KỶ yếu HÓA HỌC

KỶ yếu HÓA HỌC

LÊ KIM LONG (Chủ biên)

Lời nói ựầu

đã thành thông lệ, cứ ựến tháng 8 hàng năm các Thày, Cô giáo và học sinh các trường chuyên thuộc các tỉnh miền núi phắa Bắc lại gặp nhau ựể giao lưu học hỏi lẫn nhau và trao ựổi các kinh nghiệm về mọi mặt trong việc dạy Ờ học các môn trong các trường chuyên Năm nay, trường THPT chuyên Thái nguyên là chủ nhà của hoạt ựộng vui vẻ và bổ ắch này Các bài viết này mặc dù chưa ựạt ựến trình ựộ hoàn thiện nhưng là những mối quan tâm của các Thày, Cô giáo trong các trường muốn gửi tới các học sinh lời chúc thành công trong học tập Các thành viên Hóa học của gia ựình chuyên Hùng Vương gửi tới các ựồng nghiệp những chia xẻ về chuyên môn và cuộc sống Mong rằng Hội Trại hè truyền thống Hùng Vương ngày càng phát triển

Hà Nội Ờ Thái Nguyên, 01-03/08/2010

Lê Kim Long

Lâm Ngọc Thiềm

Mục lục Lời nói ñầu 3 CHUYÊN ðỀ 1 MỘT SỐ VẤN ðỀ VỀ CẤU TRÚC TINH THỂ

Tổ Hóa học, trường THPT Chuyên Cao Bằng 5 CHUYÊN ðỀ 2 CÂN BẰNG OXI HOÁ - KHỬ VÀ ỨNG DỤNG

Tổ Hoá - Trường THPT Chuyên Hà Giang 22 CHUYÊN ðỀ 3 PIN ðIỆN HÓA

Trường THPT Chuyên Nguyễn Tất Thành, Yên Bái 59 CHUY£N §Ò 4 CÊU T¹O NGUY£N Tö Vµ B¶NG TUÇN HOµN

Tæ Hãa häc, tr−êng THPT chuyªn Hoµng V¨n Thô, Hßa B×nh 91 CHUYÊN ðỀ 5 TÍNH PH TRONG DUNG DỊCH CÁC CHẤT ðIỆN LY

Tổ Hóa Sinh, THPT Chuyên Lào cai 125 CHUYÊN ðỀ 6 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG AE VÀ SE TRONG HÓA HỌC HỮU CƠ BẬC THPT

Tổ Hóa học, trường THPT chuyên Hạ long, Quảng Ninh 164

Chuyên ñề 1 MỘT SỐ VẤN ðỀ VỀ CẤU TRÚC TINH THỂ

Tổ Hóa học, trường THPT Chuyên Cao Bằng

I ðặt vấn ñề:

Trong chương trình hoá học phổ thông cũng như trong chương trình phổ thông chuyên, phần hoá học tinh thể là một phần khá lí thú và trừu tượng Khi học về phần này, nếu chỉ sử dụng sách giáo khoa và một số sách tham khảo thì học sinh khó hình dung và khó áp dụng các kiến thức vào giải các BTHH có liên quan Do

ñó, ñể giúp hoc sinh tiếp cận kiến thức về cấu trúc tinh thể một cách cụ thể và biết

áp dụng vào giải các bài tập liên quan, chúng tôi ñưa ra chuyên ñề về cấu trúc tinh thể

II Lý thuyết:

* Cấu trúc tinh thể: Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) là mạng lới không gian

ba chiều trong ñó các nút mạng là các ñơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử )

- Tinh thể kim loại

- Tinh thể ion

- Tinh thể nguyên tử ( Hay tinh thể cộng hoá trị)

- Tinh thể phân tử

* Khái niệm về ô cơ sở:

Là mạng tinh thể nhỏ nhất mà bằng cách tịnh tiến nó theo hướng của ba trục tinh thể ta có thể thu ñược toàn bộ tinh thể

Mỗi ô cơ sở ñược ñặc trưng bởi các thông số:

1 Hằng số mạng: a, b, c, α, β, γ

2 Số ñơn vị cấu trúc : n

3 Số phối trí

4 ðộ ñặc khít

A Mạng tinh thể kim loại:

1 Một số kiểu mạng tinh thể kim loại

1.1 Mạng lập phương ñơn giản:

- ðỉnh là các nguyên tử kim loại hay ion dương kim

- ðỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyên tử hay ion

dương kim loại

- Số phối trí = 8

- Số ñơn vị cấu trúc: 2

1.3 Mạng lập phương tâm diện

- ðỉnh và tâm các mặt của khối hộp lập phương là các

nguyên tử hoặc ion dương kim loại

- Số phối trí = 12

- Số ñơn vị cấu trúc:4

1.4 Mạng sáu phương ñặc khít (mạng lục phương):

- Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở Mỗi ô

mạng cơ sở là một khối hộp hình thoi Các ñỉnh và tâm khối

hộp hình thoi là nguyên tử hay ion kim loại

2a 6 3

Nhận xét: Bảng tổng quát các ñặc ñiểm của các mạng tinh thể kim loại

Cấu trúc Hằng số

mạng

Số ñv cấu trúc (n)

Số phối trí

Số hốc

T

Số hốc O

ðộ ñặc khít (%)

Ti, …

2.4 Khối lượng riêng của kim loại

a) Công thức tính khối lượng riêng của kim loại

M : Khối lượng kim loại (g) ; NA: Số Avogañro, n: số nguyên tử trong 1 ô cơ

Bài 2: ( HSG QG 2007) Thực nghiệm cho biết ở pha rắn, vàng ( Au) có khối lượng riêng là 19,4 g/cm3 và có mạng lưới lập phương tâm diện ðộ dài cạnh của ô mạng ñơn vị là 4,070.10-10 m Khối lượng mol nguyên tử của vàng là: 196,97 g/cm3

1 Tính phần trăm thể tích không gian trống trong mạng lưới tinh thể của vàng

Phần trăm thể tích không gian trống:

(V1ô - Vnguyên tử).100 / Vnguyên tử = 26%

Trị số của số Avogadro: NA = (n.M)/ ( D.Vô) = 6,02.1023

Bài 3: ðồng kết tinh theo kiểu lập phương tâm diện

a Tính cạnh của hình lập phương của mạng tinh thể và khoảng cách ngắn nhất giữa hai tâm của hai nguyên tử ñồng trong mạng, biết nguyên tử ñồng có bán kính bằng 1,28A0

b Tính khối lượng riêng của ñồng theo g/ cm3 Cho Cu = 64

Giải: Bán kính nguyên tử Cu là: r = 1,28.10-8 cm

Từ công thức: 4.r = a 2 → a= 4.r / 2= (4.1,28.10-8 )/1,41 = 3,63.10-8 cm Khoảng cách ngắn nhất giữa 2 tâm của hai nguyên tử ñồng trong mạng

2.r = 2,56.10-8 cm

Khối lượng riêng: D = (n.M) / (NA.V1 ô ) = 8,896 g/cm3

Bài 4: ( HSG QG 2009) Máu trong cơ thể người có màu ñỏ vì chứa hemoglobin ( chất vận chuyển oxi chứa sắt) Máu của một số ñộng vật nhuyễn thể không có màu ñỏ mà cá màu khác vì chứa kim loại khác ( X) Tế bào ñơn vị ( ô mạng cơ sở) lập phương tâm diện của tinh thể X có cạnh bằng 6,62.10-8 cm Khối lượng riêng của nguyên tố này là 8920 kg/m3

a Tính thể tích của các nguyên tử trong một tế bào và phần trăm thể tích của tế bào bị chiếm bởi các nguyên tử

Phần trăm thể tích tế bào bị chiếm bởi các nguyên tử: 74%

Khối lượng mol phân tử: M = 63,1 g/mol Vậy X là ñồng

Bài 5: Xác ñịnh khối lượng riêng của Na, Mg, K

Giải: Xác ñịnh khối lượng riêng của các kim loại trên theo công thức:

D = 3 .3

4 A

M P

r N

π Sau ñó ñiền vào bảng và so sánh khối lượng riêng của các kim loại

ñó, giải thích kết quả tính ñược

Khối lượng riêng lý thuyết (g/cm3) 0,919 1,742 2,708

Khối lượng riêng thực nghiệm

Nhận xét: Khối lượng riêng tăng theo thứ tự: DNa < DMg < DAl Là do sự biến ñổi cấu trúc mạng tinh thể kim loại, ñộ ñặc khít tăng dần và khối lượng mol nguyên tử tăng dần

II Mạng tinh thể ion:

* Tinh thể hợp chất ion ñược tạo thành bởi những cation và anion hình cầu có bán kính xác ñịnh

*Lực liên kết giữa các ion là lực hút tĩnh ñiện không ñịnh hướng

* Các anion thường có bán kính lớn hơn cation nên trong tinh thể người ta coi anion như những quả cầu xếp khít nhau theo kiểu lptm, lpck, hoặc lập phương ñơn giản Các cation có kích thước nhỏ hơn nằm ở các hốc tứ diện hoặc bát diện

Bài 1: Tinh thể NaCl có cấu trúc lập phương tâm mặt của các ion Na+, còn các ion

Cl- chiếm các lỗ trống tám mặt trong ô mạng cơ sở của các ion Na+, nghĩa là có 1 ion Cl- chiếm tâm của hình lập phương Biết cạnh a của ô mạng cơ sở là 5,58 A0 Khối lượng mol của Na và Cl lần lượt là 22,99 g/mol; 35,45 g/mol Cho bán kính của Cl- là 1,81 A0 Tính :

a) Bán kính của ion Na+ b) Khối lượng riêng của NaCl (tinh thể)

Giải:

Na Cl

Các ion Cl - xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các cation Na+ nhỏ hơn chiếm hết

số hốc bát diện Tinh thể NaCl gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau

Số phối trí của Na+ và Cl- ñều bằng 6

Số ion Cl- trong một ô cơ sở: 8.1/8 + 6.1/2 = 4

Số ion Na+ trong một ô cơ sở: 12.1/4 + 1.1 = 4

Số phân tử NaCl trong một ô cơ sở là 4

a Có: 2.(r Na+ + rCl-) = a = 5,58.10-8 cm → r Na+ = 0,98.10-8 cm;

b Khối lượng riêng của NaCl là:

D = (n.M) / (NA.V1 ô ) → D = [ 4.(22,29 + 35,45)]/[6,02.1023.(5,58.10-8)3 ]

D = 2,21 g/cm3;

Bài 2: Phân tử CuCl kết tinh dưới dạng lập phương tâm diện Hãy biểu diễn mạng

cơ sở của CuCl

a) Tính số ion Cu+ và Cl - rồi suy ra số phân tử CuCl chứa trong mạng tinh thể cơ

sở

b) Xác ñịnh bán kính ion Cu+

Cho: D(CuCl) = 4,136 g/cm3 ; rCl-= 1,84 A0 ; Cu = 63,5 ; Cl = 35,5

Giải:

Các ion Cl - xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các cation Cu+ nhỏ hơn chiếm hết

số hốc bát diện Tinh thể CuCl gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau

Số phối trí của Cu+ và Cl- ñều bằng 6

Số ion Cl- trong một ô cơ sở: 8.1/8 + 6.1/2 = 4

Số ion Cu+ trong một ô cơ sở: 12.1/4 + 1.1 = 4; Số phân tử CuCl trong một ô cơ sở

là 4

Khối lượng riêng củaCuCl là:

D = (n.M) / (NA.a3) → a = 5,42.10-8 cm ( a là cạnh của hình lập phương)

Có: 2.(r Cu+ + rCl-) = a = 5,42.10-8 cm → rCu+ = 0,87.10-8 cm;

III Timh thể nguyên tử:

* Trong tinh thể nguyên tử, các ñơn vị cấu trúc chiếm các ñiểm nút mạng là các nguyên tử, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị nên còn gọi là tinh thể cộng hoá trị

* Do liên kết cộng hoá trị có tính ñịnh hướng nên cấu trúc tinh thể và số phối trí ược quyết ñịnh bởi ñặc ñiểm liên kết cộng hoá trị, không phụ thuộc vào ñiều kiện sắp xếp không gian của nguyên tử

ñ-* Vì liên kết cộng hoá trị là liên kết mạnh nên các tinh thể nguyên tử có ñộ cứng ñặc biệt lớn, nhiệt ñộ nóng chảy và nhiệt ñộ sôi cao, không tan trong các dung môi Chúng là chất cách ñiện hay bán dẫn

Bài 1:

a) Hãy vẽ sơ ñồ mô tả cấu trúc của một tế bào sơ ñẳng của kim cương

b) Biết hằng số mạng a = 3,5A0 Hãy tính khoảng cách giữa một nguyên tử C và một nguyên tử C láng giềng gần nhất Mỗi nguyên tử C như vậy ñược bao quanh bởi mấy nguyên tử ở khoảng cách ñó?

c) Hãy tính số nguyên tử C trong một tế bào sơ ñẳng và khối lượng riêng của kim cương

Giải:

a * Các nguyên tử C chiếm vị trí các ñỉnh, các tâm mặt và một nửa số hốc tứ diện

Số phối trí của C bằng 4 ( Cacbon ở trạng thái lai hoá sp2)

a = 3,55 A Liªn kÕt C-C dµi 1,54 A

* Mỗi tế bào gồm 8.1/8 + 6.1/2 + 4 = 8 nguyên tử

* Khoảng cách giữa một nguyên tử Cacbon và một nguyên tử cacbon láng giêng gần nhất là: 2r = d/4; với d là ñường chéo của hình lập phương d = a 3

→ 2.r = a 3 / 4 = 1,51.10-8 cm;

b Mỗi nguyên tử cacbon ñược bao quanh bởi 4 nguyên tử cacbon bên cạnh

c Khối lượng riêng của kim cương:

10 02 , 6

011 , 12 8

− = 3,72 g/cm3 Bài 2: (HSG QG 2008) Silic có cấu trúc tinh thể giống kim cương

1 Tính bán kính của nguyên tử silic Cho khối lượng riêng của silic tinh thể bằng 2,33g.cm-3; khối lượng mol nguyên tử của Si bằng 28,1g.mol-1

2 So sánh bán kính nguyên tử của silic với cacbon (rC = 0,077 nm) và giải thích

Bán kính của nguyên tử silic là: r = d/8 = 1,17 10-8cm;

b Có rSi (0,117 nm) > rC( 0,077 nm) ðiều này phù hợp với quy luật biến ñổi bán kính nguyên tử trong một phân nhóm chính

Kiến nghị:

Do thời gian có hạn, trình ñộ còn hạn chế nên trong chuyên ñề không tránh khỏi các thiếu sót Rất mong sự trao ñổi, góp ý ñể ñề tài ñược hoàn thiện hơn Xin chân thành cám ơn.

Chuyên ñề 2 CÂN BẰNG OXI HOÁ - KHỬ VÀ ỨNG DỤNG

Tổ Hoá - Trường THPT Chuyên Hà Giang

I KHÁI QUÁT

Phản ứng oxi hoá - khử là một trong những nội dung lý thú trong chương trình hoá học phổ thông Phản ứng oxi hoá - khử ñược ñề cập từ phản ứng của các chất với oxi (Hóa THCS) và bản chất của chúng ñược xem xét ở chương trình Hóa học 10

và ñược sử dụng trong toàn bộ chương trình hoá học THPT Các nội dung căn bản

có liên quan ñến tính chất oxi hoá - khử mà giáo viên cần chú ý trong việc bồi dưỡng kiến thức cho học sinh:

+ Bản chất của phản ứng oxi hoá - khử

+ Cân bằng phương trình phản ứng oxi hoá - khử

+ Khả năng oxi hóa – khử Thế oxi hoá - khử Thế ñiện cực và dãy hoạt ñộng hóa học

+ Ứng dụng của phản ứng oxi hóa khử Pin ñiện và sự ñiện phân

+ Khả năng, chiều hướng diễn ra phản ứng oxi hoá - khử Phương trình Nernst

+ Mức ñộ diễn biến của phản ứng oxi hóa – khử Cân bằng của phản ứng oxi hóa – khử

Các dạng toán vận dụng:

+ Cân bằng phản ứng oxi hoá - khử, xác ñịnh chất oxi hóa – khử

+ Cách xác ñịnh thế ñiện cực, suất ñiện ñộng của pin ñiện ở ñiều kiện chuẩn

II LÝ THUYẾT

1 Bản chất của phản ứng oxi hoá - khử

* Phản ứng oxi hoá - khử là phản ứng có sự trao ñổi electron giữa các chất tham gia phản ứng Có thể xác ñịnh phản ứng oxi hóa – khử thông qua sự biến ñổi số oxi hoá của các nguyên tố có trong thành phần các chất tham gia phản ứng và sản phẩm tạo thành do phản ứng

- Trong các phản ứng oxi hoá - khử:

- Chất oxi hoá là chất cho electron

Chất oxi hoá Chất khử liên hợp

Quá trình oxi hoá: Fe0 - 1×3e → Fe+3

Chất khử Chất oxi hoá liên hợp

2 Cân bằng phương trình phản ứng oxi hoá - khử

a Phương pháp thăng bằng electron

* Nguyên tắc:

Dựa trên sự tính toán sự chênh lệch số oxi hóa của nguyên tố trong chất tham gia phản ứng và sản phẩm tạo thành tương ứng, viết ra ñược quá trình nhường và nhận electron Tổng hợp lại các quá trình theo ñịnh luật bảo toàn electron: tổng electron nhường bằng tổng electron nhận

+ Bước 4: ðặt hệ số ñã tìm ñược vào phương trình;

+ Bước 5; Tìm các hệ số còn lại ñể cân bằng phương trình phản ứng

+ Chất ñiện li mạnh ñược viết dưới dạng ion;

+ Chất ñiện li yếu và chất bay hơi viết dưới dạng phân tử;

+ Chất rắn viết dưới dạng phân tử hoặc nguyên tử

* Các bước tiến hành:

- Bước 1: Xác ñịnh dạng oxi hoá - khử ở trạng thái ñầu và trạng thái cuối

- Bước 2: Viết các nửa phản ứng oxi hoá - khử

+ Viết công thức các dạng oxi hoá và khử liên hợp

+ Cân bằng số nguyên tử (cân bằng khối lượng mỗi nguyên tố ở 2 vế)

+ Cân bằng ñiện tích (thêm bớt electron ñể ñiện tích 2 vế bằng nhau)

+ Bước 3: Tổ hợp các nửa phản ứng thành phản ứng ñầy ñủ bằng cách nhân

hệ số thích hợp ñể tổng electron nhường bằng tổng electron nhận)

+ Bước 4: ðiều chỉnh môi trường nếu cần thiết

3 Thế oxi hoá - khử hay thế ñiện cực

a Thế ñiện cực (hay thế oxi hoá - khử)

- Khả năng oxi hoá - khử ñược ñặc trưng bằng khả năng nhường nhận electron của chất khi tham gia phản ứng hoá học ðể ñặc trưng cho khả năng này người ta dùng ñại lượng thế oxi hoá - khử ðể so sánh khả năng phản ứng bằng các ñại lượng ño ñược người ta sử dụng ñại lượng thế ñiện cực

- Thế ñiện cực là ñiện thế của một ñiện cực ñang xét ðể ño ñược thế ñiện cực người ta ño sức ñiện ñộng của pin (Epin) tạo thành do việc ghép một ñiện cực

so sánh (ñiện cực hiñro tiêu chuẩn có thế ñiện cực quy ước bằng 0,00 V) với ñiện cực ñang xét

Qui ước: ðối với 1 pin, ñiện cực có khả năng cho electron là anot, ñiện cực nhận electron là catot nên Epin = Ec – Ea (Với Ec là Ecatot, Ea là Eanot) Epin luôn luôn là một ñại lượng dương

- Trong ñiều kiện chuẩn (hoạt ñộ các chất ñều bằng ñơn vị), thế ñiện cực tiêu chuẩn E0 càng lớn thì dạng oxi hoá càng mạnh, dạng khử càng yếu và ngược lại Phản ứng oxi hoá - khử tự xảy ra giữa dạng oxi hoá của cặp có E0 lớn với dạng khử của cặp có E0 nhỏ hơn

Qui ước về dấu:

E0 < 0: dạng oxi hoá yếu hơn H+, dạng khử mạnh hơn H2

E0 > 0: dạng oxi hoá mạnh hơn H+, dạng khử yếu hơn H2

b Sự phụ thuộc thế theo nồng ñộ Phương trình Nernst

Xét ñối với nửa phản ứng: aOx + ne ⇌ bKh, thì phương trình Nernst có dạng:

E = E0Ox/Kh + b

a Kh

O

) ( lg 0592 ,

O

n lg

0592 ,

Phương trình 2 là phương trình hay ñược sử dụng nhất ñể tính thế oxi hoá - khử

4 Hằng số cân bằng oxi hoá - khử Chiều hướng xảy ra phản ứng oxi hoá - khử

a Hăng số cân bằng của phản ứng oxi hoá - khử

- ðối với từng phản ứng oxi hoá - khử thuận nghịch, ở 25oC ta có:

10 n E − E

Trong ñó:

+ E01, E02 là thế oxi hoá - khử của từng cặp tương ứng

+ n1, n2: là số electron tron trao ñổi của các quá trình khử và oxi hoá tương ứng

+ n1n2 là tổng số electron tham gia phản ứng

- Biết E0 của các cặp oxi hoá - khử có thể tính hằng số cân bằng của các nửa phản ứng tương ứng và ngược lại:

K = 10 nE0o / k / 0 , 0592

E0Ox/kh =

n

K lg 0592 , 0

- ðể tính E0 của một cặp oxi hoá - khử bất kì, cần thực hiện theo các bước: + Viết phương trình nửa phản ứng của cặp oxi hoá - khử nghiên cứu

+ Tổ hợp các nửa phản ứng riêng lẻ sao cho thu ñược cân bằng của nửa phản ứng cần xét

+ Tính K và từ ñó tính E0

b Chiều hướng xảy ra phản ứng oxi hoá - khử

- Dựa vào hằng số cân bằng hoặc thế oxi hoá - khử

K > 1: Phản ứng xảy ra theo chiều thuận ⇔ EOxh1/kh1 > EOxh2/kh2

K < 1: Phản ứng xảy ra theo chiều nghịch ⇔ EOxh1/kh1 < EOxh2/kh2

K = 1: Phản ứng ở trạng thái cân bằng ⇔ EOxh1/kh1 = EOxh2/kh2

- Vậy phản ứng oxi hố - khử diễn ra theo chiều:

Chất oxi hố mạnh + chất khử mạnh → Chất khử yếu hơn + chất oxi hố yếu hơn

Và được khái quát theo theo qui tắc "anpha":

EOxh1/kh1 > EOxh2/kh2Chiều phản ứng là: Oxh1 + Kh2 → Oxh2 + Kh1

- Dãy điện hố:

+ Dãy điện hố của kim loại là một dãy những cặp oxi hố - khử của các kim loại được sắp xếp theo chiều tăng dần thế oxi hố - khử ở điều kiện chuẩn

+ Theo dãy trên thì : Tính oxi hố tăng dần, tính khử giảm dàn

+ Ý nghĩa của dãy điện hố : Cho phép dự đốn phản ứng xảy ra giữa hai cặp oxi hố khử theo qui tắc α

Ví dụ : Xét 2 cặp Zn2+/Zn và Cu2+/Cu

Theo qui tắc α ta dễ dàng thấy phản ứng xảy ra theo chiều:

Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+

Oxhm + Khm Khy + Khy

5 ðiện phân

* Lý thuyết về ñiện phân:

- Khi ñặt một ñiện áp vào 2 thế ñiện cực nhúng vào trong một dung dịch ñiện li thì sẽ xảy ra sự ñiện phân

Trên catôt xảy ra quá trình khử: Mn+ + ne ⇌ M

Trên anôt xảy ra quá trình oxi hoá: Xn- ⇌ X + ne

- ðể quá trình ñiện phân có thể xảy ra ñược:

+ ðiện áp phải ñặt vào catôt: E (-) < Ec = [ ]

a kh

Oxh

Kh

Ox n

E

η

lg 0592 , 0 / 0

Oxh

Kh

Ox n

E

η

lg 0592 , 0 / 0

a

η

b

a η

η , : quá thế trên 2 ñiện cực

Vậy ñiện áp phải ñặt vào bình ñiện phân:

E = E (+) – E (-) > Ea – Ec + IR I: Cường ñọ dòng qua bình ñiện phân

R: ðiện trở bình ñiện phân

- Thứ tự ñiện phân:

+ Nếu trên catôt, anôt tập trung nhiều chất có khả năng ñiện phân thì thứ tự ñiện phân trên 2 cực là:

Trên catôt chất nào có Ec dương hơn thì ñiện phân trước

Trên anôt chất nào có Ea âm hơn thì ñiện phân trước

+ Thứ tự ñiện phân gần ñúng của một số cation, anion thường gặp (ñiện cực trơ):

Cation: Ag+ > Fe3+ > Cu2+ > H+ > Fe2+ > Zn2+ >> Al3+ > Mg2+ > Na+ > Ca2+ > K+

Anion: I- > Br- > Cl- > OH- >> NO3- > SO42-

- Quá trình điện phân tuân theo định luật Faraday:

F n

t I A

m

.

.

=

Trong đĩ:

+ m: khối lượng chất điện phân (g)

+ I: cường độ dịng điện phân (A)

+ A: khối lượng mol nguyên tử, phân tử của chất (g/mol)

+ t: thời gian điện phân (s)

+ n: số electron trao đổi

+ F: hằng số Faraday F = 96500 (C/mol)

III CÁC DẠNG BÀI TẬP CƠ BẢN THƯỜNG GẶP

1 Bài tập cân bằng phương trình phản ứng oxi hố - khử

* Nguyên tắc:

- Vận dụng các phương pháp cân bằng phương trình phản ứng oxi hố - khử

để dự đốn sản phẩm và cân bằng phương trình

- Trình bày tổ hợp các bước, khơng cần trình bày rõ các bước làm

Bài 1: Viết đầy đủ và cân bằng phương trình phản ứng cho dưới dạng sau:

a) FeSO4 + K2Cr2O7 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 +…

b) PbO2↓ + Mn2+ → MnO4- + …

Lời giải:

a) Xác định cặp oxi hố - khử: Trong phản ứng trên số oxi hố của Fe tăng

và số oxi hố của Cr giảm Vì vậy cĩ 2 cặp oxi hố - khử là: Fe3+/Fe2+ và Cr2O7/Cr3+

2-Cân bằng phương trình phản ứng:

6x Fe2+ → Fe3+ + 1e

1x Cr2O72- + 14H+ + 6e → 2Cr3+ + 7H2O

6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ → 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O

Phương trình phân tử:

6FeSO4 + K2Cr2O7 + 7H2SO4 → 3Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O

b) Trong phản ứng trên có sự thay ñổi số oxi hoá của Mn: tăng từ +2 lên +7, chứng tỏ ñây là phản ứng oxi hoá - khử, trong ñó Mn2+ ñóng vai trò chất khử, hình thành nên cặp oxi hoá - khử thứ nhất là MnO4- /Mn2+

Như vậy PbO2 sẽ ñóng vai trò chất oxi hoá (với số oxi hoá của Pb là +4), sẽ

bị khử về dạng có số oxi hoá thấp hơn (dạng khử liên hợp), hình thành nen cặp oxi hoá - khử thứ hai là PbO2/Pb2+:

2 Mn2+ + 4 H2O ⇌ MnO4- + 8H+ + 5e

quá trình oxi hoá

5 PbO2 + 4H+ + 2e ⇌ Pb2+ + 2H2O quá trình khử 2Mn2+ + 5PbO2 + 4H+ ⇌ 2MnO4- + 5Pb2+ + 2H2O

Phương trình phân tử:

2Mn(NO3)2 + 5PbO2 + 4HNO3 ⇌ 2HMnO4 + 5Pb(NO3)2 + 2H2O Bài 2: (ðề thi HSGQG năm 2004)

Viết phương trình hoá học cho mỗi trường hợp sau:

a) Trong môi trường bazơ, H2O2 oxi hoá Mn2+ thành MnO2

b) Trong môi trường axit, H2O2 khử MnO4- thành Mn2+

Lời giải:

a) H2O2 + 2 e 2 OH−−−− Sự khử

Mn2+ + 4 OH− − 2 e MnO2 + 2 H2O Sự oxi hoá

a Kh Ox

Theo phương trình Nernst ta thấy nhiệt ñộ, số e trao ñổi, nồng ñộ các chất có ảnh hưởng ñến phản ứng

Bài 1: Dựa vào giá trị thế ñiện cực tiêu chuẩn, hãy xác ñịnh chiều phản ứng xảy ra trong các trường hợp sau ñây:

Cr O Cr

E > 3 + 2 +

/ 0 Fe Fe

E do ñó khả năng oxi hoá của Cr2O72- lớn hơn của

Fe3+ nên phản ứng xảy ra theo chiều thuận

Tương tự ta có:

b) E0MnO4− / MnO2> E0Br2 / 2Br− nên phản ứng xảy ra theo chiều thuận

c) E0MnO4− / MnO2> 2 −

/ 0 S S

E nên phản ứng xảy ra theo chiều nghịch

4 / 0

MnO MnO

E < E0Ag+/ Ag nên phản ứng xảy ra theo chiều nghịch

Bài 2 : (Trích ñề thi Olympic Hùng Vương năm 2009)

ðể nghiên cứu cân bằng sau ở 25oC

Cu(r) + 2Fe3+ (dd) ⇌ Cu2+ (dd) + Fe2+ (dd) Người ta nhúng một thanh ñồng vào một dung dịch hỗn hợp gồm CuSO40,5M, FeSO4 0,025M và Fe2(SO4)3 0,125M

a) Cho biết chiều của phản ứng

b) Tính hằng số cân bằng của phản ứng

c) Tỉ lệ [[ 2 ]]

3 + +

0 ) ( 495 , 0 331 , 0 826 , 0

) ( 331 , 0 5 , 0 lg 34

, 0

) ( 826 , 0 lg

059 , 0 77 , 0

2 059 , 0 /

025 , 0 25 , 0 /

=

= +

=

+

+ +

V E

V E

V E

, 0 ) 34 , 0 77 , 0 ( 2 059

,

0 14 , 576 3 , 77 10

K K

[ ] [ ] [ ] [ /

/ 0 , 331 0 , 77 0 , 059 lg 3 , 6 10

3 2

3 2

3 2

−

<

⇒ +

+ +

+ +

Fe Fe Fe

Fe Fe

Fe Cu Cu

E

3 Bài tập về pin ñiện

* Khái niệm pin ñiện

- Pin ñiện cấu tạo gồm 2 ñiện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch chất ñiện

li ñóng vai trò là một nguồn ñiện

- Một ñiện cực xảy ra quá trình oxi hoá, gọi là anôt, nằm ở bên trái, là cực

- Xác ñịnh cặp oxi hoá - khử trong phản ứng

- Xác ñịnh ñiện cực tạo nên từ cặp oxi hoá - khử ñó

+ ðiện cực loại 1: Thanh kim loại nhúng vào dung dịch chứa ion của kim loại ñó ðiện cực Mn+/ M

+ ðiện cực loại 2: Kim loại có phủ 1 hợp chất ít tan của kim loại ñó

Cr3+ + 7H2O ⇌ Cr2O72- + 14H+ + 6e Vậy ta có sơ ñồ pin :

(a) Pt | Cr2O72- , Cr3+, H+ || MnO4-, Mn2+, H+ | Pt (c)

b) Trong phản ứng trên có hai cặp oxi hoá - khử là 2H+/H2 và Ag+/Ag

Quá trình khử Ag+ về Ag xảy ra trên catôt:

Ag+ + 1e ⇌ Ag

Quá trình oxi hoá H2 thành 2H+ xảy ra trên anôt:

H2 ⇌ 2H+ + 2e Vậy ta có sơ ñồ pin :

(a) Pt, H2 | 2H+ || Ag+ | Ag (c)

c) Phản ứng Ag+ + Br- → AgBr↓ xảy ra kèm theo sự thay ñổi nồng ñộ của ion

Ag+, vì vậy phải chọn ñiện cực làm việc thuận nghịch với ion Ag+: Ag | Ag+

Ag / 0 / 0 , 0592 lg Như vậy ñiện cực nào có thế lớn hơn (tức là

có [Ag+] lớn hơn) sẽ là catôt vậy ta có sơ ñồ pin:

(a) Ag | AgCl↓,Cl- || Ag+ | Ag (c)

ở catôt xảy ra quá trình khử: Ag+ + e ⇌ Ag↓

ở anôt xảy ra quá trình oxi hoá: Ag↓ + Cl- ⇌ AgCl↓ + e

E0pin > 0 nên E0pin = E0Hg 2+ / Hg - E 2 H + / H 2= 0,85 V ⇒ E0Hg 2+ / Hg E0Hg 2+ / Hg = 0,85 V

Ở catôt (cực thuỷ ngân) xảy ra quá trình khử:

Hg2+ + 2e ⇌ Hg

Ở anôt (cực hiñro) xảy ra quá trình oxi hoá:

H2 ⇌ 2H+ + 2e Vậy phản ứng thực tế xảy ra khi pin làm việc như sau:

Hg2+ + H2 ⇌ Hg↓ + 2H+4.Bài tập về các yếu tố ảnh hưởng ñến sức ñiện ñộng của pin

Kh O

Kh O

nF RT

Ta thấy, các yếu tố ảnh hưởng ñến sức ñiện ñộng của pin gồm: nhiệt ñộ, số electron trao ñổi, nồng ñộ các chất tham gia phản ứng

Nếu một phản ứng nhất ñịnh, ở nhiệt ñộ cố ñịnh thì nồng ñộ chất oxi hoá, chất khử có ảnh hưởng trực tiếp ñến sức ñiện ñộng của pin (hay thế oxi hoá - khử) Bài 1:

Cho pin: (-) Pt, Fe3+ (0,100M), Fe2+ (0,05M), H+ (1M) || HCl (0,02M) | AgCl |

Ag (+)

Xét ảnh hưởng ñịnh tính tới sức ñiện ñộng của pin nếu:

a Thêm 50 ml HClO4 vào nửa trái của pin

b Thêm muối Fe2+ vào nửa trái của pin

c Thêm KMnO4 vào nửa trái của pin

d Thêm NaOH vào nửa trái của pin

e Thêm ít NaCl tinh thể vào nửa phải của pin

f Thêm 10 ml nước vào nửa phải của pin

Lời giải:

Xét pin ñiện trên khi pin hoạt ñộng:

Ag Ag

c 0 / 0 , 0592 lg

[ ]+

+ +

2

3 /

0 3 2 0 , 0592 lg

Fe

Fe E

Ea Fe Fe

Sức ñiện ñộng của pin:

[ ] [ ][ ]+ −

+ +

Fe E

E E E

Epin c a Ag Ag Fe Fe

3

2 /

0 /

0 # 2 0 , 0592 lg

Vậy sức ñiện ñộng của pin phụ thuộc vào: [Fe3+], [Fe2+] và [Cl-]

a)Vì sức ñiện ñộng của pin không phụ thuộc vào nồng ñộ ion H+ nên khi thêm

H+ vào nửa trái của pin thì Epin không ñổi

* Lưu ý: giảm pH dung dịch không làm thay ñổi Epin nhưng nếu tăng pH sẽ tạo phức hiñroxo và có thể tạo kết tủa ion kim loại, khi ñó sẽ ảnh hưởng ñến Epin a) Thêm muối Fe2+ vào nửa trái của pin làm tăng nồng ñộ ion Fe2+, dó ñó Epincũng tăng

b) Thêm KMnO4 vào nửa trái của pin sẽ xảy ra phản ứng oxi hoá - khử sau:

MnO4- + 5Fe2+ + 8H+ → Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O Nồng ñộ Fe2+ giảm xuống, còn nồng ñộ Fe3+ tăng lên, do ñó Epin giảm

c) Thêm NaOH vào nửa phải của pin sẽ xảy ra phản ứng:

Ag+ + OH- → AgOH Nồng ñộ Ag+ giảm xuống, Ec giảm ⇒Epin giảm

d) Thêm NaCl vào nửa phải của pin ⇒[Cl-] tăng lên ⇒Epin giảm

e) Thêm H2O vào nửa phải của pin⇒ñộ ñiện li của AgCl tăng, làm tăng nồng

ñộ của Cl- ⇒Epin giảm

Bài 2: Người ta thực hiện một pin gồm:

- Thêm vào 2 nửa pin 0,01 mol NaOH

- Thêm vào 2 nửa pin 1 mol NH3 (giả sử Vdd không ñổi)

lg 2

059 , 0

5 Bài tập ñiện phân dung dịch chất ñiện li

Bài 1: ðiện phân 100 ml dung dịch AgNO3 0,01M trong môi trường HClO4 1M bằng ñiện cực platin Cường ñộ dòng ñiện phân là 1,5A, ñiện trở dây dẫn là 100

mΩ, quá thế của hiñro, oxi trên ñiện cực platin là: -3,0 V và 0,53 V

a) Tìm ñiện áp ñặt vào 2 ñiện cực ñể Ag+ bắt ñầu ñiện phân

b) Tìm ñiện áp ñặt vào 2 ñiện cực ñể bắt ñầu có khí hiñro thoát ra ở catôt Khi ñó lượng bạc còn lại là bao nhiêu?

c) Tìm thời gian ñiện phân hoàn toàn Ag+, thể tích khí oxi (ñktc) thu ñược trong thời gian ñiện phân trên?

Hướng dẫn: