Tổng hợp lý thuyết về phản ứng oxi hóa khử trong hóa học vô cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÂY BẮC TẠ THỊ THÙY TỔNG HỢP LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG OXI HĨA-KHỬ TRONG HĨA HỌC VƠ CƠ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC SƠN LA, THÁNG 05 NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÂY BẮC TẠ THỊ THÙY TỔNG HỢP LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG OXI HĨA-KHỬ TRONG HĨA HỌC VƠ CƠ Chun ngành: Hóa vơ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn: ThS Doãn Văn Kiệt SƠN LA, THÁNG 05 NĂM 2018 Lời cảm ơn Thực tế cho thấy, thành công gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ ngƣời xung quanh cho dù giúp đỡ hay nhiều, trực tiếp hay gián tiếp Trong suốt thời gian từ bắt đầu làm khóa luận đến nay, em nhận đƣợc quan tâm, bảo, giúp đỡ thầy cơ, gia đình bạn bè xung quanh Với lịng biết ơn vơ sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành từ đáy lòng đến quý Thầy Cô trƣờng đại học Tây Bắc, thầy giáo tổ mơn Hóa học tồn thể thầy,cơ giáo khoa Sinh- Hóa dùng tri thức tâm huyết để truyền đạt cho chúng em vốn kiến thức quý báu suốt thời gian học tập trƣờng Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo-Thạc sĩ Doãn Văn Kiệt tận tâm bảo hƣớng dẫn em qua buổi học, buổi nói chuyện, thảo luận đề tài nghiên cứu Nhờ có lời hƣớng dẫn, dạy bảo mà khóa luận tốt nghiệp em đƣợc hoàn thành cách xuất sắc nhất.Một lần em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Cuối cùng, em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giáo Trƣơng Thị Hoa tập thể lớp K55 Đại học Sƣ phạm Hóa động viên giúp đỡ em suốt q trình hồn thành khóa luận Bài khóa luận đƣợc thực khoảng thời gian tháng Ban đầu em cịn bỡ ngỡ vốn kiến thức em cịn hạn Do vậy, khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q Thầy Cơ bạn lớp để khóa luận em đƣợc hồn thiện Sơn La, tháng 05 năm 2018 Sinh viên Tạ Thị Thùy MỤC LỤC PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU .1 I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .1 II MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI II.1 MỤC ĐÍCH .2 II.2.NHIỆM VỤ III PHẠM VI NGHIÊN CỨU IV PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU V ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI PHẦN II: NỘI DUNG CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG OXI HÓA-KHỬ 1.1 Một số khái niệm 1.1.1 Phản ứng oxi hóa-khử [4, 7] 1.1.2 Số oxi hóa [3, 4] .3 1.1.3 Chất oxi hóa,chất khử, khử, oxi hóa [3, 4, 7] 1.2.1 Đơn chất chất oxi hóa, chất khử [3] 1.2.2 Các oxiaxit muối chúng chất oxi hóa chất khử [2, 3] .8 1.2.3 Ion kim loại tích điện dƣơng chất oxi hóa, chất khử [3] 1.2.4 Chất khử nguyên tố tích điện âm [3, 6] 10 1.2.5 Trƣờng hợp chất vừa có tính khử vừa có tính oxi hóa [3] .10 1.2.6 Trong số chất, chất oxi hóa chất khử nội phân tử [3] 11 1.2.7 Trong số chất, chất oxi hóa chất khử cịn phụ thuộc vào môi trƣờng tiến hành phản ứng [3, 7] .11 1.3 Cơ chế phản ứng oxi hóa-khử [4] .12 1.3.1 Cơ chế chuyển electron 12 1.3.2 Cơ chế chuyển nguyên tử 13 1.4 Cân phƣơng trình phản ứng oxi hóa-khử 15 1.4.1 Phƣơng pháp thăng electron [3, 1] .15 1.4.2 Phƣơng pháp ion-electron [3, 4, 2] 16 1.4.3 Phƣơng pháp đại số [3] 19 1.5 Các dạng phản ứng oxi hóa-khử phức tạp 19 1.5.1 Phản ứng oxi hóa-khử có hệ số chữ [3, 6] 19 1.5.2 Phản ứng có từ trƣờng hợp thay đổi số oxi hóa trở lên [1, 3, 6] 20 1.5.3 Phản ứng có nguyên tố tăng hay giảm nhiều nấc [2, 3] 21 1.5.4 Phản ứng không xác định rõ môi trƣờng [3, 6, 7] 22 1.6 Thế điện cực, bảng điện cực 22 1.6.1 Điện cực, phân loại điện cực [2, 4] 22 1.6.2 Năng lƣợng Gip sức điện động pin [4, 7] 24 1.6.3 Phƣơng pháp xác định điện cực Thế điện cực chuẩn Bảng điện cực [4] 25 1.7 Các yếu tố ảnh hƣởng đến điện cực 31 1.7.1 Phƣơng trình Nernst [4, 7] 31 1.7.2 Ảnh hƣởng pH đến điện cực [4] 32 1.7.3 Ảnh hƣởng tạo thành hợp chất tan [4] 32 1.7.4 Ảnh hƣởng tạo phức [4] .33 1.7.5 Ảnh hƣởng nhiều yếu tố [2, 5, 7] 33 1.8 Ứng dụng bảng điện cực [4] .35 1.8.1 Lực tƣơng đối chất oxi hóa chất khử 35 1.8.2 Dựa vào điện cực chuẩn viết phản ứng oxi hóa-khử tự diễn biến 36 1.8.3 Tính sức điện động pin Ganvani biến thiên lƣợng Gip điều kiện tiêu chuẩn 37 1.8.4 Dựa vào điện cực chuẩn dự đoán chiều xảy phản ứng (xảy dung dịch mà dung môi nƣớc) .37 1.9 Sự điện phân .39 1.9.1 Sự điện phân [3, 4] .39 1.9.2 Sơ lƣợc - Thứ tự phản ứng điện phân dung dịch nƣớc [3, 4] 40 1.9.3 Định luật Faraday điện phân [3,4] .42 1.10 Phản ứng oxi hóa-khử pin ắc quy [4, 7] 43 1.11 Giản đồ Latimer số ứng dụng quan trọng [4] 44 1.12 Phản ứng oxi hóa-khử mơi trƣờng khơ [4, 6, 7] 47 1.13 Một số ứng dụng phản ứng oxi hóa-khử đời sống [4] 48 CHƢƠNG 2: TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÓNG GÓP CỦA KHÓA LUẬN 50 II.1 Kết nghiên cứu khóa luận 50 2.2 Đóng góp khóa luận 51 CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 52 3.1 Kết luận .52 3.2 Khuyến nghị 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ CÁC HÌNH Bảng 2.1.1: Bảng tóm tắt tính oxi hóa, tính khử nguyên tố bảng hệ thống tuần hoàn Hình 6.3.1: Điện cực hidro tiêu chuẩn 27 Hình 6.3.2: Sơ đồ cách đo điện cực điện cực kẽm 28 Bảng 6.3.1: Thế khử tiêu chuẩn số kim loại .30 Hình 10.2: Sơ đồ cách lắp pin Daniel 43 PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong thập kỷ qua, giáo dục có bƣớc phát triển đáng ghi nhận, góp phần quan trọng vào việc nâng cao dân trí,đào tạo nhân lực cho công xây dựng, bảo vệ đổi đất nƣớc.Tiếp tục thực chủ trƣơng đổi bản, toàn diện giáo dục đào tạo (GD &ĐT) mà Nghị Hội nghị Trung ƣơng khóa XI (NQ 29-NQ/TW) đề ra, Đại hội Đảng lần thứ XII đề phƣơng hƣớng: Giáo dục quốc sách hàng đầu Phát triển GD & ĐT nhằm nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực bồi dƣỡng nhân tài Chuyển mạnh trình giáo dục từ chủ yếu trang bị kiến thức sang phát triển toàn lực phẩm chất ngƣời học Phát triển GD & ĐT phải gắn với nhu cầu phát triển KT-XH, xây dựng bảo vệ Tổ quốc, với tiến khoa học, công nghệ; phấn đấu năm tới, tạo chuyển biến bản, mạnh mẽ chất lƣợng, hiệu GD & ĐT; phấn đấu đến năm 2030, giáo dục Việt Nam đạt trình độ tiên tiến khu vực Để đạt đƣợc nhiệm vụ mục tiêu đề địi hỏi tính linh hoạt cao ngƣời dạy lẫn ngƣời học Linh hoạt tức phải tự tìm tịi, khám phá, lĩnh hội tri thức nâng cao phẩm chất, lực Ở quốc gia có giáo dục phát triển, phƣơng pháp giúp trẻ tự học đƣợc áp dụng từ vào lớp Còn Việt Nam làm tốt việc dạy chữ nhƣng dạy học cịn phải bàn nhiều Một nguyên nhân phải nói đến chất lƣợng giáo viên, khơng thể phủ nhận nƣớc ta có nhiều giáo viên, nhƣng có giáo viên dạy giỏi Đại phận dạy theo cách thời bao cấp Ngƣời thầy giỏi phải ngƣời trao cho học sinh cần dạy cho cậu cách câu cá kiến thức trao cho cậu cá Đúng vậy, phƣơng pháp giáo dục Việt Nam đƣợc cải tiến số phận trƣờng học với mục tiêu đƣa ngƣời học làm trung tâm, giáo viên ngƣời điều khiển hƣớng dẫn.Để đạt đƣợc kết cao chuẩn bị giáo viên học sinh phải thật chu đáo,kỹ lƣỡng Việc điều khiển hiệu bên cạnh kỹ quản lý tốt,phải địi hỏi đến u cầu chun mơn ngƣời giáo viên linh hoạt tự nghiên cứu làm chủ kiến thức học sinh Muốn ta phải trau dồi kiến thức,siêng tìm hiểu nhiều tài liệu để tìm hiểu nguyên nhân sâu sa, trực tiếp giúp việc thâu tóm tổng hợp kiến thức.Chính tài liệu tổng hợp vấn đề cần thiết quan trọng Phản ứng oxi hóa-khử trình quan trọng thiên nhiên Sự hơ hấp, q trình thực vật thu khí cacbonic giải phóng khí oxi, trao đổi chất hàng loạt q trình sinh học có sở phản ứng oxi hóa-khử Sự đốt cháy nhiên liệu động cơ,các trình điện phân, phản ứng xảy pin, ăcquy bao gồm oxi hóa khử Hàng loạt q trình sản xuất nhƣ luyện kim, chế tạo hóa chất, chất dẻo,dƣợc phẩm, phân bón hóa học…đều khơng thể thực đƣợc thiếu phản ứng oxi hóa-khử Hơn kỳ thi THPT quốc gia, câu hỏi phản ứng oxi hóa-khử thƣờng xuất nhiều Nếu bạn nắm kiến thức, hiểu sâu tập phản ứng oxi hóa-khử trở nên đơn giản, khơng có làm khó bạn Do giới hạn thời gian, xin đề cập đến nội dung phản ứng oxi hóakhử hóa học vơ Với lý tơi chọn nghiên cứu “Tổng hợp lý thuyết phản ứng oxi hóa-khử hóa học vơ cơ” II MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI II.1 MỤC ĐÍCH - Tổng hợp vấn đề chung phản ứng oxi hóa-khử hóa học vơ - Làm tài liệu tham khảo bổ ích cho học sinh, sinh viên học phản ứng oxi hóa-khử II.2.NHIỆM VỤ - Nghiên cứu cách tìm hiểu, so sánh, phân tích đánh giá tài liệu tham khảo để đƣa tổng quan nội dung - Tìm hiểu đọc nhiều tập liên quan đến phản ứng oxi hóa khử để đƣa nội dung dễ hiểu III PHẠM VI NGHIÊN CỨU Tìm hiểu qua sách ,báo, giáo trình, tài liệu tham khảo liên quan đến phản ứng oxi hóa-khử IV PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Đọc nghiên cứu tài liệu - Phân tích, đánh giá kết hợp giải tập, tra bảng V ĐĨNG GĨP CỦA ĐỀ TÀI Đề tài hồn thành tài lệu tham khảo cho sinh viên khối nghành chun hóa khơng chun trƣờng chuyên nghiệp; cho giáo viên, học sinh số trƣờng phổ thông hiểu sâu phản ứng oxi hóa-khử hóa học vơ PHẦN II: NỘI DUNG CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG OXI HÓA-KHỬ 1.1 Một số khái niệm 1.1.1 Phản ứng oxi hóa-khử [4, 7] - Cơ sở hình thành khái niệm: Dựa vào thay đổi số oxi hóa nguyên tố chất tham gia phản ứng phân phản ứng hóa học thành hai loại: Phản ứng khơng có thay đổi số oxi hóa nguyên tố, ngƣời ta thƣờng gọi loại phản ứng phản ứng trao đổi; Phản ứng có thay đổi số oxi hóa số nguyên tố, loại phản ứng đƣợc gọi phản ứng oxi hóa-khử - Khái niệm: Phản ứng oxi hóa-khử phản ứng hóa học có tăng, giảm số oxi hóa số nguyên tố - Phân loại phản ứng oxi hóa - khử Có thể chia phản ứng oxi hóa khử thành ba loại: + Phản ứng phân tử: Trong phản ứng loại chuyển electron xảy phân tử Đây loại phản ứng oxi hóa khử phổ biến Ví dụ: 2KMnO4 + 16HCl  2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O + Phản ứng tự oxi hóa khử (phản ứng dị li): Trong phản ứng loại chất phân li thành hai chất khác chất mức oxi hóa cao chất mức oxi hóa thấp -1 +5  5K Cl +K Cl O3 +3H 2O Ví dụ: Cl2 +6KOH  +3 +5 +2 3H N O2   H N O3 +2 N O  +H 2O + Phản ứng nội phân tử: Trong phản ứng loại chuyển electron xảy nguyên tử nguyên tố nằm phân tử t Ví dụ: NH4NO3  N2O + 2H2O t , MnO  2KCl + 3O2 2KClO3  1.1.2 Số oxi hóa [3, 4] a, Cơ sở hình thành khái niệm Theo thuyết “điện hóa trị”, tất hợp chất hóa học tồn liên kết ion Điện hóa trị có giá trị dƣơng âm Từ hình thành khái niệm số oxi hóa - Ở cực dƣơng (anot) xảy phản ứng: 4OH-  O2 + 2H2O + 4e hay 2H2O  O2 + 4H+ + 4e Vì anion đơn giản nhƣ Cl-, Br-, I-, … phóng điện đƣợc cực dƣơng, nhiều anion gốc axit phức tạp nhƣ SO42- , NO3- , ClO4- … khơng bị oxi hóa (khi H2O bị oxi hóa) 1.9.2 Sơ lƣợc - Thứ tự phản ứng điện phân dung dịch nƣớc [3, 4] - Trên thực tế để quan sát đƣợc thực nghiệm trình khử cation kim loại catot, áp vào catot thƣờng phải âm khử chuẩn kim loại; để quan sát đƣợc oxi hóa anion anot, áp vào thƣờng phải cao khử chuẩn anion - Ngƣời ta gọi hiệu cần phải đặt vào hai điện cực để xảy phóng điện ion điện cực phân hủy (Ephân hủy) Hiệu phân hủy với sức điện động chuẩn pin điện hóa tạo hai cặp oxi hóa khử tham gia phản ứng điện cực điện phân (thƣờng gọi sức điện động phân cực, E phân cực) đƣợc gọi (quá thế) = Ephân hủy – Ephân cực Ta có: Ephân hủy = Eanot – Ecatot ; Ephân cực = E0anot - E0catot Với Ecatot, Eanot thực tế phải đặt vào catot anot để xảy phóng điện điện cực E0anot , E0catot khử chuẩn cặp oxi hóa – khử tham gia phản ứng anot catot   = (Eanot – Ecatot) - (E0anot - E0catot) = (Eanot – E0anot) – (Ecatot –E0catot) = a - c Với: c = Ecatot – E0catot catot; a = Eanot – E0anot anot + Ecatot < E0catot nên c âm; Eanot >E0anot nên a dƣơng + Nếu catot trình khử ion kim loại thành kim loại c  V Ví dụ: Khi điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực Pt Tại catot: Cu2+ + 2e  Cu; Tại anot: 2H2O  4H+ + 2O2 + 4e  hình thành pin phân cực có sơ đồ: Cu│Cu2+║ H+│O2, Pt  Ephân cực = E 0O2 / H2O  E 0Cu2 / Cu ; c = Ecatot -  Có nhiều loại thế: 40 E 0Cu2 / Cu ; a = Eanot - E 0O2 / H2O - Quá hóa học: liên quan đến lƣợng hoạt động hóa phản ứng hóa học trƣớc trao đổi ion xảy Có thể khắc phục hóa học cách sử dụng chất xúc tác điện hóa đồng thể dị thể - Quá hoạt động hóa: liên quan đến lƣợng hoạt động hóa trình trao đổi electron ion với bề mặt điện cực - Quá nồng độ: xuất giảm (hoặc tăng) nồng độ ion vùng gần bề mặt điện cực -Quá bọt khí: xuất chậm giải hấp bọt khí khỏi bề mặt điện cực - Quá điện trở: liên quan với sụt điện trở dung dịch, … Quá phụ thuộc vào vật liệu dùng làm điện cực, chất ion dung dịch điện li mật độ dòng điện lƣu thông điện cực, nhiệt độ yếu tố khác  Q có vai trị lớn lao điện hóa học ứng dụng Để minh họa, xem xét điện phân dung dịch chứa Zn2+ H+ với điện cực Zn Giả sử [Zn2+] = [H+] = 1M Zn2+ + 2e  Zn; E0Zn 2H+ + 2e H2; E02H  2+ /Zn /H = - 0,763V ; = 0,000V Nếu vào khử chuẩn E0 ta tiên đốn H+ phóng điện trƣớc (ngay catot đạt giá trị 0,000V) H2 thoát catot dƣới hiệu điện thấp nhiều so với hiệu điện cần thiết để giải phóng kẽm Tuy nhiên H Zn khoảng - 1V khiến cho điện phân Zn lại đƣợc giải phóng trƣớc catot H + phóng điện nồng độ Zn 2+ giảm tới mức Zn2+/Zn trở nên nhỏ hiđro E Zn 2 / Zn  1V )  Khi điện phân: - Chất bị khử trƣớc catot (cực âm) chất sau tính đến q khử lớn - Chất bị oxi hóa anot (cực dƣơng) chất sau tính đến q khử nhỏ Từ thực nghiệm người ta nhận thấy điện phân dung dịch nước với điện cực trơ: 41 - Tại catot (cực âm) xảy trình khử M +, H+ (axit), H2O theo quy tắc: + Các cation nhóm IA, IIA Al3+ khơng bị khử (khi H2O bị khử) + Các ion H+ (axit) cation kim loại khác bị khử theo thứ tự dãy điện cực chuẩn (ion có tính oxi hóa mạnh bị khử trƣớc) + Các ion H+ (axit) dễ bị khử ion H+ (H2O) - Tại anot (cực dƣơng) xảy q trình oxi hóa anion gốc axit, OH – (bazơ kiềm), H2O theo quy tắc: + Các anion gốc axit có oxi nhƣ NO3-, SO42–, PO43–, CO32–, ClO4-…khơng bị oxi hóa + Các trƣờng hợp khác bị oxi hóa theo thứ tự: S2– > I– > Br– > Cl– > RCOO– > OH– > H2O Lưu ý: - Nếu anot điện cực trơ anot bị oxi hóa (hịa tan) điện phân Ví dụ điện phân dung dịch CuSO4 với điện cực Cu anot Cu bị oxi hóa theo phản ứng: Cu  Cu2+ + 2e - Ngoài phản ứng điện cực (phản ứng điện hóa) cịn có phản ứng phụ (phản ứng hóa học) Ví dụ: Khi điện phân dung dịch NaCl với điện cực trơ: đp 2NaCl + 2H2O  2NaOH + H2 + Cl2 Nếu khơng có màng ngăn xảy phản ứng phụ: 2NaOH + Cl2  NaCl + NaClO + H2O - Khi điện phân nóng chảy Al2O3 với anot than chì: đpnc  4Al + 3O2 2Al2O3  O2 sinh phản ứng với anot than chì: 2C + O2  2CO; C + O2  CO2 1.9.3 Định luật Faraday điện phân [3,4] m= A It  n F Trong đó: m: khối lƣợng chất giải phóng điện cực (gam) ; A: khối lƣợng mol chất thu đƣợc điện cực ; n: số electron trao đổi điện cực ; I: cƣờng độ dòng điện (A); t: thời gian điện phân (s); F: số Faraday điện tích mol electron hay điện lƣợng cần thiết để mol electron chuyển dời mạch catot anot (F = 96500 C.mol-1) Lưu ý: - Khi bình điện phân mắc nối tiếp I chạy qua bình nhƣ - Số mol electron chạy qua bình điện phân (tham gia phản ứng điện cực): 42 ne  I.t nF - Khi thời gian tính F nhận giá trị 26,8 1.10 Phản ứng oxi hóa-khử pin ắc quy [4, 7] - Pin điện hóa hệ gồm hai điện cực (khác nhau) nhúng vào dung dịch điện li hai dung dịch chất điện li khác đƣợc nối với cầu muối - Nguyên tắc: từ phản ứng oxi hóa-khử tạo pin Ganvani cách cho q trình oxi hóa trình khử thực hai điện cực tách biệt đƣợc nối với dây dẫn Điện cực xảy trình khử điện cực dƣơng (catot), điện cực xảy trình oxi hóa điện cực âm (anot) Ví dụ: Xét chi tiết hoạt động pin Daniel + Mô tả cách tiến hành lắp pin e e ZnSO4 CuSO4 Hình 10.1: Sơ đồ cách lắp pin Daniel Đầu tiên, điện cực Zn đƣợc ghép với điện cực Cu ống chữ U úp ngƣợc đựng đung dịch chất điện li trơ (nhƣ NH4NO3, KNO3, KCl, Na2SO4…) gọi cầu muối, Cầu muối có tác dụng khơng hai dung dịch hai điện cực hòa trộn vào nhƣng cho phép ion dƣ từ cựa sang cực Hai đầu điện cực nối với dây dẫn có nối dụng cụ đo hiệu điện (Vôn kế) + Nguyên tắc hoạt động Nhƣ biết so với đồng, kẽm kim loại dƣơng điện hơn( hoạt động mạnh hơn) nên mật đọ electron điện cực kẽm lớn điện cực đồng Do đó, nối hai điện cực với dây dẫn, electron chay theo mạch từ kẽm sang đồng Khi dung vôn kế thấy dòng diện chạy từ điện cực Cu sang điện cực Zn Quy ƣớc: điện cực Cu đƣợc gọi điện cực dƣơng (+); điện cực Zn đƣợc gọi điện cực âm (-) 43 Nếu thay vôn kế bóng đèn bóng đèn sáng, chứng tỏ phản ứng hai điện cực sản sinh dòng điện Nhƣ tạo nguồn điện hóa gọi pin Ganvani + Kết quả: Sau thời gian làm việc điện cực Zn bị “mòn đi”, điện cực Cu “lớn lên” + Sơ đồ pin: (-) Zn│ZnSO4║CuSO4│Cu (+) Ký hiệu nghĩa điện cực Cu, Cu kim loại tiếp xúc với dung dịch muối Cu; điện cực Zn, Zn kim loại tiếp xúc với dung dịch muối Zn Hai dung dịch Cu Zn tiếp xúc với qua cầu muối + Phản ứng xảy hai điện cực: Catot (+): Cu2+ +2e→Cu Anot (-): Zn -2e→Zn2+ - Sức điện động pin Ganvani + Khi pin làm việc điều kiện định, giá trị đọc vơn kế hiệu điện hai điện cực điều kiện cho Hiệu điện đƣợc gọi sức điện động pin + Kí hiệu: Epin Epin = E(+) – E(-) = Ecatot - Eanot - Giống nhƣ điện cực, sức điện động pin phụ thuộc vào chất, nồng độ, nhiệt độ áp suất chất tham gia phản ứng oxi hóa khử xảy pin 1.11 Giản đồ Latimer số ứng dụng quan trọng [4] a, Giản đồ Latimer (Giản đồ khử- khử) - Latimer ngƣời dẫn đầu việc áp dụng nhiệt động học hóa học vơ ±m ±n E ,V  Kh - Kí hiệu: Ox  Trong Ox Kh dạng oxi hóa dạng khử nửa phản ứng ± m, ± n số oxi hóa nguyên tố E0 khử chuẩn nửa phản ứng (Đƣợc tính Von) - Nếu ngun tố tồn số trạng thái oxi hóa biểu diễn chuẩn tra đƣợc từ bảng tra cứu riêng rẽ thành dãy theo nửa phản ứng dƣới dạng giản đồ Latimer thuận lợi cho ta thông tin hữu ích 44 Ví dụ:các nửa phản ứng sau Cu2+ +1e→Cu+ E0 = 0,159V Cu+ + 1e→Cu E0 = 0,520V Cu2+ + 2e→Cu E0 = 0,34V Để đơn giản ta sử dụng giản đồ Latimer 0,56V 2,27V 0,95V 1,50V -1,18V MnO4-   MnO42-   MnO2   Mn3+   Mn 2+   Mn 0,340V b, Một số ứng dụng quan trọng Giản đồ Latimer  Dự đốn trạng thái oxi hóa bề ngun tố Xét hai nửa phản ứng cạnh nhau, theo chiều giảm dần số oxi hóa nguyên tử trung tâm, nếu: - Thế bên phải lớn bên trái => Tiểu phân bền, có khả tự oxi hóa-khử thành hai thành phần lân cận Ngƣời ta gọi “dị phân” Ví dụ: sơ đồ trên, ta thấy Cu+ không bền bị dị phân thành Cu2+ Cu+ Giải Giả sử có phản ứng: 2Cu+ → Cu2+ + Cu Ta có bán phản ứng sau: +1 Cu + +1e  Cu ;E =0,520V +1 +2 Cu +  Cu 2+ +1e;-E =-0,159V 2Cu +  Cu 2+ +Cu;E 0pu  0,520  0,159  0,361V Nhận thấy E0pƣ > nên ∆G0 < 0, nên phản ứng diển theo chiều thuận Cu+ không bền bị phân hủy thành Cu2+ Cu - Thế bên phải nhỏ bên trái => tiểu phân bền, hai tiểu phân lân cận phản ứng với để tạo số oxi hóa trung gian (Chính tiểu phân bền ) Ngƣời ta gọi “hợp phân” Ví dụ: Trong giản đồ Latimer sắt ta thấy: E0Fe 3+ /Fe2+  E0Fe2+ /Fe Nghĩa Fe2+ bền với dị phân, Fe3+ Fe chịu hợp phân, tức chúng tƣơng tác với để tạo Fe2+ 45 +3 +2 Fe3+ +2e  Fe 2+ ;E =0,77V +2 Fe  Fe2+ +2e;-E =0,44V 2Fe3+ +Fe  3Fe 2+ ;E 0pu =0,77+0,44=1,21V Thế phản ứng tổng cộng 1,21V nên hợp phân xảy dễ dàng  Tính khử chuẩn cặp oxi hóa-khử khơng gần 0 EA/B EB/C EC/D A   B   C  D +n1e +n2e +n3e Ta có cơng thức sau: E 0A/D = n1E 0A/B +n2E 0B/C +n3E C/D n1+n2+n3 Công thức cho n trình Cách khác nữa, ta viết trình xảy sau cộng tổng q trình lại ta ta tính đƣợc q trình tổng thơng qua trình thành phần Vậy dựa vào giản đồ ta tính đƣợc cặp oxi hóa khơng gần  Dự đoán sản phẩm phản ứng Ứng dụng giản đồ Latimer tiên đốn sản phẩm phản ứng chất chứa nguyên tố có vài trạng thái oxi hóa 1,70V 1,40V 1,45V 0,54V H5IO6   IO3-   HIO   I3-   I- +1,20V 0,56V 2,27V 0,95V 1,50V -1,18V MnO4-   MnO42-   MnO2   Mn3+   Mn 2+   Mn 1,70V 1,23V Từ giản đồ ta thấy tiểu phân không bền dị phân HOI, MnO 42- Mn3+ Ngoài ra, Mn không bền môi trƣờng axit nên ta khơng cần xét đến chúng Do giản đồ cần xem có dạng nhƣ sau: 1,70V 1,20V 0,54V H5IO6   IO3-   I3-   I1,70V 1,23V MnO4-   MnO2   Mn 2+ - Nếu phản ứng iotdua pemanganat tiến hành cho iotdua dƣ (nhỏ giọt dung dịch pemanganat vào dung dịch axit clohidric) sản phẩm phản ứng cần phải phú hợp với diện ion iotdua Do iotdat khơng thể hình thành đƣợc, tác dụng với iodua để tạo thành I3- (sự hợp phân) Tƣơng 46 tự, mangan dioxit khơng hình thành có khả oxi hóa iodua Vì phản ứng tổng cộng là: 15I- + 2MnO4- +16H+ → 5I3- +2Mn2+ +8H2O - Nếu tiến hành nhỏ cho pemanganat dƣ sản phẩm phản ứng phải phù hợp với hện diện pemanganat Do ion Mn2+ khơng thể hình thành phản ứng với ion pemanganat tạo mangan đioxit (sự hợp phân) Iotdua không bị oxi hóa hồn tồn đến I3- ion I-3 có khả khử ion pemanganat Sự thực nửa phản ứng H3IO6-IO3- MnO4- -MnO2 độ lớn tƣơng tự nên làm phức tạp thêm vấn đề Do ta thấy ion iodua khơng bị oxi hóa hết đến iodat axit peiodic mà tới hỗn hợp sản phẩm: I- + 2MnO4- +2H+ → IO3- + 2MnO2 + H2O 3I- + 8MnO4- + 11H+ + 2H2O→ 3H5IO6 + 8MnO2 Ở lƣợng dƣ chất thay đổi dẫn tới sản phẩm khác 1.12 Phản ứng oxi hóa-khử mơi trƣờng khơ [4, 6, 7] Nhƣ biết, dung dịch biểu thức tính ∆G0 có dạng ∆G0 = -nE0pinF Trong mơi trƣờng khơ, phản ứng hóa học, ∆G0 liên quan với nhiệt phản ứng ∆H0 biến thiên entropi ∆S0 phản ứng đƣợc biểu diễn theo công thức sau: ∆G0 = ∆H0 - T∆S0 Hoặc ∆G0 = ∆G02 - ∆G01 Nếu ∆G0 < 0, phản ứng tự xảy ra, theo chiều thuận ∆G0 > 0, phản ứng không tự xảy ra, cân chuyển dịch theo chiều ngƣợc lại, chuyển dịch theo chiều nghịch ∆G0 = ,phản ứng đạt trạng thái cân Ví dụ: Xét phản ứng sau: CaCO3 (rắn) → CaO(rắn) + CO(khí) ,biết: ∆H0298 -1205,93 -634,94 S0298 92,63 39,71 ∆G0298 -1129 -604 -392,92 (kJ/mol) 213,31 (J/mol.K) -394,38 (kJ) Xác chiều chuyển dịch cân phản ứng? Cách1: ∆G0298 =[ ∆G0298(CaO) + ∆G0298(CO2)] - ∆G0298(CaCO3) = [-604 + (-394,38) ] – ( -1129) = 130,62kJ >0 Cách 2: ∆H0298 = [ ∆H0298(CaO) + ∆H0298(CO2) ] - ∆H0298(CaCO3) 47 = [ -634,94 + ( -392,92) ] – (-1205,93 = 178,07kJ = 178070J ∆S0298 = [ S0298( CaO) + S0298(CO2) ] - S0298(CaCO3) = [ 39,71 + 213,31 ] – 92,63 = 160,39 J/K ∆G0298 = ∆H0298 -T∆S0298 = 178070 – 298 x 160,39 = 130273,78J >0 Nhận thấy ∆G0298 > 0, phản ứng không tự xảy điều kiện T= 298K 1.13 Một số ứng dụng phản ứng oxi hóa-khử đời sống [4] a) Ý nghĩa phản ứng oxi hóa-khử đời sống Trong đời sống: cháy xăng dầu động đốt trong, cháy than, củi, trình điện phân, phản ứng xảy pin, ắc quy Trong sản xuất: trình sản xuất hóa học nhƣ: luyện gang , luyện thép, luyện nhơm, sản xuất hóa chất nhƣ xút, axit clohidric, axit nitric, sản xuất phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, dƣợc phẩm… b) Một số ứng dụng quan trọng phản ứng oxi hóa-khử đời sống *) Pin đời sống Các phản ứng thƣờng dùng khác nửa phản ứng nửa pin nhƣng chúng hoạt động theo ngun lí điện hóa mà xét Dựa vào ứng dụng thực tế ngƣời ta phân thành số loại pin: - Pin sơ cấp: pin không nạp điện lại đƣợc, nên dùng đƣợc lần, chúng bị “chết” hợp phần đạt đến nồng độ cân - Pin cấp hai, pin tái nạp (còn gọi ắc quy) pin nạp điện lại đƣợc, pin hết điện nạp điện để tái tạo lại chất phản ứng - Pin nhiên liệu: pin mà chất phản ứng ( chất khử thƣờng nhiên liệu rẻ tiền, có sẵn nhƣ hidro, hidrocacbon, amoniac, hidrazin; chất oxi hóa oxi) đƣợc nạp vào pin sản phẩm khỏi pin Điện phát sinh thơng qua oxi hóa nhiên liệu có điều khiển *) Trong điện phân Phƣơng pháp điện phân đƣợc sử dụng rộng rãi thực tế sản xuất phịng thí nghiệm nghiên cứu - Trong cơng nghiệp hóa chất, điện phân thƣờng đƣợc dùng để tách lấy đơn chất từ hợp chất, nhiều trình điện phân giữ vai trò then chốt nhƣ: 48 + Sản xuất NaOH, Cl2 phƣơng pháp điện phân dung dịch NaCl đậm dặc Do Oxi lớn nên sản phẩm thu đƣợc NaOH, H2 Cl2 Các sản phẩm nguyên liệu đƣợc lựa chọn hàng đầu cho trình sản xuất khác Hơn Cl2 mƣời hóa chất đƣợc sản xuất nhiều nhất, lợi dụng việc sử dụng để điện phân nên nhà sản xuất thu lợi hàng tỉ đô la cho việc sẩn xuất + Sản xuất Al phƣơng pháp điện phân Al2O3 nóng chảy có thêm Na3AlF6 để giảm nhiệt độ nóng chảy nhôm oxit + Sản xuất KClO3 phƣơng pháp điện phân dung dịch KCl dặc, nóng… + Sản xuất khí H2, O2 phƣơng pháp điện phân dung dịch K2SO4, H2SO4, NaOH…Thực chất điện phân nƣớc, chất muối , axit, kiềm đóng vai trò làm tăng độ dẫn điện dung dịch + Điều chế, tinh chế kim loại tinh khiết + Đúc đồ vật kim loại +Mạ điện… *) Ăn mịn kim loại hợp kim Q trình phá hủy cấu trúc kim loại hợp kim dƣới tác dụng môi trƣờng xung quanh đƣơc gọi ăn mòn kim loại hợp kim Sự ăn mòn gây nguy hại đến tàu biển, xe cộ, nhà cửa, cầu cống,cơng trình xây dựng…Gây thiệt hại hàng tỉ la năm cho nƣớc Bởi nghiên cứu quy luật ăn mòn đề xuất phƣơng pháp chống ăn mòn vấn đề lớn toàn giới 49 CHƢƠNG 2: TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÓNG GÓP CỦA KHÓA LUẬN II.1 Kết nghiên cứu khóa luận Trong q trình nghiên cứu hồn thành khóa luận tơi thu thập đƣợc số kết nhƣ sau:  Tìm hiểu khái niệm phản ứng oxi hóa-khử,chất oxi hóa, chất khử đƣa để phân loại phản ứng oxi hóa-khử Đồng thời đƣa cách để nhận biết nhanh vai trò chất phản ứng  Tóm lƣợc nội dung chế xảy phản ứng oxi hóa-khử  Đƣa lý thuyết cân phản ứng oxi hóa-khử, sở lý thuyết phân dạng tập từ đơn giản đến dạng phức tạp Có nêu nguyên tắc cách giải, với lời giải chi tiết để cân phƣơng trình nhanh Phân tích ví dụ để thấy rõ cách tối ƣu hóa thời gian giải cách cân nhanh so với cách cân truyền thống Mục đích rút ngắn thời gian cân thi cử  Tìm hiểu điện cực, điện cực cách phân loại điện cực Thơng qua lập đƣợc bảng điện cực kim loại Dựa vào điện cực xét khả diễn biến phản ứng Xem phản ứng có diễn hay khơng, theo chiều thuận hay chiều nghịch Các yếu tố ảnh hƣởng đến điện cực  Tìm hiểu thế, thứ tự điện phân dung dịch nƣớc Những ý thứ tự điện phân cực anot catot, kết hợp định luật Faraday để giải tập Những dạng tập hay có nhiều kỳ thi quốc gia  Cần phải phân biệt đƣợc trình xảy pin điện dung dịch Các trình xảy anot catot nhƣ nhau, nhƣng khác tên gọi cực ( cực âm hay cực dƣơng)  Phản ứng oxi hóa-khử mơi trƣờng khơ có điểm khác so với dung dịch Trong môi trƣờng khô ∆G0 liên quan với nhiệt phản ứng ∆H0 biến thiên entropi ∆S0 phản ứng đƣợc biểu diễn theo công thức sau: ∆G0 = ∆H0 - T∆S0 50  Cuối số ứng dụng phản ứng oxi hóa-khử đời sống tƣợng đƣợc giải thích phƣơng diện hóa học có liên quan đến phản ứng oxi hóa-khử 2.2 Đóng góp khóa luận  Đóng góp với ngƣời học: cung cấp thêm tri thức, hình thành khả tổng hợp vấn đề từ nhiều nguồn tài liệu khác  Đóng góp với tập thể: Đề tài hồn thành tài lệu tham khảo cho sinh viên khối nghành chuyên hóa khơng chun trƣờng chun nghiệp, thầy cô giáo số trƣờng phổ thông giúp hiểu sâu phản ứng oxi hóa-khử 51 CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 3.1 Kết luận  Phản ứng oxi hóa-khử phản ứng vơ quan trọng đời sống, đặc biệt dạng tập liên quan nhiều kỳ thi quốc gia Chính cần phải lƣu ý nội dung đáng quan tâm học nhƣ giảng dạy Những nội dung đáng lƣu ý cụ thể nhƣ: (Ở tơi xin nói đến điểm lƣu ý làm bài) + Biết cách xác định số oxi hóa cách nhanh + Xác định vai trị chất phản ứng hóa học, ý đến yếu tố mơi trƣờng Một chất vừa đóng vai trị chất oxi hóa, vừa mơi trƣờng + Cách cân phản ứng oxi hóa-khử; khơng có phƣơng cân tối ƣu, cần vận dụng linh hoạt phƣơng pháp để cân nhanh + Hiểu rõ trình xảy điện phân nhƣ xảy pin điện Tại catot ln xảy q trình khử, anot ln xảy q trình oxi hóa Trong pin điện, catot cực dƣơng, anot cực âm Trong bình điện phân, catot cực âm, anot cực dƣơng + Nắm vững lý thuyết thứ tự điện phân, với chất đƣợc tạo cation kim loại kiềm anion gốc axit có chứa oxi  Trong cấp học, mức độ kiến thức đƣợc giới hạn định, nội dung phản ứng oxi hóa-khử Ở cấp học THCS, chất phản ứng đƣợc hình dung cách sơ khai nhƣờng nhận oxi, chƣa có tính khái qt dẫn đến việc cân dừng lại phản ứng oxi hóa-khử đơn giản Đối với cấp THPT, chất phản ứng thay đổi số oxi hóa số nguyên tố gắn liền với nhƣờng, nhận electron Nó mang tính khái qt so với cấp THCS Học sinh cân đƣợc phản ứng oxi hóa-khử phức tạp phƣơng pháp cân khác Vận dụng vào việc dự đốn, giải thích tính chất hóa học chất nhƣ giải tốn hóa học cách nhanh chóng xác 3.2 Khuyến nghị + Đối với học sinh: thói quen em hay dùng cân phản ứng oxi hóakhử cân theo cách thông thƣờng (nhẩm số nguyên tử tham gia số nguyên tử tạo thành) mà không sử dụng nhiều phƣơng pháp bảo toàn electron hay phƣơng pháp khác, làm cho việc cân trở lên khó khăn thiếu xác Nhất 52 cân có thêm chất làm mơi trƣờng Vì vậy, dẫn đến cảm giác chán nản bỏ qua đọc đề thi cử Để khắc phục tình trạng đó, em cần rèn luyện thêm nhiều tập học cách cân theo phƣơng pháp khác Khi nghiên cứu tài liệu này, nên xem kỹ lý thuyết thử làm tập theo cách hiểu Sau đối chiếu với cách giải, làm nhiều tập tự đúc kết cho bạn kinh nghiệm nhƣ phản xạ nhanh làm tập + Đối với giáo viên: cần khai thác nhiều dạng tập liên quan phản ứng oxi hóa-khử hƣớng dẫn học sinh giải theo nhiều cách khác Chú ý cách giải nhanh tiết kiệm thời gian để phù hợp với xu hƣớng dạng tập trắc nghiệm nhƣ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Duy Ái (2005), Một số phản ứng hóa vơ cơ, NXB Giáo dục Nguyễn Duy Ái (2007), Cơ sở lý thuyết phản ứng hóa học, NXB Giáo dục Hà Nội Ngô Ngọc An, Nguyễn Trọng Thọ (2006) , Phản ứng oxi hóa-khử điện phân, NXB Giáo dục TrầnThị Đà - Đặng Trần Phách (2004), Cơ sở lý thuyết phản ứng hóa học NXB Giáo dục Vũ Đăng Độ - Trịnh Ngọc Châu – Nguyễn Văn Nội (2007), Bài tập sở lý thuyết trình hóa học, NXB Giáo dục Cao Cự Giác (2005), Tuyển tập giảng Hóa học vơ cơ, NXB Đại học sƣ phạm Hồng Nhâm (2006), Hóa học vô Tập 1, NXB Giáo dục Cùng số trang mạng có liên quan 54 ... thành chất khử - Ở trình oxi hóa, chất khử bị oxi hóa chuyển thành chất oxi hóa - Chất khử chất oxi hóa q trình hợp thành cặp oxi hóa- khử - Trong phản ứng oxi hóa- khử có cặp oxi hóa- khử 1.2 Nhận... dung phản ứng oxi hóakhử hóa học vơ Với lý tơi chọn nghiên cứu ? ?Tổng hợp lý thuyết phản ứng oxi hóa- khử hóa học vơ cơ? ?? II MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI II.1 MỤC ĐÍCH - Tổng hợp vấn đề chung phản. .. oxi hóa- khử phản ứng hóa học có tăng, giảm số oxi hóa số nguyên tố - Phân loại phản ứng oxi hóa - khử Có thể chia phản ứng oxi hóa khử thành ba loại: + Phản ứng phân tử: Trong phản ứng loại chuyển