Phân loại và phương pháp giải các bài toán về điều kiện để kết tủa xảy ra

^ àtoự j-pÂạnr ttíậi2 ềuận tíứ nạ/ùêp.Ở chương trình Hóa Học Phân Tích, phản ứng tạo thành kết tủa thườngđược sử dụng để nhận biết, tách và định lượng các chất.. Nhưng ban đầu, khihọc si

1

JZ33<B-TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA Hốc

0O0

NGUYỄN HUY LINH

PHÂN LOAI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BAI TOÁN VÈ ĐIỀU KIỆN ĐẺ

KÉT TỦA XẢY RA

KHÓA LUÂN TỐT NGHIÊP ĐAI HOC

ngành: Hốa Phân Tích

Người hướng dẫn khoa học ThS.

NGUYỄN THỊ THANH MAI

HÀ NÔI – 2011

^ àtoự j-pÂạnr ttíậi2 ềuận tíứ nạ/ùêp.

Ở chương trình Hóa Học Phân Tích, phản ứng tạo thành kết tủa thườngđược sử dụng để nhận biết, tách và định lượng các chất Cân bằng giữa kết tủa

và dung dịch bão hòa của nó có liên quan chặt chẽ với các cân bằng khác: Cânbằng Axit - Bazơ, cân bằng tạo phức, cân bằng Oxi hóa - khử Để hiểu và lí giảichính xác được các hiện tượng Hóa Học, cần xem xét toàn diện tất cả các quátrình xảy ra ở dung dịch, trong đó có quá trình tạo thành kết tủa

Ở chương trình Hóa Học phổ thông, đặc biệt là chương trình chuyên ban

và chương trình bồi dưỡng học sinh giỏi Thực tế là các phản ứng tạo ra kết tủa

đã được học sinh tiếp cận ngay từ những năm học cấp 2 Nhưng ban đầu, khihọc sinh được làm quen với loại phản ứng tạo thành kết tủa, thì chương trìnhHóa Học phổ thông mới chỉ đề cập tới một số loại phản ứng cơ bản thường gặp:phản ứng giữa Axit - Bazơ, Bazơ - Muối, Axit - Muối, Muối - Muối Kiến thức

về phản ứng tạo thành kết tủa có thể giúp học sinh giải quyết được một sốlượng lớn các bài tập liên quan tới các hiện tượng Hóa Học; Các bài tập liênquan tới tách, loại bỏ các chất; Các bài tập liên quan tới tính toán định lượnglượng kết tủa; Liên quan tới nồng độ V.V CÓ thể nói, phản ứng tạo thành kếttủa rất thiết thực với chương trình Hóa Học phổ thông Nó cũng là nội dung cóthể tiến hành thực nghiệm, do vậy dễ dàng áp dụng được phương pháp trựcquan để gây hứng thú cho học sinh khi học tập bộ môn Hóa Học Đồng thời,thông qua kiến thức về phản ứng này, kết hợp với các loại phản ứng thông dụng

^ àtoự j-pÂạnr ttíậi 2 ềuận tíứ nạ/ùêp.

cơ bản, thiếu sự liên hệ, kết hợp với kiến thức về các loại phản ứng khác Trongcác giáo trình và tài liệu hiện hành, chủ yếu đề cập nhiều về phản ứng Axit -Bazơ và phản ứng Oxi hóa - khử Còn phản ứng tạo thành kết tủa,mặc dù thực

tế cũng gặp không ít, nhưng phần lớn chỉ được đưa ra ở mức độ đại trà, chưa hệthống và toàn diện

Muốn hiểu được sâu sắc và có thể học tập tốt kiến thức về phản ứng tạothành kết tủa, thì việc phân loại các dạng bài tập cụ thể, cũng như xây dựng tiêuchí, cấu trúc cho từng dạng bài tập và xác định phương pháp giải tổng quát chomồi dạng bài tập về phản ứng tạo ra kết tủa là một yêu cầu rất thiết thực

Xuất phát từ những yêu cầu đó, tôi mạnh dạn chọn đề tài “ Phân loại

và phương pháp giải các bài toán về điều kiện để kết tủa xảy ra” Với mong muốn trước hết là mở mang vốn kiến thức của bản thân Sau là

góp một phần nhỏ bé của mình vào việc tìm ra một phương pháp học tập hiệuquả cho các bạn sinh viên về chuyên ngành Hóa Học Phân Tích Đồng thòicũng mong muốn góp phần nâng cao chất lượng dạy và học nội dung về phảnứng tạo thành kết tủa trong chương trình Hóa Học phổ thông

2 MUC ĐÍCH NGHIÊN cứu

Xây dựng cơ sở lý thuyết chung về phản ứng tạo thành hợp chất ít tan vàtạo thành kết tủa, điều kiện để kết tủa xảy ra

Xây dựng tiêu chí cấu trúc cho các bài toán về điều kiện để kết tủa xảy ra

^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp.

Làm quen với công tác nghiên cứu khoa học

3 NHIÊM VU NGHIÊN cứu

Thực hiện giải chi tiết một số bài toán điển hình có liên quan trongchương trình Hóa Học

Đề xuất một số bài toán tương tự có tính chất vận dụng, nâng cao ( kèmtheo gợi ý cách giải và đáp số)

4 ĐỐI TƯƠNG VÀ PHAM VI NGHIÊN cứu

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu

Nghiên cứu lý thuyết chung về phản ứng tạo thành hợp chất ít tan và điềukiện để kết tủa xảy ra trong các giáo trình, tài liệu hiện hành có liên quan.Nghiên cứu các ứng dụng của lý thuyết này đối với chương trình hóa học Vànghiên cứu mối quan hệ giữa các loại phản ứng khác nhau có liên quan đếnphản ứng tạo thành kết tủa

^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp.

JZ33<B-Điều tra, ứiu ứiập và tổng hợp các tài liệu có liên quan đến phản ứng tạothành kết tủa qua hệ thống giáo trình, sách giáo khoa và tài liệu Hóa Học hiệnhành

Phân tích có chọn lọc từ các tài liệu có liên quan để từ đó xây dựng được

hệ thống phân loại, đánh giá các bài toán về điều kiện để kết tủa xảy ra Trên cơ

sở đó có kết luận nhằm định ra các tiêu chí cấu trúc và phương pháp giải tổngquát cho các dạng bài tập về điều kiện để kết tủa xảy ra

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Cơ SỞ LÝ THUYẾT VÈ

PHẢN ỨNG TAO THÀNH KÉT TỦA

1.1.Độ TAN CỦA CÁC HỢP CHẤT VÔ cơ TRONG DUNG MÔI NƯỚC

1.1.1 Dung dịch chưa bão hòa, dung dịch bão hòa và dung dịch quá bão hòa

* Dung dịch chưa bão hòa : là dung dịch còn có thể hòa tan thêm

được chất tan đó nữa ở điều kiện đã cho

Ví du: Hòa tan 10 gam tinh thể NaCl vào dung dịch NaCl nồng độ x%, ởnhiệt độ t°c (dung dịch A), thấy NaCl tan hết Như vậy A là dung dịch chưabão hòa

*Dung dịch bão hòa : Là dung dịch không thể hòa tan thêm được

chất tan đó nữa ở điều kiện đã cho

* Dung dịch quá bão hòa : Là dung dịch chứa lượng chất tan nhiều

hơn so với lượng chất tan trong dung dịch bão hòa ở điều kiện đó

1.1.2 Đô tan

Khi hòa tan chất điện ly ít tan MmAn trong nước thì các ion Mn+, Am‘, cácphần tử cấu trúc mạng lưới tinh thể chất điện ly, sẽ bị hiđrat hóa và chuyển vàodung dịch dưới dạng phức chất aqua [M(H20)x]n+ và [A(H20)y]m\

Khi hoạt độ của các ion [M(H20)x]n+ và [A(H20)y]m‘ trong dung dịch tănglên đến một mức độ nào đó thì xảy ra quá trình ngược lại, có nghĩa là một số

^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp.

JZ33<B-ion hiđrat hóa sẽ kết tủa trở lại trên bề mặt tinh thể Đến một thòi điểm nào đóthì tốc độ quá trình thuận ( quá trình hòa tan chất rắn) bằng tốc độ quá trìnhnghịch ( quá trình các ion kết tủa), tức là cân bằng đã được thiết lập giữa pharắn và pha dung dịch bão hòa ( nói cách khác: quá trình hòa tan chất điện ly íttan đạt tới trạng thái cân bằng)

^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp.

* Nếu theo biểu thức (1.1) thì ta có thể định nghĩa độ tan như sau:

Độ tan là nồng độ của chất điện ly trong dung dịch bão hòa ở điều kiện

đã cho

Cách phát biểu này chỉ đề cập tới chất rắn tan trong nước và độ tan chính

là lượng chất tan điện ly thành các ion Đây là vấn đề cần hiểu về độ tan của cáchọp chất ít tan trong cân bằng ion

* Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan

- Bản chất của chất tan.{ các chất tan khác nhau có độ tan không

- Bản chất của dung môi.

Ví du: Độ tan của KI (theo % khối lượng) trong các dung môi khác nhau

ở 20 °C:

Dung môi: H 2 0; NH 3 (ioãng); CH 3 OH; CH 3 COCH 3 ; CH 3 N0 2 ; CH 3 COOC 2 H 5 Độ

- Nhiệt độ: Đa số quá trình hòa tan của chất rắn đều thu nhiệt, do đó

độ tan thường tăng lên khi nhiệt độ tăng

^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp.

JZ33<B-1

JZ33<B-^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp.

JZ33<B Ngoài ra độ tan còn phụ thuộc vào áp suất, trạng thái vật lý của pha rắn,thành phần của dung dịch (lực ion, chất tạo phức, pH,v.v ),v.v

1.1.3- Bài tập minh họa lý thuyết

Ví du 1: Cỏ quy ước sau:

* Chất có khả năng tan được trên 1,0 gam trong 100 gam nước được

gọi ỉà chất dễ tan ( chất tan).

* Chất cỏ khả năng tan được từ 0,01 đến 1,0 gam trong 100 gam nước

được gọi là chất tan vừa phải ( chất ỉt tan).

* Chất có khả năng tan được nhỏ hơn 0,01 gam trong 100 gam nước

được gọi là chất khó tan ( chất không tan).

=> Theo quy ước mang tính chất tương đối trên và dựa vào các giá trị

về tích số tan Hãy nhận xét tính tan của các muối trong dung môi nước.

Nhận xét: Đây là vấn đề mang tỉnh chất định tính cỏ vai trò phục vụ

việc tiếp cận nhiều lỷ thuyết chủ đạo về phản ứng hóa học: phản ứng có xảy ra không, chất nào kết tủa, thứ tự tạo thành sản phẩm, v.v

Trả lời:

Tính tan của các muối có thể ghi nhớ nhanh theo quy tắc sau:

- Các muối nitrat, amoni (trừ NH4CIO4 ít tan), muối của kim loại kiềm(trừ NaHC03 ít tan), muối pemanganat: đều tan

- Các muối nitrit, axetat (trừ (CH3COO)2Hg2, CH3COOAg, và AgN02là íttan): hầu như đều tan

- Các muối sunfat hầu như đều tan (trừ SrS04, BaS04, PbS04, CaS04 và

Ag2S04 là ít tan)

- Các muối halogenua hầu như đều tan (trừ muối của các cation Ag+,

Cu2+, Hgf, Pb2+ ít tan)

^ àtoự j-pÂạnr ttíậi 2 ềuận tíứ nạ/ùêp.

JZ33<B Các muối clorat, peclorat hầu như đều tan (trừ KCIO4, NH4CIO4íttan)

- Muối suníit hầu như đều tan (trừ Ag2S03, BaS03, CaS03 ít tan)

- Muối cacbonat, photphat, oxalat, xianua hầu như không tan (trừ muốicủa amoni và kin loại kiềm tan)

- Muối suníua hầu như đều không tan (trừ muối của kim loại kiềm và

Ba2+, Ca2+, NH; tan)

- Một số muối không tồn tại trong nước ( phản ứng hoàn toàn vớinước): muối cacbonat của kim loại hóa trị III; muối suníiia của kim loại hóatrị III và Mg; muối ancolat; hầu như muối cacbua, nitrua, photphua, hiđruacủa kim loại kiềm, kiềm thổ, Al3+, và Zn2+

Ví du 2; Độ tan của CaS0 4 là 10~ 2,31 (M) Tính độ tan của CaS0 4 theo gã và

số gam chất tan trong 100 gam nước Biết khối lượng riêng của dung dịch

D « 1,00 g/ml.

Nhân xét: Đây là nội dung tương đổi đom, giản nhằm củng cổ định

nghĩa độ tan Độ tan không phải chỉ tỉnh theo một đom vị nhất định.

Trả lời:

142 10"

- Độ tan của CaS04 tính theo g/1 là: s = — - -= 0,70 ( g/I)

- Độ tan của CaS04 tính theo số gam CaS04 tan được trong 100 gam

^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp.

JZ33<B-b) Có 200 gam dung dịch NaCl 11,7% ( dung dịch Ả) ở 25 8 C Phải thêm bao nhiêu gam NaCỈ vào dung dịch A để thu được dung dịch NaCl bão hòa ở 25 g c Biết độ tan của NaCl ở 25 0 C là 35,90 gam.

c) Dung dịch bão hòa CuSC >4 có nồng độ 40% ( ở t Ũ C) Tính độ tan của CuSО4(khan) và CUSỮ 4 5 H 2 O

=> m = 40 Vậy cần thêm 40 gam NaCl

c) Gọi S, M, M lần lượt là độ tan, khối lượng mol của CuS04.5H20 vàC11SO4 ta có:

tfíợtỉ//êft ж>ш/ Ẩbst/t 12

+ ( ): là ký hiệu hoạt độ của các ion, quy ước hoạt độ của chất rắnbằng 1

+ Ks: là tích số tan nhiệt động của kết tủa MmAn (chính là hằng sốcân bằng nhiệt động) Ks phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất củachất hòa tan và dung môi

Để tính độ tan s từ tích số tan Ks, hoặc ngược lại Ta dựa vào sự liên hệgiữa hoạt độ với nồng độ: (Mn+) = [Mn+].fM và (Am ) = [Am'].fA thay vào (1.3)

ta có:

[Mn+]m[AmT = Ks.fM fA = Ks (1.4)Trong đó:

+ Ks : được gọi là tích số tan nồng độ

+ f: là hệ số hoạt độ

Nếu trong dung dịch có lực ion (I), thì công thức tính gần đúng theoDavid của hệ số hoạt độ theo lực ion là:

-lgfi = 0,57:4-^—0,21) (1.5)(Trong đó Zị là điện tích của ion)

Nếu trong dung dịch rất loãng, có nghĩa là các ion có mặt rất ít trongdung dịch Thì lực tương tác giữa các ion là rất nhỏ (I« 0)

^ àtoự j-pÂạnr ttíậi 2 ềuận tíứ nạ/ùêp.

Lưu ý: Với những bài toán có yêu cầu tính toán đơn giản,

trong cân bằng của hợp chất ít tan (hay trong dung dịch loãng nói chung), mộtcách gần đúng ta chấp nhận hệ số hoạt độ bằng 1, tức là việc tính toán tích sốtan nồng độ được coi như áp dụng biểu thức (1.6) Tất nhiên, khi tính toántích số tan nồng độ theo (1.4) thì đề bài thường cho biết hệ số hoạt độ

1.2.2 Bài tập minh họa lý thuyết

Ví du 4:

a) Tỉnh tích số tan của KCIO4 biết ở 25 °c, 100 gam nước hòa tan được 1,80 gam muối này, khối lượng riêng của dung dịch d = 1,011 g/mly M KClo

= 138,56, hệ số hoạt độ của 2 ion đều cỏ giá trị là 0,76.

b) Tính tích số tan của ẢgCl trong dung dịch bão hòa AgCl biết độ tan của AgCl ở 20°c là 1,001.10~ 5 M, hệ số hoạt độ của hai ỉon đều có giá trị là 99,64.10' 2 , fi A gOH = 10' n ’ 7

Nhận xét: Đây là bài toán cơ bản về tính tích sổ tan Đòi hỏi phải vận

dụng chính xác lỷ thuyết và công thức tính tích sổ tan Bài toán yêu cầu tỉnh tích số tan của hai chất có bản chất khác xa nhau, một chất tan nhiều và một chất ít tan Mục đích nhằm cho thấy sự khác nhau giữa giá trị tích sổ tan nồng độ với tích sổ tan nhiệt động đổi với các hợp chất cỏ độ tan khác nhau.

Trả lời:

a) Nồng độ của muối tan:

1,8.1000.1,011

(100+ ,56

xỉ bằng K s f/~ỡ hay f = 1) Do vậy phải chọn các đổi tượng thích hợp với độ tan

không quá lớn nhằm tránh sự phức tạp do phải xét đến lực ion.

1.3 ĐÁNH GIÁ Độ TAN VÀ TÍCH SỐ TAN

1.3.1 Tính tích sổ tan từ đô tan

Để đánh giá tích số tan từ độ tan trong một dung dịch nước bất kỳ, dù cóhay không có các quá trình phụ của các ion tạo ra từ hợp chất ít tan, chúng tacũng nên thực hiện theo các bước cơ bản sau:

+ Mô tả đầy đủ các cân bằng có thể xảy ra trong dung dịch Phân tích đểnhận định cân bằng nào là chính, cân bằng nào là phụ, cân bằng nào có thể bỏqua (để đánh giá mức độ xảy ra của các cân bằng cần căn cứ nhiều dữ kiện: cáchằng số cân bằng, giá trị pH

+ Xác định thành phần giới hạn của hệ

+ Thiết lập biểu thức tính tích số tan tổng quát

+ Biểu diễn nồng độ của các cấu tò theo độ tan và tích số tan

+ Dựa vào các cân bằng, áp dụng các định luật: ĐLTDKL, ĐLBTNĐ,ĐLBTĐT v.v để thực hiện tính toán nồng độ cân bằng của các ion tạo ra từhọp chất ít tan (Với các ion không tham gia vào các quá trình phụ, có thể tínhtrực tiếp nồng độ cân bằng từ độ tan)

Lưu v: Thưởng những bài toán đơn giản sẽ cho chấp nhận lực ion I = 0,tức là hệ số hoạt độ f = 1 Trong trường hợp bài có cho I và f các giá trị xác địnhthì trong biểu thức của các hằng số phải tính theo hoạt độ

Vỉ dụ 5: Tính tích số tan của BaSO 4 , Biết rằng trong dung dịch HCl 0,2M, độ tan của BaS0 4 là 3.10~ 5 M Cho biết K a( HSO 4 ) = iO' 2

Nhân xét:

Trong bài này cần xác đinh các loại cân bằng và lựa chọn cân bằng phù hợp để tỉnh nồng độ các ion Lưu ỷ rằng, khi xét độ tan của các muối ỉt

^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp.

JZ33<B-tan trong dung dịch axỉt mạnh (với nồng độ không quá nhỏ) thì sẽ không

có quả trình tạo phức hiđroxo của ỉon kim loại.

^ àtoự j-pÂạnr ttíậi 2 ềuận tíứ nạ/ùêp.

JZ33<B-X 2 - 0,21003x + 6.10’ 6= 0 Giải phương trình này được nghiệm phù hợp: X =

2,587.10'5

-> [SOỉ"] = 3.10'5- 2,857.10‘5 = 1,43.10‘6(M)

=>Như vậy 2 cách giải cho cùng một kết quả Tùy điều kiện bài toán mà

ta có thể giải theo hệ thống hoặc giải gần đúng có kiểm tra điều kiện gần đúnghợp lý

* Môt số dang toán tính tích số tan từ đô tan

+ Chỉ xét quá trình phụ của riêng gốc axit hoặc cation kim loại

+ Xét đồng thòi quá trình phụ của cả gốc axit và catiion kim loại

1.3.2 Tính tích sổ tan từ thế điện cực và sức điện động của pin

Trong nhiều trường hợp, bài tập liên quan đến hợp chất ít tan cho các dữkiện về thế điện cực và sức điện động của pin tương ứng

* Điện cực : Thường chỉ đề cập tới một loại điện cực là hệ gồm một kim

loại tiếp xúc với hợp chất khó tan của chính kim loại đó (điện cực loại 2)

Gíạaựên 18

+ Chú v: Giá trị E° là thế điện cực tiêu chuẩn đo được khi nồng độ các

cấu tử bằng 1,0 mol/1, với chất khí thì áp suất riêng phần là 1,0 atm Nếu chấtkhử tham gia phản ứng tạo kết tủa thì phương trình trở thành:

Tính tích số tan của AgCl

Nhân xét: Dạng toán này yêu cầu tự thiết lập một loại pin với nồng độ

các chất lấy tùy ỷ Qua giả trị thế điện cực của các cặp oxỉ hóa - khử đã cho, và dựa vào thực nghiệm đo sức điện động của pin, từ đó xác định được tích sổ tan của hợp chất ít tan tiếp xúc với điện cực kim loại.

^ àtoự j-pÂạnr ttíậi 2 ềuận tíứ nạ/ùêp.

1.3.3 Tính đô tan từ tích sổ tan

Đây là bài toán ngược lại, rất phổ biến và có ý nghĩa thực tế Tính độ tan

từ tích số tan được thực hiện ngược lại với việc tính tích số tan từ độ tan Trongtrường hợp tổng quát, việc tính toán độ tan khá phức tạp, vì cân bằng của hợpchất ít tan thường kèm theo quá trình phụ, trong số đó có quá trình tạo phứchiđroxo và sự tạo phức phụ của ion kim loại, sự proton hóa của anion tạo ra từhợp chất ít tan Các phép tính chỉ đơn giản khi có thể bỏ quá trình phụ hoặc khi