chất béo Sơ đồ các giai đoạn để sản xuất xà phịng trực tiếp từ chất béo được mơ tả hình 3.1 Sơ đồ bao gồm các giai đoạn: Pha trộn các loại dầu: Tính toán tỉ lệ, phối hợp các loại nguyên liệu theo yêu cầu của quá trình công nghệ Tẩy trắng, khử mùi: Loại khỏi dầu mỡ các tạp chất nước, bụi, caroten, clorophyl, Hình 3.1: Các giai đoạn sản xuất xà phòng bằng phương pháp xà phòng hoá trực tiếp Xà phòng hoá: Thực hiện phản ứng xà phòng hoá dầu mỡ bằng kiêm tạo xà phòng và glyxerin Tách xà phòng: tách glyxerin khỏi xà phòng Sự tách này dựa nguyên tắc là glyxerol hoà tan được nước ḿi xà phịng thì khơng Quá trình tách rửa cũng giúp loại được một phần Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 17 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học lớn các chất bẩn có màu sắc Quá trình rửa được thực hiện bằng cách pha trợn xà phịng với mợt dung lượng nước muối, có khuấy trộn Sau vài trộn, xà phòng tách lớp trên, lớp dưới là nước muối + glyxerin Quá trình rửa được tiến hành lần để loại glyxerin khỏi xà phòng Tách glyxerin: Người ta đưa dung dịch nước muối + glyxerin được thu hồi tới một thiết bị bốc để thu hồi glyxerol và ḿi được quay vịng dùng lại Xà phịng hoá triệt để (loại ḿi): xà phịng sau tách khỏi glyxerin cịn chứa nhiêu ḿi, làm ảnh hưởng đến chất lượng giai đoạn này giúp giảm số lượng muối, loại các tạp chất có màu sắc, tăng nồng đợ cho dung dịch xà phịng Trong giai đoạn này, người ta pha trộn dung dịch xà phòng với dung dịch xút loãng Khi đó, dung dịch phân làm hai lớp: lớp là xà phòng mịn, lớp dưới là hỗn hợp nước - muối xút - tạp chất (khơng có xà phịng) hoặc mợt dung dịch negro chứa vài phần trăm đến 25 - 30% xà phịng, ḿi, xút và các tạp chất khác Quy trình này có thể áp dụng các phương thức sản xuất xà phòng Phương thức cổ truyền: Phương pháp này là phương pháp gián đoạn, cho phép nấu nhiêu tấn xà phịng mợt lượt Trong các bồn hở, người ta nấu dầu với dung dịch xút (47%) Khuyết điểm chính của phương pháp này là chỗ khó đạt được một hỗn hợp đồng nhất: một phần dầu phản ứng với xút thì xà phòng đã được tạo thành làm sệt hột hợp Phương pháp này không tách glyxerin khỏi xà phòng Hệ thống “vòi” liên tục Đây là phương thức thông dụng nhất: gồm việc đun nóng dầu, dung dịch xút và bơm chúng thành mợt vịi: điểm giao của ống, ống đầu tiên dẫn dầu, ống thứ hai xút, ống thứ nước (để giúp phản ứng đồng thời cọ rửa) và ống thứ tư để di chuyển hỗn hợp (sơ đồ hình 3.2) Hình 3.2: Hệ thớng vịi Hỗn hợp phản ứng được trình lỏng bằng cách thêm chất lỏng, pha loãng vào Chất lỏng pha loãng này có thể là nước, pha loãng glyxerin có thể quá mức và giá thành bốc thành quá cao Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 18 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học để thu hồi Phương thức Alfa Laval: Thiết bị sử dụng gồm mợt cợt phản ứng (3m x 0,75m) với mợt vịng tuần hoàn bên hông Dầu và dung dịch xút được đưa vào cột phản ứng nhờ các bơm Tốc độ phản ứng được gia tăng nhờ áp lực cao (4 atm, 1400C) Xà phòng từ thiết bị phản ứng được bơm vào cột thứ hai Trước vào cột phản ứng thứ hai, người ta đưa vào một chất lỏng pha loãng lạnh để giảm nhiệt độ và làm lỏng hỗn hợp Thời gian phản ứng vào khoảng 15 phút cả hai cột Hình 3.3: Phương pháp “Alfa Laval” - Rửa sạch: Giai đoạn tiếp theo cho phép tách glyxerin khỏi xà phòng dựa nguyên tắc glyxerol hoà tan nước muối, xà phịng khơng tan Quá trình rửa cũng cho phép loại trừ một phần lớn những tạp chất có màu + Phương pháp bồn: Quá trình rửa được thực hiện bằng cách trợn xà phịng với mợt khới lượng ḿi đã xác định, dùng những vịi nước để kh́y trợn sau vài nghỉ, xà phịng nởi lên cùng lúc lớp dưới gồm một hỗn hợp glyxerin/nước muối quá trình rửa được lặp lại khoảng lần với nước muối lạnh để loại trừ tất cả glyxerin xà phịng + Phương thức dịng chảy ngược: hệ thớng này bao gồm một dãy thùng xếp theo thác đở đó xà phịng được bơm vào hoặc cho chảy vào từ thùng này sang thùng khác, nước muối được bơm vào ngược chiêu Rửa theo phương pháp này, nồng độ glyxerin cuối cùng nước muối cao nhiêu so với phương pháp bằng thùng ( 12-20% so với 5-10%) - Pha loãng: Dung dịch nước muối + glyxerin thu hồi phần lớn được đưa vào một đơn vị làm bốc để thu hồi glyxerol và ḿi phần cịn lại được dùng làm chất pha loãng Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 19 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học - Loại bỏ muối: tiến hành loại muối một cách liên tục bằng cách xịt so đa loãng vào hệ thớng ớng đưa xà phịng đã rửa đến một máy ly tâm mà tốc độ cho phép tách xà phòng khỏi nước b) Sản xuất xà phòng cách trung hoà axit béo Phương pháp này được sử dụng ít phương pháp vì nó có những điểm không thuận lợi là: - Giá thành thiết bị cao - Chỉ dùng với những nhà máy sản xuất lớn Tuy nhiên nó cũng có những thuận lợi là: công nghệ đơn giản, linh hoạt quá trình sản xuất vì có thể thay đổi dễ dàng thành phần chất béo Hình 3.4: Sản xuất xà phòng bằng cách trung hoà axit béo Hình 3.5: Sơ đồ cơng nghệ sản x́t xà phịng theo phương pháp trung hoà axit béo Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 20 ... chất béo bằng nước áp suất cao và nhiệt độ cao (2500C, 50 atm) Phản ứng xảy là: Học viên: Bùi Văn Giáp Trang 16 [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học... rất cao Hãng Iogen Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất etanol sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004 Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] ... khoảng 70%; Học viên: Bùi Văn Giáp Trang [TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HOÁ LÝ NÂNG CAO] LỚP : CH27 LL&PP Hoá Học nồng độ cao hay thấp của etanol có khả kháng khuẩn Etanol giết chết các