Phân loại và phương pháp giải các bài toán về điều kiện để kết tủa xảy ra (KL03377)

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 cá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC -o0o -

NGUYỄN HUY LINH

PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

CÁC BÀI TOÁN VỀ ĐIỀU KIỆN

ĐỂ KẾT TỦA XẢY RA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Phân Tích

Người hướng dẫn khoa học

ThS NGUYỄN THỊ THANH MAI

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ 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 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 mỗi 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 hiệu quả cho các bạn sinh viên về chuyên ngành Hóa Học Phân Tích Đồng thời 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 MỤC 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

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 NHIỆM VỤ 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 TƯỢNG VÀ PHẠM 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

Điều tra, thu thập 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG

TẠO THÀNH KẾT 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 dụ: Hòa tan 10 gam tinh thể NaCl vào dung dịch NaCl nồng độ x%,

ở nhiệt độ t0

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 Độ tan

Khi hòa tan chất điện ly ít tan MmAn trong nước thì các ion Mn+, Am-, 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(H2O)x]n+ và [A(H2O)y]m-

Khi hoạt độ của các ion [M(H2O)x]n+ và [A(H2O)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 thời 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)

MmAn (mx + ny) H2O ƒ m [M(H2O)x]n+ + n [A(H2O)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/l; mol/l 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 hợp 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 giống

- Bản chất của dung môi

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

nhau ở 20 0

C:

Dung môi: H2O; NH3(loãng); CH3OH; CH3COCH3; CH3NO2; CH3COOC2H5

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

- 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 dụ 1: Có quy ước sau:

* Chất có khả năng tan được trên 1,0 gam trong 100 gam nước được gọi là chất dễ tan ( chất tan)

* Chất có khả năng tan được từ 0,01 đến 1,0 gam trong 100 gam nước được gọi là chất tan vừa phải ( chất ít 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 tính chất định tính có vai trò phục vụ

việc tiếp cận nhiều lý 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 NH4ClO4 ít tan), muối của kim loại kiềm (trừ NaHCO3 ít tan), muối pemanganat: đều tan

- Các muối nitrit, axetat (trừ (CH3COO)2Hg2, CH3COOAg, và AgNO2

là ít tan) : hầu như đều tan

- Các muối sunfat hầu như đều tan ( trừ SrSO4, BaSO4, PbSO4, CaSO4

và Ag2SO4 là ít tan)

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

Cu2+, Hg22 , Pb2+ ít tan)

- Các muối clorat, peclorat hầu như đều tan (trừ KClO4, NH4ClO4 ít tan)

- Muối sunfit hầu như đều tan (trừ Ag2SO3, BaSO3, CaSO3 ít tan)

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

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

Ba2+, Ca2+, NH

4 tan)

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

, và Zn2+

Ví dụ 2: Độ tan của CaSO 4 là 10 -2,31 (M) Tính độ tan của CaSO 4 theo g/l và

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

D 1,00 g/ml

Nhận xét: Đây là nội dung tương đối đơn giản nhằm củng cố định

nghĩa độ tan Độ tan không phải chỉ tính theo một đơn vị nhất định

Trả lời:

- Độ tan của CaSO4 tính theo g/l là: S =

2,31142.10

142.10

100 6,96.101000.1 142.10 ( g)

C là 35,90 gam c) Dung dịch bão hòa CuSO 4 có nồng độ 40% ( ở t 0 C) Tính độ tan của CuSO 4(khan) và CuSO 4 5H 2 O

m = 40 Vậy cần thêm 40 gam NaCl

c) Gọi S, M, M,lần lượt là độ tan, khối lượng mol của CuSO4.5H2O và CuSO4 ta có:

C%CuSO4 =

S

.160.M

250

S = 166,67 ( gam)

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

+ Ks: là tích số tan nhiệt động của kết tủa MmAn (chính là hằng số

cân bằng nhiệt động) Ks phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của chất hòa tan và dung môi

Để tính độ tan S từ tích số tan Ks, hoặc ngược lại Ta dựa vào sự liên hệ giữa hoạt độ với nồng độ: (Mn+

) = [Mn+].fM và (Am-) = [Am-].fA thay vào (1.3)

ta có:

[Mn+]m.[Am-]n = Ks.fMm.fAn = KSc (1.4) Trong đó:

+ KSc: được gọi là tích số tan nồng độ

(Trong đó Zi là điện tích của ion)

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

Theo (1.5) thấy fi = 1 KS = KSc , biểu thức(1.4) có thể viết thành:

[Mn+]m.[Am-]n KS (1.6)

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), một cách gần đúng ta chấp nhận hệ số hoạt độ bằng 1, tức là việc tính toán tích số tan nồng

độ được coi như áp dụng biểu thức (1.6) Tất nhiên, khi tính toán tích 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 dụ 4:

a) Tính tích số tan của KClO 4 biết ở 25 0 C, 100 gam nước hòa tan được 1,80 gam muối này, khối lượng riêng của dung dịch d = 1,011 g/ml, M

4

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

b) Tính tích số tan của AgCl trong dung dịch bão hòa AgCl biết độ tan của AgCl ở 20 0

C là 1,001.10 -5 M, hệ số hoạt độ của hai ion đều có giá trị là 99,64.10 -2

, β AgOH = 10 -11,7

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

dụng chính xác lý thuyết và công thức tính tích số tan Bài toán yêu cầu tính 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 số tan nồng độ với tích số tan nhiệt động đối với các hợp chất có độ tan khác nhau

Trả lời:

a) Nồng độ của muối tan:

CKClO = 4 1,8.1000.1,011 0,129

(100 1,8).138,56 ( M)

Xét cân bằng:

KClO4 ƒ K ClO4 KS ( 1) [ ] 0,129 0,129

Theo ( 1) và giả thiết ta có:

AgCl ƒ Ag Cl KS ( 2)

Ag+ + H2O ƒ AgOH + H+

β = 10-11,7 ( 3) Theo ( 2) và ( 3), độ tan của AgCl là:

* Lưu ý: Bài toán trên cho thấy: Với hợp chất dễ tan, tích số tan nồng

độ khác nhiều so với tích số tan nhiệt động Vì thế muốn giải chính xác phải không được bỏ qua lực ion Ngược lại, với các chất ít tan, ta nhận thấy KC

S

được coi xấp xỉ bằng K S (I 0 hay f = 1) Do vậy phải chọn các đối 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 số tan từ độ tan

Để đánh giá tích số tan từ độ tan trong một dung dịch nước bất kỳ, dù

có hay không có các quá trình phụ của các ion tạo ra từ hợp chất ít tan, chúng

ta cũng 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

để nhận định cân bằng nào là chính, cân bằng nào là phụ, cân bằng nào có thể

bỏ qua (để đánh giá mức độ xảy ra của các cân bằng cần căn cứ nhiều dữ kiện: các hằng 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 tử 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 từ hợp chất ít tan (Với các ion không tham gia vào các quá trình phụ, có thể tính trực tiếp nồng độ cân bằng từ độ tan)

Lưu ý: Thường 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 định thì trong biểu thức của các hằng số phải tính theo hoạt độ

Ví dụ 5: Tính tích số tan của BaSO 4 Biết rằng trong dung dịch HCl 0,2M,

độ tan của BaSO 4 là 3.10 -5 M Cho biết K a( HSO 4 ) = 10 -2

Nhận xét:

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

tan trong dung dịch axit mạnh (với nồng độ không quá nhỏ) thì sẽ không có quá trình tạo phức hiđroxo của ion kim loại

4

[HSO ]

K [H ] 10 0, 2 20[SO ]

(vì sự proton xảy ra không quá lớn nên coi [H+] =

H

C ) [HSO4] 20[SO2

C là hợp lý

4 ] = 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

* Một số dạng toán tính tích số tan từ độ tan

- Tính tích số tan từ độ tan của hợp chất ít tan khi bỏ qua các quá trình phụ

- Tính tích số tan từ độ tan của hợp chất ít tan trong một dung dịch bão hòa chứa ion đồng dạng nhưng có thể bỏ qua các quá trình phụ

- Tính tích số tan từ độ tan của hợp chất ít tan khi xét đến cả các quá trình phụ của ion tạo ra từ hợp chất ít tan:

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

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

1.3.2 Tính tích số 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

dữ kiện 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)

10 (2)

AnBm + n.m.e ƒ nA mBn- K’ = KS.Kn =

0

n.m.E 0,059

* Pin điện

Trước hết thiết lập pin điện gồm một điện cực ở trên ghép với một điện cực tiêu chuẩn( điện cực hiđro, calomen, clorua bạc,v.v ) hay một điện cực nào đó đã biết giá trị thế điện cực Sau đó đo sức điện động của pin, từ đó tìm được thế điện cực Dựa vào các biểu thức (I), (V) để tính tích số tan

Ví dụ 6: Cho sơ đồ pin:

2( )Zn Zn (0,10M) KCl(0,5M) AgCl,Ag (+)

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

các chất lấy tùy ý.Qua giá trị thế điện cực của các cặp oxi hóa – khử đã cho,

và dựa vào thực nghiệm đo sức điện động của pin, từ đó xác định được tích số tan của hợp chất ít tan tiếp xúc với điện cực kim loại

Cũng giống như trường hợp bài toán về tính tích số tan, khi tính độ tan cũng tuân theo các bước chính sau:

- Mô tả đầy đủ các cân bằng xảy ra trong dung dịch:

+ Cân bằng tan:

MmAn ƒ mMn+ + nAm- KS (1) + Cân bằng tạo phức hiđroxo của cation kim loại:

Mn+ + H2O ƒ M(OH)(n-1)+ + H+ *β (2) + Cân bằng proton hóa của anion gốc axit:

Am- + H+ ƒ HA(m-1)- Km1 (3)

HA(m-1)- + H+ ƒ H2A(m-2)- Km 21 (4)

H(m-1)A + H+ ƒ HmA K11 (n+2)

- Dựa vào các dữ kiện bài cho( độ pH, hằng số cân bằng,v.v ) để đánh giá mức độ xảy ra của các quá trình phụ

- Tính toán để giải quyết yêu cầu bài toán:

+ Thiết lập biểu thức tổng quát tính tích số tan

+ Thiết lập biểu thức tính nồng độ cân bằng của ion tham gia quá trình phụ theo độ tan, hằng số cân bằng, pH,v.v Nếu ion nào không tham gia quá trình phụ thì nồng độ cân bằng của ion đó chính là nồng độ tạo ra của hợp chất ít tan

- Trong một số trường hợp không biết pH, nồng độ chất tạo phức, lúc

đó cần phải đánh giá gần đúng pH hoặc nồng độ chất tạo phức

- Tổ hợp các biểu thức tính được với biểu thức tính tích số tan để đánh giá độ tan

* Một số dạng toán tính độ tan từ tích số tan:

 Tính độ tan từ tích số tan khi không xét đến các quá trình phụ

Đây là bài toán cơ bản và tính toán đơn giản Ở dạng toán này chỉ gặp các hợp chất ít tan tạo ra các ion không tham gia vào quá trình phụ hoặc có quá trình phụ xảy ra nhưng không đáng kể Các hợp chất ít tan trong dạng toán này được xét trong dung môi nước hoặc trong dung dịch nước có chứa ion đồng dạng với hợp chất ít tan, hoặc trong môi trường axit nếu có sự proton hóa cũng là không đáng kể

 Tính độ tan từ tích số tan, trong đó có xét tới quá trình phụ của ion tạo

ra từ hợp chất ít tan

Đây là dạng bài toán tính độ tan từ tích số tan, có xét đến quá trình phụ, nội dung của các bài toán này có sự nâng cao hơn Các quá trình phụ của các ion tạo ra từ hợp chất ít tan có thể chỉ tính đến quá trình tạo phức của ion kim loại, hoặc chỉ tính đến quá trình proton hóa của gốc axit , hoặc có nhiều quá trình đều được tính đến Trong tính toán, dựa vào các cân bằng được xét đến

và trên cơ sở nồng độ đầu của các ion tạo ra từ hợp chất ít tan với các giá trị

về hằng số cân bằng, độ pH, v.v đã biết, từ đó tính ra nồng độ cân bằng của các ion tọa ra từ hợp chất ít tan

Thường gặp các bài toán nhỏ hơn:

- Tính độ tan của hợp chất ít tan trong đó có quá trình proton hóa:

+Chỉ xét đến một ion tham gia vào quá trình proton hóa

+Xét đồng thời nhiều ion cùng tham gia vào quá trình proton hóa

- Tính độ tan của hợp chất ít tan trong đó có quá trình tạo phức

1.4 ĐIỀU KIỆN ĐỂ 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

* Chú ý:

- Khi trộn hai dung dịch vào nhau thì thể tích sẽ thay đổi, do đó nồng

độ ban đầu của mỗi cấu tử cũng phải thay đổi

- Khi cho khí lội vào dung dịch, hoặc hòa tan chất rắn vào một chất lỏng (có thể là nước hoặc một dung dịch nước) thì thừa nhận một cách gần đúng thể tích dung dịch không thay đổi

Ví dụ 7: Trộn 1ml HCl 0,3M với 1ml Pb(NO3)2 0,01M Hỏi có kết tủa PbCl2

tách ra không? Cho KS (PbCl )2 = 1,6.10-5 ; *βPb(OH) = 10-6,18

Nhận xét: Đây là bài toán cơ bản nghiên cứu sụ tạo thành kết tủa từ 2

ion sẵn có ban đầu của hai dung dịch trộn vào nhau Trước hết cần tính lại nồng độ ban đầu của mỗi ion sau khi trộn vào nhau Sau đó xét xem các ion tạo thành kết tủa có tham gia vào quá trình phụ nào nữa không, nếu có thì phải tính lại nồng độ các ion đó ở các cân bằng phụ Cuối cùng mới đem so sánh tích số ion với tích số tan

- Xét cân bằng tạo phức hiđroxo của Pb2+:

Kết luận: Kết tủa PbCl2 có thể xuất hiện

1.4.2 Sự 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 hợp để tách ion ra dưới dạng kết tủa Phép tách kết tủa được coi là hoàn toàn nếu nồng độ ion còn lại trong dung dịch sau khi tách không gây cản trở đến các phản ứng được thực hiện trong quy trình phân tích về sau, hoặc khi lượng còn lại của ion đó nằm trong phạm

vi sai số cho phép phân tích đinh lượng Theo thực nghiệm là khi quan sát thấy kết tủa không tăng lên nữa Còn theo bán định lượng là khi một phản ứng thấy hằng số cân bằng rất lớn Thông thường, đối với phân tích hóa học người

ta chấp nhận có thể coi phép làm kết tủa là hoàn toàn khi nồng độ của ion còn lại C 10-5

– 10-6M

* Các yếu tố ảnh hưởng đến việc làm kết tủa hoàn toàn

 Ảnh hưởng của lượng dư kết tủa

Yếu tố quan trọng nhất quyết định đến việc làm kết tủa hoàn toàn là lượng dư thuốc thử Lượng dư thuốc thử có thể gây ra các hiệu ứng sau:

- Hiệu ứng làm giảm độ tan do có mặt ion cùng loại với ion của kết tủa

Chẳng hạn khi thêm dư ion SO2

4 vào dung dịch Ba2+ thì việc làm kết tủa Ba2+dưới dạng BaSO4 sẽ hoàn toàn hơn

- Hiệu ứng lực ion có khuynh hướng làm tăng độ tan Khi thêm dư

thuốc thử thì lực ion tăng, trong đa số trường hợp làm giảm hệ số hoạt độ ion

Ta thấy Kc

S và độ tan sẽ tăng khi hệ số hoạt độ giảm

- Hiệu ứng pha loãng Khi thêm dư thuốc thử thì đồng thời thể tích

dung dịch tăng và do đó lượng ion nằm cân bằng với tướng rắn trong dung dịch bão hòa cũng tăng lên

- Trong nhiều trường hợp thuốc thử dư phản ứng với kết tủa, do sự tạo

phức của ion kim loại với thuốc thử dư, do sự tạo thành các hiđroxit lưỡng tính của các ion kim loại tan được trong thuốc thử dư,v.v

Thường có các trường hợp xảy ra:

- Thuốc thử dư không phản ứng với kết tủa:

Ở đây thuốc thử dư gây ra 3 hiệu ứng đầu tiên, trong đó hiệu ứng thứ nhất là quan trọng Thông thường dung dịch thuốc thử làm kết tủa bao giờ cũng có nồng độ lớn hơn rất nhiều lần so với nồng độ ion bị kết tủa, phổ biến

là gấp đến vài chục lần Các tính toán cho thấy trong trường hợp này phép 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 làm kết tủa được một số ion Sự kết tủa phân đoạn:

Trong trường hợp cùng một thuốc thử có thể tạo được kết tủa với hai ion cùng có mặt thì việc tách hoàn toàn một ion nào đó 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 lưỡng tính bằng kiềm ( Al3+

- pH ảnh hưởng đến độ tan do sự tạo phức hiđroxo của các ion kim loại

- pH ảnh hưởng đến độ tan do sự proton hóa anion của kết tủa là bazơ yếu

- pH ảnh hưởng đến quá trình tạo phức giữa ion kim loại với phối tử tạo phức phụ L do đó ảnh 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 KIỆN ĐỂ KẾT TỦA XẢY RA

Để thực hiện nội dung này, tôi đã tham khảo một số 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 ĐIỀU KIỆN KẾT TỦA TỪ DUNG DỊCH QUÁ BÃO HÕA

2.1.1 Bài tập minh họa lý thuyết

Loại 1: Dạng bài tập liên quan đến lý thuyết điều kiện kết tủa từ

dung dịch quá bão hòa

* Đặc điểm bài 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…

* Phương pháp giải: Nắm vững bản chất điều kiện kết tủa Xác định lại

nồng độ ban đầu 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

Một số ví dụ:

Ví dụ 1.1: Cho các chất: BaSO4, Al(OH)3, Ca3(PO4)2 Viết các biểu thức điều kiện để xuất hiện kết tủa của các chất trên

- Tính nồng độ ion OH- theo (1): (Ở đây tính gần đúng thấy dung dịch

có môi trường bazơ nên tính theo cân bằng tạo ra OH

= 10-12,8.109,24 = 10-3,56 << 1 quá trình tạo phức hiđroxo là không đáng kể

2

(2) Mg

Vậy không có kết tủa Mg(OH)2 xuất hiện

Ví dụ 1.3.[5]: Tính độ tan của PbI2 trong dung dịch bão hòa PbI2 trong NaClO4 0,1M Phép tính có kể đến hiệu ứng lực ion Cho KS = 10-4,8,

*β(PbOH ) = 10-7,8

Giải

Lực ion: I = 0,5.([Na+

] + [ClO4] ) = 0,1 Các cân bằng:

(0,776)-Đánh giá khả năng tạo phức hiđroxo của Pb2+ với

2

4,14 3

0 Pb

Nghĩa là [PbOH+

] << [Pb2+], có thể bỏ qua sự tạo phức hiđroxo của

Pb2+ Như vậy trong dung dịch cân bằng (1) là chủ yếu, độ tan của PbCl2chính là độ tan S0.

a) Tích số tan điều kiện của NiCO3 ở pH = 8,0

b) Độ tan của NiCO3 ở pH = 8,0

Cho

3

6,87 S( NiCO )

NiOH = 10-8,94, Ka11 106,35, Ka 21 1010,33

Độ tan S’ = ' 2,24 3

S

K 10 5,75.10 M

Ví dụ 1.5.[5]: Lắc 2 gam Ag2CO3 trong 100 ml dung dịch tương ứng có

pH = 5 cho đến cân bằng Tính cân bằng xảy ra trong dung dịch

Vậy dung dịch Ag2CO3 là dung dịch bão hòa

Có các quá trình xảy ra:

3 K

4Vậy [Ag+

] = 4,34.10-2(M);

[CO23 ] = S’ CO 2 = 4,34.10-9(M) [HCO3] = K [CO ].ha 21 23 9,28.10 (M) 9

Và [CO ] = 102 16,68.4,34.10 109 10 2,08.10 (M) 2

2.1.2 Bài tập vận dụng và nâng cao

Loại 2: Xét điều kiện kết tủa

* Đặc điểm bài toán: Loại bài tập này đề cập đến điều kiện kết tủa

trong các phản ứng cụ thể: axit – bazơ, axit – muối, bazơ – muối, muối –