Bài giảng Thực hành Hóa học đại cương - Vũ Huy Định

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2019 TS. VŨ HUY ĐỊNH ThS. LÊ KHÁNH TOÀN, ThS. ĐẶNG THẾ ANH THùC HµNH HãA HäC §¹I C¦¥NG TS. VŨ HUY ĐỊNH, ThS. LÊ KHÁNH TOÀN, ThS. ĐẶNG THẾ ANH BÀI GIẢNG THỰC HÀNH HÓA HỌC ĐẠI CƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2019 i MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................................... i DANH MỤC CÁC BẢNG.iv LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................... 1 Bài 1. KỸ THUẬT SỬ DỤNG DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM ............................................................................................................. 3 1.1. An toàn trong phòng thí nghiệm ................................................................ 3 1.2. Kỹ thuật an toàn khi sử dụng hóa chất ....................................................... 4 1.3. Sử dụng các dụng cụ thủy tinh trong phòng thí nghiệm ............................ 8 1.3.1. Ống nghiệm ......................................................................................... 9 1.3.2. Bình nón (Bình tam giác, bình elen) ................................................. 10 1.3.3. Bình cầu ............................................................................................ 11 1.3.4. Các loại phễu .................................................................................... 11 1.3.5. Cốc thủy tinh ..................................................................................... 12 1.3.6. Ống đong ........................................................................................... 12 1.3.7. Bình định mức ................................................................................... 12 1.3.8. Pipet .................................................................................................. 13 1.3.9. Buret .................................................................................................. 14 1.3.10. Nhiệt kế ............................................................................................ 15 1.3.11. Bình hút ẩm ..................................................................................... 15 1.3.12. Ống sinh hàn ................................................................................... 16 1.4. Kỹ thuật sử dụng dụng cụ bằng sứ, gỗ v2 kim loại ................................. 16 4.1.1. Chày, cối sứ ....................................................................................... 17 4.1.2. Bát sứ................................................................................................. 17 4.1.3. Chén sứ .............................................................................................. 17 4.1.4. Kẹp sắt, kẹp gỗ .................................................................................. 17 1.5. Kỹ thuật rửa và làm khô dụng cụ thủy tinh.............................................. 17 1.5.1. Rửa dụng cụ ...................................................................................... 17 1.5.2. Làm khô các dụng cụ ........................................................................ 18 Bài 2. PHƢƠNG PHÁP TRỌNG LƢỢNG .......................................................... 19 2.1. Giới thiệu chung về phương pháp ............................................................ 19 2.2. Cân và cách sử dụng cân .......................................................................... 21 ii 2.3. Xác định hàm lượng theo phương pháp trọng lượng ............................... 23 2.3.1. Xác định hàm lượng nước kết tinh .................................................... 23 2.3.2. Xác định hàm lượng nguyên tố trong hợp chất ................................. 24 Bài 3. NHIỆT ĐỘNG HỌC ..................................................................................... 28 3.1. Cơ sở lý thuyết ......................................................................................... 28 3.2. Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng ..................................................... 33 Bài 4. TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HÓA HỌC VÀ YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ......... 38 4.1. Cơ sở lý thuyết ......................................................................................... 38 4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng ............................... 40 Bài 5. CÂN BẰNG HÓA HỌC ............................................................................... 44 5.1. Cơ sở lý thuyết ......................................................................................... 44 5.1.1. Hằng số cân bằng, các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng .................. 44 5.1.2. Cân bằng chỉ thị axit–bazơ ............................................................... 45 5.1.3. Cân bằng tan ..................................................................................... 47 5.2. Thí nghiệm ............................................................................................... 48 Bài 6. TÍNH CHẤT AXIT – BAZƠ CỦA DUNG DỊCH ................................... 52 6.1. Cơ sở lý thuyết ......................................................................................... 52 6.2. Thí nghiệm ............................................................................................... 57 Bài 7. NỒNG ĐỘ DUNG DỊCH, CHUẨN ĐỘ DUNG DỊCH ........................... 59 7.1. Nồng độ dung dịch ................................................................................... 59 7.2. Pha chế hóa chất ....................................................................................... 61 7.2.1. Pha chế từ hóa chất rắn .................................................................... 61 7.2.2. Pha chế từ dung dịch đậm đặc (C%, d) ............................................ 61 7.2.3. Pha chế dung dịch chuẩn .................................................................. 62 7.2.4. Pha loãng dung dịch, pha trộn dung dịch ......................................... 63 7.3. Chuẩn độ dung dịch .................................................................................. 64 7.4. Thí nghiệm ............................................................................................... 68 Bài 8. PHẢN ỨNG OXI HÓA – KHỬ .................................................................. 70 8.1. Cơ sở lý thuyết ......................................................................................... 70 8.2. Thí nghiệm ............................................................................................... 73 Bài 9. ĐIỆN HÓA ...................................................................................................... 76 9.1. Pin điện hóa .............................................................................................. 76 9.2. Sức điện động của pin .............................................................................. 77 9.3. Sự điện phân ............................................................................................. 78 iii 9.4. Thí nghiệm ............................................................................................... 80 Bài 10. HỆ KEO ........................................................................................................ 84 10.1. Định nghĩa, phân loại ............................................................................. 84 10.2. Tính chất chung của sol và gel ............................................................... 85 10.3. Nhũ tương ............................................................................................... 87 Bài 11. ĐỘ TAN ......................................................................................................... 89 11.1. Cơ sở lý thuyết ....................................................................................... 89 11.1.1 Khái niệm về độ tan ......................................................................... 89 11.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan ................................................... 89 11.2. Thí nghiệm ............................................................................................. 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 94 iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các chỉ báo trên bình chứa hóa chất thương mại ................................. 5 Bảng 1.2. Biện pháp an toàn khi làm việc với hóa chất ........................................ 7 Bảng 3.1. Nhiệt dung riêng của một số chất ở 298 K ......................................... 31 Bảng 3.2. Khối lượng riêng của một số chất ở 298 K ......................................... 31 Bảng 3.3. Các giai đoạn của quá trình hòa tan chất tan trong dung môi ở điều kiện đẳng áp, đẳng nhiệt ...................................................................................... 32 Bảng 3.4. Entanpy hòa tan của một số chất điện ly ở 298K ............................... 32 Bảng 5.1. Một số chỉ thị axit–bazơ ..................................................................... 46 Bảng 5.2. Tích số tan của một số chất ở 298K .................................................... 47 Bảng 6.1. Giá trị pH của một số dung dịch nước phổ biến ................................. 53 Bảng 6.2. Một số dung dịch đệm phổ biến.......................................................... 56 Bảng 6.3. Một số dung dịch đệm dùng trong sinh học ....................................... 56 Bảng 7.1. Các loại nồng độ dung dịch ................................................................ 59 Bảng 8.1. Thế khử chuẩn ở 298 K ....................................................................... 72 Bảng 11.1. Phân loại khả năng tan của chất tan trong dung môi ........................ 89 Bảng 11.2. Độ tan các chất (g/100 ml nước) ở các nhiệt độ khác nhau ............... 90 Bảng 11.3. Hằng số Henry (k) ở một số nhiệt độ ................................................ 92 1 LỜI NÓI ĐẦU Hóa học đại cương là môn học tổng hợp kiến thức về cấu tạo chất, kiến thức về cơ sở lý thuyết các quá trình hóa học. Thực hành hóa học đại cương là một module trong học phần Hóa học đại cương, được giảng dạy cho sinh viên năm thứ nhất. Phần thực hành củng cố cho người học nội dung kiến thức, đồng thời phát triển các kỹ năng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, các kỹ năng sử dụng thiết bị, dụng cụ, các kỹ năng bố trí thí nghiệm và những hiểu biết về thiết bị, máy móc Trên cơ sở các kiến thức, kỹ năng và kỹ thuật thu được trong thực hành, người học tiếp cận với thế giới nghiên cứu khoa học thực nghiệm; đồng thời tạo nền tảng kỹ năng cho người học tiếp tục học các môn cơ sở ngành, chuyên ngành và các công việc có liên quan đến phòng thí nghiệm trong quá trình học tập, cũng như trong quá trình làm việc. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đào tạo đại học cho các nhóm ngành về sinh học, khoa học môi trường, quản lý tài nguyên, lâm nghiệp, lâm học, bảo vệ thực vật, thú y của sinh viên Trường Đại học Lâm nghiệp, chúng tôi soạn thảo Bài giảng thực hành Hóa học đại cương, với mong muốn có được tài liệu phục vụ giảng dạy các nhóm ngành không chuyên sâu về hóa học. Nhóm biên tập chân thành cảm ơn các Thầy cô trong Bộ môn Hoá học đã góp ý, bổ sung hoàn thiện bài giảng. Nhóm tác giả 3 Bài 1 KỸ THUẬT SỬ DỤNG DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 1.1. An toàn trong phòng thí nghiệm Người học tập và lao động cần biết và vận dụng các kỹ thuật an toàn khi sử dụng hóa chất trong phòng thí nghiệm và trong đời sống, biết các quy tắc an toàn lao động trong phòng thí nghiệm, biết sử dụng đúng cách các dụng cụ và biết sử dụng kỹ thuật cơ bản khi thí nghiệm, thực hành. Việc đảm bảo an toàn trong phòng thí nghiệm hóa học là một công tác cần đặc biệt chú trọng. Để tránh các trường hợp đáng tiếc xảy ra, người làm việc trong phòng thí nghiệm cần tuân thủ một số các quy tắc an toàn sau: – Không ăn, uống hay hút thuốc lá trong phòng thí nghiệm. Không nếm bất cứ hóa chất nào, không ngửi trực tiếp bất kỳ hơi hoặc khí nào. Thông báo ngay cho cán bộ hướng dẫn khi xảy ra tai nạn; – Đặc biệt cẩn thận khi sử dụng hóa chất, chỉ sử dụng khi đã được hướng dẫn. Không tự ý thực hiện bất cứ thí nghiệm nào nếu chưa có sự hướng dẫn. Sau khi kết thúc thí nghiệm cần thu gom hóa chất thừa vào đúng nơi quy định. Mặc áo bảo hộ, đeo kính bảo hộ khi làm việc trong phòng thí nghiệm. Thực hiện các phản ứng hoặc pha chế hóa chất cần thực hiện trong tủ hút độc đối với trường hợp hóa chất nguy hiểm, có mùi, sinh ra chất độc hoặc gây kích ứng da, mắt. Rửa sạch dụng cụ thí nghiệm ngay sau khi sử dụng. Không để các hóa chất dễ cháy, nổ ở nơi có nhiệt độ cao hoặc gần ngọn lửa; – Biết vị trí và cách sử dụng các thiết bị an toàn và sơ cứu khi có tình huống nguy hiểm xảy ra, đặc biệt là thiết bị chữa cháy. Đám cháy được chia thành loại A, B, C, D, E; với A là đám cháy bắt nguồn từ những vật rắn như: gỗ, giấy, lụa, nhựa B là đám cháy chất lỏng như cồn, xăng, dầu C là đám cháy liên quan đến chất khí như khí ga, metan D là đám cháy bắt nguồn từ những kim loại K, Na, Mg E là đám cháy liên quan đến những thiết bị điện. Trong trường hợp các đám cháy nhỏ, có thể sử dụng bình cứu hỏa dạng bột (thường là NaHCO3, tỉ lệ trên 80%) và bình cứu hỏa dạng khí (CO2) có sẵn trong phòng thí nghiệm để dập tắt. Tùy theo kí hiệu trên vỏ bình mà dùng cho các loại đám cháy tương ứng. Tuy nhiên, bình khí CO2 không được dùng cho nơi có không gian hẹp và không dùng để dập các đám cháy than hay kim loại nóng đỏ, chỉ dùng cho đám cháy A, B, C, E. Bình dạng bột có thể dùng cho các loại đám cháy khác 4 nhau (ABC, BC, AB). Trường hợp đám cháy loại D có thể dùng bình bột dập cháy. Để kích hoạt bình chữa cháy, kéo chốt ra khỏi tay cầm, sau đó hướng vòi phun về phía chân ngọn lửa và ấn cò bóp. Bình khí CO2 giúp dập tắt ngọn lửa và làm nguội nhanh chất dễ cháy. Khi mở van bình, do có sự chênh lệch về áp suất, CO2 lỏng trong bình thoát ra ngoài qua hệ thống ống dẫn và loa phun chuyển thành dạng như tuyết, lạnh tới – 78,9oC, điều này có thể gây bỏng lạnh cho người dùng. Khi phun vào đám cháy, CO2 có tác dụng làm loãng nồng độ hỗn hợp hơi khí cháy, đồng thời làm lạnh vùng cháy dẫn tới triệt tiêu đám cháy. Ngay sau khi sử dụng, trả lại bình chữa cháy về kho để nạp lại. Đối với bình bột, khi mở van bột khô trong bình được phun ra ngoài nhờ lực đẩy của khí nén (nén trực tiếp với bột hoặc trong chai riêng) qua hệ thống ống dẫn. Khi phun vào đám cháy bột có tác dụng kìm hãm phản ứng cháy và cách ly chất cháy với oxi không khí, mặt khác ngăn cản hơi khí cháy tiến vào vùng cháy dẫn đến đám cháy bị dập tắt. Trong trường hợp bình cứu hỏa không thể dập tắt đám cháy, cần sơ tán người ra khỏi phòng thí nghiệm ngay lập tức và gọi cho đội cứu hỏa. Hình 1.1. Đồ bảo hộ lao động và thiết bị chữa cháy 1.2. Kỹ thuật an toàn khi sử dụng hóa chất Việc sử dụng hóa chất trong phòng thí nghiệm luôn đi kèm theo những nguy cơ về mất an toàn. Nếu không nắm vững và tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên tắc của kỹ thuật an toàn hay các chỉ dẫn sẽ dẫn đến những hậu quả đáng tiếc cho con người, tài sản và môi trường. Trên các hộp, lọ đựng hóa chất thường có các biểu tượng cảnh báo nguy hiểm. Những biểu tượng báo nguy hiểm nhằm cảnh báo những hóa chất, vật thể nguy hiểm, có thể gây hại như: dòng diện, chất độc, chất phóng xạ. Sử dụng các kí hiệu này cần được tuân thủ theo quy định, được thống nhất trên toàn thế giới. Các biểu tượng này có thể xuất hiện với màu, nền, đường viền khác nhau để 5 phân loại mức độ nguy hiểm và đôi khí có bổ sung thêm thông tin. Biểu tượng cảnh báo được đặt ở chỗ dễ nhận ra và được hiểu giống nhau cho dù viết bằng ngôn ngữ khác nhau. Bảng 1.1. Các chỉ báo trên bình chứa hóa chất thƣơng mại Chỉ báo Biểu tƣợng Độ nguy hiểm Ví dụ Độc (T), Rất độc (T+) (Đầu lâu, xương chéo) Hóa chất độc hại có thể gây ra các ảnh hưởng đe dọa tính mạng dù chỉ với một lượng nhỏ và thời gian phơi nhiễm ngắn. Không để chất tiếp xúc với da, mắt; không nếm hoặc hít hơi. Chất thâm nhập qua đường thở, tiêu hóa, qua da với lượng ít có thể gây tử vong hoặc có tác dụng cấp tính hoặc mãn tính. (T+): Xianhidric, cacbon monooxit, P trắng, nicotine. (T): Axit sunfuric đặc, TNT, metanol, amoniac, metanal, hidrosunfua, benzen, cacbondisunfua, nitroglyxerin. Có hại (Xn), gây kích thích (Ni) (Có hại) Với lượng ít đã gây ra cảm giác khó chịu hoặc kích thích khi tiếp xúc qua da hoặc đường thở; gây kích thích mắt. Xn: Butan, axetandehit, kali đicromat Ni: Axeton, etanol, nhựa thông, nước Javel. Dễ cháy (F), Rất dễ cháy (F+) (Cháy) Hóa chất có thể cháy dễ dàng khi tiếp xúc với nguồn lửa, nguồn nhiệt, nguồn đánh lửa. Tránh các nguồn gây cháy, giữ khoảng cách, quần áo bảo hộ. (F+): Hidro, axetylen, propan, butan, dietyl ete, cacbondisulfua, axetandehit (F): Etanol, hexamin, axeton, xăng, metanol Khí nén (Khí nén) Chứa khí nén. Khí có thể rất lạnh khi nó bay hơi, thùng chứa có thể nổ nếu được làm nóng. Không làm nóng, tránh tiếp xúc với da hoặc mắt. Bình gas, bình chứa axetylen, bình nitơ lỏng, các loại bình xịt khí. Ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe (Nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe) Sản phẩm gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe. Có thể gây ra các ảnh hưởng sức khỏe không thể phục hồi ngay cả khi tiếp xúc ngắn. Không thở, ăn hoặc tiếp xúc với da hoặc mắt. Cacbontetraclorua, ete, benzen 6 Ảnh hưởng đến sức khỏe hoặc tầng ozon (Dấu cảm thán) Sản phẩm có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe hoặc tầng ozon. Gây kích ứng, có thể gây kích ứng, phát ban hoặc ảnh hưởng sức khỏe trong thời gian ngắn (độc tính thấp). Không thở, ăn hoặc cho phép tiếp xúc với da hoặc mắt. Có thể gây thiệt hại cho tầng ozon. Không thải vào môi trường. Ete dầu hỏa, etyl axetat, pentan, freon. Chất độc môi trường (Cây chết, cá chết) Chất có độc tố với môi trường; có thể gây ra các ảnh hưởng ngắn hạn hoặc lâu dài đối với động vật hoang dã và môi trường; độc đối với thực vật và sinh vật dưới nước. Không thải vào môi trường. Cacbontetraclorua, lindane, chì, thủy ngân, axit sunfuric. Chất phá hủy, ăn mòn (C) (Phá hủy, ăn mòn) Chất ăn mòn có thể gây bỏng da hoặc tổn thương mắt vĩnh viễn. Tránh tiếp xúc với da và mắt, không hít hơi hoặc sol và luôn mặc quần áo bảo hộ. Có thể phản ứng mạnh với kim loại – tránh xa kim loại. Sản phẩm có thể phá hủy các mô sống. Các dung dịch clohidric từ 25%; axit photphoric từ 25%; nước Javel đặc; amoniac từ 10%. Chất gây nổ (Nổ) Sản phẩm ở dạng lỏng, rắn có thể nổ dưới tác dụng của sự va chạm, ma sát, ngọn lửa hoặc nhiệt. Tránh các nguồn gây cháy, giữ khoảng cách, quần áo bảo hộ. Butan, propan trộn với không khí theo tỉ lệ nổ, TNT, axeton peroxit, nitroglycerin, axit picric Chất gây cháy (Vòng lửa cháy) Chất oxi hóa dễ cháy: Dễ cháy khi có hoặc không có oxi và có thể gây hỏa hoạn với các vật liệu dễ cháy khác như khi tiếp xúc với vật liệu đóng gói như giấy, carton, gỗ Tránh các nguồn gây cháy, giữ khoảng cách, dùng quần áo bảo hộ. Axit nitric từ 70%, kali clorat, peroxit, kali pemanganat, oxi, kali nitrat 7 Bảng 1.2. Biện pháp an toàn khi làm việc với hóa chất Phân loại Hóa chất Biện pháp an toàn Các khí và hơi dễ cháy nổ Axetylen, metan, hidro, hơi ete cacbondisunfua – Đảm bảo độ kín của các thiết bị lưu trữ. – Tăng cường các biện pháp thông gió ở nơi làm việc – Đặt xa nguồn lửa hoặc nghiêm cấm lửa và thực hiện biện pháp chống phát sinh tia lửa do ma sát hoặc tĩnh điện. – Sử dụng các thiết bị điện an toàn chống cháy nổ. – Dùng mặt nạ phòng độc kh