8. Cấu trúc luận văn
2.2. Phân tích nội dung bài thực hành vô cơ trong kì thi ICho
Chúng tôi nghiên cứu phân tích bài toán thực hành vô cơ trong đề thi Icho 40 năm 2008 tổ chức tại Hungary. Đây là bài thực nghiệm điển hình yêu cầu học sinh các thao tác thí nghiệm liên quan đến chuẩn độ như pha chế dung dịch K4[Fe(CN)6] từ chất rắn gốc ban đầu sau đó chuẩn độ lại dung dịch bằng phương pháp chuẩn độ oxi hoá - khử với Ce4+. Sau khi xác định lại nồng độ của chất chuẩn thì dùng K4[Fe(CN)6] để xác định nồng độ Zn2+
1. Cơ sở lý thuyết:
* Pha chế dung dịch K4[Fe(CN)6] từ chất gốc K4[Fe(CN)6].3H2O. Sau đó chuẩn độ lại dung dịch bằng dung dịch chứa ion Ce4+ 0.05136M trong môi trường axit H2SO4.
Phản ứng chuẩn độ: [Fe(CN)6]4- + Ce4+ ⇌ [Fe(CN)6]3- + Ce3+
4 3 4 3 6 6 0 0 0 / ( ) / ( ) 1.44 0.36 1.08 Ce Ce Fe CN Fe CN E E E V
Chất chỉ thị feroin (E0 = + 1.06V), màu dung dịch chuyển từ đỏ sang xanh nhạt. * Chuẩn độ dung dịch chứa ion Zn2+ bằng dd K4[Fe(CN)6] ở trên trong môi trường axit H2SO4 có mặt K3[Fe(CN)6]:
Phản ứng chuẩn độ: 2Zn2+ +[Fe(CN)6]4-⇌ Zn2[Fe(CN)6]
Chất chỉ thị điphenyl amin (E0 = +0.76V), chuyển từ không màu sang tím hơi xanh.
2. Mục đích, yêu cầu: a. Kiến thức:
- Biết được lý thuyết về dung dịch, cách xác định nồng độ mol/l của dung dịch. - Lý thuyết về chuẩn độ oxi hoá - khử.
- Viết phương trình chuẩn độ oxi hoá - khử, tính thế của phản ứng. - Cơ sở để chọn chất chỉ thị tương ứng với từng phép chuẩn độ. b. Thao tác, kĩ năng thí nghiệm:
- Lấy mẫu chất rắn và cân hoá chất. - Pha chế dung dịch từ chất rắn gốc. - Sử dụng bình định mức, pipet, buret.
- Đọc thể tích trong các dụng cụ thí nghiệm trên. - Chuẩn độ dung dịch.
- Xác định được điểm tương đương bằng chất chỉ thị. - Ghi chép kết quả thí nghiệm.
c. Kết quả thí nghiệm:
- Nếu sai số từ ±5% đến ±10% cho 90% điểm kết quả - Nếu sai số trên ±10% cho 60% điểm kết quả
3. Dụng cụ:
* Dùng chung trong phòng thí nghiệm: Bếp điện được điều chỉnh trước đến 700C đặt trong tủ hút (Hood), nước cất, găng tay cao su, bình đựng chất thải, thùng đựng thuỷ tinh vỡ và mao quản.
* Trên bàn của thí sinh: Kính bảo hộ, thìa xúc hoá chất, đũa thuỷ tinh, giấy lau, bình tia nước cất, quả bóp, công tơ hút chia độ, buret, giá đỡ và kẹp, pipet 10cm3, cốc thuỷ tinh 400cm3, ống chia độ 25cm3, bình tam giác 200cm3
4. Hoá chất:
* Dùng chung cho 4 - 6 thí sinh: Dung dịch feroin 0,025 mol/dm3, dung dịch 0,2% điphenyl amin, dung dịch (C6H5)2NH trong axit H2SO4 đặc, dung dịch K3[Fe(CN)6] 0,1 mol/dm3.
* Ở trên bàn của mỗi thí sinh: 50 mg ZnCl2 khan đựng trong ống nghiệm nhỏ (đặt trên miếng bọt xốp, có ghi số báo danh), mẫu rắn K4[Fe(CN)6].3H2O có ghi số báo danh đựng trong bình nhỏ, dung dịch ZnSO4 có ghi nồng độ và đánh số báo danh (200 cm3), dung dịch Ce4+ 0,05136 mol/dm3 (80 cm3), dung dịch H2SO4 1,0 mol/dm3 (200 cm3).
5. Tiến hành thí nghiệm
Chuẩn bị dung dịch K4[Fe(CN)6] và xác định chính xác nồng độ của dung dịch:
- Hòa tan mẫu rắn K4[Fe(CN)6].3H2O (M = 422,41 g/mol) vào một bình tam giác (Erlenmeyer) nhỏ và chuyển định lượng toàn bộ dung dịch vào bình định mức 100,00 cm3.
- Lấy một mẫu 10,00 cm3 dung dịch kali ferohexaxianua(II) từ bình định mức. Thêm 20 cm3 dung dịnh axit sunfuric nồng độ 1 mol/dm3 và hai giọt dung dịch chất chỉ thị feroin vào mẫu trước khi chuẩn độ.
- Tiến hành chuẩn độ với dung dịch Ce4+ nồng độ 0,05136 mol/dm3. Lặp lại chuẩn độ nếu cần thiết. Ceri(IV) là một tác nhân oxi hóa mạnh trong môi trường axit và tạo ra Ce(III).
Phản ứng giữa ion kẽm và kali ferohexaxianua(II) (potassium hexacyanoferrate(II))
- Lấy 10 cm3 dung dịch kali ferohexaxianua(II) và thêm vào đó 20 cm3 dung dịch axit sunfuric nồng độ 1 mol/dm3.
- Tiếp tục thêm vào 3 giọt dung dịch chất chỉ thị (điphenyl amin) và 2 giọt dung dịch K3[Fe(CN)6]. Chất chỉ thị chỉ hoạt động nếu mẫu có chứa một lượng nhỏ ion ferohexaxianua(III) (hexacyanoferate(III) [Fe(CN)6]3–.
- Chuẩn độ từ từ với dung dịch kẽm cho đến khi xuất hiện màu tím hơi xanh. Làm lại phép chuẩn độ nếu thấy cần thiết.
Chú ý: Điểm tối đa không nhất thiết là dành cho các phương pháp lặp lại các giá trị được dự đoán bằng lí thuyết.
6. Xử lý kết quả và thang điểm 2a 2b 2c 2d 2e Tổng 40 5 40 10 5 100 a) Thể tích dung dịch Ce4+ đã tiêu thụ: 1 V V n b) Phản ứng chuẩn độ:
Tính khối lượng của mẫu: K4[Fe(CN)6].3H2O (m): c) Thể tích dung dịch kẽm đã tiêu thụ: 2 2 V V n
d) Đánh dấu vào câu trả lời đúng.
Chất chỉ thị điphenyl amin thay đổi màu ở điểm kết thúc chuẩn độ: a) vì nồng của các ion kẽm Zn2+ tăng.
b) vì nồng của các ion [Fe(CN)6]4– giảm. c) vì nồng của các ion [Fe(CN)6]3– tăng.
d) vì chất chỉ thị bị giải phóng ra khỏi phức của nó.
Chất chỉ thị có mặt ở dạng nào trước điểm kết thúc chuẩn độ ? a) Oxi hóa
c) Phức với một ion kim loại
Lúc bắt đầu chuẩn độ thế khử hóa đối với hệ hexaxyanoferrat(II) - Hexaxyanoferat(III) thấp hơn thế khử hóa của chất chỉ thị điphenyl amin.
a) Đúng b) Sai
e) Xác định công thức của kết tủa. Trình bày cách xác định của bạn. Công thức của kết tủa:
7. Lưu ý khi làm thí nghiệm:
- Pipet có hai vạch mức. Lấy dung dịch đến vạch mức thứ hai để đo chính xác thể tích. Không để tất cả dung dịch chảy ra hết.
- Khi thêm kali ferohexaxianua(II) (potassium hexacyanoferrate(II)), K4[Fe(CN)6], vào dung dịch chứa các ion kẽm sẽ tạo thành kết tủa ngay lập tức. Nhiệm vụ của bạn là tìm ra thành phần tỉ lượng của kết tủa không chứa nước trong tinh thể.
- Phản ứng tạo kết tủa xẩy ra nhanh và định lượng nên có thể dùng để chuẩn độ. Điểm kết thúc chuẩn độ có thể xác định nhờ một chất chỉ thị oxi hóa – khử, nhưng nồng độ đầu của dung dịch kali ferohexaxianua(II) cần phải xác định trước. 8. Câu hỏi kiểm tra và mở rộng:
a. Xác định thành phần của hệ tại điểm tương đương?
b. Giải thích tại sao chọn hai chất chỉ thị trong hai trường hợp chuẩn độ? c. Cho biết thành phần của kết tủa khi chuẩn độ Zn2+ bằng K4[Fe(CN)6] d. Nêu những sai số khách quan và chủ quan trong hai thí ngihệm.
2.3. Một số bài thực hành đề xuất làm đề nguồn cho kì thi chọn học sinh giỏi quốc gia và olympic quốc tế[7], [18]
:
Một số bài thực hành dưới đây được để cập từ mức độ đơn giản đến phức tạp về nội dung kiến thức đến độ khó của thao tác thí nghiệm và tập trung chủ yếu vào phương pháp chuẩn độ để xác định tốc độ phản ứng, xác định hằng số cân bằng và nhiệt của phản ứng, xác định thành phần hoá học của hỗn hợp...Cụ thể như sau:
Bài 1: Hằng số tốc độ phản ứng bậc 2: Sự xà phòng hoá etyl axetat.
1. Cơ sở lý thuyết:
Xét phản ứng động học bậc 2 đơn giản thuỷ phân etyl axetat trong môi trường kiềm với nồng độ ban đầu không giống nhau:
OH- + CH3COOC2H5 CH3COO- + C2H5OH Ban đầu: a b Thời gian t: -x -x x x Còn lại: a-x b-x x x Áp dụng công thức: vt dx k a( x b)( x) dt ( )( ) dx kdt a x b x Lấy tích phân hai vế được: 2.303 lg ( )
( ) ( ) a b x k t a b b a x 2. Mục đích, yêu cầu: a. Kiến thức:
- Thiết lập phương trình động học bậc 2 đơn giản.
- Nghiên cứu tốc độ phản ứng thuỷ phân etyl axetat trong môi trường kiềm bằng phương pháp chuẩn độ ngược.
- Dựa vào kết quả thực nghiệm tính hằng số tốc độ của phản ứng. b. Thao tác, kĩ năng thí nghiệm:
- Cách lấy thể tích dung dịch bằng ống đong. - Sử dụng pipet để lấy dung dịch
- Cho hoá chất vào buret và cách sử dụng. - Cách chuẩn độ axit - bazơ
- Xác định đúng điểm tương đương - Ghi chép lại các số liệu thực nghiệm c. Kết quả thí nghiệm:
Dựa vào số liệu tính hằng số tốc độ trung bình của phản ứng thuỷ phân etyl axetat. Tuy nhiên do phản ứng thuỷ phân xảy ra chậm nên lượng NaOH cần dùng
cho chuẩn độ ban đầu ít do đó học sinh hay bị mắc sai số lớn trong những lần chuẩn độ đầu tiên. Điểm phần kết quả sẽ được tính dựa vào sai số kết quả của học trò.
- Nếu sai số < ±5% cho 100% điểm kết quả
- Nếu sai số từ ±5% đến ±10% cho 90% điểm kết quả - Nếu sai số trên ±10% cho 60% điểm kết quả
3. Dụng cụ:
Bộ điều nhiệt, bình nón có nút nhám, bình nón 100ml, pipet 10 và 25ml, buret 10 và 25ml, ống đong, đồng hồ bấm giờ.
4. Hoá chất:
Dd NaOH 0.05M, dd HCl 0.05M, phenolphtalein, etyl axetat tinh khiết phân tích 5. Tiến hành thí nghiệm:
- Cho vào bình nón có nút nhám 100ml dd NaOH 0.05M, đậy nút và để bình vào máy điều nhiệt ở nhiệt độ phòng (khoảng 20 - 300
C).
- Chuẩn bị một bình nón chứa 10ml dd HCl 0.05M và thêm vài giọt phenolphtalen, chuẩn độ bằng dd NaOH 0.05M phải dùng hết 10ml, nếu sai phải hiệu chỉnh lại nồng độ HCl cho đúng.
- Sau đó cho vào 6 bình nón (dung tích 100ml), mỗi bình 10ml dd HCl 0.05M (vừa hiệu chỉnh) và vài giọt phenolphtalein.
- Khi dung dịch NaOH 0.05M trong bình điều nhiệt ổn định thì cho vào 0.35ml etyl axetat lắc đều, bấm giờ và coi đó là thời gian bắt đầu phản ứng.
- Sau 2, 4, 6, 8, 10, 12 phút dùng pipet lấy nhanh 10ml hỗn hợp phản ứng trong bình nút nhám cho vào bình nón đã chứa sẵn 10ml dd HCl 0.05M lắc đều và chuẩn độ ngay (tránh sự thuỷ phân tiếp của este) bằng dd NaOH 0.05M.
- Đun hỗn hợp phản ứng còn lại cách thuỷ trong vòng 20 - 30 phút (nhớ lắp sinh hàn ngược) ở 70 - 800C để este thuỷ phân hết. Lấy 10ml dd này đem chuẩn độ như trên.
6. Kết quả thí nghiệm và thang điểm:
a b c d e f Tổng
a. Viết phương trình thuỷ phân và phương trình chuẩn độ: b. Thiết lập biểu thức tính hằng số
tốc độ của phản ứng bậc 2 với nồng độ ban đầu các chất không bằng nhau. c. Tính lượng các chất trong 10ml hỗn hợp phản ứng:
- Lượng chất kiềm ban đầu (a) tương ứng với 10ml dd NaOH 0.05M
- Lượng chất phản ứng sau thời gian (x) tương ứng với số ml dd NaOH 0.05M đã dùng cho mỗi lần định lượng theo thời gian t.
- Lượng este ban đầu (b) tương ứng với số ml dung dịch NaOH 0.05M dùng cho lần chuẩn độ sau cùng khi este đã được xà phòng hoá hết hoàn toàn.
Tính k theo phương trình (*)ở mỗi giá trị t và rút ra k
STT Thời gian (phút) VNaOH 0.05M 2.303 t (a-x) (b-x) ( ) lg ( ) b a x a b x k 1 2 2 4 3 6 4 8 5 10 6 12
Vì lượng a, b, x trong thí nghiệm tương ứng theo số ml dd NaOH 0.05M cho 10ml hỗn hợp phản ứng. Mặt khác, theo biểu thức tính tốc độ phản ứng bậc 2 thì các giá trị a, b và x có thứ nguyên là mol/l nên số hạng (a-b) phải nhân với 0.05 (độ chuẩn kiềm) và chia cho 10 (10ml cho mỗi phản ứng), do đó: 200 2.303 lg ( ) ( ) ( ) b a x k t a b a b x (*)
d. Tại sao lại hiệu chỉnh nồng độ axit HCl trong thí nghiệm. e. Tại sao phải đặt bình đựng NaOH bể điều nhiệt
f. Tại sao phải đun cách thuỷ và hồi lưu phản ứng thuỷ phân để xác định thành phần cuối cùng của hệ.
7. Một số lưu ý khi tiến hành thí nghiệm
- Phải để dung dịch NaOH ổn định nhiệt rồi mới cho etyl axetat vào. - Màu của dung dịch ở các lần chuẩn độ phải như nhau
- Thao tác của các lần chuẩn độ phải nhanh và chính xác vì khoảng cách giữa hai lần chuẩn độ có 2 phút.
8. Câu hỏi và mở rộng.
a. Tại sao lại chọn chỉ thị phenolphtalein trong quá trình chuẩn độ b. Nêu những sai số gặp phải trong quá trình thí nghiệm
Bài 2: Xác định hằng số tốc độ phản ứng phân huỷ H2O2 với xúc tác dị thể MnO2
1. Cơ sở lý thuyết:
H2O2 phân huỷ theo phương trình sau: H2O2 → H2O + 1/2O2
Tốc độ phản ứng này tăng lên khi có xúc tác và diễn ra theo 2 giai đoạn: HOOH cham 2H + 1/2O2 (1)
HOOH + 2H nhanh 2H2O (2) 2H2O2 → 2H2O + O2
Trong động hoá học, nếu một phản ứng diễn ra theo nhiều giai đoạn thì tốc độ phản ứng tổng quát được xác định bằng tốc độ của giai đoạn chậm nhất. Vì vậy, ở phản ứng phân huỷ H2O2 thì tốc độ phản ứng được quyết định bởi giai đoạn 1 nên phản ứng xảy ra tuân theo phương trình động học bậc 1.
Để theo dõi tốc độ phản ứng nói chung, người ta có thể theo dõi sự biến thiên nồng độ các chất tham gia phản ứng hay chất tạo thành. Trong trường hợp này, việc theo dõi tốc độ phản ứng theo sản phẩm là oxi sẽ thuận lợi hơn.
Hằng số tốc độ phản ứng phân huỷ H2O2 được tính theo lượng oxi giải phóng theo thời gian bằng phương trình: 2.303lg
t V k t V V (1)
Trong đó: Vlà lượng oxi giải phóng ra khi H2O2 phân huỷ hoàn toàn (tương ứng với nồng độ Co ban đầu của H2O2).
Vt là lượng oxi giải phóng ra khi H2O2 phân huỷ tương ứng với thời gian t (tương ứng với nồng độ Cx).
2. Mục đích, yêu cầu: a. Kiến thức:
- Thiệt lập phương trình động học bậc 1
- Xác định hằng số tốc độ của phản ứng phân huỷ H2O2 với xúc tác MnO2 - Tính thời gian bán huỷ của phản ứng
- Vẽ đồ thị VO2 giải phóng theo thời gian t. b. Thao tác, kỹ năng thí nghiệm:
- Lắp hệ thống dụng cụ điều chế chất khí như hình vẽ. - Kiểm tra xem hệ thống có kín không
- Lấy hoá chất bằng ống đong và cho vào phễu chiết - Cách vặn khoá k và tính thời gian bắt đầu phản ứng - Cách hạ bình nước để đọc thể tích oxi thoát ra. c. Kết quả thí nghiệm
- Dựa vào số liệu thực nghiệm tính được hằng số tốc độ, thời gian nửa phản ứng và vẽ đồ thị biểu diễn Vo2 thoát ra theo thời gian t.
- Nếu sai số < ±5% cho 100% điểm kết quả
- Nếu sai số từ ±5% đến ±10% cho 90% điểm kết quả - Nếu sai số trên ±10% cho 60% điểm kết quả
3. Dụng cụ:
Máy điều nhiệt, đồng hồ bấm giờ, phễu chiết 100ml, bình nón 100ml, ống cao su dẫn khí, bình cầu đáy tròn có nhánh, ống đo khí.
4. Hoá chất
Dd H2O2 0.5%, MnO2 rắn, dd KMnO4 0.1M, dd H2SO4 0.15M 5. Cách tiến hành thí nghiệm:
Hình 1: Sơ đồ dụng cụ phản ứng phân huỷ H2O2 với xúc tác dị thể MnO2: 1. Bình phản ứng
3. Phễu chiết chứa H2O2 5. Khoá k 6. Ống đo khí
7. Bình chứa nước
- Lắp dụng cụ như hình vẽ:
- Cho 20ml dd H2O2 0.5% vào phễu chiết (3), đậy nút kín, mở khoá phễu chiết cho dd H2O2 chảy hết vào bình phản ứng (1) đã chứa sẵn chất xúc tác. Khi được 1/2 lượng dung dịch thì coi như thời gian bắt đầu phản ứng và bấm giờ.
- Cứ sau 1 phút đọc thể tích oxi thoát ra 1 lần (hạ bình chứa nước (7) ngang mực nước ở ống đo khí). Đọc 5 - 7 lần giá trị Vt,
- Sau cùng đun cách thuỷ bình phản ứng (1) ở 800C cho đến khi không còn khí oxi thoát ra. Ghi thể tích oxi thoát ra sau cùng V.