Xác định hằng số cân bằng của axit axetic và NH3 từ dữ liệu thực nghiệm đo pH bằng phương pháp đơn hình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ---o0o--- TRẦN THỊ HẢI OANH XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG LIỆU THỰ

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM -o0o -

TRẦN THỊ HẢI OANH

XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG

LIỆU THỰC NGHIỆM ĐO pH BẰNG

PHƯƠNG PHÁP ĐƠN HÌNH

Chuyên ngành: HÓA HỌC PHÂN TÍCH

Mã số : 60.44.29

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS ĐÀO THỊ PHƯƠNG DIỆP

THÁI NGUYÊN - 2010

Trang 2

Em xin trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Hóa học và các thầy

cô giáo trong tổ bộ môn Hóa phân tích Trường Đại học Sư phạm 1 Hà Nội, Ban chủ nhiệm khoa Hóa học và các thầy cô giáo trong tổ bộ môn Hóa phân tích Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suôt quá trình làm thực nghiệm

Tôi xin chân thành cảm ơn BGH Trường THPT Định Hóa , các đồng nghiệp, bạn bè và người thân đã ủng hộ và động viên tôi hoàn thành luận văn

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 8 năm 2010

Trần Thị Hải Oanh

Trang 3

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Phần I: TỔNG QUAN 4

I.1 Cân bằng và hoạt độ 4

I.1.1 Định luật tác dụng khối lượng [6] 4

I.1.2 Hoạt độ và hệ số hoạt độ [4] 6

I.1.2.1 Định nghĩa, ý nghĩa của hoạt độ và hệ số hoạt độ [4] 6

I.1.2.2 Hệ số hoạt độ của các ion riêng biệt và các phương trình kinh nghiệm đánh giá hệ số hoạt độ của ion [1] 7

I.1.3 Phương pháp thực nghiệm đánh giá hệ số hoạt độ ion – Phương pháp Kamar [17] 10

I.2 Các phương pháp xác định hằng số cân bằng 13

I.2.1 Tính hằng số cân bằng nồng độ C sau đó ngoại suy về lực ion I = 0 để đánh giá hằng số cân bằng nhiệt động a 13

I.2.2 Phương pháp Kamar đánh giá hằng số phân li axit [16] 14

I.2.3 Các phương pháp thực nghiệm [7] 16

I.2.3.1 Phương pháp độ dẫn điện 16

I.2.3.2 Phương pháp đo điện thế 17

I.2.3.3 Phương pháp quang học 18

I.2.4 Một số phương pháp hoá tin 19

I.2.4.1 Phương pháp đơn hình [7] 19

I.2.4.2 Phương pháp bình phương tối thiểu [10] 19

I.2.4.3 Phương pháp hồi qui phi tuyến [7] 20

Phần II: THỰC NGHIỆM 22

II.1 Hóa chất - dụng cụ 22

II.2.Tiến hành thực nghiệm 22

II.2.1 Đối với dung dịch nghiên cứu CH3COOH 23

II.2.1.1.Pha chế dung dịch 23

Trang 4

II.2.1.2 Chuẩn độ thể tích xác định nồng độ của các dung dịch 23

II.2.1.3 Pha chế dung dịch CH3COOH 25

II.2.1.4 Chuẩn độ điện thế đo pH của dung dịch axit axetic bằng NaOH 26

II.2.2 Dung dịch nghiên cứu NH3 28

II.2.2.1.Pha chế dung dịch 28

II.2.2.2 Chuẩn độ thể tích xác định nồng độ của các dung dịch 28

II.2.2.3 Pha chế dung dịch NH3 30

II.2.1.4 Chuẩn độ điện thế đo pH của dung dịch NH3 bằng HCl 31

Phần III: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐƠN HÌNH ĐỂ XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG CỦA AXIT AXETIC VÀ NH 4 TỪ DỮ LIỆU pH THỰC NGHIỆM 33

III.1 Nội dung của phương pháp đơn hình[7] 33

III.2 Nguyên tắc của thuật toán 35

III.3 Thiết lập phương trình tính hằng số cân bằng của các đơn axit, đơn bazơ trong hỗn hợp 36

III.4.Các bước tiến hành đánh giá đồng thời các hằng số phân li axit trong hỗn hợp các đơn axit, đơn bazơ bất kỳ theo phương pháp đơn hình 38

III.4.1 Các bước tính lặp 38

III.4.2.Sơ đồ khối 42

III.5 Kết quả và thảo luận 43

III.5.1 Đánh giá độ chính xác của kết quả thực nghiệm đo pH 43

III.5.2.Xác định điểm tương đương dựa vào kết quả thực nghiệm 46

III 5.3.Áp dụng thuật toán đơn hình để xác định HSCB của CH3COOH 49

III.5.3.1.Xác định HSCB của axit axetic từ giá trị thực nghiệm đo pH của dung dịch CH 3 COOH 49

Trang 5

III.5.3.2.Xác định HSCB của axit axetic từ giá trị thực

nghiệm đo pH của dung dịch CH 3 COO - thu được tại điểm tương đương bằng phương pháp chuẩn độ

điện thế 51

III 5.4.Áp dụng thuật toán đơn hình để xác định HSCB của NH3 52

III.5.4.1.Xác định HSCB của NH 3 từ giá trị thực nghiệm đo pH của dung dịch NH 3 52

III.5.4.2.Xác định HSCB của NH 3 từ giá trị thực nghiệm đo pH của dung dịch NH 4 thu được tại điểm tương đương bằng trong quá trình chuẩn độ điện thế dung dịch NH 3 54

III.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của việc chọn nghiệm đầu pK và giá trị biến thiên pK đến khả năng và tốc độ hội tụ 56

III.3.3 Ảnh hưởng của kết quả chuẩn độ đo pH đến độ chính xác của kết quả nghiện cứu 54

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 64

Trang 6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ĐKP : Điều kiện proton

h : Nồng độ cân bằng của các ion H+

Trang 7

1

MỞ ĐẦU

Trong lĩnh vực nghiên cứu cân bằng ion, việc xác định các tham số cân bằng nói chung và hằng số cân bằng (HSCB) nhiệt động nói riêng là rất cần thiết, bởi vì có biết chính xác các giá trị HSCB thì mới đánh giá chính xác được giá trị pH cũng như thành phần cân bằng của hệ nghiên cứu Mặt khác, hiện nay trong các tài liệu tra cứu vẫn chưa có sự thống nhất về các giá trị hằng số cân bằng

Trong số các HSCB thì HSCB axit – bazơ là đại lượng quan trọng,

vì hầu hết các quá trình xảy ra trong dung dịch đều liên quan đến đặc tính axit – bazơ của các chất

Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định hằng số cân bằng của các axit – bazơ, nhưng thông thường đều dựa trên kết quả đo pH, hoặc từ giá trị pH đã biết

Để xác định các tham số cân bằng bằng thực nghiệm phải tốn khá nhiều công sức và thời gian, vì ngoài việc chuẩn độ đo pH, người ta còn phải xác định hệ số hoạt độ phân tử ở các lực ion khác nhau Do đó các giá trị thực nghiệm thu được còn hạn chế, không đáp ứng được nhu cầu tính toán cân bằng

Để khắc phục hạn chế này, trong nhiều năm gần đây đã có một số công trình nghiên cứu lý thuyết ([1], [3], [5], [7], [9]) kết hợp với ứng dụng công nghệ thông tin vào hóa học phân tích, lập các chương trình tính để đánh giá HSCB axit – bazơ

Nhưng một điểm chú ý là tất cả các công trình đề cập ở trên đều là các công trình nghiên cứu về mặt phương pháp, tức là thay cho giá trị pH lẽ

ra đo bằng thực nghiệm, các tác giả dùng điều kiện proton (ĐKP) để tính giá trị pH theo lý thuyết từ nồng độ ban đầu và các HSCB axit – bazơ tra trong tài liệu tham khảo [4], rồi từ giá trị pH này, sử dụng phương pháp

Trang 8

2

nghiên cứu (giải hệ phương trình phi tuyến [1], sử dụng phương pháp đơn hình [7], thuật giải di truyền [3] và phương pháp tính lặp theo ĐKP kết hợp với phương pháp bình phương tối thiểu (BPTT) [5], [9]) để tính trở lại các hằng số phân ly axit, bazơ Cũng theo hướng nghiên cứu như tài liệu [9], tác giả trong [2] kết hợp nghiên cứu lí thuyết với việc thử nghiệm bước đầu

để kiểm chứng khả năng sử dụng của phương pháp nghiên cứu, bằng cách tiến hành thực nghiệm chuẩn độ đo pH của dung dịch axit oxalic, từ đó xác định được hằng số phân li axit của axit này Kết quả phù hợp với lí thuyết

Để tiếp tục khai thác ứng dụng của phương pháp, tác giả trong [8] đã tiến hành đo pH của hỗn hợp axit axetic và axit fomic bằng phương pháp chuẩn

độ điện thế Kết quả xác định HSCB (thông qua việc tính lặp lực ion) của axit axetic là thỏa mãn, còn giá trị HSCB của axit fomic tính được dựa vào

pH thực nghiệm có bị lệch nhưng không nhiều so với số liệu lí thuyết

Cũng tiến hành chuẩn độ điện thế đo pH của dung dịch hỗn hợp gồm axit axetic và axit benzoic dùng muối KCl để cố định lực ion, tác giả trong [10] đã xác định được HSCB của 2 axit này theo phương pháp bình phương tối thiểu Kết quả thu được khá phù hợp với giá trị HSCB tra trong tài liệu tham khảo [4]

Trong công trình [7] tác giả đã nghiên cứu phương pháp đơn hình để

đánh giá HSCB của các đơn axit hoặc đơn bazơ từ giá trị pH (tính toán

theo lý thuyết) của hỗn hợp các đơn axit hoặc hỗn hợp các đơn bazơ bằng cách tính lặp theo lực ion Vấn đề đặt ra là từ giá trị pH đo được bằng thực nghiệm của dung dịch một đơn axit hoặc của dung dịch một đơn bazơ có

thể xác định được HSCB của đơn axit hoặc đơn bazơ theo phương pháp

đơn hình, bằng cách cố định lực ion được không? Để trả lời câu hỏi này

chúng tôi chọn đề tài “ Xác định hằng số cân bằng của axit axetic và NH 3

từ dữ liệu thực nghiệm đo pH bằng phương pháp đơn hình”

Trang 9

3

Trong khuôn khổ của một luận văn tốt nghiệp, chúng tôi đặt ra các nhiệm vụ như sau:

1 Tổng quan các phương pháp xác định HSCB axit, bazơ

2 Xây dựng chương trình tính lặp, có kể đến hiệu ứng lực ion (nhưng được khống chế bằng muối trơ) theo phương pháp đơn hình để xác định hằng số cân bằng nhiệt động của đơn axit và đơn bazơ

3 Theo tài liệu tra cứu, hằng số phân li axit của amoni kh á nhỏ (pKa

= 9,24), do đó chúng tôi tiến hành thực nghiệm chuẩn độ điện thế đo pH của dung dịch axit axetic và dung dịch amoniac (mà không đo pH của dung dịch amoni) Từ giá trị pH đo được, xác định hằng số cân bằng của đơn axit

và đơn bazơ nói trên

4 Khảo sát khả năng hội tụ và các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng và tốc độ hội tụ của phương pháp Kết luận về khả năng ứng dụng của thuật toán đơn hình trong việc khai thác dữ liệu pH thực nghiệm

Sự phù hợp giữa giá trị hằng số cân bằng tính được từ dữ liệu thực nghiệm đo pH với giá trị hằng số cân bằng tra trong tài liệu [4] được coi là tiêu chuẩn đánh giá tính đúng đắn của phương pháp nghiên cứu và độ tin cậy của chương trình tính

Để kiểm tra khả năng hội tụ chúng tôi giữ lại ở kết quả tính số chữ số

có nghĩa tối đa mà chưa chú ý đến ý nghĩa thực tế của các số liệu

Để tính toán chúng tôi sử dụng ngôn ngữ lập trình TURBO PASCAL, version 7.0 để lập trình cho các hệ khác nhau Trong các phép tính chúng tôi chọn độ hội tụ nghiệm là ε = 10-9

Trang 10

4

PHẦN I

TỔNG QUAN

I.1 Cân bằng và hoạt độ

I.1.1 Định luật tác dụng khối lƣợng [6]

Hằng số cân bằng là đại lƣợng đặc trƣng cho trạng thái cân bằng của

quá trình thuận nghịch Ở các điều kiện xác định đối với mỗi phản ứng

thuận nghịch hằng số cân bằng K là đại lƣợng không đổi Nó không phụ

thuộc vào nồng độ các chất phản ứng, mà chỉ thay đổi khi nhiệt độ, bản

chất các chất phản ứng và dung môi thay đổi

Thật vậy, giả sử xét cân bằng trong dung dịch:

i  0 với i từ 1p; i  0 với i từ p+1s (I.2)

Hoá thế cấu tử i nằm trong dung dịch đƣợc biểu thị nhƣ sau:

i = i0 + iRTlnai (I.3) Trong đó:

i là hóa thế hay năng lƣợng mol riêng phần của cấu tử i khi nhiệt độ,

áp suất và số mol các cấu tử khác hằng định

ai: Hoạt độ của cấu tử i, là hàm số của nồng độ, áp suất, nhiệt độ Nó

liên hệ với nồng độ phân tích nhờ hệ thức: ai = fiCi (fi1 thì Ci ai)

Trang 11

data error !!! can't not

read

Trang 12

read

Trang 13

read

Trang 14

read

Trang 15

read

Trang 17

read

Trang 18

read

Trang 19

read

Trang 20

read

Trang 21

read

Trang 22

read

Trang 23

read

Trang 24

read

Trang 26

read

Trang 27

read

Định dạng
Số trang	27
Dung lượng	382,01 KB