NỘI DUNG CÁC BÀI THỰC HÀNH HÓA LÝ Bài 3: NHIỆT ĐỐT CHÁY

Nồng độ cân bằng của I2 được xác định bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch Na2S2O3... Xác định nồng độ của I 2 tại các thời điểm phản ứng – Sau 25 phút, dùng pipet lấy nhanh ra 10,00

B NỘI DUNG CÁC BÀI THỰC HÀNH

Bài 3: NHIỆT ĐỐT CHÁY

I MỤC ĐÍCH

– Xác định nhiệt đốt cháy của naphthalene bằng phương pháp nhiệt

lượng kế

– Xác định nhiệt hình thành của naphthalene bằng định luật Hess

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1 Nhiệt động lực học của sự cháy

– Nhiệt đốt cháy là nhiệt của phản ứng đốt cháy một mol chất (đơn chất

hay hợp chất) bằng oxygen phân tử cho đến khi được những oxit cao nhất

(bền nhất) của các nguyên tố tương ứng

– Quá trình đoạn nhiệt là quá trình mà hệ không trao đổi nhiệt với môi

trường Quá trình cháy trong bom nhiệt lượng kế có thể coi là quá trình cháy

đoạn nhiệt ở thể tích không đổi Áp dụng nguyên lí I của nhiệt động lực học:

trong đó: U là biến thiên nội năng của hệ, Q là nhiệt trao đổi của hệ, W là

công do hệ thực hiện

– Trong bài này hệ thực hiện quá trình đoạn nhiệt (Q = 0) đẳng tích

(W = 0) nên có cU = 0 Quá trình cháy được thực hiện với mẫu và sợi đốt

bằng bông, vì thế:

cháyUmẫu + cháyUbông = 0 ; c: cháy (2)

Sau khi phản ứng cháy xảy ra, nhiệt độ của hệ tăng từ T1 lên T2 Để tính

được nhiệt của phản ứng đốt cháy ở T1 cần xác định được năng lượng toả ra

khi nhiệt độ của bom nhiệt lượng kế hạ từ T2 xuống T1 Hình 3.1 thể hiện quá

trình cháy và hạ nhiệt độ của benzoic acid Năng lượng toả ra trong quá trình

hạ nhiệt độ là:

trong đó: Cv là nhiệt dung đẳng tích của sản phẩm và bom nhiệt lượng kế

Hình 3.1: Sơ đồ mối liên hệ giữa quá trình cháy đoạn nhiệt đẳng tích

với quá trình cháy đẳng nhiệt đẳng áp

Quá trình cháy đoạn nhiệt, sau đó hạ nhiệt độ tương ứng với quá trình

cháy đẳng nhiệt, đẳng áp ở nhiệt độ T1 và có biến thiên nội năng cU(T1)

Áp dụng định luật Hess cho quá trình trên:

– Nhiệt dung đẳng tích Cv có thể được xác định nhờ vào nhiệt đốt cháy

của benzoic acid và của bông nhờ phương trình (5) Cv là nhiệt dung đẳng

tích của cả mẫu và bom nhiệt lượng kế Do bom nhiệt lượng kế có nhiệt dung

lớn hơn rất nhiều so với nhiệt dung của sản phẩm phản ứng, vì thế có thể coi là Cv không đổi khi sử dụng các mẫu khác nhau và sử dụng giá trị thu được khi đốt cháy benzoic acid cho các tính toán trong bài

Hình 3.3: Sơ đồ bom nhiệt lượng kế

III HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ

2 Dụng cụ, thiết bị

– Bom nhiệt lượng kế có gắn nhiệt kế Beckmann với độ chính xác 0,01 oC

và có van theo dõi áp suất (Hình 3.3)

– Gắn dây platinum dài khoảng 6 cm với nắp bom nhiệt lượng kế, nối dây bông vào đầu kia của dây platinum Một đầu của dây bông nối với đế đặt mẫu Cho khoảng 10 mL nước cất vào dưới đáy bom nhiệt lượng kế

2 Chuẩn bị bom nhiệt lượng kế

– Nối bom nhiệt lượng kế với xylanh chứa đầy không khí nén bằng van

có đồng hồ đo áp suất Thận trọng mở van để oxygen chuyển từ từ vào bom nhiệt lượng kế cho đến khi áp suất trong bom nhiệt lượng kế nằm trong khoảng 1000  1500 kPa Quá trình này mất khoảng 4 phút (nếu cho oxygen chuyển nhanh vào bình có thể thổi bay dây bông khỏi mẫu)

– Kiểm tra xem oxygen đã vào đầy bom chưa bằng cách nhấn van xả, sẽ

có tiếng xì xì của khí thổi ra Đóng van lại và đảm bảo khí không bị rò rỉ – Nối điện vào bom nhiệt lượng kế Đặt đầu dò nhiệt độ vào vị trí ở phía dưới của bom nhiệt lượng kế

3 Đốt cháy mẫu

Ghi nhiệt độ của bom nhiệt lượng kế vào bảng 3.2, mỗi phút ghi 1 lần và thực hiện đọc giá trị trong 10 phút Đốt cháy mẫu và ghi lại nhiệt độ thay đổi (nhiều nhất và chính xác) của bom nhiệt lượng kế cho đến khi đạt nhiệt độ cao nhất Sau đó tiếp tục theo dõi nhiệt độ của bom nhiệt lượng kế trong 15 phút, mỗi phút đọc và ghi nhiệt độ 1 lần

4 Mở bom nhiệt lượng kế

– Tắt nguồn điện nối với bom nhiệt lượng kế Tháo các thiết bị ngoại vi – Giảm áp suất của bom nhiệt lượng kế Mở bom và xác nhận là sản phẩm

đã bị đốt cháy hoàn toàn, không có dấu vết của carbon trên thành Rửa và làm khô các bộ phận của bom nhiệt lượng kế

* Lặp lại các bước tiến hành theo mục IV.2, IV.3 và IV.4 nhưng thay benzoic acid bằng naphthalene

V KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÍ

1 Kết quả thí nghiệm

Bảng 3.1 Khối lượng mẫu

Mẫu Khối lượng mẫu Khối lượng dây bông

Benzoic acid

Naphthalene

Bảng 3.2 Theo dõi nhiệt độ của quá trình đốt cháy mẫu

Trước khi đốt cháy Quá trình cháy Sau khi cháy

Thời gian

(phút)

Nhiệt độ ( o C)

Thời gian (phút)

Nhiệt độ ( o C)

Thời gian (phút)

Nhiệt độ ( o C)

2 Xử lí kết quả thí nghiệm

– Vẽ giản đồ nhiệt độ phụ thuộc thời gian cho mỗi thí nghiệm

– Từ đồ thị xác định biến thiên nhiệt độ của quá trình cháy T = Tsau – Ttrước – Cho cUo(benzoic acid) = –26,434 kJ g–1 và cUo(bông) = –17,280 kJ g–1 Dựa vào công thức số (5), xác định nhiệt dung đẳng tích Cv của hệ Từ đó tính nhiệt đốt cháy chuẩn của naphthalene

– Enthalpy chuẩn của quá trình đốt cháy carbon và hydrogen thành

CO2(k) và H2O(l) lần lượt là –393 kJ mol–1 và –285 kJ mol–1 Dựa vào định luật Hess tính nhiệt hình thành chuẩn của naphthalene

– Xác định sai số của phép tính So sánh với giá trị thực nghiệm của nhiệt hình thành của naphthalene

VI CÂU HỎI BỔ SUNG

Các sai số chính có thể do cân, đầu dò nhiệt độ, xác định T của quá trình đốt cháy Tuy nhiên, sai số lớn nhất là do sử dụng công thức số (8) khi tính toán vì công thức này chưa thể hiện được tất cả những quá trình xảy ra trong

hệ (ví dụ: quá trình hoà tan của CO2(k) vào nước trong bom nhiệt lượng kế) Hãy cho biết những yếu tố nào đã được bỏ qua?

Bài 6: CÂN BẰNG HOÁ HỌC GIỮA IRON(III) CHLORIDE (FeCl3)

VÀ POTASSIUM IODIDE (KI)

I MỤC ĐÍCH

– Xác định hằng số cân bằng của cân bằng hoá học giữa iron(III) chloride

và potassium iodide ở hai nhiệt độ khác nhau

– Chứng minh hằng số cân bằng không phụ thuộc vào nồng độ đầu của các chất phản ứng

– Xác định nhiệt phản ứng theo phương trình Vant-Hoff

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Cân bằng hoá học giữa FeCl3 và KI được mô tả bởi phương trình hoá học: 2FeCl3 + 2KI  2FeCl2 + I2 + 2KCl (1) hay dưới dạng phương trình ion:

2Fe3+ + 2I–  2Fe 2+ + I2 (2) Với hằng số cân bằng được xác định theo công thức:

2 2 2

2 I

a a Fe I khi giả thiết i  1

Nồng độ cân bằng của I2 được xác định bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch Na2S2O3 Theo phương trình (2), nồng độ Fe2+ có giá trị bằng hai lần nồng độ iodine: [Fe2+] = 2[I2] Do lượng Fe2+ sinh ra bằng lượng Fe3+ mất

đi sau phản ứng, nồng độ cân bằng của Fe3+ được xác định bằng hiệu nồng độ

Fe3+ ban đầu và nồng độ cân bằng của Fe2+ trong dung dịch phản ứng:

[Fe3+] = 3

)

0 (Fe

C  [Fe2+] Nồng độ cân bằng của I– được xác định bằng hiệu giữa nồng độ I– ban đầu

và nồng độ I2 cân bằng:

[I–] = C0 (I )  – 2[I2]

Khi thực hiện cân bằng hoá học ở hai nhiệt độ chênh lệch không lớn, coi H không đổi, có thể xác định được nhiệt của phản ứng theo phương trình Vant-Hoff:

III HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ

– Các dụng cụ thuỷ tinh thông dụng: cốc, ống đong, bình nón có nút nhám

250 mL, bình nón 150 mL, đũa, pipet 50 mL, 20 mL, buret 25 mL

– Bể điều nhiệt

– Đồng hồ bấm giây

– Chậu nước đá lạnh

IV TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

A – Thực hiện thí nghiệm ở nhiệt độ T 1 = 25 o C

1 Chuẩn bị

– Lấy tám bình nón dung tích 150 mL, dùng ống đong cho vào mỗi bình khoảng 40 mL nước cất được làm lạnh ở 0oC

– Lấy bốn bình nón có nút nhám có dung tích 250 mL đánh số từ (1) đến (4) Cho vào mỗi bình một thể tích chính xác các dung dịch FeCl3 0,030 M

và KI 0,030 M như trong bảng sau:

2 Xác định nồng độ của I 2 tại các thời điểm phản ứng

– Sau 25 phút, dùng pipet lấy nhanh ra 10,00 mL dung dịch ở bình phản ứng (1), cho vào bình nón có chứa nước đã được làm lạnh (trước khi lấy mẫu, tráng pipet bằng chính dung dịch đang nghiên cứu), sau đó, ngay lập tức chuẩn độ dung dịch bằng Na2S2O3 0,015 M để xác định nồng độ của I2 tạo thành trong phản ứng Lưu ý, thêm Na2S2O3 đến khi dung dịch có màu vàng rơm, cho thêm 3 giọt hồ tinh bột vào dung dịch, dung dịch chuyển từ màu vàng rơm sang màu xanh tím, tiếp tục chuẩn độ đến khi dung dịch mất màu Ghi lại thể tích Na2S2O3 dùng để chuẩn độ (Lưu ý: Sau khi chuẩn độ một thời

gian, màu xanh tím sẽ lại xuất hiện, khi đó không cần chuẩn độ tiếp)

– Sau 30 phút kể từ khi lấy mẫu lần thứ nhất, dùng pipet lấy 10,00 mL dung dịch trong bình phản ứng (1) và chuẩn độ bằng dung dịch Na2S2O3 0,015 M lần thứ hai Sau 40 phút tiếp theo, tiếp tục lấy 10,00 mL dung dịch để chuẩn độ lần thứ ba và cứ tiếp tục thực hiện cho đến khi thể tích Na2S2O3 0,015 M dùng để chuẩn độ ở hai lần liên tiếp bằng nhau, chứng tỏ hệ phản ứng đã đạt trạng thái cân bằng

– Thực hiện các thao tác tương tự với bình phản ứng (2) sau 10 phút để xác định nồng độ I2 tại các thời điểm

B – Thực hiện thí nghiệm ở nhiệt độ T 2 = T 1 + 15 o C

Lặp lại các bước hoàn toàn giống như ở phần A nhưng lưu ý ở bước chuẩn

bị điều chỉnh nhiệt độ trong máy điều nhiệt T2 = T1 + 15oC

V KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÍ

1 Kết quả thí nghiệm

Ghi lại các kết quả thu được vào bảng sau đây:

Kết quả thí nghiệm với bình phản ứng 1

Nồng độ đầu ở T 1

(mol L –1 )

Nồng độ cân bằng ở T 1

(mol L –1 )

Nồng độ đầu ở T 2

(mol L –1 )

Nồng độ cân bằng ở T 2 (mol L –1 )

Nồng độ đầu ở T 1

(mol L –1 )

Nồng độ cân bằng ở T 1

(mol L –1 )

Nồng độ đầu ở T 2

(mol L –1 )

Nồng độ cân bằng ở T 2 (mol L –1 )

(mol L –1 )

Nồng độ cân bằng ở T 1

(mol L –1 )

Nồng độ đầu ở T 2

(mol L –1 )

Nồng độ cân bằng ở T 2

FeCl FeCl

V và VKI lần lượt là thể tích của các dung dịch FeCl3 0,030 M và

KI 0,030 M đã được lấy để thực hiện phản ứng cân bằng hoá học;

3

FeCl

C là nồng độ ban đầu của dung dịch FeCl3 và KI đã sử dụng

– Dựa vào các kết quả thu được, tính giá trị hằng số cân bằng trung bình

ở mỗi nhiệt độ Từ đó xác định nhiệt phản ứng trung bình theo phương trình Vant-Hoff

VI CÂU HỎI BỔ SUNG

1 Mục đích của việc sử dụng hai bình phản ứng khác nhau, với thể tích FeCl3 và KI ban đầu khác nhau ở cả hai nhiệt độ phản ứng là gì?

2 Tại sao phải chuẩn độ dung dịch phản ứng với 40 mL nước lạnh?

3 Tại sao sau khi dừng chuẩn độ, màu xanh tím lại tiếp tục xuất hiện? Khi đó tại sao không tiếp tục chuẩn độ để làm mất màu dung dịch hoàn toàn?

Bài 13: HẰNG SỐ PHÂN LI CỦA ACID YẾU

I MỤC ĐÍCH

Xác định hằng số phân li của acetic acid (CH3COOH) bằng phương pháp

đo độ dẫn điện

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1 Độ dẫn điện mol của dung dịch chất điện li

Nước là chất dẫn điện yếu, nhưng khi nước có chất điện li thì tính dẫn

điện được tăng lên đáng kể Độ dẫn điện của dung dịch chất điện li phụ thuộc

vào nồng độ, điện tích và tính linh động của các ion trong dung dịch đó

Nếu gọi λ là độ dẫn điện mol của một dung dịch chất điện li tại nồng độ

C thì        đối với chất điện li mạnh, và             đối     

với chất điện li yếu, với  và   lần lượt là linh độ của cation và anion,  là 

độ điện li

Tuy nhiên trong dung dịch vô cùng loãng (hay còn gọi là ở độ loãng vô

hạn)    ,      và  1 nên độ dẫn điện mol của chất điện li bất  

kì (mạnh hay yếu) đều bằng tổng linh độ của các anion và các cation trong

dung dịch và được gọi là độ dẫn điện mol giới hạn Đó chính là nội dung 

của định luật chuyển động độc lập các ion của Kohlrausch:

Bởi vậy có thể xác định độ dẫn điện mol giới hạn  của chất điện li mạnh

bằng việc đo độ dẫn điện mol  ở các nồng độ C khác nhau, xây dựng đồ thị

sự phụ thuộc của  theo C và ngoại suy tới C 0

Với chất điện li yếu, nếu bỏ qua ảnh hưởng của nồng độ đến linh độ của

ion và chấp nhận rằng khi pha loãng độ dẫn điện tăng chỉ do độ phân li thì:





 

 Như vậy, khác với chất điện li mạnh, độ dẫn điện mol của dung

dịch chất điện li yếu thay đổi nhiều vì  thay đổi theo nồng độ Nhưng 

cũng đạt tới giá trị tới hạn khi dung dịch được pha loãng tới vô hạn Tuy

nhiên với chất điện li yếu do không thể đo được độ dẫn điện của dung dịch

ở độ loãng vô hạn, vì thế cần phải tìm một phương pháp khác để xác định



 của nó

Dựa trên định luật chuyển động độc lập các ion của Kohlrausch,  của 

chất điện li yếu được xác định gián tiếp qua  của các chất điện li mạnh, 

ví dụ:

2 Độ dẫn điện mol của dung dịch acetic acid

Trong nước acetic acid (CH3COOH) phân li không hoàn toàn theo

phương trình hoá học:

CH3COOH  CH3COO– + H+

với độ phân li α và hằng số cân bằng KC (trong trường hợp này là hằng số

phân li K của acetic acid):

2 C

α C

K  = 

(1 – α)trong đó, C là nồng độ mol L–1 của acetic acid (M)

Trong dung dịch thực, khi hệ số hoạt độ của các ion không thể bỏ qua

(tức là  i 1 ), thì hằng số KC khác với hằng số cân bằng nhiệt động Ka, do đó:

Áp dụng phương trình (8) cho các chất điện li yếu với độ phân li :

Theo định luật giới hạn Debye – Hückel, hệ số hoạt độ trung bình γ ở ±

nồng độ ion loãng hoặc trung bình được tính theo công thức sau:

  là lực ion của dung dịch (M)

Với chất điện li 1:1, phương trình (11) được rút gọn lại như sau:



±

A αClogγ  = 

Đối với dung dịch nước ở 25 oC, A = 0,509 mol–1/2 dm–3/2

Trong thí nghiệm này, hằng số phân li K của acetic acid ở 25 oC sẽ được

xác định từ phương trình (6) Muốn vậy, cần xác định hệ số hoạt độ ion trung

bình (γ ) bằng phương trình (12) và độ phân li ± α chính xác hơn từ phương

trình (9) và (10) thông qua việc xác định độ dẫn điện của dung dịch

III HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ

1 Hoá chất

– Dung dịch acetic acid 0,2000 M

– Dung dịch potassium acetate 0,1000 M

– Dung dịch KCl 0,1000 M

– Nước cất hai lần

2 Dụng cụ, thiết bị

– Bình định mức 100 mL – Cốc thuỷ tinh, đũa thuỷ tinh

– Pipet 25 mL – Bình đo và máy đo độ dẫn điện

– Bể điều nhiệt – Giá đỡ

Lưu ý:

– Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của phép đo, một dao động nhỏ của nhiệt độ cũng dẫn đến sự thay đổi lớn về độ dẫn điện Vì thế kiểm soát nhiệt độ là rất cần thiết Các phép đo trong bài thí nghiệm cần được thực hiện

ở 25 oC, vì thế cần đặt mẫu vào bể điều nhiệt

– Độ chính xác của kết quả thực nghiệm phụ thuộc vào độ chính xác của nồng độ dung dịch pha chế

– Nước sử dụng để pha chế dung dịch cần phải có độ dẫn điện thấp nhất

có thể Sự có mặt của các ion lạ có thể làm cho giá trị của độ dẫn điện đo được cao hơn giá trị thực

– Tất cả các dụng cụ thí nghiệm: cốc, bình định mức, pipet cần phải được làm khô trước khi sử dụng

IV TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1 Hiệu chỉnh máy đo độ dẫn điện

– Nếu máy đo độ dẫn điện cho kết quả là độ dẫn điện riêng  thì bước hiệu chỉnh máy sẽ do giáo viên hướng dẫn thực hiện (hoặc xem bài thực hành

+ Sau khi đo xong, rửa ngay cell bằng nước cất, đổ đầy nước cất vào cell rồi đặt vào máy điều nhiệt

2 Chuẩn bị dung dịch CH 3 COOH và CH 3 COOK

– Rửa rồi tráng tất cả các bình định mức cẩn thận bằng nước cất hai lần hoặc nước khử ion hoá

– Chuẩn bị 100,00 mL dung dịch acetic acid nồng độ 0,2000 M (C) trong một bình định mức 100 mL (gọi là dung dịch A) Cần tính chính xác nồng độ acid đến 4 chữ số sau dấu phẩy Từ nồng độ này lần lượt pha loãng thành

4 nồng độ khác là C/4, C/16, C/64 và C/256 Điều rất quan trọng là phải thật cẩn thận khi thực hiện thao tác pha loãng dung dịch vì kết quả phép đo độ dẫn điện phụ thuộc vào độ chính xác của nồng độ dung dịch

– Chuẩn bị một bình định mức 100 mL sạch, khô Lấy khoảng 30 – 35 mL dung dịch A vào một cốc 50 mL Dùng pipet hút 25,00 mL dung dịch từ cốc chuyển vào bình định mức 100 mL đã được chuẩn bị, cho nước cất đến vạch, đóng nắp và lắc đều (2 – 3 lần) Thu được dung dịch B có nồng độ 0,0500 M Rửa pipet bằng nước cất rồi tráng bằng acetone, làm khô pipet

– Lặp lại bước trên với dung dịch B thu được dung dịch C Tiếp tục thực hiện với dung dịch C để thu được dung dịch D, và dung dịch D để thu được dung dịch E Các dung dịch C, D và E có nồng độ tương ứng xấp xỉ 0,0125 M, 3,125.10–3 M và 7,8125.10–4 M

– Thực hiện pha loãng dung dịch CH3COOK như đối với dung dịch

CH3COOH Khi kết thúc pha loãng sẽ thu được tám bình 100 mL: bốn bình chứa dung dịch CH3COOH và bốn bình chứa dung dịch CH3COOK

3 Đo độ dẫn điện của dung môi

Rửa lại cell nhiều lần bằng nước cất, sau đó đổ nước cất vào cell, đặt vào

bể điều nhiệt ở 25 oC chờ cho cân bằng nhiệt (khoảng 7 phút) Đo độ dẫn điện (hoặc điện trở) của cell

4 Đo độ dẫn điện của các dung dịch CH 3 COOH và CH 3 COOK

– Cho con từ nhỏ vào cell, đổ khoảng 40 mL dung dịch cần đo vào cell (có thể đánh dấu mức dung dịch để những phép đo sau đó chỉ cần đổ dung dịch đến vạch đó)

– Đưa cell vào bể điều nhiệt sâu gần với máy khuấy từ, kẹp chắc chắn và chờ cho cân bằng nhiệt (khoảng 7 phút)

– Nhúng ngập đầu đo vào cell chứa dung dịch, chú ý tránh chạm vào con

từ đang quay Giữ cố định đầu đo trong dung dịch (khuấy liên tục) khoảng

60 giây, đồng thời kiểm tra nhiệt Khi nhiệt độ đạt 25 oC thì bấm phím đo trên máy Theo dõi số trên màn hình, khi giá trị ngừng nhấp nháy nghĩa là phép đo đã ổn định, ghi lại giá trị độ dẫn điện (lấy tối đa số chữ số có nghĩa) – Nhấc đầu đo ra khỏi dung dịch Lấy cell ra khỏi bể điều nhiệt, giữ lại con từ rồi đổ dung dịch đã đo vào bình chứa chất thải Rửa và làm khô cell, điện cực, con từ

– Lặp lại các bước trên với bảy dung dịch còn lại

– Tắt máy, tắt đồng hồ đo, rửa đầu đo và lau khô

Chú ý: Đo từ dung dịch có nồng độ nhỏ nhất, rồi lần lượt tăng dần Đảm bảo cell và đầu đo độ dẫn điện phải khô và sạch

 (S cm –1 )

 (S cm 2 mol –1 ) 

Tính toán và ghi kết quả vào bảng ở phần 1 theo trình tự sau:

a) Tính  của acetic acid: 

– Tính độ dẫn điện mol λ :   1000

– Với chất điện li mạnh, tính C1/2 Vẽ đồ thị sự phụ thuộc của λ vào C1/2

và xác định λ∞ bằng việc ngoại suy C1/2 về 0 theo phương trình   (1  C ) – Sử dụng λ∞ của CH3COOK xác định được và các giá trị λ∞ của HCl và KCl được cho để xác định λ∞ của CH3COOH (λ∞,HCl= 0,04262 S m2 mol–1,

λ∞,KCl= 0,014986 S m2 mol–1)

b) Xác định độ điện li: α ~ λ / 

c) Sử dụng giá trị α vừa tìm được để tính i thông qua phương trình (9)

Giả sử kích thước ion là 4, a = 4

d) Tính giá trị  chính xác hơn thông qua phương trình (10), α = λ / λ i

e) Sử dụng giá trị α vừa tìm được ở phương trình (10) để xác định hệ số

hoạt độ ion trung bình γ ±

f) Tính hằng số cân bằng Ka bằng phương trình (6), khi tính coi hệ số hoạt

độ của phân tử acetic acid γHAc là 1,000

V CÂU HỎI BỔ SUNG

1 Tra cứu giá trị hằng số phân li của acetic acid ở 25 oC, so sánh với

giá trị xác định được trong bài thực hành Giải thích sự khác nhau nếu có

2 Tính  của acetic acid bằng định luật Kohlrausch, 

 = ν λ+ +, – –,  + ν λ tra cứu λ+,  và λ–,  trong tài liệu So sánh với giá trị

thực nghiệm trong bài Nhận xét

3 Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện của dung dịch chất điện li

Với hai chất điện li mạnh KCl và HCl, độ dẫn điện của dung dịch HCl lớn hơn

của dung dịch KCl mặc dù ở cùng nồng độ 0,2000 M Giải thích

Bài 17: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HOẠT ĐỘ CỦA CHẤT ĐIỆN LI

BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO SỨC ĐIỆN ĐỘNG

I MỤC ĐÍCH

Xác định hệ số hoạt độ ion trung bình của HCl

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Sự khác nhau giữa dung dịch thực so với dung dịch lí tưởng có thể được

biểu thị thông qua hệ số hoạt độ ()

Hệ số hoạt độ của cấu tử i trong thang nồng độ molan (m) được định nghĩa

trong đó ai là hoạt độ của cấu tử i Dung dịch được coi là lí tưởng nếu như

dung dịch đó có  bằng đơn vị Tuy nhiên, đối với dung dịch không lí tưởng,

khi lực ion tiến tới giá trị 0 thì hoạt độ của các ion trong dung dịch bằng với

nồng độ của chúng Do đó, hệ số hoạt độ của các ion này sẽ bằng đơn vị

Lực ion I được xác định bởi biểu thức:

trong đó, mi và Zi lần lượt là nồng độ và điện tích của ion i Định luật giới hạn

của Debye – Hückel cho phép tính được hệ số hoạt độ ion trung bình của chất

điện li () theo phương trình sau:

  

trong đó, Z+ và Z– là điện tích của cation và anion tương ứng A là hằng số

phụ thuộc vào bản chất của dung môi và nhiệt độ, có giá trị 0,509 mol–1/2 dm–3/2

ở 25 °C đối với dung dịch nước Đối với chất điện li 1 : 1 thì I = m Khi đó



  

Tuy nhiên định luật giới hạn Debye – Hückel chỉ đúng đối với các

dung dịch rất loãng trong khoảng nồng độ 0,005  0,010 m Ở khoảng

nồng độ cao hơn (0,010  0,100 m), phương trình (3) không còn đúng và được

Debye – Hückel hiệu chỉnh khi chú ý đến ảnh hưởng của kích thước các ion

trong dung dịch đến bán kính Debye (đại lượng liên quan đến điều kiện biên

khi giải bài toán về hệ số hoạt độ) Phương trình hiệu chỉnh đơn giản nhất có

Ở khoảng nồng độ cao hơn (0,1  0,2 m), Guggenheim đã chỉ ra rằng hệ số

hoạt độ ion trung bình tuân theo mối quan hệ sau đây cho các chất điện li 1:1:

Có nhiều phương pháp có thể xác định hệ số hoạt độ Phép đo sức điện

động của một pin điện là một trong những phương pháp dễ thực hiện nhất

Hãy xét một pin điện có sơ đồ sau đây:

(–) Pt, Hg, Hg 2 Cl 2 | KCl b.h || HCl (m), HQ, Q | Pt (+)

(m là nồng độ molan của HCl và có giá trị khác nhau, Q là viết tắt của quinone

và HQ là viết tắt của hydroquinone)

Bán phản ứng cho điện cực trái là:

Trong dung dịch bão hoà của quinhydrone, nồng độ của quinone và

hydroquinone bằng nhau Do đó, hoạt độ của Q bằng hoạt độ của HQ, suy ra:

Ở độ loãng vô hạn, dung dịch có thể coi là lí tưởng khi đó “a’’ và “m” bằng

nhau, nên ± là đơn vị Do đó, nếu vẽ đồ thị phía bên trái của biểu thức (13)

theo m, ngoại suy sẽ xác định được giá trị của E0  B có thể xác định được từ

hệ số góc của đường thẳng Giá trị của ± có thể được xác định từ phương trình

1 m với các nồng độ molan khác nhau

III HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ

1 Hoá chất

Dung dịch HCl 0,100 M chuẩn được pha một cách cẩn thận; các dung dịch

loãng hơn đều được pha từ dung dịch HCl 0,100 M này

2 Dụng cụ, thiết bị

– Bình định mức 50 mL

– Cốc thuỷ tinh 50 mL

– Điện cực calomel bão hoà Cl–Hg2Cl2, Hg được sử dụng làm điện cực

– Rửa kĩ các điện cực bằng HCl 0,100 M và nước cất

2 Đo sức điện động của pin

Ghép từng dung dịch vừa chuẩn bị với điện cực calomel bão hoà và đo

sức điện động của pin

Bảng 17.2: Các giá trị hệ số hoạt độ ứng với các nồng độ khác nhau

của dung dịch HCl tính theo phương trình (3) và phương trình (5)

HCl (M) ± (tính theo phương trình (5)) ± (tính theo phương trình (3))

– Tính E0  khi ngoại suy m đến 0

– Tìm giá trị B từ độ dốc của đồ thị

– Tính các giá trị ± của các dung dịch khác nhau từ biểu thức (5)

– So sánh giá trị thực nghiệm của ± thu được với các giá trị lí thuyết cho các dung dịch HCl có nồng độ khác nhau

VI CÂU HỎI BỔ SUNG

1 Tại sao sử dụng điện cực so sánh để tìm sức điện động?

2 Tại sao sử dụng dung dịch quinhydrone bão hoà?

3 So sánh kết quả thực nghiệm với lí thuyết và giải thích kết quả thu được

4 Sẽ có lỗi tính toán gì nếu (3) được sử dụng thay vì (5)?

Bài 22: BẬC CỦA PHẢN ỨNG GIỮA IODINE VÀ ACETONE

I MỤC ĐÍCH

– Xác định bậc riêng phần của acetone, iodine và H+ trong phản ứng giữa iodine và acetone trong môi trường acid

– Xác định hằng số tốc độ của phản ứng

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Phản ứng giữa iodine và acetone trong dung dịch được xúc tác bởi H+ và xảy ra theo phương trình hoá học sau:

từ thời điểm bắt đầu phản ứng Tốc độ này được xác định bằng sự thay đổi nồng độ của iodine trong khoảng thời gian phản ứng t ban đầu:

 



2 0

Ir

Ví dụ, nếu như tăng gấp đôi nồng độ ban đầu của acetone trong dung dịch phản ứng thứ 2 (2A0) so với trong dung dịch phản ứng thứ 1 (A0) và giữ nguyên nồng độ I2 và H+ Khi đó:

IV TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1 Xác định nồng độ iodine bằng phương pháp chuẩn độ

– Chuẩn bị buret chứa dung dịch Na2S2O3 0,020 M

– Dùng pipet hút 5,00 mL dung dịch I2/KI vào bình nón 100 mL, sau đó, dùng ống đong thêm vào bình nón 10,0 mL nước cất Chuẩn độ dung dịch thu được bằng dung dịch Na2S2O3 0,020 M cho đến khi dung dịch có màu vàng rơm Thêm 2 – 3 giọt hồ tinh bột, dung dịch chuyển từ màu vàng rơm sang màu xanh tím Tiếp tục chuẩn độ đến khi dung dịch chuyển từ màu xanh tím sang không màu thì dừng lại Ghi lại giá trị thể tích Na2S2O3 đã dùng để

chuẩn độ Lặp lại phép chuẩn độ 3 lần và tính giá trị thể tích trung bình Từ đó xác định nồng độ của iodine trong dung dịch I2/KI ban đầu

2 Xác định bậc riêng phần của acetone, I 2 và H +

– Chuẩn bị bốn bình nón 150 mL có nút nhám và đánh số từ (1) đến (4) với các thể tích nước cất (X mL), dung dịch HCl 0,100 M (Y mL), dung dịch acetone 50,00 % (Z mL) và I2/KI (T mL) như được trình bày trong bảng sau:

Bình

phản

ứng

Thể tích (mL) Nước cất

(X)

Dung dịch HCl 0,100 M (Y)

Dung dịch acetone 50 % (Z)

Dung dịch I 2 /KI (T)

Thí nghiệm trong mỗi bình nón được thực hiện như sau:

– Dùng pipet để lấy X mL nước cất, Y mL HCl 0,100 M và Z mL dung dịch

acetone 50,00 % cho vào bình phản ứng (Lưu ý: các pipet dùng để lấy các hoá

– Chuẩn bị sẵn 10,0 mL CH3COONa 0,500 M bằng ống đong Chuẩn bị đồng hồ bấm giây Dùng pipet lấy T mL dung dịch I2/KI cho vào bình phản ứng và bấm nút khởi động của đồng hồ bấm giây ngay khi giọt dung dịch

I2/KI đầu tiên rơi vào bình phản ứng Đậy nút nhám của bình phản ứng và lắc đều liên tục

– Ngay trước khi đồng hồ bấm giây đạt 7,0 phút, mở nút nhám và tại phút thứ 7,0, cho ngay 10,0 mL dung dịch CH3COONa 0,500 M vào bình phản ứng, lắc đều Ngay sau đó, chuẩn độ dung dịch trong bình phản ứng bằng dung dịch Na2S2O3 0,020 M để xác định nồng độ iodine còn lại trong dung dịch sau phản ứng

V KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÍ

1 Kết quả thí nghiệm

Ghi lại giá trị thể tích Na2S2O3 đã dùng để chuẩn độ vào các bảng sau:

– Xác định nồng độ iodine bằng phương pháp chuẩn độ:

Tốc độ đầu (mol L –1 phút –1 )

Bậc riêng phần Hằng

số tốc

độ phản ứng HCl acetone I 2

Theo acetone

Dựa vào các số liệu trong bảng trên hãy:

– Xác định nồng độ ban đầu của HCl, acetone và I2 trong các dung dịch phản ứng ở các bình từ (1) đến (4) Coi thể tích dung dịch cuối bằng tổng các thể tích dung dịch thành phần

– Xác định nồng độ iodine còn lại trong dung dịch sau phản ứng trong các trường hợp trên

– Xác định tốc độ đầu của phản ứng trong các trường hợp trên, từ đó suy

ra bậc riêng phần của phản ứng theo acetone, I2 và H+

– Xác định hằng số tốc độ của phản ứng ở điều kiện phản ứng đã thực hiện

VI CÂU HỎI BỔ SUNG

1 Tại sao phải chuẩn độ dung dịch phản ứng ngay sau khi cho 10,0 mL

Bài 29: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG GIỮA IODIDE

VÀ HYDROGEN PEROXIDE

I MỤC ĐÍCH

– Xác định hằng số tốc độ của phản ứng oxi hoá iodide bằng hydrogen peroxide trong môi trường acid ở các nhiệt độ khác nhau

– Xác định năng lượng hoạt hoá của phản ứng

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Phản ứng oxi hoá iodide bằng hydrogen peroxide trong môi trường acid xảy ra chậm theo phương trình hoá học sau:

2I– + 2H+ + H2O2  I2 + H2O (1)

Để thực hiện phản ứng, có thể sử dụng hỗn hợp dung dịch sodium iodide, dung dịch sulfuric acid và dung dịch hydrogen peroxide làm chất phản ứng Khi đó, lượng hydrogen peroxide tham gia phản ứng bằng lượng iodine sinh

ra sau phản ứng (1) và được chuẩn độ bằng dung dịch sodium thiosulfate với chỉ thị là hồ tinh bột theo phương trình:

độ H+ không đổi, tốc độ của phản ứng (1) chỉ phụ thuộc vào nồng độ H2O2 Khi đó, phản ứng oxi hoá iodide bằng hydrogen peroxide trong môi trường acid tuân theo động học phản ứng bậc 1 và hằng số tốc độ phản ứng có thể được xác định theo công thức:

III HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ

IV TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

– Cho 100,00 mL dung dịch NaI 0,40 % và 5,00 mL dung dịch H2SO4 1,0 M vào bình nón thứ nhất (1) có dung tích 250 mL Cho 15,00 mL dung dịch

H2O2 0,025 M vào bình nón thứ hai (2) có dung tích 50 mL Đưa cả hai bình nón vào trong bể điều nhiệt, ổn định ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phòng khoảng 10oC

– Chuẩn bị buret chứa dung dịch Na2S2O3 0,025 M

– Sau khoảng 10 phút, dung dịch trong bể điều nhiệt đã đạt nhiệt độ ổn định, rót dung dịch ở bình nón (2) vào bình (1) thêm 1,00 mL dung dịch

Na2S2O3 0,025 M từ buret và thêm 3 giọt dung dịch hồ tinh bột Khuấy nhẹ hỗn hợp phản ứng

– Chuẩn bị đồng hồ bấm giây và bấm nút khởi động khi trong hỗn hợp phản ứng xuất hiện màu xanh tím để xác định thời điểm t0 Thêm nhanh 1,00 mL dung dịch Na2S2O3 tiếp theo từ buret vào hỗn hợp phản ứng, lắc đều

và ghi lại thời điểm t1 là thời điểm hỗn hợp phản ứng xuất hiện lại màu xanh tím lần nữa

– Tiếp tục thêm 1,00 mL dung dịch Na2S2O3 vào hỗn hợp phản ứng và xác định thời gian xuất hiện lại màu xanh tím cho đến khi quá trình được thực hiện 6 lần

– Thêm vào hỗn hợp phản ứng 5 giọt dung dịch ammonium molybdate 1,0 M

để phản ứng xảy ra đến cùng Lượng iodine sinh ra tiếp tục được chuẩn độ bằng Na2S2O3 từ chính buret chứa Na2S2O3 đang sử dụng cho đến khi hỗn hợp phản ứng mất màu hoàn toàn Tổng thể tích Na2S2O3 đã sử dụng tương đương với thể tích dung dịch H2O2 đã lấy

– Thực hiện thí nghiệm tương tự ở nhiệt độ phòng

– Xác định hằng số tốc độ ở mỗi thời điểm t Sự chênh lệch về giá trị hằng

số tốc độ phản ứng không được vượt quá 10 % Tính giá trị hằng số tốc độ phản ứng trung bình và năng lượng hoạt hoá của phản ứng

– Bậc phản ứng và giá trị hằng số tốc độ phản ứng trung bình có thể được xác định bằng phương pháp đồ thị, dựa trên đường biểu diễn sự phụ thuộc

VI CÂU HỎI BỔ SUNG

1 Hiện tượng nào trong quá trình thực hiện thí nghiệm chứng tỏ rằng phản ứng oxi hoá iodide thành iodine xảy ra với tốc độ tương đối chậm, trong khi đó phản ứng oxi hoá iodine tự do trong dung dịch bằng sodium thiosulfate lại xảy ra với tốc độ rất nhanh?

2 Điều kiện nào đảm bảo rằng tốc độ của phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng độ H2O2 trong quá trình thực hiện phản ứng?

3 Mục đích của việc sử dụng ammonium molybdate trong thí nghiệm là gì? Vai trò của (NH4)2MoO4 là gì? Việc cho thêm ammonium molybdate có ảnh hưởng như thế nào đến phản ứng oxi hoá iodide bằng hydrogen peroxide trong môi trường acid? Tại sao chỉ cho 5 giọt (NH4)2MoO4?

Bài 32: TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG ZEOLITE NaX

I MỤC ĐÍCH

– Tổng hợp zeolite X

– Nghiên cứu tính chất trao đổi ion và tính chất hấp phụ chọn lọc của zeolite X

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1 Cấu trúc tinh thể của zeolite X

Xúc tác acid rắn – zeolite là một trong những thành tựu nổi bật của xúc tác trong thế kỉ XX Về cấu tạo, zeolite là aluminosilicate tinh thể gồm các tứ diện TO4 (T = Si, Al) phát triển thành mạng không gian ba chiều sắp xếp theo một trật tự nhất định tạo nên một hệ thống các mao quản (pore) các hốc (cavity) có hình dạng và kích thước đồng nhất

Trong tứ diện TO4, T thường là các ion Si4+ hoặc Al3+ nằm ở trung tâm trong khi O4 là 4 nguyên tử oxygen nằm ở 4 đỉnh của tứ diện và mỗi nguyên tử oxygen liên kết với 2 nguyên tử T Về thành phần hoá học, zeolite thường được biểu diễn bằng một ô mạng (unit cell) có công thức chung Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].cH2O Trong cấu trúc của zeolite, nếu T trong các tứ diện TO4 đều là Si4+ thì mạng zeolite trung hoà về điện Tuy nhiên, sự thay thế một phần Si4+ bằng Al3+ dẫn đến khung mạng mất cân bằng về điện tích khi đó Mn+ là cation (kim loại kiềm hoặc kiềm thổ) sẽ bù trừ điện tích âm cho khung mạng

Tỉ số y/x (= Si/Al) là một thông số rất quan trọng đối với cấu trúc tinh thể và tính chất của zeolite Tỉ số này có thể thay đổi từ 1 trong zeolite A (zeolite giàu Al) đến ∞ trong silicalite (zeolite chỉ gồm các tinh thể silica thuần túy, không có Al) Khi tỉ số Si/Al tăng, tính bền nhiệt và tính acid của zeolite tăng theo Zeolite có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: xử lí chất thải, lọc khí, và trong công nghiệp

Zeolite A Sodalite Faujasite

Silica

tetrahedron

Alumina tetrahedron

Zeolite X là zeolite dạng Faujasite thu hút được sự quan tâm rất lớn bởi những ứng dụng to lớn của nó trong công nghệ và trong xử lí môi trường Chỉ sau chưa đầy 10 năm được tổng hợp thành công bởi nhóm các nhà khoa học Barrer và Miton, Faujasite đã tạo nên một cuộc cách mạng nhảy vọt trong lọc dầu và công nghiệp hoá dầu khi đóng vai trò chất xúc tác và làm tăng hiệu suất của các quá trình lên vô cùng lớn

Để xác định zeolite thuộc loại nào (zeolite A, Sodalite hay X, Y) và đánh giá

độ tinh khiết của vật liệu, người ta hay dùng phương pháp phổ hồng ngoại

FT – IR Ở vùng 1200 – 400 cm–1 trên phổ IR tồn tại rất nhiều dải hấp thụ đặc trưng cho dao động của các tứ diện Si hoặc Al Ở vùng số sóng lớn (trên 3000 cm–1) cường độ của dải hấp thụ đặc trưng cho nhóm –OH trong vật liệu thường bị ảnh hưởng bởi nước bị hấp phụ trong zeolite Vì thế nếu buồng đo IR không có

bộ phận hút chân không thì rất khó để có thể thu được thông tin ở vùng này Dao động kéo giãn bất đối xứng thường nằm ở vùng 982 cm–1 với một vai hấp thụ ở 1053 cm–1 Trong khi dao động kéo giãn đối xứng được đặc trưng bởi dải hấp thụ ở 748 và 670 cm–1 với một vai hấp thụ yếu ở 689 cm–1 Vân hấp thụ

ở 560 cm–1 đặc trưng cho dao động của vòng 6 cạnh kép liên kết với lồng sodalite (sodalite cage) Vân tại 456 cm–1 liên quan tới dao động uốn của tứ diện TO4 Nếu tinh thể zeolite không tinh khiết mà có lẫn pha khác thì có thể dễ dàng nhận biết từ phổ IR của mẫu vật liệu Vùng “chìa khoá” để phát hiện là vùng dao động của vòng kép Pha thường xuất hiện như là tạp chất trong zeolite X

là zeolite P và các sodalite Cấu trúc tinh thể của cả hai pha tạp chất này đều không có các đơn vị vòng kép, do đó, trên phổ IR của zeolite P và sodalite sẽ không xuất hiện dải hấp thụ quanh vùng 560 cm–1 Zeolite P có vân đặc trưng tại vùng 600 cm–1 và sodalite là ở vùng 660 cm–1 Nếu zeolite A là tạp chất thì dao động đặc trưng cho vòng kép sẽ chuyển dịch về số sóng thấp hơn (khoảng

550 cm–1) vì các đơn vị vòng kép trong zeolite A là vòng 4 cạnh

2 Tính chất trao đổi ion

Một trong những tính chất của zeolite là khả năng trao đổi cation của nó

Sự thay thế Si4+ bằng Al3+ trong tứ diện TO4 làm khung mạng zeolite mang điện âm và được cân bằng bởi các cation có khả năng trao đổi Bằng thí nghiệm đơn giản có thể đánh giá khả năng trao đổi ion của sản phẩm tổng hợp được. 

Tính chất trao đổi ion làm cho zeolite được ứng dụng để làm mềm nước hoặc loại bỏ các ion kim loại độc hại hoặc phóng xạ ra khỏi nguồn nước bị ô nhiễm

3 Tính chất hấp phụ

Zeolite X có khả năng hấp phụ nước rất lớn, đó là do tính chất phân cực

và diện tích bề mặt riêng lớn của zeolite Khả năng hấp phụ nước có thể được xác định thông qua phép đo phân tích nhiệt TGA và diện tích bề mặt riêng có thể được xác định bằng phép đo hấp phụ và khử hấp phụ N2 (BET)

Dựa vào tính chất hấp phụ của zeolite X, có thể xác định được đường kính mao quản trong zeolite X bằng cách thay đổi kích thước của các phân tử chất

bị hấp phụ Zeolite X có đường kính mao quản 7,4 Հ, nên những phân tử có đường kính động học nhỏ hơn 7,4 Հ sẽ bị hấp phụ còn những phân tử có đường kính động học gần bằng hoặc lớn hơn 7,4 Հ sẽ khó bị hấp phụ Tính chất hấp phụ chọn lọc các phân tử bởi kích thước mao quản làm cho zeolite còn có tên gọi khác là “vật liệu rây phân tử” (“molecular sieve”)

Trong bài thực hành này, zeolite X được tổng hợp ở dạng NaX và được đặc trưng bằng các phương pháp FT-IR, TGA và BET Sau đó NaX được nghiên cứu tính chất trao đổi ion và tính chất hấp phụ Ion Na+ sẽ được trao đổi với ion cobalt (Co) (II) Phương trình trao đổi ion có thể viết như sau:

NaxX + nCoCl2  ConNax–2nX+2nNaCl

Theo đúng hệ số tỉ lượng thì cứ hai ion Na+ sẽ trao đổi với một ion Co2+

như ở phương trình trên nhưng thực tế, quá trình trao đổi theo đúng hệ số

tỉ lượng thường rất ít xảy ra

Tính chất vật liệu rây phân tử của zeolite được minh hoạ qua các thí nghiệm hấp phụ các phân tử có đường kính động học khác nhau Bài thực hành này

sẽ xác định khả năng hấp phụ nước (có đường kính động học 2,65 Հሻ và benzene (có đường kính động học 5,85 Հሻ của zeolite X

III HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ

1 Hoá chất

– Silicon dioxide, SiO2

– Sodium silicate, Na2SiO3

– Sodium hydroxide, NaOH

– Aluminium chloride (AlCl3.6H2O) hoặc sodium aluminate (NaAlO2) – Nước khử ion (hoặc nước cất hai lần)

2 Dụng cụ, thiết bị

– Cốc nhựa 250 mL – Ống đong 20 mL

– Bình hút ẩm – Bát sứ

– Đũa thuỷ tinh – Bếp điện

– Bể điều nhiệt – Autoclave

nghiệm cần dùng các dụng cụ bằng nhựa

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp zeolite như: nhiệt

độ, pH, thời gian kết tinh, thứ tự trộn hợp và lượng các tiền chất (Si, Al, Na

và H2O) Zeolite X có cấu trúc pha siêu bền, vì thế các dạng zeolite khác như

P, A hoặc sodalite có thể được tạo thành thay vì NaX nếu các bước trong quá trình tổng hợp không được tuân thủ một cách chặt chẽ

IV TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

1 Tổng hợp zeolite NaX

– Cho 3,00 g silicagel (SiO2), 2,40 g sodium hydroxide (NaOH) và 6,00 mL

H2O vào một cốc 250 mL Hỗn hợp được khuấy trộn cho đến khi các chất rắn tan hoàn toàn (dung dịch A)

– Cho 4,00 g aluminium chloride (AlCl3.6H2O); 2,40 g sodium hydroxide (NaOH), 9,00 mL nước cất vào cốc 250 mL khác Cốc được đặt vào máy điều nhiệt có khuấy từ ở nhiệt độ không quá 80oC Đậy cốc bằng một mặt kính đồng hồ để giảm bớt sự bay hơi của nước Hỗn hợp được khuấy cho đến khi các chất rắn tan hoàn toàn Có thể quan sát thấy gel trong được hình thành Sau đó gel trong được đưa về nhiệt độ phòng (dung dịch B)

– Tại nhiệt độ phòng, cho từ từ dung dịch B vào dung dịch A đồng thời khuấy mạnh Sau đó, thêm tiếp 27,00 mL nước và tiếp tục khuấy cho đến khi thu được hỗn hợp đồng nhất Hỗn hợp gel chuyển thành dung dịch huyền phù của các hạt rắn màu trắng

– Ngay lập tức chuyển hỗn hợp vào autoclave và xử lí thuỷ nhiệt ở

T = 90 oC trong thời gian 16 – 17 giờ

– Để nguội autoclave, đổ sản phẩm ra cốc, lọc rửa nhiều lần cho đến khi

pH = 7,0 Tinh thể zeolite màu trắng được làm khô ở nhiệt độ phòng và tiếp tục sấy trong tủ sấy ở 100 oC trong 10 giờ

2 Đặc trưng NaX

– Để xác định pha tinh thể, độ tinh thể của zeolite dùng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Khi dùng phương pháp này cần so sánh với JCPDS chuẩn – Xác định zeolite X và độ tinh khiết dùng phương pháp FT-IR

– Phương pháp phân tích nhiệt (TGA) để xác định phần trăm H2O bị hấp phụ – Phương pháp hấp phụ và khử hấp phụ N2 (BET) để xác định diện tích

bề mặt riêng và đường kính mao quản

Ghi chú: Các phép đo đặc trưng do kĩ thuật viên thực hiện, sinh viên chỉ gửi mẫu đo rồi phân tích kết quả đo

3 Thí nghiệm tính chất trao đổi ion

– Dùng một bình nón 250 mL: hoà tan 0,10 g cobalt chloride (CoCl2) trong 100 mL H2O khử ion Dung dịch có màu hồng đặc trưng của ion Co2+ Định lượng lại bằng phép đo UV-Vis

– Thêm 1,00 g zeolite (mo) đã tổng hợp được vào dung dịch CoCl2 ở trên, khuấy cho đến khi quan sát thấy màu hồng của dung dịch mất đi Thời gian

để dung dịch hết màu thường thay đổi, nhưng có thể đẩy nhanh quá trình bằng cách nâng nhiệt độ (50 – 60oC) và quá trình hấp phụ có thể kết thúc trong vòng 1 giờ Lọc tách chất rắn

– Rửa chất rắn Nước sau khi rửa được thử bằng AgNO3 để kiểm tra sự tồn tại của ion Cl–

– Nước lọc được kiểm tra nồng độ ion Co2+ bằng phép đo UV-Vis – Ghi lại những hiện tượng quan sát được và đưa ra nhận xét về tính chất trao đổi ion của zeolite X

– Nếu zeolite chứa ion Co2+ được làm khô trong không khí, màu của chất rắn sẽ có màu hồng của ion Co2+ Cân và ghi khối lượng (m1) Tiếp tục đưa mẫu vào bát sứ rang trên bếp điện hoặc trên ngọn lửa đèn cồn khoảng 20 phút, để nguội trong bình hút ẩm, cân và ghi khối lượng m2 Ghi lại những hiện tượng quan sát được và đưa ra nhận xét

4 Thí nghiệm về hấp phụ

– Để zeolite X ngoài không khí một thời gian (khoảng 2 giờ) Cân 80,00 g mẫu, ghi lại khối lượng mo Sau đó rang trên ngọn lửa đèn cồn hoặc bếp điện khoảng 15 phút Để nguội trong bình hút ẩm, sau đó cân và ghi khối lượng ms Nhận xét các kết quả thu được và đánh giá về khả năng hút ẩm của vật liệu

– Cân 50,00 mg mẫu zeolite đã làm khô ở thí nghiệm trên cho vào một ống nghiệm nhỏ (test tube) Cân lại ống nghiệm chứa mẫu, ghi lại khối lượng mtrước – Đặt ống nghiệm chứa mẫu vào một ống nghiệm lớn hơn sau đó đặt cả

hệ ống nghiệm này (cả hai) vào một cốc lớn có nắp kín đã có sẵn cốc nhỏ chứa vài mL benzene rồi vặn chặt nắp cốc lớn

– Sau 1 giờ, lấy ống nghiệm chứa mẫu ra cân lại, ghi msau Ghi lại hiện tượng quan sát được và nhận xét về khả năng hấp phụ cũng như đường kính mao quản của zeolite tổng hợp

– Thí nghiệm cũng có thể lặp lại với các chất có khả năng bay hơi mạnh

Các kết quả về trao đổi ion và hấp phụ:

Bảng 32.1 Các kết quả phép đo trao đổi ion

TT

Màu zeolite trước trao đổi ion

Màu zeolite sau trao đổi ion

Màu dung dịch trước trao đổi ion

Màu dung dịch sau trao đổi ion

Dung dịch Co2+

Bảng 32.2 Kết quả hấp phụ của zeolite X

Mẫu thí nghiệm Hấp phụ H 2 O Hấp phụ benzene

Khối lượng mẫu trước khi rang 80,00 g –

Khối lượng (ống nghiệm + 50,00 mg zeolite) –

Khối lượng (ống nghiệm + 50,00 mg zeolite + benzene) –

Phần trăm khối lượng (tăng hoặc giảm)

2 Xử lí kết quả

2.1 Nhận xét khả năng trao đổi ion của zeolite X

– Màu zeolite sau trao đổi ion được làm khô trong không khí: ; Khối lượng m1 =

– Màu zeolite sau trao đổi ion sau khi đun nóng: ; Khối lượng

ms = ; % khối lượng giảm =

– Nhận xét và giải thích:

2.2 Nhận xét khả năng hút ẩm và tính chất hấp phụ của zeolite X

– Nhận xét khả năng hấp phụ benzene:

– Nhận xét về tính chất “vật liệu rây phân tử” của zeolite:

VI CÂU HỎI BỔ SUNG

Đánh giá khả năng hấp phụ m-xylene và glucose của zeolite X Có thể

dùng zeolite X để thu gom dầu thô loang trên mặt biển được không?

Bài 34: HẤP PHỤ METHYLENE BLUE (MB) TRÊN DIATOMITE

I MỤC ĐÍCH

Nghiên cứu sự hấp phụ methylene blue (MB) trên diatomite và xác định dung lượng hấp phụ MB của diatomite

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Thuốc nhuộm dùng trong ngành dệt là những hợp chất hữu cơ mang màu (có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp) rất đa dạng về màu sắc cũng như chủng loại Bên cạnh những lợi ích kinh tế mà nó mang lại thì nước thải công nghiệp dệt nhuộm chưa xử lí hoặc xử lí chưa triệt để gây ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường sống Để xử lí ô nhiễm do nước thải dệt nhuộm, hấp phụ là một trong những phương pháp hiệu quả nhất

Thí nghiệm này là mô hình thu nhỏ của việc áp dụng hấp phụ trong xử lí môi trường trên thực tế Chất mô hình là methylene blue (MB) và chất hấp

phụ là diatomite

1 Methylene blue

Methylene blue (MB) là một chất màu thuộc họ thiazine, là thuốc nhuộm base – cation, tên theo IUPAC là 3,7-bis(đimethylamino)-phenothiazin-5-ium chloride MB có công thức phân tử C16H18N3SCl, trong nước phân li dưới dạng cation MB+là C16H18N3S+

Công thức cấu tạo của MB:

và cấu trúc không gian:

Methylene blue là hoá chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ; sản xuất mực in, Tuy nhiên, methylene blue rất khó phân huỷ khi được thải ra môi trường

Methylene blue