Giáo trình hóa đại cương: chương 1 (Trường đại học công nghiệp Hà Nội)

CHƯƠNG CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC A MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ MỤC TIÊU Học xong chương sinh viên biết hiểu: - Các khái niệm bản: Chất, nguyên tử, nguyên tố, phân tử, khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, khối lượng mol, đương lượng - Hệ đơn vị - Một số định luật hoá học - Một số phương pháp xác định khối lượng phân tử khối lượng nguyên tử NHIỆM VỤ Tìm hiểu khái niệm hố học, hệ đơn vị SI, định luật hoá học, phương pháp xác định khối lượng phân tử khối lượng nguyên tử để từ hiểu có khả vận dụng kiến thức chương vào thực hành luyện tập VỀ PHƯƠNG PHÁP Kết hợp chặt chẽ hướng dẫn giáo viên với tự học, tự nghiên cứucủa sinh viên Cần coi trọng khâu luyện tập thực hành để nắm vững vấn đề chương TÀI LIỆU THAM KHẢO - Hoá học đại cương 1: Trần Thành Huế, nhà xuất Đại học sư phạm - Hoá học đại cương: Nguyễn Đức Chuy, nhà xuất giáo dục - Hố học đại cương: Đào Đình Thức, nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội - Bài tập hoá học đại cương: Đào Đình Thức, nhà xuất giáo dục - Bài tập hoá đại cương : Dương Văn Đảm, nhà xuất Giáo dục - Hoá học đại cương : Lê Mậu Quyền, nhà xuất Giáo dục - Cơ sở lý thuyết hoá học- Phần tập: Lê Mậu Quyền, nhà xuất khoa học kỹ thuật http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt B NỘI DUNG MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC 1.1 Chất: Chất tập hợp tiểu phân có thành phần, cấu tạo, tính chất xác định tồn độc lập điều kiện định Ví dụ 1: C6H6, O2, H2O, Chất mà phân tử cấu tạo loại nguyên tử gọi đơn chất Ví dụ 2: Ag, O2, O3, Chất mà phân tử cấu tạo hai loại nguyên tử trở lên gọi hợp chất Ví dụ 3: NaCl, H2O, CaCO3, C2H5OH, Từ khái niệm đơn chất, hợp chất vừa đề cập kết hợp với kiến thức có, ta có sơ đồ sau (hình 1.1) HÌNH 1.1 Sơ đồ hệ thống phân loại chất Tập hợp phân tử loại gọi nguyên chất, khí H2 nguyên chất; nước (H2O) nguyên chất; Tập hợp gồm phân tử khác loại gọi hỗn hợp, khơng khí hỗn hợp gồm nhiều khí khác N2 O2 chiếm tỷ lệ lớn (một cách gần người ta coi không khí gồm 4/5 nitơ, 1/5 oxi thể tích) Các khái niệm minh họa hình 1.2 Tập hợp vật chất hệ đồng thể hệ dị thể Khơng khí hệ đồng thể, hợp kim inox hệ đồng thể, cốc nước có nước lỏng nước đá hệ dị thể Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HèNH 1.2 Minh khái niệm đơn chất, hợp chất, hỗn hợp 1.2 Nguyên tử, nguyên tố hoá học, phân tử 1.2.1 Nguyên tử: hạt nhỏ nguyên tố hoá học mà khơng thể phân chia mặt hố học Ví dụ 5: nguyên tử H, O, Na, Cl Nguyên tử loại hạt Nhỏ nhẹ Tuỳ thuộc vào nguyên tố hoá học mà khối lượng nguyên tử ≈ 10-23 – 10-21 g, cịn đường kính ngun tử vào khoảng 10-8 cm Để hình dung thể tích ngun tử, hình dung sau: Nếu coi ngun tử có dạng hình cầu có đường kính 10-8 cm bóng bàn có đường kính cm chứa khoảng 1024 nguyên tử Nguyên tử ngun tố hố học khác có khối lượng kích thước khác Chúng ta thừa nhận nguyên tử cấu tạo loại hạt là: electron (e), proton (p) nơtron (n), bảng 1.2 cho biết đặc điểm bn ca ba loi ht ú Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt BẢNG 1.1 Bán kính cộng hố trị (A0) khối lượng nguyên tử số nguyên tố hóa học Nguyên tố 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 BẢNG 1.2 Khối lượng, điện tích electron, proton, nơtron KHỐI LƯỢNG Kg ĐIỆN TÍCH ĐvC (u) -31 5,55.10 Proton 1,672.10-27 Nơtron 1,675.10-27 Electron 9,109.10 -4 Culong Quy ước -19 -1,6021.10 -1 1,007 + 1,6021.10-19 +1 1,009 0,0 0,0 Ở bảng 1.2 điểm cần ý là: điện tích hạt Nơtron hạt khơng mang điện, tức hạt trung hồ điện, ký hiệu -19 Culong Điện tích 0n Mỗi hạt proton mang điện tích dương +1,6021.10 điện tích bản, thường ký hiệu e0 Trị số quy ước chọn làm đơn vị nên: hạt proton mang đơn vị điện tích dương, ký hiệu 1p Mỗi hạt electron mang đơn vị điện tích có trị số tuyệt đối trị số điện tích hạt proton ngược dấu Vì electron mang đơn vị điện tích âm, ký hiệu e Cũng cần ý, khối lượng electron nhỏ so với khối lượng proton, nơtron Từ số liệu bảng 1.2, ta có tỷ lệ khối lượng sau: m1 p me m0 n = 1835,5 (lần) me = 1838,8 (lần) Vì phép tính thơng thường, ta coi me ≈ Cũng từ bảng ta thấy m n > m p Trong phép tính thơng thường ta chấp nhận gần đúng: m n ≈ m p ≈ (đvC) Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1,6021.10-19 l điện tính nhỏ nên gọi đơn vị điện tính nguyên tố ký hiệu e0 Mơ hình ngun tử thừa nhận rộng rãi là: Ngun tử có hình dạng khối cầu Tâm nguyên tử hạt nhân tích điện dương Vỏ nguyên tử gồm electron chuyển động quanh hạt nhân Số đơn vị điện tích dương hạt nhân số đơn vị điện tích âm vỏ Ngun tử trung hịa điện Ví dụ 6: Hạt nhân nguyên tử natri (Na) có 11 đơn vị điện tích dương (ký hiệu Z = 11), vỏ nguyên tử Na có 11e, tức có 11 đơn vị điện tích âm Vậy ngun tử Na trung hịa điện, viết Na0 hay Na Nếu lý vỏ ngun tử Na cịn 10e, ta có ion dương hay cation natri, viết Na+ Tương tự, hạt nhân nguyên tử Clo (Cl) có 17 điện tích dương (Z = 17), vỏ nguyên tử Cl có 17e cỏ nguyên tử Cl có thêm e trở thành 18e, nguyên tử Cl khơng cịn trung hịa điện nữa, ta có ion âm, hay anion clo, ClBiểu diễn trình biến đổi nguyên tử trung hòa điện thành ion nêu sau: Na - e → Na+ Cl + e → Cl1.2.2 Nguyên tố hóa học: Tập hợp loại nguyên tử mà hạt nhân có số đơn vị điện tính dương (Z) nguyên tố hóa học Ví dụ 7: Ngun tố oxi có số đơn vị điện tích dương hạt nhân Trong thực tế có nguyên tử oxi với khối lượng khác 16, 17, 18 có số đơn vị điện tích dương hạt nhân 18, nguyên tử khác - đồng vị nguyên tố oxi nguyên tử viết sau: 17 18 hay 8O16 8O 8O Như số đơn vị điện tích dương hạt nhân (Z) yếu tố định nguyên tố hóa học Trị số Z thay đổi dù đơn vị đồng nghĩa với việc chuyển từ nguyên tố hóa học sang nguyên tố hóa học khác Ví dụ 8: Hai ngun tử có khối lượng nguyên tử 40 (đvC), nguyên tử có Z = 19, nguyên tử có Z = 20 Đó nguyên tử hai nguyên tố hoá học, 19K40 (đồng vị thường gặp K) 20Ca40 Cần phân biệt khái niệm nguyên tố, nguyên tử, đơn chất Ví dụ 9: Ký hiệu O dùng để nguyên tử nguyên tố oxi Đó ký hiệu nguyên tố oxi Ký hiệu O2- (giả sử xuất trình điện phân nhơm oxit nóng chảy) ion oxi ion tạo từ nguyên tử nguyên tố oxi dạng thù hình oxi Ký hiệu O2 phân tử đơn chất oxi Ký hiệu O3 phân tử đơn chất ozon O2 O3 Ký hiệu H2O phân tử nước H2O hợp chất thành phần phân tử có nguyên tố hiđro oxi Tr−êng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Xột tng t vi cỏc trường hợp khác, khái quát sau: Nguyên tố hóa học khái niệm rộng, dùng để hạt vơ nhỏ: ngun tử, ion có số đơn vị điện tích dương hạt nhân Nguyên tử khái niệm dạng tồn cụ thể ngun tố hố học Vì thế, nói đến ngun tử cụ thể có nghĩa nói đến ngun tố hố học Đơn chất khái niệm dạng tồn cụ thể nguyên tố hóa học Khi nói đến đơn chất có nghĩa nói đến nguyên tố hóa học 1.2.3 Phân tử: phần tử nhỏ chất tồn độc lập giữ ngun tính chất chất Ví dụ 10: H2 phân tử H2, cháy dùng làm nhiên liệu 2H2 + O2 → 2H2O ΔH < (toả nhiệt) CO2 phân tử cacbon đioxit, không cháy Phân tử tạo nên từ hạt nhỏ (nguyên tử hay ion) Phân tử tạo từ nguyên tử nguyên tố hóa học phân tử đơn chất Ví dụ 11: Cl2 O2, O3, P4, S8, Các đơn chất khác nguyên tố hóa học gọi dạng thù hình ngun tố Ví dụ 12: Ngun tố oxi có dạng thù hình thường gặp oxi (O2) ozon (O3) Nguyên tố cacbon có dạng thù hình phổ biến than chì kim cương, Phân tử tạo từ hai loại nguyên tử nguyên tố hóa học trở lên phân tử hợp chất Ví dụ 13: HCl, HClO, Phân tử tạo từ ngun tử phân tử đơn nguyên tử Ví dụ 14: khí Một số đặc điểm phân tử: - Về khối lượng phân tử: Có phân tử nhẹ (H2), có phân tử nặng đường glucozơ C6H12O6 (180 đvC) có phân tử siêu nặng polime (có khối lượng phân tử trung bình cỡ hàng chục vạn đvC) Chi tiết trình bày phần sau - Về điện tích: phân tử trung hịa điện Vì cần phải phân biệt phân tử với gốc tự do: Ký hiệu SO3 phân tử anhiđrit sunfuric; ký hiệu gốc tự tạo thành tức thời (thời gian tồn vô ngắn) phản ứng - Về cấu tạo hóa học: Đây vấn đề lớn, phần xét số đặc điểm tượng đồng phân Đồng phân tượng chất có cơng thức phân tử, có cấu tạo khác nên có tính chất khác nhau, chất đồng phân Xuất phát từ đặc điểm cấu trúc, ta có đồng phân cấu to v ng phõn khụng gian Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ví dụ 15: từ cơng thức C2H6O ta có đồng phân cấu tạo rượu etylic CH3CH2OH đimetyl ete CH3OCH3; từ công thức abC = Cab ta có loại đồng phân khơng gian cis trans Trong đồng phân cấu tạo có đồng phân mạch cacbon; vị trí (nhóm chức, liên kết bội, ), đồng phân nhóm định chức Trong đồng phân khơng gian có đồng phân hình học, đồng phân quang học vấn đề cấu dạng Chú ý: Khi xét phân tử cần quan tâm tới hình dạng hay hình học phân tử Thực nghiệm xác định góc liên kết độ dài liên kết Các yếu tố hình học thường gắn liền với độ dài tính chất phân tử Một số hình dạng phân tử thường gặp như: đường thẳng (các nguyên tử phân tử phân bố đường thẳng); có góc (các nguyên tử thường hay nguyên tử liên kết với tạo góc khác góc 1800); lập thể (khối không gian tháp tam giác, tứ diện đều, bát diện đều, ), minh họa hình 1.3 HÌNH 1.3 Một số hình dạng phân tử a) CO; b) CO2, phân tử thẳng c) H2O, phân tử góc d) NH3, phân tử tháp tam giác e) CH4, phân tử tứ diện 1.3 Khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, khối lượng mol 1.3.1 Khối lượng nguyên tử: khối lượng nguyên tử, khối lượng nguyên tử xác định tổng khối lượng tất hạt tạo thành nguyên tử Cần phân biệt khối lượng nguyên tử tương đối khối lượng nguyên tử tuyệt đối a) Khối lượng nguyên tử tuyệt đối: khối lượng thực nguyên tử không gian tính kilogam Ví dụ 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://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khối lượng nhỏ bé, không thuận tiện cho việc cân, đo, đong, đếm nên gặp khó khăn phải tính tốn tốn hóa học Để thuận tiện cho việc tính tốn người ta dùng hệ khác, gọi khối lượng nguyên tử tương đối b) Khối lượng nguyên tử tương đối (nguyên tử khối): A Chọn lần khối lượng nguyên tử cacbon đồng vị 12 (C12) làm 12 đơn vị khối lượng gọi đơn vị cacbon (đvC hay u), ta có: 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 Như vậy, khối lượng nguyên tử tương đối trị số khơng có thứ ngun Nhưng thực tế ta hay dùng cách ngắn gọn Fe= 56đvC hay 56u (dùng đơn vị cacbon: đvC) coi m12 1đvC (1u) 12 C Từ ví dụ cần nhớ: khối lượng nguyên tử tương đối (kltđ) = khối lượng nguyên tử tuyệt đối (kltđ) : số Avôgađrô (N) KLTĐ = kltđ : N 1.3.2 Khối lượng phân tử: lấy khối lượng phân tử chia cho đơn vị khối lượng khối lượng phân tử tương đối phân tử Hoặc: lấy tổng khối lượng nguyên tử tương đối tất nguyên tử tạo nên phân tử Thường ký hiệu là: M Ví dụ 17: M CO = 12 + 16.2 = 44 (hay: 44 đvc), thường viết CO2 = 44 1.3.3 Mol - Khối lượng mol a) mol: Mol lượng chất chứa 6,023.1023 hạt vi mô Từ khái niệm dùng mol cần phải rõ loại hạt vi mơ Ví dụ 18: 1mol nguyên tử H, 1mol phân tử H2, 1mol ion H+, b) Khối lượng mol: Khối lượng mol nguyên tử nguyên tố (A) khối lượng mol nguyên tử nguyên tố Đơn vị g/mol Ví dụ 19: khối lượng mol nguyên tử hiđro 1,008 g/mol ( hay AH = 1,008 g/mol) Khối lượng mol phân tử chất (M) khối lượng mol phân tử chất Ví dụ 20: Khối lượng mol phân tử nước 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://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Cỏch tớnh số mol: nX = mX M X ( AX ) Ở đây: m X khối lượng X Nếu X nguyên tố dùng AX khối lượng mol nguyên tử X Nếu X chất M X khối lượng mol phân tử X 1.4 Đương lượng 1.4.1 Đương lượng nguyên tố: Là số phần khối lượng nguyên tố kết hợp thay 1,008 phần khối lượng hiđro tám phần khối lượng oxi Ký hiệu đương lượng là: ∋ Theo định nghĩa trên, ta có: ∋ H = 1,008 ≈ ; ∋ O = 8,00 ∋ Na = 23 ; ∋ Ca = 20 Từ định nghĩa dễ dàng xác định được: đương lượng C CO2 cịn CO Có thể tính đương lượng nguyên tố theo công thức: ∋i = Ai ni Trong đó: Ai khối lượng nguyên tử nguyên tố; ni hóa trị nguyên tố 1.4.2 Đương lượng hợp chất: Là số phần khối lượng hợp chất tác dụng vừa đủ với đương lượng chất khác Ví dụ 21: Biết ∋ Al = Từ phản ứng: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2, dễ dàng tính ∋ HCl = 36,5 Biết ∋ NaOH = 40 Từ phản ứng: 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O, tính ∋ H SO = 49 1.4.3 Cách tính đương lượng: a) Trường hợp chung: ∋= A( M ) n Trong đó: A(M ) khối lượng nguyên tử hay khối lượng phân tử n số e trao đổi b) Các trường hợp cụ thể: + Đối với nguyên tố hoá học: ∋= A H với H hóa trị nguyên tố hóa học + Đối với hợp chất: ∋= M n với n số electron trao đổi Nếu hợp chất là: - Oxit: Thì n tổng hóa trị oxi có oxit - Axit: Thì n số nguyên tử hiđro có axit thay - Bazơ: Thì n hóa trị kim loại có bazơ - Muối: Thì n tổng hóa trị kim loi cú mui Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ví dụ 22: Đương lượng Fe2O3 là: ∋ Fe2O3 = Đương lượng H2SO4 phản ứng: 160 = 26,7 + + = 3.2 98 = 49 98 NaOH + H2SO4 →NaHSO4 + H2O ∋ H SO4 = = 98 74 Đương lượng Ca(OH)2 là: ∋ Ca (OH )2 = = 37 310 Đương lượng Ca3(PO4)2 là: ∋ Ca3 ( PO4 )2 = = 51,7 + + = 3.2 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O ∋ H SO = Đương lượng Fe, phản ứng: Fe + 2H+→ Fe2+ + H2 ∋ Fe = 56 : = 28 Còn phản ứng: 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 ∋ Fe = 56 : = 18,67 Chú ý: Theo định nghĩa đương lượng đương lượng đại lượng khơng có đơn vị 1.4.4 Đương lượng gam: Đương lượng gam chất (đơn chất hay hợp chất) lượng chất tính gam có trị số đương lượng chất Nếu kí hiệu đương lượng gam đlg, ta có: đlgAl = 9g ∋ Al = 1.4.5 Số đương lượng gam(số đlg): Được xác định số gam chia cho đương lượng gam Cơng thức tính: Số đlg = số gam : đlg Cho mHCl = 18,25g → Số đlgHCl = 18,25g/36,5g = 0,5 Như số đương lượng gam đại lượng khơng có đơn vị HỆ ĐƠN VỊ Một vấn đề hóa học, tốn hóa học Bài tốn hóa học đặt dựa yêu cầu thực tế đời sống, thơng qua thực nghiệm hóa học Vì kết thơng qua số phải có ý nghĩa xác định Cho nên số buộc phải có đơn vị Chỉ có đáp số số chưa đủ mà cịn cần phải có đơn vị Một lượng vật chất ln biểu thị trị số có kèm theo đơn vị Lượng vật chất = Trị số đơn vị Hiện nay, có hai xu hướng: Dùng hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) dùng đơn vị theo thói quen.Trong trình hội nhập với quốc tế, nên dùng hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) 2.1 Hệ đơn vị quốc tế (hệ SI) Đại hội đo lường quốc tế họp Pari vào tháng 10 năm 1960 thông qua quy ước đơn vị đo khái niệm tương ứng Trong chương xét hệ đơn vị cụ thể 2.1.1 Hệ SI sở Gồm bảy đại lượng chọn làm sở với đơn vị đại lượng kốm theo, c a bng 1.3 Trờng đại học công nghiệp h nội giáo trình hoá đại c−¬ng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nguyên tắc chung: làm giảm nồng độ ion phản ứng hố học cho tích số ion chung nhỏ tích số tan Ví dụ 1: Cho 0,01 mol Fe(OH)3 vào lít H2O Hỏi cần phải thêm axít mạnh vào đến pH để hoà tan hoàn toàn khối lượng Fe(OH)3 Biết T Giải Fe(OH)3 ?Fe3+ + 3OHT = =3.10-39, Khi Fe(OH)3 vừa tan hết [Fe3+][OH-]3 =T Theo đề [Fe3+] = 0,01M nên [OH-] = M Tính [H+] dựa vào Vậy: Phải thêm axit mạnh vào dung dịch đến pH =1,83 0,01 mol Fe(OH)3 tan hết Chương PHảN ứng oxy hoá - khử dịng điện Phản ứng oxy hố khử 1.1 Số oxi hoá (Mức oxi hoá, bậc oxi hoá hay trạng thái oxi hoá) Số oxi hoá nguyên tố hợp chất điện tích nguyên tử nguyên tố phân tử hợp chất với giả thiết phân tử liên kết ion Với khái niệm vừa nêu, người ta đ• quy ước cách hình thức cặp electron liên kết hai nguyên tử chuyển hẳn cho nguyên tử nguyên tố có độ âm điện Khi đó, số oxi hố số dương, số âm số không Quy ước, phân tử đơn chất có số oxi hố cặp electron liên kết khơng lệch phía ngun tử Ví dụ kim loại Na, Fe, Cu, có số oxi hố 0, khí O2, Cl2, H2, có số oxi hố Đối với hợp chất ion tạo thành từ ion đơn nguyên tử số oxi hố ngun tố điện tích ion Thí dụ, hợp chất NaCl số oxi hoá Na +1 Cl –1 Trong hợp chất tổng số số oxi hố ngun tử khơng, cịn ion tổng số số oxi hố điện tích ion Số oxi hoá Oxi -2 oxi liên kết với nguyên tố có độ âm điện bé nó, cịn với hiđrơ +1 hiđro liên kết với nguyên tố có độ âm điện lớn Thí dụ 1: Xác định số oxi hoá N axit HNO3 Đặt số oxi hố N x, ta có: (+1) + x + 3.(-2) = ? x= +5 Thí dụ 2: xác định số oxi hoá Cr ion Cr2 Tương tự: 2x + 7(-2) = -2 ? x = +6 Đối với chất có chứa nhiều nguyên tử nguyên tố, chúng lại trạng thái oxi hoá khác Trong trường hợp này, để xác định số ơxi hố ngun tố khơng áp dụng quy tắc (vì áp dụng ch xỏc nh Trờng đại học công nghiệp h nội 260 giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt c số oxi hố trung bình ngun tố) mà phải dựa vào cơng thức cấu tạo chất Thí dụ 3: Xác định số oxi hoá cacbon anđehitaxetic Anđehit axetri có cơng thức cấu tạo: Trong cơng thức này, cacbon nhóm –CH = có số oxi hố +1 cịn cacbon nhóm –CH3 -3 Nếu xác định theo nguyên tắc số oxi hố trung bình cacbon CH3CHO -1 (tức (-3+1):2 = -1) Thí dụ 4: Xác định số oxi hoá lưu huỳnh axit thiosunfuric axit có cấu tạo tương tự axit sunfuric, mô tả hai công thức sau: Trong cơng thức (a) ngun tử S trung tâm có số oxi hố +4, ngun tử S cịn lại có số oxi hố cơng thức (b) ngun tử S trung tâm có số oxi hố +5 nguyên tử S -1 Dựa vào thay đổi số oxi hoá nguyên tố tham gia phản ứng phân chia phản ứng hố học thành loại: loại thứ khơng có thay đổi số oxi hố gọi phản ứng trao đổi, loại thứ có thay đổi số oxi hoá nguyên tố gọi phản ứng oxi hoá khử Khái niệm số oxi hố giúp để phân loại chất, ví dụ xếp hợp chất H3PO4 H4P2O7 vào nhóm số oxi hố photpho +5 cịn H3PO3 H4P2O5 xếp vào nhóm số oxi hố photpho +3 Ngồi số oxi hố cịn dùng làm sở để định nghĩa phản ứng oxi hoá - khử cân phản ứng oxi hoá khử theo phương pháp cân electron phương pháp ion – electron 1.2 Phản ứng oxi hố khử Phản ứng hố học có thay đổi số oxi hoá nguyên tố, gọi phản ứng oxi hố khử Nói cách khác: phản ứng oxi hố khử phản ứng có cho nhận electron Thí dụ: Phản ứng oxi hố - khử gồm hai q trình: q trình oxi hố (sự oxi hố) q trình khử (sự khử) Trong phản ứng Quá trình oxi hố : 2+: Số oxi hố tăng Q trình khử là: 2+ + 2e ? Cu0 : Số oxi hoá giảm Phản ứng: Fe + Cu2+ ? Fe2+ + Cu Trờng đại học công nghiệp h nội 261 giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trong phn ng trên, Fe tăng số oxi hoá gọi chất khử (nhường e), cịn Cu2+ giảm số oxi hố gọi chất oxi hoá (nhận e) Qua việc phân tích trên, đưa định nghĩa sau Chất mà thành phần có nguyên tố tăng số oxi hoá gọi chất khử Q trình oxi hố (sự oxi hố) chất q trình làm tăng số oxi hố ngun tố có thành phần chất Chất mà thành phần có nguyên tố giảm số oxi hố gọi chất oxi hố Q trình khử (sự khử) chất trình làm giảm số oxi hoá nguyên tố thành phần chất Trong phản ứng oxi hố - khử, q trình oxi hố q trình khử gọi hai nửa phản ứng cộng hai nửa với phản ứng oxi hoá - khử Trong q trình khử, chất oxi hố bị khử biến thành chất khử cịn q trình oxi hoá, chất khử bị oxi hoá biến thành chất oxi hoá, chất oxi hoá chất khử q trình hợp thành cặp oxi hố - khử (được kí hiệu Ox/kh) Vì phản ứng oxi hố khử phải có hai cặp oxi hố khử ví dụ trên, hai cặp Cu2+/Cu Fe2+/Fe Nếu dạng oxi hố Ox1 cặp Ox1/Kh1 oxi hoá dạng Kh2 cặp Ox2/Kh2 phản ứng oxi hố - khử viết dạng tổng quát sau: n1Ox1 + n2Kh2 n1Kh1 + n2Ox2 1.3 Cân phản ứng oxi hố khử Có nhiều phương pháp cân phản ứng oxi hoá - khử Trong giáo trình giới thiệu hai phương pháp chủ yếu Thứ phương pháp cân electron, thứ hai phương pháp cân ion-electron a Phương pháp cân electron Phương pháp dựa nguyên tắc tổng số electron mà chất khử nhường tổng số electron chất oxi hoá nhận Muốn cân phản ứng oxi hoá khử phương pháp này, trước tiến phải viết phương trình phản ứng dạng phân tử sau xác định số oxi hoá chất khử chất oxi hoá Trên sở tìm hệ số chất khử, chất oxi hoá cuối cân số nguyên tử hai vế tìm đầy đủ hệ số Ví dụ: Cần phương trình phản ứng sau: Sau xác định số oxi hoá, phải viết hai q trình oxi hố q trình khử: Xác định bội số chung nhỏ 12 Lấy 12:3 ta hệ số Al 12: ta hệ số O2 Đưa hệ số vào hai nửa phản ứng cộng hai nửa phn ng vi nhau, ta c: Trờng đại học công nghiệp h nội 262 giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3Al + 3O2 ? 4Al3+ + 2O2Cuối đưa hệ số tìm vào phương trình trên, phương trình cân 4Al + 3O2 ? 2Al2O3 Ví dụ 2: Cân phản ứng sau: Sau xác định số oxi hoá nguyên tố phản ửng, thấy có mangan sắt thay đổi số oxi hố Ta viết hai q trình khử q trình oxi hố: Mn+7 +5Fe2+ Mn+2 + 5Fe+3 Bội số chung nhỏ 5, từ ta tìm hệ số cho hai trình Việc đưa hệ số vào phương trình phải nhân tiếp với cơng thức Fe2(SO4)3 có nguyên tử sắt 2KMnO4 + 10FeSO4 + H2SO4 ? 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O Tiếp theo tìm hệ số cịn lại, cách cân nguyên tử nguyên tố khác, K, S, H O 2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 ? 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 8H2O Đến phương trình phản ứng cân xong Trong phản ứng hoá khử, chất tham gia vào phản ứng khơng đóng vai trị chất oxi hố hay chất khử mà cịn đóng vai trị mơi trường cho phản ứng Ví dụ 3: x Zn – 2e ?Zn2+ x N+5 + 8e ? N-3 4Zn0 + N+5 ? 4Zn+2 + N-3 Như vậy, 10 phân tử HNO3 phản ứng, có phân tử HNO3 làm nhiệm vụ oxi hoá kẽm, phân tử cịn lại đóng vai trị mơi trường nói cách khác phân tử có nhiệm vụ kết hợp với ion Zn2+ dung dịch trung hoà điện b Phương pháp ion – electron Phương pháp có ưu điểm khơng cần xác định số oxi hố, khơng cần viết phương trình phản ứng dạng phân tử Chỉ cần biết hai cặp oxi hoá - khử phản ứng với cân hoàn thành phản ứng dạng phân tử Muốn thực theo phương pháp cần đảm bảo nguyên tắc: Các chất điện ly mạnh để dạng ion; chất không điện ly, điện ly yếu, chất khí, chất khơng tan để dạng phân tử, tức để chất tồn dạng thật Thí dụ: Cân hoàn thành phản ứng sau dạng phân tử Từ sơ đồ, ta thấy: ion Cl- bị oxi hoá thành Cl2 ion bị khử thành ion Mn2+ Tức có cặp oxi hố - khử phản ứng với nhau, cặp Mn /Mn2+ Cl2/ClBây ta viết hai q trình khử oxi hố: Cl- ? Cl2 (quỏ trỡnh oxi hoỏ) Trờng đại học công nghiệp h nội 263 giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mn ? Mn2+ (quá trình khử) Cần ý, cân nửa phản ứng cần phải đảm bảo hai nguyên tắc: Thứ phải bảo toàn khối lượng (tức phải làm số nguyên tử nguyên tố hai vế nửa phản ứng phải nhau); thứ hai phải bảo tồn điện tích (tức điện tích hai vế phải nhau) Để đảm bảo nguyên tắc trên, trước tiên phải cân số ngun tử phía trước sau cân điện tích ví dụ trên, thêm vào Cl- được: 2Cl ? Cl2 Như vế trái mang điện tích âm (2.(-1)=-2), cịn vế phải trung hồ điện, cần phải bớt vế trái e vế trung hoà điện: 2Cl- - 2e ? Cl2 trình khử, Mn hai vế đ• cân bằng, phải cân oxi cách thêm vào vế phải 4H2O, ta được: Khi đó, vế phải thừa 8H nên phải thêm vào vế trái 8H+ số nguyên tử H hai vế bằngnhau Bây cân điện tích, ta thấy vế phải mang điện tích +2 cịn vế trái +7 Để trung hồ điện cần thêm vào vế trái 5e, được: Kết hợp hai nửa phản ứng cân số electron cho nhận, cộng hai nửa phản ứng với phương trình dạng ion x 2Cl- – 2e ? Cl2 x Mn + 8H+ + 5e ? Mn2+ + 4H2O 2Mn + 10Cl- + 16H+?2Mn+2 + 5Cl2 + 8H2O (phương trình ion) Muốn viết phương trình phản ứng dạng phân tử, ta thêm vào hai vế lượng ion để trung hồ điện tích ion có phương trình ion, hai vế thêm 2K+ 6Cl-, được: 2KMnO4 + 16HCl ? 2HCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O Phương trình đ• hồn thành số q trình điện hố Năng lượng phản ứng hố học biến đổi thành dạng lượng khác điện năng, quang năng, nhiệt ngược lại biến dạng lượng khác thành hố Nếu phản ứng hố học mà E ? điện năng: hệ điện hố Nhờ dịng điện mà phản ứng xảy ? hệ điện phân 2.1 Nguyên tắc biến đổi hoá thành điện * Xét thí nghiệm: Nhúng Zn vào dung dịch CuSO4 Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu ; ?H0298 = -230,12 kj/mol Zn nhường e trực tiếp cho Cu (vì: Cu2+ đến bề mặt Zn nhận 2e ?Cu kết tủa) Khi lượng phản ứng hoá học thoát dạng nhiệt Thành phần hệ gồm: - Zn, Cu: tiếp xúc trực tiếp với - Zn2+, Cu2+ nm dung dch Trờng đại học công nghiệp h nội 264 giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt * Muốn biến nhiệt phản ứng thành điện năng, ta làm sau: Cho: Zn nhúng vào dung dịch Zn2+ Cu nhúng vào dung dịch Cu2+ Nối Zn với Cu dây dẫn Hai dung dịch thơng với nhờ cầu muối ống hình chữ U úp ngược đựng dung dịch chất điện ly trơ (NH4NO3, KNO3ơ , KCl,…) Cầu muối có tác dụng khơng dung dịch hồ trộn vào nhau, cho phép ion đủ từ điện cực sang điện cực Như vậy: muốn cho Năng lượng phản ứng hoá học biến thành điện chất khử phải nhường e gián tiếp cho chất oxy hoá nhờ chất trung gian (dây dẫn kim loại) Đ• biết: Muốn cho e chuyển từ Zn ? Cu phải có chênh lệch hiệu điện Zn Cu Nguyên nhân xin mời tìm hiểu phần 2.2 Thế điện cực ? Nhúng kim loại M vào dung dịch chứa muối (M2+) bề mặt kim loại dung dịch bao quanh kim loại phát sinh lớp điện kép Khi đạt đến trạng thái cân bằng: M ? Mn+ + ne xuất hiệu điện cân trị số hiệu điện cân phụ thuộc Bản chất kim loại Nồng độ ion kim loại Mn+ Nhiệt độ Hiệu điện biểu thị Vôn (V) gọi điện cực Chú ý: đo giá trị tuyệt đối điện cực 2.3 Các loại điện cực: loại Điện cực loại 1: điện cực làm việc thuận nghịch với cation kim loại Gồm có: Điện cực kim loại: Mn+/M, phản ứng trao đổi: Mn+ + ne ? M Điện cực oxy hoá - khử: Oxh, Kh/Pt oxh +ne ? kh Điện cực khí: điều chế hiđrơ H+/ H2, Pt: H+ + 1e ? 1/2 H2 Điện cực loại 2: Là điện cực làm việc thuận nghịch với anion cấu tạo kim loại bên phủ muối khó tan kim loại nhúng vào dung dịch chứa anion muối khó tan Ví dụ: a, Ag, AgCl\Cl-: AgCl + 1e ? Ag + Clb, Điều chế Calomen: Hg, Hg2Cl2\ Cl-; Hg2Cl2 + 2e ? 2Hg + 2Cl- SO42c, Điều chế thuỷ ngân I’Sunphat: Hg, Hg2 SO4(r) \ SO42Hg2 SO4 + 2e ? 2Hg + SO42Chú ý: Nếu Cion = 1M (hoặc Pkhí = 1atm) làm việc 250C gọi điện cực tiêu chuẩn 2.4 Hệ điện hoá (Pin Ganvani, nguyên tố Ganvani, nguyên tố, pin) a Cấu tạo ca Pin Ganvani Trờng đại học công nghiệp h nội 265 giáo trình hoá đại cơng http://hhud.tvu.edu.vn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Gm điện cực ghép với nhờ: dây dẫn nối điện cực cầu muối nối dung dịch b Quy ước quốc tế cách viết pin điện hoạt động pin điện Ranh giới điện cực dung dịch ký hiệu bởi: “|” gạch thẳng đứng Ranh giới dung dịch ký hiệu bởi: “?” gạch thẳng đứng Ví dụ: Pin Zn-Cu (pin danien – jacobi: tên riêng) (-) Zn | Zn2+ ? Cu2+ | Cu (+) Epin = 1,1(V) >0 Điện cực trái cực âm: cực ln xảy oxi hố Điện cực phải cực dương: cực xảy khử Phản ứng xảy pin thí dụ (theo chiều tự diễn biến) là: + Cực (-): Zn – 2e ? Zn2+ + Cực (+): Cu2+ + 2e ? Cu Phương trình phản ứng: Zn + Cu2+ ? Zn2+ + Cu? c Sức điện động Pin Epin = ?P - ?T = ?đc(+)- ?đc(-) Epin: sức điện động pin ?P: điện cực điện cực phải ?T: điện cực điện cực trái Chú ý: xác định dễ dàng giá trị Epin cần dụng cụ đo với điện cực 2.5 Quan hệ ?G E ?G = - nE.F ?G0 = - nE0.F 2.6 Phương pháp xác định điện cực Thế điện cực tiêu chuẩn a Xác định điện cực điện cực Như đ• nói, khơng thể đo điện cực mà đo sức điện động pin Vì muốn xác định điện cực, phải tuân thủ Quy ước sau: “Ghép điện cực cần xác định với điện cực hiđrô tiêu chuẩn (aH+= CH+ = 1M; PH2 = 1atm) đặt bên trái điều chỉnh cách xác định đặt bên phải” Ví dụ: Xác định ?0Zn2+/Zn=? (-) Pt, H2 | H+ (1M)? Zn2+ (1M)| Zn (+) 250C, P=1atm E0= ?P- ?T = ?0Zn2+/Zn- ?0H+/H2= -0,76(v) Phản ứng xảy pin là: H2 + Zn+ = 2H+ + Zn E0 = -0,76(V) Epin = E0pin - RT ln Ckh1n1 COxh2n2 NF COxh1n1 Ckh2n Cho nửa phản ứng: oxh + ne ? kh Hay - ảnh hưởng thay đổi nồng độ - ảnh hưởng tạo thành hợp chất tan - ảnh hưởng tạo hợp chất phức - ảnh hưởng môi trường 2.8 Chiều trạng thái cân phản ứng oxy hoá khử a Chiều phản ứng oxy hoá - khử: Chiều tự diễn biến chiều có : Nếu E=0 phản ứng đạt tới trạng thái cân Nếu E