Giáo trình pha chế dung dịch trong phòng kiểm nghiệm thức phẩm pps

Dung dịch khí là hỗn hợp của hai hay nhiều chất khí như không khí.Trong điều kiện bình thường do tương tác giữa các phân tử khí quá nhỏ nêndung dịch khí gần như là hỗn hợp cơ học.

GIÁO TRÌNH

PHA CH DUNG D CH Ế DUNG DỊCH ỊCH

TRONG PHÒNG KIỂM NGHIỆM THỰC PHẨM

HỆ CAO ĐẲNG NGHỀ KIỂM NGHIỆM

BIÊN SOẠN: ThS TRƯƠNG BÁCH CHIẾN

MỤC LỤC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM Tp HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Thành phố Hồ Chí Minh, 2 – 2011

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU VỀ DUNG DỊCH

1.1 Sự điện ly trong dung dịch

1.1.1 Khái niệm điện ly

Dung dịch : là một hệ đồng thể gồm 2 hay nhiều chất mà thành phần của nó

có thể thay đổi trong giới hạn rộng Gồm 3 loại dung dịch : dung dịch khí, dungdịch lỏng, dung dịch rắn

Dung dịch khí là hỗn hợp của hai hay nhiều chất khí (như không khí).Trong điều kiện bình thường do tương tác giữa các phân tử khí quá nhỏ nêndung dịch khí gần như là hỗn hợp cơ học Nhưng khi điều kiện thay đổi với ápsuất cao, sự hoà tan của các chất khí giống như sự hoà tan của các chất lỏng, vìlúc này chúng có lực tương tác đáng kể

Dung dịch lỏng là dung dịch được tạo thành từ những chất có khả năng hoàtan trong dung môi lỏng

Dung dịch rắn là những tinh thể được tạo thành do sự hoà tan của các chấtkhí, lỏng , rắn trong dung môi chất rắn

Xét trong hệ dung dịch lỏng, khi cho chất tan vào trong dung môi lỏng,luôn xảy ra 2 quá trình : quá trình chuyển pha phá vỡ cấu trúc chất tan thành cácion, phân tử hay nguyên tử, rồi khuyếch tán vào trong dung môi (đây là quátrình vật lý, thu nhiệt) + quá trình sonvat hoá tương tác hình thành giữa các phần

tử đã chuyển pha với các phần tử dung môi (đây là quá trình hoá học, phát nhiệt)Các chất có khả năng tan trong dung môi lỏng, được gọi là chất điện ly, vàquá trình xảy ra đó, gọi là sự điện ly

" Sự điện ly là quá trình phân ly các chất tan thành những ion mang điệntích trái dấu, chất ở trạng thái nóng chảy hay dung dịch, làm dung dịch có khảnăng dẫn được điện, gọi là chất điện ly "

Dưới tác dụng của dòng điện, các ion dương sẽ di chuyển về phía điện cực

âm (catod) nên gọi là cation, còn các ion âm sẽ di chuyển về điện cực dương(anod) nên gọi là anion Các ion đó có tính chất khác hoàn toàn so với cácnguyên tử cùng loại nguyên tố (chẳng hạn , ion H+ có tính chua, gây chua, làmquỳ tím hóa đỏ, nhưng nguyên tử H thì không có tính chất này)

1.1.2 Phân loại

Chất điện ly gồm hai loại :

- Chất điện ly mạnh : là chất điện ly có khả năng phân ly hoàn toàn, đượcbiểu thị bằng dấu mũi tên (  )

- Chất điện ly yếu : là chất điện ly không có khả năng phân ly hoàn toàn,được biểu thị bằng dấu thuận nghịc ( )

Ví dụ : dung dịch HCl, NaCl là những dung dịch chất điện ly mạnh được biểuthị trong dung dịch nước là : HCl  H+ + Cl-

NaCl  Na+ + ClCòn những dung dịch FeCl2 , Cu(OH)2 là những dung dịch chất điện lyyếu đến rất yếu, được biểu thị trong dung dịch nước là :

-FeCl2 Fe2+ + ClCu(OH)2 Cu2+ + 2 OH-Một điều cần lưu ý là : những ion được minh họa bằng các phương trìnhđiện ly trong các quá trình điện ly, là những ion sonvat chứ không phải là nhữngion tự do (cách viết trình bày ở trên là cách biểu thị sự sonvat hoá đã được viếtgiản lược rồi)

-1.1.2 Hằng số phân ly dung dịch

1.1.2.1 Khái niệm

Trong dung dịch điện ly luôn có một cân bằng động được xác lập cho quátrình địên ly chất tan, chẳng hạn cho chất tan AmBn tan trong nước, thì quá trìnhhoà tan luôn bao gồm hai quá trình phân ly chất tan AmBn thành các ion sonvatvà quá trình kết hợp các ion này thành phân tử AmBn Sau một thời gian, các vậntốc của 2 quá trình này bằng nhau thì dung dịch sẽ đạt tới quá trình cân bằng

AmBn m A+n + n B-m Khi đó hằng số cân bằng KCB = [ [] .[ ] ]

n m

n m m n

B A

B

A  

còn được gọi là hằng số điện

ly hay hằng số phân ly AmBn Đây là một đại lượng đặc trưng cho chất điện lyhoà tan trong một dung môi nhất định

Ví dụ : đối với acid phân ly một nấc như CH3COOH là :

CH3COOH CH3COO- + H+Thì hằng số phân ly (hay còn gọi là hằng số acid) :

KCB = Ka =

] [

] ].[

[

3

3

COOH CH

OO CH

H 

= 1,82 10 - 5 Đối với acid phân ly hai nấc như H2CO3 : mỗi nấc phân ly có một hằng sốtương ứng :

H2CO3 H+ + HCO3- Ka1 =

] [

] ].[

[

3 2

3

CO H

]].[

[

3

2 3

= 10 - 10,33

Khái niệm về độ mạnh của một acid hay một baz cũng có thể được xácđịnh dựa trên hằng số phân ly của chất đó : KCB của phương trình điện ly acidcàng lớn thì tính acid càng mạnh (hay ngược lại đối với baz) Lúc đó, KCB cònđược gọi là hằng số acid Ka (hay đối với baz là hằng số baz Kb)

Nếu K khá nhỏ, người ta thường dùng đại lượng pK với : pK = - lgK

Hằng số điện ly của một chất điện ly rất phụ thuộc vào bản chất của dungmôi hoà tan nó Việc thêm một dung môi khác có độ thẩm điện môi nhỏ hơnnước (chẳng hạn Dioxan có  = 2,2 so với nước là 80,4) vào dung dịch chất điện

ly sẽ làm giảm hằng số K này (khi cho Dioxan vào dung dịch acid acetic thì pKa

= 4,75 tăng lên pKa = 10,52, tức hằng số điện ly đã bị giảm đi gần 1 triệu lần),kết quả chất tan sẽ khó tan hơn

Chú ý : Giá trị Ka , Kb có thể tra sổ tay hóa học

1.1.2.2 Hằng số bền và không bền

Các quá trình điện ly trong dung dịch chất điện ly được xác định địnhlượng theo hằng số điện ly KCB , còn gọi là hằng số phân ly hay hằng số khôngbền (KPl)

Chẳng hạn : CH3COOH CH3COO- + H+ KCB = KPl = 10 – 4.74.Còn các quá trình kết hợp ion trong dung dịch chất điện ly được xác địnhđịnh lượng theo hằng số kết hợp, còn gọi là hằng số bền 

Chẳng hạn : CH3COO- + H+ CH3COOH KCB =  = 10 + 4,74 Như thế trong một dung dịch chất điện ly luôn có KPl  = 1

Trong phản ứng phức chất thì hằng số bền được sử dụng thường xuyên hơnXét phức ML phân ly theo phản ứng : ML M + L

Hằng số cân bằng của phản ứng này : K = [M].[L][ML]

K được gọi là hằng số không bền của phức chất Phức càng bền thì hằng sốkhông bền K càng nhỏ

Ngoài hằng số không bền, ta còn dùng hằng số đảo ngược của hằng sốkhông bền :  = [M].[L][ML]

 được gọi là hằng số bền của phức chất Phức càng bền thì hằng số bền càng lớn

Giữa M và L, ta có thể có nhiều phức MLn , MLn–1 , … ML Mỗi phức chấtlần lượt phân ly cho ra phức chất kế tiếp

Ví dụ 1 : Giữa Fe3+ và SCN– ta có các phức Fe(SCN)I(3–I)+ với pK1 = –1, pK2

= – 0.3, pK3 = –0.3, pK4 = 0.3, pK5 = 1.3 và pK6 = 2.1

Ví dụ 2 : FeCl2+ Fe3+ + Cl– pK = 1.5

FeHPO4+ Fe3+ + HPO42– pK = 9.4Cùng ion trung tâm, thay đổi ligand, độ bền của phức chất thay đổi hẳn.Phức giữa Fe3+ và ion HPO42– bền hơn nhiều so với phức giữa Fe3+ và Cl–

Ví dụ 3 : Phức giữa Fe3+ và Ca2+ với Y4 – (anion của EDTA) lần lượt có

pKFeY = 25.1, pKCaY = 10.7

Cũng ligand Y4 – ,thay đổi ion trung tâm, độ bền của phức chất thay đổihẳn Phức giữa Fe3+ và Y4 –bền hơn nhiều so với phức giữa Ca2+ với Y4 –

1.1.2.3 Mối quan hệ giữa đô điện ly  và hằng số phân ly K pl

Độ điện ly α là đại lượng đặc trưng cho mức độ điện ly của một chất và là

tỷ số giữa số mol chất điện ly (n) với tổng số mol chất hòa tan (n0)

Công thức được tính là :  =

0

n

n

Đại lượng  là đại lượng không có thứ nguyên, nó thường được biểu diễnbằng %, và giá trị này nằm trong giới hạn [ 0 , 1]

 = 0 : chất không điện ly (đó là những chất điện ly rất yếu, như các chấtkhí, chất kết tủa không tan v.v )

x n x

m n m



) (

)

Với những chất phân tử điện ly ra hai ion (như CH3COOH, HCN,

NH4OH…) giữa hằng số điện ly K và độ điện ly  có mối liên hệ sau :

Đó là biểu thức toán học của định luật pha loãng (Ostwald)

Nếu  <<1 ta có 1 -   1 thì : K = C 2

K

⇒α =

C

Dung dịch càng loãng, độ điện ly càng lớn

Ví dụ : Tính hằng số phân ly của CH3COOH 0,1M có  = 1,35%

Quá trình phân ly : CH3COOH CH3COO- + H+

Nồng độ ban đầu : 0,1 0 0

Nồng độ cân bằng : 0,1 - x m.x n.x

Với  = 0x,1  x = 0,1  = 0,00135  K(A) = x x

 1 , 0

2

 K(A) = 0(,10,001350,00135)2

 = 1,85 10-5

1.2 Phản ứng thủy phân – phản ứng trao đổi

1.2.1 Khái niệm sự thuỷ phân

Các chất điện ly acid hay baz khi hòa tan trong dung môi nước đều tạodung dịch có phản ứng acid hay kiềm tương ứng Tuy nhiên, những chất điện lylà muối khi tan trong nước cũng cho các phản ứng tương tự Chẳng hạn khi xét

sự hòa tan (CH3COO)2 Ba :

Sự tạo thành chất điện ly yếu CH3COOH đã làm cân bằng địên ly trongnước bị phá huỷ : trong dung dịch xuất hiện [OH-] solvat dư, làm cho dung dịch

Ví dụ : khảo sát sự thuỷ phân của muối NH4Cl

Trong dung dịch có sự điện ly : NH4Cl  NH4+ + Cl

-Trong dung môi nước : NH4+ + H2O NH3 + H3O+

Nên : NH4Cl + H2O NH3 + Cl- + H3O+

Vì thế, dung dịch thu được sau khi hòa tan muối NH4Cl trong nước là dungdịch có tính acid (vì chứa ion H3O+ ; khoảng pH < 7), dung dịch không có màu.Ví dụ : Khảo sát sự thủy phân của dung dịch muối CuSO4

Trong dung dịch có sự điện ly : CuSO4 Cu2+ + SO4

CuSO4 + H2O (CuOH) + + SO42- + H+

Vì thế dung dịch thu được khi hòa tan chất rắn màu trắng CuSO4 vào nước

có màu xanh (vì chứa ion (CuOH)+ ), dung dịch có tính acid (vì có chứa ion H+)

Kết luận chung: Khi thủy phân muối tan sẽ thu được dung dịch có pH tùy

thuộc vào độ mạnh của gốc acid và baz của muối đó

Khái niệm dung dịch được xác định :

- Dung dịch acid là dung dịch có chứa ion H+

- Dung dịch baz là dung dịch có chứa ion OH-

- Dung dịch muối là dung dịch có chứa các cation kim loại (hay

NH4+) và anion gốc acid

- Hydroxit là các hợp chất có chứa nhóm liên kết - OH

Ứng dụng của phản ứng thuỷ phân :

- Các muối amoni của cacbonat, sunfat hay muối natri của acetat,cacbonat, muối của các baz hữu cơ yếu đều bị thuỷ phân tạo những dung dịch

có pH xác định Nên có thể dùng nước để kết tủa các hydroxit của chúng

- Trong phân tích, các phản ứng thuỷ phân các muối amoni tạo thànhcác amoniac tự do được sử dụng để phát hiện gốc amoni, nhất là khi chúng đượcđun nóng với kiềm

- Việc tách các ion Crom và nhôm dựa trên sự phân hủy thủy phâncromit khi đun sôi tạo kết tủa Cr(OH)3 v.v

NH4Cl + Ca(OH)2  ? (phản ứng xảy ra vì có sự tạo thành chất bay hơi NH3 )

HCl + KOH  ? (phản ứng xảy ra vì có sự tạo thành chất điện ly yếu H2O)

Ví dụ: Viết phương trình phản ứng trao đổi khi pha trộn ZnCl2 vào dung dịchNaOH

Phương trình phân tử : ZnCl2 + 2 NaOH  Zn(OH)2 + 2 NaClPhương trình rút gọn : Zn2+ + 2 OH-  Zn(OH)2

Al(OH)3 + OH-  ( AlO2 )- + 2 H2OHay với Zn(OH)2 :

Zn(OH)2 + 2 H+  Zn2+ + 2 H2OZn(OH)2 + 2 OH-  ZnO22- + 2 H2OHoặc : H2ZnO2 + 2 OH-  ZnO22- + 2 H2O

Hằng số điện ly của các hydroxit lưỡng tính :

Xét cân bằng động : Be(OH)2 Be(OH)2

Trong đó: 2 H+ + BeO22- Be(OH)2 Be2+ + 2 OH

(dạng acid) (dạng tủa) (dạng baz)

Be(OH)2 + BeOH+ [Be2 (OH)2 ]2+ + OH- 5,1  5,4 2.10 - 9

2 Be(OH)2 + BeOH+ [Be3 (OH)3 ]3+ + OH- 5,1  5,4 4.10 - 9[Be2 (OH)2 ]2+ 2 Be2+ + 2 OH- 3,8  5,1 4,9.10- 22[Be3 (OH)3 ]3+ 3 Be2+ + 3OH- 3,8  5,1 4,4.10- 34Như vậy, quá trình phân ly này cũng được đặc trưng bằng một hằng sốphân ly Tính chất này được ứng dụng để định tính một số các cation tạo đượccác hydroxit không tan trong nước bằng cách cho một lượng dư kiềm natri hoặckali tác dụng với các cation, khi đó các hydroxit này sẽ được tách ra khỏi hỗnhợp ở dạng tủa Sau đó nếu trong đó có hydroxit lưỡng tính thì lại làm tan chúngtrong dung dịch kiềm (như tách Fe3+ ra khỏi Al3+ )

Hằng số điện ly dạng acid của hydroxit lưỡng tính tăng theo sự tăng điệntích của các ion tạo thành chúng, do đó muốn làm tăng độ tan của nhữnghydroxit khó tan trong nước mà những hydroxit đó chứa ion có khả năng bị oxihoá, thì hãy oxi hoá ion này Chẳng hạn, nếu cho hỗn hợp của Fe(OH)3 vàCr(OH)3 thì dưới tác dụng của hydroperoxit hoặc các chất oxi hoá khác trongmôi trường kiềm, Cr3+ sẽ bị oxi hoá đến Cr6+ tạo thành CrO4 2- dễ dàng chuyểnvào dung dịch

Việc so sánh các hằng số phân ly của hydroxit lưỡng tính ở một giá trị pH,

có thể chỉ ra được tính chất acid hay baz nào của nó trội hơn

Ví dụ :

Pb(OH)2 9,6 10 - 4 2 10 - 16

Al(OH)3 8 10 - 25 4 10 - 13.In(OH)3 1,3 10 - 34 1 10 - 16.Ga(OH)3 1,6 10 - 11 5 10 - 11.As(OH)3 1 10 - 14 5,7 10 – 10Như thế có thể thấy được Pb(OH)2 có tính baz thể hiện rõ hơn tính acidtrong các dung dịch nước.

1.3 Cân bằng trong hệ dung dịch nước

1.3.1 Cân bằng acid – baz trong hệ dung dịch nước

1.3.1.1 Khái niệm về acid/baz – dung dịch acid/ dung dịch baz

Acid là chất có khả năng cho proton và baz là chất có khả năng nhậnproton

Mỗi acid sau khi cho một proton thì trở thành một baz gọi là baz liên hiệpvới acid đó Một cặp acid – baz liên hợp có thể biểu diễn bằng hệ thức sau : Acid Baz + H+

Proton không tồn tại ở trạng thái tự do Vì vậy, một chất chỉ thể hiện tínhchất acid hay baz trong dung môi có khả năng cho hay nhận proton

Khi hòa tan một acid hay một baz vào nước sẽ có những phản ứng :

Acid + H2O Baz + H3O+Baz + H2O Acid + OH-Ví dụ :

CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+

NH4+ + H2O NH3 + H3O+HPO42- + H2O H2PO4- + OH-

Baz càng mạnh tức là nhận proton của nước càng nhiều, cânbằng (2)chuyển dịch về bên phải cũng càng nhiều tức là hằng số cân bằng K càng lớn.

2

-[A][OH ]

K = [B][H O]

Trong dung dịch loãng, nồng độ của nước xem như không đổi nên :

Baz mạnh NaOH, KOH có KB = +

Có những acid , baz mà phân tử hay ion có thể cho hoặc nhận hơn haiproton thì gọi là đa acid hoặc đa baz

Ví dụ :

H3PO4 + H2O H2PO4- + H3O+ pKA1 = 2.12

H2PO4- + H2O HPO42- + H3O+ pKA2 = 7.21HPO42- + H2O PO43- + H3O+ pKA3 = 12.36

PO43- + H2O HPO42-+ OH- pKB1 = 1.64HPO42- + H2O H2PO4-+ OH- pKB2 = 6.79

H2PO4- + H2O H3PO4 + OH- pKB3 = 11.88

1.3.1.2 pH trong các hệ acid – baz

pH trong các hệ acid – baz đơn chức mạnh

Giả sử có dung dịch acid mạnh HA có nồng độ CA Trong dung dịch acidmạnh có 2 quá trình :

-Phương trình bảo toàn khối lượng

Phương trình tích số ion của nước

[H+][OH-] = K H O 2 (b)Phương trình trung hòa điện

A +

Giải phương trình, ta được : [H+] = 10-6.91, suy ra pH = 6.91

Ví dụ : Tính pH của dung dịch NaOH có nồng độ

pH của dung dịch acid – baz đơn chức yếu

Giả sử có dung dịch đơn acid yếu HA có nồng độ là CA; hằng số acid KA.Trong dung dịch đơn acid yếu HA có 2 cân bằng sau :

Phương trình bảo toàn proton xuất phát từ HA và H2O là :

[H+] = [OH-] +[A-] (e)

Từ (c), ta có :

A

-+

A

-+ A

-K = [A ] [HA]

C K [A ]=

+ A + A

C [H ] [HA]=

Từ (e) : [H+] = [OH-] +[A-]

Nếu [OH-]<<[A-], tức là nước phân ly không đáng kể thì:

+ A A

+ A

C K [H ]=

Nếu KA <<[H+] thì :

+ A A

+ +

A A

C K [H ]=

[H ] [H ]= K C

1

pH = ( 4.75 - lg0.1) = 2.87 2

Giả sử KA << [H+] là đúng [H+] = 10-2.87>> 10-4.75

Ví dụ : Tính pH của dung dịch NH4Cl 0.1M Biết NH4+/NH3 có pKA = 9.25

1

pH = ( pK - lgC ) 2

1

pH = ( 9.25 - lg0.1) = 5.13 2

Tương tự khi xét pH của dung dịch đơn baz yếu

Giả sử có dung dịch đơn baz yếu B có nồng độ là CB; hằng số baz KB.Trong dung dịch đơn baz yếu HA có 2 cân bằng sau :

Như vậy, trong dung dịch tồn tại 4 cấu tử là [BH+], [H+], [OH-], [B]

Phương trình hằng số baz :

+ B

- + B