Luận Văn Thạc Sĩ Về Phương Pháp Bảo Toàn Electron Trong Hóa Phân Tích

Luận văn thạc sĩ HUS trình bày phương pháp bảo toàn electron trong hóa phân tích, góp phần nâng cao độ chính xác trong nghiên cứu hóa học.

• Tác giả: Nguyễn Phương Thảo
• Người hướng dẫn: PGS. Đào Hữu Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
• Đề tài: Áp Dụng Phương Pháp Bảo Toàn Electron Trong Hóa Phân Tích
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Phản ứng oxi hoá - khử
• 1.2. Những khái niệm cơ bản
• 1.3. Chiều của phản ứng oxi hóa - khử
• 1.4. Phương pháp bảo toàn electron
• 1.5. Nguyên tắc của phương pháp
• 1.6. Ưu, nhược điểm của phương pháp
• 1.7. Các bước tiến hành
• 1.8. Sơ lược về chất siêu dẫn
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Dùng phương pháp bảo toàn electron để tính trong một số phép chuẩn độ thường dùng
• 2.2. Phương pháp pemanganat
• 2.3. Phương pháp dicromat
• 2.4. Phương pháp iot-thiosunfat
• 2.5. Phương pháp dùng Ce4+
• 2.6. Phân tích hỗn hợp nhiều chất oxi hoá hoặc nhiều chất khử
• 2.7. Phân tích hỗn hợp Mn, Cr, V trong thép nhẹ
• 2.8. Phân tích hỗn hợp Cu2S + FeS2 + CuFeS2
• 2.9. Phân tích hỗn hợp xiclohexen và 3-allyl xiclohexen
• 2.10. Hiệu chỉnh kết quả chuẩn độ
• 2.11. Xác định số oxi hoá khác thường của một số nguyên tố
• 2.12. Từ đó xác định công thức của hợp chất siêu dẫn
• 2.13. Xác định số oxi hóa bất thường của Crom
• 2.14. Xác định số oxi hóa của Coban
• 2.15. Sử dụng phương pháp chuẩn độ iot để phân tích hệ siêu dẫn nhiệt độ cao Y-Ba-Cu-O
• 2.16. Sử dụng phương pháp chuẩn độ điện thế để phân tích hệ siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-Sr-Ca-Y-Cu-O
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phương Pháp Bảo Toàn Electron Trong Hóa Phân Tích

Phương pháp bảo toàn electron là một trong những kỹ thuật quan trọng trong hóa phân tích, đặc biệt trong việc cân bằng phản ứng oxi hóa - khử. Phương pháp này giúp xác định chính xác số lượng chất tham gia phản ứng và sản phẩm tạo thành. Đặc biệt, nó có thể áp dụng cho các phản ứng phức tạp có nhiều chất oxi hóa và khử. Việc hiểu rõ về phương pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu mà còn trong ứng dụng thực tiễn.

1.1. Khái Niệm Cơ Bản Về Phương Pháp Bảo Toàn Electron

Phương pháp bảo toàn electron dựa trên nguyên tắc rằng tổng số electron cho và nhận trong một phản ứng hóa học phải bằng nhau. Điều này giúp xác định được chiều của phản ứng và các chất tham gia. Phương pháp này rất hữu ích trong việc phân tích các hỗn hợp phức tạp.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Phương Pháp Bảo Toàn Electron

Phương pháp bảo toàn electron đã được phát triển từ những năm đầu thế kỷ 20 và đã trở thành một phần không thể thiếu trong hóa học phân tích. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác trong việc xác định nồng độ của các chất trong dung dịch.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Ứng Dụng Phương Pháp Bảo Toàn Electron

Mặc dù phương pháp bảo toàn electron mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong quá trình ứng dụng. Các vấn đề như độ chính xác của các phép đo, sự tương tác giữa các chất trong hỗn hợp, và việc xác định số oxi hóa của các nguyên tố là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Độ Chính Xác Trong Các Phép Đo

Độ chính xác của các phép đo là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Việc sử dụng các thiết bị hiện đại và quy trình chuẩn hóa có thể giúp cải thiện độ chính xác này.

2.2. Tương Tác Giữa Các Chất Trong Hỗn Hợp

Sự tương tác giữa các chất trong hỗn hợp có thể làm thay đổi kết quả phân tích. Việc hiểu rõ về các phản ứng có thể xảy ra giữa các chất là rất cần thiết để đảm bảo tính chính xác của phương pháp.

III. Phương Pháp Bảo Toàn Electron Trong Phân Tích Oxi Hóa Khử

Phương pháp bảo toàn electron được áp dụng rộng rãi trong phân tích oxi hóa - khử. Các phương pháp chuẩn độ như pemanganat, dicromat, và iot-thiosunfat đều có thể được thực hiện dựa trên nguyên tắc này. Việc áp dụng phương pháp này giúp xác định chính xác nồng độ của các chất trong dung dịch.

3.1. Phương Pháp Pemanganat Trong Phân Tích

Phương pháp pemanganat là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong phân tích oxi hóa - khử. Nó sử dụng dung dịch KMnO4 để xác định nồng độ của các chất khử trong mẫu. Phương pháp này có độ chính xác cao và dễ thực hiện.

3.2. Phương Pháp Dicromat Trong Phân Tích

Phương pháp dicromat cũng là một kỹ thuật quan trọng trong phân tích hóa học. Nó sử dụng dung dịch K2Cr2O7 để xác định nồng độ của các chất khử. Phương pháp này thường được áp dụng trong các nghiên cứu về nước thải và môi trường.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phương Pháp Bảo Toàn Electron

Phương pháp bảo toàn electron không chỉ được sử dụng trong nghiên cứu mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp và môi trường. Việc áp dụng phương pháp này giúp cải thiện quy trình sản xuất và bảo vệ môi trường.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp, phương pháp bảo toàn electron được sử dụng để kiểm soát chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc xác định chính xác nồng độ của các chất trong sản phẩm giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.

4.2. Ứng Dụng Trong Bảo Vệ Môi Trường

Phương pháp bảo toàn electron cũng được áp dụng trong việc phân tích chất lượng nước và không khí. Việc xác định nồng độ của các chất ô nhiễm giúp đưa ra các biện pháp bảo vệ môi trường hiệu quả.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Về Phương Pháp Bảo Toàn Electron

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp bảo toàn electron mang lại kết quả chính xác và đáng tin cậy trong phân tích hóa học. Các kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn trong ứng dụng thực tiễn.

5.1. Kết Quả Từ Các Nghiên Cứu Trước Đây

Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng phương pháp bảo toàn electron có thể áp dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ phân tích nước đến nghiên cứu hóa học cơ bản.

5.2. Đánh Giá Hiệu Quả Của Phương Pháp

Đánh giá hiệu quả của phương pháp bảo toàn electron cho thấy nó có thể cải thiện độ chính xác và độ tin cậy trong phân tích hóa học. Việc áp dụng phương pháp này trong thực tiễn đã mang lại nhiều lợi ích cho ngành hóa học.

VI. Tương Lai Của Phương Pháp Bảo Toàn Electron Trong Hóa Phân Tích

Với sự phát triển của công nghệ và khoa học, phương pháp bảo toàn electron hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các nghiên cứu mới sẽ giúp cải thiện và tối ưu hóa phương pháp này.

6.1. Xu Hướng Nghiên Cứu Mới

Xu hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực hóa học sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và hiệu quả của phương pháp bảo toàn electron. Các công nghệ mới sẽ được áp dụng để nâng cao khả năng phân tích.

6.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Tương Lai

Phương pháp bảo toàn electron có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến môi trường. Việc phát triển và tối ưu hóa phương pháp này sẽ mang lại nhiều lợi ích cho xã hội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong thực tiễn cuộc sống, phản ứng oxi hoá - khử có lẽ là loại phản ứng quan trọng nhất. Bao gồm: sự tạo thành các hợp chất từ đơn chất và ngƣợc lại, tất cả các phản ứng cháy, phản ứng tạo ra dòng điện trong pin, phản ứng xảy ra trong các cơ thể động thực vật.Phản ứng oxi hóa - khử rất đa dạng và phong phú đƣợc chia thành phản ứng giữa các nguyên tử, phân tử, ion; phản ứng nội phân tử; phản ứng dị lị; phản ứng cảm ứng. Trong hóa học phân tích, phản ứng oxi hoá - khử đóng vai trò rất lớn: các phƣơng pháp phân tích nhƣ điện phân, chuẩn độ điện lƣợng, điện thế, điện di, cực phổ, các sensor điện hóa…vấn đề biến hóa năng thành điện năng ( pin, acquy ) hoặc ngƣợc lại biến điện năng thành hóa năng ( điện phân ). Phƣơng pháp chuẩn độ oxi hóa - khử đƣợc áp dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu khoa học cũng nhƣ thực tế sản xuất.

Trong giảng dạy ở bậc phổ thông trung học cũng nhƣ đại học, phản ứng oxi hóa - khử đặc biệt đƣợc chú trọng vì nó giúp học sinh, sinh viên hiểu đƣợc bản chất nhiều quá trình hóa học và thực tiễn. Một trong những vấn đề lý thuyết hay của phản ứng oxi hóa - khử là phƣơng pháp bảo toàn electron. Mặc dù, một bài toán hóa học đều có thể giải bằng nhiều cách nhƣng với các bài toán liên quan tới phản ứng oxi hóa - khử thì phƣơng pháp bảo toàn electron tỏ ra rất hiệu quả cho kết quả nhanh, chính xác và đi sâu đƣợc bản chất của phản ứng. Đặc biệt phƣơng pháp bảo toàn electron giải quyết đƣợc những trƣờng hợp phức tạp có nhiều chất oxi hóa và chất khử cùng tham gia phản ứng.

Vì thế phƣơng pháp bảo toàn electron đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hóa học. Nhằm mục đích làm rõ ƣu việt của phƣơng pháp bảo toàn electron và áp dụng phƣơng pháp này vào hóa phân tích, chúng tôi chọn đề tài “ Áp dụng phương pháp bảo toàn electron trong hóa phân tích”. Cụ thể là phân tích hỗn hợp các chất phức tạp, hiệu chỉnh một vài quá trình phân tích và tìm các số oxi hóa khác thƣờng trong các hợp chất, đặc biệt các hợp chất siêu dẫn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.

PHẢN ỨNG OXI HÓA - KHỬ : 1. Những khái niệm cơ bản[1, 14]: 1. Số oxi hóa: Số oxi hóa của một nguyên tố trong phân tử là điện tích của nguyên tử nguyên tố đó trong phân tử nếu giả định rằng mọi cặp electron dùng chung đều lệch về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn( hay coi liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử là liên kết ion). Số oxi hóa là đại lƣợng qui ƣớc.

Trong phân tử, thƣờng tính số oxi hóa n trung bình của nguyên tố. Cách viết:  n hay X 1. Phản ứng oxi hóa - khử: Khái niệm về phản ứng oxi hóa - khử: Có nhiều định nghĩa về phản ứng oxi hóa - khử: + Định nghĩa 1: Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng xảy ra có kèm theo sự cho nhận electron. + Định nghĩa 2: Phản ứng oxi hóa –khử là phản ứng trong đó có sự chuyển dịch điện tích.

+ Định nghĩa 3: Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố trong phản ứng. Các khái niệm liên quan: + Chất oxi hóa: Là chất có khả năng nhận electron. Số oxi hóa của nó giảm. Còn gọi là chất bị khử.

+ Chất khử: Là chất có khả năng cho electron. Số oxi hóa của nó tăng. Còn gọi là chất bị oxi hóa. + Chất oxi hóa đa bậc: Là chất có thể bị khử theo nhiều nấc.

Còn chất khử đa bậc là chất có thể bị oxi hóa theo nhiều nấc. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2+ Ví dụ: - Vanadi VI (dạng VO2 ) là chất oxi hóa đa bậc vì có thể bị khử lần lƣợt 2+ 3+ 2+ xuống hóa trị IV( VO ), hóa trị III (V ) và hóa trị II ( V ) 2+ + 2+ VO2 + 2e + 2H VO + H2O o EVO 2 / VO 2  1V (1) 2 2+ + 3+ VO + e + 2H V + H2O o EVO 2 /V   0,337V (2) 3+ 2+ V +e V EVo 3 / V 2   0,225 V (3) 3+ 2+ - Fe là chất oxi hóa đa bậc vì có thể khử xuống sắt hóa trị II ( Fe ) và sắt kim o loại ( Fe ). Fe3+ + e Fe2+ Eo = 0,771 V (4) Fe2+ + 2e Feo Eo = - 0,44 V (5) 2+ Ngƣợc lại, V hoặc Fe là chất khử đa bậc. 3+ 2+ - Những chất nhƣ V hoặc Fe là chất lƣỡng tính oxi hóa - khử.

Nó vừa có thể là chất khử vừa có thể là chất oxi hóa. + Sự oxi hóa, quá trình oxi hóa: Là sự cho electron của chất khử. + Sự khử, quá trình khử: Là sự nhận electron của chất oxi hóa. + Cặp oxi hóa - khử liên hợp: Gồm dạng oxi hóa và dạng khử chứa cùng một nguyên tố, có thể biến đổi qua lại lẫn nhau: Ox + ne Kh 1.

Cân bằng phản ứng oxi hóa - khử: Có nhiều phƣơng pháp để cân bằng phản ứng oxi hóa - khử. Tùy mỗi trƣờng hợp ta lựa chọn cách nào phù hợp. Tất cả các phƣơng pháp cân bằng phản ứng đều dựa trên sự bảo toàn điện tích và sự bảo toàn khối lƣợng. - Bảo toàn khối lƣợng: Trong một phản ứng hóa học thông thƣờng, với một nguyên tố, tổng số nguyên tử trƣớc và sau phản ứng bằng nhau.

- Bảo toàn điện tích: Tổng số electron mà các chất khử cho bằng tổng số electron mà các chất oxi hóa nhận.  Phương pháp đại số: Dựa trên bảo toàn khối lƣợng.  Phương pháp thăng bằng electron: Dựa trên cả hai sự bảo toàn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail]  Phương pháp nửa phản ứng( hay phƣơng pháp ion – electron ): + Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng phổ biến với các phản ứng trong dung dịch.

Sử dụng nửa phản ứng thấy đƣợc bản chất cho nhận electron của phản ứng oxi hóa - khử, cân bằng đƣợc ngay cả khi chƣa biết hết sản phẩm, rất tiện lợi khi tính thế điện cực. + Gồm 5 bƣớc sau: - Bƣớc 1: Viết sơ đồ phản ứng có đủ chất oxi hóa và chất khử. - Bƣớc 2: Xác định điện tích của các chất và ion. Viết bán phản ứng oxi hóa và bán phản ứng khử.

Lƣu ý: Các chất điện li mạnh thì viết dƣới dạng ion. Các chất điện li yếu, không điện li, chất rắn, chất khí viết dƣới dạng phân tử. - Bƣớc 3: Cân bằng điện tích và cân bằng khối lƣợng cho mỗi bán phản ứng. Cân bằng điện tích: Chọn vế và thêm electron để điện tích 2 vế của bán phản ứng bằng nhau.

Cân bằng khối lƣợng: Tùy theo môi trƣờng và số nguyên tử oxi ở 2 vế mà ta + - + - cần thêm vào vế trái H , OH hoặc H2O, còn vế phải tạo ra H2O, H hoặc OH - Bƣớc 4: Cân bằng số electron cho và số electron nhận. Cộng 2 bán phản ứng để triệt tiêu số electron ta đƣợc phƣơng trình ion thu gọn. - Bƣớc 5: Thêm vào 2 vế những lƣợng ion bằng nhau các ion trái dấu để bù trừ điện tích ta đƣợc phƣơng trình dạng phân tử. Chiều của phản ứng oxi hóa - khử[ 2, 5, 9, 10, 12, 15, 17, 18]: 1.

Cơ sở để xét chiều của phản ứng oxi hóa - khử:  Năng lượng tự do Gibbs ( G): + Giữa các nguyên tử, phân tử có hai xu hƣớng trái ngƣợc nhau: - Một mặt, các nguyên tử, phân tử tiến lại gần nhau tƣơng tác với nhau tạo thành các tổ hợp bền hơn, tức là làm giảm entanpi ( H ) của hệ để bền hơn. - Mặt khác, do chuyển động nhiệt các nguyên tử, phân tử lại tách ra xa nhau làm tăng độ vô trật tự của hệ, tăng entropi ( S). LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] + Nhà vật lí ngƣời Mĩ J.Gibbs ( 1839-1903) đã đƣa ra một hàm trạng thái mới mang tên năng lƣợng tự do Gibbs ( kí hiệu G) thể hiện đƣợc ảnh hƣởng của cả hai xu hƣớng trên: G = H – T. + Với các quá trình biến đổi ở nhiệt độ và áp suất không đổi ( bao gồm cả các phản ứng hóa học, sự nóng chảy, sự sôi ) ta có: G = H – T.

S (6) + Một quá trình hóa học sẽ tự diễn biến khi G < 0. Ngƣợc lại, G > 0 quá trình không tự diễn biến. Còn G = 0 quá trình đạt trạng thái cân bằng.  Sức điện động của pin tạo thành giữa 2 cặp oxi hóa - khử: + Với một phản ứng oxi hóa - khử dạng: Ox1 + Kh2 Ox2 + Kh1 (7) - Phản ứng trên gồm 2 bán phản ứng: 0,059 [Ox1 ] Ox1 + pe Kh1 E1  E1o  lg (8) p [ Kh1 ] 0,059 [Ox2 ] Kh2 qe+ Ox2 E 2  E 2o  lg (9) q [ Kh2 ] --> pOx1 + pKh2 qKh1 + pOx2 (10) 0,059 [ Kh1 ]q .[ Kh2 ] p phản ứng oxi hóa - khử trên.

+ Giữa năng lƣợng tự do Gibbs và sức điện động của pin có mối quan hệ với nhau: G = -nFEp. Trong đó: n là số electron trao đổi. F là hằng số Faraday F = 96500. - Khi G < 0  - nFEp < 0 mà n > 0, F > 0 nên Ep > 0 phản ứng tự diễn biến.

- Khi G = 0  - nFEp = 0 nên Ep = 0 phản ứng đạt cân bằng. - Khi G < 0  - nFEp < 0 nên Ep > 0 phản ứng không tự diễn biến. + Nhƣ vậy: Dùng sức điện động của pin tạo thành giữa 2 cặp oxi hóa - khử tham gia phản ứng oxi hóa - khử, ta cũng xét đƣợc chiều của phản ứng oxi hóa - khử. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - Nếu Ep > 0: Phản ứng tự diễn biến.

- Ngƣợc lại Ep < 0: Phản ứng có khả năng diễn biến theo chiều ngƣợc lại. - Nếu Ep = 0: Phản ứng đạt trạng thái cân bằng.  Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa - khử: + Theo tính toán ở trên ta có: 0,059 [ Kh1 ]q .[Ox2 ] p E pin  E1  E2  E p0  lg hay E pin  E 0 p  ln p.[ Kh2 ] p RT khử trên.