Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng

Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng Giáo trình Hoá đại cương Trần Thanh Tùng

CHNG CC KHI NIM V NH LUT C BN CA HểA HC A MC TIấU, NHIM V MC TIấU Hc xong chng sinh viờn bit v hiu: - Cỏc khỏi nim c bn: Cht, nguyờn t, nguyờn t, phõn t, lng nguyờn t, lng phõn t, lng mol, ng lng - H n v - Mt s nh lut c bn ca hoỏ hc - Mt s phng phỏp xỏc nh lng phõn t v lng nguyờn t NHIM V Tỡm hiu v cỏc khỏi nim c bn ca hoỏ hc, h n v SI, cỏc nh lut c bn ca hoỏ hc, cỏc phng phỏp xỏc nh lng phõn t v lng nguyờn t t ú hiu c v cú kh nng dng c cỏc kin thc ca chng vo thc hnh v luyn V PHNG PHP Kt hp cht ch gia s hng dn ca giỏo viờn vi s t hc, t nghiờn cuca sinh viờn Cn ht sc coi trng khõu luyn v thc hnh nm vng c cỏc ca chng ny TI LIU THAM KHO - Hoỏ hc i cng 1: Trn Thnh Hu, nh xut bn i hc s phm - Hoỏ hc i cng: Nguyn c Chuy, nh xut bn giỏo dc - Hoỏ hc i cng: o ỡnh Thc, nh xut bn i hc Quc gia H Ni - Bi hoỏ hc i cng: o ỡnh Thc, nh xut bn giỏo dc - Bi hoỏ i cng : Dng Vn m, nh xut bn Giỏo dc - Hoỏ hc i cng : Lờ Mu Quyn, nh xut bn Giỏo dc - C s lý thuyt hoỏ hc- Phn bi tp: Lờ Mu Quyn, nh xut bn khoa hc v k thut http://www.ebook.edu.vn B NI DUNG MT S KHI NIM C BN CA HểA HC 1.1 Cht: Cht l hp cỏc tiu phõn cú thnh phn, cu to, tớnh cht xỏc nh v cú th tn ti c lp nhng iu kin nht nh Vớ d 1: C6H6, O2, H2O, Cht m phõn t c cu to bi mt loi nguyờn t c gi l n cht Vớ d 2: Ag, O2, O3, Cht m phõn t c cu to bi hai loi nguyờn t tr lờn c gi l hp cht Vớ d 3: NaCl, H2O, CaCO3, C2H5OH, T cỏc khỏi nim v n cht, hp cht va c cp trờn kt hp vi cỏc kin thc ó cú, ta cú s sau (hỡnh 1.1) HèNH 1.1 S h thng phõn loi cỏc cht Tp hp ca cỏc phõn t cựng loi c gi l nguyờn cht, nh khớ H2 nguyờn cht; nc (H2O) nguyờn cht; Tp hp gm cỏc phõn t khỏc loi c gi l hn hp, khụng khớ l hn hp gm rt nhiu khớ khỏc ú N2 v O2 chim t l ln nht (mt cỏch gn ỳng ngi ta coi khụng khớ gm 4/5 nit, 1/5 oxi v th tớch) Cỏc khỏi nim ny c minh hỡnh 1.2 Tp hp vt cht cú th l h ng th hoc h d th Khụng khớ l h ng th, hp kim inox l h ng th, mt cc nc cú c nc lng v nc ỏ l h d th Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn HèNH 1.2 Minh cỏc khỏi nim n cht, hp cht, hn hp 1.2 Nguyờn t, nguyờn t hoỏ hc, phõn t 1.2.1 Nguyờn t: l ht nh nht ca nguyờn t hoỏ hc m khụng th phõn chia c v mt hoỏ hc Vớ d 5: nguyờn t H, O, Na, Cl Nguyờn t l loi ht rt Nh v rt nh Tu thuc vo mi nguyờn t hoỏ hc m lng ca mt nguyờn t 10-23 10-21 g, cũn ng kớnh ca mt nguyờn t vo khong 10-8 cm hỡnh dung v th tớch ca mt nguyờn t, cú th hỡnh dung nh sau: Nu coi mi nguyờn t u cú dng hỡnh cu cú ng kớnh 10-8 cm thỡ qu búng bn cú ng kớnh cm cú th cha c khong 1024 nguyờn t Nguyờn t ca cỏc nguyờn t hoỏ hc khỏc thỡ cú lng v kớch thc khỏc Chỳng ta tha nhn nguyờn t c cu to bi loi ht c bn l: electron (e), proton (p) v ntron (n), bng 1.2 cho chỳng ta bit c im c bn ca ba loi ht ú Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn BNG 1.1 Bỏn kớnh cng hoỏ tr (A0) v lng nguyờn t ca mt s nguyờn t húa hc Nguyờn t R (A0) M(1,673.10-23) H 0,30 1,008 O 0,66 15,994 S 1,04 32,064 Cl 0,99 35,453 Br 1,14 79,904 I 1,33 126,904 BNG 1.2 Khi lng, in tớch ca electron, proton, ntron KHI LNG Kg IN TCH vC (u) -31 5,55.10 Proton 1,672.10-27 Ntron 1,675.10-27 Electron 9,109.10 -4 Culong Quy c -19 -1,6021.10 -1 1,007 + 1,6021.10-19 +1 1,009 0,0 0,0 bng 1.2 im cn chỳ ý l: in tớch ca cỏc ht c bn Ntron l ht khụng mang in, tc l ht trung ho in, c ký hiu l -19 Culong in tớch ny 0n Mi ht proton mang in tớch dng l +1,6021.10 chớnh l in tớch c bn, thng c ký hiu l e0 Tr s ny c quy c chn lm n v nờn: mi ht proton mang mt n v in tớch dng, c ký hiu l 1p Mi ht electron mang mt n v in tớch cú tr s tuyt i bng tr s in tớch ca mt ht proton nhng ngc du Vỡ th mi electron mang mt n v in tớch õm, ký hiu l e Cng cn chỳ ý, lng ca electron rt nh so vi lng ca proton, ntron T s liu ca bng 1.2, ta cú t l cỏc lng nh sau: m1 p me m0 n = 1835,5 (ln) me = 1838,8 (ln) Vỡ vy cỏc phộp tớnh thụng thng, ta coi me Cng t bng trờn ta thy m n > m p Trong cỏc phộp tớnh thụng thng ta chp nhn s gn ỳng: m n m p (vC) Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn 1,6021.10-19 l in tớnh nh nht nờn c gi l n v in tớnh nguyờn t v c ký hiu l e0 Mụ hỡnh nguyờn t c tha nhn rng rói hin l: Nguyờn t cú hỡnh dng ca mt cu Tõm ca nguyờn t l ht nhõn tớch in dng V ca nguyờn t gm cỏc electron chuyn ng quanh ht nhõn S n v in tớch dng ca ht nhõn bng s n v in tớch õm ca v Nguyờn t trung hũa v in Vớ d 6: Ht nhõn nguyờn t natri (Na) cú 11 n v in tớch dng (ký hiu Z = 11), v nguyờn t Na cú 11e, tc l cú 11 n v in tớch õm Vy nguyờn t Na trung hũa v in, c vit l Na0 hay Na Nu vỡ mt lý no ú v nguyờn t Na cũn 10e, ta cú ion dng hay cation natri, c vit l Na+ Tng t, ht nhõn nguyờn t Clo (Cl) cú 17 in tớch dng (Z = 17), v nguyờn t Cl cú 17e nhng nu c nguyờn t Cl cú thờm mt e tr thnh 18e, nguyờn t Cl ny khụng cũn trung hũa v in na, ta cú ion õm, hay anion clo, ClBiu din quỏ trỡnh bin i nguyờn t trung hũa in thnh ion ó nờu trờn nh sau: Na - e Na+ Cl + e Cl1.2.2 Nguyờn t húa hc: Tp hp cỏc loi nguyờn t m ht nhõn cú cựng s n v in tớnh dng (Z) l mt nguyờn t húa hc Vớ d 7: Nguyờn t oxi cú s n v in tớch dng ca ht nhõn bng Trong thc t cú nguyờn t oxi vi lng khỏc l 16, 17, 18 nhng u cú s n v in tớch dng ca ht nhõn bng 18, ú l cỏc nguyờn t khỏc - cỏc ng v ca nguyờn t oxi nguyờn t ny c vit nh sau: 17 18 hay 8O16 8O 8O Nh vy s n v in tớch dng ca ht nhõn (Z) l yu t quyt nh ca mt nguyờn t húa hc Tr s Z thay i dự ch n v ng ngha vi vic chuyn t nguyờn t húa hc ny sang nguyờn t húa hc khỏc Vớ d 8: Hai nguyờn t cú cựng lng nguyờn t l 40 (vC), mt nguyờn t cú Z = 19, nguyờn t cú Z = 20 ú l nguyờn t ca hai nguyờn t hoỏ hc, mt l 19K40 (ng v thng gp ca K) v mt l 20Ca40 Cn phõn bit cỏc khỏi nim nguyờn t, nguyờn t, n cht Vớ d 9: Ký hiu O dựng ch nguyờn t ca nguyờn t oxi ú cng l ký hiu ca nguyờn t oxi Ký hiu O2- (gi s xut hin quỏ trỡnh in phõn nhụm oxit núng chy) ch ion oxi ion ny c to t nguyờn t ca nguyờn t oxi l dng thự hỡnh ca oxi Ký hiu O2 ch phõn t n cht oxi Ký hiu O3 ch phõn t n cht ozon O2 v O3 Ký hiu H2O ch phõn t nc H2O l mt hp cht vỡ thnh phn phõn t cú nguyờn t l hiro v oxi Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn Xột tng t vi cỏc trng hp khỏc, cú th khỏi quỏt nh sau: Nguyờn t húa hc l khỏi nim rng, dựng ch cỏc ht vụ cựng nh: nguyờn t, ion cú cựng s n v in tớch dng ca ht nhõn Nguyờn t l mt khỏi nim ch mt dng tn ti c th ca nguyờn t hoỏ hc Vỡ th, núi n nguyờn t c th thỡ cng cú ngha l núi n mt nguyờn t hoỏ hc n cht l khỏi nim ch mt dng tn ti c th ca nguyờn t húa hc Khi núi n mt n cht cng cú ngha l núi n mt nguyờn t húa hc 1.2.3 Phõn t: l phn t nh nht ca mt cht cú th tn ti c lp nhng gi nguyờn tớnh cht ca cht ú Vớ d 10: H2 l phõn t H2, chỏy c v dựng lm nhiờn liu 2H2 + O2 2H2O H < (to nhit) CO2 l phõn t cacbon ioxit, khụng chỏy c Phõn t c to nờn t cỏc ht nh hn (nguyờn t hay ion) Phõn t c to t cỏc nguyờn t ca cựng mt nguyờn t húa hc l phõn t n cht Vớ d 11: Cl2 O2, O3, P4, S8, Cỏc n cht khỏc ca mt nguyờn t húa hc c gi l cỏc dng thự hỡnh ca nguyờn t ú Vớ d 12: Nguyờn t oxi cú dng thự hỡnh thng gp l oxi (O2) v ozon (O3) Nguyờn t cacbon cú dng thự hỡnh ph bin l than chỡ v kim cng, Phõn t c to t hai loi nguyờn t ca nguyờn t húa hc tr lờn l phõn t hp cht Vớ d 13: HCl, HClO, Phõn t cú th c to t nguyờn t thỡ ú l phõn t n nguyờn t Vớ d 14: khớ him Mt s c im v phõn t: - V lng phõn t: Cú nhng phõn t rt nh (H2), cú nhng phõn t nng nh ng glucoz C6H12O6 (180 vC) v cng cú nhng phõn t siờu nng nh polime (cú lng phõn t trung bỡnh c hng chc vC) Chi tit c trỡnh by phn sau - V in tớch: thỡ phõn t trung hũa v in Vỡ th cn phi phõn bit phõn t vi gc t do: Ký hiu SO3 ch phõn t anhirit sunfuric; ký hiu ch gc t c to thnh tc thi (thi gian tn ti vụ cựng ngn) phn ng - V cu to húa hc: õy l mt ln, phn ny ch xột mt s c im v hin tng ng phõn ng phõn l hin tng cỏc cht cú cựng cụng thc phõn t, nhng cú cu to khỏc nờn cú tớnh cht khỏc nhau, cỏc cht ú l cỏc ng phõn Xut phỏt t c im v cu trỳc, ta cú ng phõn cu to v ng phõn khụng gian Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn Vớ d 15: t cụng thc C2H6O ta cú ng phõn cu to l ru etylic CH3CH2OH v imetyl ete CH3OCH3; t cụng thc abC = Cab ta cú loi ng phõn khụng gian l cis v trans Trong ng phõn cu to cú ng phõn mch cacbon; v trớ (nhúm chc, liờn kt bi, ), ng phõn nhúm nh chc Trong ng phõn khụng gian cú ng phõn hỡnh hc, ng phõn quang hc v v cu dng Chỳ ý: Khi xột phõn t cn quan tõm ti hỡnh dng hay hỡnh hc phõn t Thc nghim xỏc nh c gúc liờn kt v di liờn kt Cỏc yu t hỡnh hc thng gn lin vi di v tớnh cht ca phõn t Mt s hỡnh dng phõn t thng gp nh: ng thng (cỏc nguyờn t phõn t c phõn b trờn mt ng thng); cú gúc (cỏc nguyờn t thng l hay nguyờn t liờn kt vi to gúc khỏc gúc 1800); lp th (khi khụng gian nh thỏp tam giỏc, t din u, bỏt din u, ), minh hỡnh 1.3 HèNH 1.3 Mt s hỡnh dng phõn t a) CO; b) CO2, phõn t thng c) H2O, phõn t gúc d) NH3, phõn t thỏp tam giỏc e) CH4, phõn t t din 1.3 Khi lng nguyờn t, lng phõn t, lng mol 1.3.1 Khi lng nguyờn t: l lng ca mt nguyờn t, lng nguyờn t c xỏc nh bng tng lng ca tt c cỏc ht to thnh nguyờn t ú Cn phõn bit lng nguyờn t tng i v lng nguyờn t tuyt i a) Khi lng nguyờn t tuyt i: l lng thc ca mt nguyờn t khụng gian c tớnh bng kilogam Vớ d 16: mS = 5,3.10-23g = 5,3.10-26 kg mFe = 9,274.10-23g = 9,274.10-26 kg mC = 19,9206.10-24g = 19,9206.10-27kg Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn Khi lng ny cc k nh bộ, khụng thun tin cho vic cõn, o, ong, m c nờn gp khú khn phi tớnh toỏn cỏc bi toỏn húa hc thun tin cho vic tớnh toỏn ngi ta dựng mt h khỏc, gi l lng nguyờn t tng i b) Khi lng nguyờn t tng i (nguyờn t khi): A Chn ln lng ca mt nguyờn t cacbon ng v 12 (C12) lm 12 mt n v lng v c gi l n v cacbon (vC hay u), ta cú: 1dvC = m12C 12 = 19,9260.10 27 kg = 1,6605.10 27 kg 12 AC = m12C 1,6605.10 27 kg = 12 9,274.10 26 kg = 56 AFe = 1,6605.10 27 kg 5,3.10 26 kg = 32 AS = 1,6605.10 27 kg Nh vy, lng nguyờn t tng i l mt tr s khụng cú th nguyờn Nhng thc t ta hay dựng mt cỏch ngn gn Fe= 56vC hay 56u (dựng n v cacbon: vC) vỡ ó coi m12 l 1vC (1u) 12 C T cỏc vớ d trờn cn nh: lng nguyờn t tng i (klt) = lng nguyờn t tuyt i (klt) : s Avụgarụ (N) KLT = klt : N 1.3.2 Khi lng phõn t: ly lng ca phõn t chia cho n v lng thỡ c lng phõn t tng i ca phõn t ú Hoc: ly tng lng nguyờn t tng i ca tt c cỏc nguyờn t to nờn phõn t ú Thng c ký hiu l: M Vớ d 17: M CO = 12 + 16.2 = 44 (hay: 44 vc), thng vit l CO2 = 44 1.3.3 Mol - Khi lng mol a) mol: Mol l lng cht cha 6,023.1023 ht vi mụ T khỏi nim ny dựng mol cn phi ch rừ loi ht vi mụ Vớ d 18: 1mol nguyờn t H, 1mol phõn t H2, 1mol ion H+, b) Khi lng mol: Khi lng mol nguyờn t ca mt nguyờn t (A) l lng ca mol nguyờn t ca nguyờn t ú n v g/mol Vớ d 19: lng mol nguyờn t ca hiro bng 1,008 g/mol ( hay AH = 1,008 g/mol) Khi lng mol phõn t ca mt cht (M) l lng ca mol phõn t cht ú Vớ d 20: Khi lng ca mol phõn t nc bng 18,015 g/mol (hay M H O = 18,015 g / mol 18 g / mol ) 2 Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn Cỏch tớnh s mol: nX = mX M X ( AX ) õy: m X l lng ca X Nu X l nguyờn t thỡ dựng AX l lng mol nguyờn t ca X Nu X l mt cht thỡ M X l lng mol phõn t ca X 1.4 ng lng 1.4.1 ng lng ca mt nguyờn t: L s phn lng ca nguyờn t ú cú th kt hp hoc thay th 1,008 phn lng ca hiro hoc tỏm phn lng ca oxi Ký hiu ng lng l: Theo nh ngha trờn, ta cú: H = 1,008 ; O = 8,00 Na = 23 ; Ca = 20 T nh ngha trờn d dng xỏc nh c: ng lng ca C CO2 l cũn CO l Cú th tớnh ng lng ca mt nguyờn t theo cụng thc: i = Ai ni Trong ú: Ai l lng nguyờn t ca nguyờn t; ni l húa tr ca nguyờn t 1.4.2 ng lng ca mt hp cht: L s phn lng ca hp cht ú tỏc dng va vi mt ng lng ca cht khỏc Vớ d 21: Bit Al = T phn ng: 2Al + 6HCl 2AlCl3 + 3H2, d dng tớnh c HCl = 36,5 Bit NaOH = 40 T phn ng: 2NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2H2O, tớnh c H SO = 49 1.4.3 Cỏch tớnh ng lng: a) Trng hp chung: = A( M ) n Trong ú: A(M ) l lng nguyờn t hay lng phõn t n l s e trao i b) Cỏc trng hp c th: + i vi nguyờn t hoỏ hc: = A H vi H l húa tr ca nguyờn t húa hc + i vi hp cht: = M n vi n l s electron trao i Nu hp cht l: - Oxit: Thỡ n l tng húa tr ca oxi cú oxit - Axit: Thỡ n l s nguyờn t hiro cú axit c thay th - Baz: Thỡ n l húa tr ca kim loi cú baz - Mui: Thỡ n l tng húa tr ca kim loi cú mui Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn Vớ d 22: ng lng ca Fe2O3 l: Fe2O3 = ng lng ca H2SO4 phn ng: 160 = 26,7 + + = 3.2 98 = 49 98 NaOH + H2SO4 NaHSO4 + H2O l H SO4 = = 98 74 ng lng ca Ca(OH)2 l: Ca (OH )2 = = 37 310 ng lng ca Ca3(PO4)2 l: Ca3 ( PO4 )2 = = 51,7 + + = 3.2 2NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2H2O l H SO = ng lng ca Fe, phn ng: Fe + 2H+ Fe2+ + H2 l Fe = 56 : = 28 Cũn phn ng: 2Fe + 3Cl2 2FeCl3 l Fe = 56 : = 18,67 Chỳ ý: Theo nh ngha v ng lng thỡ ng lng l mt i lng khụng cú n v 1.4.4 ng lng gam: ng lng gam ca mt cht (n cht hay hp cht) l lng cht ú c tớnh bng gam v cú tr s ỳng bng ng lng ca cht ú Nu kớ hiu ng lng gam l lg, ta cú: lgAl = 9g vỡ Al = 1.4.5 S ng lng gam(s lg): c xỏc nh bng s gam chia cho ng lng gam Cụng thc tớnh: S lg = s gam : lg Cho mHCl = 18,25g S lgHCl = 18,25g/36,5g = 0,5 Nh vy s ng lng gam cng l i lng khụng cú n v H N V Mt cỏc ca húa hc, ú l bi toỏn húa hc Bi toỏn húa hc c t da trờn yờu cu ca thc t i sng, thụng qua cỏc thc nghim húa hc Vỡ th cỏc kt qu thụng qua cỏc s phi cú ý ngha xỏc nh Cho nờn cỏc s ny buc phi cú n v Ch cú ỏp s bng s ỳng thỡ cha m cũn cn phi cú n v ỳng Mt lng vt cht luụn c biu th bng tr s cú kốm theo n v Lng vt cht = Tr s n v Hin nay, cú hai xu hng: Dựng h n v quc t (h SI) v dựng n v theo thúi quen.Trong quỏ trỡnh hi nhp vi quc t, chỳng ta nờn dựng h n v quc t (h SI) 2.1 H n v quc t (h SI) i hi v o lng quc t hp ti Pari vo thỏng 10 nm 1960 ó thụng qua cỏc quy c v n v o v cỏc khỏi nim tng ng Trong chng ny ch xột h n v c th 2.1.1 H SI c s Gm by i lng c chn lm c s cựng vi n v ca mi i lng kốm theo, c a bng 1.3 Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn Nguyờn tc chung: lm gim nng ca hoc c ion bng phn ng hoỏ hc cho tớch s ion ca chung nh hn tớch s tan Vớ d 1: Cho 0,01 mol Fe(OH)3 vo mt lớt H2O Hi cn phi thờm axớt mnh vo n pH bng bao nhiờu ho tan hon ton lng Fe(OH)3 Bit T Gii Fe(OH)3 ?Fe3+ + 3OHT = =3.10-39, Khi Fe(OH)3 va tan ht thỡ [Fe3+][OH-]3 =T Theo [Fe3+] = 0,01M nờn [OH-] = M Tớnh [H+] da vo Vy: Phi thờm axit mnh vo dung dch n pH =1,83 thỡ 0,01 mol Fe(OH)3 mi tan ht Chng PHN ng oxy hoỏ - kh v dũng in Phn ng oxy hoỏ kh 1.1 S oxi hoỏ (Mc oxi hoỏ, bc oxi hoỏ hay trng thỏi oxi hoỏ) S oxi hoỏ ca mt nguyờn t hp cht l in tớch ca nguyờn t ca nguyờn t ú phõn t ca hp cht vi gi thit cỏc phõn t u l liờn kt ion Vi khỏi nim va nờu, ngi ta quy c mt cỏch hỡnh thc cp electron liờn kt gia hai nguyờn t c chuyn hn cho nguyờn t ca nguyờn t cú õm in hn Khi ú, s oxi hoỏ cú th l s dng, s õm hoc s khụng Quy c, cỏc phõn t n cht cú s oxi hoỏ bng vỡ cp electron liờn kt khụng lch v phớa nguyờn t no Vớ d nh kim loi Na, Fe, Cu, cú s oxi hoỏ bng 0, cỏc khớ O2, Cl2, H2, cng cú s oxi hoỏ bng i vi cỏc hp cht ion c to thnh t cỏc ion n nguyờn t thỡ s oxi hoỏ ca nguyờn t bng in tớch ca ion Thớ d, hp cht NaCl thỡ s oxi hoỏ ca Na bng +1 v ca Cl bng Trong mt hp cht thỡ tng s s oxi hoỏ ca cỏc nguyờn t bng khụng, cũn mt ion tng s s oxi hoỏ bng in tớch ca ion S oxi hoỏ ca Oxi l -2 nu oxi liờn kt vi cỏc nguyờn t cú õm in hn nú, cũn vi hirụ l +1 nu hiro liờn kt vi cỏc nguyờn t cú õm in ln hn nú Thớ d 1: Xỏc nh s oxi hoỏ ca N axit HNO3 t s oxi hoỏ ca N l x, ta cú: (+1) + x + 3.(-2) = ? x= +5 Thớ d 2: xỏc nh s oxi hoỏ ca Cr ion Cr2 Tng t: 2x + 7(-2) = -2 ? x = +6 i vi cỏc cht cú cha nhiu nguyờn t ca cựng mt nguyờn t, nhng chỳng li cỏc trng thỏi oxi hoỏ khỏc Trong trng hp ny, xỏc nh s ụxi hoỏ ca nguyờn t khụng ỏp dng c quy tc trờn (vỡ ỏp dng ch xỏc nh Trờng đại học công nghiệp h nội 260 giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn c s oxi hoỏ trung bỡnh ca nguyờn t) m phi da vo cụng thc cu to ca cht ú Thớ d 3: Xỏc nh s oxi hoỏ ca cacbon anehitaxetic Anehit axetri cú cụng thc cu to: Trong cụng thc ny, cacbon ca nhúm CH = cú s oxi hoỏ +1 cũn cacbon ca nhúm CH3 l -3 Nu xỏc nh theo nguyờn tc trờn thỡ s oxi hoỏ trung bỡnh ca cacbon CH3CHO s l -1 (tc l bng (-3+1):2 = -1) Thớ d 4: Xỏc nh s oxi hoỏ ca lu hunh axit thiosunfuric axit ny cú cu to tng t nh axit sunfuric, nhng c mụ t c bi hai cụng thc sau: Trong cụng thc (a) nguyờn t S trung tõm cú s oxi hoỏ +4, nguyờn t S cũn li cú s oxi hoỏ l cụng thc (b) nguyờn t S trung tõm cú s oxi hoỏ l +5 v nguyờn t S l -1 Da vo s thay i s oxi hoỏ ca cỏc nguyờn t tham gia phn ng cú th phõn chia cỏc phn ng hoỏ hc thnh loi: loi th nht khụng cú s thay i s oxi hoỏ c gi l phn ng trao i, loi th cú s thay i s oxi hoỏ ca mt nguyờn t c gi l phn ng oxi hoỏ kh Khỏi nim s oxi hoỏ cng giỳp phõn loi cỏc cht, vớ d chỳng ta xp cỏc hp cht H3PO4 v H4P2O7 vo mt nhúm vỡ s oxi hoỏ ca photpho bng +5 cũn H3PO3 v H4P2O5 c xp vo mt nhúm vỡ s oxi hoỏ ca photpho bng +3 Ngoi s oxi hoỏ cũn dựng lm c s nh ngha phn ng oxi hoỏ - kh v cõn bng phn ng oxi hoỏ kh theo phng phỏp cõn bng electron v phng phỏp ion electron 1.2 Phn ng oxi hoỏ kh Phn ng hoỏ hc ú cú s thay i s oxi hoỏ ca cỏc nguyờn t, c gi l phn ng oxi hoỏ kh Núi cỏch khỏc: phn ng oxi hoỏ kh l phn ng ú cú s cho v nhn electron Thớ d: Phn ng oxi hoỏ - kh no cng gm hai quỏ trỡnh: quỏ trỡnh oxi hoỏ (s oxi hoỏ) v quỏ trỡnh kh (s kh) Trong phn ng trờn Quỏ trỡnh oxi hoỏ l : 2+: S oxi hoỏ tng Quỏ trỡnh kh l: 2+ + 2e ? Cu0 : S oxi hoỏ gim Phn ng: Fe + Cu2+ ? Fe2+ + Cu Trờng đại học công nghiệp h nội 261 giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn Trong phn ng trờn, Fe tng s oxi hoỏ c gi l cht kh (nhng e), cũn Cu2+ gim s oxi hoỏ c gi l cht oxi hoỏ (nhn e) Qua vic phõn tớch trờn, cú th a cỏc nh ngha sau Cht m thnh phn ca nú cú nguyờn t tng s oxi hoỏ c gi l cht kh Quỏ trỡnh oxi hoỏ (s oxi hoỏ) mt cht l quỏ trỡnh lm tng s oxi hoỏ ca nguyờn t cú thnh phn ca cht ú Cht m thnh phn ca nú cú nguyờn t gim s oxi hoỏ c gi l cht oxi hoỏ Quỏ trỡnh kh (s kh) mt cht l quỏ trỡnh lm gim s oxi hoỏ ca nguyờn t thnh phn ca cht ú Trong mi phn ng oxi hoỏ - kh, quỏ trỡnh oxi hoỏ v quỏ trỡnh kh c gi l hai na phn ng vỡ nu cng hai na ny vi s c phn ng oxi hoỏ - kh Trong quỏ trỡnh kh, cht oxi hoỏ b kh v bin thnh cht kh cũn quỏ trỡnh oxi hoỏ, cht kh b oxi hoỏ v bin thnh cht oxi hoỏ, cht oxi hoỏ v cht kh ca cựng mt quỏ trỡnh hp thnh mt cp oxi hoỏ - kh (c kớ hiu l Ox/kh) Vỡ th mt phn ng oxi hoỏ kh phi cú ớt nht hai cp oxi hoỏ kh vớ d trờn, hai cp ú l Cu2+/Cu v Fe2+/Fe Nu dng oxi hoỏ Ox1 ca cp Ox1/Kh1 oxi hoỏ dng Kh2 ca cp Ox2/Kh2 thỡ phn ng oxi hoỏ - kh c vit dng tng quỏt nh sau: n1Ox1 + n2Kh2 n1Kh1 + n2Ox2 1.3 Cõn bng phn ng oxi hoỏ kh Cú nhiu phng phỏp cõn bng phn ng oxi hoỏ - kh Trong giỏo trỡnh ny ch gii thiu hai phng phỏp ch yu Th nht l phng phỏp cõn bng electron, th hai l phng phỏp cõn bng ion-electron a Phng phỏp cõn bng electron Phng phỏp ny da trờn nguyờn tc tng s electron m cht kh nhng i bng tng s electron cht oxi hoỏ nhn Mun cõn bng phn ng oxi hoỏ kh bng phng phỏp ny, trc tin phi vit ỳng phng trỡnh phn ng dng phõn t sau ú xỏc nh ỳng s oxi hoỏ ca cỏc cht kh v cht oxi hoỏ Trờn c s ú tỡm h s ca cht kh, cht oxi hoỏ ri cui cựng cõn bng s nguyờn t hai v thỡ s tỡm c y cỏc h s Vớ d: Cn bng phng trỡnh phn ng sau: Sau xỏc nh c s oxi hoỏ, phi vit c hai quỏ trỡnh oxi hoỏ v quỏ trỡnh kh: Xỏc nh bi s chung nh nht ca v l 12 Ly 12:3 ta c h s ca Al l v 12: ta c h s ca O2 l a cỏc h s ny vo hai na phn ng trờn ri cng hai na phn ng vi nhau, ta c: Trờng đại học công nghiệp h nội 262 giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn 3Al + 3O2 ? 4Al3+ + 2O2Cui cựng a h s tỡm c vo phng trỡnh trờn, ú phng trỡnh c cõn bng 4Al + 3O2 ? 2Al2O3 Vớ d 2: Cõn bng phn ng sau: Sau xỏc nh s oxi hoỏ ca cỏc nguyờn t phn ng, ch thy cú mangan v st thay i s oxi hoỏ Ta vit hai quỏ trỡnh kh v quỏ trỡnh oxi hoỏ: Mn+7 +5Fe2+ Mn+2 + 5Fe+3 Bi s chung nh nht ca v l 5, t ú ta tỡm c cỏc h s cho hai quỏ trỡnh trờn Vic a h s vo phng trỡnh phi nhõn tip vi vỡ cụng thc ca Fe2(SO4)3 cú nguyờn t st 2KMnO4 + 10FeSO4 + H2SO4 ? 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O Tip theo tỡm cỏc h s cũn li, bng cỏch cõn bng cỏc nguyờn t ca cỏc nguyờn t khỏc, õy l K, S, H v O 2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 ? 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 8H2O n õy phng trỡnh phn ng c cõn bng xong Trong phn ng hoỏ kh, cht tham gia vo phn ng khụng ch úng vai trũ l cht oxi hoỏ hay cht kh m nú cũn úng vai trũ l mụi trng cho phn ng Vớ d 3: x Zn 2e ?Zn2+ x N+5 + 8e ? N-3 4Zn0 + N+5 ? 4Zn+2 + N-3 Nh vy, 10 phõn t HNO3 phn ng, ch cú mt phõn t HNO3 lm nhim v oxi hoỏ km, phõn t cũn li úng vai trũ l mụi trng núi cỏch khỏc phõn t ny cú nhim v kt hp vi cỏc ion Zn2+ v cho dung dch trung ho v in b Phng phỏp ion electron Phng phỏp ny cú u im l khụng cn xỏc nh s oxi hoỏ, khụng cn vit phng trỡnh phn ng dng phõn t Ch cn bit c hai cp oxi hoỏ - kh phn ng vi cõn bng c v hon thnh c phn ng dng phõn t Mun thc hin theo phng phỏp ny cn m bo nguyờn tc: Cỏc cht in ly mnh dng ion; cỏc cht khụng in ly, in ly yu, cht khớ, cht khụng tan dng phõn t, tc l cỏc cht tn ti dng tht ca nú Thớ d: Cõn bng v hon thnh phn ng sau dng phõn t T s , ta thy: ion Cl- b oxi hoỏ thnh Cl2 cũn ion b kh thnh ion Mn2+ Tc l cú cp oxi hoỏ - kh phn ng vi nhau, ú l cp Mn /Mn2+ v Cl2/ClBõy gi ta vit hai quỏ trỡnh kh v oxi hoỏ: Cl- ? Cl2 (quỏ trỡnh oxi hoỏ) Trờng đại học công nghiệp h nội 263 giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn Mn ? Mn2+ (quỏ trỡnh kh) Cn chỳ ý, cõn bng bt c mt na phn ng no cng cn phi m bo hai nguyờn tc: Th nht phi bo ton lng (tc l phi lm th no cho s nguyờn t ca cựng mt nguyờn t hai v ca na phn ng phi bng nhau); th hai phi bo ton in tớch (tc l in tớch hai v phi bng nhau) m bo nguyờn tc trờn, trc tiờn phi cõn bng s nguyờn t v phớa trc sau ú mi cõn bng in tớch vớ d trờn, thờm vo Cl- thỡ c: 2Cl ? Cl2 Nh vy v trỏi mang in tớch õm (2.(-1)=-2), cũn v phi trung ho in, vỡ vy cn phi bt i v trỏi e thỡ c v u trung ho in: 2Cl- - 2e ? Cl2 quỏ trỡnh kh, Mn hai v cõn bng, vỡ vy phi cõn bng oxi bng cỏch thờm vo v phi 4H2O, ta c: Khi ú, v phi tha 8H nờn phi thờm vo v trỏi 8H+ thỡ s nguyờn t H hai v bngnhau Bõy gi cõn bng in tớch, ta thy v phi mang in tớch l +2 cũn v trỏi l +7 trung ho in cn thờm vo v trỏi 5e, thỡ c: Kt hp hai na phn ng ri cõn bng s electron cho v nhn, cng hai na phn ng vi thỡ c phng trỡnh dng ion x 2Cl- 2e ? Cl2 x Mn + 8H+ + 5e ? Mn2+ + 4H2O 2Mn + 10Cl- + 16H+?2Mn+2 + 5Cl2 + 8H2O (phng trỡnh ion) Mun vit phng trỡnh phn ng dng phõn t, ta thờm vo hai v cựng mt lng ion trung ho in tớch ca cỏc ion cú phng trỡnh ion, c hai v u thờm 2K+ v 6Cl-, thỡ c: 2KMnO4 + 16HCl ? 2HCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O Phng trỡnh c hon thnh mt s quỏ trỡnh in hoỏ Nng lng ca phn ng hoỏ hc cú th bin i thnh cỏc dng nng lng khỏc nh in nng, quang nng, nhit nng v ngc li cú th bin cỏc dng nng lng khỏc thnh hoỏ nng Nu phn ng hoỏ hc m E ca nú ? in nng: h in hoỏ Nh dũng in m phn ng xy ? h in phõn 2.1 Nguyờn tc bin i hoỏ nng thnh in nng * Xột thớ nghim: Nhỳng Zn vo dung dch CuSO4 Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu ; ?H0298 = -230,12 kj/mol Zn nhng e trc tip cho Cu (vỡ: Cu2+ n b mt Zn nhn 2e ?Cu kt ta) Khi ny nng lng ca phn ng hoỏ hc thoỏt di dng nhit nng Thnh phn h gm: - Zn, Cu: tip xỳc trc tip vi - Zn2+, Cu2+ cựng nm dung dch Trờng đại học công nghiệp h nội 264 giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn * Mun bin nhit ca phn ng trờn thnh in nng, ta lm nh sau: Cho: Zn nhỳng vo dung dch Zn2+ Cu nhỳng vo dung dch Cu2+ Ni Zn vi Cu bng dõy dn Hai dung dch c thụng vi nh cu mui l ng hỡnh ch U ỳp ngc ng dung dch cht in ly tr (NH4NO3, KNO3 , KCl,) Cu mui cú tỏc dng khụng cho dung dch trờn ho trn vo nhau, nhng cho phộp cỏc ion i t in cc ny sang in cc Nh vy: mun cho Nng lng ca phn ng hoỏ hc bin thnh in thỡ cht kh phi nhng e giỏn tip cho cht oxy hoỏ nh mt cht trung gian (dõy dn kim loi) bit: Mun cho e chuyn t Zn ? Cu thỡ phi cú s chờnh lch v hiu in th gia Zn v Cu Nguyờn nhõn no xin mi tỡm hiu phn tip theo 2.2 Th in cc ? Nhỳng kim loi M vo dung dch cha mui ca nú (M2+) thỡ gia b mt kim loi v dung dch bao quanh kim loi luụn phỏt sinh mt lp in kộp Khi t n trng thỏi cõn bng: M ? Mn+ + ne thỡ s xut hin mt hiu in th cõn bng v tr s ca hiu in th cõn bng ph thuc Bn cht ca kim loi Nng ca ion kim loi Mn+ Nhit Hiu in th ny c biu th Vụn (V) v c gi l th in cc Chỳ ý: khụng th o c giỏ tr tuyt i ca th in cc 2.3 Cỏc loi in cc: loi in cc loi 1: l in cc lm vic thun nghch vi cation kim loi Gm cú: in cc kim loi: Mn+/M, phn ng trao i: Mn+ + ne ? M in cc oxy hoỏ - kh: Oxh, Kh/Pt oxh +ne ? kh in cc khớ: iu ch hirụ H+/ H2, Pt: H+ + 1e ? 1/2 H2 in cc loi 2: L in cc lm vic thun nghch vi anion c cu to bi mt kim loi bờn ngoi c ph bng mui khú tan ca kim loi ú v nhỳng vo dung dch cha anion ca mui khú tan Vớ d: a, Ag, AgCl\Cl-: AgCl + 1e ? Ag + Clb, iu ch Calomen: Hg, Hg2Cl2\ Cl-; Hg2Cl2 + 2e ? 2Hg + 2Cl- SO42c, iu ch thu ngõn ISunphat: Hg, Hg2 SO4(r) \ SO42Hg2 SO4 + 2e ? 2Hg + SO42Chỳ ý: Nu Cion = 1M (hoc Pkhớ = 1atm) v lm vic 250C c gi l in cc tiờu chun 2.4 H in hoỏ (Pin Ganvani, nguyờn t Ganvani, nguyờn t, pin) a Cu to ca Pin Ganvani Trờng đại học công nghiệp h nội 265 giáo trình hoá đại cơng http://www.ebook.edu.vn Gm in cc ghộp vi nh: dõy dn ni in cc v cu mui ni dung dch b Quy c quc t v cỏch vit pin in v hot ng ca pin in Ranh gii gia in cc v dung dch c ký hiu bi: | gch thng ng Ranh gii gia dung dch c ký hiu bi: ? gch thng ng Vớ d: Pin Zn-Cu (pin danien jacobi: tờn riờng) (-) Zn | Zn2+ ? Cu2+ | Cu (+) Epin = 1,1(V) >0 in cc trỏi bao gi cng l cc õm: ti cc ny luụn xy s oxi hoỏ in cc phi bao gi cng l cc dng: ti cc ny luụn xy s kh Phn ng xy pin thớ d trờn (theo chiu t din bin) l: + Cc (-): Zn 2e ? Zn2+ + Cc (+): Cu2+ + 2e ? Cu Phng trỡnh phn ng: Zn + Cu2+ ? Zn2+ + Cu? c Sc in ng ca Pin Epin = ?P - ?T = ?c(+)- ?c(-) Epin: sc in ng ca pin ?P: th in cc ca in cc phi ?T: th in cc ca in cc trỏi Chỳ ý: bao gi cng xỏc nh c rt d dng giỏ tr Epin vỡ ch cn mi dng c o vi in cc 2.5 Quan h gia ?G v E ?G = - nE.F ?G0 = - nE0.F 2.6 Phng phỏp xỏc nh th in cc Th in cc tiờu chun a Xỏc nh th in cc ca cỏc in cc Nh trờn núi, khụng th o c th in cc m ch o c sc in ng ca pin Vỡ vy mun xỏc nh th ca cỏc in cc, phi tuõn th cỏc Quy c sau: Ghộp in cc cn xỏc nh th vi in cc hirụ tiờu chun (aH+= CH+ = 1M; PH2 = 1atm) t bờn trỏi v iu chnh cỏch xỏc nh th t bờn phi Vớ d: Xỏc nh ?0Zn2+/Zn=? (-) Pt, H2 | H+ (1M)? Zn2+ (1M)| Zn (+) 250C, P=1atm E0= ?P- ?T = ?0Zn2+/Zn- ?0H+/H2= -0,76(v) Phn ng xy pin l: H2 + Zn+ = 2H+ + Zn E0 = -0,76(V) Epin = E0pin - RT ln Ckh1n1 COxh2n2 NF COxh1n1 Ckh2n Cho na phn ng: oxh + ne ? kh Hay - nh hng ca s thay i nng - nh hng ca s to thnh hp cht ớt tan - nh hng ca s to hp cht phc - nh hng ca mụi trng 2.8 Chiu v trng thỏi cõn bng ca phn ng oxy hoỏ kh a Chiu ca phn ng oxy hoỏ - kh: Chiu t din bin l chiu cú : Nu E=0 thỡ phn ng t ti trng thỏi cõn bng Nu E