Xây dựng hệ thống bài tập về phản ứng axit – bazơ

Do thời gian nghiên cứu ngắn nên chúng tôi chỉ nghiên cứu về một số vấn đề sau: I.Cơ sở lý thuyết chương Phản ứng axit – bazơ II. Hệ thống bài tập: II.1.Giới thiệu một số bài toán trong sách “bài tập hóa học phân tích” Nguyễn Tinh Dung II.2. Một số bài toán liên quan trong các kì thi

MỤC LỤC

MỤC LỤC……… 1

LỜI CẢM ƠN……….3

A MỞ ĐẦU ……… 4

I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI………4

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU……… 4

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU……… ………… 4

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……….……… 5

B NỘI DUNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT……… 6

I.1 Thuyết axit bazơ ……….……….6

I.1.1 Thuyết axit bazơ của Arrhenius……….………6

I.1.2 Thuyết proton về axit bazơ của Bronsted-Lowry……… ………6

I.2 Cường độ axit-bazơ……… ……… 6

I.2.1 Cường độ axit Hằng số Ka……… ……… 6

I.2.2.Cường độ bazơ Hằng số Kb……….… ………… 7

I.2.3 Tích số ion của nước……….……….……8

I.3 Dung dịch đệm……… ……….………… 8

II PHẦN BÀI TẬP II.1 HỆ THỐNG BÀI TẬP PHẢN ỨNG AXIT – BAZƠ……….9

Dạng 1: Axit mạnh và bazơ mạnh……… 9

Dạng 2: Đơn axit mạnh và đơn bazơ mạnh……… 12

Dạng 3: Hỗn hợp các đơn axit và bazơ……….……15

Dạng 4: Đa axit và đa bazơ ……….……….18

Dạng 5: Các chất điện li lưỡng tính……… ……… …22

Dạng 6:Dung dịch đệm……….24

II.2 MỘT SỐ BÀI TẬP LIÊN QUAN TRONG CÁC KÌ THI……… …… 29

C KẾT LUẬN……… 41

D TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ………… … …41

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn nhà trường, khoa Hóa trường Đại học Sưphạm và các thầy cô giáo đã tạo điều kiện cho sinh viên trong suốt quá trình họctập và nghiên cứu

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Ngô Văn Tứ đã tận tìnhgiảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, tạo điều kiện thuậnlợi để em được làm đề tài này

Tuy có nhiều cố gắng, nhưng chắc chắn bài làm của em còn có rất nhiềuthiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy để bài tập lớn của mình đượchoàn chỉnh và đạt kết quả mong muốn

Xin chân thành cảm ơn!

A MỞ ĐẦU

I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Phản ứng axit – bazơ là một trong những nội dung quan trọng của học phân “Hóahọc phân tích định tính”, luôn tạo sức hấp dẫn đối với học sinh, sinh viên nói chung vàsinh viên chuyên ngành nói riêng Đã có một số tác giả quan tâm nghiên cứu sử dụngbài tập Hóa học phân tích để phục vụ công tác giảng dạy ở nhà trường trung học phổthông cũng như các trường Đại học, Cao đẳng chính quy Song hệ thống lý thuyết vàbài tập phần này cần được tổng kết dưới dạng chuyên đề để đáp ứng nhu cầu thamkhảo của học sinh, sinh viên

Xuất phát từ thực tế đó, cùng với kiến thức đã có cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của

giảng viên hướng dẫn, tôi chọn đề tài nghiên cứu “Xây dựng hệ thống bài tập về phản ứng axit – bazơ” Hi vọng đề tài sẽ là một tài liệu tham khảo có ích cho bản thân cũng

như các bạn sinh viên trong việc thực hiện nhiệm vụ học tập cũng như giảng dạy saunày

Do thời gian và hiểu biết có hạn, trong qúa trình làm đề tài có thể còn có những khiếm khuyết và mong mọi người thông cảm Tôi xin cảm ơn và rất mong nhận được những góp ý xây dựng của thầy cô giáo và các bạn học sinh để lần sau sẽ hoàn chỉnh hơn

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Để giúp các bạn sinh viên hiểu sâu hơn về phản ứng axit – bazơ trong bộ môn hóa học phân tích định tính, đồng thời giải quyết tốt các bài toán một cách nhanh chóng cũng như cũng không còn lúng túng khi gặp những dạng toán về phản ứng axit – bazơ.

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Do thời gian nghiên cứu ngắn nên chúng tôi chỉ nghiên cứu về một số vấn đề sau:

I.Cơ sở lý thuyết chương Phản ứng axit – bazơ

II Hệ thống bài tập:

II.1.Giới thiệu một số bài toán trong sách “bài tập hóa học phân Nguyễn Tinh Dung

II.2 Một số bài toán liên quan trong các kì thi

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Đọc, thu thập tài liệu.

2 Tham khảo ý kiến giảng viên hướng dẫn.

3 Xử lý, tổng hợp.

B NỘI DUNG

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

I.1 THUYẾT AXIT – BAZƠ

I.1.1 Thuyết Axit – Bazơ của Arrhenius:

Axit là những chất có khả năng phân li trong nước thành cation H + , còn bazơ là những chất có khả năng phân li thành anion OH - Như vậy, trong phân tử của axit phải chứa hidro linh động có khả năng ion hóa.

Đây là thuyết đơn giản nhất về axit và bazơ Nó chỉ đề cập đến dung môi là nước.Nhiều trường hợp không giải tích được tính axit bazơ của một số dung dịch Để giảithích các trường hợp này người ta đưa ra khái niệm sự thủy phân

I.1.2 Thuyết proton về axit-bazơ của Bronsted-Lowry

Theo thuyết này axit là những chất có khả năng cho proton Bazơ là những chất có khả năng nhận proton.

Sử dụng thuyết này có thể giải thích đầy đủ tính axit-bazơ cảu các dung dịch trongtất cả các dung môi: H2O, khác như dung môi hữu cơ… và giải thích cho một số phảnứng axit-bazơ không có dung môi

*Cặp axit-bazơ liên hợp: Theo Bronsted thì khi một axit cho proton tạo ra một bazơliên hợp với nó Khi một bazơ nhận proton thì tạo ra một axit liên hợp với nó

Ví dụ: CH3COOH/CH3COO- là cặp axit-bazơ liên hợp:

CH3COOH + H2O ⇌ CH3COO- + H3O+

Axit bazơ bazơ axit

I.2 CƯỜNG ĐỘ AXIT-BAZƠ

A + H2O ⇌ B + H3O+ Kcb

Áp dụng định luật tác dụng khối lượng, ta có:

A H O

B O H

K cb

]][

[

]][

→ cb A K a

B O H O H

][

]][

[]

[

A

B H

K a = +

Hằng số điện li Ka của một axit được dùng để đánh giá cường độ của axit Giá trị Kacàng lớn thì cường độ axit càng mạnh, và ngược lại

Những axit mà phân tử chứa 2 hoặc nhiều proton có thể tách ra được trong nước gọi

là các đa axit Trong dung dịch nước, các đa axit phân li lần lượt theo từng nấc và mỗinấc cho một proton Ứng với mỗi nấc có một hằng số axit tương ứng

Ví dụ: Axit photphoric (H3PO4) là một axit 3 nấc:

H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4- (1) pK a'1 =2,15

H2PO4- ⇌ H+ + HPO42- (2) pK a'2 =7,21

HPO42- ⇌ H+ + PO43- (3) pK a'3 =1,32

I.2.2 Cường độ bazơ Hằng số Kb:

Khi hòa tan một bazơ vào nước:

B + H2O ⇌ OH- + A Kcb

Áp dụng định luật tác dụng khối lượng, ta có:

B H O

A OH

K cb

]][

[

]][

H

][

]][

[]

Kb được gọi là hằng số bazơ

Để đơn giản: [ ]

]][

[

B

A OH

K b = −

Hằng số điện li Kb của một bazơ được dùng để đánh giá cường độ của bazơ Giá trị

Kb càng lớn thì cường độ bazơ càng mạnh, và ngược lại

Có những bazơ mà phân tử khi cho vào nước lần lượt nhận 1, 2, 3 proton đó là những đa bazơ

Ví dụ: PO43- là một đa bazơ

PO43-+ H2O ⇌ HPO42- + OH

K cb 2

2

3

][

]][

=

14

[ 2

[ 2

Nước nguyên chất: [OH-] = [H+] = 10-7

I.2.4 Quan hệ giữa K a và K b của một cặp axit – bazơ liên hợp (A/B)

Ta có: [ ]

]][

[

B

A OH

K b = −

và [ ]

]][

[

A

B H

K a = +

→ Ka.Kb = [H+][OH-] =K H O

2 = 10-14Với pKa = -lgKa ; pKb = -lgKb ; pK H2O= -lgK H2O

Thì pKa + pKb = pK H2O = 14

* Từ hệ thức này ta thấy, nếu cường độ của một axit càng mạnh thì bazơ liên hợp với

nó càng yếu và ngược lại

I.3 Dung dịch đệm:

Khái niệm: là những dung dịch có khả năng chống lại sự thay đổi pH của môi trường khi ta thêm vào dung dịch đó một lượng axit mạnh,bazo mạnh không lớn lắm hoặc là khi pha loãng thì pH của dung dịch thay đổi không đáng kể.

Thành phần hệ đệm có thể là:

- Một axit yếu và một bazơ yếu liên hợp với nó

- Muối axit của axit yếu

Công thức tính pH gần đúng của dung dịch đệm:

Khi [H+],[OH−]<<C a,C b →[H+]=K a.C a/C b

Đệm năng của một dung dịch đệm là số mol axit mạnh hay bazơ mạnh cần cho vào

1 lít dung dịch đệm đó để pH thay đổi 1 đơn vị.

Ký hiệu: β

B PHẦN BÀI TẬP:

B.1 HỆ THỐNG BÀI TẬP PHẢN ỨNG AXIT – BAZƠ

Khai thác hệ thống bài tập sách “Hóa học phân tích - câu hỏi và bài tập cân bằng ion trong dung dịch - GS, TS Nguyễn Tinh Dung; ThS Đào Thị Phương Diệp”

DẠNG 1: AXIT MẠNH VÀ BAZƠ MẠNH:

Bài 1: Tính pH trong các dung dịch sau:

a. Pha loãng 10ml dung dịch HNO3 10-2 M với H2O thành 1l dung dịch

b. Thêm 1ml dung dịch HNO3 10-3 M vào 1009 ml H2O

c. Thêm 10ml dung dịch HNO3 10-2 M vào 40 ml NaOH 2.10-2 M sau đó pha loãng 100 lần

c C HNO M

3 3

2 2

10)

4010

(

10.10

10)

4010

(

10.40.10

Sau phản ứng : NaOH dư: [OH-] = CNaOH = 1,4.10-2 M

Sauk hi pha loãng 100 lần:

4

2

10.4,1100

10.4,1]

→ pH = 10,15

Bài 2: Tính pH trong dung dịch khi hòa tan 0,6g NaOH trong 1,5l nước ( bỏ qua sự

thay đổi thể tích khi hòa tan)

Bài 3: Tính số ml dung dịch HNO3 10-2 M phải cho vào 20ml dung dịch NaOH 10-3 M

để pH của hỗn hợp thu được bằng 5

Giải:

Gọi V (ml) là thể tích HNO3 cần thêm vào:

M V

V V

V

C HNO

20

1010

)

20(

10

3

3 2

20(

10.20

3

3 3

0

+

=+

Sau phản ứng dung dịch có pH = 5 → axit dư

HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O

+

−

V V

C 20

)2(

+

−

V V

)2(10

3

−

−

=+

Bài 4: Tính số gam KOH cần hòa tan trong 5l nước sao cho pH của dung dịch thu

được bằng 11,5 (coi thể tích không thay đổi trong quá trình hòa tan)

0 =[ −]=10−

→ nKOH = 10-3,5.5 (mol)

→mKOH = 10-3,5.5.56 = 0,885 (g)

DẠNG 2: ĐƠN AXIT MẠNH VÀ ĐƠN BAZƠ MẠNH

Bài 1:

a. Tính độ điện li của dung dịch axit HA (dung dịch A) có pH = 3 biết pKa = 5

b. Nếu pha loãng dung dịch A gấp 5 lần thì độ điện li của HA sẽ bằng bao nhiêu? Tính pH của dung dịch thu được

=

−α

αα

C

C C

1

1 1 1

)1(

C

C C

[

++

−

OH K

C K OH

K

b

b b O

K OH

Giả sử : [OH-] << Cb → [OH−]= K b C b =10−6,12

(đúng)

8 8 , 7 12 , 6

14

1010

K

C K HCOOH

b

b

b 7 , 43 10 7

] [

]

+

=

M C

HCOOH C

HCOO ] b [ ] b 10 2

bằng và pH của dung dịch thu được

Giải:

M

C H SO 0,06

01,0015

,

0

015,0

,

0

01,0.3

,

0

=+

]

→

0][][

.]

C K OH

K

b

b b O

1][

4 2 4

O H

C K

K H

→ pH = 7,42

M C

HSO C

SO

M OH

C

K

HSO

SO Na SO

Na

SO Na b

06 , 0 ]

[ ]

[

10 28 , 2 ] [

]

[

4 2 4

2

4 2

4

2

4

7 4

Tính pH của dung dịch thu được

Giải:

M

01,002,

0

02,0.15,0

,

0

01,0

[

0 ] [ ] [

+

−

− +

H

K H K

C K H

OH COO

CH H

O H a

a a

K H

Giả sử: [H+]<<C a →[H+]= K a C a = 10−4,76.10−1 =10−2,8 8

(đúng) →pH=2,88

DẠNG 3: HỖN HỢP CÁC ĐƠN AXIT VÀ BAZƠ

Bài 1: Tính pH của dung dịch HClO4 10-2 M và NH4Cl 2,5.10-2 M

x x

→ x=1,54.10−9

C2H5COO- + H2O → C2H5COOH + OH- Kb = 10-9,13

Cb: (0,05 – x) M x M (0,004 + x) M

Ta có:

( ) 10 9 , 13

05,0

.004,

x x

V V

V C

C

M V V

=

=

+

=+

)

40(

10 10.667,1

40

110

)

40

(

10.40.10

5

,

2

4 3

3 4 0

3

3 2

10.667

10.667

−

x x 40 V)M

1(

++

=++

−

−

−

76 , 4 4

2

1040

10.667

,

1

401

1040

1

x V V V x

x

V x

→V = 60 (ml)

Bài 4: Tính nồng độ HCl phải có trong dd CH3COOH 1M sao cho độ điện li của

2

101

−

=

−αα

→ α =4,16.10−3

Để độ điện li giảm 50% tức

3 3

2

10.16,

=

=α

Khi đó: gọi nồng độ HCl thêm vào là C:

1 1

3 1

10 1

) (

10 08 , 2α

αα

α

C

→ C = 6,26.10-3 M

DẠNG 4: ĐA AXIT VÀ ĐA BAZƠ

Bài 1: Tính pH của hỗn hợp thu được khi trộn 10ml dd H2SO4 0,06M với 20ml dd

H3PO4 0,045 M?

Giải:

Ta có:

M C

C

M C

2010(

045,0.10.20

02,010)

2010

(

06,0.10

10

3 3 3 3

=

=

=+

Áp dụng định luật bảo toàn proton:

[H+] - [OH-] - [SO42-] - [H2PO4-] - [HPO42-] - [PO43-] = 0

Do

7

10 02 , 0 4 2 4 ,

→ Bỏ qua cân bằng của H2O

Do pK a'1 >> pK a'2,pK a'3→ Bỏ qua cân bằng (4) và (5), khi đó:

[H+] - [SO42-] - [H2PO4-] = 0

0][]

[]

' '

1 1 2

+

−+

−

H K

C K H

K

C K

H

a

a a a

a a

[

72 , 11

28 , 2

) (

2

3 2 1

2 1

M OH

OH K

C K OH

K

C K OH

b

N CH b b

CO b

Giải:

M C

M C

S

H

NaOH

3 3

3 3

3 3

3 3

10.75,010)

30

10

(

10.30

10

10.210)

3010

(

10.10.10

=

=+

NaHS → Na+ + HS- (2)

10 28 , 6

10 10

Gọi V (ml) là thể tích HClO4 cần lấy

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng đối với dung dịch gồm: HClO4 0,1 M

Na2CO3 0,1 MNH3 0,1 M

Áp dụng định luật bảo toàn proton:

][][

][

][]

thành phần chính trong hệ là NH4+

] [ 10

).

50 (

10 1

,

0

10

] [ ]

[

3

4 3 4

3

3 9

+

+ +

C K V

V

NH C

Do pH = 9, [OH-] = 10-5 M

→ V = 79,5 (ml)

2

3 3

0,1.10

0,05(1 1).10

0,1.10

0,05(1 1).10

DẠNG 6 DUNG DỊCH ĐỆM

Bài 1 Tính tổng nồng độ của dung dịch NH3 và NH4Cl phải có trong dung dịch đệm

NH3+NH4Cl có pH = 9,00 để khi thêm 0,02mol NaOH vào 1 lít dung dịch này thì pH tăng không quá 0,40 đơn vị

Giải:

Dung dịch đệm NH3+NH4Cl có:

4 4

o a NH a

C

C C

Với C a =C HCOOH và C b =C HCOONa Ta có :

β

+

+ +

a b

a a

b a

C

C C

C C

Khối lượng HCOOC cần lấy là : m C = b.1.60 10,91 = g

Bài 3 Thiết lập công thức tính đệm năng của axit mạnh nồng độ C mo/l Áp dụng tính

đệm năng của các dung dịch :

β =

Ta có:

cùng nồng độ C = 0,10M khi thêm vào 1 lít dung dịch đệm trên

β

+

+ +

2 2 4

4 3

    << Ca,Cb)Xét cân bằng :

4,79

102.10

10

x x x x

K H

β

+

+ +

β

+

+ +

0,10,8621010

C H K

β+ −

II.2 MỘT SỐ BÀI TOÁN LIÊN QUAN TRONG CÁC KÌ THI

b.Trộn V (ml) dung dịch CH3COOH 0,1M vào 100ml dung dịch CH3COONa 0,1M, được dung dịch D có pH = 4,74 Tính V, biết rằng = 1,8.10-5

b Số mol CH3COONa trong 0,1 lít CH3COONa 0,1M là 0,01 mol

Số mol CH3COOH trong V lít CH3COOH 0,1M là 0,1V mol

Thể tích dung dịch hỗn hợp sau khi trộn là: (0,1 + V) lít

Nồng độ mol/l CH3COOH trong dung dịch sau khi trộn là: mol/l

Nồng độ mol/l CH3COONa trong dung dịch sau khi trộn là: mol/l

Dung dịch sau khi trộn có pH = 4,74 [H+] = x = 1,8.105 mol/l

Phương trình điện li của dung dịch sau khi trộn là:

= 1 V = 0,1 lít = 100 ml

Bài 2: Tính thể tích KOH 1,8M cần để:

a Trung hòa hoàn toàn 50,00 ml dung dịch H3PO4 0,60M Tính pH

b Trung hòa 25,00 ml dung dịch H3PO4 pH1 = 4,68 và pH2 = 7,21 Cho hằng số phân

nKOH = 0,0225 mol

VddKOH = 0,0125 lít hay 12,50 ml

độ a (M), thu được dung dịch A có pH = 1,47

Độ tan của CO2 trong nước tại điều kiện thí nghiệm là 0,03 mol/l.

[CH3COO-] << [CH3COOH] nên có thể coi như CH3COOH không điện ly

Do đó, nồng độ H+ trong dung dịch chủ yếu do H3PO4 điện ly ra

Từ (11) và (12) suy ra : [CO2] >> [HCO3-] >> [CO32-]

Do đó, ion CO32- ban đầu chủ yếu tồn tại ở dạng CO2

Số mol H+ do H3PO4 và CH3COOH nhường ra là:

Như vậy, có khí CO2 thoát ra

Số mol CO2 hoà tan là: 0,2.0.03 = 0,006 (mol)

Số mol CO2 bay ra là: 0,0208 – 0,006 = 0,0148 (mol)

Thể tích CO2 thoát ra là: V = 22,4.0,0148  0,33 (l)

phương trình điện ly: HA H+ + A

-a)Tính pH của dung dịch trên

b)Cho thêm một lượng H2SO4 C (mol/l) vào dung dịch HA trên có cùng thểtích, pH dung dịch giảm đi 0,382 so với pH của dung dịch HA trên khi chưa cho

H2SO4 vào Tính C ( mol/l) Biết H2SO4 có hằng số điện ly K1=∞, K2= 10-2 ( thể tíchsau khi trộn bằng tổng thể tích dung dịch ban đầu)

K.Ca >>KW → cân bằng của axit là chủ yếu

K2 ≈ Ka Xét cả 2 cân bằng trong axit

Sau khi trộn 2 dung dịch cùng thể tích thì nồng độ ban đầu mỗi axit giảm đi 2 lần :

CHA = 0,05 M , CH2SO4 = x (mol)

pH giảm đi 0,382 pH = 2,382 – 0,382 = 2 [ H+] = 10-2

H2SO4 H+ + HSO4 x

a. Tính pH và nồng độ các ion H 2 PO 4 - , HPO 4 2- , PO 4 3- của dung dịch X.

b. Thêm 0,96 gam NaOH vào 1 lít dung dịch X thu được dung dịch Y tính pH của dung dịch Y.

c. Cần thêm bao nhiêu gam NaOH vào 1 lít dung dịch X để thu được dung dịch đệm có pH = 6,0?

H 3 PO 4 có K a1 = 10 -2,23 , K a2 = 10 -7,26 , K a3 = 10 -12,32

2 Hỗn hợp X gồm 2 axit đơn yếu HA, HA’ lần lượt nồng độ là C a , C a’ và hằng số axit

K a , K a’ Bỏ qua sự điện li của nước chứng minh công thức gần đúng sau:

x x

4 2

b Số mol NaOH = 0,96 : 40 = 0,24 (mol)

Số mol H3PO4 = 0,01 (mol)

2 < Số mo NaOH : Số mol H3PO4 = 2,4 < 3

→ tạo ra 2 muối Na2PO4 và Na3PO4

2NaOH + H3PO4 → Na2PO4 + 2H2O 2a a a

3NaOH + H3PO4 → Na3PO4 + 3H2O 3b b b

14 log 14 log 0, 01 12,16

10

Na PO a

p

hay q= 0,05495p

→ p = 9,479.10 -3 M và q = 5,209.10 -4 M Khối lượng NaOH cần dùng = (p + 2q).40 = 0,421 (gam).

x x y K

a a a’ a’

C.KẾT LUẬN

Căn cứ vào mục đích nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu bài tập lớn này đã giải quyết một số vấn đề như:

- Trình bày được tóm tắt, sơ lược về axit – bazơ và phản ứng axit – bazơ.

- Trình bày được các dạng toán thường gặp, đưa ra được nhiều bài tập liên quan.

- Đồng thời cũng khái quát lại được những bài tập về phản ứng axit – bazơ trong các kì thi.

Tóm lại, bài tập lớn này đã đạt được một số kết quả nhất định Tuy nhiên, do trong thời gian còn hạn chế nên các dạng bài tập chưa phong phú và đa dạng, đáp

án vẫn chưa hoàn thành hết được Em hi vọng trong thời gian tới, sẽ tiếp tục tìm hiểu thêm và đưa thêm nhiều bài tập và dạng bài tập để lấy vốn kiến thức cũng như vốn tài liệu cho công việc sau này Em xin cảm ơn.

D.TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình Hóa học phân tích định tính - TS Ngô Văn Tứ

2 Hóa học phân tích - câu hỏi và bài tập cân bằng ion trong dung dịch - GS, TS Nguyễn Tinh Dung; ThS Đào Thị Phương Diệp

3 dethi.violet.vn