MỞ ĐẦU: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HÓA PHÂN TÍCH Mã chương: 01 GIỚI THIỆU Trong Hóa phân tích, một số định luật không thể thiếu được đó là Định luật bảo toàn khối lượng, Định luật thành phần không đổi và Định luật đương lượng. Các định luật này, giúp chúng ta viết đúng và cân bằng được các phương trình phản ứng, giải được các bài toán hóa phân tích. MỤC TIÊU Sau khi học xong bài này, người học có khả năng: - Giải thích được nội dung ý nghĩa của Định luật bảo toàn khối lượng, Định luật thành phần không đổi và Định luật đương lượng. - Trình bày được định nghĩa các nồng độ: Nồng độ phần trăm, nồng độ mol/L, nồng độ đương lượng.
Vận dụng để giải các bài toán chuyển đổi giữa các loại nồng độ đó. - Mô tả được điều kiện kết tủa, hòa tan. - Sử dụng thành thạo các công thức tính nồng độ. - Rèn luyện được tính cẩn thận, tỷ mỉ, chính xác, trung thực trong giải bài tập.
Định luật bảo toàn khối lượng “Khối lượng tổng cộng của các chất không đổi trong một phản ứng hóa học”. Số lượng các chất và tính chất của chúng có thể thay đổi, nhưng khối lượng của các chất thì giữ nguyên không đổi trước và sau phản ứng. Ngay cả những biến đổi sinh học phức tạp trong cơ thể có liên quan đến nhiều phản ứng thì khối lượng vẫn được bảo toàn: C6 H12O6 6O2 6CO2 6 H 2O 0 t 180g glucose + 192g khí oxi → 264g carbon đioxyd + 108g nước 4 (372g nguyên liệu trước phản ứng → 372g chất sau biến đổi) Nhờ định luật bảo toàn khối lượng mà chúng ta có thể cân bằng các phương trình hóa học và tính được khối lượng của các chất tham gia phản ứng và các chất sản phẩm theo tương quan tỷ lệ thuận khi dựa vào phương trình phản ứng đã cân bằng. Định luật thành phần không đổi “Một hợp chất dù được điều chế bằng cách nào thì vẫn bao gồm cùng một loại các nguyên tố và cùng tỷ số khối lượng của các nguyên tố trong hợp chất”.
Các kết quả sau đây thu được về thành phần khối lượng của các nguyên tố trong 20,0 g calci carbonat: Phân tích theo khối lượng Số phần khối lượng Phần trăm khối lượng 8,0g calci 0,40 calci 40% 2,4g carbon 0,12 carbon 12% 9,6g oxy 0,48 oxy 48% 20,0 g 1,00 phần khối lượng 100% khối lượng Định luật thành phần không đổi cho ta biết rằng, calci carbonat tinh khiết thu được từ đá hoa cương ở một ngọn núi, từ san hô ngầm dưới biển, hoặc từ bất kỳ một nguồn nào khác, thì vẫn tìm thấy cùng các loại nguyên tố tạo thành (calci, carbon, oxy) và cùng một số phần trăm như đã cho biết ở bảng trên. Như vậy, nhờ định luật thành phần không đổi mà mỗi hợp chất xác định được biểu thị bằng một công thức hóa học nhất định. Có thể suy ra khối lượng nguyên tố từ tỷ lệ khối lượng của nó trong hợp chất: Số phần khối lượng nguyên tố Khối lượng nguyên tố = Khối lượng hợp chất x 1 phần khối lượng hợp chất Chúng ta có thể biểu diễn phần khối lượng theo bất kỳ đơn vị đo khối lượng nào nếu tiện dùng cho tính toán. 5 Cũng cần chú ý là thành phần không đổi chỉ hoàn toàn đúng cho những hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ ở trạng thái khí và lỏng.
Đối với chất rắn hoặc polymer, do những khuyết tật trong mạng tinh thể hoặc trong chuỗi dài phân tử, thành phần của hợp chất thường không ứng đúng với một công thức hóa học xác định. Ví dụ, tỷ lệ oxy/titan trong titan oxyd điều chế bằng các phương pháp khác nhau dao động từ 0,58 đến 1,33; công thức của sắt sulfid có thể viết Fe1-xS với x dao động từ 0 đến 0,005; phân tử glycogen trong các tế bào gan và cơ có thể gồm 1000 đến 500000 đơn vị glucose; v. Định luật đương lượng Thực nghiệm hóa học xác định rằng: 1,008 khối lượng hydro tác dụng vừa đủ với: 8,0 khối lượng oxy để tạo thành nước (H2O) 35,5 - clo - hydro clorid (HCl) 23,0 - natri - natri hydrid (NaH) 16,0 - lưu huỳnh - hydro sulfid (H2S) 3,0 - carbon - metan (CH4) Số phần khối lượng mà các nguyên tố tác dụng vừa đủ với 1,008 phần khối lượng hydro lại tác dụng vừa đủ với nhau để tạo thành các hợp chất khác. Ví dụ: 8,0 khối lượng oxy + 3,0 khối lượng carbon → carbon dioxyd (CO2) 35,5 khối lượng clor + 23,0 khối lượng natri → natri clorid (NaCl) 16,0 khối lượng lưu huỳnh + 3,0 khối lượng carbon → carbondisulfid (CS2) Người ta gọi số phần khối lượng mà các nguyên tố tác dụng vừa đủ với 1,008 phần khối lượng hydro (và lại tác dụng vừa đủ với nhau) là đương lượng của các nguyên tố, ký hiệu là E (equivalence), và viết: EH = 1,008; EO = 8; ECl = 35,5; ES = 16; v.
chú ý rằng, đương lượng là số phần khối lượng tương đương giữa các chất trong phản ứng nên có thể sử dụng bất kỳ đơn vị khối lượng nào để biểu thị nó (mg, g, kg. Do chính từ khái niệm đương lượng nêu trên mà việc xác định đương lượng của một nguyên tố hay của một hợp chất không nhất thiết phải xuất phát 6 từ hợp chất của chúng với hydro. Ví dụ, để tìm đương lượng của kẽm (Zn) không thể xuất phát từ phản ứng của kẽm với hydro, vì ở điều kiện thường phản ứng này không xảy ra. Tuy nhiên, thực nghiệm dễ dàng cho thấy: 32,5 khối lượng kẽm tác dụng vừa đủ với 8 khối lượng oxy (1EO) để tạo thành kẽm oxyd (ZnO), vậy, EZn = 32,5.
Hoặc để tìm đương lượng H2SO4 không thể bằng cách cho acid này tác dụng với hydro hoặc oxy, nhưng thực nghiệm cho biết: 49 khối lượng H2SO4 tác dụng vừa đủ với 32,5 khối lượng kẽm (1EZn), vậy EH SO 49. 2 4 Từ đây, có thể đưa ra định nghĩa chung cho đương lượng: Đương lượng của một nguyên tố hay hợp chất là số phần khối lượng của nguyên tố hay hợp chất đó kết hợp hoặc thay thế vừa đủ với 1,008 phần khối lượng hydro hoặc 8 phần khối lượng oxy hoặc với một đương lượng của bất kỳ chất nào khác đã biết. Trong thực tế người ta thường dùng đương lượng gam, với quy ước: Đương lượng gam của một chất là lượng chất đó được tính bằng gam và có trị số bằng đương lượng của nó. Như vậy: EH = 1,008 g; EZn = 32,5 g; EO = 8 g; ENa = 23 g; EH SO 49 g 2 4 Ý nghĩa hóa học của khái niệm đương lượng liên quan trực tiếp đến khái niệm hóa trị của các nguyên tố.
Trước đây, người ta coi hóa trị là khả năng của một nguyên tử của nguyên tố có thể kết hợp hoặc thay thế bao nhiêu nguyên tử hydro hoặc bao nhiêu nguyên tử khác tương đương. Như vậy, đương lượng của một nguyên tố là số đơn vị khối lượng (số phần khối lượng) của nguyên tố ấy tương ứng với một đơn vị hóa trị. Giữa đương lượng (E), hóa trị (n) và khối lượng nguyên tử (A) của nguyên tố có mối tương quan sau: A E n 16 Ví dụ, oxy có hóa trị 2, khối lượng nguyên tử 16, nên: EO 8 2 Nếu nguyên tố có nhiều hóa trị thì đương lượng của nó cũng thay đổi tuỳ thuộc vào hóa trị mà nó thể hiện trong sản phẩm tạo thành sau phản ứng. Ví dụ, carbon có hóa trị 2 và 4.
Ở phản ứng: 2C O2 2CO , carbon thể hiện hóa trị 2, nên EC = 6. 0 t 7 Ở phản ứng: C O2 CO2 , carbon thể hiện hóa trị 4, nên EC = 3. 0 t Mở rộng khái niệm đương lượng cho các hợp chất, ta vẫn nhận ra ý nghĩa hóa học của nó là phần khối lượng tương ứng với một đơn vị hóa trị mà hợp chất đem trao đổi hoặc kết hợp với các hợp chất khác trong phản ứng. Chẳng hạn, H3PO4 = 98.
Nếu trong phản ứng, phân tử H3PO4 chỉ trao đổi 1 proton, hợp chất được xem như thể hiện hóa trị 1, thì E = 98; nếu trao đổi 2 proton, hợp chất được xem như thể hiện hóa trị 2, thì E = 49; còn nếu trao đổi cả 3 proton thì hợp chất H3PO4 được coi là có hóa trị 3 và phần khối lượng tương ứng với 1 đơn vị hoá trị (tức đương lượng của nó) trong trường hợp này là 98/3 = 32,7. Các nhà hóa học hiện tại quan niệm: hóa trị của một nguyên tố là số liên kết hóa học mà một nguyên tử của nguyên tố đó có thể tạo ra để kết hợp với các nguyên tử khác trong phân tử (1). Cùng với khái niệm hóa trị, người ta cũng dùng khái niệm số oxy hóa cho các ion hoặc cho các nguyên tố trong hợp chất. Tuy không có ý nghĩa vật lý rõ ràng, nhất là trong các phân tử phức tạp, nhưng số oxy hóa khá tiện dụng cho nhiều mặt thực hành hóa học.
Chính vì khái niệm hóa trị phát triển và mở rộng để gần với bản chất nhiều loại liên kết, nên theo đó, khái niệm đương lượng cũng cần được cụ thể cho các trường hợp (cách tính đương lượng của các hợp chất được trình bày ở mục biểu thị nồng độ đương lượng dưới đây). Những khái niệm cơ bản 2. Nồng độ dung dịch. Các cách biểu thị nồng độ Nồng độ là cách biểu thị thành phần định lượng của một dung dịch.
Nó có thể biểu thị lượng chất tan trong một thể tích xác định của dung dịch, hoặc lượng chất tan trong một khối lượng xác định của dung dịch hoặc của dung môi. Lượng chất tan trong dung dịch càng lớn thì nồng độ càng lớn và ngược lại. Tóm tắt các loại nồng độ thường được dùng trong hóa học và Y- Dược (2). Các loại nồng độ TT Loại nồng độ Kí hiệu Định nghĩa % Số gam chất tan trong 1 Phần trăm theo khối lượng (KL) (KL/KL) 100 gam dung dịch Số mL chất tan trong 2 Phần trăm theo thể tích (V) % (V/V) 100 mL dung dịch Số gam (hoặc số mg) Phần trăm theo khối lượng –thể 3 % (KL/V) chất tan trong 100 mL tích dung dịch Số mol chất tan trong 1 4 Mol M, Mol/L lít trong dịch Số đương lượng gam 5 Đương lượng N chất tan trong 1 lít dung dịch 2.
Nồng độ phần trăm theo khối lượng Ví dụ: Dung dịch KNO3 10% có nghĩa là có 10 g KNO3 trong 100 g dung dịch. Dung dịch các acid đặc H2SO4, HNO3 và HCl bán trên thị trường có nồng độ tương ứng bằng 96%, 65% và 36%.