Bộ đề luyện thi đại học môn hóa

A.§Æt vÊn ®Ò I. Lêi Më §Çu: HÇu hÕt c¸c ph¶n øng ho¸ häc diÔn ra trong dung dÞch vµ m«i trêng cã ¶nh hëng rÊt nhiÒu tíi kh¶ n¨ng tham gia ph¶n øng cña c¸c chÊt. Lo¹i bµi tËp tÝnh pH lu«n lµ cÇn thiÕt trong viÖc x¸c ®Þnh ®Þnh lîng tÝnh axit, baz¬ cña dung dÞch. §©y lµ d¹ng bµi tËp khã, ®a d¹ng vµ häc sinh thêng lóng tóng khi gÆp chóng. Trong c¸c ®Ò thi ®¹i häc cao ®¼ng, ®Ò thi häc sinh giái nh÷ng n¨m gÇn ®©y, c¸c bµi tËp tÝnh pH thêng xuyªn xuÊt hiÖn, ®Æc biÖt lµ ®Ò thi häc sinh giái gi¶i to¸n b»ng m¸y tÝnh casio m«n ho¸ häc trong 2 n¨m 2008-2009,2009-2010 lu«n xuÊt hiÖn c¸c bµi tËp vÒ pH. ChÝnh v× vËy d¹ng bµi tËp nµy cÇn ®îc ®a thµnh mét chuyªn ®Ò «n luyÖn quan träng båi dìng cho häc sinh kh¸ giái. Gi¸o viªn båi dìng häc sinh cÇn ph¶i cã mét hÖ thèng c¸c kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ phÇn pH, su tËp c¸c d¹ng bµi tËp phong phó phï hîp víi kiÕn thøc phæ th«ng . T«i chän ®Ò tµi ‘Sö dông c¸c bµi tËp pH trong c©n b»ng axÝt- baz¬ båi dìng häc sinh kh¸ giái’ ®Ó nghiªn cøu nh»m môc ®Ých lµm c¬ së cho b¶n th©n trong gi¶ng d¹y häc sinh vµ n©ng cao chÊt häc tËp trong thêi gian tíi. II. Thùc tr¹ng: MÆc dï ®· xuÊt hiÖn nhiÒu trong c¸c ®Ò thi tuy nhiªn khi gÆp c¸c bµi tËp vÒ pH th× häc sinh thêng lóng tóng kh«ng ®Þnh h×nh ®îc c¸ch gi¶i. Häc sinh kh«ng ph©n lo¹i c¸c bµi tËp thuéc ®¹ng nµo vµ ph¶i ¸p dông nh÷ng kiÕn thøc vµ ®Þnh luËt nµo ®Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò, ngoµi ra viÖc tù nghiªn cøu tµi liÖu vµ suy lu©nj cña häc sinh ®ang cßn h¹n chÕ häc sinh. Nh÷ng tån t¹i vµ h¹n chÕ trªn cña häc sinh lµ do sù tiÕp cËn c¸c vÊn ®Ò vÒ pH trong dung dÞch c¸c chÊt ®iÖn ly cha v÷ng vµ cha hîp lý kh«ng biÕt c¸c d¹ng bµi tËp m×nh ®ang xö lý thuéc d¹ng nµo. V× vËy häc sinh thêng kh«ng biÕt ph¶i ¸p dông nh÷ng kiÕn thøc nµo ®Ó vËn dông. Tõ nh÷ng vÊn ®Ò nªu trªn ®Ó c«ng t¸c gi¶ng d¹y ®¹t hiÖu qu¶ cao ®¸p øng xu híng ®æi míi cña gi¸o dôc trong thêi ®¹i ®æ míi. T«i m¹nh d¹n ®æi míi ph¬ng ph¸p gi¶ng day häc sinh kh¸ giái vÒ c¸c bµi tËp pH “ Sö dông c¸c bµi tËp pH trong c©n b»ng axÝt- ba z¬ båi dìng häc sinh kh¸ giái” B. Gi¶i quyÕt vÊn ®Ò: I. C¸c gi¶i ph¸p thùc hiÖn : T«i yªu cÇu häc sinh n¾m v÷ng kiÕn thøc vÒ dung dÞch chÊt ®iÖn ly nh chÊt ®iÖn ly, sù ®iÖn ly, ph¬ng tr×nh ®iÖn ly, h»ng sè axÝt-ba z¬ ,tÝch sè ion cña níc… 1 Sau ®ã häc sinh n¾m c«ng thøc tÝnh PH, c¸c ®Þnh luËt ¸p dông tÝnh pH ( ®Þnh luËt b¶o toµn nång ®é ban ®Çu, ®Þnh luËt b¶o toµn ®iÖn tÝch, ®Þnh luËt b¶o toµn proton. C¸c d¹ng bµi tËp vÒ pH trong c©n b»ng axÝt nh sau. PhÇn 1: pH vµ c¸c ®Þnh luËt tÝnh pH PhÇn 2: C¸c d¹ng bµi tËp thêng gÆp. D¹ng 1: AxÝt m¹nh, D¹ng 2: Ba z¬ m¹nh. D¹ng 3: §¬n a xÝt yÕu. D¹ng 4: §¬n ba z¬ yÕu. D¹ng 5:Hçn hîp c¸c axÝt vµ ®¬n ba z¬. i.1 : pH vµ c¸c ®Þnh luËt ¸p dông tÝnh pH I.1.1: pH C«ng thøc tÝnh: pH = -lg (H+ ) (H+ ) chØ sè ho¹t ®é cña ion hi®r« Trong dung dÞch lo·ng pH = -lg[H+] Tõ c©n b»ng . H2O ƒ H+ + HO- Kw = 10-14 ⇒ pH + pOH = 14 I.1.2. C¸c ®Þnh luËt ¸p dông tÝnh pH I.1.2.1. §Þnh luËt b¶o toµn nång ®é: Nång ®é ban ®Çu cña 1 cÊu tö b»ng tæng nång ®é c©n b»ng cña c¸c d¹ng tån t¹i cña cÊu tö cã mÆt trong dung dÞch. I.1.2.2. §Þnh luËt b¶o toµn ®iÖn tÝch: Dùa trªn nguyªn t¾c dung dÞch cã tÝnh trung hoµ ®iÖn. Tæng ®iÖn tÝch ©m cña c¸c anion ph¶i b»ng tæng ®iÖn tÝch d¬ng cña c¸c cation. I.1.2.3. §Þnh luËt t¸c dông khèi lîng: aA + bB ƒ cC + dD kc = [ C ] [ D ] ë ®©y xÐt ho¹t ®é c¸c ion b»ng 1 a b [ AluËt ] [ Bb¶o ] toµn proton (®iÒu kiÖn proton): I.1.2.4. §Þnh c d NÕu ta chän mét tr¹ng th¸i nµo cña dd lµm chuÈn (møc kh«ng) th× tæng nång ®é proton mµ c¸c cÊu tö ë møc kh«ng gi¶i phãng ra b»ng tæng nång ®é proton mµ c¸c cÊu tö thu vµo ®Ó ®¹t ®Õn tr¹ng th¸i c©n b»ng. 2 VD: Dung dÞch CH3COONa C1mol/l vµ NaOHC2 mol/l NaOH → Na+ + OHC2 CH3 COONa → CH3COO- + Na+ Møc kh«ng: CH3COO-(C1), H2O H2O ƒ CH3COO- + H+ ƒ H+ + OH- Kw CH3COOH Ka-1 [H+] = ([OH-] - C2) - [CH3COO-] I,2. C¸c d¹ng bµi tËp : I.2.1. axit m¹nh: Axit m¹nh (kÝ hiÖu HY) nhêng hoµn toµn proton cho níc. HY + H2O → H3O+ + Y- (I-1). trong dung dÞch [HY] ≈ 0 vµ [Y-] = CHY. C¸c axit m¹nh thêng gÆp lµ: HCl; HBr; HI; HSCN; HClO 3; HBrO3; HNO3 (nÊc 1); HClO4, HMnO4, v.v... C©n b»ng (I-1) thêng ®îc viÕt ë d¹ng ®¬n gi¶n: HY → H+ + Y- (I-2) Trong dung dÞch níc ngoµi qu¸ tr×nh (I-2) cßn cã qu¸ tr×nh ph©n li cña níc. ƒ H2O H+ + OH(I-3) Nh vËy cã 2 qu¸ tr×nh cho proton vµ ph¬ng tr×nh ddk proton cã d¹ng: [H+] = [OH-] + [Y-] (I-4) hoÆc: [H+] = [OH-] + CHY (I-5) Sù cã mÆt cña ion H+ do HY ph©n li ra lµm chuyÓn dÞch c©n b»ng (I-3) sang tr¸i vµ [OH-] < 10-7. V× vËy, trong trêng hîp CHY >> 10-7 th× cã thÓ coi. [H+] = CHY (I-6) nghÜa lµ, trong dung dÞch sù ph©n li cña HY lµ chiÕm u thÕ cßn sù ph©n li cña H2O xÈy ra kh«ng ®¸ng kÓ. I.2.1.1. TÝnh pH, pOH vµ  H +  , OH −  ,cña dung dÞch HCl 1,0.10-3M. HCl → H+ + Cl- 1,0.10-3 H2O ƒ H+ + OHCHCl >> 10-7 vËy [H+] = CHCl = 1,0 . 10-3 → pH = -lg (1.10-3) = 3,0. pOH = 14,0 - 3,0 = 11,0 → [OH-] = 1,0 . 10-11M. 3 I.2.1.2: Trén 200ml dung dÞch HCl cã pH = 2,0 víi 300ml HNO 3 cã pH = 3,0. TÝnh pH cña dung dÞch thu ®îc. Dung dÞch gèc: Sau khi trén: CoHCl = 10-pH = 1,0 . 10-2; CoHNO3 = 10-pH = 1,0. 10-3 VoHCl = 200ml; VoHNO3 = 300ml. C HCl 1.10 −2.200 = = 4,0.10 − 3 500 C HNO3 1.10 −3.300 = = 6,0.10 − 4 500 HCl → H+ + Cl– HNO3 → H+ + NO3− H2O ƒ H+ - OH– Bëi v× CHCl, C HNO3 >> 10-7 nªn cã thÓ kh«ng cÇn kÓ ®Õn sù ph©n li cña níc. ®k proton: [H+] = [Cl–] + NO3− = CHCl + C HNO3 = 4.10-3 + 6.10-4 = 4,6 .10-3. pH = -lg(4,6.10-3 ) = 2,33. Chó ý:Trong trêng hîp CHY ≈ 10-7 th× ph¶i kÓ ®Õn sù ph©n li cña níc vµ phÐp tÝnh ®îc thùc hiÖn ®¬n gi¶n theo c©n b»ng ph©n li cña H2O. I.2.1.3: Nhá 1 giät HCl 3,4 .10-3 M vµo 300,00 ml níc. TÝnh pH cña dung dÞch, biÕt thÓ tÝch cña 1 giät lµ 0,03ml. C HCl 3,4.10 −3.0,03 = = 3,4.10 − 7 M . 300,03 V× CHCl kh«ng lín h¬n nhiÒu so víi 10-7 nªn cÇn ph¶i kÓ ®Õn sù ph©n li cña H2O. HCl → H+ + Cl– 3,4.10-7 H2 O ƒ H+ + OH KW =10-14 C 3,4.10-7 [] (3,4 .10-7 + x) x. Theo ®Þnh luËt t¸c dông khèi lîng ta cã: x (3,4.10-7 + x) = 1,0 .10-14 x2 + 3,4 .10-7 x - 1,0 . 10-14 = 0. –8 – ⇒ x = 2,72 .10 vµ [OH ] = x = 2,72 . 10-8. [H+] = 10–14/2,72 . 10-8 = 3,67 .10-7 ⇒ pH = 6,43. I.2.2. baz¬ m¹nh. C¸c baz¬ m¹nh thêng gÆp: LiOH; NaOH; KOH; RbOH; CsOH; FrOH; Ca(OH)2; Sr(OH)2; Ba(OH)2 (nÊc 1). 4 Trong dung dÞch baz¬ m¹nh XOH cã c¸c qu¸ tr×nh: - C©n b»ng ion ho¸ cña níc. H2O ƒ H+ + OH- C©n b»ng th©u proton cña XOH: (I-7) XOH + H+ → X+ + H2O (I-8). XOH + H2O → X+ (H2O) + OH– (I-9). Mét c¸ch ®¬n gi¶n cã thÓ viÕt c¸c qu¸ tr×nh xÈy ra trong dung dÞch baz¬ m¹nh: XOH → X+ + OH– (I-10). H2O ƒ H+ + OH- (I-11). §iÒu kiÖn proton: [H+] = [OH–] - C X + = [OH–] - CXOH (I-12). hoÆc [OH–] = [H+] + CXOH (I-13). ë ®©y do sù cã mÆt cña OH– gi¶i phãng ra tõ (I-10) mµ c©n b»ng ph©n li cña níc (I-11) chuyÓn dÞch sang tr¸i vµ [H+] > 10-7 th×. [OH–] = CXOH nghÜa lµ nång ®é OH– trong dung dÞch b»ng nång ®é cña baz¬ m¹nh. I.2.2.1:TÝnh [H+], [OH–], pH cña dung dÞch NaOH 1,0 . 10-4M NaOH → Na+ + OH– 1.10-4 H+ + OH– H2O ƒ CNaOH >> 10-7 nªn: [OH–] = CXOH = 1,0.10-4. [H+] = Kw/ [OH–] = 10-14/1,0 . 10-4 pH = -1g 1,0 . 10-10 = 10,0. Trong trêng hîp CXOH ≈ 10-7 th× ph¶i kÓ ®Õn sù ph©n li cña H 2O nh ®èi víi trêng hîp axit m¹nh. I.2.2.2:TÝnh [H+], [OH–], pH cña dung dÞch thu ®îc khi thªm 20,10ml dung dÞch NaOH 1,00 .10-3M vµo 80,00ml dung dÞch HCl 2,50 . 10-4M. Sau khi trén: C NaOH C HCl Ph¶n øng HCl 1,00.10 −3.20,10 = = 2,008.10 − 4 M 100,10 2,50.10 −4.80,00 = = 1,998.10 − 4 M 100,10 + 1,998. 10-4 NaOH → 2,008.10-4 1,01.10-4 NaCl + H2O 5 Thµnh phÇn giíi h¹n: NaOH 1,00.10-6 , H2O. NaOH → C¸c qu¸ tr×nh: Na+ + OH– 1,00.106 ƒ H2O H+ + OH– KW = 10-14 C 1.10-6 [] x 1.10-6 +x Theo ®Þnh luËt t¸c dông khèi lîng: x (1.10-6 + x) = 10-14 ⇒ x = 9,90 . 10-9. ⇒ [H+] = 9,90.10-9 M; [OH–] = 1,01 . 10-6M; pH = 8,00. I.2.3.§¬n AXit yÕu. C¸c axit yÕu ph©n ly mét phÇn vµ dung dÞch cã ph¶n øng axit. §é m¹nh cña c¸c axit ®îc ®Æc trng b»ng h»ng sè ph©n li axit K a hoÆc chØ sè h»ng sè ph©n li pK a = -lgKa. DÜ nhiªn Ka cµng lín hay pKa cµng bÐ th× axit cµng m¹nh. C¸c axit yÕu cã thÓ tån t¹i ë d¹ng ph©n tö, cation, hoÆc anion. VÝ dô: ƒ Ph©n tö: HCN H+ + CN– Ka = 10-9,35; pKa = 9,35. cation: NH 4+ anion: HSO4− ƒ ƒ H+ + NH3 Ka = 10-9,24; pKa = 9,24. H+ + SO42 − Ka = 10-1,99; pKa = 1,99. Trong trêng hîp tæng qu¸t trong dung dÞch axit HA cã c¸c qu¸ tr×nh sau: ƒ H2O H+ - OH– KW (I-15). ƒ HA H+ + A– Ka (I-16). Theo ®Þnh luËt td khèi lîng ¸p dông ta cã: [ H + ][ A− ] = Ka HA (coi fi = 1) hay [H+] [A–] = Ka [HA] TÝch sè ion cña hai qu¸ tr×nh [H+] [OH–] = KW [H+] [A–] = Ka[HA] ≈ KaCHA (I-17). (I-18). (I-19). (I-20). NÕu KW > KW, vËy c©n b»ng (2) lµ chñ yÕu: ƒ HCOOH H+ + HCOO– Ka = 1,78 . 10-4. C 0,10 [] 0,10 – x x x x2 = 1,78.10 − 4 0,10 − x Gi¶ sö: x Ka2C2(10-10,24) > KW nªn cã thÓ tÝnh [H+] theo (2): CH3COOH CH3COO– + H+ 10-4,76. C 0,010 [] 0,010 - x x x x2 = 10−4,76 ⇒ x = 10−3,38 = 4,17.10−4 M 0, 010 − x [H+] = 4,17 . 10-4 ⇒ pH = 3,38. Tõ c©n b»ng (3): [NH3] = 10-9,24 . 0,1 = 10 − 6,86 > Kb2C2 >> KW th× phÐp tÝnh ®îc thùc hiÖn theo c©n b»ng (I-57) NÕu Kb1C1 ≈ Kb2C2 >> Kw th× ph¶i tÝnh theo ph¬ng tr×nh §KP: [H+] = [OH–] - [HA1] - [HA2] vµ víi gi¸ trÞ tÝnh gÇn ®óng: (I-59). [H+] = Kw 1 + K a−11[ A1− ] + K a−22 [ A2− ] [H+] = Kw K a−11C1 + K a−22C2 (I-60) (I-61) I.2.5.4.1: TÝnh pH cña dung dÞch NH3 C1 = 0,100M vµ natri axetat NaAx C 2 = 0,100M. NaAx → Na+ + Ax– H2O NH3 + H2O Ax– + H2O Kb1C1 >> Kb2C2 >> KW. Tõ (2) ta tÝnh ®îc: H+ + OH– H+ + OH– HAx + OH– Kw = 10-14 Kb1 = 10-4,76 Kb2 = 10-9,24 (1) (2) (3) [OH–] = 10-2,88 = 1,32 . 10-3M [H+] = 7,58 . 10-12 M, pH = 11,12. I.2.5.4.2: TÝnh pH cña dung dÞch KCN C 1 = 0,100M (pKa1 = 9,35) vµ NH3 0,100M (pKa2 = 9,24). KCN C2 = → K+ + CN– CN– + H2O HCN + OH– NH3 + H2O NH+4 + OH– H2O H+ + OH– Kb1C1 >> Kb2C2 >> KW. ¸p dông (II - 72) Kb1 = 10-4,65 Kb2 = 10-4,76 KW = 10-14 (1) (2) (3) −14 10 [H ] = = 5,01.10 −12 M 9,35 −1 9, 24 −1 10 .10 + 10 .10 + pH = 11,26. 14 * ViÖc kiÓm tra cho thÊy: [CN–] = 0,100 . 10 −9,35 ≈ 0,100M . −12 − 9 ,35 5,01.10 + 10 10 −9, 24 [NH3] = 0,100 . ≈ 0,100M . 5,01.10 −12 + 10 − 9, 24 VËy c¸ch gi¶i gÇn ®óng theo §KP cã thÓ chÊp nhËn ®îc. I.2.5.5: Hçn hîp c¸c axit yÕu vµ baz¬ liªn hîp XÐt dung dÞch chøa axÝt HA (CHA = Ca) vµ baz¬ liªn hîp NaA (CN¢ = Cb). Trong dung dÞch c¸c qu¸ tr×nh: NaA → Na+ + A– Cb H+ + OH– Ka Cb HA + OH– H2O H+ + A– Ca A– + H2O HA hoÆc [H+] = K a Kw (I-63) (I-62) Kb (I-64) Ca [ HA] ≈ K a Cb A− Trong trêng hîp K a (I-65). Ca >> 10 − 7 th× c©n b»ng (I-63) chiÕm u thÕ cã thÓ dùa Cb vµo nã ®Ó ®¸nh gi¸ phÇn c©n b»ng. Trong trêng hîp K a Ca >> 10 − 7 th× cã thÓ dùa vµo Cb (I-64) ®Ó ®¸nh gi¸ thµnh phÇn c©n b»ng. I.2.5.5.1:TÝnh pH trong hçn hîp HCOOH 1,00.10-2M vµ HCOONa 1,00.10-3M. HCOONa → HCOO Ca = 1,00.10-2 Na+ ƒ + HCOOCb = 1,00.10-3 H+ + HCOO- Ka = 10-3,75 (1) −2 Ca − 3, 75 10 Ka = 10 . − 3 = 10 − 2,75 >> 10 − 7 Cb 10 Tõ (1) C [] ⇒ HCOOH 1,00.10-2 (10-2 - x) ƒ H+ + HCOO1,00.10-3 x (10-3 + x) x(10 −3 + x) = 10 − 3,75 −2 10 − x Ka 15 x2 + (10-3 + 10-3,75)x - 10-5,75 = 0 x2 +1,178.10-3 x - 1,78.10-6 = 0 x = [H+] = 8,69.10-4, pH = 3,06 NÕu tÝnh theo (II-76) th× pH = 2,75. I.2.5.2: TÝnh pH cña hçn hîp HCN 1,00.10-3 vµ KCN 0,100M. KCN → HCN Ca = 1.10-3 M K+ + CNCb = 0,100M. Cb = 1,00.10-3 H+ + CNKa = 10-9,35 −3 Ca − 9,35 10 Ka = 10 . −1 = 10 −11,35 [...]... phơng pháp định lợng hoá học, trang 215-241, NXBGD, Hà Nộ 1981 3 Nguyễn Tinh Dung, " Phản ứng trong dung dịch các chất điện li", trong " Một số vấn đề chọn lọc của hoá học" , tập 2, trang 86 - 185, NXBGD, Hà nội 1999 4 Nguyễn Tinh Dung, Hoá học phân tích, Phần II Các phản ứng ion trong dung dịch nớc, NXBGD, Hà nội 2000 6 Tài liệu nâng cao và mở rộng kiến thức hoá học 7 Hoá học phân tích - sách cao đẳng... giảng dạy đề tài này đạt kết quả tốt, giáo viên nên tổ chức thảo luận các dạng bài tập cho học sinh Bởi lý thuyết đề tài này không có nhiều, nhng các dạng bài tập phong phú và cần biết bỏ qua các cân bằng gần đúng để tính giá trị gần đúng 16 Tài liệu tham khảo: 1 Nguyễn Tinh Dung, Hoá học phân tích, Phần I, Lý thuyết cơ sở ( Cân bằng ion) NXBGD, Hà Nội, 1997, tái bản 1981 2 Nguyễn Tinh Dung, Hoá học phân...Nếu coi x > [OH] ta có: [H+] = K a1 [ HA1 ] + K a 2 [ HA2 ] + K a 3 [ HA3 ] (I-54) Để tính gần đúng có thể chấp nhận [HA1] C HA1 = C1 ; [HA2] C HA2 = C2 I.2.5.3.1: Tính pH của dung dịch ... Ca h = K a Ca (phơng trình (I-65)) Cb Để giảng dạy đề tài đạt kết tốt, giáo viên nên tổ chức thảo luận dạng tập cho học sinh Bởi lý thuyết đề tài nhiều, nhng dạng tập phong phú cần biết bỏ qua... Nguyễn Tinh Dung, Hoá học phân tích, Phần I, Lý thuyết sở ( Cân ion) NXBGD, Hà Nội, 1997, tái 1981 Nguyễn Tinh Dung, Hoá học phân tích, Phần III, Các phơng pháp định lợng hoá học, trang 215-241,... Dung, " Phản ứng dung dịch chất điện li", " Một số vấn đề chọn lọc hoá học" , tập 2, trang 86 - 185, NXBGD, Hà nội 1999 Nguyễn Tinh Dung, Hoá học phân tích, Phần II Các phản ứng ion dung dịch nớc,