Tóm tắt luận văn thạc sĩ: Xây dựng nội dung thí nghiệm minh họa ảnh hưởng của quá trình tạo phức tới sự chuyển dịch cân bằng oxi hóa khử

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1. Một số khái niệm cơ bản về cân bằng oxi hóa khử I.1.1 Phản ứng oxi hóa khử I.1.2 Thế oxi hóa khử I.1.3 Hằng số cân bằng I.1.4. Đánh giá định lượng chiều hướng và mức độ xảy ra phản ứng oxi hóa khử a. So sánh thế tiêu chuẩn b. Đánh giá qua hằng số cân bằng c. Đánh giá thành phần cân bằng 1.2. Một số khái niệm về phức chất 1.2.1. Một số thuật ngữ thường dùng trong phức chất I.2.2. Tên gọi của phức chất I.2.3. Định nghĩa phản ứng tạo phức I.2.4. Hằng số tạo phức

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Hóa học là một môn khoa học thực nghiệm, do đó việc nâng cao chất lượngdạy và học hóa học phải tiến hành song song hai nhiệm vụ, vừa thuyết trình các líthuyết cơ bản về hóa học vừa minh họa, kiểm tra, vận dụng, củng cố các kiến thứcthông qua hình thức giảng dạy thực nghiệm Sự bổ sung cho nhau giữa lí thuyết vàthực nghiệm là điều vô cùng cần thiết, góp phần thực hiện tốt quá trình dạy và học

Phản ứng oxi hóa – khử có vai trò quan trọng trong thực tế đời sống và sảnxuất hàng ngày, các phản ứng hóa học xảy ra trong tự nhiên, các quá trình sản xuấtcông nghiệp … đều có nguồn gốc là các phản ứng oxi hóa – khử Vì vậy mà trongchương trình hóa học phổ thông, cao đẳng, đại học phản ứng oxi hóa – khử là mộtmảng lý thuyết quan trọng và được đề cập nhiều Tuy nhiên lý thuyết về cân bằng oxihóa – khử rất khó và phức tạp, vì vậy việc sử dụng thí nghiệm minh họa vào quá trìnhgiảng dạy là rất quan trọng và cần thiết, nó giúp người học nắm vững và hiểu sâu hơn

lý thuyết về cân bằng oxi hóa – khử

Để phản ứng oxi hóa – khử có tác dụng theo mong muốn của con người, chúng

ta phải nắm được những lý thuyết của phản ứng oxi hóa – khử, trong đó phải nắm đượccác yếu tố ảnh hưởng tới cân bằng oxi hóa – khử (môi trường, ảnh hưởng của sự tạophức, tạo hợp chất ít tan…), các yếu tố đó ảnh hưởng tới phản ứng oxi hóa – khử nhưthế nào…, ảnh hưởng của sự tạo phức là một trong những ảnh hưởng quan trọng khixét cân bằng của phản ứng oxi hóa – khử Đã có nhiều tài liệu nói về bài tập ảnh hưởngcủa các yếu tố tới cân bằng oxi hóa – khử nhưng hầu như chưa có thí nghiệm minh họa

và chưa đánh giá độ nhạy của phản ứng mà chỉ là những tính toán theo lý thuyết

Do vậy, phát triển việc xây dựng nội dung bài tập thí nghiệm minh họa và đánhgiá độ nhạy của cân bằng oxi hóa – khử có xét tới ảnh hưởng của sự tạo phức là cầnthiết Lý thuyết gắn liền với thí nghiệm minh họa giúp người học phát triển khả năngquan sát, óc tư duy, sáng tạo, có niềm say mê, hứng thú với môn học

Xuất phát từ những lí do thực tiễn trên tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Xây dựng

nội dung thí nghiệm minh họa ảnh hưởng của quá trình tạo phức tới sự chuyển dịch cân bằng oxi hóa - khử”.

2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu

1 Xây dựng một số bài tập có nội dung thực nghiệm minh họa được các quy luật

cơ bản về cân bằng ion trong dung dịch dựa trên những kiến thức hóa học định tính

2 Đánh giá được độ nhạy của các phản ứng cho tín hiệu nhận biết rõ trong cácbài tập trên nhằm hạn chế tối đa lượng hóa chất dùng dư

2.2 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình tạo phức tới cân bằng oxihóa – khử và ngược lại, trong đó xét sự tạo phức với 1 cấu tử hoặc 2 cấu tử của hệ oxihóa – khử Trong phần đánh giá độ nhạy chúng tôi chỉ sử dụng hai phương pháp hiệnđang được sử dụng là: phương pháp Kamar và phương pháp đồ thị

3 Phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1 Một số khái niệm cơ bản về cân bằng oxi hóa - khử

I.1.1 Phản ứng oxi hóa - khử

I.1.2 Thế oxi hóa - khử

1.2.1 Một số thuật ngữ thường dùng trong phức chất

I.2.2 Tên gọi của phức chất

I.2.3 Định nghĩa phản ứng tạo phức

I.2.4 Hằng số tạo phức

I.3 Ảnh hưởng của sự tạo phức tới thế oxi hóa - khử

Sự tạo phức với các dạng oxi hóa - khử làm thay đổi hoạt độ của chúng là yếu

tố quan trọng làm thay đổi thế oxi hóa - khử Thông thường sự tạo phức với một phối

tử xảy ra khác nhau với các dạng oxi hóa và dạng khử

I.4 Dạng bài tập lí thuyết có nội dung thực nghiệm – bài tập minh họa

I.4.1 Đặc điểm của bài tập thực nghiệm

Bài tập thực nghiệm là sự kết hợp giữa bài tập lí thuyết và bài tập dạng thựchành Có thể coi bài tập thực nghiệm như là phần minh họa và kiểm chứng cho mộtvấn đề lí thuyết thông qua kết quả của một bài tập tính toán cụ thể.

I.4.2 Yêu cầu của bài tập thực nghiệm minh họa

- Minh họa được các quy luật về cân bằng ion trong dung dịch

- Bài tập cơ sở lí thuyết và quy trình thực nghiệm phải có sự gắn bó chặt chẽvới nhau, từ cơ sở lí thuyết mà đưa ra nội dung thực hành

- Các hiện tượng xảy ra trong bài tập thực nghiệm minh họa phải rõ ràng, dễquan sát, có sự khác biệt giữa trạng thái trước và sau phản ứng của chất ban đầu vàsản phẩm, ở các điều kiện khác nhau thông qua: có chất kết tủa, có chất bay hơi, có

sự thay đổi màu sắc của dung dịch hay của chỉ thị

I.4.3 Ý nghĩa, tác dụng của bài tập thực nghiệm minh họa

I.4.3.1 Kiểm tra, củng cố và khắc sâu kiến thức

I.4.3.2 Phát triển tư duy hóa học của người học

I.4.3.3 Tạo hứng thú, kích thích lòng say mê học tập

I.4.3.4 Giáo dục phương pháp nghiên cứu khoa học và cung cấp tư liệu thực tiễn cho người học

I.5 Độ nhạy của phản ứng và phương pháp đánh giá

I.5.1 Lí thuyết về độ nhạy

I.5.2 Các đặc trưng của độ nhạy

I.5.3 Quan điểm thống kê và đánh giá độ nhạy

- Giả sử trong cơ sở của phương pháp phân tích có sự phụ thuộc tuyến tínhgiữa tính chất A được đo của hệ phân tích (chẳng hạn mật độ quang trong phương

với nồng độ chưa biết của nguyên tố cần xác định Ta có phương trình liên hệ:

A = b C (1)

- Trong đó b là hệ số tỷ lệ hay hằng số của phương pháp (chẳng hạn hệ số hấpthụ phân tử gam …)

- Trong trường hợp chung đại lượng A là một hàm số đơn trị của nồng độ:

thăng giáng của phông chứ không phải bởi giá trị của phông mặc dù hai đại lượngnày có quan hệ chặt chẽ với nhau Do đó muốn tăng độ nhạy của phương pháp cầnphải giảm những dao động của phông đến cực tiểu

I.3.2 Nội dung phương pháp Kamar

- Nội dung chính của phương pháp Kamar:

+ Xác định vùng bất định của phản ứng: tiến hành quan sát một dãy các thínghiệm và ghi lại khoảng giá trị cho tín hiệu dương (từ nhỏ nhất đén lớn nhất) gọi làvùng bất định của phản ứng

+ Đánh giá xác suất xuất hiện tín hiệu dương của phản ứng đối với từng nồng độ:+ Xác định hàm tích phân xác suất Ф(α):):

+ Dựa vào phương pháp bình phương tối thiểu ta có hệ phương trình:

Giải hệ phương trình trên ta xác định được giá trị của ¯C , r Từ đó xác định

được độ nhạy của phản ứng với xác suất dương cao nhất (q = 99,7%) là:

C = ¯C + 4.r (I.22)

I.3.3 Nội dung phương pháp đồ thị

Trong phương pháp đồ thị người ta dựa trên một số hàm phân bố cơ bản đểchọn mô hình toán học mô tả một cách chính xác sự phụ thuộc của tần số quan sát đốivới nồng độ chất cần phân tích Từ đó xác định được nồng độ ứng với xác suất xuấthiện phản ứng dương cao nhất

Ở đây, những hàm phân bố thường được dung là: phân phối chuẩn, phân bốloga chuẩn, phân bố Weibun và phân phối mũ

I.3.3.1 Hàm phân bố chuẩn (hay phân bố Gaoxơ)

1.3.3.2 Hàm phân phối loga chuẩn

I.3.3.3 Hàm phân bố Weibun

I.3.3.4 Hàm phân phối mũ

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG NỘI DUNG THÍ NGHIỆM MINH HỌA ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH TẠO PHỨC TỚI CHUYỂN DỊCH CÂN

BẰNG OXI HÓA - KHỬ II.1 Hệ oxi hóa - khử có một cấu tử tạo phức

II.1.1 Cấu tử tạo phức ở dạng oxi hóa của cặp oxi hóa - khử

¿¿ có sự tao phức với phối tử L

- Khi không có sự tạo phức

VD1: Cho biết hiện tượng xảy ra trong các thí nghiệm sau:

1 Hòa tan 1mg bột Cu vào 1ml nước có oxi không khí

3 Thêm tiếp 1 ít Zn vào hỗn hợp thu được ở TN 2

như không xảy ra.

→ K2 = 1027,77 >> → phản ứng xảy ra hoàn toàn

2Cu + 8NH3 + O2 + 2H2O ↔ 2 Cu(NH3 ¿2 +4 ¿¿ + 4OH- K2 = 1027,77

C 0,5

C’ 0,4686 7,85.10-3

có màu xanh của phức Cu(NH3 ¿2 +4 ¿¿

Zn ↔ Zn2+ +2e E04= -0,763V

như không xảy ra.

2Cu + 2Y4- + O2 + 4H+ ↔ 2CuY2- + 2H2O K2 = 104 (E2'−E 1')/ 0,0592

K2 = 10 4 (0,4002−0,09423)/0,0592 = 1020,67 >> nên phản ứng xảy ra hoàn toàn, Cu tan

3 Thêm tiếp vào hỗn hợp thu được ở (2) một ít bột Ni

Hãy nhận xét và giải thích các hiện tượng thí nghiệm thu được

E1' <E20 nên Ag không bị oxi hóa trong nước bởi oxi không khí (không tan).

2 Thêm NH3 thì : Ag: 1mg → C A g+ ¿tối đa

K3 = 102 (0,371+0,479)/ 0,0592 = 1028,716 >> nên phản ứng xảy ra hoàn toàn, Ni tan, dungdịch có màu xanh của phức Ni(NH3)62+

E2' < E1'→ không xảy ra phản ứng hòa tan HgS

b, Thêm Cl− ¿→¿ có sự tạo phức giữa Hg2+ ¿¿ và Cl− ¿ ¿

1 Cho 3,84 mg Cu vào 1ml dd Fe2(SO4)3 0,065M.

2 Thêm dần 1ml dd NaF 1M vào dd ở TN a

3 Thêm tiếp 1,08mg Al vào dd thu được ở TN b

Nêu và giải thích hiện tượng ở các thí nghiệm trên?

→ p/ư xảy ra hoàn toàn, Cu tan, dd chuyển từ màu vàng của Fe3+ sang màuxnah của Cu2+.

cố định pH = 2 Nêu và giải thích hiện tượng?

cố định pH = 5 Thêm vài giọt CH3Cl, lắc đều, nêu và giải thích hiện tượng?

sang màu xanh lục của Cr3+, trên lớp dung môi xuất hiện màu tím của I2

→ K2 = 1037,125 >> K1 , phản ứng xảy ra hoàn toàn, nhanh hơn rất nhiều so với

TN (a), có màu tím ở lớp dung môi hữu cơ (I2)

M và H2O2 0,03M Nêu và giải thích hiện tượng?

Gợi ý

a, C OH− ¿ ¿ = 0,02M, C Cr3+ ¿

¿ = 10-3 M; C H2O2 = 0,01M+) Tính E H

2O2/OH − ¿ ¿ = ?2x H2O ↔ H+ + OH- Kw = 10-14

→ phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, dung dịch mất màu vàng của CrO4

→ K2 = 106,419 >> , phản ứng xảy ra hoàn toàn, dd chuyển từ màu tím sang màuvàng của Br2.

XĐ TpGh

2MnO4- + 16H+ + 10Y4-+10Br- ↔ 2MnY2-+ 8H2O + 5Br2 + 7H2O K2 = 106,419

C 10-3 0,1 0,2

C’ - 10-5 0,099 0,195 10-3 2,5.10-3

II.2 Hệ oxi hóa khử có hai cấu tử tạo phức

II.2.1 Hai cấu tử thuộc một cặp oxi hóa khử

E1' = E10 – 0,0947.pH = 1,51 – 0,0947.3 = 1,226V

K1 = 10 5 (1,226−0,771)/0,0592 = 1038,429 >>

Cr2O72- +14H+ +6 Fe(CN)64- ↔2Cr3++ 7H2O + 6Fe(CN)63- K2=106 (E1

)/ 0,0592

K1 = 106 (0,6395−0,3566)/0,0592 = 1028,652 >>

→ Phản ứng xảy ra hoàn toàn, dung dịch bị mất màu đỏ da cam, chuyển sang

K2 = 102 (0,3566−0,154)/ 0,0592 = 106,845 << K1

của phức Fe(CN)63- sang màu xanh của phức Fe(CN)64-

VD3: Hệ Co3+/Co2+ và H2O2/OH- có mặt NH3

a, Dung dịch A gồm: Co(NO3)2 10-2M; HNO3 2.10-3M Thêm 0,5ml dung dịch

H2O2 2.10-2 M vào 0,5ml dung dịch A Nêu hiện tượng?

E1' < E20 nên H2O2 không oxi hóa được Co2+, do đó dung dịch có màu hồng của

C’ 3,75.10-3 0 2,5.10-3

Như vậy Co2+ bị oxi hóa hoàn toàn thành Co(NH3)63+, dung dịch có màu đỏ nâu

II.2.2 Hai cấu tử thuộc hai cặp oxi hóa khử

E1' = E10 -0,0947pH = 1,51 – 0,0947.3 = 1,226V

E2' = E20 -0,0947pH = 1,455 – 0,1184.3 = 1,0998V

E2' < E1' nên phản ứng xảy ra với K1 = 1010(1,226−1,0998)/ 0,0592 = 1021,318

E2' '= 1,0998 + 0,05925 7,44 = 1,320V > E1' '

Phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại

2MnY2- + 5PbO2+ 4H+ + 3Y4- ↔ 2MnO4- +PbY2-+2H2O K2=1010( E2

1 Trong luận văn này đã tiến hành xây dựng được 6 bài thí nghiệm minh họaảnh hưởng của quá trình tạo phức EDTA và xianua đến cân bằng oxi hóa - khử trongdung dịch Bao gồm:

* Thí nghiệm 1,2,3,4: xét sự ảnh hưởng của quá trình tạo phức đến một cặpoxi hóa - khử trong dung dịch Trong đó:

- Thí nghiệm 1,2: Cả dạng oxi hóa và dạng khử của cặp oxi hóa - khử đều tạophức với phối tử Khi đó:

n ( n m )

p q

p 0

phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại ban đầu

- Thí nghiệm 3, 4: Chỉ có dạng oxi hóa của cặp oxi hóa - khử tạo phức vớiphối tử Khi đó:

càng lớn thì tính oxi hóa của phức MLnp 

càng giảm và tính khử của kimloại càng tăng và khả năng hòa tan kim loại cũng tăng theo

Do sự tạo phức xianua đều mạnh hơn EDTA nên kim loại tan trong xianuanhanh hơn tan trong EDTA

* Thí nghiệm 5,6: xét sự ảnh hưởng của quá trình tạo phức đến cả hai cặp oxihóa - khử trong dung dịch

n ( n m )

p q

p 0

càng lớn thì tính oxi hóa của phức MLnp 

càng giảm và tính khử của kimloại càng tăng và khả năng hòa tan kim loại cũng tăng theo

Tốc độ của phản ứng xảy ra nhanh hay chậm hơn so với trước khi tạo phức phụ

hóa của phức MLnp 

.Khi tạo phức EDTA phản ứng xảy ra chậm hơn so với phản ứng khi không tạophức, trong khi đó khi tạo phức xianua thì phản ứng xảy ra nhanh hơn rất nhiều sovới phản ưng khi không tạo phức

2 Kết quả nghiên cứu cho phép dự đoán, định hướng chiều xảy ra phản ứngoxi hóa - khử theo ý muốn như: hòa tan kim loại, thu hồi kim loại, tăng hoặc giảmmức độ phản ứng

3 Những thí nghiệm minh họa trong luận văn đều được dựa trên việc tính toán

cụ thể và chính xác Các thí nghiệm minh họa đều có kèm theo hình ảnh minh họa kếtquả thí nghiệm Trên cơ sở đó có thể xây dựng các chương trình giảng dạy theo bănghình

4 Các bài tập thực nghiệm minh họa có các ưu điểm: vừa củng cố các tínhchất, các quy luật về mặt lí thuyêt đồng thời kết hợp với thực nghiệm làm sang tỏ ảnhhưởng của quá trình tạo phức tới cân bằng oxi hóa - khử trong các hệ nghiên cứu.Mặt khác, dạng bài tập thực nghiệm này giúp học sinh rèn luyện kí năng tính toán vàkhả năng suy luận chiều hướng phản ứng

Tuy nhiên do thời gian có hạn nên các thí nghiệm chưa thể đề cập hết đến cácyếu tố ảnh hưởng đến phản ứng oxi hóa - khử mà chỉ đi sâu vào nghiên cứu ảnhhưởng của quá trình tạo phức đến phản ứng oxi hóa - khử xảy ra trong một số hệquen thuộc với các phối tử là EDTA và xianua

Nội dung luận văn không tránh khỏi những sai sót nhất định Vì vậy em rấtmong được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy, cô giáo cùng các bạn bè để

đề tài được hoàn thiện hơn