Cân bằng dung dịch carbonate và ăn mòn nước

CÂN BẰNG DUNG DỊCH CARBONATE VÀ ĂN MÒN NƯỚC NỘI DUNG Mục đích Giới thiệu Các biện pháp an toàn Phương pháp thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Sau khi thực hiện thí nghiệm này, học sinh có thể: Xác định thực nghiệm nếu phản ứng hòa tan canxi cacbonat đạt đến trạng thái cân bằng. Đo các thông số xác định trạng thái cân bằng và sử dụng chúng để dự đoán tính ăn mòn hoặc khả năng tạo kết tủa của dung dịch nước bằng cách áp dụng chỉ số Langelier và chỉ số Ryznar. GIỚI THIỆU Cân bằng cacbonat tự nhiên trong dung dịch nước đóng vai trò quan trọng trong các đặc tính của một cấu thể nước hoặc một mẫu nước và khả năng đệm của nó. Trong tự nhiên, cân bằng phụ thuộc vào tính hòa tan liên tục và do đó nồng độ Ca2+ và cacbonat khác nhau. Cân bằng được đánh giá cao phụ thuộc vào pH, nồng độ CO2 trong không khí, độ hòa tan CO2, nhiệt độ, và áp lực. GIỚI THIỆU Carbon dioxide trong không khí hòa tan trong nước, và quá trình này được chi phối liên tục bởi hằng số Henry: CO2(g)CO2(aq) (1) Các trạng thái cân bằng cacbonat được xác định bởi các phương trình sau đây: CO2(aq)+ H2O H2CO­3 Keq= 3.5× 10-2 (2) H2CO­3  H+ + HCO3¯ Ka1= 4.2× 10-7 (3) HCO3¯  H+ CO3¯ Ka2 = 4.8 ×10­­-11 (4) Những phương trình này cho ta thấy nồng độ của từng loại cacbonat khi bị ảnh hưởng bởi pH GIỚI THIỆU Trong giá trị circumneutral độ pH, CaCO3 không hòa tan, có thể rút ra được phương trình 5 CaCO3(s)(calxite)  Ca2++ CO32¯ (5) Ksp= 4.8×10-9 (Giá trị của các hằng số ở 25oC) Trong dung dịch circumneutral, phân ly thứ hai của H2O (phương trình 4) là không đáng kể, và các ion H + phân ly đầu tiên (phương trình 3) phản ứng với CaCO3 như sau: CaCO3(s)+ H+  Ca2+ + HCO3¯ (6a) GIỚI THIỆU Và do đó, phản ứng phân giải toàn bộ canxi trong CO2 trong dung dịch nước là: CaCO3(s) + H2O(1) + CO2(aq) Ca2+ + 2HCO3¯ (6b) Nếu ta xét một dung dịch lý tưởng (nghĩa là pha loãng vô hạn), phương trình cân bằng cho phản ứng 6a có thể xấp xỉ bằng cách sử dụng nồng độ như sau: Keq = {[Ca2+][HCO3¯]}/[H+] (7) Kết quả của phản ứng này là nước có tính xâm thực (ăn mòn), hoặc kết tủa (tạo kết tủa CaCO3). GIỚI THIỆU Để tìm hiểu xem phản ứng 6 đã đạt đến trạng thái cân bằng, người ta có thể xác định sự thay đổi năng lượng tự do. Sự thay đổi năng lượng tự do được tính theo: ∆G = ∆Go + RT ln Q’ (8) (9) Q '= phản ứng điều kiện số (10) GIỚI THIỆU Một cách khác để đánh giá sản phẩm ion [Ca2+] và [CO32-]. Và so sánh nó với các sản phẩm hòa tan của CaCO3(s), xem xét nồng độ như là kết quả gần đúng với hệ số: [Ca2+][CO32-] = Ksp (11) Điều này còn được gọi là chỉ số động lực, DFI định nghĩa là: DFI = {[Ca2+][CO32-]}/Ksp (12) DFI chặt chẽ hơn khi nước đồng nhất và ổn định, vì nó chênh lệch giá trị nước sẽ ăn mòn hoặc tạo thành kết tủa. GIỚI THIỆU Phương pháp đánh giá trạng thái cân bằng là so sánh các sản phẩm ion thông qua một số chỉ số thực tế đặc biệt liên quan đến sự ăn mòn hoặc hình thành kết tủa của dung dịch. Các chỉ số phổ biến nhất là Langelier và Ryznar. Trong cả hai trường hợp, điều quan trọng là phải biết giá trị pH của nước khi [Ca2 +] và kiềm ở mức cân bằng độ bão hòa (ở nhiệt độ nhất định). Sau đó, giá trị này được so sánh với độ pH thực tế của dung dịch. GIỚI THIỆU Langelier index, LI LI = pH - pHs (13) pHS là độ pH cần cho độ bão hòa.Các phân tích khác nhau của dung dịch  được đưa ra sau đây.   GIỚI THIỆU Ryzanar chỉ số, RI RI = 2pHs – pH (14) Và chiều hướng của nước được đưa ra trong sơ đồ sau đây. GIỚI THIỆU Từ định của độ kiềm ta có: Độ kiềm QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM Thời gian dư kiến để hoàn tất việc thí nghiệm: 3 giờ Dụng cụ: Máy đo pH, nhiệt kế, máy khuấy, thanh khuấy, giấy lọc, cân phân tích, erlen, beaker lò sấy, kẹp buret, pipet… Hóa chất: H2SO4 0.002M, H2SO4 0.01M, chỉ thị phenolphthalein, chỉ thị bromocresol xanh hoặc chỉ thị mixed, NaOH 0.01M, chỉ thị murexide, EDTA 0.001M, CaCO3, NaHCO3, Ca(OH)2, Nước CÁC BIỆN PHÁP AN TOÀN Phải cẩn thận với các chất chuẩn độ đối với các chất thử nghiệm có độ kiềm nên ngăn không cho nó tiếp xúc với da hoặc mắt, hay acid sulfuric có tính ăn mòn. Tất cả những dư lượng tạo ra trong thí nghiệm có thể được xử lý xuống các cống rãnh sau khi đã được vô hiệu hóa. Đối với mỗi mẫu, phải được thực hiện theo các kỹ thuật sau đây: (a) Đo pH (b) Đo độ kiềm (c) Đo nồng độ ion Calcium (d) Tổng chất rắn hoà tan PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Ảnh hưởng của pH trên các đặc tính của mẫu dung dịch canxi Sử dụng D.I. để chuẩn bị 500 ml nước có chứa 0,5 g dung dịch CaCO3 (làm việc này trước 1 tuần trong một chai mở), dung dịch canxi gọi là dung dịch A. Đo pH và nhiệt độ của nó. Cho 25 ml dung dịch vào xi lanh chia vạch sau đó cho nó vào bình erlen 50 ml. Lặp lại các thao tác cho 5 bình erlen nữa. Ba bình erlen đầu thêm H2SO4 0.01M tăng dần (1, 2, và 4ml), và ba bình erlen khác thêm NaOH 0.01M (1,3, và 5ml). Trộn đều từng mẫu (nhất là mẫu có chứa chất rắn). Đo pH, sau đó cho chúng phản ứng với nhau bằng cách pha trộn với máy khuấy hoặc lắc chúng quay tròn ít nhất 2h. Sau thời gian này, thực các phép đo đối với từng mẫu được thiết lập trong phần B kể cả mẫu của những dung dịch ban đầu. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Mô tả đặc điểm của từng mẫu nước Chuẩn bị như sau: Dung dịch B: thêm 0.9g CaCO3 vào 500ml D.I. nước có chứa cacbonat tự do (đậy nắp D.I. nước trước khi đun nóng) . Chuẩn bị dung dịch này trong bình kín một tuần trước khi tiến hành thí nghiệm, bình kín phải không được có bất kì một khoảng không nào. Dung dịch C: thêm 0.9g CaCO3 vào 500ml D.I. nước. Chuẩn bị dung dịch này trong một chiếc chai mở một ngày trước khi tiến hành thí nghiệm. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Dung dịch D: thêm 0.9g CaCO3 vào 500ml D.I. nước. Chuẩn bị dung dịch này trong một chiếc chai mở (open vessel), trong cùng một ngày trước khi tiến hành thí nghiệm. Dung dịch E: chuẩn bị dung dịch gồm canxi bicarbonate 0.1M phản ứng với 0.05 mol Ca(OH)2 và 0,1 mol NaHCO3 trong 500ml D.I. nước. Dung dịch F: sử dụng mẫu nước tự nhiên (ví dụ như nước ngầm) TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Đo nhiệt độ và độ pH của từng mẫu nước. Sau đó thực hiện xác định sau đây với mỗi dung dịch. Lọc khoảng 15ml mẫu vào một cốc thủy tinh, và chuẩn độ 2 ml với một pipet thể tích. Đặt nó trong một bình erlen 25ml và chuẩn độ độ kiềm với dung dịch H2SO4 loãng bằng cách sử dụng chỉ thị phenolphtalein, sau điểm cuối, thêm các chỉ thị bromocresol với một pipet Beral và chuẩn độ điểm cuối tiếp theo. Tổng khối lượng của chất  chuẩn độ sẽ bằng tổng độ kiềm. Lưu ý số lượng sử dụng trong chuẩn độ. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Lấy một mẫu lọc 2ml và chuẩn độ canxi, đầu tiên thêm 0.1m -0.5ml NaOH cho đến khi là bazơ và thêm một vài giọt chỉ thị murexide hoặc chỉ thị canxi khác. Chuẩn độ điểm cuối với EDTA 0.001M. Lưu ý tổng khối lượng của chất chuẩn độ được sử dụng. Lặp lại quá trình với từng dung dịch còn lại TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Bây giờ lấy một mẫu lọc với một pipet 5ml và đặt nó vào cốc thí nghiệm,Lặp lại quá trình với từng dung dịch còn lại. Đặt cốc thí nghiệm vào máy kết tinh trong lò sấy và để khô ở 105oC để ít nhất 3 giờ hoặc nhiều hơn. Sau khi tất cả các mẫu khô, đặt chúng trong một bình khử ẩm cho đến khi chúng ở nhiệt độ môi trường xung quanh sau đó cân lại. Lưu ý các giá trị. Sự khác biệt ở trọng lượng sẽ tương ứng với tổng chất rắn hòa tan của mẫu. Với các giá trị thu được đối với mỗi mẫu, học sinh sẽ có thể xác định được dung dịch nào có từ trạng thái cân bằng cũng như tính ăn mòn hoặc hình thành kết tủa bằng cách sử dụng các chỉ số khác nhau. CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG NGHE elements www.animationfactory.com