Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 60 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
60
Dung lượng
429,49 KB
Nội dung
1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 Phần MỞ ðẦU 3 Phần 1 TỔNG QUAN 1.1.Khái niệm axit-bazơ 4 1.1.1. Thuyết axit-bazơ của Bronsted và Lowry .4 1.1.2. Thuyết axit-bazơ của Lewis: 4 1.1.3. Thang pH và pOH: .5 1.2.Vấn ñề chung về chất ñiện li trongdungdịch .5 1.2.1. Chất ñiện li vàsự ñiện li. .5 1.2.2.ðộ ñiện li và hằng số ñiện li 6 1.2.2.1.ðộ ñiện li .6 1.2.2.2 Hằng số ñiện li .7 1.2.3. Phân loại chất ñiện li 7 1.2.3.1 Chất ñiện li mạnh và chất ñiện li yếu .7 1.2.3.2 Biểu diễn trạng thái chất ñiện li trongdungdịch 7 1.3.Những ñịnh luật cơ bản ñể tínhtoáncânbằngtrongdungdịchaxit–bazơ .8 1.3.1.ðịnh luật bảo toàn vật chất .8 1.3.1.1ðịnh luật bảo toànnồngñộ .8 1.3.1.2.ðịnh luật bảo toàn ñiện tích .10 1.3.2. ðịnh luật tác dụng khối lượng 10 1.3.3.ðịnh luật bảo toàn proton (ñiều kiện proton) .12 1.4.Cân bằngtrongdungdịchaxit–bazơ .13 1.4.1.Dung dịch các ñơn axit–bazơ 13 1.4.1.1.ðơn axit mạnh .13 1.4.1.2.ðơn bazơ mạnh 14 1.4.1.3.ðơn axit yếu 15 1.4.1.4.ðơn bazơ yếu .16 1.4.2.Dung dịch của các hỗn hợp axit–bazơ .18 1.4.2.1.Hỗn hợp axit mạnh vàaxit yếu .18 1.4.2.2.Hỗn hợp bazơ mạnh vàbazơ yếu .19 1.4.2.3.Hỗn hợp ñơn axit .20 1.4.2.4.Hỗn hợp ñơn bazơ 22 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 2 1.4.2.5.Hỗn hợp ñơn axit yếu vàbazơ liên hợp 23 1.4.3.Dung dịch các ña axit–bazơ 24 1.4.3.1.ða axit .24 1.4.3.2.ða bazơ .26 1.5. Sơ lược vềphầnmềmMATLAB .26 1.5.1Giới thiệu chung vềMATLAB 26 1.5.2.ðồ họa với MATLAB .28 1.5.2.1.Các lệnh vẽ cơ bản .29 1.5.2.2. Một số hàm toán học cơ bản. 29 1.5.2.3. Vẽñồ thị : .29 Phần 2 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 2.1.Chương trình tínhtoáncânbằngtrong các dungdịchaxit 32 2.1.1.Dung dịch ñơn axit mạnh .32 2.1.2.Dung dịch ñơn axit yếu .33 2.1.3.Hỗn hợp axit mạnh vàaxit yếu .35 2.1.4.Hỗn hợp ñơn axit 38 2.1.5.ða axit 41 2.2.Chương trình tínhtoáncânbằngtrong các dungdịchbazơ 43 2.2. 1. Dungdịch ñơn bazơ mạnh 43 2.2.2.Dung dịch ñơn bazơ yếu .45 2.2.3. Hỗn hợp bazơ mạnh vàbazơ yếu .47 2.2.4. Hỗn hợp ñơn bazơ .49 2.2.5 .ða bazơ 52 2.3. Hỗn hợp ñơn axit yếu vàbazơ liên hợp 55 Phần 3 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 3 Phần MỞ ðẦU Trong 10 hoá chất mà thế giới sản xuất nhiều nhất hiện nay có ñến 6 chất là axit hoặc bazơ, ñó là: H 2 SO 4 , CaO, NH 3 , NaOH, H 3 PO 4 và HNO 3 . Phảnứngaxit–bazơ là phảnứng rất quan trọng cả về mặt nghiên cứu lý thuyết và mặt ứngdụng hóa học vào thực tiễn. Phần lớn các phảnứng hóa học ñều ñược diễn ra trongdungdịch nước, ñối với dungdịch nước do trong thành phầndungdịch luôn có sự hiện diện của ion H + và OH - . Sự có mặt thường xuyên của hai ion này trong thành phầndungdịch ñã gây ra những ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp ñến các cânbằng khác trongdung dịch. Tínhaxit hay bazơ của dungdịch có ảnh hưởng rất lớn ñến các quá trình xảy ra trongdungdịch như khả năng tạo phức của ion kim loại, phảnứng oxi hóa – khử, khả năng bị thuỷ phân của các ion kim loại … Do ñó, việc tínhtoáncânbằngtrongdungdịchaxit–bazơ giữ vai trò quan trọng không chỉ ñối với hóa phân tích mà cả với hóa học nói chung. Tuy nhiên việc tínhtoáncânbằngtrongdungdịchaxit–bazơ là khá phức tạp vì trongdungdịch có nhiều cânbằng xảy ra ñể chọn cânbằng nào chủ yếu là rất khó khăn. Trên những cơ sở ñó chúng tôi quyết ñịnh chọn ñề tài “Sử dụngphầnmềmMATLABvẽgiảnñồlogaritnồngñộvàứngdụngtínhtoáncânbằngtrongdungdịchaxit– bazơ” Trong phạm vi nghiên cứu của ñề tài này, nhiệm vụ ñặt ra là: - Nghiên cứu thuật toán, lập chương trình tínhvàvẽ chính xác giảnñồlogaritnồngñộ của các ion trongdungdịchaxit– bazơ. - Dựa vào giảnñồvà phương trình ñiều kiện proton tínhtoáncânbằng xảy ra trongdungdịchaxit–bazơ (loại bỏ phương trình cânbằng phụ không ảnh hưởng nhiều ñến tínhaxitbazơ của dung dịch). PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 4 Phần 1 TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm axit-bazơ:[3],[6] 1.1.1. Thuyết axit-bazơ của Bronsted và Lowry: Người ñầu tiên ñưa ra các ñịnh nghĩa vềaxitvàbazơ gần gũi với quan ñiểm hiện ñại là Svate Arrhénius (1859 - 1927). Dựa trên các khảo sát thực nghiệm về chất ñiện li, ông cho rằng: - Axit là chất có khả năng phân li cho H + khi hòa tan vào nước. - Bazơ là chất có khả năng phân li cho OH - khi hòa tan vào nước. Vào thời ñiểm ñó, ñây là một bước tiến quan trọngtrong việc ñịnh lượng axit– bazơ. Nhưng thuyết này bị giới hạn ở chỗ chỉ giải thích ñược tính axit-bazơ của các hidro axitvà các hidroxit; không nói lên ñược vai trò của dung môi. Một ñịnh nghĩa tổng quát hơn ñược ñề nghị bởi nhà hóa học Ðan Mạch: Jonhannes K.Bronsted và nhà hóa học người Anh: Thomas Lowry. Theo thuyết này: - Axit là chất có khả năng cho proton H + - Bazơ là chất có khả năng nhận proton H + Thuyết axit–bazơ của Bronsted và Lowry ñã bao hàm thuyết axit-bazơ của Arrhenius, và mở rộng ra cho các dung môi khác nước cũng như cho các phảnứng xảy ra ở trạng thái khí. Ví dụ 1.1: NH 3 + HCl → NH 4 Cl Trongphảnứng này NH 3 là chất nhận H + , HCl là chất cho H + và do ñó NH 3 là bazơ, HCl là axit. 1.1.2. Thuyết axit-bazơ của Lewis: Một thuyết tổng quát hơn nữa vềaxit–bazơ ñược G.N.Lewis ñưa ra. Theo thuyết Lewis: - Axit là chất có khả năng nhận thêm một hay nhiều cặp electron của chất khác ñể hình thành liên kết cộng hóa trị mới. - Bazơ là chất có khả năng nhường một hay nhiều cặp electron chưa liên kết cho chất khác ñể tạo thành liên kết cộng hóa trị mới. Do ñó, một axit Lewis phải có ít nhất một obitan hóa trị trống ñể nhận cặp electron, còn một bazơ Lewis phải có ít nhất một ñôi electron chưa liên kết . Từ ñây ta thấy ñịnh nghĩa axit–bazơ của Lewis bao hàm ñịnh nghĩa của Bronsted và Lowry. Ví dụ 1.2: H + + NH 3 → [H 3 N :→H] + PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 5 Trongphảnứng này NH 3 là một bazơ vì là chất cho ñôi electron, H + là axit vì là chất nhận một ñôi elcetron. Giá trị của thuyết Lewis về axit-bazơ là ở chỗ giải thích ñược các phảnứngaxit–bazơ theo quan ñiểm của Bronsted và Lowry, hơn thế nữa còn giải thích ñược một số phảnứngaxit–bazơ mà thuyết Bronsted và Lowry không giải thích ñược. Ví dụ 1.3: Phảnứng giữa Trifluorua bor và amoniac: BF 3 + NH 3 F 3 B-NH 3 BF 3 là phân tử thiếu electron, xung quanh nguyên tử Bo chỉ mới có 6 electron, khi phảnứng với NH 3 , nguyên tử Bo sẽ ñạt ñược cơ cấu 8 electron. BF 3 là một chất có ái lực mạnh với các chất cho electron và do ñó là một axit Lewis mạnh. Thuyết axit-bazơ của Lewis cũng giải thích thành công quá trình hydrat hóa của ion kim loại. Ví dụ 1.4: Al 3+ + 6H 2 O 3+ 2 6 Al(H O) Al 3+ là chất nhận electron từ nguyên tử oxi của nước là axitvà nước là bazơ. Rộng ra hơn nữa phảnứng giữa một oxit axitvà nước, theo thuyết Lewis cũng là một phảnứngaxit– bazơ, trongñó oxit axit là chất nhận một ñôi electron nên là axit, nước là chất cho một ñôi electron nên là bazơ. 1.1.3. Thang pH và pOH: Do nồngñộ H + trongdungdịch nước thường là nhỏ, nên người ta ñưa ra ñịnh nghĩa pH và pOH ñể ñánh giá tínhaxit–bazơ của một dungdịch cho tiện lợi. pH và pOH của một dungdịch ñược ñịnh nghĩa như sau: pH = -lg[H + ] và pOH = -lg[OH - ] Vì: [H + ][OH - ] = 10 -14 ⇒ pH + pOH = 14 - ðối với dungdịch trung tính [H + ] = [OH - ] nên pH = pOH = 7 - ðối với dungdịchaxit [H + ] > [OH - ] nên pH < pOH - ðối với dungdịchbazơ [H + ] < [OH - ] nên pH > pOH Tương tự như thế, người ta ñịnh nghĩa pK = - lgK. Với K là hằng số phân li của các chất. Giá trị pH của một dungdịch có thể ñược xác ñịnh bằng máy ño pH hay giấy ño pH 1.2. Vấn ñề chung về chất ñiện li trongdungdịch [4] 1.2.1. Chất ñiện li vàsự ñiện li. Khi hòa tan các chất có liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị có cực vào trongdung môi phân cực (ví dụ: nước, rượu…) thì do sự tương tác với các phân tử lưỡng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 6 cực của dung môi mà các phân tử chất tan sẽ phân li hoàn toàn hoặc một phần thành các ion mang ñiện tích trái dấu, tồn tại dạng ion sonvat hóa (ñối với dung môi nước là ion hiñrat hóa). Các chất có khả năng phân li thành các ion ñược gọi là chất ñiện li, và quá trình phân li gọi là quá trình ñiện li. Ví dụ 2.1: khi hòa tan chất ñiện li MX vào nước n+ n- 2 2 x 2 y MX + (x+y)H O M(H O) + X(H O)⇌ Thông thường ta không biết chính xác số phân tử nước x, y trong các ion hiñrat hóa nên người ta biểu diễn sựphân li theo sơ ñồ ñơn giản: n+ n- MX M + X⇌ (2.1) Với ngầm hiểu là M n+ , X n- chỉ các ion hiñrat hóa. Mức ñộphân li thành ion của các chất ñiện li phụ thuộc vào bản chất của các chất ñiện li và bản chất của dung môi. 1.2.2. ðộ ñiện li và hằng số ñiện li. ðể ñặc trưng ñịnh lượng cho sựphân li của các chất ñiện li người ta dựa vào ñộ ñiện li α và hằng số ñiện li K. 1.2.2.1. ðộ ñiện li α Là tỷ số giữa số mol (n) của chất ñã ñiện li thành ion với tổng số mol (n 0 ) của chất tan trongdungdịch : 0 n α = n (2.2) Nếu chia cả hai số hạng của biểu thức (2.2) cho thể tích V của dungdịch thì : Ví dụ 2.2: ðối với chất ñiện li MX phân li theo sơ ñồ (2.1) ta có: n+ n- MX MX [M ] [X ] α = (2.4) C C = Ở ñây, [M n+ ], [X n- ], là nồngñộ tương ứng của các ion M n+ và X n- do MX phân li ra. Từ (2.4) ta thấy nồngñộ chất ñã phân li bằng tích nồngñộ chất ñiện li với ñộ ñiện li [M n+ ] = [X n- ] = αC MX (2.5) α có các giá trị giao ñộng từ 0 ñến 1: 0 ≤ α ≤ 1 α = 0 ñối với chất không ñiện li Nồngñộ chất ñã phân li Nồngñộ chất ñiện li α = (2.3) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 7 α = 1 ñối với chất ñiện li hoàn toàn. 1.2.2.2. Hằng số ñiện li: Áp dụng ñịnh luật tác dụng khối lượng cho cânbằng (2.1) ta có: n+ n- C [M ][X ] K = (2.6) [MX] Ở ñây, [i] chỉ nồngñộ của cấu tử i trongdungdịch ở trạng thái cân bằng. K c là hằng số ñiện li nồng ñộ, phụ thuộc vào bản chất chất ñiện li, vào dung môi, vào nhiệt ñộ. Trongdungdịch loãng K c không phụ thuộc vào nồngñộ chất ñiện li. Thay (2.5) vào (2.6) và chú ý rằng: [MX] = C MX – [M n+ ] = C MX – αC MX = C(1 – α) Ta có: 2 2 2 C C C K K (2.7) C(1 ) 1- C α α = ⇒ = − α α Với 1α ≪ thì C K = (2.8) C α Từ biểu thức (2.8) ta thấy: -ðộ ñiện li tỉ lệ thuận với hằng số phân li K. Nếu hằng số phân li càng lớn thì chất ñiện li càng mạnh, phân li càng nhiều. Nếu K càng bé thì chất ñiện li càng yếu, càng ít phân li. -ðộ ñiện li tỉ lệ nghịch với nồng ñộ. ðối với một chất nhất ñịnh (K không ñổi ) thì trongdungdịch càng loãng thì chất ñiện li phân li càng nhiều. 1.2.3. Phân loại chất ñiện li: 1.2.3.1. Chất ñiện li mạnh và chất ñiện li yếu: Căn cứ vào ñộ ñiện li và hằng số ñiện li mà người ta qui ước phân biệt ra các chất ñiện li mạnh và các chất ñiện li yếu. • Một số axit vô cơ :HCl, HBr, HI, HSCN, HClO 3 , HBrO 3 , HNO 3 , H 2 SO 4 (Nấc1), HClO 4 • Các bazơ kiềm và kiềm thổ: LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, FrOH, Ca(OH) 2 , Sr(OH) 2 , Ba(OH) 2 (nấc 1). • Hầu hết các muối. Các chất còn lại thuộc loại chất ñiện li yếu hoặc trung bình. H 2 O là chất ñiện li vô cùng yếu. 1.2.3.2. Biểu diễn trạng thái chất ñiện li trongdung dịch: ðể cụ thể hóa mức ñộphân li các chất ngừơi ta qui ước: PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 8 Các chất ñiện li mạnh phân li hoàn toàn , ñựơc biểu diễn bằng một mũi tên hướng từ trái (ghi công thức phân tử của chất ñiện li) sang phải (ghi công thức các ion tương ứng). Ví dụ: Trong nước sựphân li của Na 2 SO 4 , HClO 4 , NaOH ñược biểu diễn như sau: Na 2 SO 4 → 2Na + + 2- 4 SO HClO 4 → H + + - 4 ClO NaOH → Na + + OH - Các chất ñiện li yếu phân li một phần, ñược biểu diễn bằng dấu cânbằng thuận nghịch ( ⇌ ) giữa các phân tử không phân li và các ion của chất ñiện li.ðể ñặc trưng ñịnh lượng hơn người ta ghi thêm giá trị K hoặc lgK ở bên phải cânbằngphân li. Ví dụ 2.3: - + -4,76 3 3 a CH COOH CH COO + H K = 10⇌ hoặc lgK a = -4,76 - + -14 2 w H O OH + H K = 10⇌ hoặc lgK w = -14 + + -7,24 3 2 3 Ag(NH ) Ag + 2NH K = 10⇌ hoặc lgK = -7,24 ðôi khi người ta cũng sửdụng ñại lượng pK = -lgK. Dĩ nhiên pK càng lớn chất ñiện li càng yếu, càng ít phân li. 1.3. Những ñịnh luật cơ bản ñể tínhtoáncânbằngtrongdungdịchaxit–bazơ [4] 1.3.1. ðịnh luật bảo toàn vật chất 1.3.1.1. ðịnh luật bảo toànnồngñộ Qui ước biểu diễn nồngñộtrongdung dịch: Trongdungdịch các chất ñiện li, nồngñộ các chất thường ñược biểu diễn theo nồngñộ mol. Sau ñây là một số qui ước về cách biểu diễn nồng ñộ: + Nồngñộ gốc C 0 : là nồngñộ các chất trước khi ñưa vào hỗn hợp phản ứng. + Nồngñộ ban ñầu C 0 : là nồngñộ các chất trong hỗn hợp, trước khi phảnứng xảy ra. 0 0i i i i C .V C = V ∑ (3.1) + Nồngñộ ban ñầu C: là nồngñộ các chất sau khi phảnứng xảy ra hoàn toàn (nhưng hệ chưa ñạt ñến trạng thái cân bằng). Trong trường hợp không có phảnứng xảy ra thì C và C 0 chỉ là một. + Nồngñộcânbằng [ ]: là nồngñộ các chất khi hệ ñạt ñến trạng thái cân bằng. Ví dụ 3.1:Trộn 200ml dungdịch HCl pH =2 với 300ml dungdịch HNO 3 pH =3. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 9 Ở ñây, nồngñộ gốc: -pH -2 0HCl C = 10 = 10 M , 3 -pH -3 0HNO C = 10 = 10 M Nồngñộ ban ñầu: -2 0 -3 HCl HCl 200.10 C = C = = 4.10 M 200 +300 , 3 3 - 3 0 - 4 HNO HNO 300.10 C = C = = 6.10 M 200 +300 HCl → H + + Cl - HNO 3 → H + + 3 NO − H 2 O H + + OH - K w = 10 -14 Bởi vì 3 -7 HCl HNO C , C 10≫ nên có thể bỏ qua sựphân li của nước. Nồngñộ các cấu tử lúc cân bằng: [Cl - ] = 4.10 -3 M, [ 3 NO − ] = 6.10 -4 M [H + ] = [Cl - ] + [ 3 NO − ] = 4,6.10 -3 M [OH - ] = w + K [H ] = 2,17.10 -12 M - ðịnh luật bảo toànnồngñộ (ðLBTNð) ban ñầu: ñây là dạng phổ biến nhất của ñịnh luật bảo toàn vật chất thường ñược áp dụng ñể tínhtoáncânbằngtrong các dung dịch. Phát biểu ñịnh luật: Nồngñộ ban ñầu của một cấu tử bằng tổng nồngñộcânbằng của các dạng tồn tại của cấu tử ñó có mặt trongdung dịch. Ví dụ 3.2: Cho dungdịch KH 2 PO 4 nồngñộ C mol/l. Viết biểu thức bảo toànnồngñộ ban ñầu. Các quá trình ñiện li xảy ra trongdung dịch: KH 2 PO 4 → K + + 2 4 H PO − H 2 O ⇌ H + + OH - 2 4 H PO − ⇌ H + + 2 4 HPO − 2 4 H PO − ⇌ 2H + + 3 4 PO − 2 4 H PO − + H + ⇌ H 3 PO 4 Biểu thức ðLBTNð ñối với 2 4 H PO − : C = [H 3 PO 4 ] + [ 2 4 H PO − ] + [ 2 4 HPO − ] + [ 3 4 PO − ] PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 10 Ví dụ 3.3: Viết biểu thức ðLBTNð ñối với dungdịch chứa hỗn hợp hai muối NaHCO 3 C 1 M và Na 2 CO 3 C 2 M. Các quá trình ñiện li xảy ra trongdung dịch: NaHCO 3 → Na + + 3 HCO − Na 2 CO 3 → 2Na + + 2 3 CO − H 2 O ⇌ H + + OH - 3 HCO − ⇌ H + + 2 3 CO − hoặc H + + 2 3 CO − ⇌ 3 HCO − 3 HCO − + H + ⇌ H 2 O + CO 2 ↑ Biểu thức ðLBTNð ñối với 3 HCO − và 2 3 CO − : C 1 + C 2 = [ 3 HCO − ] + [ 2 3 CO − ] + [CO 2 ] = [ 3 HCO − ] + [ 2 3 CO − ] + 2 CO L 2 CO L : ñộ tan của CO 2 1.3.1.2. ðịnh luật bảo toàn ñiện tích ðLBTðT ñược phát biểu dựa trên nguyên tắc các dungdịch có tính trung hòa về ñiện: Tổng ñiện tích âm của các anion phải bằng tổng ñiện tích dương của các cation. i [i]Z = 0 ∑ Trong ñó, [i] : nồngñộ của ion i lúc cânbằng Z i : ñiện tích của ion i Ví dụ 3.4: Viết biểu thức ðLBTðT cho dungdịch KH 2 PO 4 nồngñộ C mol/l ở ví dụ 3.2 Trongdungdịch có các ion: K + , H + , 2 4 H PO − , 2 4 HPO − , 3 4 PO − , OH - Biểu thức ðLBTðT: [K + ] + [H + ] - [OH - ] - [ 2 4 H PO − ] - 2[ 2 4 HPO − ] - 3[ 3 4 PO − ] = 0 1.3.2. ðịnh luật tác dụng khối lượng ðây là ñịnh luật ñược áp dụng thường xuyên trong việc tínhtoáncânbằngtrong các dung dịch. - Phát biểu ñịnh luật: Ở trạng thái cânbằng tỉ số giữa tích của nồngñộ các chất tạo thành sau phảnứng với số mũ thích hợp bằng hệ số tỉ lượng của nó, trên tích nồngñộ của các chất phảnứng với lũy thừa thích hợp là một hằng số ở nhiệt ñộvà áp suất ñã cho. - Biểu diễn ðLTDKL ñối với một số dạng cânbằng thường gặp: PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com . quyết ñịnh chọn ñề tài Sử dụng phần mềm MATLAB vẽ giản ñồ logarit nồng ñộ và ứng dụng tính toán cân bằng trong dung dịch axit – bazơ Trong phạm vi nghiên. Nghiên cứu thuật toán, lập chương trình tính và vẽ chính xác giản ñồ logarit nồng ñộ của các ion trong dung dịch axit – bazơ. - Dựa vào giản ñồ và phương trình