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

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 • • • • Chuyên ngành: Hốa Phân Tích Người hướng dẫn khoa học ThS. NGUYỄN THỊ THANH MAI HÀ NÔI – 2011 MỞ ĐẦU 1 JZ33<B- 1. LÝ DO CHON ĐÈ TÀI Trong Hóa Học, phản ứng tạo thành các hợp chất ít tan (tạo thành kết tủa) luôn đóng một vai trò rất lớn. Nó chiếm vị trí đặc biệt quan trọng đối với chương trình Hóa Học Phân tích ở trường Đại Học - Cao Đẳng, cũng như với chương trình Hóa Học phổ thông. Ở chương trình Hóa Học Phân Tích, phản ứng tạo thành kết tủa thường được 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: Cân bằng Axit - Bazơ, cân bằng tạo phức, cân bằng Oxi hóa - khử. Để hiểu và lí giải chính xác được các hiện tượng Hóa Học, cần xem xét toàn diện tất cả các quá trình 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, khi học sinh được làm quen với loại phản ứng tạo thành kết tủa, thì chương trình Hóa 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 số lượng lớn các bài tập liên quan tới các hiện tượng Hóa Học; Các bài tập liên quan tới tách, loại bỏ các chất; Các bài tập liên quan tới tính toán định lượng lượng kết tủa; Liên quan tới nồng độ V.V CÓ thể nói, phản ứng tạo thành kết tủa rất thiết thực với chương trình Hóa Học phổ thông. Nó cũng là nội dung có thể tiến hành thực nghiệm, do vậy dễ dàng áp dụng được phương pháp trực quan 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 sẽ trang bị cho học sinh phương pháp, kỹ năng giải các bài toán tổng hợp về phản ứng ion một cách hệ thống và chính xác. Mặc dù vậy, tuy chiếm một vị trí quan trọng đối với chương trình Hóa Học, nhưng trong thực tế do thời gian phân phối cho chương trình quá ít, nên nội dung kiến thức này còn chưa được mở rộng. Lượng bài tập vận dụng và nâng cao còn ^ àtoự j-pÂạnr ttíậi2 ềuận tíứ nạ/ùêp. Gíạaựên 3fíuự<£inA 2 JZ33<B- nghèo nàn, nội dung bài tập còn nặng về minh họa cho lý thuyết cơ bản, thiếu sự liên hệ, kết hợp với kiến thức về các loại phản ứng khác. Trong các 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 hệ thống và toàn diện. Muốn hiểu được sâu sắc và có thể học tập tốt kiến thức về phản ứng tạo thành kết tủa, thì việc phân loại các dạng bài tập cụ thể, cũng như xây dựng tiêu chí, cấu trúc cho từng dạng bài tập và xác định phương pháp giải tổng quát cho mồi 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 “ PHÂ N LOẠI V À PHƯƠN G PHÁP GIẢ I CÁC BÀI TOÁN VỀ Đ I ỀU KI Ệ N Đ Ể 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 hiệu quả cho các bạn sinh viên về chuyên ngành Hóa Học Phân Tích. Đồng thòi cũng mong muốn góp phần nâng cao chất lượng dạy và học nội dung về phản ứng 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 và tạo 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 j-pÂạnr ttíậi 2 ềuận tíứ nạ/ùêp. 3 JZ33<B- Phân loại các bài toán thường gặp về điều kiện để kết tủa xảy ra dựa trên các tiêu chí vừa xây dựng. Vận dụng lý thuyết cơ bản về phản ứng tạo thành hợp chất ít tan để đề xuất phương pháp giải tổng quát, đồng thời tiến hành giải một số bài toán điển hình. Làm quen với công tác nghiên cứu khoa học. 3. NHIÊM VU NGHIÊN cứu • • Tóm tắt các lý thuyết đơn giản và cơ bản nhất về phản ứng tạo thành hợp chất ít tan trong dung dịch điện ly, về điều kiện để kết tủa xảy ra. Tổng hợp và phân loại các bài tập về phản ứng tạo thành kết tủa ra các dạng cơ bản. Từ đó vận dụng lý thuyết chủ đạo để đưa ra phương pháp giải tổng quát cho các dạng bài toán này. Thực hiện giải chi tiết một số bài toán điển hình có liên quan trong chương trình Hóa Học. Đề xuất một số bài toán tương tự có tính chất vận dụng, nâng cao ( kèm theo gợi ý cách giải và đáp số). 4. ĐỐI TƯƠNG VÀ PHAM VI NGHIÊN cứu • • Cơ sở lý thuyết về điều kiện để kết tủa xảy ra, về phản ứng tạo thành các hợp chất ít tan trong dung dịch điện ly. Một số bài tập cơ bản điển hình thường gặp về điều kiện để kết tủa xảy ra được tổng hợp từ các giáo trình, sách giáo khoa và tài liệu hiện hành. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu Nghiên cứu lý thuyết chung về phản ứng tạo thành hợp chất ít tan và điều kiện 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. Và nghiên cứu mối quan hệ giữa các loại phản ứng khác nhau có liên quan đến phản ứng tạo thành kết tủa. ^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp. Gíạaựên 4 JZ33<B- Điều tra, ứiu ứiập và tổng hợp các tài liệu có liên quan đến phản ứng tạo thành kết tủa qua hệ thống giáo trình, sách giáo khoa và tài liệu Hóa Học hiện hành. 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 tổng quát cho các dạng bài tập về điều kiện để kết tủa xảy ra. ^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp. Gíạaựên 5 JZ33<B- 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 D Ị CH CHƯA B Ã O HÒ A : 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%, ở nhiệt độ t°c (dung dịch A), thấy NaCl tan hết. Như vậy A là dung dịch chưa bão 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 M m A n trong nước thì các ion M n+ , A m ‘, các phần tử cấu trúc mạng lưới tinh thể chất điện ly, sẽ bị hiđrat hóa và chuyển vào dung dịch dưới dạng phức chất aqua [M(H 2 0)x] n+ và [A(H 2 0)y] m \ Khi hoạt độ của các ion [M(H 2 0) x ] n+ và [A(H 2 0)y] m ‘ trong dung dịch tăng lên đến một mức độ nào đó thì xảy ra quá trình ngược lại, có nghĩa là một số ion hiđrat hóa sẽ kết tủa trở lại trên bề mặt tinh thể. Đến một thòi điểm nào đó thì tốc độ quá trình thuận ( quá trình hòa tan chất rắn) bằng tốc độ quá trình nghịch ( quá trình các ion kết tủa), tức là cân bằng đã được thiết lập giữa pha rắn và pha dung dịch bão hòa ( nói cách khác: quá trình hòa tan chất điện ly ít tan đạt tới trạng thái cân bằng). ^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp. tfíợtỉ//êft ж>ш/ Ẩbst/t 6 JZ33<B- M m A n ị (mx + ny) H 2 0 / m [M(H 2 0) x ] n+ + n [A(H 2 0)y] m (1.1) ( Pha rắn) ( dung dịch bão hòa) Khi hệ đạt trạng thái cân bằng được mô tả ở (1.1), lúc đó ta thu được một dung dịch bão hòa, là dung dịch chứa một lượng chất tan nhất định,lượng chất tan đó được gọi là độ tan ( ký hiệu là S). Độ tan s có thể được biểu diễn bằng các đơn vị khác nhau: g/100g dung môi; g/1; mol/1 hoặc theo một đơn vị khác. * 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 các họp chất ít tan trong cân bằng ion. * Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tan - BẢ N CH Ấ T CỦ A CHẤT TAN .{ các chất tan khác nhau có độ tan không giống nhau). Ví du: Độ tan s ( tính theo g/100g H 2 0) của một vài chất trong nước ở 20°C: Chất : Cal 2 ; NaCl; H3PO4; CaC0 3 ; Agi Độ tan S: 209,0 36,0 5,0 0,0013 0,00000013 - Bản chất của dung môi. Ví du: Độ tan của KI (theo % khối lượng) trong các dung môi khác nhau ở 20 °C: ^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp. tfíợtỉ//êft ж>ш/ Ẩbst/t 7 JZ33<B- Dung môi: H 2 0; NH 3 (ioãng); CH3OH; CH3COCH3; CH 3 N0 2 ; CH 3 COOC 2 H 5 Độ tan (S): 59,8 64,5 14,97 1,302 0,307 0,00012 - 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. JZ33<B- 1 ^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp. tfíợtỉ//êft ж>ш/ Ẩbst/t 8 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 NaHC0 3 ít tan), muối pemanganat: đều tan. - Các muối nitrit, axetat (trừ (CH 3 COO) 2 Hg2, CH 3 COOAg, và AgN0 2 là ít tan): hầu như đều tan. - Các muối sunfat hầu như đều tan (trừ SrS0 4 , BaS0 4 , PbS0 4 , CaS0 4 và Ag 2 S0 4 là ít tan). Các muối halogenua hầu như đều tan (trừ muối của các cation Ag + , Cu 2+ , Hgf, Pb 2+ ít tan). ^ àtoự Фаi Aœe ắr pAạnr ж ж?/ ^ ềuận tíứ nạ/ùêp. tfíợtỉ//êft ж>ш/ Ẩbst/t 9 JZ33<B- - Các muối clorat, peclorat hầu như đều tan (trừ KCIO4, NH4CIO4 ít tan). - Muối suníit hầu như đều tan (trừ Ag 2 S0 3 , BaS0 3 , CaS0 3 ít tan). - Muối cacbonat, photphat, oxalat, xianua hầu như không tan (trừ muối của amoni và kin loại kiềm tan). - Muối suníua hầu như đều không tan (trừ muối của kim loại kiềm và Ba 2+ , Ca 2+ , NH; tan). - Một số muối không tồn tại trong nước ( phản ứng hoàn toàn với nước): muối cacbonat của kim loại hóa trị III; muối suníiia của kim loại hóa trị III và Mg; muối ancolat; hầu như muối cacbua, nitrua, photphua, hiđrua của kim loại kiềm, kiềm thổ, Al 3+ , và Zn 2+ . 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 CaS0 4 tính theo g/1 là: s = — = 0,70 ( g/I). - Độ tan của CaS0 4 tính theo số gam CaS0 4 tan được trong 100 gam A c _ 142.10' 1AA _ . , , nước: s = 1 00 =(g). 1000.1- Ví du 3: a) Độ tan của NaCỈ ở 25 ° с là 35,90 gam. Tính nồng độ phần trăm của dung dịch NaCl bão hòa ^ àtoự j-pÂạnr ttíậi 2 ềuận tíứ nạ/ùêp. 10 JZ33<B- [...]... tài liệu liên quan đến bài toán về điều kiện để có kết tủa xảy ra, và tiến hành giải các bài toán này Qua quá trình tìm tòi, tổng hợp và nghiên cứu, tôi đã phân loại được một số dạng bài tập cơ bản về điều kiện để kết tủa xảy ra, như sau: 2.1 2.1.1 ĐIỀU KIỆN KẾT TỦA TỪ DUNG DỊCH QUÁ BÃO HÒA Bài tập minh họa lý thuyết Loai 1: Dạng bài tập liên quan đến lý thuyết điều kiện kết tủa từ dung dịch quá bão... hưởng đến độ tan của kết tủa > Ảnh hưởng của các chất tạo phức Các chất tạo phức có mặt trong dung dịch có thể làm hạn chế hoặc ngăn cản quá trình kết tủa do sự tạo phức với ion kim loại Tính chất này cũng được dùng để che các ion cản trở CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TOÁN VỀ ĐIỀU KIÊN ĐẺ KẾT TỦA XẢY RA • ^ àtoự j-pÂạnr ttíậi 28 ềuận tíứ nạ/ùêp Để thực hiện nội dung... > = 1,6.10 5 Kết luân: Kết tủa PbCl2 có ứiể xuất hiện 1.4.2 Sư kết tủa hoàn toàn Để tách một ion nào đó ra khỏi dung dịch, người ta có thể dùng nhiều cách khác nhau như: phương pháp cho thuốc thử tạo kết tủa với ion cần tách, phương pháp điện phân, phương pháp trao đổi ion,v.v Nhưng chủ yếu đề cập tới phương pháp chọn thuốc thử thích họp để tách ion ra dưới dạng kết tủa Phép tách kết tủa được coi là... phụ thuộc vào quan hệ nồng độ của hai ion có mặt và quan hệ giữa tích số tan gai kết tủa tạo thành giữa các ion này với thuốc thử - Thuốc thử dư phản ứng với kết tủa: Thuốc thử dư phản ứng với kết tủa sẽ làm tăng độ tan của kết tủa Điều này xảy ra khi ion kim loại tạo được phức chất tan với thuốc thử (trong đó có phức hiđroxo) Ta thường gặp các trường hợp cụ thể sau: + Kết tủa các ion kim loại tạo hiđroxit... làm kết tủa là tối ưu, nghĩa là lượng ion còn lại sau kết tủa là bé nhất sẽ xảy ra khi ta chọn tỉ lệ thể tích thuốc thử và thể tích dung dịch chứa ion bị kết tủa theo đúng tỉ lệ hệ số hợp thức trong phương trình phản ứng tạo kết tủa - Thuốc thử ỉàm kết tủa được một số ỉon Sự kết tủa phân đoạn: • ••1ĩ ^ àtoự j-pÂạnr ttíậi 27 ềuận tíứ nạ/ùêp Trong trường họp cùng một thuốc thử có thể tạo được kết tủa. .. phức 1.4 ĐIỀU KIỆN ĐẺ KẾT TỦA XẢY RA 1.4.1 Sự kết tủa các chất ít tan từ dung dịch quá bão hòa Điều kiện cần thiết để có kết tủa xuất hiện là phải tạo được dung dịch quá bão hòa, tức là tích số ion phải vượt quá tích số tan Chú ý rằng biểu thức tích số ion cũng đồng nhất với biểu thức tích số tan, nhưng thay cho nồng độ cân bằng phải dùng nồng độ các cấu tử trước khi xảy ra quá trình kết tủa Ví dụ... s = 3.10"5 Ta có phương trình bậc 2 sau: 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 đúng hợp lý 1 Tính E\, E\ và Ks: Có thể tính theo tổ hợp cân bằng qua các phản ứng hoặc... Ặ C điểm B À I toán: Nội dung dạng bài tập này hay hỏi về một số vấn đề lý thuyết cơ bản và quan trọng của điều kiện xuất hiện kết tủa từ dung dịch quá bão hòa: Xác định biểu thức tích số ion, so sánh tích số ion với tích số tan, nhận xét quá trình trộn hai dung dịch chứa ion của hợp chất ít tan có tạo kết tủa hay không, v.v * P H Ư Ơ N G pháp giải: Nắm vững bản chất điều kiện kết tủa Xác định lại... của các ion tạo ra hợp chất ít tan trong dung dịch sau Việc xác định lại nồng độ ban đầu có thể tính được trực tiếp, cũng có thể phải tính thông qua các cân bằng khác của hệ Cuối cùng xác định biểu thức tích số ion rồi so sánh với tích số tan để đưa ra kết luận Môt số ví du: Ví du 1.1: Cho các chất: BaS04, А1(ОН)з, Са3(Р04)2 Viết các biểu thức điều kiện để xuất hiện kết tủa của các chất trên Giải. .. tíứ nạ/ùêp Đây là dạng bài toán đơn giản nhất, chỉ cần vận dụng chính xác biểu thức của điều kiện kết tủa - Để có kết tủa BaSƠ4 thì : C 2+ N _ > J3â lJWị - Để có kết tủa Al(OH)3 thì: — \- -‘ì* > ; ) - Để có kết tủa Ca3(P04)2 thì: cl 2t N L _ > j, Ca '-'4 —3 x 4/2/ Lưu ý: Khi phải tính chính xác tích số tan của Al(OH) 3, Ca3(P04)2 cần phải xét đến quá trình proton hóa của Al3+ và PO4“ Ví du 1.2: Trộn . 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 tổng quát cho các dạng bài tập về điều kiện để kết tủa xảy ra. ^. điện ly, về điều kiện để kết tủa xảy ra. Tổng hợp và phân loại các bài tập về phản ứng tạo thành kết tủa ra các dạng cơ bản. Từ đó vận dụng lý thuyết chủ đạo để đưa ra phương pháp giải tổng. lý thuyết chung về phản ứng tạo thành hợp chất ít tan và tạo 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 j-pÂạnr