Mét sè ®Þnh luËt vµ kh¸i niÖm c¬ b¶n
trong hãa ph©n tÝch
Môc tiªu
1. Gi¶i thÝch ®−îc néi dung vµ ý nghÜa cña ba ®Þnh luËt: §Þnh luËt b¶o toµn khèi
l−îng, §Þnh luËt thµnh phÇn kh«ng ®æi vµ §Þnh luËt ®−¬ng l−îng.
2. Tr×nh bµy ®−îc c¸c ®Þnh nghÜa vÒ ba lo¹i nång ®é dung dÞch: nång ®é phÇn
tr¨m, nång ®é mol/L, nång ®é ®−¬ng l−îng vµ c¸ch vËn dông ®Ó gi¶i c¸c bµi
to¸n chuyÓn ®æi gi÷a c¸c lo¹i nång ®é Êy.
3. Tr×nh bµy ®−îc kh¸i niÖm pH vµ sù h×nh thµnh thang pH; kh¸i niÖm chØ thÞ
mµu vµ c¸ch x¸c ®Þnh pH b»ng chØ thÞ mµu.
4. Nªu ®−îc ®iÒu kiÖn kÕt tña-hßa tan mét chÊt dùa trªn kh¸i niÖm tÝch sè tan
5. ChØ ra vµ ®äc tªn ®−îc c¸c thµnh phÇn cña phøc chÊt. Gi¶i thÝch ®−îc ý nghÜa
cña h»ng sè kh«ng bÒn hoÆc h»ng sè t¹o phøc nÊc vµ tæng céng.
1. C¸c ®Þnh luËt
1.1. §Þnh luËt b¶o toµn khèi l−îng
“Khèi l−îng tæng céng cña c¸c chÊt kh«ng ®æi trong mét ph¶n øng hãa häc”.
Sè l−îng c¸c chÊt vµ tÝnh chÊt cña chóng cã thÓ thay ®æi, nh−ng khèi
l−îng cña c¸c chÊt th× gi÷ nguyªn kh«ng ®æi tr−íc vµ sau ph¶n øng. Ngay
c¶ nh÷ng biÕn ®æi sinh häc phøc t¹p trong c¬ thÓ cã liªn quan ®Õn nhiÒu
ph¶n øng th× khèi l−îng vÉn ®−îc b¶o toµn:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
180g glucose + 192g khÝ oxy → 264g carbon dioxyd + 108g n−íc
(372g nguyªn liÖu tr−íc ph¶n øng → 372g chÊt sau biÕn ®æi)
* Nhê ®Þnh luËt b¶o toµn khèi l−îng mµ chóng ta cã thÓ c©n b»ng c¸c
ph−¬ng tr×nh hãa häc vµ tÝnh ®−îc khèi l−îng cña c¸c chÊt tham gia ph¶n
øng vµ c¸c chÊt s¶n phÈm theo t−¬ng quan tû lÖ thuËn khi dùa vµo ph−¬ng
tr×nh ph¶n øng ®· c©n b»ng.
17
1.2. §Þnh luËt thµnh phÇn kh«ng ®æi
“Mét hîp chÊt dï ®−îc ®iÒu chÕ b»ng c¸ch nµo th× vÉn bao gåm cïng mét
lo¹i c¸c nguyªn tè vµ cïng tû sè khèi l−îng cña c¸c nguyªn tè trong hîp chÊt”.
¸c kÕt qu¶ sau ®©y thu ®−îc vÒ thµnh phÇn khèi l−îng cña c¸c nguyªn
tè trong 20,0 g calci carbonat:
Ph©n tÝch theo khèi l−îng Sè phÇn khèi l−îng PhÇn tr¨m khèi l−îng
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 phÇn khèi l−îng 100% khèi l−îng
§Þnh luËt thµnh phÇn kh«ng ®æi cho ta biÕt r»ng, calci carbonat tinh
khiÕt thu ®−îc tõ ®¸ hoa c−¬ng ë mét ngän nói, tõ san h« ngÇm d−íi biÓn,
hoÆc tõ bÊt kú mét nguån nµo kh¸c, th× vÉn t×m thÊy cïng c¸c lo¹i nguyªn
tè t¹o thµnh (calci, carbon, oxy) vµ cïng mét sè phÇn tr¨m nh− ®· cho biÕt
ë b¶ng trªn.
Nh− vËy, nhê ®Þnh luËt thµnh phÇn kh«ng ®æi mµ mçi hîp chÊt x¸c
®Þnh ®−îc biÓu thÞ b»ng mét c«ng thøc hãa häc nhÊt ®Þnh.
Cã thÓ suy ra khèi l−îng nguyªn tè tõ tû lÖ khèi l−îng cña nã trong
hîp chÊt:
Khèi l−îng nguyªn tè = Khèi l−îng hîp chÊt
×
Sè
p
hÇn khèi l−în
g
n
g
u
y
ªn tè
1 phÇn khèi l−îng hîp chÊt
Chóng ta cã thÓ biÓu diÔn phÇn khèi l−îng theo bÊt kú ®¬n vÞ ®o khèi
l−îng nµo nÕu tiÖn dïng cho tÝnh to¸n.
Còng cÇn chó ý lµ thµnh phÇn kh«ng ®æi chØ hoµn toµn ®óng cho
nh÷ng hîp chÊt cã khèi l−îng ph©n tö nhá ë tr¹ng th¸i khÝ vµ láng. §èi víi
chÊt r¾n hoÆc polymer, do nh÷ng khuyÕt tËt trong m¹ng tinh thÓ hoÆc
trong chuçi dµi ph©n tö, thµnh phÇn cña hîp chÊt th−êng kh«ng øng ®óng
víi mét c«ng thøc hãa häc x¸c ®Þnh. VÝ dô, tû lÖ oxy/titan trong titan oxyd
®iÒu chÕ b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau dao ®éng tõ 0,58 ®Õn 1,33; c«ng
thøc cña s¾t sulfid cã thÓ viÕt Fe1-xS víi x dao ®éng tõ 0 ®Õn 0,005; ph©n tö
glycogen trong c¸c tÕ bµo gan vµ c¬ cã thÓ gåm 1000 ®Õn 500000 ®¬n vÞ
glucose; v.v...
1.3. §Þnh luËt ®−¬ng l−îng
Tõ ®Þnh luËt thµnh phÇn kh«ng ®æi ta thÊy r»ng c¸c nguyªn tè kÕt
hîp víi nhau theo c¸c tû lÖ vÒ l−îng x¸c ®Þnh nghiªm ngÆt. Do ®ã, ng−êi ta
®−a vµo hãa häc kh¸i niÖm ®−¬ng l−îng, t−¬ng tù nh− kh¸i niÖm khèi
l−îng nguyªn tö vµ khèi l−îng ph©n tö.
18
1.3.1. §Þnh nghÜa
Thùc nghiÖm hãa häc x¸c ®Þnh r»ng: 1,008 khèi l−îng hydro t¸c dông
võa ®ñ víi:
8,0 khèi l−îng oxy ®Ó t¹o thµnh n−íc (H2O)
35,5 - clor - hydro clorid (HCl)
23,0 - natri - natri hydrid (NaH)
16,0 - l−u huúnh - hydro sulfid (H2S)
3,0 - carbon - metHan (CH4)
v.v...
Sè phÇn khèi l−îng mµ c¸c nguyªn tè t¸c dông võa ®ñ víi 1,008 phÇn
khèi l−îng hydro l¹i t¸c dông võa ®ñ víi nhau ®Ó t¹o thµnh c¸c hîp chÊt
kh¸c. VÝ dô:
8,0 khèi l−îng oxy + 3,0 khèi l−îng carbon → carbon dioxyd (CO2)
35,5 khèi l−îng clor + 23,0 khèi l−îng natri → natri clorid (NaCl)
16,0 khèi l−îng l−u huúnh + 3,0 khèi l−îng carbon → carbon disulfid (CS2)
v.v...
Ng−êi ta gäi sè phÇn khèi l−îng mµ c¸c nguyªn tè t¸c dông võa ®ñ víi
1,008 phÇn khèi l−îng hydro (vµ l¹i t¸c dông võa ®ñ víi nhau) lµ ®−¬ng
l−îng cña c¸c nguyªn tè, ký hiÖu lµ E (equivalence), vµ viÕt: EH = 1,008; EO
= 8; ECl = 35,5; ES = 16; v.v.. chó ý r»ng, ®−¬ng l−îng lµ sè phÇn khèi l−îng
t−¬ng ®−¬ng gi÷a c¸c chÊt trong ph¶n øng nªn cã thÓ sö dông bÊt kú ®¬n vÞ
khèi l−îng nµo ®Ó biÓu thÞ nã (mg, g, kg...).
Do chÝnh tõ kh¸i niÖm ®−¬ng l−îng nªu trªn mµ viÖc x¸c ®Þnh ®−¬ng
l−îng cña mét nguyªn tè hay cña mét hîp chÊt kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i xuÊt
ph¸t tõ hîp chÊt cña chóng víi hydro. VÝ dô, ®Ó t×m ®−¬ng l−îng cña kÏm
(Zn) kh«ng thÓ xuÊt ph¸t tõ ph¶n øng cña kÏm víi hydro, v× ë ®iÒu kiÖn
th−êng ph¶n øng nµy kh«ng x¶y ra. Tuy nhiªn, thùc nghiÖm dÔ dµng cho
thÊy: 32,5 khèi l−îng kÏm t¸c dông võa ®ñ víi 8 khèi l−îng oxy (1E0) ®Ó t¹o
thµnh kÏm oxyd (ZnO), vËy, EZn = 32,5. HoÆc ®Ó t×m ®−¬ng l−îng H2SO4
kh«ng thÓ b»ng c¸ch cho acid nµy t¸c dông víi hydro hoÆc oxy, nh−ng thùc
nghiÖm cho biÕt: 49 khèi l−îng H2SO4 t¸c dông võa ®ñ víi 32,5 khèi l−îng
kÏm (1EZn), vËy = 49. Tõ ®©y, cã thÓ ®−a ra ®Þnh nghÜa chung cho
®−¬ng l−îng:
42SOH
E
§−¬ng l−îng cña mét nguyªn tè hay hîp chÊt lµ sè phÇn khèi l−îng
cña nguyªn tè hay hîp chÊt ®ã kÕt hîp hoÆc thay thÕ võa ®ñ víi 1,008 phÇn
khèi l−îng hydro hoÆc 8 phÇn khèi l−îng oxy hoÆc víi mét ®−¬ng l−îng cña
bÊt kú chÊt nµo kh¸c ®· biÕt.
19
Trong thùc tÕ ng−êi ta th−êng dïng ®−¬ng l−îng gam, víi quy −íc:
§−¬ng l−îng gam cña mét chÊt lµ l−îng chÊt ®ã ®−îc tÝnh b»ng gam
vµ cã trÞ sè b»ng ®−¬ng l−îng cña nã.
Nh− vËy, EH = 1,008 g ; EO = 8 g ; ENa = 23 g
E
Zn = 32,5 g ; = 49 g
42SOH
E
1.3.2. §Þnh luËt ®−¬ng l−îng cña Dalton
C¸c chÊt t¸c dông víi nhau theo c¸c khèi l−îng tû lÖ víi ®−¬ng l−îng
cña chóng.
Nãi c¸ch kh¸c: Sè ®−¬ng l−îng cña c¸c chÊt trong ph¶n øng ph¶i b»ng
nhau.
§Þnh luËt ®−îc thÓ hiÖn qua hÖ thøc ®¬n gi¶n:
B
A
m
m =
B
A
E
E hoÆc
A
A
E
m =
B
B
E
m
ë ®©y: mA, mB lµ khèi l−îng tÝnh b»ng gam cña chÊt A vµ chÊt B trong
ph¶n øng
EA, EB lµ ®−¬ng l−îng gam cña chÊt A vµ B
−
§Þnh luËt ®−¬ng l−îng cho phÐp tÝnh khèi l−îng mét chÊt trong ph¶n
øng nÕu biÕt ®−¬ng l−îng cña c¸c chÊt vµ khèi l−îng t¸c dông cña
chÊt kia. VÝ dô, tÝnh khèi l−îng khÝ clor t¸c dông hÕt víi 3,45g natri,
biÕt ENa = 23; ECl = 35,5. ¸p dông hÖ thøc nªu trªn dÔ dµng t×m thÊy:
35,5
m
23
3,45g Cl
= t mCl = 23
35,53,45g
×
= 5,33g
−
Víi kh¸i niÖm nång ®é ®−¬ng l−îng lµ sè ®−¬ng l−îng gam chÊt tan cã
trong 1 lÝt dung dÞch (ký hiÖu N viÕt sau trÞ sè ®−¬ng l−îng), ®Þnh luËt
®−¬ng l−îng ®−îc sö dông réng r·i trong phÐp ph©n tÝch chuÈn ®é.
Ch¼ng h¹n, cÇn bao nhiªu mL dung dÞch kiÒm B (®Æt lµ VB) ®Ó trung
hßa hÕt VA ml dung dÞch acid A cã nång ®é ®−¬ng l−îng lµ NA. BiÕt
nång ®é ®−¬ng l−îng cña dung dÞch kiÒm B lµ NB.
¸p dông ®Þnh luËt ®−¬ng l−îng: sè ®−¬ng l−îng cña c¸c chÊt trong
ph¶n øng ph¶i b»ng nhau, ta cã:
A
A.N
1000
V = B
B.N
1000
V t VB =
B
AA
N
.NV
Ph−¬ng tr×nh trªn ®−îc ¸p dông cho tÊt c¶ c¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch
thÓ tÝch (ph−¬ng ph¸p acid - base; ph−¬ng ph¸p kÕt tña; ph−¬ng ph¸p phøc
chÊt; ph−¬ng ph¸p oxy hãa - khö).
20
1.3.3. ý nghÜa hãa häc cña kh¸i niÖm ®−¬ng l−îng liªn quan trùc tiÕp
®Õn kh¸i niÖm hãa trÞ cña c¸c nguyªn tè. Tr−íc ®©y, ng−êi ta coi hãa trÞ lµ
kh¶ n¨ng cña mét nguyªn tö cña nguyªn tè cã thÓ kÕt hîp hoÆc thay thÕ
bao nhiªu nguyªn tö hydro hoÆc bao nhiªu nguyªn tö kh¸c t−¬ng ®−¬ng.
Nh− vËy, ®−¬ng l−îng cña mét nguyªn tè lµ sè ®¬n vÞ khèi l−îng (sè phÇn
khèi l−îng) cña nguyªn tè Êy t−¬ng øng víi mét ®¬n vÞ hãa trÞ. Gi÷a ®−¬ng
l−îng (E), hãa trÞ (n) vµ khèi l−îng nguyªn tö (A) cña nguyªn tè cã mèi
t−¬ng quan sau:
E =
n
A
VÝ dô, oxy cã hãa trÞ 2, khèi l−îng nguyªn tö 16, nªn:
E
O = 2
16 = 8
NÕu nguyªn tè cã nhiÒu hãa trÞ th× ®−¬ng l−îng cña nã còng thay ®æi
tuú thuéc vµo hãa trÞ mµ nã thÓ hiÖn trong s¶n phÈm t¹o thµnh sau ph¶n
øng. VÝ dô, carbon cã hãa trÞ 2 vµ 4. ë phn øng: 2C + O2 = 2CO, carbon
thÓ hiÖn hãa trÞ 2, nªn EC = 2
12 = 6. Cßn ë ph¶n øng: C + O2 = CO
2,
carbon thÓ hiÖn hãa trÞ 4, nªn EC = 4
12 = 3.
Më réng kh¸i niÖm ®−¬ng l−îng cho c¸c hîp chÊt, ta vÉn nhËn ra ý
nghÜa hãa häc cña nã lµ phÇn khèi l−îng t−¬ng øng víi mét ®¬n vÞ hãa trÞ
mµ hîp chÊt ®em trao ®æi hoÆc kÕt hîp víi c¸c hîp chÊt kh¸c trong ph¶n
øng. Ch¼ng h¹n, H3PO4 = 98. NÕu trong ph¶n øng, ph©n tö H3PO4 chØ trao
®æi 1 proton, hîp chÊt ®−îc xem nh− thÓ hiÖn hãa trÞ 1, th× = 98/1 =
98; nÕu trao ®æi 2 proton, hîp chÊt ®−îc xem nh− thÓ hiÖn hãa trÞ 2, th×
= 98/2 = 49; cßn nÕu trao ®æi c¶ 3 proton th× hîp chÊt H
43POH
E
43POH
E3PO4 ®−îc coi
lµ cã hãa trÞ 3 vµ phÇn khèi l−îng t−¬ng øng víi 1 ®¬n vÞ hãa trÞ (tøc ®−¬ng
l−îng cña nã) trong tr−êng hîp nµy lµ: = 98/3 = 32,7.
43POH
E
C¸c nhµ hãa häc hiÖn t¹i quan niÖm: hãa trÞ cña mét nguyªn tè lµ sè
liªn kÕt hãa häc mµ mét nguyªn tö cña nguyªn tè ®ã cã thÓ t¹o ra ®Ó kÕt
hîp víi c¸c nguyªn tö kh¸c trong ph©n tö.
Cïng víi kh¸i niÖm hãa trÞ, ng−êi ta còng dïng kh¸i niÖm sè oxy hãa
cho c¸c ion hoÆc cho c¸c nguyªn tè trong hîp chÊt. Tuy kh«ng cã ý nghÜa
vËt lý râ rµng, nhÊt lµ trong c¸c ph©n tö phøc t¹p, nh−ng sè oxy hãa kh¸
tiÖn dông cho nhiÒu mÆt thùc hµnh hãa häc.
21