Tiểu luận hóa học phân tích nâng cao một số vấn đề khi tính toán trong dung dịch axit bazơ đa chức, muối axit, muối của axit yếu và bazơ yếu

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA HỌC TIỂU LUẬN HĨA HỌC PHÂN TÍCH NÂNG CAO MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHI TÍNH TỐN TRONG DUNG DỊCH AXIT-BAZƠ ĐA CHỨC, MUỐI AXIT, MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Giảng viên hướng dẫn PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LUYỆN Học viên thực NGUYỄN CAO CHUNG(PP) HÀ THÙY TRANG(PT) Khóa học: 2015 - 2017  MỞ ĐẦU NỘI DUNG III - DUNG DỊCH ĐA AXIT DUNG DỊCH ĐA BAZƠ III - DUNG DỊCH MUỐI AXIT III - DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU KẾT LUẬN MỞ ĐẦU * Phần lớn phản ứng hóa học nước diễn dung dịch nước, dung dịch nước thành phần dung dịch ln có diện ion H+ OH- Sự có mặt thường xuyên hai ion thành phần dung dịch gây ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp đến cân khác dung dịch * Việc tính tốn cân dung dịch axit – bazơ đa chức phức tạp, dung dịch có nhiều cân xảy Để chọn cân chủ yếu định khó khăn Trên sở đó, chúng tơi chọn đề tài “Một số vấn đề tính tốn dung dịch axit - bazơ đa chức, muối axit, muối axit yếu bazơ yếu’’ I- AXIT ĐA CHỨC Một số vấn đề tính tốn Thành phần dung dịch: H n A,  Ca , K a1 ;  H n 1 A  ,  K a ; H n 2 A2 , K a  ; ;  HA n 1   Các trình xảy hệ: HnA  H+ + Hn-1A- K1 (1) Hn-1A-  H+ + Hn-2A2- K2 (2) HA(n-1)-  H+ + An- Kn (n) + OH- W H2O  H+ , K an ; H 2O (n+1) Có thể coi đa axit hỗn hợp gồm nhiều đơn axit I- AXIT ĐA CHỨC nKa1Ka2 Kan  Hn A W Ka1  Hn A 2Ka1Ka2  Hn A h     h h h hn W n i. H n A i Hay h     � i �K aj h i 1 h j 1 Theo néi dung định luật bảo toàn nồng độ ban đầu ta có:  2 n � � � � � C HnA    C a    H A      H A      H A      �      A � � �n � � n1 � � n2 � � � � 1 2 n C a    � H A      H A K h      H A K K h    �        H A K K � K h �� � � � � � n �n ��n � �n � �n �  1 2 n C a    � H A  K h  K K h  �  K K � K h � 1 2 n �n � C a *hn HnA �     n � � � h  K1hn1  K1K 2hn   K1K K n  I- AXIT ĐA CHỨC Có trường hợp  Trường hợp 1: Ka1C >> Ka2C ; ; KanC ; W Cân (1) định, ta có h K a1  H n A h (1.1)  Trường hợp 2: Ka1C  Ka2C   KakC >> KanC >> W k i  H n A h   � i 1 h i i �K j 1 aj (1.2) I- AXIT ĐA CHỨC • Cách 1: Giải phương trình bậc cao (theo phương pháp Newton) � K a1 � HnA � 2K a1K a2 � HnA � nK a1K a2 K an � HnA � � � � � � � (a) h    � h h2 hn � � n C *h a �� H A      (b) � n � � n n  n  � h  K1h  K1K 2h   K 1K K n � Thay (b) vµo (a) ta cã: C*(K 1hn1  2K 1K 2hn   nK 1K K n ) h n 0 n1 n h  K 1h  K1K 2h   K1K K n (c) Thay W, K a1,K a2, .K an t× mh ? Từ (c) ta có phương trình bậc cao => Giải phương trình bậc cao theo phương pháp Newton I- AXIT ĐA CHỨC • Cách 2: Giải theo phương pháp gần liên tục h  Ka1  Hn A  2Ka1Ka2  HnA h1   kKa1Ka2 Kak  HnA h(k1) (*) hn [H n A]  C a n n 1 (**) n 2 h  h K a1  h K a1K a   K a1K a K an Chấp nhận gần [HnA]0 C a ; h0 � K a1.C a + Bước 1: Thay [HnA]0 h0 vào (*) ta được: h1, sau h1 vào (**) được: [HnA]1 + Bước 2: Thay [HnA]1 h1 vào (*), tính h2, h2 vào (**) được: [HnA]2 tiếp tục tính lặp lại hội tụ I- AXIT ĐA CHỨC Ví dụ 1: [2] Tính pH dung dịch H4P2O7 (H4A) 4.10-2 M Biết pK1 = 1,52; pK2 = 2,36; pK3 = 6,6; pK4 = 9,25 Các cân xảy ra: H4P4O7 H+ + H3P4O7– Ka1 = 10-1,52 (1) H3P4O7– H+ + H2P4O7 2– Ka2 = 10-2,36 (2) H2P4O7 2– H+ + HP4O73– Ka3 = 10-6,6 HP4O7 3– H+ + P4O74– Ka4 = 10-9,25 (4) H2O Ta thấy: H+ + OH– W = 10-14 Ka1C  Ka2C >> Ka3C >> Ka4C >> W (3) (5) Nên cân (1), (2) chủ yếu → Áp dụng cơng thức (1.2) ta có I- AXIT ĐA CHỨC h= K a1  H A  h + 2K a1K a2  H A  h (a) h2 [H A]=C a (b) h +hK a1 +K a1K a2 • Cách 1: Giải pt bậc cao Thế (b) vào (a) biến đổi (a), ta có: h3 + Ka1.h2 + h.(Ka1.Ka2 - Ca Ka1) - 2.Ca Ka1.Ka2 = Thay giá trị K a1 , K a ,Ca vào ta được: h + 10-1,52 h - 1,076.10-3h - 1,055.10-5 = � h = 0,0262 � pH = 1,58 10 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Thành phần dung dịch: MHA , C; H2O [3][4] Chúng chất điện ly lưỡng tính Chẳng hạn như: NH4CN, NH4Ac, NH4NO2, (NH4)2CO3, Các trình xảy hệ:      MHA     �� �   MH           A                          �� �      MH      ��       H             M      KMH       1              � 1 �� �   A    H    ��     HA                    K � HA                      �� �  H2O          ��        H          O H         W           3 � Áp dụng điều kiện proton với mức không: MH+ , A-, H2O W � H�   [OH ]  M     HA            Hay :      h       M     H  A   0         4 � � h 83   III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Theo định luật bảo toàn nồng độ ban đầu ta có:  1 1 � CMH   C  � MH     M      M K h    M     M ( K h 1 )                    � � MH MH C.KMH       M           5 h  KMH  1 1 � CA   C  � A     HA        HA K h     HA     HA ( K h     HA  1  ) � �    HA C.h  [HA]  h  KHA (6) Thay (5) (6) vào (4) ta được: C.K M H  W C.h h   0 h h  K M H  h  K HA (7) 84 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Giải xác Giải phương trình (7) phương trình bậc h.Tìm h Từ h  pH; [OH-]; [M]; [HA]; [MH+]; [A-] 2.Giải gần a.Trường hợp 1: Nếu KMH+C » W (102 lần)  Bỏ qua (3) Tổ hợp cân (1) (2) ta được: �� �     M          HA     K  K1HA MH         A       � � � MH            C         C              C                       0               0                  � � C  x        C  x                  x               x Theo định luật tác dụng khối l ợ ng ta cã: x2 x 1 1    K K     K K   HA   HA MH MH (C  x)2 Cx (10) 85 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Giải phương trình (10) => x Từ x  [M]; [HA]; [MH+]; [A-]  � � MH K MH (C  x).K MH � � + Tõ (1) =>[H ]=  M� x � � � Thay (10) vµo (11) ta ® ỵ c K MH  � H �       K MH K HA � � 1 K MH K HA pK MH  pK HA => pH= (11) (12) Ví dụ 1: [3] Tính cân dung dịch HCOONH4 0,2M Biết rằng: KHCOOH = 10-3,75 ; KNH4+ = 10-9,24 86 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Các trình xảy hệ   �� � HCOONH4        ��            N H               H COO      � �� �           H              NH3       K   109,24   NH4         �� � NH �� �      HCOOH           HCOO      H   �� �  1        K1HCOOH  103,75    2 �� �       H            OH          W   1 H2O         ��   014     �  3    Ta cã:  KNH  C 1   09,24.0,2 1   09,94  ? W 1   014  .Bá qua  3 so ví i  Tổ hợ p (1) ta đ î c NH4       �� �   NH3     HCOOH   HCOO     �� � KNH  K1HCOOH  105,49  C      0,2               0,2                       0                0      � � � � 0,2  x        0,2  x                     x               x 87 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YU V BAZ YU Theo địnhluật tác dụng khối l ỵ ng x2 x 5,49 2,745               (0,2  x) 0,2  x 4     NH      [ HCOOH ]      x      ,592.10 M     � � � 3�  4 [NH4 ��      HCOO ]      ,2  x     ,2  3,592.10  �  0,2M  ��   9,24 3,75 6,495 7 �    � H      K K         10 10         ,199.10 M         � � NH4 HCOOH   [OH ] 1   07,505   3,126.108M b.Trường hợp 2: Nếu KMH+C ≈ W Tính tốn cân Áp dụng điều kiện proton với mức không: MH+; A- ; H2O 88 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU W   � � H�   [OH ]   M   HA �          Hay :      h   HA          M     ��� � �� ��� � � � � �� � h W  1 � � Û  h  � A �hK HA        KMH h  � MH � � �               h  � W  KMH � MH � �       h     1  1 KHA � A � � �  13  Một cách gần ta chấp nhận: � � � � MH   �   C    C   , A   �   C A    C   thay vµo 13 ta đ ợ c MH � � h W  KMH C 1 HA 1 K C (14)                           89 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Lưu ý: Để tính xác ,người ta dùng phương pháp tính gần liên tục Sử dụng biểu thức sau: h  � W  K MH  � MH � � 1 K 1 HA  (a) � A � � � C.K HA C.h  [MH ]  , [A ]= (b) h  K MH h  K HA Bước 1: Coi C = [MH+]0 = [A-]0 thay vào (a) tính h0 Bước 2: thay h0 vào (b) tính [MH+]1, [A-]1 ,thay [MH+]1, [A-]1 vào (a) tính h1 Sau tính lặp hội tụ 90 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Ví dụ 2: [3] Tính pH dung dịch Metyl amoni xianua CH3NH3CN 3.10-3M Cho biết: K(CH3NH3+) = 10-10,60 ; KHCN = 10-9,35 Các trình xảy hệ CH3NH3CN    �� �   CH3NH3          CN          10,60 �� �      H                C H NH     K        1  �� � CH3NH3 CH3NH3        1 9,35 �� � CN        H          �            H CN                      K   1        2   � � HCN    14       �� � H2O          �       H                  O H           W      1   � �  3   Ta cã: KCH NH  C 1   010,60.3.103   7,54.1014  � W 1   014 3  Các cân (1), (2), (3) xảy đáng kể 91 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Áp dụng điều kiện proton với mức không: CH3NH3+, CN-, H2O   � � H      [ OH ]   CH    HCN� � � 3NH2 �� �� � � � W h   HCN             � � � � � h    CH � 3NH2 � � W  1 � h   � CN hK        K CH NH  HCN  � � 3 h h  W  K CH NH  � CH NH � 3� � 1 K 1 HC N  � CN � � �  � CH NH � 3� � h (4)  3  3 � � � Coi  � CH NH � C  3.10 M    , CN   �     C       10 M     � 3 � � � C H NH CN 3 thay vµo (4) ta đ ợ c 1014 3.103.1010,60 10 9,95 h    ,1274.10      M 3 9,35 1 3.10 10     pH   9,95                                    92 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Để tính h xác hơn, ta giải theo phương pháp gần liên tục Sử dụng công thức h  W  K CH NH  � CH NH � 3� � 1 K (4) 1 HCN  � CN � � � K HCN h  � � � CH3NH � �CCH3NH3 , � CN � �� � CCN (5) � � � � h K CH NH  h K HCN  3  3  3 � � � � Ch� p nh� n:� CH NH  C  3.10 M� ;� CN �  � � � C � �  � 3.10 M   � 3� � � CH NH CN 3 � thay v� o  4 ta � � � c:� � � h0 � 1 � ,1274.1010M Thay v� o  5 ta � � � c: 10 ,1274.10  3 3 � � CH NH �  3.10  � ,4 534.10 M� � 10 10,60 � 3� 1,1274.10  10 9,35 10  3 3 � � CN �  � � 10  � ,39 54.10 M� � � � � 10 9,35 � � 1,1274.10  10 93 III- DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU Thay vào (4) ta đ ợ c 1014 1010,60.2,4534.103 10 h1        ,1557.10 M 9,35 3 1 10 2,3954.10 Sai sè h1  h0 h0 100%  1,1557.1010  1.1274.1010 10 1,1274.10 100%  2,51%  h 1  ,1557.1010  1   09,94         pH  9,94          3 3 4 � � CH NH      C      CH NH      10      ,4534.10      ,466.10 M    � �  � � CH3NH3 � 3 �  3 3 4 � � HCN       C       CN      10      ,3954.10      ,046.10 M    � �  � � CN   � �  3 �  � CH NH      ,4534.10 M       ;  � 3 � W 1014 5 � � CN       ,3954.10 M  ;      [ OH ]                ,65 28.10 M    10 � �  � H � � � 1,1557.10  3  94 KẾT LUẬN Thông qua tiểu luận chúng tơi tìm hiểu, lựa chọn trình bày số vấn đề tính tốn quan trọng thường gặp dung dịch axit, bazơ đa chức muối tính pH, nồng độ cấu tử, khối lượng, thể tích, cụ thể là: • Xây dựng cơng thức tổng qt để tính tốn dung dịch axit, bazơ đa chức, muối axit muối axit yếu bazơ yếu cho trường hợp • Xây dựng cơng thức tính nhanh cho trường hợp cụ thể • Đưa ví dụ cụ thể cho trường hợp với nhiều cách giải khác • Đưa giải tập vận dụng liên quan đến tính toán dung dịch axit, bazơ đa chức muối axit 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tinh Dung, (1981), Hóa học phân tích, phần I Lý thuyết sở (Cân ion), NXBGD, Hà Nội [2] Nguyễn Tinh Dung – Đào Thị Phương Diệp, (2007), Hóa học phân tích, Câu hỏi tập (Cân ion dung dịch), NXB ĐHSP [3] Nguyễn Đình Dốc, Cơ sở lí thuyết hóa phân tích, Đại học Quy Nhơn [4] Từ Vọng Nghi, (2001), Hóa học phân tích, phần I, Cơ sở lý thuyết phương pháp hóa học phân tích, NXB Đại học Quốc gia Hà nội [5] Nguyễn Đình Luyện, Ngơ Văn Tứ, (2011), Hóa học phân tích, NXB ĐH Huế 96 XIN CHÂN THÀNH CÁM ƠN Thầy bạn lắng nghe 97 ... NỘI DUNG III - DUNG DỊCH ĐA AXIT DUNG DỊCH ĐA BAZƠ III - DUNG DỊCH MUỐI AXIT III - DUNG DỊCH MUỐI CỦA AXIT YẾU VÀ BAZƠ YẾU KẾT LUẬN MỞ ĐẦU * Phần lớn phản ứng hóa học nước diễn dung dịch nước, dung. .. dịch axit – bazơ đa chức phức tạp, dung dịch có nhiều cân xảy Để chọn cân chủ yếu định khó khăn Trên sở đó, chúng tơi chọn đề tài Một số vấn đề tính tốn dung dịch axit - bazơ đa chức, muối axit, ... vấn đề tính tốn dung dịch axit - bazơ đa chức, muối axit, muối axit yếu bazơ yếu ’ I- AXIT ĐA CHỨC Một số vấn đề tính tốn Thành phần dung dịch: H n A,  Ca , K a1 ;  H n 1 A  ,  K a ; H n 2 A2