Giáo trình hóa phân tích

Lời nói đầu Giáo trình này được biên soạn nhằm giúp sinh viên cử nhân hoá học có tài liệu học tập để hoàn thành học phần “Hóa Phân tích” - phần cơ sở lý thuyết cân bằng các phản ứng hóa

2

MỤC LỤC

Lời nói đầu 7

Chương 1 - Tổng quan cân bằng phản ứng hóa học trong dung dịch nước 9

1.1 Trạng thái cân bằng hóa học 9

1.2 Nồng độ 15

1.3 Hoạt độ 25

1.4 Báo cáo số liệu thực nghiệm sử dụng chữ số có nghĩa 29

Tóm tắt nội dung chương 1 32

Câu hỏi và Bài tập 33

Chương 2 - Cân bằng Acid - Base 38

2.1 Acid - base trong dung môi nước 38

2.2 Cân bằng dung dịch đơn acid và dung dịch đơn base mạnh 48

2.3 Cân bằng dung dịch đơn acid yếu và dung dịch đơn base yếu 51

2.4 Cân bằng dung dịch đa acid và dung dịch đa base 57

2.5 Cân bằng dung dịch hỗn hợp acid mạnh và acid yếu 59

2.6 Cân bằng dung dịch chất lưỡng tính 62

2.7 Cân bằng dung dịch chứa cặp acid yếu và base liên hợp 66

2.8 Dung dịch đệm 69

2.9 Tính thành phần của dung dịch acid hoặc base khi biết pH 77

2.10 Phần nâng cao: Sử dụng SOLVER EXCEL để tính cân bằng dung dịch acid - base 82

Tóm tắt nội dung chương 2 96

Câu hỏi và Bài tập 98

Chương 3 - Cân bằng phức chất 105

3.1 Một số khái niệm về phức chất 105

3.2 Các loại phức chất quan trọng trong hoá phân tích 110

3.3 Phức chất của ion kim loại với EDTA 114

3.4 Tính nồng độ cân bằng các cấu tử trong cân bằng phức chất 120

Nội dung tóm tắt chương 3 129

4

Câu hỏi và Bài tập 130

Chương 4 - Cân bằng hệ dị thể (kết tủa - dung dịch) 133

4.1 Tích số hòa tan và độ hòa tan 133

4.2 Độ hòa tan S của hợp chất ion ít tan 135

4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hòa tan của hợp chất ion ít tan 136

4.4 Sự kết tủa phân đoạn 150

4.5 Phần nâng cao: Tính độ hòa tan của hợp chất ion ít tan sử dụng SOLVER EXCEL 154

Tóm tắt nội dung chương 4 159

Câu hỏi và Bài tập 160

Chương 5 - Cân bằng oxy hóa - khử 165

5.1 Một số khái niệm cơ bản 165

5.2 Pin gavanic 166

5.3 Các thế tiêu chuẩn 169

5.4 Phương trình Nernst 172

5.5 Thế khử tiêu chuẩn và hằng số cân bằng phản ứng oxy hóa - khử 177

5.6 Thế của pin và biến thiên enthalpy tự do của phản ứng 180

5.7 Tính toán dựa vào thế khử tiêu chuẩn Eo 181

5.8 Phần nâng cao: Giảỉ các bài toán cân bằng oxy hóa - khử sử dụng Excel 193

Tóm tắt nội dung chương 5 195

Câu hỏi và Bài tập 197

Chương 6 - Tổng quan về phân tích định lượng 201

6.1 Vai trò của phân tích hóa học trong khoa học 201

6.2 Phân loại các phương pháp phân tích hóa học 202

6.3 Các bước tiến hành trong một quy trình phân tích định lượng 203 6.5 Giới thiệu về phương pháp chuẩn độ 207

Tóm tắt nội dung chương 6 213

Câu hỏi 214

Chương 7 - Xử lý số liệu thực nghiệm 215

7.1 Mở đầu 215

7.2 Một vài định nghĩa 215

7.3 Sai số hệ thống 217

7.4 Sai số ngẫu nhiên 221

7.5 Ứng dụng thống kê vào đánh giá và xử lý số liệu 227

Tóm tắt nội dung chương 7 233

Câu hỏi và Bài tập 234

Chương 8 - Phương pháp chuẩn độ acid - base 236

8.1 Khái niệm phương pháp chuẩn độ acid - base 236

8.2 Các chất chỉ thị acid - base 236

8.3 Chuẩn độ acid - base trong dung môi nước 241

8.4 Chuẩn độ acid - base trong các dung môi khác nước 264

8.5 Một số ứng dụng của phương pháp chuẩn độ acid - base 273

8.6 Phần nâng cao: Dựng đường cong chuẩn độ acid-base bằng EXCEL 278

Tóm tắt nội dung chương 8 289

Câu hỏi và Bài tập 291

Chương 9 - Phương pháp chuẩn độ Complexon 297

9.1 Đặc điểm phương pháp 297

9.2 Chuẩn độ ion kim loại bằng EDTA 298

9.3 Chất chỉ thị trong phương pháp chuẩn độ complexon 310

9.4 Các kỹ thuật chuẩn độ complexon 313

9.5 Một số phương pháp làm tăng tính chọn lọc khi chuẩn độ với EDTA 315

9.6 Phần nâng cao: Dựng đường cong chuẩn độ bằng EXCEL 318

Tóm tắt nội dung chương 9 324

Câu hỏi và Bài tập 326

Chương 10 - Phương pháp chuẩn độ oxy hóa - khử 333

10.1 Mở đầu 333

10.2 Đường cong chuẩn độ 333

10.3 Chất chỉ thị dùng trong phương pháp chuẩn độ oxy hóa - khử 337

6

10.4 Thay đổi trạng thái oxy hóa của chất phân tích trước khi chuẩn

độ 340

10.5 Một số phương pháp chuẩn độ oxy hóa - khử thông dụng 343

10.6 Phần nâng cao: Dựng đường cong chuẩn độ oxy hóa khử bằng EXCEL 357

Tóm tắt nội dung chương 10 364

Câu hỏi và Bài tập 365

Chương 11 - Phương pháp chuẩn độ kết tủa 369

11.1 Đặc điểm phương pháp 369

11.2 Đường cong chuẩn độ trong chuẩn độ đo bạc 369

11.3 Xác định điểm cuối bằng chất chỉ thị hóa học 374

11.4 Phần nâng cao: Dựng đường cong chuẩn độ hỗn hợp ion halide bằng Ag+ 378

Tóm tắt nội dung chương 11 386

Câu hỏi và Bài tập 387

Chương 12 - Phân tích trọng lượng 390

12.1 Mở đầu 390

12.2 Phân tích trọng lượng dựa trên sự kết tủa 391

12.3 Ứng dụng của phương pháp phân tích trọng lượng 403

12.4 Phạm vi áp dụng phương pháp phân tích trọng lượng kết tủa 407

Tóm tắt nội dung chương 12 407

Câu hỏi và Bài tập 408

Phụ lục 412

Tài liệu tham khảo 442

Lời nói đầu

Giáo trình này được biên soạn nhằm giúp sinh viên cử nhân hoá học có tài liệu học tập để hoàn thành học phần “Hóa Phân tích” - phần

cơ sở lý thuyết cân bằng các phản ứng hóa học trong dung dịch nước

và các phương pháp phân tích hóa học

Nội dung của giáo trình này được viết theo đề cương của học phần Hóa Phân tích, có bổ sung phần nâng cao với những kiến thức

mở rộng cho sinh viên cao học và có nhiều bài tập giúp sinh viên rèn luyện và củng cố lý thuyết đã học tại lớp

Học phần cũng có thể được dùng làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên của những chuyên ngành có sử dụng hoá phân tích như sinh học, môi trường, hoá thực phẩm, hoá dầu,…

Nội dung chính của giáo trình bao gồm lý thuyết cân bằng các phản ứng acid-base, phản ứng tạo phức, phản ứng tạo kết tủa và phản ứng oxy hóa - khử; lý thuyết về các phương pháp định lượng bằng phương pháp hóa học bao gồm các phương pháp phân tích thể tích và phương pháp phân tích trọng lượng Nhóm các phương pháp phân tích thể tích bao gồm các phương pháp chuẩn độ acid-base, phương pháp chuẩn độ tạo phức, phương pháp chuẩn độ kết tủa và phương pháp chuẩn độ oxy hóa - khử Trong giáo trình này cũng trình bày những kiến thức cơ bản sinh viên cần nắm về xử lý số liệu thực nghiệm Các kiến thức về các phương pháp phân tích định lượng bằng công cụ được trình bày trong giáo trình khác

Trong quá trình biên soạn giáo trình này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã bỏ thời gian đọc và góp ý kiến quý báu cho giáo trình này Chúng tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những tác giả của những tài liệu đã được tham khảo để viết giáo trình này

Mặc dù đã hết sức cố gắng trong biên soạn nhưng giáo trình chắc chắn còn rất nhiều khiếm khuyết Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến phản hồi từ các đồng nghiệp và các sinh viên Xin chân thành cảm ơn

Đà Nẵng, tháng 03 năm 2021

Người biên soạn

TS Bùi Xuân Vững

8

Chương 1 TỔNG QUAN CÂN BẰNG PHẢN ỨNG HÓA HỌC

TRONG DUNG DỊCH NƯỚC

1.1 Trạng thái cân bằng hóa học

Phần lớn các phản ứng diễn ra không hoàn toàn do có phản ứng xảy ra đồng thời theo chiều ngược lại Các phản ứng đó gọi là phản ứng thuận nghịch Xét phản ứng thuận nghịch sau:

Khi A và B phản ứng tạo C và D thì tốc độ phản ứng thuận giảm dần do nồng độ A và B giảm dần Ngược lại tốc độ phản ứng nghịch giữa C với D tạo A và B tăng dần do nồng độ C và D tạo ra tăng dần Khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch thì hệ đạt trạng thái cân bằng hóa học

Ở thời điểm cân bằng thiết lập, nồng độ các chất A, B, C, và

D không thay đổi nữa và được gọi là nồng độ cân bằng của chúng

Về mặt nhiệt động hóa học khi cân bằng phản ứng được thiết lập thì biến thiên enthalpy tự do của phản ứng sẽ bằng không:

ΔG(phản ứng) = 0

1.1.1 Định luật tác dụng khối lượng - Hằng số cân bằng K C

1.1.1.1 Định luật tác dụng khối lượng

Trong dung dịch, khi phản ứng đạt được trạng thái cân bằng định luật tác dụng khối lượng thiết lập biểu thức như sau:

Ở đây [A], [B], [C], [D] là nồng độ mol của các chất A, B, C, D

ở trạng thái cân bằng so với trạng thái chuẩn

10

Ghi chú:

- Đối với dung dịch chất tan, trạng thái chuẩn mỗi chất là 1M và

có thứ nguyên

Pa; 1atm = 1,01325 bar) Ví dụ nếu D là chất khí thì [D] ở đây nghĩa

là áp suất của D (tính theo bar) so với trạng thái chuẩn là 1 bar Khi đó

thức sau:

Ở đây PA, PB, PC, PD lần lượt là áp suất riêng phần của các chất A,

cũng không có thứ nguyên và là hằng số chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

- Đối với chất rắn hay lỏng nguyên chất thì trạng thái chuẩn của mỗi chất chính là các chất lỏng hoặc rắn nguyên chất đó Ví dụ D là

xuất hiện trong biểu thức (E1.1) và (E1.2)

1.1.1.2 Mối quan hệ giữa ΔG o với hằng số cân bằng phản ứng

Ở đây:

ở pha khí (các chất khí tham gia phản ứng tính theo áp suất riêng phần);

Nhận xét:

- Hằng số cân bằng phản ứng K có thể tính được nhờ ΔGo Phản

càng thuận lợi về mặt nhiệt động và không thuận lợi cho phản ứng nghịch

- Việc nhận định một thời điểm đang xét của một phản ứng đã đạt cân bằng chưa có thể thực hiện như sau:

Trước hết cần tính hệ thức phản ứng (reaction quotient) Q bằng cách sử dụng công thức tính như phương trình E1.1 hoặc E1.2 nhưng nồng độ hoặc áp suất riêng phần mỗi chất đang ở thời điểm đang xét Sau đó so giá trị Q vừa tính với giá trị hằng số cân bằng K

Nếu Q = K thì phản ứng đạt được cân bằng;

Nếu Q > K thì phản ứng chưa đạt cân bằng và phản ứng tiếp tục diễn tiến theo chiều nghịch làm giảm giá trị Q đến khi bằng K thì đạt cân bằng;

Nếu Q < K thì theo chiều thuận làm tăng Q đến khi bằng K thì đạt cân bằng

Ví dụ 1•1:

Xét một dung dịch đang chứa các cấu tử có nồng độ như sau:

[Cr2O72-] = 0,40 M, [Cr3+] = 0,0030 M, [BrO3-]

= 0,043 M, [Br-] = 1,0 M, [H+] = 5,0 M

Biết phản ứng giữa các cấu tử trên đạt được cân bằng với hằng số

BrO3- + 2Cr3+ + 4H2O Br- + Cr2O72-+ 8H+

Kc = 11011 ở 25 oC Hỏi ở thời điểm đang xét này phản ứng sau đã đạt được cân bằng chưa? Nếu chưa thì phản ứng sẽ tiếp diễn theo chiều thuận hay chiều nghịch để đạt được cân bằng?

Giải:

Trước hết ta tính hệ thức phản ứng Q:

12

Vậy phản ứng ở thời điểm đang xét chưa đạt được cân bằng và vì Q

1.1.1.3 Biến đổi các hằng số cân bằng

Xét dung dịch trong đó xảy ra các phản ứng cân bằng sau:

cb

2 R1.2

[AB][A]

][AB

K  

Ở đây phản ứng R1.3 là tổng của hai phản ứng R1.1 và R1.2

số cân bằng của hai phản ứng R1.3 và R1.4

Tổng quát:

Hằng số cân bằng phản ứng tổng cộng bằng tích của các hằng

số cân bằng của các phản ứng thành phần đem cộng vào

Chú ý:

Khi biến đổi các hằng số cân bằng cần nhớ:

- Hằng số cân bằng của phản ứng đảo ngược sẽ bằng nghịch đảo của hằng số cân bằng ban đầu

- Khi nhân hai vế của phản ứng cho cùng hệ số thì hằng số cân bằng của phản ứng mới bằng hằng số cân bằng ban đầu lũy thừa hệ số đó:

1.1.2 Phương trình cân bằng điện tích trong dung dịch

Trong dung dịch tổng điện tích dương của các cation bằng tổng điện tích âm của các anion

14

1.1.3 Phương trình cân bằng khối lượng trong dung dịch

Số lượng của tất cả các cấu tử chứa một nguyên tử cụ thể (hay nhóm nguyên tử) trong một dung dịch bằng số lượng của nguyên tử đó (hay nhóm nguyên tử) cho vào trong dung dịch

Ví dụ 1•4:

Giải:

cân bằng gồm: PO43-, HPO42-, H2PO4-, H3PO4

Vậy phương trình cân bằng khối lượng được viết như sau:

[PO43-] + [HPO42-] + [H2PO4-] + [H3PO4] = 0,1

Ví dụ 1•5:

0,0300 mol KOH và pha loãng đến 1,00 lit

Giải:

Tổng các dạng của phosphate là có nồng độ là 0,0250 M nên phương trình cân bằng khối lượng cho phosphate là:

[PO43-] + [HPO42-] + [H2PO4-] + [H3PO4] = 0,0250 M

Ví dụ 1•6:

Giải:

Khi hòa tan 1 phân tử Ag3PO4 phân ly hoàn toàn tạo 3 ion Ag+ và 1ion

PO43- Sau đó do PO43- tiếp tục phản ứng với H2O để tạo HPO42-,

như sau:

[Ag+] = 3{[PO43-] + [HPO42-] + [H2PO4-] + [H3PO4]}

dịch này bất kể có bao nhiêu cấu tử chứa P

1.2 Nồng độ

1.2.1 Nồng độ mol (C M )

Nồng độ mol của một cấu tử biểu diễn số mol cấu tử đó có trong

1 lit dung dịch

Đơn vị đo của nồng độ mol là mol/lit (ký hiệu là M)

CM(M) = số mol chất tan / thể tích dung dịch (lit)

Chú ý:

- Định nghĩa trên đúng cho những cấu tử không kết hợp hoặc phân ly để chuyển thành những dạng khác khi phân tán trong dung

tử ethanol tan trong 1 lit dung dịch này

- Trong thực tế nhiều chất tan trong dung môi như nước bị phân

ly thành những ion nên nồng độ mol trong những trường hợp này được xem như là nồng độ mol hình thức (đôi khi được gọi là nồng độ mol ban đầu)

Ví dụ dung dịch NaCl 0,1 M trong nước được hiểu là nồng độ mol hình thức của NaCl vì trong dung dịch này NaCl đã phân ly hoàn

ion CH3COO- và H+

- Trong tài liệu này nồng độ mol hình thức (hay nồng độ mol ban

của cấu tử A ở trong dung dịch sau cân bằng thiết lập (hay nồng độ mol cân bằng) sẽ được viết [A]

1.2.2 Nồng độ đương lượng (C N )

Nồng độ đương lượng của một chất tan biểu diễn số đương lượng gam của chất đó có trong 1 lit dung dịch

16

CN(N) = số đương lượng gam chất tan / thể tích dung dịch (lit)

Để hiểu khái niệm nồng độ đương lượng của một chất tan trong một phản ứng hóa học cần nắm vững cách tính đương lượng gam của một chất trong một phản ứng cụ thể

Đương lượng gam (Đ) của một chất trong một phản ứng là lượng chất đó tính bằng gam tương đương hóa học với 1 mol nguyên tử H hay ½ mol nguyên tử O

Đương lượng gam của chất A được tính dựa vào loại phản ứng

mà chất đó tham gia theo phương trình sau:

Ở đây:

 Trường hợp phản ứng trao đổi:

E1.4 được áp dụng với n là số đơn vị điện tích mà một phân tử

(ion) chất A đã tham gia trao đổi

(g)2

Chú ý:

- Các đơn acid và đơn base có đương lượng gam chính bằng khối

tham gia trao đổi Như vậy nồng độ đương lượng của những acid hoặc base này khi tham gia phản ứng trao đổi cũng chính là nồng độ mol

- Các đa acid hoặc đa base hoặc các cấu tử đa hóa trị thì có đương lượng gam phụ thuộc vào từng phản ứng

Áp dụng E1.4 với n là số electron mà một phân tử (ion) chất tan

A tham gia cho hoặc nhận

khối lượng mol của I2 chia hai (MI 2

(g)

Trong khi đó hai ion S2O32- (tương ứng hai phân tử Na2S2O3) nhường

Na2S2O3 bằng khối lượng mol của Na2S2O3 (MNa S O 2 2 3

18

Ví dụ 1•9:

Tính đương lượng gam của hai chất tham gia phản ứng sau:

Giải:

Phương trình ion thu gọn được viết như sau:

(g)

(g)

Số đương lượng gam của mỗi chất tham gia phản ứng sẽ bằng nhau và bằng số đượng lượng gam của mỗi chất tạo thành

Xét phản ứng tổng quát:

aA + bB → mC + nD Theo định luật đương lượng ta có:

Số đương lượng gam của A tham gia phản ứng = số đương lượng gam của B tham gia phản ứng = số lương lượng gam của C

tạo thành = số đương lượng gam của D tạo thành

 Ứng dụng định luật đương lượng trong chuẩn độ thể tích

tích VB(lit)

Bởi vì số đương lượng A bằng số đương lượng của B đã tham gia phản ứng nên ta có:

C   n C E1.6

1.2.3 Nồng độ phần trăm (parts per hundred)

1.2.3.1 Nồng độ phần trăm theo khối lượng

Nồng độ phần trăm theo khối lượng (ký hiệu wt%) biểu diễn số gam chất tan chứa trong 100 gam dung dịch

Nồng độ phần trăm theo khối lượng = [khối lượng chất tan (g) / khối lượng dung dịch hay hỗn hợp (g)]100 (%)

Ví dụ 1•11:

chứa trong 37,6 gam dung dịch acid này có nồng độ 70,5 wt%?

Giải:

Theo định nghĩa dung dịch 70,5 wt% biểu diễn 100,0 gam dung dịch

Số gam nước = 37,6 – 26,5 = 11,1 g

Tính nồng độ phần trăm theo thể tích của một loại rượu vang biết cứ

100 ml rượu vang này có chứa 12 ml ethanol nguyên chất

Giải:

Theo định nghĩa nồng độ phần trăm theo thể tích được tính:

1.2.3.3 Chuyển dung dịch nồng độ wt% sang nồng độ mol

Để chuyển một dung dịch có nồng độ phần trăm theo khối lượng

dung dịch wt% đó Từ khối lượng riêng của dung dịch sẽ tính được khối lượng tương ứng với thể tích 1000 ml (1lit) dung dịch đó, rồi dựa vào định nghĩa để xác định nồng độ mol

Số mol HCl = số gam HCl/khối lượng mol HCl = 440,3/36,46 = 12,1 mol

Số mol này chứa trong 1000 ml dung dịch nên nồng độ mol của dung dịch 37 wt% là 12,1 M

1.2.4 Nồng độ phần triệu (Cppm) và nồng độ phần tỉ (Cppb)

1.2.4.1 Trường hợp dung dịch lỏng

Khi dung dịch rất loãng (còn được gọi là dung dịch vết hay siêu vết), nồng độ phần triệu (hay nồng độ ppm, ký hiệu là Cppm) và nồng

độ phần tỉ (hay nồng độ ppb, ký hiệu là Cppb) thường được sử dụng

để biểu diễn lượng chất tan chứa trong 1 đơn vị khối lượng dung dịch này Ở đây ppm là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh ‘parts per million’, còn ppb là từ viết tắt của ‘parts per billion’

Cppm = số miligam (mg) chất tan có trong 1 kilogam (kg) dung dịch = số microgram (µg) chất tan trong 1 gam (g) dung dịch

Trường hợp dung dịch nước, do dung dịch rất loãng nên một

cách gần đúng xem khối lượng riêng của dung dịch nước này bằng 1,00 g/ml Như vậy một chất trong dung dịch nước có nồng độ 1 ppm nghĩa là trong 1ml dung dịch này có chứa 1 microgam chất tan (hay trong 1 lit dung dịch này chứa 1 g chất tan) và được biểu diễn như sau: 1ppm = 1 mg.lit-1 = 1µg.ml-1

Còn một chất có nồng độ 1 ppb nghĩa là trong 1ml dung dịch này

có chứa 1 nanogam chất tan đó (hay trong 1 lit dung dịch này chứa 1

22

Theo giả thiết có 0,0250 gam = 25,0 mg NaCl trong 500,0 ml dung dịch vậy trong 1000 ml dung dịch này có chứa 50,0 mg NaCl Vậy theo định nghĩa, nồng độ ppm của NaCl trong dung dịch này là 50,0 ppm

Ví dụ 1•15:

độ Cl- 2,50102 ppm

Giải:

-tương đương 2,50102 10-3/35,453 mol Cl- = 7,0510-3 mol

ppm và ppb

Từ nồng độ mol biết được số mol chất tan chứa trong 1 lit dung dịch, ta chuyển lượng chất tan sang gam bằng cách nhân số mol đó với khối lượng mol của chất tan và chuyển số gam này sang số mg Số

ppb cũng làm tương tự

Ví dụ 1•16:

Biết khối lượng mol của NaCN là 49,01 g/mol

Giải:

750,8 ppm

1.2.4.2 Trường hợp dung dịch rắn

Nồng độ ppm và ppb cũng được dùng trong trường hợp chất phân tán và môi trường phân tán đều là pha rắn với giả thiết chất phân tán phân bố đồng nhất trong môi trường phân tán Ví dụ thuốc trừ sâu phân tán trong đất, rau, quả…, hay hợp kim

Cppm = số miligam (mg) chất có trong 1 kilogam (kg) dung dịch rắn = số microgam (µg) chất có trong 1 gam (g) dung dịch rắn

Nồng độ ppm và ppb cũng được dùng để biểu diễn nồng độ vết

và siêu vết của một khí cụ thể trong một dung dịch hỗn hợp khí, ví dụ

trường hợp dung dịch lỏng và rắn các nồng độ ppm và ppb trong dung dịch hỗn hợp khí được biểu diễn dưới dạng thể tích (v/v)

Cppm = Số microlit (µl) chất khí có trong 1 lít (l) dung dịch hỗn hợp khí = số mililit (ml) chất khí có trong 1 m 3 dung dịch hỗn hợp khí

Ở đây các thể tích được đo trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất Vậy ppm = µl.l-1 = ml.m-3

Cppm = Số nanolit (nl) chất khí có trong 1 lít (l) dung dịch hỗn hợp khí = số microlit (µl) chất khí có trong 1 m 3 dung dịch hỗn hợp khí

24

Ở đây các thể tích được đo trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất Vậy ppm = nl.l-1 = µl.m-3

Ví dụ 1•17:

nhà máy điện đốt than theo tiêu chuẩn của Cộng đồng chung Châu

1.2.5 Sự pha loãng

Trong thực nghiệm thường gặp trường hợp cần chuẩn bị một dung dịch có nồng độ loãng hơn từ một dung dịch ban đầu (thường

bằng số mol chất tan trong dung dịch đã pha loãng, nên ta có:

đ đ l l

V C = V C E1.7

Chú ý:

tích ví dụ mol/lit, mmol/lit, g/l, mg/l; còn thể tích Vđ và Vl phải cùng đơn vị đo

1.3.1 Lực ion của dung dịch

Khi cho AgCl vào trong nước nguyên chất ở nhiệt độ xác định (ví dụ ở nhiệt độ phòng) thì nó sẽ tan cho đến khi cân bằng sau đây được thiết lập:

Hay nói cách khác AgCl trong trường hợp này sẽ tan ra nhiều hơn Ở đây cả hai Na+ và NO3- đều không phản ứng với các ion Ag+ và Cl-

hòa cân bằng với một muối ít tan (ví dụ AgCl) sẽ làm tăng độ hòa tan

học với AgCl Hiệu ứng này được gọi là ‘hiệu ứng muối’

bao quanh bởi lớp khí quyển ion tích điện trái dấu NO3-, còn ion Cl- bị

trong nước nguyên chất, dẫn đến làm giảm lực hút tĩnh điện giữa các ion này trong dung dịch Khi đó để cân bằng mới được thiết lập, AgCl

26

điện giữa chúng đến khi bằng lực hút này trong trường hợp AgCl tan trong nước nguyên chất

Hiệu ứng này cũng làm tăng sự phân ly của các chất điện ly yếu

Với C1, C2, …, Cn lần lượt là nồng độ của ion thứ 1,2, …, n

Z1, Z2, …, Zn lần lượt là điện tích của ion thứ 1,2, …, n

Bảng 1.1: Đường kính hiệu dụng của một số ion

3 2,5

- 0,51Z μ

1+0,33δ μ

giá trị lực ion dung dịch ≤ 0,1

Ví dụ 1•19:

Giải:

- 0,51×(2) × 0,060

1+ 0,33×4,5× 0,060

Phương trình này có thể áp dụng cho những dung dịch có lực ion dung dịch đến 0,5

Nhận xét hệ số hoạt độ các ion

- Khi lực ion dung dịch tăng lên, hệ số hoạt độ giảm xuống Hệ

số hoạt độ tiến đến giá trị 1 khi lực ion dung dịch tiến đến giá trị 0

- Khi điện tích ion tăng lên, giá trị hệ số hoạt độ càng nhỏ hơn 1 Đối với ion mang điện tích ±3 thì hệ số hoạt độ quan trọng hơn so với các ion mang điện tích ±1

- Đường kính hiệu dụng của ion hydrat càng nhỏ, ảnh hưởng của hoạt độ càng trở nên quan trọng hơn

Nhận xét hệ số hoạt độ của các phân tử trung hòa

Các phân tử trung hòa, ví dụ acetic acid, không có lớp khí quyển ion bao quanh vì không mang điện tích Một cách gần đúng, các hệ số hoạt độ của chúng bằng 1 khi lực ion dung dịch nhỏ hơn 0,1 M Như vậy hoạt độ của các phân tử trung hòa sẽ được xem như bằng giá trị nồng độ mol của nó

1.4 Báo cáo số liệu thực nghiệm sử dụng chữ số có nghĩa

1.4.1 Chữ số có nghĩa

Một cách đơn giản nhất để chỉ độ bất định có thể có, liên quan đến một phép đo thực nghiệm, là làm tròn kết quả để nó chỉ chứa những chữ số có nghĩa

Số chữ số có nghĩa là số nhỏ nhất các chữ số cần viết một giá trị đang xét dưới dạng khoa học mà không mất đi độ chính xác

Một cách định nghĩa khác là số chữ số có nghĩa trong một con

số gồm tất cả các chữ số xác định chắc chắn trừ chữ số cuối cùng có

độ bất định nào đó

Ví dụ, khi đọc một mức chất lỏng chứa trong một buret cở 50 ml lớn hơn vạch khắc 30,2 ml nhưng nhỏ hơn vạch khắc 30,3 ml, có thể

dự đoán vị trí của mức chất lỏng, ví dụ khoảng 30,24 ml Như vậy con

số 30,24 có bốn chữ số có nghĩa trong đó 3 chữ số đầu là chắc chắn đúng, còn chữ số thứ tư (4) là có một độ bất định nào đó tức không chắc chắn đúng

30

Một con số nên được viết dưới dạng khoa học như sau: con số

Các chữ số 0 là có nghĩa khi nó:

- nằm giữa các chữ số khác 0 hoặc

- nằm sau chữ số khác 0 của một con số

Ví dụ: Số 0,02080 có bốn chữ số có nghĩa vì hai số không đầu tiên không được tính là chữ số có nghĩa

Chữ số có nghĩa nằm cuối cùng luôn luôn có độ bất định nào đó

Độ bất định nhỏ nhất là ±1 cho chữ số có nghĩa cuối cùng

Ví dụ giá trị thể tích đọc được trên buret trong ví dụ trên là 30,24

ml có 4 chữ số có nghĩa Trong đó các chữ số 3, 0 và chữ số 2 là hoàn toàn xác định còn số 4 là một dự đoán Giá trị thể tích có thể được đọc 30,25 hoặc 30,23 ml bởi người khác

Khi đọc thang đo của bất kỳ thiết bị nào, có thể nội suy giữa các vạch đo Hãy cố gắng dự đoán phần mười gần nhất của khoảng cách giữa hai vạch Như vậy, trên một buret cỡ 50 ml được khắc vạch đến mức 0,1 ml cho 2 vạch kề nhau, cần đọc giá trị đến mức 0,01 ml gần nhất Khi sử dụng một thước đo được khắc vạch đến milimet, hãy đọc giá trị đo đến phần mười gần nhất của milimet

Có một độ bất định trong bất kỳ giá trị đo nào, thậm chí là thiết

bị đo có bộ phận hiển thị số digital không bị dao động Khi một máy

đo pH hiển thị số chỉ thị giá trị 3,54 thì có một độ bất định trong chữ

số 4 (thậm chí có thể trong chữ số 5)

1.4.2 Chữ số có nghĩa trong phép tính số học

Bây giờ ta cần biết có bao nhiêu chữ số cần giữ lại cho kết quả cuối cùng sau khi thực hiện những phép tính số học với các số liệu thực nghiệm Phép làm tròn chỉ nên thực hiện trên kết quả cuối cùng (không phải trên những kết quả trung gian) để tránh tích lũy những sai

số do làm tròn

Cơ số 10 không có ảnh hưởng lên số chữ số có nghĩa còn giữ lại

Đối với phép logarithm thì số chữ số có nghĩa sau dấu thập phân của kết quả nên bằng số chữ số có nghĩa của con số đem thực hiện phép logarithm

Ví dụ: log339 = 2,530

Log0,001237 = -2,9076

Log3,2 = 0,51

Phương trình cân bằng khối lượng của các cấu tử tham gia phản ứng

và phương trình cân bằng điện tích của dung dịch giúp tính toán nồng độ cân bằng các cấu tử

Khi dung dịch có nồng độ các ion đủ nhỏ thì lực ion dung dịch được giả thiết bằng không và việc tính toán nồng độ cân bằng được tính với hệ số hoạt độ bằng 1 (tức hoạt độ được xem bằng nồng độ mol) Trong trường hợp cần độ chính xác cao hơn, nồng độ cân bằng các cấu tử phải được tính có kể đến ảnh hưởng của lực ion của dung dịch

Nồng độ các cấu tử trong dung dịch thường được sử dụng là nồng

độ mol, nồng độ đương lượng, nồng độ phần trăm Khi lượng chất tan ở lượng vết hoặc siêu vết thì các nồng độ ppm (nồng độ phần triệu), nồng độ ppb(nồng độ phần tỉ) thường được sử dụng

Các con số thu được trong phân tích cần báo cáo con số dưới dạng

số chữ số có nghĩa sao cho tất cả các chữ số đều chính xác trừ chữ

số cuối cùng có độ bất định Chữ số không (zero) được tính là chữ

số có nghĩa khi đứng sau chữ số khác không trong một con số Việc tính toán trong phép tính cộng trừ, nhân chia và logarithm cần biểu diển kết quả có chữ số có nghĩa tương ứng với con số tham gia

có số chữ số có nghĩa sau dấu thập phân ít nhất

Câu hỏi và Bài tập 1-1 Giả sử phản ứng sau đạt đến cân bằng:

Br2(l) + I2(r) + 4Cl 2Br- + 2ICl2-

giảm, hay giữ nguyên không đổi Giải thích tại sao?

1-2 Đối với phản ứng H2O(l) H+ + OH-, K = 1,010-14 ở 25°C

-7

M Hỏi hệ đạt được cân bằng chưa? Nếu chưa thì phản ứng chuyển dịch về bên trái hoặc bên phải để đạt được trạng thái cân bằng?

1-3 Cho dạng tổng của 2 phản ứng, biết rằng K3 = K2 K1

điều kiện chuẩn là chất tham gia phản ứng và sản phẩm đều ở trạng thái chuẩn

b) Ở điều kiện chuẩn, phản ứng là thu nhiệt hay tỏa nhiệt?

1-7 Giải thích tại sao các hệ số hoạt độ không xuất hiện trong phương

trình cân bằng điện tích và cân bằng khối lượng?

34

1-8 Viết phương trình cân bằng điện tích cho dung dịch chứa H+,

OH-, Ca2+, HCO3- , CO32- , Ca(HCO3)+, Ca(OH)+, K+, và ClO4-

1-9 Viết phương trình cân bằng điện tích cho dung dịch H2SO4 trong nước biết H2SO4 phân ly tạo SO42- và HSO4-

1-10 Viết phương trình cân bằng điện tích cho dung dịch arsenic acid,

H3AsO4, có thể phân ly tạo H2AsO4-, HAsO42-, AsO43-

1-11 Viết phương trình cân bằng điện tích của dung dịch glycine

+H3NCH2CO2-, biết trong nước glycine phân ly như sau:

+H3NCH2CO2- H2NCH2CO2-+ H+

-1-12 Viết phương trình cân bằng điện tích của Al(OH)3 hòa tan trong

AlOH2+, Al(OH)2+, Al(OH)3 và Al(OH)4-

1-13 Viết phương trình cân bằng khối lượng cho dung dịch glycine

+H3NCH2CO2- 0,05 M trong nước

1-14 Một acid có độ hòa tan là 0,0085 M trong nước 25°C

Nếu NaOH được thêm vào huyền phù rắn của HA trong nước thì hòa tan nhiều hơn vì có phản ứng:

10,00 và tiếp xúc với lượng dư rắn HA Tính tổng nồng độ mol

d) Giả sử a= b = 0,1 M, pH của dung dịch là 5,00 Sử dụng các cân bằng và định luật ở trên để tính nồng độ các cấu tử có trong

1-16 Nếu 0,250 lit dung dịch có khối lượng riêng d = 1,00 g/ml có

chứa 13,7 µg một loại thuốc trừ sâu Hãy biểu diễn nồng độ của thuốc trừ sâu đó bằng (a) ppm và (b) ppb

1-17 Tìm nồng độ mol của pyridine (C5H5N) nếu cho 5 g tan hoàn toàn trong 457 ml dung môi là butanol

1-18 Dung dịch ethanol có nồng độ wt% là 95% (CH3CH2OH,

M = 46,07) trong nước có khối lượng riêng là 0,804 g/ml a) Tìm khối lượng của ethanol trong 1,00 lit dung dịch

b) Xác định số mol của ethanol trên

trong nước

1-19 Hỏi có bao nhiêu gam Ni trong 10,0 g trong dung dịch

1-20 Nước có độ tinh khiết cao dùng trong công nghiệp chất bán dẫn

được lọc sạch bởi quá trình được gọi là deionization (khử ion khỏi dung dịch), trong đó phần lớn các cation và anion lần lượt

trình deionization trong công nghiệp sản xuất nước tinh khiết được trình bày trong bảng sau:

36

1-21 Dung dịch CsCl (khối lượng mol 168,37g/mol) nồng độ 40%

(wt%) có khối lượng riêng là 1,43 g/ml, trong khi đó dung dịch 20% (wt%) có khối lượng riêng là 1,18 g/ml

a) Tìm nồng độ mol CsCl trong dung dịch 40% (wt%)

b) Tìm nồng độ mol CsCl trong dung dịch 20% (wt%)

c) Cần lấy bao nhiêu ml của mỗi dung dịch để pha loãng thành

500 ml dung dịch CsCl 0,1 M

1-22 Cần mấy gam và mấy ml dung dịch urea 40% (wt%) (khối lượng

trong những phản ứng sau:

(H2 N)2 CO + 3H2O → CO2 + 2NH4+ + 2OH

1-23 Cần dùng chính xác 21,0 ml dung dịch acid HCl 0,80 N để trung

hòa hoàn toàn 1,12 g mẫu có chứa CaO và tạp chất trơ Tính % CaO nguyên chất trong mẫu

1-24 Cần bao nhiêu gam I2 trong dung dịch phản ứng vừa đủ với 40,0

ml dung dịch Na2S2O3 0,112 N?

1-25 Có bao nhiêu gam Fe2+ trong dung dịch biết nó tác dụng vừa đủ

1-26 Cần bao nhiêu gam KMnO4 để pha chế 250 ml mà 1 ml dung

theo phản ứng (chưa cân bằng) sau:

MnO4- + Fe2+ + H+→ Mn2+ + Fe3+ + H2O

1-27 Tính số gam H2C2O4 bị oxy hóa bởi 24,0 ml dung dịch KMnO4

0,250 N theo phương trình phản ứng (chưa cân bằng) sau:

H2C2O4 + KMnO4 + H2SO4 → MnSO4 + CO2 + K2SO4 +H2O

1-28 Tính nồng độ ppm của thủy ngân (mercury) trong một mẫu nước

sinh hoạt biết 750 g nước này có chứa 2,2 mg Hg?

1-29 Tính nồng độ ppm của dung dịch Cu2+ có nồng độ 3,010-4 M

1-30 Tính hệ số hoạt độ của mỗi ion tương ứng với lực ion dung dịch

38

Chương 2 CÂN BẰNG ACID - BASE

2.1 Acid - base trong dung môi nước

2.1.1 Thuyết acid- base của Ahrenius

Thuyết này được giới thiệu vào năm 1887 bởi nhà hóa học Thụy Điển Svante Ahrenius

Theo Ahrenius, acid là chất chứa hydrogen và khi hòa tan trong

Base là chất chứa nhóm OH (hydroxyl) và khi hòa tan trong nước

Phản ứng trung hòa giữa một acid với một base thực chất là sự kết hợp của ion H+ với ion OH- tạo ra H2O:

Chú ý:

- Mặc dù Ahrenius mô tả ion H+ trong nước là proton, nhưng

biết rõ nên để đơn giản ion hydrogen bị hydrat được biểu diễn dưới

- Trong tài liệu này các cân bằng acid-base trong dung dịch nước

2.1.2 Thuyết acid - base của Bronsted-Lowry

Năm 1923, J N Bronsted và T M Lowry đã mở rộng thuyết của Ahrenius, trong đó Bronsted có sự đóng góp nhiều hơn và những luận điểm của hai nhà khoa học này thường được gọi là thuyết Bronsted-Lowry về acid - base hay đôi khi chỉ ngắn gọn là thuyết Bronsted Theo thuyết này:

Base là chất nhận proton H+

Như vậy định nghĩa của thuyết này về acid và base mở rộng hơn

so với thuyết Ahrenius Cụ thể phân tử hay ion nào có khả năng

có chất có nhóm hydroxyl -OH mới được gọi là base)

nó tạo thành cặp acid - base liên hợp thứ nhất Ngược lại một base sau

acid-base liên hợp thứ hai Cụ thể:

Phản ứng trung hòa tổng cộng:

Như vậy trong một phản ứng acid - base có hai cặp acid - base liên hợp

Trong một cặp acid– base liên hợp dạng acid càng mạnh thì base liên hợp càng yếu và ngược lại

Thuyết này được sử dụng rộng rải để giải thích tính acid - base của các chất tham gia phản ứng trong dung dịch nước

Ví dụ 2•1:

Xác định dạng acid hay base liên hợp của các cấu tử sau đây trong dung dịch nước: HF, CH3COO-, CO32-, H2PO4-, NH3, CH3NH2 Viết phương trình phản ứng minh họa

Giải:

Để xác định dạng acid hay base liên hợp cần xem xét việc cấu tử đó

40

tạo acid liên hợp của nó là HCO3-:

- H2PO4- vừa có khả năng nhường H+ để đóng vai trò là acid tạo base

liên hợp là H3PO4 nên còn gọi là chất lưỡng tính:

HPO42- + H3O+ H2PO4-+ H2O H3PO4 + OH-

nhận H+ tạo dang acid liên hợp là NH4+

- CH3NH2 tương tự NH3 chỉ nhận H+ tạo acid liên hợp là CH3NH3+:

-2.1.3 Sự phân ly của nước - độ pH

Nước cũng có quá trình tự phân ly như sau:

hay hằng số tích số ion) của nước

Trong trường hợp nước nguyên chất và dung dịch nước rất loãng,

vì mức độ phân ly của nước rất nhỏ nên lực ion dung dịch xem như bằng không tức hoạt độ bằng giá trị nồng độ mol và E2.1 trở thành: