Giáo án Hóa học Lớp 11 - Bài 27+28: Phân tích nguyên tố

Bài 27 (1 tiết) Phân tích nguyên tố ã Biết nguyên tắc phân tích định tính và định lượng nguyên tố. ã Biết tính hàm lượng phần trăm nguyên tố từ kết quả phân tích. I - Phân tích định tính 1. Xác định cacbon và hiđro Hình 4.5. Xác định sự có mặt của C và H. [MoPo - 27.1] 2. Xác định nitơ Khi đun với axit sunfuric đặc, nitơ có trong một số hợp chất hữu cơ có thể chuyển thành muối amoni và được nhận biết dưới dạng amoniac : CxHyOz Nt (NH4)2SO4 + ...... (NH4)2SO4 + 2NaOH Na2SO4 + 2H2O + 2NH3ư Hình 4.C. Xác định halogen bằng cách đốt sợi dây đồng 3. Xác định halogen Hình 4..6. Xác định halogen II - Phân tích định lượng 1. Định lượng cacbon, hiđro % H = ; % C = 2. Định lượng nitơ CxHyOzNt CO2 + H2O + N2 mN = ; %N = 3. Định lượng các nguyên tố khác Halogen : Phân huỷ hợp chất hữu cơ, chuyển halogen thành HX rồi định lượng dưới dạng AgX (X = Cl, Br). Lưu huỳnh : Phân huỷ hợp chất hữu cơ rồi định lượng lưu huỳnh dưới dạng sunfat. Oxi : Sau khi xác định C, H, N, halogen, S... còn lại là oxi. BS: Lượng mẫu cần cho phân tích nguyên tố thường chỉ vào khoảng 10-15 mg. Mỗi lần phân tích chỉ lấy khoảng vài mg chất. Để xác định khối lượng người ta sử dụng cân phân tích với độ chính xác tới 0,01 mg. Để đo thể tích, người ta dùng những dụng cụ chính xác tới phần ngàn ml. Vì vậy trong những bài tập về phân tích nguyên tố cần cho HS tính toán với những lượng cân cỡ mg, thể tích cỡ dưới ml. Bất cứ phép đo nào cũng có sai số. Kết quả phân tích định lượng nguyên tố thường tính ra % với hai số thập phân sau dấu phẩy. Trong thực tế, số liệu phân tích định lượng nguyên tố xác định để thiết lập công thức phân tử được phép sai khác 0,3% so với giá trị tính theo lí thuyết. Vì thế tổng hàm lượng % khi phân tích một hợp chất có thể sai khác chút ít so với 100,00. Trong nhiều sách người ta thường tính hàm lượng % theo công thức rồi đặt ra bài tập cho HS tính ngược lại để thiết lập công thức. Theo kiểu đó, mọi số liệu đều trùng với lí thuyết. Nhưng thực tế thì không phải như vậy. Do sai số thực nghiệm nên cùng một số liệu phân tích có thể dần đến những công thức khác nhau. Hãy xem thí dụ ở bài 28. Mầu ngọn lửa của: Li, Na, K, Rb và Cs ( lần lượt từ trái qua phải) Bài 28 (1 tiết) Công thức phân tử Hợp chất hữu cơ I - Công thức đơn giản nhất 1. Công thức phân tử và công thức đơn giản nhất 2. Thiết lập công thức đơn giản nhất Thiết lập công thức đơn giản nhất của A là lập tỉ lệ x:y:z ở dạng các số nguyên tối giản. x : y : z =: : = 6,095 : 7,240 : 1,226 A (Cx HyOz) % C : 73,14 % H : 7,24 % O : 19,62 100,00 = :: = 4,971 : 5,905 : 1,000 = 5 : 6 : 1 Công thức đơn giản nhất của A là: C5H6O II - Thiết lập công thức phân tử 1. Xác định khối lượng mol phân tử GT: Khối lượng mol phân tử tính ra g/mol. Khối lượng phân tử, nói gọn là phân tử khối thì tính theo đv C. Về giá trị và cách kí hiệu thì chúng đề như nhau, tuy nhiên tùy từng trường hợp mà sử dụng 1 trong 3 cáh viết sau cho thích hợp: MC6H6 = 78,12 g/mol; MC6H6 = 78,12 đv C; MC6H6 = 78,12. 2. Thiết lập công thức phân tử ã Thiết lập công thức phân tử qua công thức đơn giản nhất ã Thiết lập công thức phân không qua công thức đơn giản nhất. Tổng quát : Thiết lập công thức phân tử qua công thức đơn giản nhất là cách thức tổng quát hơn cả. CxHyOzNt =(CpHqOrNs)n (CpHqOrNs)n = M n = x=n.p ; y=n.q ; z=n.r ; t=n.s Công thức đơn giản nhất CpHqOrNs Kết quả phân tích %C, %H, %N,...%O MA = MB . dA/B M = CxHyOzNt BS: Xác định khối lượng mol phân tử dựa vào định luật Avogađro, dựa vào độ hạ băng điểm, độ tăng phí điểm hoặc áp suất thẩm thấu của dung dịch đều có sai số khá lớn. Phương pháp hiện đại xác định phân tử khối là dùng máy phổ khối lượng. Chỉ cần một lượng mẫu không đáng kể (< 1mg) cũng vẫn xác định được phân tử khối với độ chính xác cao, tới 0,0001 đvC (phổ khối lượng phân giải cao). Phương pháp phổ khối lượng phân giải cao có thể cho ra được công thức phân tử mà không cần phân tích định lượng nguyên tố. Hình 4.D trình bày sơ đồ nguyên lí của một máy phổ khối lượng. Mẫu sau khi hóa hơi được phóng vào buồng ion hoá qua khe a và bị bắn phá bởi chùm electron b. Do kết quả va đập với electron có năng lượng cao (~ 70 eV), phân tử bị mất đi 1 electron và trở thành ion gốc gọi là ion phân tử, thí dụ: Hình 4.D. Sơ đồ nguyên lí máy phổ khối lượng ( Vì z = 1 nên giá trị m/z trùng với khối lượng của ion tính ra đvC) Tiếp theo, ion phân tử tự phân tách thành các mảnh : Các ion dương tạo ra chuyển động hướng về các bản gia tốc c và d. Những ion dương đi qua các bản c và d được gia tốc dưới tác dụng của hiệu điện thế V (khoảng 8 kV) rồi rời khỏi buồng ion hoá từ khe g. Ra khỏi khe g dưới ảnh hưởng của từ trường B, các ion chuyển động theo các quỹ đạo vòng cung. Bán kính r của quỹ đạo đó phụ thuộc vào các tham số sau : 1) Hiệu điện thế V giữa hai bản gia tốc c và d ; 2) Khối lượng m của ion ; 3) Điện tích z của ion và 4) Cường độ của từ trường B. Mối liên hệ giữa các đại lượng đó được biểu diễn bởi công thức : Đối với một ion tỉ số m/z là cố định, bằng cách thay đổi cường độ từ trường B sẽ thay đổi được bán kính r của quỹ đạo chuyển động của nó. Nói một cách khác, có thể làm cho các ion m/z khác nhau lần lượt đi qua khe h để tới bản thu nhận i (hình 4.D), ở đó tín hiệu điện được khuếch đại và máy tính sẽ ghi thành phổ như ở hình 4.E. Trên hình 4.E ta thấy ngay rằng phân tử khối của hợp chất nghiên cứu là 226 u (226 đv C). Việc đo các tín hiệu điện từ được thực hiện với các thiết bị có độ chính xác cao, nên các máy phổ khối lượng thông thường xác định khối lượng phân tử chính xác tới 0,1 đv C, máy phổ khối lượng phân giải cao - chính xác tới 0,0001 đv C. Như đã biết, khối lượng nguyên tử của mỗi đồng vị, trừ 12C, đều không phải là các số nguyên, khối lượng phân tử cũng vậy, thí dụ: Tiểu phân : 1H 16O 14N CO C2H4 N2 Khối lượng : 1,00782 15,9949 14,0031 27,9949 28,0313 28,0061 Như vậy, nếu xác định khối lượng phân tử chính xác chỉ đến 0,1 đv C thì không thể phân biệt được CO, C2H4 và N2, nhưng chính xác đến 0,001 đv C thì đã phân biệt được chúng. Nhờ xác định được khối lượng chính xác tới phần vạn, phần triệu đvC, thông qua máy tính, người ta đã xác định được cách tổ hợp các nguyên tử ở ion phân tử, tức là xác định được công thức phân tử không cần phải phân tích nguyên tố. Đó là một thành công tuyệt vời của phương pháp phổ khối lượng phân giải cao. Jean-Baptiste-Andrộ Dumas (1800-1884) Nhà hoá học Pháp, người tiên phong trong phân tích nguyên tố các hợp chất hữu cơ. ĐT GV lần lượt yêu cầu HS xem xét hình 4.5, mục 2, hình 4.6. H: a. Vì sao phải trộn chất hữu cơ với bột CuO (hình 4.5) ? b. Vì sao phải để ống nghiệm nằm ngang ? c. Hãy viết phương trình phản ứng xảy ra ở đáy ống nghiệm, ở mẩu bông có CuSO4 và ở ống đựng nước vôi trong. d. Hày đề nghị cách nhận ra NH3 . e. Làm thế nào để khẳng định kết tủa bám trên thành phễu ở hình 4.6 là AgCl ? BS: Có thể thay thí nghiệm trong SGK bằng thí nghiệm đốt sợi dây đồng: Lấy một sợi dây điện (loại lõi l sợi đồng) gọt bỏ vỏ nhựa, cuốn thành hình lò xo, rồi đốt lò xo đó trên ngọn lửa đèn cồn. Ngọn lửa nhuốm màu xanh lá mạ. Khi màu ngọn lửa trở lại bình thường thì nhúng 1 đầu lò xo vào ông nghiệm chứa CHCl3 (hoặc một dẫn xuất halogen nào đó). Đưa đầu lò xo vào ngọn lửa thì thấy ngọn lửa lại nhuốm màu xanh lá mạ (hình 4.C). ĐT Trước khi làm thí nghiệm hãy đặt các câu hỏi sau. H: a. Các em đã xem bắn pháo hoa chưa, Dùng các loại phẩm nhuộm hữu cơ trộn vào thuốc nổ để tạo màu cho pháo hoa được không, vì sao ? b. Vì sao muối không màu của kim loại trộn vào thuốc nổ lại làm cho pháo hoa có màu ? TL: a. Không. Chất hữu cơ bị cháy tạo ra CO2 và H2O. b. Pháo hoa nổ, năng lượng lớn giúp tạo ra các nguyên tử kim loại ở trạng thái kích thích. Khi từ trạng thái kích thích trở về trạng thái bình thường chúng phát ra các bức xạ có màu đặc trưng: Li cho màu đỏ tía, Na cho màu vàng, K cho màu tím, Rb cho màu tím hồng, Cs cho màu xanh lam. QT GV có thể hướng dẫn cho HS làm thí nghiệm trên tại nhà: dùng ngọn lửa bếp gas thay cho đèn cồn, dùng vỏ dây điện hoặc mẩu dép nhựa thay cho dẫn xuất halogen Khi đưa lõi dây đồng vào ngọn lửa, sẽ xuất hiện mầu xanh lá mạ, sau đó ngọn lửa lại trở về màu cũ, áp sợi dây đồng vào mẩu dép nhựa, rồi lại đưa vào ngọng lửa, màu của ngọn lửa lại trở thành xanh lá mạ. Giải thích như sau: Chất hữu cơ chứa clo như CHCl3, PVC (vỏ bọc đây điện),...bám trên dây đồng bị cháy, HCl tạo thành tác dụng với CuO cho ra CuCl2. CuCl2 là chất dễ bay hơi, dễ phân hủy hơn so với CuO nên khi bị nung nóng thì tạo ra các nguyên tử Cu khuếch tán vào ngọn lửa làm cho ngọn lửa có mầu xanh lá mạ (xem giải thích về pháo hoa). Khi hết CuCl2 thì mầu xanh lá mạ cũng hết. Justus Liebig (1803-1873) Nhà hoá học Đức, Người xây dựng phương pháp phân tich C, H, sáng chế ra ống sinh hàn thẳng (ống sinh hàn Liebig). GY: Cho học sinh nhận xét sơ đồ bên để rút ra khái niệm vè công thức đơng giản nhất. Luyện cho học sinh biết cách thiết lập công thức đơn giản nhất và công thức phân tử theo các bước như đã trình bày trong SGK. Đó là phương pháp đúng với thực tế hoá học, không nên phức tạp hoá làm sai lệch thực tế. GT: ă Molecular formula (công thức phân tử) và Empirical formula (công thức kinh nghiệm) là hai khái niệm cơ bản mà các nhà hóa học cả thế giới đều dùng từ trước tới nay. Sở dĩ người ta dùng từ công thức kinh nghiệm vì cách thiết lập nó (như ở mục I.2) được làm theo kinh nghiện có từ thời sơ khai của hóa học. Tuy nhiên để lột tả thực chất của nó, ta dùng thuật ngữ "công thức đơn giản nhất". Không nên dịch là "công thức thực nghiệm", bởi vì công thức kinh nghiệm và công thức phân tử đều là công thức thực nghiệm. ă Người ta có thể dùng thêm từ "tổng quát" hoặc "chung" trong các trường hợp cần thiết. Thí dụ: công thức cấu tạo chung của dãy đồng đẳng của metanol là CnH2n+1OH, công thức phân tử tổng quát của chúng là CnH2n+2O. ă Các công thức biểu diễn thành phần của phân tử như mà ta vẫn thường dùng : công thức tổng quát (công thức chung), công thức nguyên, ... thực chất đều thuộc hoặc công thức phân tử, hoặc công thức đơn giản nhất. Đó không phải là một loại công thứ riêng biệt nào. GY: Xác định công thức phân tử nên theo phương pháp mà các nhà hoá học tầm cỡ thế giới đã tiến hành (tức là qua công thức đơn giản nhất) vì nó cho phép dung hoà các sai số thực nghiệm. Hãy xét 2 thí dụ sau: 1. Kết qủa phân tích một hợp chất hữu cơ như sau: C 76,31%; H 10,18%; N 13,52%. Biết rằng sai số thực nghiệm không vượt qúa 0,3%. Hãy thiết lập ít nhất 3 công thức đơn giản nhất phù hợp. Giải: x:y:z = = 6,36 : 10,18 : 0,966 Chia cho số nhỏ nhất 0,966 rồi quy về các số nguyên ta được công thức đơn giản nhất : C13H21N2 . Làm tương tự với 6,36 và 10, 18 ta được: C20H32N3 và C25H40N4, Ngoài ra các công thức sau: C20H31N3, C20H33N3 , C25H39N4 , C25H41N4 cũng đều phù hợp. 2. Phân tích nguyên tố một hợp chất hữu cơ A cho kết qủa: C 70,97% , H 10,15% còn lại là O. Phương pháp nghiệm lạnh cho biết khối lượng mol của A là 340 g. Hãy thiết lập công thức phân tử của A không qua và qua công thức đơn giản nhất. Nhận xét. Giải: a) Không qua công thức đơn giản nhất: Gọi công thức phân tử của A là CxHyOz x = = 20,1 ; y = = 34,5 ; z = = 4,0 Số nguyên tử H sẽ là 34 hay 35 ? b) Qua công thức đơn giản nhất: Gọi công thức phân tử của A là CxHyOz. x:y:z = :: = 5,91:10,15:1,18 =:: = 5,00 : 8,60 : 1,00 ằ 10 : 17 : 2 hoặc ằ 15 : 26 : 3, ... • ( C15H26O3 )n = 340 ị n = 1,34 : loại. • ( C10H17O2 )n = 340 ị n = 2,0 A: C20H34O4 , theo tính toán: MA = 338,47; C 70,97 %; H10,13%. Sai lệch so với số liệu cho ở đầu bài là do sai số thực nghiệm. Nhận xét: Kết quả phân tích nguyên tố có sai số thực nghiệm. Xác định khối lượng mol phân tử dựa vào định luật Avogađro, dựa vào độ hạ băng điểm, độ tăng phí điểm hoặc áp suất thẩm thấu của dung dịch cũng đều có sai số. Để "dung hòa" các sai số đó, người ta thường thiét lập công thức phân tử qua công thức đơn giản nhất. Vì vậy: "Thiết lập công thức phân tử qua công thức đơn giản nhất là con đường chung tổng quát nhất". Máy phổ khối lượng SĐ: "Vì sao khối lượng nguyên tử của các đồng vị (tính theo đv C) lại không phải là các số nguyên ?" S: Vì mỗi nguyên tố gồm từ nhiều đồng vị có khối lượng và hàm lượng khác nhau, chẳng hạn 35Cl chiếm 75%, 37Cl chiếm 25% nên khối lượng của Cl là 35,5 đv C. Đ: Câu hỏi đặt ra là: Vì sao 35Cl có khối lượng là 34,9689 mà không phải là 35.0000, 37Cl có khối lượng là 36,9659 mà không phải là 37,0000 ?