Chương trình hóa học phổ thông chủ yếu tập trung nghiên cứu các phản ứng xảy ra giữa các chất trong dung dịch nước. Trong các sách kinh điển về hóa học, người ta thường chia các phản ứng hóa học trong dung dịch nước làm 4 loại:Phản ứng axit–bazơ, phản ứng tạo phức, phản ứng tạo chất ít tan và phản ứng oxi hóa–khử. Vấn đề đặt ra là giữa các chất có xảy ra phản ứng hay không? Phản ứng xảy như thế nào? Xảy ra với mức độ nào? Những yếu tố nào để làm tăng khả năng phản ứng giữa các chất? …
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO AN GIANG HỘI ĐỒNG BỘ MƠN HỐ HỌC TÀI LIỆU TẬP HUẤN GIÁO VIÊN CHUN ĐỀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI MƠN HỐ HỌC CẤP THPT KHẢO SÁT MỘT SỐ PHẢN ỨNG TRONG DUNG DỊCH THÁNG NĂM 2012 TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 LỜI NĨI ĐẦU Chương trình hóa học phổ thơng chủ yếu tập trung nghiên cứu phản ứng xảy chất dung dịch nước Trong sách kinh điển hóa học, người ta thường chia phản ứng hóa học dung dịch nước làm loại: Phản ứng axit–bazơ, phản ứng tạo phức, phản ứng tạo chất tan phản ứng oxi hóa–khử Vấn đề đặt chất có xảy phản ứng hay không? Phản ứng xảy nào? Xảy với mức độ nào? Những yếu tố để làm tăng khả phản ứng chất? … Mục tiêu chuyên đề: -Giới thiệu đến giáo viên nội dung có tính chất chun sâu dùng việc bồi dưỡng học sinh giỏi cấp THPT, số tập áp dụng số tài liệu tham khảo công tác Bồi dưỡng học sinh giỏi -Trình bày vài cách tiếp cận với mảng kiến thức chuyên để học sinh tiếp thu cách hiệu Giới hạn chuyên đề: trình bày số vấn đề (thuộc chương trình chun) có vận dụng kỳ thi HSG cấp THPT nội dung: Phản ứng axit – bazơ, phản ứng tạo chất tan phản ứng oxi hóa–khử Trong q trình biên soạn, khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong q thầy cơ, bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến để tài liệu thêm hoàn chỉnh Trang TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương PHẢN ỨNG AXIT – BAZƠ -4 1.Thuyết axit - bazơ -4 2.Một số khái niệm liên quan -4 3.Tính nồng độ cân dung dịch axi,t bazơ 3.1.1.Tính nồng độ cân dung dịch axit mạnh, bazơ mạnh Tính nồng độ cân dung dịch axit mạnh -7 Tính nồng độ cân dung dịch bazơ mạnh 3.1.2.Tính nồng độ cân dung dịch axit yếu, bazơ yếu Tính nồng độ cân dung dịch axit yếu đơn chức Tính nồng độ cân dung dịch bazơ yếu đơn chức -8 Tính nồng độ cân dung dịch axit yếu đa chức 4.Tính pH dung dịch đệm -9 5.Tính pH dung dịch muối axit -9 6.Một số ví dụ áp dụng 10 Bài tập vận dụng - 13 Chương PHẢN ỨNG TẠO HỢP CHẤT ÍT TAN 16 Các khái niệm 16 1.1 Độ tan chất tan -16 1.2 Tích số tan 16 1.3 Tích số tan điều kiện -16 Các yếu tố ảnh hưởng 17 2.1 Sự có mặt ion chung -17 2.2 Ảnh hưởng pH 17 2.3 Ảnh hưởng tạo phức -18 Một số tập áp dụng - 18 Chương PHẢN ỨNG OXI HOÁ – KHỬ -23 Các khái niệm 23 Phản ứng oxi hoá - khử pin điện hoá 23 • Để biểu diễn đơn giản pin điện hóa, người ta dùng sơ đồ pin với quy ước: -24 2.1 Thế điện cực -24 • Điện cực hiđro chuẩn 24 • Quy ước IUPAC: 24 • Sức điện động pin -25 • Thế tiêu chuẩn điện cực 25 • Quy ước dấu -25 2.2 Ý nghĩa điện cực 25 2.3 Sự phụ thuộc theo nồng độ 26 Hằng số cân phản ứng oxi hoá - khử 26 Các yếu tố ảnh hưởng đến cân oxi hoá - khử -28 4.1 Ảnh hưởng pH -28 4.2 Ảnh hưởng tạo thành hợp chất tan 30 Thế oxi hoá - khử dung dịch chứa chất oxi hoá chất khử liên hợp 31 Thế oxi hoá - khử dung dịch chứa chất oxi hoá chất khử không liên hợp 32 Trang TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 Một số tập 34 Tài liệu tham khảo -38 Phụ lục 39 Trang TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 Chương PHẢN ỨNG AXIT – BAZƠ Thuyết axit - bazơ Có nhiều thuyết axit - bazơ khác Trong số đó, sử dụng nhiều thuyết axit - bazơ Arrhenius thuyết axit - bazơ Bronsted- Lowry 1.1 Thuyết Axit - Bazơ Arrhenius (thuyết Axit - Bazơ cổ điển) Theo thuyết axit chất có khả phân li nước thành cation H , bazơ chất có khả phân li thành anion OH - Như phân tử axit phải chứa hiđro linh động có khả ion hóa cịn phân tử bazơ phải chứa nhóm hiđroxi có khả ion hóa + Ví dụ: Axit Bazơ → H+ + Cl- NaOH → Na+ + OH- HCl Đây thuyết đơn giản axit bazơ Nó đề cập đến dung môi H 2O Nhiều trường hợp khơng giải thích tính axit-bazơ số dung dịch Để giải thích trường hợp người ta đưa khái niệm thủy phân 1.2 Thuyết proton Axit - Bazơ Bronsted – Lowry Theo thuyết axit chất có khả cho proton Bazơ chất có khả nhận proton Sử dụng thuyết ta giải thích đầy đủ tính axit - bazơ dung dịch dung môi: H2O, khác nước dung môi hữu cơ… giải thích cho số phản ứng axit- bazơ khơng có dung mơi Một số khái niệm liên quan 2.1 Hằng số axit – Hằng số bazơ Khi hòa tan axit bazơ vào nước: A + H 2O B + H 2O H 3O + + B OH − + A Kcb Kcb Áp dụng định luật tác dụng khối lượng, ta có K cb = [ H 3O + ].[ B ] [ A].[ H 2O ] xem [H2O] = 1000/18 (mol/L) = 55,55 (mol/L) = const Trang TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 K cb [ H 2O ] = [ H 3O + ].[ B ] [ A] = Ka Ka gọi số axit Để đơn giản: K a = [ H + ].[ B] [ A] Hoàn toàn tương tự bazơ: → K cb [ H 2O ] = [ A].[OH − ] [ B] = Kb *Hằng số điện li Ka axit dùng để đánh giá cường độ axit Giá trị Ka lớn cường độ axit mạnh, ngược lại K a nhỏ cường độ axit yếu Những axit mà phân tử chứa hai hai proton tách nước, axit gọi đa axit Trong dung dịch nước đa axit phân li theo nấc nấc cho proton Ứng với nấc, có số axit (K a) tương ứng Ví dụ: Axit photphoric ( H3PO4 ) H PO4 + H 2O − H PO4 + H 3O + H PO4− + H 2O HPO42− + H 3O + HPO4 − + H 2O PO4 − + H 3O + pKa1 = 2,12 pKa2 = 7,21 pKa3 = 12,36 *Hằng số cân Kb gọi số bazơ, đặc trưng cho độ mạnh bazơ Kb lớn, bazơ mạnh, ngược lại Kb nhỏ, bazơ yếu Có bazơ mà phân tử cho vào nước nhận một, hai, ba proton, đa bazơ Ví dụ: PO4 − đa bazơ PO4 − + H 2O HPO4 − + OH − Kb1 = 10-1.64 HPO4 − + H 2O − H PO4 + OH − Kb2 = 10-6,79 H PO4− + H 2O H PO4 + OH − Kb3 = 10-11,88 2.2 Cặp axit – bazơ liên hợp Theo Bronsted axit cho proton tạo bazơ liên hợp với Khi bazơ nhận proton tạo axit liên hợp với Trang TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 Ví dụ: CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+ a b b a + NH3 + H2O NH4 + OH b a a b Ở ví dụ có cặp axit bazơ liên hợp: CH3COOH/CH3COO- NH4+/ NH3 2.3 Quan hệ Ka Kb cặp axit-bazơ liên hợp (A/B) • Tích số ion H2O H2 O K cb = + H3O+ H2 O OH- + [ H 3O + ].[OH − ] [ H 2O]2 Nước nguyên chất 25oC: [OH-] = [H3O+] = 10-7M Có thể suy ra: K H O = [H3O+].[OH-] = 10-14 Để đơn giản viết: H+ + OH- H 2O K H 2O = [H+].[OH-] = 10-14 • Quan hệ Ka Kb cặp axit-bazơ liên hợp (A/B) OH − A Kb = B] [ Ta có: H 3O + [ B ] Ka = A] [ → Ka.Kb = [H3O+].[OH-] = = 10-14 Với: pKa = - lgKa; pKb = - lgKb; p = - lg K H O pKa + pKb = p K H O = 14 2 Từ hệ thức ta thấy cường độ axit mạnh (pK a bé) bazơ liên hợp với yếu Ví dụ: CH 3COOH + H 2O CH 3COO − + HOH CH 3COO − + H 3O + Ka = 1,8.10-5 = 10-4,75 CH 3COOH + OH − 10−14 10−14 Kb = = −4,75 = 10−9,25 Ka 10 So với: HCN + H2O H3O+ Trang + CN- Ka = 10-9,35 TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 CN- + H2O HCN + OH- Kb = 10-4,65 Tính axit CH3COOH mạnh HCN tính bazơ CN - mạnh CH3COO3 Tính nồng độ cân dung dịch axi,t bazơ 3.1.1 Tính nồng độ cân dung dịch axit mạnh, bazơ mạnh • Tính nồng độ cân dung dịch axit mạnh HA → H+ + A- H2 O H+ + OH- [H+ ] – [OH-] – [A- ] = → [H+ ] - K H 2O [H + ] - Ca = (1) → [H+]2 - Ca[H+] - = Ta phương trình bậc với ẩn [H+]: - Nếu Ca >> 10-7M, bỏ qua cân điện li H2O [H+] = Ca Ví dụ: Ca = 10-4M → [H+] = 10-4M - Nếu Ca ≈ 10-7M, từ (1) → [H+]2 - Ca[H+] - =0 → [H+ ]2 - 10-7 [H+] - 10-14 = → [H+ ] = 10-6,79 → pH = 6,79 • Tính nồng độ cân dung dịch bazơ mạnh MOH → M+ + OHH2O H+ + OHK H 2O [H+] - [OH-] + [M+] = → [H+] - [H + ] + Cb = [H+]2 + Cb [H+] - = - Nếu Cb >> 10-7M, bỏ qua cân điện ly nước [OH-] = Cb → [H+] = - Nếu Cb ≈ 10-7M giải phương trình: Trang K H 2O [OH − ] TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 [H+]2 + Cb [H+] - = → [H+] 3.1.2 Tính nồng độ cân dung dịch axit yếu, bazơ yếu • Tính nồng độ cân dung dịch axit yếu đơn chức H+ + A- HA Ka H+ + OH- H2O Áp dụng định luật bảo tồn điện tích: [H+ ] – [OH-] – [A- ] = → [H+ ] - K H 2O - + [H ] K a Ca Ka + [H + ] =0 (2) - Nếu KaCa >> bỏ qua điện ly nước → [H+ ] - = → [H+ ]2 + Ka[H+ ] - KaCa = - Giả sử [H+ ] > , bỏ qua điện ly nước → - [OH-] + = → [OH-]2 + Kb [OH-] - KbCb = Trang =0 TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 K b Cb → [H+ ] = Gỉa sử [OH-] > Ka2 , Ka3 ,… Kan [H + ] − → Cân (1) định: + Nếu K1Ca >> K H O → [ H ] − KH 2O + [H ] − Ca K a1 =0 [ H + ] + K a1 C a K a1 =0 [ H + ] + K a1 Nếu [H+] > Nếu Ka1-1C >> K H 2O + K a C − + K a11.C K a C + K a−11.C → [H+] = ( K H 2O + K a C ).K a1 C -1 a1 Nếu Ka2C >> K C >> → [H+] = K a1.K a → pH = (pKa1 + pKa2)/2 Một số ví dụ áp dụng Bài 1: Dung dịch CH3COOH có pH = Phải thêm vào lít dung dịch gam CH3COOH để dung dịch có pH=3,5 Cho Ka= 1,8.10-5 Giải: Gọi x số gam CH3COOH cần thêm vào CH3COO- + H+ CH3COOH Ban đầu: C Phản ứng αC αC αC Cân C(1-α) αC αC Trang 10 TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 Ka = Thay αC = 10-4, Ka = 1,8.10-5 vào, giải C = 6,56.10-4 Khi thêm x(g) vào ta có: Ka = = 1,8.10-5 Giải phương trình ta α = 0,057, → x = 0,3g Bài : Lấy 2,5 mL dung dịch CH3COOH 4M pha loãng với nước thành 1L dung dịch A Cho biết 1mL A có 6,28.10 28 ion phân tử axit không phân li (cho Ka = 1,8.10-5) Tính độ điện li axit CH3COOH Giải: 1mol có 6,02.1023 phân tử nên 0,01 mol có chứa 6,02.1021 phân tử CH3COOH C 6,02.1021 Phản ứng x x 6,02.1021 –x [] Ta có: CH3COO- + H+ x x x (6,02.1021 – x) + x + x = 6,28.1028 Giải ta x = 0,26.1021 Vậy α = 0,26.1021/6,02.1021 = 0,0432= 4,32% Bài 3: Lấy 60mL NaOH 0,025M cho phản ứng với 25mL dung dịch H 3AsO4 0,02M ( cho H3AsO4 có pKa1= 2,13; pKa2 = 6,94 ; pKa3 = 11,50) Tính pH dung dịch thu Giải: H3AsO4 + Ban đầu 0,02.0,025 5.10-4 Phản ứng 3NaOH → Na3AsO4 + 3H2O 0,025.0,06 1,5.10-3 5.10-4 Sau phản ứng 5.10 -4 Sau phản ứng ta thu 5.10-4 mol Na3AsO4 hay Na3AsO4 có nồng độ là: 5.10-4 /0,085 = 5,88.10-3M AsO43- + H2O HAsO42- + OH- Trang 11 Kb1 = 10-2,5 TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 HAsO42- + H2O H2AsO4- + OH- Kb2 = 10-7,06 H2AsO4- + H2O H3AsO4 + OH- Kb3 = 10-11,81 H2 O H+ + OH- Vì Kb1 >> Kb2 >> Kb3 , Cb >> nên dung dịch phản ứng sau chủ yếu: AsO43- + C 5,88.10-3 – x Kb1 = 10-2,5 5,88.10-3 [] HAsO42- + OH- H2O x x Ta có: Kb1 = x2 / ( 5,88.10-3 - x) = 10-2,5 Giải phương trình ta x = 3,01.10-3 → pOH = 2,52 hay pH = 11,48 Bài 4: Tính số gam Na2HPO4 12H2O phải hòa tan 100mL dung dịch H3PO4 0,05M cho pH dung dịch thu 4,68 Cho H 3PO4 có pKa1= 2,15; pKa2 = 7,21 ; pKa3 = 12,36 Giải: Gọi a khối lượng Na2HPO4 12H2O phải đem hịa tan H3PO4 có pKa1= 2,15; pKa2 = 7,21 ; pKa3 = 12,36 Nhận xét: pH = ( pKa1 + pKa2) / = (2,15+ 7,21)/2 = 4,68 Nên thành phần hệ là: + HPO42- H3PO4 2H2PO4- 0,05.0,1 Ta có: a/358 0,005 = a/358 → a = 1,79g Bài 5: Tính khối lượng HCl cần thêm vào lít dung dịch đệm CH 3COONH4 0,3M để pH hệ 6,22 cho CH3COOH có pKa = 4,76, cho NH3 có pKb = 4,76 Giải: CH3COONH4 → CH3COO- + NH4+ 0,3 0,3 Trang 12 0,3 TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 NH4+ NH3 + H+ Ka = 10-9,24 (1) CH3COO- + H2O OH- + CH3COOH Kb = 10-9,24 (2) Bỏ qua cân H2O So sánh (1) (2) thấy Ka = Kb Vậy dung dịch có mơi trường trung tính hay pH = Gọi m khối lượng HCl thêm vào Ta có phương trình: CH3COO- + H+ CH3COOH 0,3 m/36,5 0,3 - m/36,5 m/36,5 Ta có : pH = pKa + lg(Cb/Ca) → 6,22 = 4,76 + lg [( 0,3- m/36,5)/(m/36,5)] Giải phương trình suy m = 0,365 Bài tập vận dụng Bài 6: Nhỏ giọt HCl 3,4.10-3M vào 300,00mL H2O Tính pH dung dịch biết thể tích giọt axit 0,0300 mL Bài 7: Trộn 20,00mL HCl 0,020M với 30,00mL dung dịch CH3COOH 0,150M Tính pH hỗn hợp thu Bài 8: Tính pH dung dịch Na2SO4 0,010M Bài 9: Tính số gam NH4Cl cần lấy để hòa tan vào 250mL nước pH dung dịch thu 5,0 (Coi thể tích khơng thay đổi q trình hịa tan) Bài 10: a) Tính độ điện li dung dịch axit HA (dung dịch A) có pH= 3,00 biết pK a = 5,00 b) Nếu pha loãng dung dịch A gấp lần độ điện li HA bao nhiêu? Tính pH dung dịch thu Bài 11: Tính độ điện li CH3COOH dung dịch CH3COOH 0,100M có mặt NaOH 0,005M Bài 12: Thêm 0,03mL dung dịch KOH 0,084M vào 100mL dung dịch HCOOH 2,45.10 M Tính pH dung dịch thu được( coi thể tích thay đổi khơng đáng kể thêm KOH) -5 Trang 13 TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 Bài 13: Tính pH nồng độ cân cấu tử dung dịch thu trộn 50,00mL NH3 2,00.10-3M với 50,00mL dung dịch H2SO4 2,00.10-3M Bài 14: Tính pH cân hệ gồm HCl 0,010M H2S 0,10M Bài 15: a, Tính pH dung dịch gồm H3AsO4 0,10M CH3COOH 0,050M b, Tính độ điện li axit axetic hỗn hợp Bài 16: Tính pH hỗn hợp gồm H3PO4 0,010 NaHSO4 0,010M Bài 17: Tính nồng độ cân dung dịch axit tactric H 2C4H4O6(H2A) 0,03M Bài 18: Tính pH hỗn hợp thu trộn 40,00mL NH 60,00mL Na2CO3 0,15M 0,25M với Bài 19: a, Tính thể tích NaOH 0,025M cần để trung hịa hồn tồn 25,mL dung dịch H3AsO4 0,02M Tính pH thời điểm b, Tính thể tích NaOH 0,025M để trung hịa 25mL dung dịch H 3AsO4 đến pH1 = 6,94 đến pH2 = 9,22 Bài 20: Tính số gam Na2HPO4.12H2O phải hòa tan 100mL dung dịch H3PO4 0,05M cho pH dung dịch thu 4,68 (bỏ qua thay đổi thể tích) Bài 21: Tính số mL dung dịch (NH4)2SO4 0,1M cần phải thêm vào 100mL dung dịch Na2S 0,1M để pH hệ giảm 0,76 đơn vị Bài 22: a, Trộn 50mL dung dịch HCl 0,3M với 100mL dung dịch NH 0,3M thu dung dịch A Tính pH dung dịch A b, Thêm 0,15mmol HCl vào dung dịch A pH dung dịch thu bao nhiêu? c, Thêm 0,15mmol NaOH vào dung dịch A Tính pH hỗn hợp thu Bài 23: a, Tính đệm dung dịch axit axetic 0,2M natri axetat 0,5M b, Từ giá trị đệm tính pH hệ sau thêm vào lít dung dịch đệm trên: Trang 14 TÀI LIỆU BỒI DƯỠNG, HÈ 2012 0,01mol HCl; 0,01mol NaOH Bài 24: Hãy điều chế dung dịch đệm có pH = 5,00 từ dung dịch CH 3COOH 0,2M muối CH3COONa rắn Bài 25: Thêm chậm 20,00mL HCl 0,075M vào 30mL dung dịch Na 2CO3 0,05M Hãy chứng tỏ dung dịch thu làm dung dịch đệm Trang 15 ... 0,025.0,06 1, 5 .10 -3 5 .10 -4 Sau phản ứng 5 .10 -4 Sau phản ứng ta thu 5 .10 -4 mol Na3AsO4 hay Na3AsO4 có nồng độ là: 5 .10 -4 /0,085 = 5,88 .10 -3 M AsO4 3- + H2O HAsO4 2- + OH- Trang 11 Kb1 = 10 -2 ,5 TÀI LIỆU BỒI... BỒI DƯỠNG, HÈ 2 012 HAsO4 2- + H2O H2AsO 4- + OH- Kb2 = 10 -7 ,06 H2AsO 4- + H2O H3AsO4 + OH- Kb3 = 10 -1 1 , 81 H2 O H+ + OH- Vì Kb1 >> Kb2 >> Kb3 , Cb >> nên dung dịch phản ứng sau chủ yếu: AsO4 3- +... C 5,88 .10 -3 – x Kb1 = 10 -2 ,5 5,88 .10 -3 [] HAsO4 2- + OH- H2O x x Ta có: Kb1 = x2 / ( 5,88 .10 -3 - x) = 10 -2 ,5 Giải phương trình ta x = 3, 01. 1 0-3 → pOH = 2,52 hay pH = 11 ,48 Bài 4: Tính số gam