Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường 1 - Phần 1B - Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Phần trước:
‹ Xác định được pH của hệ khi châm acid hay bazo vào
‹ Xác định được lượng hóa chất cần châm vào để đạt được pH mong muốn
- Thu thập thông tin về acid /
Chuẩn độ
1 mẫu nước
thu được
bazo trong mẫu (vd: châm acid
mạnh vào mẫu để xác định
nồng độ các dạng carbonate,
các bazo yếu; độ kiềm)
Quan sát dạng đường
cong chuẩn độ
- Xác định độ đệm của mẫu nước
Ï có cách thức kiểm soát pH
phù hợp cho các công đoạn xử
lý nước
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
92
Phần 1
Hóa nước
Titration curves for strong acid v strong base: hydrochloric acid and
sodium hydroxide as typical of a strong acid and a strong base.
HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O
Running acid into the alkali
Running alkali into the acid
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
93
1
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Titration curves for strong acid v weak base: hydrochloric acid as the
strong acid and ammonia solution as the weak base.
HCl(aq) + NH3(aq) → NH4Cl(aq)
Running acid into the alkali
Running alkali into the acid
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
94
Phần 1
Hóa nước
Titration curves for weak acid v strong base: ethanoic acid and sodium
hydroxide as typical of a weak acid and a strong base.
CH3COOH(aq) + NaOH(aq) → CH3COONa(aq) + H2O
Running acid into the alkali
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
Running alkali into the acid
95
2
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Titration curves for weak acid v weak base: The common example
of this would be ethanoic acid and ammonia.
CH3COOH(aq) + NH3(aq) → CH3COONH4(aq)
Running acid into the alkali
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
96
Phần 1
Hóa nước
+
Ví dụ: Xđ nồng độ acid yếu (NH4 / NH3) trong mẫu nước
Dùng 1 L dd
1/ Châm 5 ml dd HCl 2M (~ 0.01 mol HCl) (nhằm tạo môi trường acid
+
để đưa tất cả N về tồn tại ở dạng acid NH4 ) Ï ghi nhận pH = 2
2/ Châm mỗi lần 0.5 ml dd NaOH 5M Ï ghi nhận giá trị pH; sau đó
châm ít lại, mỗi lần 0.25 ml Ï có đường cong chuẩn độ
3/ Xác định 2 điểm uốn, tại CB – CA = 0 và CB – CA = 0.01
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
97
3
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Dùng 1 L dd
Có thể
dùng pKa
pH dd NH3 0.01 M
thu được
từ định
phân để
định danh
hợp chất
tồn tại
pKa
Cần 0.02 mol NaOH
(equivalence point)
pH dd NH4Cl 0.01 M
trong dd
+
CT = [NH3] + [NH4 ]
= 0.01 M
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
98
Phần 1
Hóa nước
Bài tập
1.
2.
3.
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
99
4
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
4.
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
100
Phần 1
*
Hóa nước
I. Nước
IV. Cân bằng tạo phức
IV.1 Định nghĩa phức chất
II. Dung dịch
III. Cân bằng acid – bazo
IV.Cân bằng tạo phức
V. Cân bằng oxy hóa – khử
VI.Cân bằng kết tủa – hòa tan
IV.2 Hằng số c/bằng tạo phức
IV.3 Phân số mol của phức thành phần
IV.4 Biểu đồ cân bằng pC-pH
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
101
5
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
‹ Các hợp chất đơn giản (các hợp chất bậc nhất): các oxit (Na2O, CuO,...), các
halogenua (NaCl, CuCl2,...).
‹ Hợp chất bậc cao (hợp chất phân tử - những hợp chất đơn giản kết hợp với nhau):
K2HgI4 (HgI2.2KI); Ag(NH3)2Cl (AgCl.2NH3); K4Fe(CN)6 [Fe(CN)2.
4KCN]...
Cấu tạo của chúng
Trong số các hợp chất
không được giải thích
phân tử thì hợp chất nào
thoả đáng trong khuôn
được gọi là hợp chất
khổ của thuyết hóa trị
phức (phức chất)???
cổ điển.
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
102
Phần 1
Hóa nước
Phức chất là hợp chất phân tử bền trong dung dịch nước, không phân huỷ
hoặc chỉ phân huỷ rất ít ra các hợp phần tạo thành hợp chất đó (A. Werner).
Phức chất là những hợp chất tạo được các nhóm riêng biệt từ các nguyên tử,
ion hoặc phân tử với những đặc trưng: a) có mặt sự phối trí, b) không phân
ly hoàn toàn trong dung dịch (hoặc trong chân không), c) có thành phần
phức tạp (số phối trí và số hoá trị không trùng nhau) (K. B. Iaximirxki).
nhấn mạnh sự phối trí (là sự phân bố hình
học các nguyên tử hoặc các nhóm nguyên tử
quanh nguyên tử của một nguyên tố khác).
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
103
6
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Chưa có được định nghĩa thật thoả đáng về khái niệm phức chất vì
trong nhiều trường hợp không có ranh giới rõ rệt giữa hợp chất đơn giản
và phức chất. Một hợp chất, tuỳ thuộc vào điều kiện nhiệt động, khi thì
được coi là hợp chất đơn giản, khi thì lại được coi là phức chất.
Ví dụ:
‹ hơi natri clorua gồm các đơn phân tử NaCl (hợp
chất nhị tố đơn giản),
‹ tinh thể NaCl là phức chất cao phân tử (NaCl)n,
trong đó mỗi ion Na+ được phối trí một cách đối
xứng kiểu bát diện bởi 6 ion Cl–, và mỗi ion Cl–
Tinh thể NaCl
được phối trí tương tự bởi 6 ion Na+.
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
104
Phần 1
Hóa nước
Phức chất ở đây (môn học này) được giới hạn ở những hợp chất của một
kim loại M với các phối tử L – vốn là các ion hoặc phân tử có khả năng
tạo liên kết phối trí (liên kết cho nhận) với kim loại M.
M + nL ↔ MLn
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
105
7
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Phân loại phức chất:
- Dựa vào số nguyên tử M trong phức chất:
2-
• Phức đơn nhân: Ag(NH3)2, HgI4 , ----
• Phức đa nhân: nhiều kim loại lk với nhau và lk với phối tử L --- MmLn
- Dựa vào phối tử L:
• Phức thuần nhất: chỉ 1 loại phối tử L ----MLn
• Phức hỗn hợp: kim loại liên kết với 2 phối tử trở lên --- MXpY
q
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
106
Phần 1
Hóa nước
Kim loại M tạo phức với phối tử L:
M
+ L ↔ ML
K1 = [ML] / ([M] [L])
[ML] = K1 [M][L] = β1 [M][L]
[ML2] = K2 [ML][L] = K1 K2 [M][L]2
ML + L ↔ ML2
K2 = [ML2] / ([ML] [L])
= β2 [M] [L]2
..................................................
MLn-1 + L ↔ MLn
Kn = [MLn] / ([MLn-1][L])
[MLn] = K1 K2 .... Kn [M][L]n
= βn [M] [L]n
Ki : hằng số bền của phức thứ i (MLi);
n: số phối trí cực đại
βn = K1K2....Kn = ꢂ ꢀꢁ: hằng số bền toàn phần của phức MLn
∏
ꢁ
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
107
8
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
108
β là hằng số cân bằng của p/ư:
Mn+ + OH- ↔ MOH+(n-1)
*β là hằng số cân bằng của p/ư: Mn+ + H2O ↔ MOH+(n-1) + H+
*β = Kw. β
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
109
9
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Phương trình bảo toàn khối lượng cho M và L:
CM = [M] + [ML] + .... + [MLn]
= [M] + β1 [M][L] + β2 [M][L]2 + .... + βn [M][L]n
= [M] + [M] ꢂ ꢃꢁ ꢄ
ꢁ
∑
ꢅ
CL = [L] + [ML] + 2[ML2] +.... + n[MLn]
= [L] + β1 [M][L] + 2β2 [M][L]2 + .... + nβn [M][L]n
= [L] + [M] ꢂ ꢁꢃꢁ ꢄ
ꢁ
∑
ꢅ
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
110
Phần 1
Hóa nước
Phân số mol của phức thứ MLi so với nồng độ kim loại CM :
ꢉꢊꢋꢇꢌ
ꢍꢎ
ꢏꢇꢉꢊꢌꢉꢋꢌꢇ
ꢏꢇꢉꢋꢌꢇ
∑
ꢆ ꢈ
ꢇ
ꢈ
ꢈ
ꢑ
ꢊ ꢐ ꢉꢊꢌ ꢒ ꢏꢇ ꢉꢋꢌꢇ 1 ꢐ ꢒꢑ ꢏꢇ ꢉꢋꢌꢇ
∑
đ/v phức đơn nhân, Fi chỉ
phụ thuộc nồng độ c/bằng
của L và Ki, không phụ
thuộc CM và [M].
Trị số F0 cho kim loại tự do M:
ꢉꢊꢌ
ꢍꢎ
1
ꢆꢓ ꢈ
ꢈ
1 ꢐ ꢑꢒ ꢏꢇ ꢉꢋꢌꢇ
∑
Nếu xác định được [L] Ï
có Fi Ï có [Mli]
F0 + F1 + ... + Fn = 1
Thực tế, thường cho CL >>
CM để thỏa đk [L] ≈ CL.
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
11
10
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Ion kim loại M3+ (10-3 M) tạo phức với ion Br- (dd KBr 0.1M). Tính nồng độ
cân bằng và tỷ lệ % mỗi cấu tử biết lgβ1 = 1.2; lgβ1 = 1.8; lgβ1 = 2.5.
Vì CL >> CM (≈ 100 lần), nên xem [L] ≈ CL = 0.1 M
ꢛ
1 ꢐ ꢒ ꢏꢇ ꢉꢋꢌꢇ= 1 + 101.2×0.1 + 101.8×0.12 + 102.5×0.13 = 3.54
∑
ꢘ.ꢙ
ꢆ ꢈ ꢉꢎꢔꢕꢌ ꢈ ꢒꢓ ꢚꢓ.ꢒ ꢈ 0.45
[MBr] = 0.45 × 10-3M Ï 45% phức MBr
ꢒ
ꢖ
ꢗ
ꢛ.ꢜꢝ
ꢘ.ꢟ
ꢆꢞ ꢈ ꢉꢎꢔꢕ ꢌ ꢈ ꢒꢓ
ꢞ ꢈ 0.18
ꢛ ꢈ 0.09
ꢚ ꢓ.ꢒ
ꢙ
[MBr2] = 0.18 × 10-3M Ï 18% phức MBr2
[MBr3] = 0.09 × 10-3M Ï 9% phức MBr3
ꢖ
ꢗ
ꢛ.ꢜꢝ
ꢙ.ꢡ
ꢆꢛ ꢈ ꢉꢎꢔꢕ ꢌ ꢈ ꢒꢓ
ꢚ ꢓ.ꢒ
ꢛ.ꢜꢝ
ꢠ
ꢖ
ꢗ
ꢠꢢ
ꢌ
ꢒ
ꢆꢓ ꢈ ꢉꢎ ꢈ ꢛ.ꢜꢝ ꢈ 0.28
[M] = 0.28 × 10-3M Ï 28% ở dạng ion
kim loại tự do
ꢖ
ꢗ
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
112
Phần 1
Hóa nước
Đ/v phức hydroxide kim loại
‹ Công thức tính phân số mol giống tr/hợp acid yếu
‹ Chú ý biến đổi / đưa ptr tạo phức về dạng
+n-m
Mn+ + mH2O ↔ M(OH)m
+ mH+
Để có hằng số cân bằng phù hợp với hằng số dùng
trong công thức tính phân số mol
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
113
11
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
114
Phần 1
Hóa nước
Chuyển đổi phương trình
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
115
12
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Chuyển đổi phương trình
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
116
Assume maximum MT = 1 M
13
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Các bước dựng biểu đồ pC – pH
(trong cân bằng tạo phức hydroxide kim loại)
(1) First, identify all the soluble forms of the metal ion that can exist in
equilibrium with the solid metal hydroxide. These include the free metal
ion and various metal-hydroxide (M-OH) complexes.
(2) Write an equilibrium equation relating (as a function of pH) the
concentration (or activity) of each soluble metal form to the solid phase
metal hydroxide, and draw the lines representing these equations on a pC-
pH diagram.
(3) Sum up the concentrations of the various soluble species at a given pH
(XT,M for M, hereafter referred to as MT), and draw the line representing
MT versus pH.
T
8
Phần 1
Hóa nước
EXAMPLE 7.9 Derivation of the lines for Fe species in Figure 7.5: We
need equilibrium relationships for the following FeIII species with solid
+
0
-
Fe(OH)3am (ferrihydrite): Fe3+, FeOH2+, Fe(OH)2 , Fe(OH)3 , and Fe(OH)4
4+
. There are several other soluble FeIII species, such as Fe2(OH)2 , but they
generally do not contribute significantly to FeT.
In the interests of simplicity, we will not consider them here in drawing the
solubility diagram. Also, for simplicity we will not consider effects of ionic
strength on activity and we equate activity to molar concentration.
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
119
14
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
For Fe3+, the simple solubility product is
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
120
Phần 1
Hóa nước
For FeOH2+ we cannot find a direct equilibrium expression with Fe(OH)3am
but we can obtain it from Ks0 and K1, the first acidity constant of Fe3+:
,
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
121
15
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
+
Similarly, for Fe(OH)2 , we can obtain an equilibrium expression with
Fe(OH)3am as follows:
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
122
Phần 1
Hóa nước
0
For the un-ionized soluble species Fe(OH)3 , a similar exercise yields the
following relationship:
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
123
16
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
124
Phần 1
Hóa nước
In summary, the equations for all the Fe lines in the diagram are
Note that the lines have meaning only where solid Fe(OH)3am exists. Because
we limited FeT to 1 M (maximum pFeT = 0), the lines at pH <∼ 1.07 (where
we start to exceed the mass-balance constraint) are not meaningful.
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
125
17
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Step 3 sounds like a formidable task, but it usually is easy to do because
only one metal ion species is important in the mass-balance expression for
M (MT) over wide ranges of pH, and it is unusual for more than two
species to contribute significantly to MT.
When two species are important, the largest impact on MT occurs where
the lines intersect. At this point, MT is 0.3 log unit greater than the value of
either species at that pH; that is, pMT is 0.3 units less than the value of pM
at the intersection point. When the pH is more than one unit higher or
lower than the pH at the intersection, the line for pMT approaches the pM
line for the more soluble species at that pH.
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
126
Phần 1
Hóa nước
Where three species are approximately coequal in concentration, as in
+
point A in Figure 7.5, where p[Fe3+] ≈ p[FeOH2+] ≈ p[Fe(OH)2 ], the line
for pFeT is three times higher than the point of intersection, or ∼0.5 log
units higher. Consequently, the line for pMT can be sketched on the
diagram easily once the lines for the individual species are drawn.
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
127
18
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
Hóa nước
Biểu đồ cân bằng pC – pH của phức chất minh họa
biến thiên về độ tan của các hydroxide kim loại theo pH
Điểm (pH, pMT) trong vùng màu xám: thể hiện trạng
thái quá bão hòa của Fe(OH)3am Ï có kết tủa xuất
hiện ngay lập tức.
Điểm (pH, pMT) ngoài vùng màu xám: thể hiện trạng thái chưa bão hòa
của Fe(OH)3am Ï Fe(OH)3am luôn tồn tại ở dạng hòa tan.
Đường xám đậm (FeT) thể hiện trạng thái cân bằng – độ tan tổng của
Fe(OH)3am biểu diễn dưới dạng Fe theo giá trị của pH.
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
128
Sự phân bố các dạng tồn tại của các hydroxit kim loại / á kim phổ biến
19
HK2 - 2013-2014
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Phần 1
*
Hóa nước
I. Nước
V. Cân bằng oxy hóa – khử
V.1 Định nghĩa
II. Dung dịch
III. Cân bằng acid – bazo
IV.Cân bằng tạo phức
V. Cân bằng oxy hóa – khử
VI.Cân bằng kết tủa – hòa tan
V.2 Thế oxy hóa khử
V.3 Hằng số cân bằng
V.4 Biểu đồ pC-pe, pe-pH
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
130
Phần 1
Hóa nước
Chất oxy hóa là chất có khả năng nhận electron (số oxy hóa giảm sau phản ứng)
Chất khử là chất có khả năng cho electron (số oxy hóa tăng sau phản ứng)
Chất oxy hóa sau khi nhận electron sẽ trở thành chất khử. Chất oxy hóa và chất khử tạo
thành cặp oxy hóa khử liên hợp.
Ox1 + ↔ Kh1
2 cặp oxy hóa khử liên hợp
Ox1/Kh1 và Ox2/Kh2
Kh2 - ↔ Ox2
Electron không tồn tại tự do trong dung dịch Ï một chất chỉ thể hiện tính oxy hóa khi có
mặt của chất khử để cho electron cho nó (và ngược lại).
p/ư cho – nhận electron giữa chất khử và chất oxy hóa – P/ư oxy hóa khử.
Cl0 + e- ↔ Cl-
Fe2+ - e ↔ Fe3+
Cl0 + Fe2+ ↔ Cl- + Fe3+
Cl2 + 2Fe2+ ↔ 2Cl- + 2Fe3+
TS. Nguyen T. Ngoc Quynh
131
20
Tải về để xem bản đầy đủ
30 trang
20060
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường 1 - Phần 1B - Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_hoa_ky_thuat_moi_truong_1_phan_1b_nguyen_thi_ngoc.pdf
