Giáo trình Hóa đại cương - Chương 2 - Các khái niệm và định luật cơ bản

CHƯƠNG 2 CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN 1 NỘI DUNG 1. DUNG DỊCH VÀ NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH ¾ Khái niệm dung dịch ¾ Các loại nồng độ dung dịch và cách biểu thị ¾ Các cách quy đổi giữa các dạng nồng độ 2. CÂN BẰNG HOÁ HỌC – ĐL TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG 3. ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG ĐƯƠNG LƯỢNG 2 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD 1. KHÁI NIỆM DUNG DỊCH Dung dịch (dd) là hệ đồng thể do sự phân tán của các phân tử hay ion vào nhau 1. R/L (dd NaCl) 2. L/L (Rượu/H2 O) 3. K/L (DD HCl) 4. R/K (bụi/ko khí) 5. R/R (hợp kim) 6. L/K (sương mù) chất phân tán (chất tan) Môi trường phân tán (d_môi) Tùy trạng thái tập hợp của chất phân tán và MT phân tán Thành phần thay đổi trong một giới hạn rộng các dạng dd khác nhau 3 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ¾ Nồng độ dd: lượng chất tan trong lượng dmôi xác định. ¾ Dung dịch loãng ⇒ chất tan ít ¾ Dung dịch đậm đặc ⇒ chất tan chiếm tỷ lệ lớn. ¾ Dung dịch bão hoà ⇒ chứa chất tan tối đa. • m (g): Khối lượng chất tan • q (g) : Khối lượng dung môi • Vx (ml): Thể tích chất tan • V (ml) : Thể tích dd cho hoà tan m (g) vào Vx (ml) dung môi • d (g/ml): Khối lượng riêng của dd thu được. Các đại lượng liên quan đến chất tan và dung môi trong dung dịch 4 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™ CÁC LOẠI NỒNG ĐỘ DD ¾Độ tan S: lượng chất tan trong 100 g dung môi để tạo nên dd bão hoà (ở điều kiện to và P xác định). ¾Nồng độ khối lượng (g/l): Số g chất tan có trong 1 lít dd ¾Độ chuẩn (T): Số g (hay mg) chất tan trong 1 ml DD 100. q mS = 1000./ V mC lg = V mT mlg =/ 1000./ V mT mlmg = 5 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™CÁC LOẠI NỒNG ĐỘ DD ¾ Nồng độ phần trăm (%): Có ba dạng biểu diễn ™%(khối lượng/khối lượng): số g chất tan trong 100 g dd. ™%(khối lượng/thể tích): số g chất tan trong 100 ml dd. ™%(thể tích/thể tích): số ml chất tan trong 100 ml dd. 100.)/%( qm mKLKLC += 100.)/%( V mTTKLC = 100.)/%( V VTTTTC x= 6 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™ CÁC LOẠI NỒNG ĐỘ DD ¾ Nồng độ phần triệu (ppm): Biểu diễn khối lượng chất tan có trong 106 lần khối lượng mẫu cùng đơn vị 1 ppm = 1 g chất tan trong 106 g hay 1000 kg mẫu = 1 mg chất tan trong 106 mg hay 1 kg mẫu ™ Nếu mẫu lỏng và dd loãng ⇒ d ≈ 1 g/ml ⇒ C(ppm) = C(mg/l) ¾ Nồng độ mol: Số mol chất tan trong 1 lít dd 610.)( qm mppmC += VM mCM 1000.= 7 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™CÁC LOẠI NỒNG ĐỘ DD ¾ Nồng độ molan: biểu diễn số mol chất tan trong 1000 g dung môi ¾ Nồng độ phần mol: là tỷ số giữa số mol của cấu tử i (ni) trên tổng số mol các chất tạo thành dd qM mCm 1000.= N nN ii = 8 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™CÁC LOẠI NỒNG ĐỘ DD ¾ Nồng độ đương lượng: Số đương lượng chất tan trong 1 lít dung dịch. ¾ Đương lượng (Đ): là phần khối lượng của nguyên tố hay hợp chất kết hợp hay thay thế vừa đủ với một đơn vị đương lượng, hoặc một đương lượng của nguyên tố khác Một đơn vị đương lượng bằng 1,008 phần khối lượng H2 hay 8 phần khối lượng O2 . VĐ mCN 1000.= 9 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™ CÁCH TÍNH ĐƯƠNG LƯỢNG ¾ Đối với nguyên tố: ¾ Đối với hợp chất AB: ⇒ Số đơn vị đương lượng n thay đổi tùy theo phản ứng n M Đ XX = • ĐX : Đ của nguyên tố X • MX : KLNT của X • n : Số hoá trị của X n M Đ ABAB = • ĐAB : Đ của hợp chất AB • MAB : KLPT của AB • n : Số đơn vị đương lượng 10 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™ ĐƯƠNG LƯỢNG HỢP CHẤT ¾ AB là chất oxy hoá - khử: n là số điện tử trao đổi ứng với 1 mol AB 2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2 SO4 = 2MnSO4 + 5Fe2 (SO4 )3 + K2 SO4 + 8H2 O KMnO4 : Mn7+ Mn2+: Nhận 5 e- ⇒ 631 5 03158 5 4 4 ,, M Đ KMnOKMnO === Cl2 + 2e− → 2Cl− Đ(Cl2 ) = M (Cl2 ) / 2 Đ(HCl) = M(HCl) / 1 Cr2 O72− + 6e− → 2Cr3+ Đ(K2 Cr2 O7 ) = M/ 6 Đ(CrCl3 ) = M / 3 S4 O62− + 2e− → 2 S2 O32− Đ(Na2 S4 O6 ) = M / 2 Đ(Na2 S2 O3 ) = M / 1 Fe2 (SO4 )3 + 2e− → 2FeSO4 Đ(FeSO4 ) = M / 1 Đ(Fe2 (SO4 )3 ) = M / 2 11 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™ ĐƯƠNG LƯỢNG HỢP CHẤT ¾ AB là axit hay baz: n là số ion H+ hay OH- thực sự tham gia phản ứng trong 1 mol AB. ™ Với các axit đơn chức (HCl, HNO3), baz đơn chức (NaOH, KOH hay NH4OH (NH3)) ⇒ Đ = M. ™ Với các axit hay bazo đa chức ⇒ đương lượng tuỳ thuộc vào phản ứng. Ví dụ, với Na2 CO3 , có hai đương lượng khác nhau tuỳ phản ứng Na2 CO3 + HCl = NaHCO3 + NaCl ⇒ Đ = M/1 Na2 CO3 + 2HCl = NaCl + CO2 + H2 O ⇒ Đ = M/2 12 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™ ĐƯƠNG LƯỢNG HỢP CHẤT ¾ AB là hợp chất ion (muối): ĐAB là lượng AB có khả năng trao đổi với 1 mol ion mang điện tích +1 hay -1. Đ(NaCl) = M/ 1 Đ(BaCl2 ) = M / 2 Đ(Fe2 (SO4 )3 ) = M / 6 13 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™ ĐƯƠNG LƯỢNG HỢP CHẤT ¾ AB là phức chất: ¾ Nếu AB là phức chất được tạo thành từ sự kết hợp ion kim loại trung tâm Mn+ với các phối tử L (ligand) theo PỨ: Mn+ + x L = [MLx ]m ⇒ Đương lượng của phức chất (hoặc thành phần) được xác định giống ĐL của muối Ví dụ: Cu2+ + 4 NH3 = [Cu(NH3 )4 ]2+ Đ(Cu2+) = M /2 Đ [Cu(NH3 )4 ]2+ = M /2 Đ(NH3 ) = M / ½ = 2M 14 DUNG DỊCH – NỒNG ĐỘ DD ™Pha trộn từ hai dung dịch đã biết nồng độ ™Liên hệ giữa một số nồng độ thông dụng ca bc m m b a − −= + a, b: Nồng độ % của các dung dịch ban đầu (a > b) + c : Nồng độ % của dung dịch mong muốn + ma , mb : Khối lượng của dung dịch nồng độ a và b n CC NM = M dCCM %..10= Đ dCCN %..10= 15 HOẠT ĐỘ ™ Trong dd, các chất tan → các ion. Khi có đồng thời nhiều ion trong dd ⇒ lực tương tác ion μ ⇒ Giảm khả năng hoạt động ion ⇒ Ion chỉ còn hiện diện với nồng độ hiệu dụng a (thay vì c) a = f . c ™ Công thức tính lực ion μ ™ ™ Từ μ ⇒ suy ra f theo các công thức nghiệm hay bảng tra trong sổ tay (sách trang 30 – 31). ∑ = = n i ii ZC 1 2 2 1μ hoạt độ hệ số hoạt độ (phụ thuộc μ) 16 HOẠT ĐỘ Ví dụ : Tính hoạt độ của dung dịch KCl và của K+, Cl− trong nước có C = 0,01M KCl → K+ + Cl− aKCl = aK + = aCl − = 0,89×0,01 = 0,0089 M Lưu ý: ™ Dung dịch loãng ⇒ μ ≈ 0 nên f = 1 và a = c ™ Hoạt độ thường được ký hiệu bằng dấu (). ™ Trong HPT, dd thường loãng nên thường lấy f =1 17 QUÁ TRÌNH HOÀ TAN VÀ TẠO TỦA Quan sát các hiện tượng sau: ™ Khi cho muối vào trong nước ⇒ muối tan ⇒ Hoà tan ™ Khi tiếp tục cho muối vào dung dịch ⇒ dung dịch bão hòa ⇒ muối không tan nữa. ™ Khi cho bay hơi dung dịch bão hoà⇒ muối rắn tách ra ⇒ Quá trình kết tủa ¾ Quá trình hòa tan và kết tủa là hai hiện tượng ngược nhau của một phản ứng thuận nghịch. AgNO3 + NaCl AgCl ↓ + NaNO3 Theo (1) : phản ứng tạo tủa AgCl với vkt Theo (2) : phản ứng hòa tan AgCl với vht (1) = (2) khi vkt = vht ⇒ Hệ đạt trạng thái cân bằng ⎯→⎯ )1(⎯⎯← )2( 18 QUÁ TRÌNH HOÀ TAN VÀ TẠO TỦA AgNO3 + NaCl AgCl ↓ + NaNO ¾ Tại trạng thái cân bằng, tích số hoạt độ (Ag+)(Cl-) là hằng số và được gọi là tích số tan của AgCl, ký hiệu TAgCl. TAgCl = (Ag+)(Cl-) = aAg+.aCl-. ¾ Tổng quát: ¾ Nếu là hợp chất AB: AB↓ ⇔ An+ + Bn- TAB = aA+.aB− = [An+].[Bn−].fA .fB (fA ,fB : hệ số hoạt độ của A,B) ¾ Nếu là hợp chất AmBn : AmBn→ mAn+ + nBm− TAmBn = aAn+m× aBm−n = [An+]m.[Bm−]n. fAm.fBn ⎯→⎯ )1(⎯⎯← )2( 19 QUÁ TRÌNH HOÀ TAN VÀ TẠO TỦA LIÊN HỆ GIỮA ĐỘ TAN VÀ TÍCH SỐ TAN ™ Độ tan: Với chất điện ly ít tan, độ tan là khả năng tan tối đa→ tạo thành các ion trong dung dịch. Đơn vị độ tan: g/l hay mol/l. ™ Xét tổng quát, nếu AmBn là chất điện ly ít tan và trong dung dịch không có ion nào khác hiện diện, ta có Am Bn ↔ mAn+ + nBm− S mS nS Do chất ít tan nên c rất nhỏ và f ~1 ⇒ a ~ c TAmBn = [An+]m.[Bm−]n S = nm nm AmBn nm T+ . 20 CÂN BẰNG HOÁ HỌC ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG ¾ Thực tế, có nhiều loại phản ứng hoá học khác nhau: ™ Phản ứng hoàn toàn: các chất phản ứng hết với nhau, ví dụ: 2H2 + O2 → 2H2 O ™ Phản ứng không hoàn toàn (thuận nghịch): phản ứng không diễn ra đến cùng ⇒ đạt cân bằng. H2 + I2 ⇔ 2HI ¾ Với PƯ thuận nghịch, định luật tác dụng khối lượng: aA + bB cC + dD ba cd ba cd BA CD BA CDK ][][ ][][ ).()( ).()( == ⎯⎯← )2(⎯→⎯ )1( 21 ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG ĐƯƠNG LƯỢNG ¾ ĐL Danton: “Trong một phản ứng hóa học, một đương lượng của chất này chỉ thay thế hay kết hợp với một đương lượng của chất khác mà thôi”. Với phản ứng: A + B → D + E BBAA CVCV .. = • mA , mB : khối lượng của A, B • ĐA , ĐB : đương lượng gam của A, B • VA, , VB : Thể tích của A và B tác dụng vừa đủ với nhau B A B A B B A A Ñ Ñ m m hay Ñ m Ñ m == 22