A.Đặt vấn đề I. Lời Mở Đầu: Hầu hết các phản ứng hoá học diễn ra trong dung dịch và môi trường có ảnh hưởng rất nhiều tới khả năng tham gia phản ứng của các chất. Loại bài tập tính pH luôn là cần thiết trong việc xác định định lượng tính axit, bazơ của dung dịch. Đây là dạng bài tập khó, đa dạng và học sinh thường lúng túng khi gặp chúng. Trong các đề thi đại học cao đẳng, đề thi học sinh giỏi những năm gần đây, các bài tập tính pH thường xuyên xuất hiện, đặc biệt là đề thi học sinh giỏi giải toán bằng máy tính casio môn hoá học trong 2 năm 20082009,20092010 luôn xuất hiện các bài tập về pH. Chính vì vậy dạng bài tập này cần được đưa thành một chuyên đề ôn luyện quan trọng bồi dưỡng cho học sinh khá giỏi. Giáo viên bồi dưỡng học sinh cần phải có một hệ thống các kiến thức cơ bản về phần pH, sưu tập các dạng bài tập phong phú phù hợp với kiến thức phổ thông . Tôi chọn đề tài ‘Sử dụng các bài tập pH trong cân bằng axít bazơ bồi dưỡng học sinh khá giỏi’ để nghiên cứu nhằm mục đích làm cơ sở cho bản thân trong giảng dạy học sinh và nâng cao chất học tập trong thời gian tới. II. Thực trạng: Mặc dù đã xuất hiện nhiều trong các đề thi tuy nhiên khi gặp các bài tập về pH thì học sinh thường lúng túng không định hình được cách giải. Học sinh không phân loại các bài tập thuộc đạng nào và phải áp dụng những kiến thức và định luật nào để giải quyết vấn đề, ngoài ra việc tự nghiên cứu tài liệu và suy luânj của học sinh đang còn hạn chế học sinh. Những tồn tại và hạn chế trên của học sinh là do sự tiếp cận các vấn đề về pH trong dung dịch các chất điện ly chưa vững và chưa hợp lý không biết các dạng bài tập mình đang xử lý thuộc dạng nào. Vì vậy học sinh thường không biết phải áp dụng những kiến thức nào để vận dụng. Từ những vấn đề nêu trên để công tác giảng dạy đạt hiệu quả cao đáp ứng xu hướng đổi mới của giáo dục trong thời đại đổ mới. Tôi mạnh dạn đổi mới phương pháp giảng day học sinh khá giỏi về các bài tập pH “ Sử dụng các bài tập pH trong cân bằng axít ba zơ bồi dưỡng học sinh khá giỏi” B. Giải quyết vấn đề: I. Các giải pháp thực hiện : Tôi yêu cầu học sinh nắm vững kiến thức về dung dịch chất điện ly như chất điện ly, sự điện ly, phương trình điện ly, hằng số axítba zơ ,tích số ion của nước… Sau đó học sinh nắm công thức tính PH, các định luật áp dụng tính pH ( định luật bảo toàn nồng độ ban đầu, định luật bảo toàn điện tích, định luật bảo toàn proton. Các dạng bài tập về pH trong cân bằng axít như sau. Phần 1: pH và các định luật tính pH Phần 2: Các dạng bài tập thường gặp. Dạng 1: Axít mạnh, Dạng 2: Ba zơ mạnh. Dạng 3: Đơn a xít yếu. Dạng 4: Đơn ba zơ yếu. Dạng 5:Hỗn hợp các axít và đơn ba zơ. i.1 : pH và các định luật áp dụng tính pH I.1.1: pH Công thức tính: pH = lg (H+ ) (H+ ) chỉ số hoạt độ của ion hiđrô Trong dung dịch loãng pH = lg?H+? Từ cân bằng . H2O H+ + HO Kw = 1014 ? pH + pOH = 14 I.1.2. Các định luật áp dụng tính pH I.1.2.1. Định luật bảo toàn nồng độ: Nồng độ ban đầu của 1 cấu tử bằng tổng nồng độ cân bằng của các dạng tồn tại của cấu tử có mặt trong dung dịch. I.1.2.2. Định luật bảo toàn điện tích: Dựa trên nguyên tắc dung dịch có tính trung hoà điện. Tổng điện tích âm của các anion phải bằng tổng điện tích dương của các cation. I.1.2.3. Định luật tác dụng khối lượng: aA + bB cC + dD kc = ở đây xét hoạt độ các ion bằng 1 I.1.2.4. Định luật bảo toàn proton (điều kiện proton): Nếu ta chọn một trạng thái nào của dd làm chuẩn (mức không) thì tổng nồng độ proton mà các cấu tử ở mức không giải phóng ra bằng tổng nồng độ proton mà các cấu tử thu vào để đạt đến trạng thái cân bằng. VD: Dung dịch CH3COONa C1moll và NaOHC2 moll NaOH ? Na+ + OH C2 CH3 COONa ? CH3COO + Na+ Mức không: CH3COO(C1), H2O H2O H+ + OH Kw CH3COO + H+ CH3COOH Ka1 ?H+? = (?OH? C2) ?CH3COO? I,2. Các dạng bài tập : I.2.1. axit mạnh: Axit mạnh (kí hiệu HY) nhường hoàn toàn proton cho nước. HY + H2O ? H3O+ + Y (I1). trong dung dịch HY ? 0 và Y = CHY. Các axit mạnh thường gặp là: HCl; HBr; HI; HSCN; HClO3; HBrO3; HNO3 (nấc 1); HClO4, HMnO4, v.v... Cân bằng (I1) thường được viết ở dạng đơn giản: HY ? H+ + Y (I2) Trong dung dịch nước ngoài quá trình (I2) còn có quá trình phân li của nước. H2O H+ + OH (I3) Như vậy có 2 quá trình cho proton và phương trình ddk proton có dạng: H+ = OH + Y (I4) hoặc: H+ = OH + CHY (I5) Sự có mặt của ion H+ do HY phân li ra làm chuyển dịch cân bằng (I3) sang trái và OH < 107. Vì vậy, trong trường hợp CHY >> 107 thì có thể coi. H+ = CHY (I6) nghĩa là, trong dung dịch sự phân li của HY là chiếm ưu thế còn sự phân li của H2O xẩy ra không đáng kể. I.2.1.1. Tính pH, pOH và , ,của dung dịch HCl 1,0.103M. HCl ? H+ + Cl 1,0.103 H2O H+ + OH CHCl >> 107 vậy H+ = CHCl = 1,0 . 103 ? pH = lg (1.103) = 3,0. pOH = 14,0 3,0 = 11,0 ? OH = 1,0 . 1011M. I.2.1.2: Trộn 200ml dung dịch HCl có pH = 2,0 với 300ml HNO3 có pH = 3,0. Tính pH của dung dịch thu được. Dung dịch gốc: CoHCl = 10pH = 1,0 . 102; = 10pH = 1,0. 103 = 200ml; = 300ml. Sau khi trộn:
Sử dụng tập pH cân axit - ba zơ bồi d ỡng học sinh giỏi A.Đặt vấn đề I Lời Mở Đầu: Hầu hết phản ứng hoá học diễn dung dịch môi trờng có ảnh hởng nhiều tới khả tham gia phản ứng chất Loại tập tính pH cần thiết việc xác định định lợng tính axit, bazơ dung dịch Đây dạng tập khó, đa dạng học sinh thờng lúng túng gặp chúng Trong đề thi đại học cao đẳng, đề thi học sinh giỏi năm gần đây, tập tính pH thờng xuyên xuất hiện, đặc biệt đề thi học sinh giỏi giải toán máy tính casio môn hoá học năm 2008-2009,2009-2010 xuất tập pH Chính dạng tập cần đợc đa thành chuyên đề ôn luyện quan trọng bồi dỡng cho học sinh giỏi Giáo viên bồi dỡng học sinh cần phải có hệ thống kiến thức phần pH, su tập dạng tập phong phú phù hợp với kiến thức phổ thông Tôi chọn đề tài Sử dụng tập pH cân axít- bazơ bồi dỡng học sinh giỏi để nghiên cứu nhằm mục đích làm sở cho thân giảng dạy học sinh n©ng cao chÊt häc tËp thêi gian tíi II Thực trạng: Mặc dù đà xuất nhiều đề thi nhiên gặp tập pH học sinh thờng lúng túng không định hình đợc cách giải Học sinh không phân loại tập thuộc đạng phải áp dụng kiến thức định luật để giải vấn đề, việc tự nghiên cứu tài liệu suy luânj học sinh hạn chế học sinh Những tồn hạn chế học sinh tiếp cận vấn đề pH dung dịch chất điện ly cha vững cha hợp lý dạng tập xử lý thuộc dạng Vì học sinh thờng phải áp dụng kiến thức để vận dụng Từ vấn đề nêu để công tác giảng dạy đạt hiệu cao đáp ứng xu hớng đổi giáo dục thời đại đổ Tôi mạnh dạn đổi phơng pháp giảng day học sinh giỏi tập pH Sử dụng tập pH cân axít- ba zơ bồi dỡng học sinh giỏi Mai Văn D, THPT Nga Sơn Sử dụng tập pH cân axit - ba zơ bồi d ỡng học sinh giỏi B Giải vấn đề: I Các giải pháp thực : Tôi yêu cầu học sinh nắm vững kiến thức dung dịch chÊt ®iƯn ly nh chÊt ®iƯn ly, sù ®iƯn ly, phơng trình điện ly, số axít-ba zơ ,tích số ion nớc Sau học sinh nắm công thức tính PH, định luật áp dụng tính pH ( định luật bảo toàn nồng độ ban đầu, định luật bảo toàn điện tích, định luật bảo toàn proton Các dạng tập pH cân axít nh sau Phần 1: pH định luật tính pH Phần 2: Các dạng tập thờng gặp Dạng 1: Axít mạnh, Dạng 2: Ba zơ mạnh Dạng 3: Đơn a xít yếu Dạng 4: Đơn ba zơ yếu Dạng 5:Hỗn hợp axít đơn ba zơ i.1 : pH định luật áp dụng tính pH I.1.1: pH C«ng thøc tÝnh: pH = -lg (H+ ) (H+ ) số hoạt độ ion hiđrô Trong dung dịch loÃng pH = -lgH+ Từ cân H2O � H+ + HO- Kw = 10-14 pH + pOH = 14 I.1.2 Các định luật áp dụng tính pH I.1.2.1 Định luật bảo toàn nồng độ: Nồng độ ban đầu cấu tử tổng nồng độ cân dạng tồn cấu tử có mặt dung dịch Mai Văn D, THPT Nga Sơn Sử dụng tập pH cân b»ng axit - ba z¬ båi d ìng häc sinh giỏi I.1.2.2 Định luật bảo toàn điện tích: Dựa nguyên tắc dung dịch có tính trung hoà điện Tổng điện tích âm anion phải tổng điện tích dơng cation I.1.2.3 Định luật tác dơng khèi lỵng: aA + bB � cC + dD kc = C D c d A B b a xét hoạt độ ion I.1.2.4 Định luật bảo toàn proton (điều kiện proton): Nếu ta chọn trạng thái dd làm chuẩn (mức không) tổng nồng độ proton mà cấu tử mức không giải phóng tổng nồng độ proton mà cấu tử thu vào để đạt đến trạng thái cân VD: Dung dịch CH3COONa C1mol/l NaOHC2 mol/l NaOH Na+ + OHC2 CH3 COONa CH3COO- + Na+ Møc kh«ng: CH3COO-(C1), H2O H2O � H+ + OH- Kw CH3COO- + H+ � CH3COOH Ka-1 H+ = (OH- - C2) - CH3COO- I,2 Các dạng tập : I.2.1 axit mạnh: Axit mạnh (kí hiệu HY) nhờng hoàn toàn proton cho níc HY + H2O H3O+ + Y- (I-1) dung dịch [HY] [Y-] = CHY Các axit mạnh thờng gặp là: HCl; HBr; HI; HSCN; HClO3; HBrO3; HNO3 (nÊc 1); HClO4, HMnO4, v.v Cân (I-1) thờng đợc viết dạng đơn giản: HY H+ + Y- (I-2) Trong dung dÞch níc trình (I-2) có trình phân li cđa níc H2O � H+ + OH- (I-3) Nh vËy có trình cho proton phơng trình ddk proton có dạng: hoặc: [H+] = [OH-] + [Y-] (I-4) [H+] = [OH-] + CHY (I-5) Mai Văn D, THPT Nga Sơn Sử dụng tập pH cân axit - ba zơ bồi d ỡng học sinh giỏi Sự có mặt ion H+ HY phân li làm chuyển dịch cân (I-3) sang trái [OH-] < 10-7 Vì vậy, trờng hợp CHY >> 10-7 coi [H+] = CHY (I-6) nghĩa là, dung dịch phân li HY chiếm u phân li H2O xẩy không đáng kể -3 H OH � I.2.1.1 TÝnh pH, pOH vµ � � �, � � �,cđa dung dÞch HCl 1,0.10 M HCl H+ + Cl- 1,0.10-3 H2O � H+ + OH- CHCl >> 10-7 vËy [H+] = CHCl = 1,0 10-3 pH = -lg (1.10-3) = 3,0 pOH = 14,0 - 3,0 = 11,0 [OH-] = 1,0 10-11M I.2.1.2: Trén 200ml dung dÞch HCl cã pH = 2,0 víi 300ml HNO cã pH = 3,0 TÝnh pH dung dịch thu đợc Dung dịch gốc: Sau trén: CoHCl = 10-pH = 1,0 10-2; CoHNO3 = 10-pH = 1,0 10-3 VoHCl = 200ml; VoHNO3 = 300ml C HCl 1.10 2.200 4,0.10 500 C HNO3 1.10 3.300 6,0.10 500 HCl H+ + Cl– HNO3 H+ + NO3 H2O H+ - OH Bởi CHCl, đk proton: C HNO3 >> 10-7 nên không cần kể ®Õn sù ph©n li cđa níc [H+] = [Cl–] + NO3 = CHCl + C HNO3 = 4.10-3 + 6.10-4 = 4,6 10-3 pH = -lg(4,6.10-3 ) = 2,33 Chó ý:Trong trờng hợp CHY 10-7 phải kể đến phân li nớc phép tính đợc thực đơn giản theo cân phân li H2O I.2.1.3: Nhá giät HCl 3,4 10 -3 M vµo 300,00 ml níc TÝnh pH cđa dung dÞch, biÕt thĨ tích giọt 0,03ml Mai Văn D, THPT Nga Sơn Sử dụng tập pH cân axit - ba zơ bồi d ỡng học sinh kh¸ giái C HCl 3,4.10 3.0,03 3,4.10 M 300,03 Vì CHCl không lớn nhiều so với 10 -7 nên cần phải kể đến sù ph©n li cđa H2O HCl H+ + Cl– 3,4.10-7 H2 O � H+ + C OH KW =10-14 3,4.10-7 [] (3,4 10-7 + x) x Theo định luật tác dụng khối lợng ta có: x (3,4.10-7 + x) x2 + 3,4 10-7 x - 1,0 10-14 � x = 2,72 10–8 vµ = 1,0 10-14 = [OH–] = x = 2,72 10-8 [H+] = 10–14/2,72 10-8 = 3,67 10-7 � pH = 6,43 I.2.2 bazơ mạnh Các bazơ mạnh thờng gặp: LiOH; NaOH; KOH; RbOH; CsOH; FrOH; Ca(OH)2; Sr(OH)2; Ba(OH)2 (nÊc 1) Trong dung dịch bazơ mạnh XOH có trình: - Cân b»ng ion ho¸ cđa níc H2O � H+ + OH- (I-7) - C©n b»ng th©u proton cđa XOH: XOH + H+ X+ + H2O (I-8) XOH + H2O X+ (H2O) + OH (I-9) Một cách đơn giản viết trình xẩy dung dịch bazơ mạnh: XOH X+ + OH (I-10) H2O H+ + OH- (I-11) §iỊu kiƯn proton: [H+] = [OH–] hc C X = [OH–] - CXOH [OH–] = [H+] + CXOH (I-12) (I-13) có mặt OH giải phóng từ (I-10) mà cân phân li nớc (I-11) chuyển dịch sang trái [H+] > 10-7 [OH] = CXOH nghĩa nồng độ OH dung dịch nồng độ bazơ mạnh Mai Văn D, THPT Nga Sơn Sử dụng tập pH cân axit - ba zơ bồi d ìng häc sinh kh¸ giái I.2.2.1:TÝnh [H+], [OH–], pH cđa dung dÞch NaOH 1,0 10-4M NaOH Na+ + OH– 1.10-4 H2O � H+ + OH– CNaOH >> 10-7 nªn: [OH–] = CXOH = 1,0.10-4 [H+] = Kw/ [OH–] = 10-14/1,0 10-4 pH = -1g 1,0 10-10 = 10,0 Trong trờng hợp CXOH 10-7 phải kể đến phân li H 2O nh trờng hợp axit mạnh I.2.2.2:Tính [H+], [OH], pH dung dịch thu đợc thêm 20,10ml dung dịch NaOH 1,00 10-3M vào 80,00ml dung dịch HCl 2,50 10-4M Sau trén: C NaOH C HCl Ph¶n øng HCl 1,00.10 3.20,10 2,008 10 M 100,10 2,50.10 4.80,00 1,998.10 M 100,10 + NaOH 1,998 10-4 NaCl + H2O 2,008.10-4 1,01.10-4 Thành phần giới hạn: NaOH 1,00.10-6 , H2O Các trình: NaOH Na+ + OH– 1,00.106 H2O � H+ C [] + OH– KW = 10-14 1.10-6 x 1.10-6 +x Theo định luật tác dụng khối lợng: x (1.10-6 + x) = 10-14 � � x = 9,90 10-9 [H+] = 9,90.10-9 M; [OH–] = 1,01 10-6M; pH = 8,00 I.2.3.Đơn AXit yếu Mai Văn D, THPT Nga Sơn Sử dụng tập pH cân axit - ba zơ bồi d ỡng học sinh giỏi Các axit yếu phân ly phần dung dịch có phản ứng axit Độ mạnh axit đợc đặc trng số phân li axit K a số số phân li pKa = -lgKa Dĩ nhiên Ka lớn hay pKa bé axit mạnh Các axit yếu tồn dạng phân tử, cation, anion Ví dụ: Ph©n tư: HCN cation: NH 4 anion: HSO4 � � H+ + NH3 � H+ + SO42 H+ + CN– Ka = 10-9,35; pKa = 9,35 Ka = 10-9,24; pKa = 9,24 Ka = 10-1,99; pKa = 1,99 Trong trờng hợp tổng quát dung dịch axit HA có trình sau: H2O HA H+ - OH H+ + A KW (I-15) Ka (I-16) Theo định luật td khối lợng áp dụng ta có: [ H ][ A ] K a HA hay (coi fi = 1) (I-17) [H+] [A–] = Ka [HA] (I-18) TÝch số ion hai trình [H+] [OH] = KW (I-19) [H+] [A–] = Ka[HA] KaCHA (I-20) NÕu KW > KW, cân (2) chủ yếu: HCOOH C [] � H+ + HCOO– x x Ka = 1,78 10-4 0,10 0,10 x Mai Văn D, THPT Nga Sơn Sử dụng tập pH cân b»ng axit - ba z¬ båi d ìng häc sinh kh¸ giái x2 1,78.10 0,10 x Gi¶ sư:x KW phép tính đợc thực hiƯn theo c©n b»ng (I-57) NÕu Kb1C1 Kb2C2 >> Kw phải tính theo phơng trình ĐKP: [H+] = [OH] - [HA1] - [HA2] Mai Văn D, THPT Nga Sơn (I-59) 15 Sử dụng tập pH cân axit - ba zơ bồi d ỡng học sinh giỏi [H+] = Kw K a11[ A1 ] K a 22 [ A2 ] với giá trị tính gần đúng: [H+] = (I-60) Kw K a11C1 K a 22C2 (I-61) I.2.5.4.1: TÝnh pH dung dịch NH3 C1 = 0,100M natri axetat NaAx C2 = 0,100M Na+ + Ax– NaAx H2O H+ + OH– Kw = 10-14 (1) NH3 + H2O H+ + OH– Kb1 = 10-4,76 (2) HAx + OH– Kb2 = 10-9,24 (3) Ax– + H2O Kb1C1 >> Kb2C2 >> KW Từ (2) ta tính đợc: [OH] = 10-2,88 = 1,32 10-3M [H+] = 7,58 10-12 M, pH = 11,12 I.2.5.4.2: TÝnh pH cđa dung dÞch KCN C = 0,100M (pKa1 = 9,35) vµ NH3 C2 = 0,100M (pKa2 = 9,24) K+ + CN– KCN CN– + H2O NH3 + H2O H2O HCN + OH– Kb1 = 10-4,65 (1) NH+4 + OH– Kb2 = 10-4,76 (2) H+ + OH– KW = 10-14 (3) Kb1C1 >> Kb2C2 >> KW ¸p dơng (II - 72) [H+] = 10 14 5,01.10 12 M 9,35 1 9, 24 1 10 10 10 10 pH = 11,26 * ViƯc kiĨm tra cho thÊy: [CN ] = 0,100 10 9,35 0,100M 5,01.10 12 10 9,35 [NH3] = 0,100 10 9, 24 0,100 M 5,01.10 12 10 9, 24 Vậy cách giải gần theo ĐKP chấp nhận đợc I.2.5.5: Hỗn hợp axit yếu bazơ liên hợp Mai Văn D, THPT Nga Sơn 16 Sử dụng tập pH cân b»ng axit - ba z¬ båi d ìng häc sinh giỏi Xét dung dịch chứa axít HA (C HA = Ca) bazơ liên hợp NaA (CN = Cb) Trong dung dịch trình: NaA Na+ + A– HA H2O Cb H+ + OH– Kw H+ + A– Ka (I-63) Ca hc Cb A– + H2O Ka [H+] = (I-62) HA + OH– Kb (I-64) Ca [ HA] K a Cb A Trong trêng hỵp Ka (I-65) Ca 10 Cb cân (I-63) chiếm u dựa vào để đánh giá phần cân Trong trờng hợp Ka Ca 10 Cb dựa vào (I-64) để đánh giá thành phần cân I.2.5.5.1:Tính pH hỗn hợp HCOOH 1,00.10-2M HCOONa 1,00.10-3M HCOONa Na+ + HCOOCb = 1,00.10-3 � H+ + HCOO- HCOO Ka = 10-3,75 (1) Ca = 1,00.10-2 2 Ca 3, 75 10 Ka 10 10 2,75 10 Cb 10 Tõ (1) HCOOH C 1,00.10-2 [] (10-2 - x) � � H+ + HCOO- Ka 1,00.10-3 x (10-3 + x) x(10 x) 10 3,75 2 10 x x2 + (10-3 + 10-3,75)x - 10-5,75 = x2 +1,178.10-3 x - 1,78.10-6 = x = [H+] = 8,69.10-4, pH = 3,06 NÕu tÝnh theo (II-76) th× pH = 2,75 Mai Văn D, THPT Nga Sơn 17 Sử dụng tập pH cân axit - ba zơ bồi d ỡng học sinh giỏi I.2.5.2: Tính pH hỗn hợp HCN 1,00.10-3 KCN 0,100M KCN K+ + CNCb = 0,100M Cb = 1,00.10-3 HCN H+ + CN- Ka = 10-9,35 Ca = 1.10-3 M 3 Ca 9,35 10 Ka 10 10 11,35 10 Cb 10 C©n b»ng chđ u sÏ lµ: CN- + H2O HCN + OH- C 0,100 10-3 [] (0,1-x) (10-3 +x) x Kb = 10-4,65 x(10 x) 10 4, 65 (0,1 x) x2 + (10-3 +10-4,65)x - 10-5,65 = x2 + 1,022.10-3x - 2,24.10-6 = [OH-] = x = 1,07.10-3; [H+] = 9,35.10-12 pH = 11,03 Tính theo (I-65) pH = 11,35 Trong trờng hợp tổng quát tính gần theo phơng trình §KP ¸p dơng cho HA (Ca), A-(Cb) [H+] = [OH-] + [A-] - CAh= Kw [ HA] Ka CB h h Kết tính theo phơng trình gần ®óng h2 + Cbh - (Kw +KaCa) = (I-66) SÏ cho ta [H+] = h Tõ (I-66) ta thÊy Kw