Hai hợp chất sulfur(IV) phổ biến được ứng dụng rộng rãi làm chất chống oxi hóa và phụ gia bảo quản thực phẩm (chống nấm mốc, ức chế vi sinh vật) là sodium sulfite (Na2SO3) và sodium metabisulfite (Na2S2O5). Trong quá trình bảo quản, các hợp chất này có thể hấp thụ hơi nước trong không khí và sulfur(IV) có thể bị oxygen trong không khí oxi hóa thành sulfur(VI). Giả sử các quá trình oxi hóa xảy ra theo các phương trình:
2Na2SO3 + O2 → 2Na2SO4;
Na2S2O5 + O2 + H2O → 2NaHSO4
Quan sát các lọ hóa chất này để lâu trong phòng thí nghiệm, An nhận thấy hai chất đều có hiện tượng chảy rữa, vón cục và tăng khối lượng ở các mức độ khác nhau. Dựa vào hiểu biết của bản thân và hiện tượng quan sát được, An đề xuất giả thuyết: “Trong cùng thời gian và điều kiện bảo quản, phần trăm S(IV) bị oxi hóa trong Na2SO3 nhỏ hơn trong Na2S2O5”. Để kiểm chứng giả thuyết trên, An cân chính xác mỗi chất tinh khiết (m0 gam) rồi cho vào hai lọ sạch có nắp nhưng không đậy kín hoàn toàn, đặt trong cùng điều kiện nhiệt độ và độ ẩm của phòng thí nghiệm. Mẫu X chứa Na2SO3, mẫu Y chứa Na2S2O5. Sau 2 tháng bảo quản, An tiến hành thí nghiệm lần lượt với mẫu X và mẫu Y theo các bước:
• Bước 1: Cân và xác định lại khối lượng mẫu trong lọ, thu được khối lượng m1 gam. Hòa tan hoàn toàn lượng mẫu và pha thành 100,0mL dung dịch trong bình định mức.
• Bước 2: Lấy chính xác 10,00mL dung dịch thu được ở Bước 1 vào bình tam giác. Chuẩn độ bằng dung dịch chuẩn I2 0,0500M. Khi dung dịch có màu vàng nhạt, thêm khoảng 1 mL dung dịch hồ tinh bột, tiếp tục chuẩn độ đến khi màu xanh tím xuất hiện và bền khoảng 30 s thì dừng. Ghi lại thể tích dung dịch I2 đã dùng. Lặp lại phép chuẩn độ thêm hai lần nữa. Lấy thể tích trung bình (Vtb, mL) của dung dịch I2 sau ba lần chuẩn độ. Phản ứng chuẩn độ: SO32- + I2 + H2O → SO42- + 2I– + 2H+
Khi hòa tan Na2S2O5 trong nước, ion S2O52- thủy phân hoàn toàn, tạo ra các dạng sulfur(IV) như HSO3– và SO32-. Do đó, tổng lượng sulfur (IV) trong dung dịch được xác định thông qua lượng I2 đã phản ứng. Kết quả thí nghiệm:
| Đại lượng đo | Mẫu X (Na2SO3) | Mẫu Y (Na2S2O5) |
| m0 (gam) | 1,260 | 0,950 |
| m1 (gam) | 1,316 | 1,004 |
| Vtb (mL) | 15,20 | 17,60 |
Biết rằng: Trong quá trình bảo quản, các mẫu X, Y chỉ xảy ra hai quá trình: bị oxi hóa bởi oxygen trong không khí và hấp thụ nước. Ion S2O52- thủy phân hoàn toàn trong nước tạo ra 2 mol sulfur(IV) dưới dạng HSO3– và SO32-. Phần trăm sulfur(IV) bị oxi hóa trong mỗi mẫu được xác định bằng tỉ số phần trăm giữa số mol sulfur(IV) đã bị oxi hóa và tổng số mol sulfur(IV) trong mẫu ban đầu. Đối với mẫu X, phần trăm sulfur(IV) bị oxi hóa là x%.
a) Tại điểm kết thúc chuẩn độ, toàn bộ sulfur(IV) có tính khử trong phần dung dịch mẫu đã phản ứng với I2.
b) Giá trị của x là 24,0 (các kết quả tính toán trung gian không làm tròn, chỉ kết quả cuối cùng làm tròn đến hàng phần mười).
c) Ngoài việc xác định được khối lượng O2 đã phản ứng, kết quả thí nghiệm còn cho phép xác định khối lượng H2O đã được mỗi mẫu hấp thụ sau 2 tháng bảo quản.
d) Kết quả thí nghiệm thu được phù hợp với và ủng hộ giả thuyết của An.
(a) Đúng, tại mẫu X:
SO32- + I2 + H2O → SO42- + 2I– + 2H+
Tại mẫu Y, ngoài phản ứng trên còn có:
HSO3– + I2 + H2O → SO42- + 2I– + 3H+
Như vậy toàn bộ sulfur(IV) có tính khử trong phần dung dịch mẫu đã phản ứng với I2.
(b) Đúng, với mẫu X:
nSO32- (10 mL) = nI2 = 15,2.0,05 = 0,76 mmol
nSO32- còn lại trong mẫu sau bảo quản = nSO32- (100 mL) = 7,6 mmol
nSO32- ban đầu = 1260/126 = 10 mmol
nSO32- đã bị O2 oxi hóa trong quá trình bảo quản = 10 – 7,6 = 2,4 mmol
—> x = 2,4/10 = 24,0%
(c) Đúng, xác định được lượng H2O đã hấp thụ trong quá trình bảo quản ở mỗi mẫu như sau:
Mẫu X: mO2 + m2O = m1 – m0 = 0,056 gam = 56 mg
nO2 phản ứng = ½.2,4 = 1,2 mmol —> mH2O = 56 – 1,2.32 = 17,6 mg
Mẫu Y: nS2O52- (10 mL) = ½nI2 = ½.17,6.0,05 = 0,44 mmol
nS2O52- còn lại trong mẫu = nS2O52- (100 mL) = 4,4 mmol
nS2O52-ban đầu = 950/190 = 5 mmol
—> nS2O52- bị O2 oxi hóa = 5 – 4,4 = 0,6 mmol
—> nO2 phản ứng = 0,6 mmol
mO2 + m2O = m1 – m0 = 0,054 gam = 54 mg
—> mH2O = 54 – 0,6.32 = 34,8 mg
(d) Sai
Theo như kết quả trên: %S2O52- bị O2 oxi hóa = 0,6/5 = 12%
Như vậy phần trăm S(IV) bị oxi hóa trong Na2SO3 (24%) lớn hơn trong Na2S2O5 (12%), trái với giả thuyết ban đầu.