Bài 1 Một số định luật và khái niệm cơ bản trong hoá phân tích

1.2. Định luật thành phần không đổi



Một hợp chất dù đợc điều chế bằng cách nào thì vẫn bao gồm cùng một

loại các nguyên tố và cùng tỷ số khối lợng của các nguyên tố trong hợp chất.

ác kết quả sau đây thu đợc về thành phần khối lợng của các nguyên

tố trong 20,0 g calci carbonat:

Phân tích theo khối lợng



Số phần khối lợng



Phần trăm khối lợng



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 lợng



100% khối lợng



Định luật thành phần không đổi cho ta biết rằng, calci carbonat tinh

khiết thu đợc từ đá hoa cơng ở một ngọn núi, từ san hô ngầm dới 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 nh đã cho biết

ở bảng trên.

Nh vậy, nhờ định luật thành phần không đổi mà mỗi hợp chất xác

định đợc biểu thị bằng một công thức hóa học nhất định.

Có thể suy ra khối lợng nguyên tố từ tỷ lệ khối lợng của nó trong

hợp chất:

Khối lợng nguyên tố = Khối lợng hợp chất ì



Số phần khối lợng nguyên tố

1 phần khối lợng hợp chất



Chúng ta có thể biểu diễn phần khối lợng theo bất kỳ đơn vị đo khối

lợng nào nếu tiện dùng cho tính toán.

Cũng cần chú ý là thành phần không đổi chỉ hoàn toàn đúng cho

những hợp chất có khối lợng 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 thờng không ứng đúng

với một công thức hóa học xác định. Ví dụ, tỷ lệ oxy/titan trong titan oxyd

điều chế bằng các phơng 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.v...

1.3. Định luật đơng lợng



Từ định luật thành phần không đổi ta thấy rằng các nguyên tố kết

hợp với nhau theo các tỷ lệ về lợng xác định nghiêm ngặt. Do đó, ngời ta

đa vào hóa học khái niệm đơng lợng, tơng tự nh khái niệm khối

lợng nguyên tử và khối lợng phân tử.

18



1.3.1. Định nghĩa

Thực nghiệm hóa học xác định rằng: 1,008 khối lợng hydro tác dụng

vừa đủ với:

8,0



khối lợng



oxy



để tạo thành



nớc (H2O)



35,5



-



clor



-



hydro clorid (HCl)



23,0



-



natri



-



natri hydrid (NaH)



16,0



-



lu huỳnh



-



hydro sulfid (H2S)



3,0



-



carbon



-



metHan (CH4)



v.v...



Số phần khối lợng mà các nguyên tố tác dụng vừa đủ với 1,008 phần

khối lợng hydro lại tác dụng vừa đủ với nhau để tạo thành các hợp chất

khác. Ví dụ:

8,0 khối lợng oxy + 3,0 khối lợng carbon carbon dioxyd (CO2)

35,5 khối lợng clor + 23,0 khối lợng natri natri clorid (NaCl)

16,0 khối lợng lu huỳnh + 3,0 khối lợng carbon carbon disulfid (CS2)

v.v...



Ngời ta gọi số phần khối lợng mà các nguyên tố tác dụng vừa đủ với

1,008 phần khối lợng hydro (và lại tác dụng vừa đủ với nhau) là đơng

lợng của các nguyên tố, ký hiệu là E (equivalence), và viết: EH = 1,008; EO

= 8; ECl = 35,5; ES = 16; v.v.. chú ý rằng, đơng lợng là số phần khối lợng

tơng đơng giữa các chất trong phản ứng nên có thể sử dụng bất kỳ đơn vị

khối lợng nào để biểu thị nó (mg, g, kg...).

Do chính từ khái niệm đơng lợng nêu trên mà việc xác định đơng

lợng của một nguyên tố hay của một hợp chất không nhất thiết phải xuất

phát từ hợp chất của chúng với hydro. Ví dụ, để tìm đơng lợng của kẽm

(Zn) không thể xuất phát từ phản ứng của kẽm với hydro, vì ở điều kiện

thờng phản ứng này không xảy ra. Tuy nhiên, thực nghiệm dễ dàng cho

thấy: 32,5 khối lợng kẽm tác dụng vừa đủ với 8 khối lợng oxy (1E0) để tạo

thành kẽm oxyd (ZnO), vậy, EZn = 32,5. Hoặc để tìm đơng lợng H2SO4

không thể bằng cách cho acid này tác dụng với hydro hoặc oxy, nhng thực

nghiệm cho biết: 49 khối lợng H2SO4 tác dụng vừa đủ với 32,5 khối lợng

kẽm (1EZn), vậy E H 2SO4 = 49. Từ đây, có thể đa ra định nghĩa chung cho

đơng lợng:

Đơng lợng của một nguyên tố hay hợp chất là số phần khối lợng

của nguyên tố hay hợp chất đó kết hợp hoặc thay thế vừa đủ với 1,008 phần

khối lợng hydro hoặc 8 phần khối lợng oxy hoặc với một đơng lợng của

bất kỳ chất nào khác đã biết.

19



Trong thực tế ngời ta thờng dùng đơng lợng gam, với quy ớc:

Đơng lợng gam của một chất là lợng chất đó đợc tính bằng gam

và có trị số bằng đơng lợng của nó.

EH = 1,008 g



;



EO = 8 g



EZn = 32,5 g



Nh vậy,



;



;



ENa = 23 g



E H 2SO4 = 49 g



1.3.2. Định luật đơng lợng của Dalton

Các chất tác dụng với nhau theo các khối lợng tỷ lệ với đơng lợng

của chúng.

Nói cách khác: Số đơng lợng của các chất trong phản ứng phải bằng

nhau.

Định luật đợc thể hiện qua hệ thức đơn giản:

mA

mB



EA

EB



=



hoặc



mA

EA



mB

EB



=



ở đây: mA, mB là khối lợng tính bằng gam của chất A và chất B trong

phản ứng

EA, EB là đơng lợng gam của chất A và B



Định luật đơng lợng cho phép tính khối lợng một chất trong phản

ứng nếu biết đơng lợng của các chất và khối lợng tác dụng của

chất kia. Ví dụ, tính khối lợng khí clor tác dụng hết với 3,45g natri,

biết ENa = 23; ECl = 35,5. áp dụng hệ thức nêu trên dễ dàng tìm thấy:



3,45g

23



=



m Cl

35,5



mCl =



3,45g ì 35,5

23



= 5,33g



Với khái niệm nồng độ đơng lợng là số đơng lợng gam chất tan có

trong 1 lít dung dịch (ký hiệu N viết sau trị số đơng lợng), định luật

đơng lợng đợc sử dụng rộng rãi trong phép phân tích chuẩn độ.

Chẳng hạn, cần bao nhiêu mL dung dịch kiềm B (đặt là VB) để trung

hòa hết VA ml dung dịch acid A có nồng độ đơng lợng là NA. Biết

nồng độ đơng lợng của dung dịch kiềm B là NB.

áp dụng định luật đơng lợng: số đơng lợng của các chất trong

phản ứng phải bằng nhau, ta có:

VA

.N A

1000



=



VB

.N B

1000



VB =



VA .N A

NB



Phơng trình trên đợc áp dụng cho tất cả các phơng pháp phân tích

thể tích (phơng pháp acid - base; phơng pháp kết tủa; phơng pháp phức

chất; phơng pháp oxy hóa - khử).

20



1.3.3. ý nghĩa hóa học của khái niệm đơng lợng liên quan trực tiếp

đến khái niệm hóa trị của các nguyên tố. Trớc đây, ngời 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 tơng đơng.

Nh vậy, đơng lợng của một nguyên tố là số đơn vị khối lợng (số phần

khối lợng) của nguyên tố ấy tơng ứng với một đơn vị hóa trị. Giữa đơng

lợng (E), hóa trị (n) và khối lợng nguyên tử (A) của nguyên tố có mối

tơng quan sau:

E =



A

n



Ví dụ, oxy có hóa trị 2, khối lợng nguyên tử 16, nên:

EO =



16

= 8

2



Nếu nguyên tố có nhiều hóa trị thì đơng lợng 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

12

thể hiện hóa trị 2, nên EC =

= 6. Còn ở phản ứng: C + O2 = CO2,

2

12

carbon thể hiện hóa trị 4, nên EC =

= 3.

4

Mở rộng khái niệm đơng lợng cho các hợp chất, ta vẫn nhận ra ý

nghĩa hóa học của nó là phần khối lợng tơng 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 đợc xem nh thể hiện hóa trị 1, thì E H3 PO 4 = 98/1 =

98; nếu trao đổi 2 proton, hợp chất đợc xem nh thể hiện hóa trị 2, thì

E H3 PO 4 = 98/2 = 49; còn nếu trao đổi cả 3 proton thì hợp chất H3PO4 đợc coi

là có hóa trị 3 và phần khối lợng tơng ứng với 1 đơn vị hóa trị (tức đơng

lợng của nó) trong trờng hợp này là: E H3 PO 4 = 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.

Cùng với khái niệm hóa trị, ngời 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, nhng số oxy hóa khá

tiện dụng cho nhiều mặt thực hành hóa học.



21



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 đơng lợng cũng cần đợc cụ

thể cho các trờng hợp (cách tính đơng lợng của các hợp chất đợc trình

bày ở mục biểu thị nồng độ đơng lợng dới đây).

2. Những khái niệm cơ bản

2.1. Nồng độ dung dịch. Các cách biểu thị nồng độ



Nồng độ là cách biểu thị thành phần định lợng của một dung dịch.

Nó có thể biểu thị lợng chất tan trong một thể tích xác định của dung

dịch, hoặc lợng chất tan trong một khối lợng xác định của dung dịch

hoặc của dung môi. Lợng chất tan trong dung dịch càng lớn thì nồng độ

càng lớn và ngợc lại. Bảng 1 tóm tắt các loại nồng độ thờng đợc dùng

trong hóa học và Y- Dợc.

Bảng1. Các loại nồng độ

Loại nồng độ



Ký hiệu



Định nghĩa



Phần trăm theo khối lợng (KL)



% (KL/KL)



Số g chất tan trong 100 g dung dịch



Phần nghìn theo khối lợng



(KL/KL)



Số g chất tan trong 1000 g dung dịch



Phần trăm theo thể tích (V)



% (V/V)



Số mL chất tan trong 100 mL dung dịch



Phần trăm theo khối lợng-thể tích



% (KL/V)



Số g (hoặc số mg) chất tan trong 100

mL dung dịch



Phần nghìn theo khối lợng-thể tích



(KL/V) hoặc g/L



Số g chất tan trong 1000 mL (= 1 L)

dung dịch



Mol



M, mol/L



Đơng lợng



N



Số mol chất tan trong 1 L dung dịch

Số đơng lợng gam chất tan trong 1

L dung dịch



Dới đây là một số ví dụ cụ thể về các loại nồng độ hay gặp.

2.1.1. Nồng độ %, theo khối lợng/khối lợng

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 trờng

có nồng độ tơng ứng bằng 96%, 65% và 36%.

Bởi vì đo thể tích dung dịch dễ dàng hơn đo khối lợng, nên ngời ta

thờng ghi khối lợng riêng kèm theo cho loại dung dịch này, để chuyển

đổi từ khối lợng chất cần lấy sang thể tích dung dịch cần đong. Ví dụ, HCl

36% có D = 1,179 g/mL (ở 20oC).

Dung dịch NaCl 9 có nghĩa là có 9 g NaCl trong 1000 g dung dịch.

22



2.1.2. Nồng độ %, theo khối lợng/thể tích (thờng đợc viết g/100 mL;

g/L...):



Ví dụ, dung dịch glycerin 10 g/100 mL, glucose 50 g/L có nghĩa là có

10 g glycerin trong 100 mL dung dịch, có 50 g glucose trong 1 lít dung dịch

cho 2 dung dịch tơng ứng đã kể.

2.1.3. Nồng độ mol/L (M)



Mol là một lợng chất chứa số hạt cùng kiểu cấu trúc (phân tử,

nguyên tử, ion, electron, proton...) bằng số Avogadro 6,022.1023. Thờng sử

dụng là mol/L, số phân tử gam/L.

Các dung dịch có nồng độ mol bằng nhau thì chứa cùng số lợng hạt

chất tan trong những thể tích dung dịch bằng nhau (chú ý: hạt chất tan

phải cùng kiểu cấu trúc).

Ví dụ, dung dịch NaOH 2M, nghĩa là trong 1 lít dung dịch này có 2

mol hay 2 mol ì 40 g/mol = 80 g NaOH.

Dung dịch chứa phenobarbital 0,001M và NaCl 0,1M, nghĩa là trong 1

lít dung dịch nh thế có 0,001 mol ì 232,32 g/mol = 0,2323 g phenobarbital

(C12H12N2O3 = 232,32) và 0,1 mol ì 58,45 g/mol = 5,8450 g NaCl (M =

58,45).

Trong 1 lít dung dịch NaCl 1M có 1 mol ì 58,45 g/mol = 58,45 g NaCl.

Xem NaCl điện ly hoàn toàn thành các ion, thì trong 1 lít dung dịch nh

thế cũng có 1 mol ion Na+ (23 g Na+) và 1 mol Cl- (35,45 g Cl).

Ngợc lại, dung dịch Na2CO3 1M có trong 1 lít dung dịch của nó 1 mol

CO3 (60 g CO32) và 2 mol Na+ (2 mol ì 23 g/mol = 46 g Na+), với điều kiện

gần đúng rằng trong dung dịch, cứ 1 phân tử natri carbonat thì điện ly ra 1

ion CO32 và 2 ion Na+.

2



2.1.4. Nồng độ đơng lợng (N)



Ví dụ, H2SO4 0,5N là dung dịch chứa 0,5 đơng lợng gam H2SO4

trong 1 lít dung dịch.

Khái niệm đơng lợng của một chất xuất phát từ định luật đợng

lợng của Dalton nêu ra năm 1792. Gọi đơng lợng của một chất là E, ta

có thể nêu các công thức tính E trong các phản ứng trao đổi và oxy hóa khử

nh sau:



Enguyên tố =

Ví dụ: E oxy



=



Khối lợng nguyên tử

Hóa trị



16

2



=



8



23