Bài tập lớn môn học hóa lý 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: HÓA LÝ 2 – MÃ MÔN HỌC: CH2109 HỌC KỲ: 231 – NĂM HỌC: 2023 – 2024 Lớp: L01 – Nhóm 1 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Ngô Mạnh Thắng Sinh viên thực hiện: STT Họ và tên Mã số sinh viên 2114159 1 Trương Thị Tuyết Ngân 2013901 2014972 2 Trần Trương Bảo Ngọc 3 Lê Phạm Hoài Tú Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 10 năm 2023 MỤC LỤC I NỘI DUNG CÂU HỎI .3 II GIẢI PHẢP – LỜI GIẢI 4 Câu 1 4 Câu 2 5 Câu 3 6 Câu 4 6 III TÀI LIỆU THAM KHẢO: 7 VI BẰNG CHỨNG VỀ HOẠT ĐỘNG LÀM VIỆC NHÓM .7 I NỘI DUNG CÂU HỎI Câu 1: Cho biết ở nhiệt độ 298 K, hằng số cân bằng phản ứng điện ly axit axetic trong nước là KD = 1,75 x 10-5 1.1 Ở nhiệt độ này, tính độ điện ly của axit axetic trong dung dich nước chỉ có 1 chất tan là CH3COOH với nồng độ 10-4 mol.dm-3 1.2 Ở nhiệt độ này, tính độ điện ly của axit axetic trong dung dich nước có nồng độ 10-4 mol.dm-3 CH3COOH và 10-1 mol.dm-3 NaOH Tính lực ion rồi dùng phương trình giới hạn Debye-Hūckel bậc 1 để tính hệ số hoạt độ trung bình của chất tan điện ly trong dung dịch này 1.3 Ở nhiệt độ này, tính độ điện ly của axit axetic trong dung dich nước có nồng độ 10-4 mol.dm-3 CH3COOH và 10-2 mol.dm-3 HCl Tính lực ion rồi dùng phương trình giới hạn Debye-Hūckel bậc 1 để tính hệ số hoạt độ trung bình của chất tan điện ly trong dung dịch này 1.4 So sánh định tính độ dẫn của 3 dung dịch nêu trên (Viết dãy 3 dung dịch nêu trên theo thứ tự độ dẫn tăng dần) Câu 2: Cho sơ đồ pin dưới đây cùng các giá trị thế điện cực ở điều kiện chuẩn Zn  ZnSO4 ( aZn2+ = 0,5)  AgNO3 ( aAg2 = 0,5)  Ag Zn2+ Zn 0 = – 0,76 V  Ag + Ag 0 = 0,7996 V 2.1 Viết các phương trình phản ứng điện cực và phản ứng tổng cộng trong pin này 2.2 Tính điện thế của từng điện cực trong pin này Zn2+ Zn , Ag+ Ag 2.3 Tính sức điện động của pin ở điều kiện chuẩn E298 0 và sức điện động thực E298 của pin này ở nhiệt độ 298 K Nhận xét về giá trị này 2.4 Tính biến thiên năng lượng Gibbs ở điều kiện chuẩn G298 0 và biến thiên năng lượng Gibbs thực G298của phản ứng tổng cộng trong pin này ở 298 K Nhận xét về giá trị này 2.5 Đề xuất 2 phương án tăng sức điện động thực của pin E298 ở 298 K Câu 3: Viết sơ đồ pin trong đó xảy ra phản ứng tổng cộng Ag + + Cl− = AgCl (s) , tìm các giá trị thế điện cực của pin này ở điều kiện chuẩn trong cơ sở dữ liệu và tính sức điện động ở điều kiện chuẩn chuẩn của pin này Đề xuất các phương án tăng sức điện động cho pin này Câu 4: Bình điện phân có thể coi là thiết bị đối nghịch với pin Tuy nhiên cả 2 điện cực trong bình điện phân nhúng trong cùng một dung dịch chất điện ly, còn mỗi điện cực trong pin lại có dung dịch điện cực riêng Thảo luận nguyên nhân, ưu điểm và nhược điểm của bình điện phân từ góc độ chung dung dịch điện cực nêu trên II GIẢI PHẢP – LỜI GIẢI Câu 1: Giả thiết: KD = 1,75 × 10−5 ở nhiệt độ 298K và C0 = 10−4 (mol/lít) 1.1 Ta có: KD = C0 α2 ⇔ 1,75 × 10−5 = 10−4 α2 1−α 1−α ⇒ α ≈ 0,3398 1.2 Phương trình phản ứng: CH3COOH + NaOH ⟶ CH3COONa + H2O Ban đầu: 10−4 10−1 0 0 (mol/l) (mol/l) Phản ứng: 10−4 10−4 10−4 10−4 (mol/l) Còn lại: 0 0,0999 10−4 10−4 ⟶α=1 1 21 2 2 2 Lực ion: I = ∑ Ci Zi = (CCH3COO− Z− + CNa+ Z+ + COH− Z−) = 0,1 2 2 Hệ số hoạt độ trung bình ở 25ºC: ( Với Z+ = Z− = 1 ) logγ±CH3COONa = logγ±NaOH = −Z+ Z− A √I ⇔ logγ±CH3COONa = logγ±NaOH = −0,509.1.1 √0,1 ≈ −0,161 ⇔ γ±CH3COONa = γ±NaOH ≈ 10−0,161 1.3 Phương trình điện ly của HCl: HCl ⟶ H+ + Cl− Điện ly hoàn toàn: 10−2 10−2 10−2 (mol/l) (mol/l) Phương trình điện ly của CH3COOH: CH3COOH ⇆ CH3COO− + H+ 0 10−2 Ban đầu: 10−4 Phản ứng: x x x Còn lại: (10−4 + x) x (10−2 + x) KD = [CH3COO−][H+] −5 x (x + 10−2) −5 = 1,75 × 10 ⇔ −4 = 1,75 × 10 [CH3COOH] 10 − x −7 1,747 × 10−7 −3 ⇔ x ≈ 1,747 × 10 (mol/l) ⇒ α = −4 = 1,747 × 10 10 1 21 2 2 2 Lực ion: I = ∑ Ci Zi = (CCH3COO− Z− + CH+ Z+ + CCl− Z−) ≈ 0,01 2 2 Hệ số hoạt độ trung bình ở 25ºC: ( Với Z+ = Z− = 1 ) logγ±CH3COOH = logγ±HCl = −Z+ Z− A √I ⇔ logγ±CH3COOH = logγ±HCl = −0,509.1.1 √0,01 ≈ −0,0509 ⇔ γ±CH3COOH = γ±HCl ≈ 10−0,0509 1.4 Lượng ion trong dung dịch càng cao thì độ dẫn điện càng lớn Vậy ta có thể so sánh định tính độ dẫn của ba dung dịch trên như sau theo thứ tự tăng dần: 1.1 < 1.3 < 1.2 Câu 2: Zn|ZnSO4(αZn2+ = 0,5) ∥ AgNO3(αAg+ = 0,5)|Ag φZn 0 2+/Zn = −0,76 (V) φAg 0 +/Ag = 0,7996 (V) 2.1 Cực dương (+): Ag+ + e− = Ag Cực âm (-): Zn − 2e− = Zn2+ Phản ứng tổng cộng: Zn + 2Ag+ = Zn2+ + 2Ag 2.2 Điện thế của điện cực là: φAg+ = φAg 0 + + RT ln(αAg+) = 0,7996 + 8,314.298 ln(0,5) Ag nF 96500 Ag ⇒ φAg+/Ag ≈ 0,7818 (V) φZn2+ = φZn 0 2+ + RT ln(αZn2+) = −0,76 + 8,314.298 ln(0,5) Zn Zn nF 2.96500 ⇒ φZn2+/Zn ≈ −0,7689 (V) 2.3 Sức điện động của pin ở điều kiên chuẩn là: E298 = φ+ − φ− = φAg+/Ag − φZn2+/Zn0000 0 ⇒ 0 = 0,7966 − (−0,76) = 1,5596 (V) E298 Sức điện động thực của pin là: 0 RT αZn2+ E298 = E298 − ln ( 2 ) nF αAg+ 8,314.298 0,5 ⇒ E298 = 1,5596 − 2.96500 ln (0,52) ≈ 1,5507 (V) Nhận xét: 0 > E298 khi hoạt độ của 2 dung dịch AgNO3và ZnSO4 cùng giảm một E298 lượng như nhau thì suất điện động của pin sẽ giảm Hoạt độ càng thấp thì suất điện động thực của pin càng nhỏ 2.4 Ở điều kiện chuẩn: ∆G2098 = −nFE2098 = −2.96500.1,5596 = −301002,8 (J) Ở điều kiện thực: ∆G298 = −nFE298 = −2.96500.1,5507 = −299285,1 (J) Nhận xét: ∆G298 > ∆G2098 khả năng tự xảy ra phản ứng theo chiều thuận ở điều kiện thực tốt hơn ở điều kiện chuẩn 2.5 Phương pháp tăng sức điện động thực của pin E298 ở 298 K: - Tăng nồng độ dung dịch AgNO3 ban đầu - Giảm nồng độ dung dịch ZnSO4 ban đầu Câu 3: Sơ đồ pin: Ag|AgCl|Cl−||Ag+|Ag Cực dương (+): Ag+ + e− = Ag Cực âm (-): Ag + Cl− − e− = AgCl Phản ứng tổng cộng: Ag+ + Cl− = AgCl (s) Thế điện cực chuẩn của pin (tra bảng 3.1 – Giáo trình Hóa lý tập 3, Điện hóa học trang 88) φAg 0 +/Ag = 0,7992 (V); 0 = 0,2222 (V) φAgCl/Ag,Cl− Suất điện động ở điều kiện chuẩn của pin : 0 = φAg 0 +/Ag − 0 = 0,7992 – 0,2222 = 0,577 (V) E298 φAgCl/Ag,Cl− Suất điện động thực được tính bằng công thức : E298 = E298 +0 0,059 log(αAg+ αCl−) n Với công thức tính E ở trên, muốn suất điện động tăng thì ta có thể tăng hoạt độ của ion Ag+ và Cl-, tuy nhiên hoạt độ của hai ion này ở điều kiện chuẩn bằng 1 Do đó hoạt độ chỉ có giảm chứ không tăng Vậy không có phương pháp nào làm tăng suất điện động cho pin này Câu 4: - Nguyên nhân: Điện phân là quá trình chuyển điện năng thành hóa năng nhằm thu được sản phẩm mong muốn Điện phân tiêu tốn rất nhiều năng lượng nên cần đảm bảo hiệu suất của quá trình cao Ngoài vận chuyển electron giữa 2 điện cực còn có vận chuyển vật chất (các ion dương và ion âm phân ly từ dung dịch chất điện ly) về 2 điện cực để thu được sản phẩm (ví dụ: thu được kim loại, H2ở catod; thu được O2, Cl2,… ở anod) nên chỉ có thể nhúng 2 điện cực vào cùng một dung dịch chất điện ly Khác với pin do pin chỉ cần dòng electron chuyển động từ anode qua catode thông qua dây dẫn - Ưu điểm: Dễ dàng vận chuyển vật chất giữa 2 điện cực - Nhược điểm: Quá trình xảy ra trên điện cực phụ có thể ảnh hưởng đến việc tách sản phẩm trên điện cực chính III TÀI LIỆU THAM KHẢO: 1 Bộ môn hóa lý (2019) Sổ tay tóm tắt các đại lượng hóa lý Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, trang 120 – 121 2 Mai Hữu Khiêm – Dương Thành Trung (2014) Hóa lý tập III Điện hóa học Nhà suất bản Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, trang 99 – 108 IV BẰNG CHỨNG VỀ HOẠT ĐỘNG LÀM VIỆC NHÓM Kế hoạch: Tất cả thành viên cùng làm, làm từng câu, xong câu này chuyển qua câu khác Có kế hoạch họp meet để đóng góp câu trả lời, thống nhất ý kiến, đảm bảo mọi thành viên tham gia đầy đủ và hiểu từng bài Dung môi có tác động ➔ chất điện ly (phân ly thành Ion) Dung dịch tạo thành: có chứa các ion ➔ dung dịch điện ly Nếu cho ethanol vào nước: Phân tử Ethanol và Nước (Hệ dị thể liên tục ở cấp độ phân tử = Hệ đồng thể 1 pha) [Hệ không tạo thành ion] Sự phân ly (Phần % phân ly phụ thuộc vào bản chất của dung môi) Bản chất của dung môi được thể hiện qua [Độ thẩm điện môi tương đối: 𝜀𝑟] 𝜀 (Độ 𝑡ℎẩ𝑚 đ𝑖ệ𝑛 𝑚ô𝑖 𝑐ủ𝑎 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑚ô𝑖) 𝜀𝑟 = 𝜀𝑜(Độ 𝑡ℎẩ𝑚 đ𝑖ệ𝑛 𝑚ô𝑖 𝑐ủ𝑎 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑚ô𝑖 ở 𝐶ℎâ𝑛 𝑘ℎô𝑛𝑔) Bảng 5.6 cho biết độ thẩm điện môi tương đối của dung môi ở 273K Trong bảng 5.6: Nước có độ thẩm điện môi tương đối CAO NHẤT (và là dung môi PHÂN CỰC) 𝜀𝑟 ↑↔ ĐỘ 𝑝ℎâ𝑛 𝑐ự𝑐 ↑ Bảng màu vàng: ở những nhiệt độ khác nhau thì độ thẩm điện môi tương đối của nước khác nhau Nếu tương tác giữa: • DUNG MÔI – ION: tạo thành những phức chất ổn định ➔ quá trình Solvat hóa (Nếu dung môi là nước ➔ quá trình này là Hydrat hóa) • [Số phân tử nước bao phủ ion = Ligand] • Dung dịch của các ion là kim loại: Kiềm và Kiềm Thổ ➔ Việc tạo thành ion lưỡng cực PHỤ THUỘC vào 1) Điện tích của các ion 2) Bán kính ion 3) Khối lượng ion Quá trình Hydrat hóa và Solvat hóa: là những quá trình giải phóng năng lượng (cắt đứt năng lượng ion của chất tan và tạo thành liên kết tĩnh điện giữa các ion và ligand bao quanh nó) Bảng cho biết kích thước của 1 số ion trước và sau khi Hydrat hóa Nếu Hydrat hóa đó càng dày, càng nhiều lớp: Lực hút tĩnh điện giữa ion trung tâm và các lớp nước mạnh Phân loại chất điện ly: 1) Dựa vào độ điện ly alpha 2) Dựa vào các chất điện ly tiềm năng, thực tế: phụ thuộc vào tương tác hóa học tạo thành giữa chất tan và dung môi (những chất điện ly nào được tạo thành từ các liên kết ion: chất điện ly thực tế), (những chất điện ly nào bản thân nó không được tạo thành từ các liên kết ion: chất điện ly tiềm năng) Phân loại dung môi Dung môi có tính phân cực càng tăng: khả năng phân ly chất tan thành ion dễ dàng Áp suất thẩm thấu: Sự dịch chuyển của dòng dung môi từ nơi có nồng độ thấp ➔ nồng độ cao Nếu ở đây không có màng ngăn: Thì phân tử chất tan sẽ di chuyển qua nơi có nồng độ thấp ➔ Khuếch tán Nếu ở đây có màng ngăn: không có cho phép các phân tử chất tan dịch chuyển, mà chỉ có phân tử dung môi dịch chuyển ➔ tạo năng lương (chưa cân bằng) ➔ Cần có cân bằng mới ➔ phân tử dung môi dịch chuyển qua để tạo cân bằng ➔ và để tránh dung môi nước từ cột phải qua cột trái ➔ cần có 1 áp lực để nén lên cột phải: Áp suất đó chính là áp suất thẩm thấu Nếu phân tử chất tan không phân ly thành ion thì: 𝜋 = 𝑚𝑅𝑇, 𝑚: 𝑁ồ𝑛𝑔 độ 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑛 Nếu phân tử chất tan phân ly thành ion thì: 𝜋 = 𝑖𝑚𝑅𝑇, 𝑖: ℎệ 𝑠ố 𝑣𝑎𝑛′𝑡ℎ𝑜𝑓𝑓 Lý do gì? Phân tử chất tan không thể dịch chuyển chui qua màng bán thấm? Vì bán kính hydrat hóa của các ion quá lớn (Buổi 2: áp suất thẩm thấu.) Vậy nếu muốn dịch chuyển từ: BÊN TRÁI ➔ BÊN PHẢI: ta phải dùng 1 cái áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu (Quá trình thẩm thấu ngược) Vậy thì những cái giá trị Radius của các ion không còn giá trị nữa: vì nó đã bị hydrat hóa dẫn đến kích thước phân tử rất lớn Lọc nước muối thành nước uống: ta sẽ tạo những cái màng ➔ Chỉ cho phép những phân tử nước đi qua thôi Tính chất nhiệt động của dung dịch điện ly 1) Hóa thế (thế nhiệt động của 1 mol vật chất) 𝜕𝐺 : Năng lượng tự do khi chúng ta thay đổi 1 mol cấu tử mà chúng ta đang quan tâm trong hệ thì 𝜕𝑛𝑖 năng lượng tự do của hệ đó sẽ thay đổi như thế nào, và thể hiện độ lớn (số lượng các cấu tử đó ảnh hưởng đến tổng năng lượng tự do của hệ) Nếu chúng ta thêm vào hoặc bớt ra 1 mol cấu tử i thì năng lượng tự do của hệ sẽ thay đổi như thế nào? Trong dung dịch vô cùng loãng: nồng độ mol = nồng độ molarng Chương 2: Pin điện hóa Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu , H298,rxn = −210.84KJ , G 298 0 = −209.9KJ Phản ứng trên là phản ứng tự xảy ra ở nhiệt độ phòng Hệ pin điện hóa: Gồm 2 điện cực, 2 điện cực tiếp xúc với chất điện ly, trong môi trường chất điện ly có khả năng vật chuyển của các ion (có mặt trong chất điện ly) Đầu tiên: Thanh Zn được đặt trong ZnSO4, Thanh Cu được đặt trong CuSO4 ➔ Không thấy hiện tượng gì xảy ra cả Tiếp tục: lấy 1 dây đồng nối thanh Zn và Cu, đồng thời thay vách ngăn bằng 1 màng xốp (để các ion dịch chuyển qua lại) ➔ Nhánh Zn: Zn tan Nhánh Cu: Cu tủa Và nối 2 dây dẫn mắc // với đồng hồ đo điện thế: chỉ 1 giá trị dương nhất định ➔ dòng electron chuyển từ vùng này sang vùng kia Xem tổng quá trình cho nhận electrone ➔ Phương trình tổng quát Còn đối hệ điện phân: đòi hỏi 1 năng lượng từ bên ngoài vào ➔ mới xảy ra Cầu muối: để ion có thể trao đổi với nhau Phản ứng oxide hóa và khử: phản ứng dị thể (từ rắn ➔ lỏng), (từ lỏng ➔ rắn) /: diễn tả tiếp xúc giữa 2 pha khác nhau //: diễn tả tiếp xúc giữa 2 chất điện ly (thế khuếch tán xem như = 0) : : Có sự chênh lệch lớn về nồng độ giữa 2 chất điện ly tiếp xúc với nhau ,: cho biết trong chất điện ly này nhiều thành phần cùng pha Bên phải: Điện cực Pt nhúng vào dung dịch điện ly chứa cả Fe2+ và Fe3+ Bên trái: Điện cực Pt nhúng vào môi trường H+ và có sục khí H2 Giải Giả sử: Ta đang viết từng phương trình của điện cực là riêng biệt (nên đều là phản ứng khử) 𝑍𝑛2 + +2𝑒 = 𝑍𝑛; 𝐸0 = 0.76𝑉 𝐴𝑔 + +1𝑒 = 𝐴𝑔; 𝐸0 = 0.8𝑉 Thiết lập phương trình nerst cho từng phản ứng: 𝑅𝑇 𝜑𝑍𝑛2+/𝑍𝑛 = 𝜑0𝑍𝑛2+/𝑍𝑛 + ln(𝑎𝑀 +) (đ𝑎𝑛𝑔 𝑙à 𝐶𝑎𝑡𝑜𝑡) 𝑛𝐹 𝑅𝑇 𝜑𝑍𝑛2+/𝑍𝑛 = 𝜑0𝑍𝑛2+/𝑍𝑛 + ln(𝑎𝑀 +) (đ𝑎𝑛𝑔 𝑙à 𝑎𝑛𝑜𝑑𝑒), 𝑣à 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị 𝜑0𝑍𝑛2+/𝑍𝑛 < 0 𝑛𝐹 𝑅𝑇 𝜑𝐴𝑔+/𝐴𝑔 = 𝜑0𝐴𝑔+/𝐴𝑔 + 𝑛𝐹 ln (𝑎𝑀+) Vì điện cực Zn2+/Zn là điện cực âm nên phương trình Nerst sẽ được viết lại như sau: 𝑅𝑇 𝜑𝑍𝑛2+/𝑍𝑛 = −𝜑0𝑍𝑛2+/𝑍𝑛 + ln(𝑎𝑀 +) , 𝑣à 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑐ủ𝑎 𝜑0𝑍𝑛2+/𝑍𝑛 > 0 𝑛𝐹 Sn2+ /Sn =  Sn2+ /Sn o + RT ln(Sn2+ ), ( Sn2+ /Sn o  0) nF o RT a H + 2 H + /H =  H + /H + ln( ) 2 nF PH 2 2 cell = − Sn2+ /Sn o + RT ln a H + o 2 RT PH2 Sn o 2+ 2+ = − Sn2+ /Sn − ln 2 , ( Sn2+ /Sn  0) nF PH2 Sn nF a H+