Bài giảng môn học hoá lý 2

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện của dung dịch chất điện ly: b Ảnh hưởng của nhiệt độ  Thực nghiệm cho thấy: khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện tăng độ nhớt dung dịch và độ solvat hó

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Hóa và Môi Trường – Bộ môn KT Hóa học

HÓA LÝ 2

Tên giảng viên: Lê Thu Hường Email: lethuhuong@tlu.edu.vn

ĐT: 0971611795

Bài kiểm tra trên

lớp

1 45 phút, 3 câu tự luận Tuần 5 10%

Chuyên cần, thái

độ

1 Đi học đầy đủ, tham

gia tích cực trong giờ học

HÓA LÝ 2

4 Nội dung tóm tắt môn học

Bao gồm 02 phần chính:

+ Điện hóa học: dung dịch điện li, điện cực và pin, động học các quá trình điện cực;

+ Hóa keo: khái niệm, các tính chất cơ bản của dung dịch keo, điều chế và làm sạch hệ keo; các hệ bán keo và phân tán thô, dung dịch hợp chất cao phân tử

5 Giáo trình sử dụng

Giáo trình:

[1] Nguyễn Hữu Phú, Hoá lý và hoá keo, NXB Khoa học và Kĩ thuật, 2009

[2] Ngô Quốc Quyền, Trần Thị Thanh Thủy, Điện hóa học, NXBBK Hà Nội, 2013

Các tài liệu tham khảo:

[1] Trịnh Xuân Sén, Điện hoá học, NXB ĐH Quốc gia, 2003

[2] Nguyễn Đình Chi, Nguyễn Hạnh, Cơ sở lý thuyết Hóa học, Tập 2, NXB GD, 2005.[3] P.W Atkin, Physical Chemistry, 6th Ed Oxford University Press, 2003

Chương 1: DUNG DỊCH ĐIỆN LI

1.1.1 Phân loại dây dẫn: Dựa vào khả năng dẫn điện (dẫn điện, bán dẫn và cách điện),

bản chất chuyển vận dòng điện (loại 1 và loại 2).

+ Dây dẫn loại 1: bao gồm tất cả các kim loại ở trạng thái rắn và nóng chảy Dây dẫn

điện loại 1 dẫn điện bằng eletron, có độ dẫn điện cao và có thể nối trực tiếp với nguồn điện

+ Dây dẫn loại 2: bao gồm các dung dịch nước của các muối, axit và bazo, gồm một số

muối nóng chảy Dây dẫn điện loại 2 dẫn điện bằng các ion và không thể nối trực tiếp với nguồn điện mà phải thông qua dây dẫn loại 1

1 1 T í n h c h ấ t d ẫ n đ i ệ n c ủ a d u n g d ị c h đ i ệ n l y

 Ví dụ: Ta có dung dich muối AX dây dẫn loại 2

Trong nước, muối AX phân ly thành các ion A+ và X-

Các ion cũng không thể nối trực tiếp với nguồn điện nếu

không có sự can thiệp của dây dẫn loại 1

5

1.1.2 Độ dẫn điện của dung dịch các chất điện li:

 Độ dẫn điện L (Ω-1 hoặc S): là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn điện của các loại dây dẫn

+ Định luật Omh:

ρ: điện trở suất dung dịch, s: tiết diện điện cực (cm2);

l: khoảng cách giữa hai điện cực (cm)

 Độ dẫn điện riêng χ (Ω-1.cm-1): đặc trưng cho khả năng dẫn điện của dung dịch điện li ; B: hằng số bình (cm-1)

+ Độ dẫn điện đương lượng λ (đlg-1 Ω-1.cm2): là độ dẫn điện của một thể tích dung dich điện li chứa một đương lượng gam chất nằm giữa hai điện cực

B R s

l

1

11

L s

1 1 T í n h c h ấ t d ẫ n đ i ệ n c ủ a d u n g d ị c h đ i ệ n l y

1.1.3 Chất điện ly yếu và chất điện ly mạnh:

 Hiện tượng điện li:

+ Thuyết Cablucov: Nguyên nhân của sự điện li là tương tác của các phân tử dung môi với các phân tử chất điện ly để tạo thành các ion bị sonvat hoá

Ví dụ 1: Sự điện ly của NaCl trong nước Ví dụ 2: Sự điện ly của HCl trong nước

HCl + qH 2 O → H 3 O + Cl - (q-1) H 2 O

Kết luận: Sự phân li ion phụ thuộc vào

bản chất của chất điện li và dung môi

+ Kết luận: hằng số phân ly K càng lớn thì sự phân ly càng mạnh và ngược lại.

+ Độ phân li α: của chất điện li là tỉ số giữa số phân tử phân li ra ion (n) và tổng số phân tử chất điện li hòa tan (n0)

+ Độ phân li phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ dung dịch, bản chất của chất tan và dung môi, chất điện ly hoàn toàn α = 1; chất không điện ly α = 0

] [

] ].[

[

AB

B A

K C 

% 100 0

1 0

%;

100 0

AB A+ + B

-AB

B A

a

a a

K   . 

 Định luật pha loãng Ostwald:

+ Xét chất điện ly yếu AB, hằng số điện ly KC, độ điện ly , nồng độ ban đầu C0 mol/l.

2

C

K C

0

]

[

] ][

[

C C

C

C

C AB

B A K

 Hệ số Van’Hoff (i):

+ i > 1 đối với dung dịch điện li; i = 1 đối với dung dịch không điện li

i = tổng số tiểu phân (ion + phân tử) sau khi phân li/tổng số tiểu phân ( phân tử) ban đầu

 Quan hệ giữa i và α:

+ Xét chất điện ly AxBy (hoà tan N 0 phân tử AxBy) có độ điện ly  và mỗi phân tử AxByphân ly thành q ion

+ Số phân tử bị phân ly là N0 tạo ra qN0 ion

+ Số phân tử không bị phân ly là N 0 - N 0

+ Tổng số phần tử có trong dung dịch: N ’ = N 0 - N 0 + q N 0

P

P t

t t

t P

P i

đ

đ s

s

' '

1 (

1

1

0

0 0

0 0

q N

N q N

N N

N

ion quá lớn → tương tác tĩnh điện giữa các ion tăng lên → cản trở sự chuyển động của các ion →  giảm.

+ Chất điện li yếu: khi nồng độ vô cùng loãng (C → 0), độ phân ly α là lớn nhất Tăng C làm tăng số lượng ion, mặt khác làm α giảm C tăng đến Cmax, α trở nên rất nhỏ → số ion trong dung dịch giảm →  giảm

1 1 T í n h c h ấ t d ẫ n đ i ệ n c ủ a d u n g d ị c h đ i ệ n l y

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện của dung dịch chất điện ly:

+ Công thức thực nghiệm của Kohlraush phù hợp cho chất điện li mạnh

+ Chất điện li mạnh: khi tăng , lực tương tác ion tăng, làm giảm tốc độ chuyển động của

các ion nên λ giảm

+ Chất điện li yếu: khi tăng nồng độ số ion trong dung dịch giảm nên λ giảm

C A

a) Sự phụ thuộc của χ vào nồng

độ dung dịch điện li C (mol/l) b) Sự phụ thuộc của λ vào nồng độ dung dịch điện li 1 / 2

) lg/

( , đ l C

25 ,

.

1 );

1

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện của dung dịch chất điện ly:

b) Ảnh hưởng của nhiệt độ

 Thực nghiệm cho thấy: khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện tăng (độ nhớt dung dịch và độ solvat hóa giảm → linh độ của ion tăng),

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ dẫn điện đương lượng được biểu diễn bằng hệ số nhiệt độ

TÓM TẮT NỘI DUNG HỌC BUỔI TRƯỚC

 Chất điện li yếu và mạnh:

+ Hằng số phân ly K:

+ Độ phân li α:

+ Định luật pha loãng Ostwald: khi pha loãng , độ phân ly của chất điện li tăng

+ Hệ số Van’Hoff i: tổng số tiểu phân (ion + phân tử) sau khi phân li/tổng số tiểu phân

( phân tử) ban đầu

+ Quan hệ giữa i và α: (q: số ion phân ly ra)

a

a

a K AB

B A



;][

]].[

[

% 100

t t

t P

P i

đ

đ s

s

' '

- Phân loại dây dẫn: Dựa vào khả năng dẫn điện (dẫn điện, bán dẫn và cách điện), bản

chất chuyển vận dòng điện (loại 1 và loại 2)

 Độ dẫn điện của dung dịch các chất điện li:

l

1

11

 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện của dung dịch chất điện ly:

+ Ảnh hưởng nồng độ: Chất điện li mạnh: tăng C → số lượng ion trong dung dịch tăng lên

→  tăng Nhưng, nếu nồng độ tăng đến mức làm cho nồng độ ion quá lớn → tương tác tĩnh điện giữa các ion tăng lên → cản trở sự chuyển động của các ion →  giảm

+ Chất điện li yếu: khi tăng C làm tăng số lượng ion →  giảm

1 1 T í n h c h ấ t d ẫ n đ i ệ n c ủ a d u n g d ị c h đ i ệ n l y

25,

1);

.1

1 2 S ự v ậ n c h u y ể n c ủ a i o n t r o n g đ i ệ n t r ư ờ n g

1.2.1 Linh độ ion (λ±):

+ Xét hình trụ đựng chất điện li có tiết diện ngang S, đặt giữa hai điện cực có khoảng cách l

+ Điện lượng chuyển qua dung dịch trong 1 đơn vị thời gian (s) là dòng điện I được

chuyển tải cho các cation và anion: I = I+ + I-;

+ Trong đó: I là dòng điện qua dung dịch

I+ là dòng điện cho các cation chuyển tải

I- là dòng điện cho các anion chuyển tải

+ Gọi tốc độ của cation là u’ (cm/s), tốc độ của anion là v’ (cm/s); Gọi nồng độ của ion là

1 2 S ự v ậ n c h u y ể n c ủ a i o n t r o n g đ i ệ n t r ư ờ n g

+ Trong thời gian 1s, số cation chuyển qua một tiết diện S bằng : n+ = S.u’.C+

+ Theo định luật Faraday, 1 đương lượng gam ion chuyển tải một điện lượng F = 96487 Culong = 96500 Do đó : I+ = S.u’.C+.F

+ Tương tự: I- = S.v’.C-.F

I = = I+ + I- = S.u’.C+.F + S.v’.C-.F = (u’ + v’) S.Ci.F (vì C+=C-=Ci) (*)

+ Tốc độ u’ và v’ phụ thuộc vào bản chất ion, cường độ điện trường, nồng độ, nhiệt độ và

độ nhớt của dung dịch Chọn các yếu tố: nồng độ, nhiệt độ, độ nhớt,… sao cho không ảnh hưởng đến tốc độ của ion, thì u’ và v’ chỉ phụ thuộc vào cường độ điện trường

l: khoảng cách giữa hai điện cực [cm]; E: hiệu điện thế giữa hai điện cực [vôn]; u, v: là

hệ số tỷ lệ; Khi E = 1 [von/cm], l = 1cm thì u’=u và v’=v Lúc này u và v gọi là tốc độ tuyệt đối của cation và anion [cm2.v-1.s-1]

l

E u

u ' ' . (**)

l

E v

v 

1 2 S ự v ậ n c h u y ể n c ủ a i o n t r o n g đ i ệ n t r ư ờ n g

l

E F S C v u

I (  ). i .

+ Từ (*) (**):

+ Theo định luật Ohm:

+ Chất điện li mạnh (α = 1)

+ Chất điện ly yếu

l

E F S C v u l

S C λ E l

S χ E R E

1000

.

=

=

1

=

1000

).

(

C

Ci F v

u C

Ci

) (

1 1000

: linh độ anion giới hạn;

: linh độ cation giới hạn

+ Trong dung dịch vô cùng loãng:        1

+ Do đó đối với mọi chất điện ly (mạnh và yếu):

 Phát biểu định luật chuyển động độc lập ion của Kohlraush: trong dung dịch vô cùng

loãng độ dẫn điện đương lượng của chất điện ly bằng tổng linh độ của các cation và anion trong dung dịch

→ Đối với các chất điện ly 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 do độ phân ly thì:

+ Đối với chất điện li mạnh, tuy α = 1 nhưng λ- và λ+ phụ thuộc vào nồng độ nên

và Hệ số dẫn điện fλ đặc trưng cho sự sai khác này :

+ Độ dẫn điện đương lượng giới hạn của chất điện li

mạnh thường xác định bằng phương pháp ngoại suy đồ thị

+ Độ dẫn điện đương lượng giới hạn của các chất điện li yếu

thường tính toán gián tiếp qua độ dẫn điện đương lượng

của chất điện ly mạnh theo đinh luật độc lập chuyển động

ion của Kohlrausch

( , đ l C

Ví dụ: Tính của CH3COOH ở 25°C biết:

Giải: Định luật Kohlrausch

CH HCl

Na Cl

Na COO

CH Cl

H COOH

lg (

390 5

, 126 0

, 91 1

I+: đương lượng do các cation chuyển tải

I-: đương lượng do các anion chuyển tải

I: đương lượng tổng cộng chuyển qua dung dịch điện li

+ Vì I+ + I- = I nên t+ + t- = 1

l

E F S C v I

l

E F S C u I

.

.

I (  ). i .



TÓM TẮT NỘI DUNG HỌC BUỔI TRƯỚC

 Định luật chuyển động độc lập ion của Kohlraush: trong dung dịch vô cùng loãng độ

dẫn điện đương lượng của chất điện ly bằng tổng linh độ của các cation và anion trong dung dịch

+ Đối với các chất điện ly 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 do độ phân ly thì:

+ Độ dẫn điện đương lượng giới hạn của chất điện li

mạnh thường xác định bằng phương pháp ngoại suy đồ thị

+ Độ dẫn điện đương lượng giới hạn của các chất điện li yếu

thường tính toán gián tiếp qua độ dẫn điện đương lượng

của chất điện ly mạnh theo đinh luật độc lập chuyển động

ion của Kohlrausch

 Số vận chuyển ion : Phần điện lượng do mỗi loại ion chuyển tải so với tổng số điện lượng chuyển qua dung dịch điện li được gọi là số vận chuyển ion.

I+: đương lượng do các cation chuyển tải

I-: đương lượng do các anion chuyển tải

I: đương lượng tổng cộng chuyển qua dung dịch điện li

+ Vì I+ + I- = I nên t+ + t- = 1

l

E F S C v I

l

E F S C u I

.

.

I (  ). i .



1 2 S ự v ậ n c h u y ể n c ủ a i o n t r o n g đ i ệ n

t r ư ờ n g

 Số chuyển vận ion (t±):

+ Xác định số vận chuyển của dung dịch điện li theo phương pháp Hittorf

+ Giả sử : H+ chuyển về catot với tốc độ gấp 5 lần so với Cl- chuyển về anot (u/v=5); I-

Miền anot; II- Miền trung gian; III- Miền catot

+ Sau khi điện phân:

II: nồng độ của HCl không thay đổi

t v

u

v I

I t

v u

u I

I t

.

1 2 S ự v ậ n c h u y ể n c ủ a i o n t r o n g đ i ệ n t r ư ờ n g

VD: Xác định số vận chuyển của dung dịch H2SO4 theo phương pháp Hittorf

+ Catot (-): 2H+ + 2e- H2; anot: 2OH- - 2e- H2O + O2

+Nồng độ của H2SO4 ở catot giảm đi bao nhiêu thì ở anot lại tăng lên bấy nhiêu, ∆n = 0 (Δnc = -Δna), do đó trong trường hợp này phải xác định ∆n bằng cách khác Có thể xác định

∆n theo điện lượng tiêu thụ q trong qúa trình điện phân

Δnc: số đương lượng gam chất điện li giảm ở catot

Δna số đương lượng gam chất điện li giảm ở anotΔn: tổng số đương lượng gam chất điện li giảm

q n

F

 

 Đo q bằng điện lượng kế được mắc nối tiếp trong hệ

m V V C n

1 2 S ự v ậ n c h u y ể n c ủ a i o n t r o n g đ i ệ n t r ư ờ n g

Bài 14 (T.65): Điên phân dd KOH 0.05M Sau khi điên phân dd anot cân nặng 80 g có

nồng độ 0.0456 M Điện lượng kế Cu mắc nối tiếp thu được 47,7 g Cu kết tủa Tính tK+

Giải:

+ Theo định luât Faraday:

+ Độ giảm đương lượng gam của chất điện li ở anot na

3 Cu

Cu 3

4 3

m (C C ) 80.(0.05 0.0456)

1000 1000 3,52.10

1 3 D u n g d i c h đ i ệ n l i m ạ n h

 Quan hệ giữa nồng độ C và hoạt độ a như sau:a = γ±.C (γ± là hệ số hoạt độ trung bình)

 γ± phản ánh sự tương tác tĩnh điện chung (trung bình) của các cation và anion tồn tạiđồng thời trong dung dịch điện ly

+ Dung dịch loãng γ± 1 nên aC

+ Khi nồng độ không lớn (< 0,05 đlg/l), hệ số hoạt độ trung bình:

 Xác định hệ số hoạt độ trung bình γ± bằng phương pháp thực nghiệm: đo áp suất hơi bão hòa, độ tăng điểm sôi, độ hạ điểm đông Từ kết quả thí nghiệm và kết quả tính toán theo

nồng độ như dung dịch lý tưởng → tính được γ±

C

5077 , 0

ln  

 Hoạt độ của cation a+ và hoạt độ của anion a

-+ a+= γ+.m+ (γ+: hệ số hoạt độ của cation; m-: nồng độ cation)

+ a-= γ-.m- (γ-: hệ số hoạt độ của anion; m-: nồng độ anion)

 Hoạt độ ion trung bình a

+ a= γ±.m (γ±: hệ số hoạt độ ion trung bình; m: nồng độ ion trung bình)

1 3 D u n g d i c h đ i ệ n l i m ạ n h

1.3.2 Hiệu ứng điện di và hiệu ứng bất đối:

 Lực điện di: Trong dung dịch điện ly mạnh, mỗi một ion đuợc bao quanh bởi một ”đám mây” các ion đối Dưới tác dụng của điện trường, ion trung tâm sẽ chuyển về cực trái dấu, còn đám mây sẽ chuyển về cưc còn lại Do đó, ”đám mây” tạo ra 1 lực kéo ion trung tâm ngược với hướng chuyển động của nó Lực đó đựợc gọi là lực điện li

 Lực bất đối: khi ion trung tâm và ”đám mây” ion chuyển động theo hai hướng ngược nhau tới một khoảng cách nào đó, đám mây sẽ bị phá hủy và lập tức đám mây mới hình thành, luôn có sự hình thành và tan rã đám mây → mật độ ion của đám mây phía sau ion trung tâm luôn luôn lớn hơn phía trước, tạo nên một đám mây ion đối bất đối xứng Lực cản xuất hiện do tính bất đối xứng khi ion trung tâm chuyển động theo hướng của điện trường được gọi lá lực bất đối

+ Ảnh hưởng của lực điện di đến độ dẫn điện đương lượng λđd, lực bất đối đến độ dẫn điện đương lượng λbđ : Nồng độ của dung dịch điện ly (khi nồng độ giảm vô cùng loãng không còn đám mây λđd và λbđ → 0 và λ → ∞;); Điện thế giũa hai điện cực ( khi điên thê tăng khả năng hình thành đám mây giảm, λđd và λbđ → 0).

1 3 D u n g d i c h đ i ệ n l i m ạ n h

Sơ đồ minh họa hiệu ứng điện di (a) và hiệu ứng bất đối (b)

+ Cầu Wheatstone đạt cân bằng, khi đó kim điện thế G

chỉ không, tức là không có dòng điện đi qua CD: (R1 nt R2 ) //

(R3 nt Rx) →

 Xác định độ dẫn điện riêng theo phương pháp dùng máy đo độ dẫn điện

+ Conductivity Metre OK-112 đo được trực tiếp độ dẫn điện L của chất chuẩn

+ Hằng số bình B: sử dụng chất điện li chuẩn đã biết trước

+ Sau khi đo được L và biết B, tính được dẫn điện riêng :





Cầu Wheatstone

, 0 002786 ,

0 4 , 82

1

10 977 ,

6 326

2281 ,

0

4 2



Ví dụ áp dụng: Đo điện trở của dung dịch KCl 0,02 M ở 25°C bằng bình đo độ dẫn điện

được điện trở R = 82,4 Ω (độ dẫn điện L =….S or Ω-1 Độ dẫn điện riêng của dung dich KCl này là 0,002786 Ω-1.cm-1 Cũng dùng bình này đo dung dịch K2SO4 0,005 N được R

= 326 Ω Xác định hằng số bình B và độ dẫn điện riêng của dung dịch K2SO4

Giải: Hằng số bình:

 Độ dẫn điện riêng của dung dịch K2SO4 0,005N là:

1 4 Phép đo độ dẫn điện và một số ứng dụng của phép đo độ dẫn điện