Bài giảng môn học hoá lý

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Hóa Mơi Trường – Bộ mơn KT Hóa học HĨA LÝ Tên giảng viên: Lê Thu Hường Email: lethuhuong@tlu.edu.vn ĐT: 0971611795 HĨA LÝ Số tín chỉ: (1,7-0,3-0) Số tiết: tổng: 30; đó: LT: 20 ; TH: 10 ; TN: Phương pháp đánh giá Hình thức Số lần Bài kiểm tra lớp Chuyên cần, thái độ Bài tập lớn nhà Tổng điểm q trình Thi cuối kỳ Mơ tả 45 phút, câu tự luận Thời gian Tuần Đi học đầy đủ, tham Từ tuần đến gia tích cực học Làm tập nhà Tuần theo yêu cầu môn học 90 phút, câu tự luận Tuần đến tuần 10 Trọng số 10% 10 % 10% 30% 70% HÓA LÝ Nội dung tóm tắt mơn học Bao gồm 02 phần chính: + Điện hóa học: dung dịch điện li, điện cực pin, động học trình điện cực; + Hóa keo: khái niệm, tính chất dung dịch keo, điều chế làm hệ keo; hệ bán keo phân tán thô, dung dịch hợp chất cao phân tử Giáo trình sử dụng Giáo trình: [1] Nguyễn Hữu Phú, Hố lý hoá keo, NXB Khoa học Kĩ thuật, 2009 [2] Ngô Quốc Quyền, Trần Thị Thanh Thủy, Điện hóa học, NXBBK Hà Nội, 2013 Các tài liệu tham khảo: [1] Trịnh Xuân Sén, Điện hoá học, NXB ĐH Quốc gia, 2003 [2] Nguyễn Đình Chi, Nguyễn Hạnh, Cơ sở lý thuyết Hóa học, Tập 2, NXB GD, 2005 [3] P.W Atkin, Physical Chemistry, 6th Ed Oxford University Press, 2003 Chương 1: DUNG DỊCH ĐIỆN LI 1.1 Tính chất dẫn điện dung dịch điện ly 1.1.1 Phân loại dây dẫn: Dựa vào khả dẫn điện (dẫn điện, bán dẫn cách điện), chất chuyển vận dòng điện (loại loại 2) + Dây dẫn loại 1: bao gồm tất kim loại trạng thái rắn nóng chảy Dây dẫn điện loại dẫn điện eletron, có độ dẫn điện cao nối trực tiếp với nguồn điện + Dây dẫn loại 2: bao gồm dung dịch nước muối, axit bazo, gồm số muối nóng chảy Dây dẫn điện loại dẫn điện ion nối trực tiếp với nguồn điện mà phải thông qua dây dẫn loại  Ví dụ: Ta có dung dich muối AX dây dẫn loại Trong nước, muối AX phân ly thành ion A+ X- Các ion nối trực tiếp với nguồn điện khơng có can thiệp dây dẫn loại 1.1 Tính chất dẫn điện dung dịch điện ly 1.1.2 Độ dẫn điện dung dịch chất điện li:  Độ dẫn điện L (Ω-1 S): đại lượng đặc trưng cho khả dẫn điện loại dây dẫn l 1 s R   L   s R  l ρ: điện trở suất dung dịch, s: tiết diện điện cực (cm 2); + Định luật Omh: Sơ đồ bình đo độ dẫn điện 1,2: cực kim loại có tiết diện S dung dịch điện li  Độ dẫn điện riêng χ (Ω-1.cm-1): đặc trưng cho khả dẫn điện l: khoảng cách hai điện cực (cm) 1 l ; B: số bình (cm-1)     B  R s R + Độ dẫn điện đương lượng λ (đlg-1 Ω-1.cm2): độ dẫn điện thể tích dung dich điện li chứa đương lượng gam chất nằm hai điện cực 1000   C 1.1 Tính chất dẫn điện dung dịch điện ly 1.1.3 Chất điện ly yếu chất điện ly mạnh:  Hiện tượng điện li: + Thuyết Cablucov: Nguyên nhân điện li tương tác phân tử dung môi với phân tử chất điện ly để tạo thành ion bị sonvat hố Ví dụ 1: Sự điện ly NaCl nước Ví dụ 2: Sự điện ly HCl nước HCl + qH2O → H3O + Cl- (q-1) H2O Kết luận: Sự phân li ion phụ thuộc vào chất chất điện li dung môi NaCl + qH2O → a+ xH2O + Cl- (q-x) H2O 1.1 Tính chất dẫn điện dung dịch điện ly  Các đại lượng đặc trưng dung dịch điện ly: + Hằng số phân ly K: AB A+ + B- KC  + Dung dịch thực: K  [ A].[ B ] [ AB] a A  a B  a AB + Kết luận: số phân ly K lớn phân ly mạnh ngược lại + Độ phân li α: chất điện li tỉ số số phân tử phân li ion (n) tổng số phân tử chất điện li hòa tan (n0)  n 100%; n0    or    100% + Độ phân li phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ dung dịch, chất chất tan dung môi, chất điện ly hồn tồn α = 1; chất khơng điện ly α = 1.1 Tính chất dẫn điện dung dịch điện ly  Định luật pha loãng Ostwald: + Xét chất điện ly yếu AB, số điện ly KC, độ điện ly , nồng độ ban đầu C0 mol/l AB ⇌ C0 Ban đầu  C0 Điện ly Cân C0 - C0 A+  C0  C0 + B0  C0  C0 (mol/l) (mol/l) (mol/l)  [ A ][ B  ]  C C 2   K   C0 [ AB ] C   C   0   CB + dung dịch điện li; i = dung dịch không điện li i = tổng số tiểu phân (ion + phân tử) sau phân li/tổng số tiểu phân ( phân tử) ban đầu  Quan hệ i α: + Xét chất điện ly AxBy (hoà tan N0 phân tử AxBy) có độ điện ly  phân tử AxBy phân ly thành q ion + Số phân tử bị phân ly N0 tạo qN0 ion + Số phân tử không bị phân ly N0 - N0 + Tổng số phần tử có dung dịch: N’ = N0 - N0 + qN0 N ' N  N  qN i i  1    q 1   (q  1)    N0 N0 q 10 III Một số ứng dụng động học qt điện cực Qúa trình điện phân Nghiên cứu ăn mòn bảo vệ kim loại Phương pháp cực phổ 31 III Một số ứng dụng Qúa trình điện phân + Định luật Faraday: lượng chất hình thành anot catot tỉ lệ với điện lượng dùng để điện phân  catot (-): Ox + ne → Red  anot (+): Red → Ox + ne + Khối lượng chất hình thành m I t M i S t M  n F n F (vì i = I/S) m: lượng chất hình thành (g) i: mật độ dịng điện [A/m2] t: thời gian điện phân [s] n: số e trao đổi phản ứng điện cực q: điện lượng chuyển qua thời gian t [C] F: số Faraday (96500 C) I: cường độ dòng điện [A] M: khối lượng phân tử chất [mol] S: diện tích bề mặt điện cực [m2] 32 III Một số ứng dụng Điện áp điện phân + Nếu gọi điện áp điện phân U hiệu điện áp vào cực để phản ứng xảy bình điện phân thù U phụ thuộc vào yếu tố nhiệt động, động học tính chất dẫn điện cho hệ điện phân  anot (+): Red1 → Ox1 + ne  catot (-): Ox1 + ne → Red1 Hình Sơ đồ bình điện phân (a), đường cong phân cực (b) cb + Nếu áp vào anot điện áp φ1 > φ1cb ; φ1 = φ1 + η1 (η1: anot) phản ứng điện cực anot xảy với tốc độ tương ứng với mật độ dòng i1) + Nếu áp vào catot điện áp φ2 < φ2cb; φ2 = φ2cb + η2 (η2: catot), phản ứng xảy với mật độ dòng catot i2 33 III Một số ứng dụng + Trong trường hợp này, anot catot phản ứng chậm, cần phải có tối thiểu η1min, η2min điện phân bắt đầu xảy với điện áp Umin U ( 1cb   2cb )  ( m1   m ) ( 1cb   2cb ) đặc trưng cho tính chất nhiệt động học hệ điện phân ( m1   m ) đặc trưng cho tính chất động học hệ + Ngồi có sụt điện trở r bình điện phân (E=r.I)  U ( 1cb   2cb )  ( m1   m )  r I     r I   1cb  m1 ;  2cb  m2 34 III Một số ứng dụng Ví dụ điện phân H2O: + H2O axit hóa H2SO4 để tăng độ dẫn điện Điện cực Pt, dung dịch điện li gồm H2O, SO42-, H+  Ho  / H 0,0V ;  Oo / H 2O 1,23V ;  So O  / SO  2,08V + Quá anot tối thiểu phản ứng H2O → O2: ηmin1 = 0,62V + Quá catot tối thiểu phản ứng H+ → H2: ηmin2 = -0,05V Pt phân ly : H2O ⇌ OH- + H+ H2SO4 → SO42- + 2H+ 35 III Một số ứng dụng + Điện áp tối thiểu Umin đặt lên điện cực bình điện phân  anot (+): SO42-, OHOH- + H+ → 1/2O2 + H+ + 2e; SO42- → S2O82- + 2e + Vì φº S2O82- /SO42- =2,08V (khá cao) nên ion SO42- khó bị oxi hóa Ở anot xảy phản ứng: H2O → 1/2O2 + 2e + 2H+  m, a  Oo / H 2O  m1 1,23  0,62 1,85V  catot (-): H+ 2H+ + 2e → H2  m ,C  Ho  / H  m 0  0,05  0,05V U  m, a   m,c 1,85  ( 0,05) 1,90V + Phản ứng tổng cộng điện phân là: H2O → 1/2O2 + H2 36 III Một số ứng dụng Nhận xét: + Giá trị 1,9V gọi điện phân hủy nước Nếu khơng có q tối thiểu η điện phân bắt đầu xảy 1,23V Do đó, ηmin làm tổn thất lượng trình điện phân + Để giảm ηmin cần tác động lên ba yếu tố: kim loại làm điện cực, pH dung dịch điện li, nhiệt độ môi trường phản ứng + ηmin tăng nhiệt độ tăng + Trong môi trường kiềm ηmin hidro cao môi trường axit + Trong môi trường kiềm ηmin oxi cao hẳn môi trường axit 37 III Một số ứng dụng Nghiên cứu ăn mòn bảo vệ kim loại - Ăn mòn kim loại: + Ăn mòn tượng: kim loại bị biến đổi thành hợp chất hóa học bền vững nhiệt động (oxit, sunfua, cacbonat,…) tác dụng nhiều tác nhân môi trường Phần lớn kim loại bị hư hại ăn mòn điện hóa +Trong mơi trường nước, kim loại bị oxi hóa theo chế phản ứng điện hóa, nghĩa kim loại nhường electron (phản ứng anot) chất oxy hóa nhận electron (phản ứng catot) + Phản ứng anot xảy là: M → Mn+ + ne + Phản ứng catot xảy là: Trong mơi trường axit khơng có oxi hịa tan: 2H+ + 2e → H2 Trong mơi trường axit có oxi hịa tan:1/2O2 + 2e + 2H+ → H2O Trong môi trường trung tính kiềm (có oxy hịa tan):1/2O2 + H2O + 2e → 2OH- 38 III Một số ứng dụng Ví dụ: Fe bị ăn mịn mơi trường trung tính bazơ tạo hydroxit sắt (III) Fe(OH) chuyển thành Fe2O3 (cơng thức hóa học đơn giản gỉ sắt) Phản ứng anot Fe → Fe2+ + 2e Phản ứng catot 1/2O2 + 2e + H2O → 2OHPhản ứng tổng cộng Fe + 1/2O2 + H2O → Fe2+ + 2OH+ Sau đó: 2Fe(OH)2 + 1/2O2 + H2O → 2Fe(OH)3 Hình Sơ đồ ăn mịn sắt môi trường nước 2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O + Như vậy, q trình hịa tan Fe (ăn mịn Fe) xảy theo chế pin điện hóa + Trong pin ăn mịn, kim loại có điện âm bị ăn mịn, kim loại có điện dương bảo vệ 39 III Một số ứng dụng Động học q trình ăn mịn + Tốc độ ăn mòn (iăm) – Điện ăn mòn (φăm + Khống chế hai trình tức khống chế q trình ăn mịn tổng cộng (đó mục tiêu biện pháp chống ăn mịn) + Q trình oxy hóa anot kim loại (kim loại bị ăn mòn, nhường e -): ia Fe  Fe2  2e  + Quá trình khử catot với tham gia H+ O2 môi trường tự nhiên (sự có mặt H+ CO2 khí tác dụng với nước tạo axit cacbonic, ngồi cịn có yếu tố “mưa axit” nhiễm cơng nghiệp) Như có hai khả năng: Trong mơi trường axit có oxi hịa tan:1/2O2 + 2e + 2H+ → H2O Trong mơi trường trung tính kiềm (có oxy hịa tan):1/2O2 + H2O + 2e → 2OH- 40 III Một số ứng dụng + Tốc độ q trình ăn mịn phụ thuộc vào tốc độ trình anot (a) – biểu diễn qua mật độ dòng riêng phần ia, phụ thuộc vào tốc độ trình catot (b) (c) – biểu diễn mật độ dòng riêng phần ic + Q trình ăn mịn đạt trạng thái ổn định tốc độ trình anot (i a) tốc độ trình catot (ic) Trạng thái tương ứng với trạng thái ăn mòn tự nhiên Người ta định nghĩa tốc độ ăn mòn iăm: ia = |ic| = iăm + Điện ứng với trạng thái ăn mòn ổn định điện ăn mòn φ ăm + Vậy: iăm φăm hai đại lượng đặc trưng cho q trình ăn mịn xác định thực nghiệm từ đường cong phân cực i=f(φ) 41 III Một số ứng dụng + Phương pháp đường cong phân cực để xác định iăm φăm Giả sử xét ăn mòn Fe môi trường axit:  ia Anot( ) : Fe  2e  Fe 2 ic Catot(  ) : H   2e   H2 0,059 lg a Fe 2 0,059 pH  Fe 2 / Fe  0,44   H /H i ăm +Ta có q trình ăn mịn tổng qt: Fe  H    Fe 2  H + Đầu tiên trình anot: điện  o 2  0,50V tiến phía dương Fe / Fe hơn, dịng điện ia qua điện cực nghiên cứu +Ta dựng đường cong biểu diễn phụ thuộc ia  f ( Fe2 / Fe ) + Quá trình catot: điện  o  tiến phía âm hơn, dòng điện i c  V H /H qua điện cực nghiên cứu +Ta dựng đường cong biểu diễn phụ thuộc ic  f ( H  / H2 ) 42 III Một số ứng dụng iăm = ia = |ic| Trong trường hợp xác định là: iăm = 0,162 mA/cm2 φăm = -0,250 V 43 III Một số ứng dụng Phương pháp cực phổ + Cực phổ phương pháp phân tích điện hóa dựa đường cong phan cực phản ứng khử điện cực để xác đinh định tính định lượng phân tích Mn+ + ne → M + Trong điều kiện: giai đoạn trao đổi e (trao đổi điện tích) xảy nhanh cịn giai đoạn vận chuyển chất xảy chậm, định tốc độ chung phản ứng + Cấu tạo hoạt động: Catot điện cực Hg nhỏ giọt (C) Nhờ áp lực Hg bình (D) giọt Hg xuất từ từ đầu mao quản thủy tinh (C) (từ 0,2-0,6s) rơi xuống đáy bình (F), tạo điện cực Hg phẳng có bè mặt không thay đổi (điện cực G) Điện áp vào hai cực thay đổi chạy K Trong mạch có mắc microampe kế von kế để theo dõi dòng điện I điện V Hình Sơ đồ máy cực phổ 44 END 45 ... Tuần Đi học đầy đủ, tham Từ tuần đến gia tích cực học Làm tập nhà Tuần theo yêu cầu môn học 90 phút, câu tự luận Tuần đến tuần 10 Trọng số 10% 10 % 10% 30% 70% HÓA LÝ Nội dung tóm tắt mơn học Bao... Hữu Phú, Hố lý hoá keo, NXB Khoa học Kĩ thuật, 2009 [2] Ngô Quốc Quyền, Trần Thị Thanh Thủy, Điện hóa học, NXBBK Hà Nội, 2013 Các tài liệu tham khảo: [1] Trịnh Xuân Sén, Điện hoá học, NXB ĐH... số chuyển vân t+, t- vì: λ+ = t+.λ; λ- = t-.λ 42 Bài tập 43 END 44 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Hóa Mơi Trường – Bộ mơn KT Hóa học HĨA LÝ Tên giảng viên: Lê Thu Hường Email: lethuhuong@tlu.edu.vn