Bài giảng Hóa học đại cương I

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Bài giảng HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG (Nội dung giảng thay đổi mà không báo trước) HÀ NỘI, 01 - 2016 24/12/2015 • Số tín = (gồm lý thuyết + tập) • Cách đánh giá điểm mơn học: HĨA HỌC ĐẠI CƯƠNG I  Điểm q trình = 30 % (20 % KT + 10% CC)  Điểm thi cuối kỳ = 70 %  Điều kiện thi: học > 80% thời gian, điểm ktra kỳ ≥4 24-Dec-15 24-Dec-15 24-Dec-15 • Tài liệu chính: Giáo trình Hóa học đại cương T1, T2, T3 (Trường ĐH Thủy Lợi, Hà Nội 2008) Đề cương mơn học Hóa học đại cương I (đã gửi vào email) 24-Dec-15 www.facebook.com/groups/hoadaicuong1 24-Dec-15 24-Dec-15 Trang 24/12/2015 Chương GV: Lê Minh Thành 24-Dec-15 24-Dec-15 6.1 Các nguyên lý • Năng lượng khả làm thay đổi trạng thái thực công lên hệ vật chất • Nhiệt lượng (nhiệt), dạng lượng dự trữ vật chất nhờ vào chuyển động nhiệt hỗn loạn hạt • Năng lượng chia thành dạng … cấu tạo nên vật chất • Định luật bảo tồn lượng… • Nhiệt độ: tính chất vật • Khái niệm nhiệt lượng nhiệt độ… lý vật chất • Khái niệm hệ mơi trường xung quanh 24-Dec-15 24-Dec-15 • Quy ước dấu Q 6.2 Nhiệt dung riêng • Quá trình thu nhiệt Q > • Khái niệm: lượng nhiệt cần cung cấp để làm tăng nhiệt độ gam chất lên 1K • Q trình tỏa nhiệt Q < • Đơn vị đo lượng J, cal, Cal, eV, J/mol, cal/mol… 24-Dec-15 • Biểu thức 1J = kg.m2/s2 1J = 0,23901 cal cal = 4,184 J Cal = 1000 cal BTU = 1054,35 J C Q m.T (6.1) • Đơn vị đo: J/g.K • Chú ý: Dùng cơng thức trường hợp đun nóng, làm lạnh hệ, mà khơng có thay đổi trạng thái vật lý 24-Dec-15 Trang 24/12/2015 VD: Tính nhiệt lượng cần thiết để đưa 500 g nước từ -50oC đến 200oC ? Cho ∆Hnc ∆Hbh (J/g), C (J/g.K) 6.3 Năng lượng biến đổi trạng thái • Q trình biến đổi trạng thái: rắn ↔ lỏng ↔ ; T = const H2O (r) -50oC (ứng với tên gọi q trình bay hơi; ngưng tụ; đơng đặc; nóng chảy…) • Nhiệt biến đổi trạng thái: nhiệt bay hơi; nhiệt nóng chảy,… • Cơng thức: H2O (r) oC (2) H2O (l) oC (3) H2O (l) 100oC (4) H2O (h) 100oC (5) Q1 = C.m ∆T Q2 = m ∆Hnc Q3 = C.m ∆T Q4 = m ∆Hbh H2O (h) 200oC Q5 = C.m ∆T Qbiến đổi = m.∆Hbiến đổi 24-Dec-15 (1) Qtổng= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 8 24-Dec-15 6.4 Nguyên lý nhiệt động lực học • Entanpi sinh (∆HS): Entanpi sinh chất • Khái niệm nhiệt động học… • Nhiệt hóa học … • Nội dung nguyên lý 1, định luật bảo tồn lượng, khẳng định lượng ln bảo tồn • Khái niệm entanpi (H): lượng hệ nhiệt động mà trao đổi nhiệt công với môi trường đk đẳng áp H = U + pV biến thiên entanpi phản ứng hình thành 24-Dec-15 mol hợp chất từ đơn chất ban đầu • Entanpi sinh chuẩn (∆HSo): Entanpi sinh trạng thái chuẩn + Quy ước với đơn chất: ∆Ho298,s =0 • Trạng thái chuẩn (đk chuẩn): trạng thái dạng tồn vật chất bền vững nhất, áp suất atm nhiệt độ 25oC (298K) 24-Dec-15 • VD: ΔH pứ sau ΔHs : CaO + CO2 → CaCO3 ∆H1 2Ca + O2 → 2CaO ∆H2 10 6.5 Biến thiên entanpi phản ứng ∆Hopư = ∑∆Hos,(sản phẩm) - ∑∆Hos,(tham gia) P/ứ: aA + bB → cC + dD Na + ½ Cl2 → NaCl ∆H3 ∆Hopư= [c.∆Hos(C)+d.∆Hos(D)] - [a.∆Hos(A)+b.∆Hos(B)] HCl + NaOH → NaCl + H2O ∆H4 o Biến thiên entanpi phản ứng phụ thuộc vào số mol chất tham gia, chất tạo thành trạng thái tồn (r, l, k) Đáp án là:… chất o Phản ứng toả nhiệt giá trị ∆H mang dấu âm, phản 24-Dec-15 11 ứng thu nhiệt giá trị ∆H mang dấu dương 24-Dec-15 Trang 12 24/12/2015 6.6 Cách tính nhiệt lượng PTN • VD: liên hệ ΔH t/h: Qpư + Qdd = H2(k) + ½ O2(k) → H2O (k) ; ∆H1 2H2(k) + O2(k) → 2H2O (k) ; ∆H2 Qpư + Qdd + Qbom= H2(k) + ½ O2(k) → H2O (k) ; ∆H1 Qdd = C.m.∆T H2O (k) → H2 (k) + ½ O2(k) ; ∆H3 H2(k) + ½ O2(k) → H2O (k) ; ∆H4 Với ∆H4 tạo 9g nước 24-Dec-15 13 thêm 100ml dd HCl 1M Nhiệt độ dd tăng từ 22,2oC đến 44,8oC Tính ∆H phản ứng mol Mg? (Cdd = 4,2J/g.K DddHCl= g/ml) m (g) dd (1) Qdd (2) Qpư (J) (J) (3) kg nước Nhiệt độ nước bom tăng từ 25oC tới 33,2oC Cbom = 837 J/K Tính nhiệt đốt cháy gam octan? ∆Hpư (J/mol Mg) Qnước = C.m.∆T Qbom = Cbom ∆T ⇒ 15 16 • Hai phương pháp tính ∆H: + Cách 1: pp đại số: • Nội dung: Hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học phụ thuộc vào trạng thái chất đầu A+B→ C; ∆H1 2B + D → E ; ∆H2 ⇒ 2A + E → D + 2C G.I.Hess nhà bác học Nga (1802-1850) ∆H3 = ? Ví dụ:  CH4(k) + 2O2(k)  CO2(k)+ 2H2O(k)  H1 = - 802 kJ đoạn trung gian phản ứng • Hệ quả: Nếu phản ứng hóa học tổng hai hay nhiều phản ứng khác, ∆H phản ứng tổng tính tổng giá trị ∆H tất phản ứng cộng lại 24-Dec-15 Qpư = -(Qnước + Qbom) 24-Dec-15 6.7 Định luật Hess không phụ thuộc vào giai ∆H (J/mol) không đổi) Dụng cụ đặt vào bình chứa 1,2 ∆H = Qpư : nMg sản phẩm cuối, ∆H = Qpư : npứ 14 Qpư + Qdd = 24-Dec-15 Cbom (J/K) VD: Đốt cháy g octan nhiệt lượng kế (V Qdd = C.m.∆T ⇒ Qbom = C.∆T 24-Dec-15 VD: Cho 0,5g Mg vào nhiệt lượng kế cốc café, 22,2oC÷44,8oC Q (J) 17  H2O(l)   CH4(k) + 2O2(k)  CO2(k) + 2H2O(l) 24-Dec-15 Trang H2O(k)  H2 = + 44 kJ  H3 = ? 18 24/12/2015 + Cách 2: pp đồ thị (biểu đồ lượng) CẦN NHỚ CHƯƠNG C(r) + O2 (k) E ∆H3=? ∆H1 Ca(r) + C(r) + 3/2 O2 (k) ∆HEopư = ∆Hos[CaO (r)] +∆Hos[CO 2(k)] - ∆Hos[CaCO3 (r)] = +179,0 kJ Cơng thức tính nhiệt lượng Q theo nhiệt dung riêng C Định luật bảo toàn lượng Cách tính ∆H tổ hợp phương trình phản ứng Cách tính ∆H phương trình phản ứng Nắm rõ trình biến đổi vật chất qua trạng ∆H3=? CO(k) + ½O2(k) ∆H2 ∆H1 CaO(r) + CO2(k) ∆H2 CO2 (k) thái (r, l, k) CaCO3 (r) 24-Dec-15 19 24-Dec-15 20 24-Dec-15 22 Bài tập chương 6: 11, 15, 25, 29, 33, 39, 45, 53, 79, 93 Bài sau: Chương 7: Cấu tạo nguyên tử 24-Dec-15 21 Trang 24/12/2015 Chương 24-Dec-153 HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG CẤU TẠO NGUYÊN TỬ GV: Lê Minh Thành 24-Dec-15 7.1 Bức xạ điện từ • Phổ điện từ dải tất tần số có xạ điện từ • Phổ khả kiến vùng quang phổ mà mắt người nhìn thấy o Các khái niệm ơn tập • bước sóng (λ) • tần số sóng (f) • biên độ sóng: • tốc độ sóng (v, c) Tốc độ sóng (m.s-1) =  (m) × f (s-1) + áp dụng cho xạ điện từ nói chung: v =  × f + áp dụng cho sóng ánh sáng: c=×f 24-Dec-15 24-Dec-15 7.2 PLANCK, EINSTEIN, NĂNG LƯỢNG PHOTON  Thuyết Planck: “Bức xạ điện từ hấp thụ phát xạ  dạng lượng gián đoạn gọi lượng tử lượng” Hiệu ứng quang điện: tượng hạt electron bắn khỏi bề mặt kim loại có ánh sáng đập vào  Phương trình Planck: E = h.f  Phương trình Einstein: E = m.c2  Điều kiện để xảy hiệu ứng quang điện: lượng xạ điện từ chiếu vào kim loại phải lớn cơng eletron liên kết với kim loại, tức f ≥ fo •E tính cho hạt photon •h = 6,626.10-34 J.s/photon •c = 2,998.108 m/s 24-Dec-15 24-Dec-15 Trang 6 24/12/2015 Câu hỏi: Hãy so sánh lượng mol photon ánh sáng có λ = 625 nm với lượng mol photon vi sóng có f = 2,45 GHz? HD: E1 = NA.h.f1 = NA.h.(c /λ1) James Clerk Maxwell (1831 – 1879) E2 = NA.h.f2 Chú ý đơn vị đo λ …… , đơn vị f … Max Planck (1858-1947) Albert Einstein 1879 - 1955 24-Dec-15 24-Dec-15 7.3 PHỔ VẠCH CỦA NGUYÊN TỬ  Khái niệm phổ vạch nguyên tử: hệ thống vạch sáng riêng lẻ tối  Công thức Rydberg … 1   =R  -  λ n   với n > (7.3) số Rydberg: R = 1,097×107 m-1 24-Dec-15  10 24-Dec-15 11 24-Dec-15 10 Mơ hình Bohr: “Electron chuyển động quỹ đạo định, lượng e không đổi”  Công thức Bohr … En= - R hc n2 (7.4) n: số lượng tử chính, n = 1,2,3… E: đơn vị đo (J/nguyên tử)  Khi electron chuyển từ mức cao mức thấp ΔE = Esau – Etrước 24-Dec-15 11 12 Trang 12 24/12/2015 7.4 TÍNH CHẤT SĨNG CỦA ELECTRON  Quan điểm Louis Victor de Broglie: “Mọi hạt vật chất khối lượng m chuyển động với tốc độ v có bước sóng λ” λ= (H, Ne+) 13 24-Dec-15 13 h mv (7.6) → Tính chất sóng có ý nghĩa hạt vi mô (proton, nơtron, electron) 24-Dec-15 Louis Victor de Broglie14 1892 - 1987 14 7.5 CƠ HỌC LƯỢNG TỬ VỀ NGUYÊN TỬ a Nguyên lý bất định Heisenberg “Nội dung: Không thể xác định xác đồng thời tọa độ lượng electron nguyên tử ” ∆x ∆p > h  Biểu thức:  Ý nghĩa nguyên lý… b Mơ hình ngun tử theo Schrưdinger  Bản chất mơ hình ngun tử theo Schrưdinger …  Coi e chuyển động sóng, mơ tả hàm sóng Ψ…  Ý nghĩa hàm sóng Ψ hàm mật độ xác suất Ψ2 24-Dec-15  Werner Karl Heisenberg 1901 - 1976 15 24-Dec-15  Phương trình Schrưdinger: • • • • i = đơn vị ảo ψ(r,t) = hàm sóng, ħ = số Planck rút gọn Ĥ = toán tử Hamilton  ( x )  Ae  24-Dec-15 17 17 24-Dec-15 Trang  x2 Ψ1s = 2a2 1/a -r/a e Π Ví dụ số kết lượng Các kết giải phương trình Schrưdinger gồm có hàm sóng Ψ, lượng E số lượng tử… 16 Ví dụ số kết hàm sóng En  n  Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger 1887 - 1961 15  2 2ma  n2h2 8ma E   (n  )  En 18 18 24/12/2015 17.8 Tính tốn giá trị Ka, Kb pH  VD: Tính pH dung dịch NH3 0,1 M Biết Kb = 1,8.10-5? NH3  Giá trị Ka Kb xác định thực nghiệm  Khi tính toán, giá trị để lắp vào biểu thức Ka Kb giá [ban đầu] [phản ứng] [cân bằng] trị nồng độ mol/l ion chất thời điểm cân  VD: Dung dịch HNO2 0,50M có pH = 1,72 Tính Ka? HNO2 [ban đầu]  ⇌ + Kb  NO2- 0,50M 0 [phản ứng] -x +x +x [cân bằng] (0,50-x) x x Ka  24-Dec-15  x x   7,1.104 0,5  x 0,5  2, thứ tính tốn giá trị pH → x = 0,19M = [H+] → +x x [NH  ][OH  ] x2 x2    1,8.105 [NH ] 0,1  x 0,1 Câu hỏi: Tính pH dung dịch HCOOH 0,010M tính % 26 Câu hỏi: Trong dung dịch muối sau đây: LiCl, FeCl3, NH4NO3, CH3COOK, C6H5ONa, KOOC-COOK, Cs2SO4, Al2(SO4)3, nước Javel, sođa, Kaliperrmanganat… dung dịch cho môi trường: H2PO4- (d2) + H+ (d2) 5,0M -x (5,0-x) +x x 24-Dec-15 Do Ka3 9; dùng y học (làm thuốc tẩy), công nghiệp, tổng hợp phẩm nhuộm Ca2+ (dd) + F- (dd) ⇌ CaF2 (r)  Tính tích số ion: Q = [Ca2+][F-]2 = (0,10)(0,040)2 = 1,6.10-4 Mg2+ (dd) + OH- (dd) Khái niệm chất thị màu axit-bazơ: chất có màu sắc thay đổi theo giá trị pH dung dịch trộn  Phương trình pứ: ⇌ = 1,1.10-4 M ICE để tính 24-Dec-15 với 0,2 L dd NaF 0,06 M? Biết T(CaF2) = 3,2.10-11  Ví dụ: Tính độ hịa tan Mg(OH)2 nước dung dịch MgCl2 0,01 M ? (Biết T = 5,6.10-12) Coi toàn lượng HCl cho thêm vào tác dụng hết CH3COONa CH3COONa + HCl → CH3COOH + NaCl  Câu hỏi: Hãy kết luận độ tan S chất tan PbCl2, HInd (ko màu) >T ⇌ H+ + Ind- (màu hồng) Giấy quỳ (litmus) giấy có tẩm dung dịch etanol nước với chất màu tách từ rễ địa y (ngành thực vật cộng sinh tảo nấm) Roccella Dendrographa, có màu gốc ban đầu màu tím (nên cịn gọi giấy quỳ tím), sử dụng trong28 24-Dec-15 ngành hóa học để thử, kiểm nghiệm độ pH   Kết luận: có xuất kết tủa CaF2 tạo 24-Dec-15 27 TỔNG KẾT BT chương 18: Dạng tập chuẩn độ: 7, 13, 19, 21, 23, 29, 43, 53, 59, 63  Ở thời điểm ban đầu  Ở thời điểm tương đương  Ở thời điểm chuẩn độ x% (50%, 70% ) + Cần phải nhận diện thời điểm cần tính, dung dịch cần tính có chất gì, tính axit yếu hay bazơ yếu hỗn hợp dd đệm (nếu có pứ PHẢI viết ra)? + Dùng cơng thức tính pH cho axy, bzy dd đệm phù hợp + Nếu đề hỏi nồng độ chất, phải dùng bảng ICE Bài sau: Chương 19 Entropi lượng tự … 29 24-Dec-15 29 24-Dec-15 Trang 57 30 24/12/2015 Chương 19 HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG Entropi lượng tự GV: Lê Minh Thành 24-Dec-15 24-Dec-15 19.1 Quá trình tự diễn biến trạng thái cân  19.2 Nhiệt khả tự diễn biến  Khái niệm trình tự diễn biến:là trình xảy mà vào trình vĩ mơ Xu hướng chung q trình tự diễn biến tự  Phát biểu: ΔU = Q + W nhiên tự đến trạng thái cân hệ  VD: + phân tử khí chuyển động từ nơi có nồng độ   + phản ứng NaOH + HCl → NaCl + H2O + nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh mà tiếp xúc với   Độ trật tự hệ trạng thái sau thấp độ trật tự trạng thái ban đầu  Năng lượng phân tán ứng với tạo số phân tử, Quá trình tự diễn biến tỏa nhiệt hay thu nhiệt?  Các trình tỏa nhiệt tự diễn biến hay không tự diễn biến? nguyên tử nhiều ban đầu Khái niệm entropi: đại lượng nhiệt động dùng để xác định độ hỗn độn hệ phân tán vật chất, lượng Q  Biểu thức tính: S  T  Đơn vị đo: J/K.mol cal/K.mol  Đặc điểm: Đặc điểm entropi:  Một hệ có độ hỗn độn lớn entropi S lớn  Một trình mà lượng vật chất phân tán, qt  Entropi hàm trạng thái, tức biến thiên entropi ΔS phụ tự diễn biến thuộc vào trạng thái đầu cuối, ko phụ thuộc cách tiến hành  Một trình mà vật chất phân tán, lượng chưa xác định, chưa thể kết luận tính diễn biến  Entropi vật chất K (không độ tuyệt đối)  Khơng có giá trị S> So (lỏng) > So (rắn) có entropy ln tăng khơng đổi theo thời gian  Chất có khối lượng mol phân tử (M) lớn, S lớn   Chất có cấu trúc phân tử phức tạp, S lớn trật tự khơng có can thiệp từ bên ngồi   Nhiệt độ tăng làm S tăng môi làm S chất tăng  Tức K chất có S = 24-Dec-15 * Cách tính biến thiên entropi ΔS hệ  * Quan hệ ∆S, ∆H tính tự diễn biến  Với hệ xét môi trường xung quanh vũ trụ: ∆Svũ trụ = ∆S hệ + ∆S mơi trường  Với q trình vật lý, q trình hóa học: ∆Shệ = ∑So (sản phẩm) - ∑So (ban đầu)  Nội dung nguyên lý ba: “khơng có hỗn độn chất trạng thái tinh thể nhiệt độ tuyệt đối K”  Sự hòa tan chất lỏng, rắn nguyên chất hòa tan vào dung 24-Dec-15 Không thể chuyển từ trạng thái trật tự sang trạng thái  ∆Svũ trụ = → hệ đạt tới cân  ∆Svũ trụ < → trình hệ ko tự diễn biến  ∆Svũ trụ > → trình hệ tự diễn biến (nguyên lý II) Xét trình điều kiện tiêu chuẩn:  ∆Shệ > 0, ∆Hhệ < → trình hệ tự diễn biến  ∆Shệ < 0, ∆Hhệ > → q trình hệ khơng tự diễn biến  ∆Shệ ∆Hhệ dấu (cùng âm, dương) → tính tự diễn biến cịn phụ thuộc vào nhiệt độ hệ Trong trường hợp tính entropi có liên quan đến nhiệt, trình thuận nghịch T=constant, Qmt= - ∆Hohệ, đó: 24-Dec-15 24-Dec-15 10 19.6 Năng lượng tự Gibbs  Định nghĩa: G = H – T.S →  G = H – T.S  Đặc điểm lượng tự Gibbs: Tính tự diễn biến G:  G < 0: phản ứng tự xảy  Năng lượng tự G hàm trạng thái, tức là…  Hầu xác định giá trị G tuyệt đối  G > 0: phản ứng không tự xảy  G = 0: trình trạng thái cân chất, mà thường tính biến thiên lượng tự  G (giống đặc điểm H H) Biến thiên lượng tự phản ứng: G°pư = G°s (sản phẩm) - G°s (tham gia)  Xét hàm G tức xét hai yếu tố S, H đồng thời, T, nên hàm G tỏ ưu tiện lợi so với S, H xét tính tự diễn biến trình 24-Dec-15  Biến thiên G đơn chất 11 24-Dec-15 Trang 59 12 12 24/12/2015 19.7 Năng lượng tự ∆G số cân K  Q c C a A d D b B là: c C C C C KC  [C] [D] [A]a [B]b Ở điều kiện bất kỳ, liên hệ G Go là: (R=8,314 J/K.mol) Khi đạt tới cân G =0 Q ≡ K nên: G° = - RT lnK  (R=8,314 J/K.mol)  Tính ∆Shệ = S CH3OH,lỏng – S CO, khí – 2.SH2,k  Tính ∆Hhệ = ∆H CH3OH,lỏng – ∆H CO, khí – ∆HH2,k  Tính ∆Smt = -∆Hhệ/T  Tính ∆Svũ trụ = ∆S hệ + ∆S môi trường  Kết luận, giá trị ∆Svũ trụ > 0, nên trình tự 24-Dec-15  14 Câu hỏi: Xét phản ứng: CO (k) + 2H2(k)  CH3OH (l) Phản ứng có 25oC Q trình có tự xảy hay ko? Cho biết SNaCl,dd, S tự xảy 298 K? Cho biết SCH3OH,lỏng, SCO, khí, SH2,k, ∆HCH3OH,lỏng, NaCl,rắn, ∆HCO, khí, ∆HH2,k ∆Hs,NaCl, dd, ∆Hs,NaCl, rắn Hướng dẫn:  Hướng dẫn:  Sơ đồ trình: NaCl (rắn) → NaCl (dd)  Tính ∆Shệ = S CH3OH,lỏng – S CO, khí – 2.SH2,k  Tính ∆Shệ = S NaCl, dd - S NaCl, rắn  Tính ∆Hhệ = ∆H CH3OH,lỏng – ∆H CO, khí – ∆HH2,k  Tính ∆Hhệ = ∆Hs,NaCl, dd - ∆Hs,NaCl, rắn  Tính ∆Smt = -∆Hhệ/T → Tính ∆Svũ trụ = ∆S hệ + ∆S mơi trường  Tính ∆Smt = -∆Hhệ/T → ∆Svũ trụ = ∆S hệ + ∆S môi trường  Kết luận, giá trị ∆Svũ trụ > 0, nên q/t tự diễn biến  Kết luận, giá trị ∆Svũ trụ > 0, nên trình tự 15 24-Dec-15 Câu hỏi: Cho pứ: 2Fe2O3 (r) + 3C(r) → 4Fe (r) + 3CO2 (k) Cho  b) Giả sử biết 25oC, hệ có chứa SO2 (0,50 atm), O2 (0,01 atm) b) Tính nhiệt độ pứ sau xảy ra? SO3 0,10 (atm) Phản ứng diễn theo chiều nào? Hướng dẫn:  Tính    = + 3.SoCO – 2.SoFe2O3 – 3.So C Hướng dẫn:  Tính ∆Sohệ = 2.SoSO3 – 2.SoSO2 – SoO2 Tính ∆Hohệ = ∆Hos,CO – ∆Hos,Fe2O3  Tính ∆Hohệ = 2.∆Hos,SO3 – 2.∆Hos,SO2 Tại 25oC = 298K → Gohệ = Hohệ – T.Sohệ > → pứ ko  Tại 25oC = 298K → Gohệ = Hohệ – T.Sohệ < → pứ có xảy  Ở đk mới, tính giá trị Qp:  Tính lại giá trị: G298 = G°298 + RT ln Q < → pứ ưu tiên xảy hệ xảy  Câu hỏi: Cho pứ: 2SO2 (k) + O2 (k) ⇌ 2SO3 (k) Cho biết giá trị So ∆Hos a) Ở điều kiện chuẩn phản ứng có xảy khơng? a) Ở 25oC phản ứng có xảy không? 4.SoFe 16 chất pứ biết giá trị So ∆Hos chất pứ ∆So Chú ý: Khi tính cho pứ hóa học, nhớ nhân thêm hệ số tỉ lượng vào biểu thức tính ∆Shệ (giống việc tính ∆Hpứ học) diễn biến (hay tự xảy ra) 24-Dec-15   diễn biến 13 Câu hỏi: Tính ∆Svũ trụ q trình hịa tan muối ăn nước   Hướng dẫn: Chú ý: K Kc, Kp, Ksp hay Tt tùy vào trình 24-Dec-15   d G = G° + RT lnQ  Câu hỏi: Xét phản ứng: CO (k) + 2H2(k)  CH3OH (l) Phản ứng có tự xảy 298 K? Xét phản ứng dạng tổng quát: aA + bB → cC + dD  Tỉ số phản ứng số cân   Để phản ứng xảy ∆G < → T > Hhệ/Shệ 24-Dec-15 17 theo chiều thuận 24-Dec-15 Trang 60 18 24/12/2015 BT chương 19: 3, 13, 19, 23, 25, 29, 31, 33, 41, 61 Bài cuối: Chương 20 Phản ứng trao đổi electron 24-Dec-15 24-Dec-15 19 Trang 61 20 24/12/2015 HÓA HỌC Chương 20 Phản ứng trao đổi electron ĐẠI CƯƠNG GV: Lê Minh Thành 24-Dec-15 24-Dec-15 20.1 Phản ứng oxi hóa khử   Khái niệm phản ứng oxi hóa khử:  Khái niệm chất oxi hóa, chất khử (chất bị oxi hóa, bị khử)  Khái niệm oxi hóa, khử (qt oxi hóa, qt khử)  Khái niệm số oxi hóa  Khái niệm bán phản ứng oxi hóa, bán pứ khử:  Cách cân phản ứng oxi hóa - khử: cách  Quy luật phản ứng phản ứng oxh – k (quy tắc alpha)   Cân số ntử hai vế bán phản ứng  Cân điện tích hai vế bán pứ, cách thêm e vào hai vế cho phù hợp, ptpứ tổng khơng có mặt e  Cân oxi, dùng cặp H2O/OH-, với hiđro dùng cặp H O/OH- H2O/H+ 24-Dec-152 Câu hỏi:Cho cặp oxi hóa khử: VO2+/VO2+; MnO4-/Mn2+ 20.2 Pin Volta H2O/H2; Hãy viết bán pứ cho cặp đó, giả sử chúng  xảy môi trường: ax – bz?  Trong dd bazơ, thiếu ntử Oxi bên thêm OH- vào bên đó, thêm H2O vào bên cịn lại Câu hỏi: Cho phản ứng: Al + Fe2+ → Al3+ + Fe Hãy 24-Dec-15oxi hóa, bán pứ khử… ứng Trong dd axit, thiếu ntử Oxi bên thêm H2O vào bên đó, thêm H+ vào bên cịn lại chất oxi hóa, chất khử, qt oxi hóa, qt khử, bán phản  Chú ý quan trọng viết bán pứ:  m+m → y+y  Khái niệm pin Volta: tế bào (hệ) điện hố phản ứng hóa học dùng để tạo dịng điện (pin điện hóa dụng cụ cho phép chuyển lượng hóa học thành điện năng.) Hướng dẫn +  Ở môi trường axit: VO2 → 2H+  VO2+  Ở môi trường bazơ: muối Anot (cực âm) nơi xảy q trình oxi hóa, catot (cực dương) nơi xảy trình khử Electron chuyển từ cực… sang VO2+ → VO2+ cực … bằng… OH- + VO2+ → VO2+ +H2O ???  H2O+ VO2+ → VO2+ +2OH- ??? Cầu muối : thường làm gelatin (dạng dẻo đặc) chứa ion hòa tan, chứa ống làm thủy tinh, cho 1e + H2O+ VO2+ → VO2+ +2OH SV tự thực với cặp lại! Cấu tạo pin: gồm cực nhúng vào dung dịch chất điện ly ghép vào với ngăn màng xốp, hay cầu + VO2+ → VO2+ + H2O 1e + 2H+ + VO2+ → VO2+ + H2O 24-Dec-15 phép ion từ nửa pin sang nửa pin đồng thời tránh 24-Dec-15 việc trộn lẫn dung dịch Trang 62 24/12/2015  Cơ chế phát sinh dòng điện pin điện hóa (xét pin Zn-Cu)  Ở cực âm (anot): Hướng chuyển electron Điện cực xảy trình oxi hóa tạo Điện cực electron Cầu muối Zn → Zn2+ + 2e  Ở cực dương (catot): xảy trình khử, nhận e từ cực Chất điện phân: ion dung dịch âm Cu2+ + 2e → Cu Chất oxi hóa Chất khử  Ở mạch điện ngoài: e di chuyển từ cực (-) sang cực (+) → dòng điện từ cực (+) sang cực (-)  Ở cầu muối: ion (+) di chuyển dung dịch cực (+) Anot: xảy oxi hóa ion (-) di chuyển dung dịch cực (-)  Phản ứng xảy pin: 24-Dec-15  Zn (r) → Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu Zn2+ (dd) +  Quy ước cách biểu diễn pin điện hóa: Câu hỏi: Cho phản ứng: Cu + 2Ag+ → Cu2+ + Ag Hãy thiết lập pin điện hóa mà xảy phản ứng trên?  trò catot xếp bên phải pin điện Hướng dẫn Ranh giới hai pha lỏng rắn kí hiệu  Xác định chất oxi hóa, chất khử pứ vạch thẳng đứng, ranh giới hai pha lỏng có cầu muối  Chất oxi hóa có q trình khử xảy catot, cịn  chất khử có q trình oxi hóa xảy anot kí hiệu vạch kép thẳng đứng  Viết bán phản ứng, có cân bán phản ứng  Nồng độ chất dạng dung dịch, áp suất chất khí cho phù hợp mơi trường viết kèm chất tương ứng VD: (-) Zn│Zn2+ (x M)║Cu2+(y M)│Cu Cu → Cu2+ + 2e ( +) Ag+ + 1e → Ag (-) Pt│H2 (P=1atm) │H+ (x M)║Cu2+(y M)│Cu 24-Dec-15 (-) Pt│H2 (1atm)  │H+ (1 M)║Fe3+(1 M)│Fe2+(1 (+) M)│Pt 24-Dec-15 (+)  Hãy bán pư phản ứng tổng xảy pin? (-) Cu│Cu2+ (x M)║Ag+(y M)│Ag ( +) 10 khử, đóng vai trị dẫn điện  Cực âm (bên trái) xảy qt oxh chất khử Cực dương  (bên phải) xảy qt khử chất oxi hóa điện cực trơ cho phù hợp môi trường Cu2+ + 2e → Cu  :ở cực âm Trong trường hợp chất tham gia phản ứng chất tạo thành chất dùng làm điện cực được, cần dùng  Viết bán phản ứng, có cân bán phản ứng H2 → 2H+ + 2e Khái niệm: điện cực thường khơng bị mịn q trình pin hoạt động, khơng tham gia vào q trình oxi hóa – Hướng dẫn 24-Dec-15 : cực dương * Điện cực trơ Câu hỏi: Cho sơ đồ pin :  Phản ứng tổng: :ở cực âm  Thiết lập sơ đồ pin biểu diễn theo quy ước: Pt│H2 (1atm) │H+ (1M)║Cu2+(1M)│Cu  Catot: xảy khử Cu2+ (dd) + 2e- → Cu (r) 2e- 24-Dec-15  Điện cực đóng vai trị anot xếp bên trái, điện cực đóng vai  Chất khử Chất oxi hóa VD: bán phản ứng sau cần có điện cực trơ:  H2 (k)→2H+ (dd) + 2e, điện cực là: : cực dương H+ (1 M)│H2 (1atm) │Pt  Fe3+ (dd)+ 1e → Fe2+(dd), điện cực là: Fe3+(1 M)│Fe2+(1 M)│Pt H2 + Cu2+ → 2H+ + Cu  Al3+(nc) + 3e 11 24-Dec-15 Trang 63 → Al (nc) , điện cực là: Al3+│Al│C (graphit)12 24/12/2015 20.4 Thế điện hóa tiêu chuẩn   đối cách so sánh độ chênh lệch với điện Khái niệm điện cực: điện xuất điện cực cực hiđro Ở đk chuẩn người ta quy ước nhúng kim loại vào dung dịch muối có chứa cation Điện cực trơ Pt điện cực điện cực hiđro tương ứng kim loại điện cực hidro: H+ (1 M)│H2 (1atm) │Pt  Khái niệm điện cực tiêu chuẩn: …  Đặc điểm điện cực:  Xây dựng bảng điện cực tiêu chuẩn cặp oxh/h (còn gọi tắt khử, cho qt khử) – trang 452, 453  Là oxi hóa/ khử cặp oxi hóa khử tương ứng  khử yếu ngược lại  Không thể xác định giá trị tuyệt đối chúng… 24-Dec-15 Đặc điểm dãy khử là:   Giá trị E dương → tính oxi hóa mạnh, tính  H2 (k) 1atm Thế điện cực xác định cách tương giá trị E dương, chất oxi hóa mạnh, chất khử yếu  dấu so sánh với điện cực hiđro tiêu chuẩn  đưa độ mạnh yếu cặp oxh/khử: Oxi + ne  Kh dự đoán chiều phản ứng oxh/khử theo quy tắc alpha 24-Dec-15  13 14 Câu hỏi: Cho hai cặp oxi hóa-khử 2H+/H2 Fe3+/Fe2+, cho Eo(2H+/H2 )= 0,0V; Eo(Fe3+/Fe2+)=0,771V? a) So sánh tính oxi hóa H+, Fe2+, Fe3+ b) So sánh tính khử H2 Fe2+ c) Dự đoán chiều phản ứng Fe2+ + H+ → Fe3+ + H2  Hướng dẫn E dương, chất oxi hóa mạnh→ Fe3+ > 2H+ > Fe2+ Điện cực trơ Pt E dương, chất khử yếu H2 > Fe2+ Điện cực trơ Pt Dựa vào quy tắc alpha, xét hai cặp oxh-k cho, thấy phản ứng cho xảy theo chiều nghịch (Hoặc, xét chiều pứ dựa vào Eopin ứng với pứ đó).15 24-Dec-15  24-Dec-15 16 Một pin điện hóa bất kỳ, hình thành từ cặp oxi hóa – khử 20.5 Thế điện cực pin điện hóa đk khơng tc đó, đo mức chênh lệch điện lớn hai  điện cực, điện chênh lệch gọi sức điện động (suất Trong điều kiện pin điện hóa khơng đk tiêu chuẩn, người ta dùng pt Nernst để tính điện cực cực: E dien cuc  E odien cuc  điện động, điện hóa) pin: E°pin = E°catot – E°anot = Eo(+) - Eo(-)  E dien cuc  E odien cuc  Năng lượng Gibbs pin là:  G° = -n.F.E°pin  Chúng ta sử dụng  Nếu   Eo pin Eo pin để xét Nếu pin < : phản ứng không xảy Nếu Eo pin = : phản ứng trạng thái cân 24-Dec-15 0, 059 [kh] log (ở 25oC) n [oxh] Khi đó, sức điện động pin tính là: E pin  E o pin  > : phản ứng tự xảy theo chiều viết Eo RT [kh] ln nF [oxh] RT ln Q nF E pin  E o pin  0,059 lg Q n (ở 25oC) 17 17 24-Dec-15 Trang 64 Ví dụ: Cu│Cu2+ (0,7 M)║Ag+(1,2 M)│Ag 18 24/12/2015 20.6 Điện hóa nhiệt động học   a) Cu + Zn2+ → Cu2+ + Zn Công cực đại mà pin điện hóa thực hiện: Amax = n.F.E (F=96500 C/mol.e)  Năng lượng Gibbs pin thực hiện: G° = -n.F.E°pin  Mà ta có: G° = -R.T.lnK ENi2+/Ni= -0,25V; EFe3+/Fe2+= 0,77V; EI2/2I-= 0,54V  Hướng dẫn  Xác định cực âm, cực dương pứ theo quy RT ln K nF luật, Eo cặp lớn hơn, cặp đóng vai trị cực dương ln K = n.Eo/0,0257 (ở 25oC)  Tính Eopin so sánh với giá trị 0, đưa kết luận 24-Dec-15   a) … 19  Câu hỏi: Tính sức điện động pin tạo hai cặp oxi hóa- 20 Câu hỏi: Tính sức điện động pin tạo hai cặp oxi hóakhử Ag+/Ag Cu2+/Cu, biết điện cực nhúng dd tương  Hướng dẫn  Tính lại giá trị điện cực điện cực, sử dụng 0, 059 Hướng dẫn Ag+ mạnh Cu2+ → cực dương cực Ag Cu2+ → cực dương cực Ag  Sơ đồ pin có dạng: (-)Cu│Cu2+ (0,5 M)║Ag+ (0,5 M)│Ag  Sơ đồ pin có dạng: (-) Cu│Cu2+ (1 M)║Ag+ (1 M)│Ag (+) (+)  Nên: Epin = Ecatot – Eanot = E(Ag+/Ag) - E(Cu2+/Cu) = …  Phản ứng pin là: Cu + 2Ag+ → Cu2+ + 2Ag 24-Dec-15  Nên: Epin = Ecatot – Eanot = E(Ag+/Ag) - E(Cu2+/Cu) = … 21 Câu hỏi: Cho sơ đồ pin: 24-Dec-15  Phản ứng pin là: Cu + 2Ag+ → Cu2+ + 2Ag  Pb (r) + Ag+ (dd)  Pb2+ (dd) + Ag (r) Viết phản ứng xảy pin tính Eopin?  Hướng dẫn: Hướng dẫn: Zn(r) + 2H+(dd) Zn2+(dd) + H2(k)  Theo pứ , Pb cho e nên làm cực (-), Ag+ nhận e cực (+) Tính suất điện động pin đktc: Eopin = Eocatot - Eoanot  Ta có: E°pin = E°catot – E°anot = E°Ag – E°Pb  Lại có: -nFE°pin = -R.T.lnK → tính giá trị K  Cuối cùng: G° = -nFE°pin  Viết pứ xảy pin: [Zn 2 ]p(H ) (0,010)(0,30) Q pu    4,8  104 [H  ]2 (2,5) o Tính giá trị o Tính lại giá trị Epin, ý (n = 2) E pin  E o pin  24-Dec-15 22 Câu hỏi: Tính E°pin, K and G° 25 °C phản ứng: Zn│Zn2+ (0,010 M)ǁ 2H+ (2,5 M)│H2 (0,30 atm)│Pt o [kh] o phương trình Nersnt: Edien cuc  E dien cuc  n log [oxh]  Ta thấy: E(Ag+/Ag) =0,76V > E(Cu2+/Cu)=0,328V → tính oxi hóa  Ta thấy: Eo(Ag+/Ag) > Eo(Cu2+/Cu) → tính oxi hóa Ag+ mạnh  c)…… ứng có nồng độ 0,5M, cho Eo(Ag+/Ag)= 0,799V; Eo(Cu2+/Cu)=0,337V? Eo(Ag+/Ag)= 0,799V; Eo(Cu2+/Cu)=0,337V Viết pứ xảy pin  b) …… 24-Dec-15 khử Ag+/Ag Cu2+/Cu, biết điện cực đk tiêu chuẩn, cho  b) Ni2+ + H2 → Ni + 2H+ c) Fe3+ + 2I- → Fe2+ + I2 Biết: ECu2+/Cu= 0,34V; EZn2+/Zn= -0,76V; (với K = số cân pứ pin, R=8,314 J/K.mol) E°pin = Câu hỏi: Các p/ứ sau ưu tiên xảy theo chiều nào? 0,0592lg Q n 23 24-Dec-15 Trang 65 24 24/12/2015 TỔNG KẾT Cách cân ion – electron cho bán pứ oxh, bán pứ khử pứ tổng hợp Xác định anot (-), catot(+) pin đề cho:  Pứ tổng hợp xảy pin  Thế điện hóa hai điện cực  Sơ đồ pin điện hóa BT chương 20: 3, 13, 15, 21, 27, 29, 31, 55, 57, 63 Viết trình (pứ) xảy điện cực anot, catot pứ tổng hợp pin Tính giá trị nhiệt động học như: Epin, G, K (theo công thức) 25 Chỉ chiều pứ oxi – hóa khử dựa E G 24-Dec-15 24-Dec-15 25 24-Dec-15 27 Trang 66 26