Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
1
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo trường Đại học Quảng Bình, khoa
Khoa học tự nhiên, tổ bộ môn hóa họcđã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em
trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo Trần Đức Sỹ đã tận tình giảng
dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, tạo điều kiện thuận lợi để em
hoàn thành khóa luận tốt nghiệp.
Tuy đã rất cố gắng, nhưng chắc chắn bài làm của em còn có rất nhiều thiếu sót.
Em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để khóa luận được hoàn
chỉnh và đạt kết quả mong muốn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Quảng Bình, tháng 05 năm 2015
Tác giả
Nguyễn Thị Hiền Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
2
5. Hỗn hợp các đơn axit và đơn bazơ 15
5.1. Hỗn hợp axit mạnh và axit yếu 15
5.2. Hỗn hợp bazơ mạnh và bazơ yếu 16
5.3. Phân số nồng độ 17
5.4. Hỗn hợp các đơn axit 18
5.5. Hỗn hợp các đơn bazơ 18
5.6. Hỗn hợp các axit yếu và bazơ liên hợp 19
IV. Đa axit và đa bazơ 20
Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
3
1.Đa axit 20
2. Đa bazơ 20
V. Các chất điện li lưỡng tính 21
VI. Dung dịch đệm 23
1.Thành phần và tính chất của dung dịch đệm 23
2.Đệmnăng 23
3.Hệsốphaloãng 24
4. Ứngdụngcủacácdungdịchđệm 24
VII. Cân bằng tạo phức hiđroxo trong dung dịch nước của các ion kim loại 25
1.Kháiniệm Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 2: VẬN DỤNG LÝ THUYẾT ĐỂ XÂY DỰNG VÀ GIẢI BÀI TẬP VỀ
CÂN BẰNG AXIT – BAZƠ TRONG DUNG DỊCH 26
I.Axit mạnh và bazơ mạnh 26
II.Đơn axit yếu và đơn bazơ yếu 32
III.Hỗn hợp các đơn axit và đơn bazơ 38
IV.Đa axit và đa bazơ 46
V.Các chất điện li lưỡng tính 50
Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
5
A.MỞ ĐẦU
1.Lí do chọn đề tài
Phản ứng axit - bazơ có vai trò lớn, chiếm một vị trí quan trọng trong chương trình
hoá học phổ thông và đặc biệt là đối với chương trình hoá học phân tích trong các
trường đại học, cao đẳng.
Lý thuyết và bài tập về phản ứng axit - bazơ là những kiến thức khó đối với sinh
viên đại học, cao đẳng. Đặc biệt, một số bài tập đưa ra vẫn thiếu bài giải chi tiết, hoặc
không rõ ràng khi tính đến các quá trình phụ, nên sinh viên khi học gặp nhiều khó
khăn.
Phản ứng axit – bazơ là một trong những nội dung quan trọng của học phân “Hóa
học phân tích định tính”, luôn tạo sức hấp dẫn đối với học sinh, sinh viên nói chung và
sinh viên chuyên ngành nói riêng. Đã có một số tác giả quan tâm nghiên cứu sử dụng
bài tập Hóa học phân tích để phục vụ công tác giảng dạy ở nhà trường trung học phổ
thông cũng như các trường Đại học, Cao đẳng chính quy. Song hệ thống lý thuyết và
bài tập phần này cần được tổng kết dưới dạng chuyên đề để đáp ứng nhu cầu tham
khảo của học sinh, sinh viên.
Chính vì lí do trên, chúng tôi chọn đề tài “Xây dựng, tổng hợp các bài tập về
axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học ngành Sư phạm Hoá học”.
2.Mục đích nghiên cứu
Tập hợp và hệ thống những kiến thức cơ bản liên quan đến cân bằng axit – bazơ
trong hóa học phân tích.
Xây dựng một số bài tập về cân bằng axit – bazơ trong dung dịch.
3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
7
B.NỘI DUNG
CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ AXIT – BAZƠ VÀ PHÂN LOẠI BÀI TẬP
AXIT – BAZƠ TRONG DUNG DỊCH
I.CÁC AXIT, BAZƠ
1.Định nghĩa [1,7]
Ban đầu, các định nghĩa về axit – bazơ dựa trên những tính chất xác định bằng
thực nghiệm chứ không dựa vào thành phần của chúng.
Đến giữa thế kỷ XVIII, người ta đã cố gắng hệ thống hóa khái niệm axit – bazơ
dựa vào thành phần phân tử để định nghĩa axit – bazơ.
1.1. Một số thuyết axit – bazơ trước Arêniuyt
- Thuyết oxi về axit của Lavoadiê
Trước một số lớn các chất tạo thành do sự cháy trong oxi và chúng có tính chất
axit trong dung dịch, Lavoadiê cho rằng oxi là nguyên tố mang tính chất axit. Theo
Bazơ →
1.3. Thuyết proton về axit – bazơ của Bronstet – Laury
Theo lí thuyết proton của Bronxtet và Laury (Bronste và Lowry) thì axit là những
chất có khả năng nhường proton, còn bazơ là những chất có khả năng thu proton.
Ví dụ 2:Axit
Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
8
Bazơ
Bazơ 2 axit liên hợp
A
1
+B
2
A
1
+B
2
K =
(1)
Như vậy (1) là tổ hợp của hai nửa phản ứng và liên quan đến hai cặp axit bazơ
A
1
/B
1
và A
2
/B
2
. Thông thường một trong hai cấu tử A
1
hoặc B
2
- Thuyết axit – bazơ của Maliken.
- Thuyết axit – bazơIdomailôp.
Những thuyết này không có tính chất định lượng và không có nhiều ý nghĩa thực
tiễn.
Trong các thuyết về axit – bazơ thì thuyết Bronstet – Laury đã đạt được những
thành tựu lớn lao và dễ hiểu đối với học sinh các trường trung học, sinh viên các
trường đaị học cao đẳng nên được sử dụng nhiều trong chương trình. Và tất cả những
nghiên cứu sau này của tôi lấy thuyết Bronstet – Laury làm cơ sở.
2. Phản ứng axit - bazơ trong nước [1,7]
2.1. Sự điện li của nước
Nước là chất điên li yếu và phân li theo phươnng trình:
+
Vì H
+
không tồn tại tự do trong dung dịch nên kết hợp với nước
+
Vì nồng độ của nước
!
"#
$
%&'()*+
,
-
.
///01,
201%&'
.
3343%&'
,
5
được coi là
một hằng số nên ta có thể tinh giảm biểu thức trên bằng cách nhập số hạng [
vào hằng số cân bằng
+
để có một hằng số cân bằng mới gọi là hằng số tích số ion
của nước (gọi tắt là tích số ion của nước) và kí hiệu là
6
+
.[
] = [
] =
:
748;78
= 1,0 × 78
<
mol/l (ở 9
/
C)
Nước nguyên chất có nồng độ là 55,5 mol/L, khi cân bằng chỉ có một phần 555
triệu (
333;/
=
) phân tử
phân li thành ion.
2.2. Phản ứng axit – bazơ trong nước
Nước là chất điện li yếu, lưỡng tính, vừa thể hiện tính axit, vừa thể hiện tính bazơ:
Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
10
Axit
>
+
O
+
.
Vídụ 3:+
→
+
SựtíchlũyH
+
lớnhơnso vớiOH
-
làmchodungdịchcó phảnứngaxit.
Khichomộtbazơvàonướcthìnósẽthuprotonchonướcvàtạora1lượngtươngđương
.
Vídụ 4
+
] < 1,0.10
-7
, pH >7,0; pOH < 7,0
Trong môi trường trung tính [H
+
] = [OH
-
] =1,0.10
-7
, pH = 7,0
II. ĐỊNHLUẬTBẢOTOÀN PROTON [4,7]
Nội dung:Nếuta chọnmộttrạngtháinàođócủadungdịchlàmchuẩn(thườnggọilà
trạngtháiquychiếuhaylà mứckhông)thìtổngnồngđộprotonmàcáccấutử
ởmứckhônggiảiphóngra bằngtổngnồngđộprotonmàcáccấutửthuvàođể
đạttớitrạngtháicânbằng.
Hay ởmứckhông: [H
+
] = (Σ[H
+
]
i
)cho - (Σ[H
+
]
i
)nhận
Trongđómứckhôngcó thểlà trạngtháibanđầu, trạngtháigiớihạnhaytrạng
tháitùychọn.
Ví dụ 5
Viết biểu thức ĐKP đối với nước nguyên chất.
+
- ĐKP:
.
III.DUNG DỊCH CỦA CÁC ĐƠN AXIT VÀ ĐƠN BAZƠ
1. Axit mạnh [7]
Axit mạnh (kí hiệu HY)nhường hoàn toàn proton cho nước:
?
→
?
(3)
Trong dung dịch còn có sự phân li của nước:
(4)
Như vậy có hai quá trình cho proton, và phương trình ĐKP có dạng:
.
?
Sự có mặt của ion [H
+
] do HY phân li ra làm chuyển dịch cân bằng (4) sang trái và
[OH
-
] < 10
(5)
- Cân bằng thu proton của XOH:
@
A@
B
C
(6)
Một cách đơn giản có thể viết các quá trình xảy ra trong dung dịch bazơ mạnh:
@→@
(7)
-7
thì:
.
D
Nghĩa là nồng độ
trong dung dịch bằng nồng độ của bazơ mạnh.
3. Đơn axit yếu [7]
Các axit yếu phân li một phần và dung dịch có phản ứng axit. Độ mạnh của các
axit được đặc trưng bằng hằng số phân li axit K
a
hoặc chỉ số hằng số phân li pK
a
= -lgK
a
.
Dĩ nhiên K
a
càng lớn hay pK
a
càng bé thì axit càng mạnh.
Các axit yếu có thể tồn tại ở dạng phân tử, cation hoặc anion. Ví dụ:
Axit phân tử:
K
a
=10
-1,99
; pK
a
= 1,99
Trường hợp tổng quát trong dung dịch đơn axit yếu HA có các quá trình sau:
K
w
(11)
K
a
(12)
Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
13
Theo ĐLTDKL áp dụng cho (12) ta có:
F
≈
F
E
Nếu K
w
<<K
a
.C
HA
thì sự phân li của nước xảy ra không đáng kể và có thể tính
thành phần cân bằng theo (12)
K
a
C C
[] C-x x x
G
HG
= K
a
(15)
Giải phương trình (15) cho phép đánh giá x hay [H
K
a
= 10
-9,24
(*)
K
w
= 10
-14
(**)
Ở đây K
a
.C = 10
-4
.10
-9,24
= 10
-13,24
≈K
w
do đó không thể bỏ qua sự phân li của
(2)
Suy ra
.
:
6
F
(3)
Coi
L
J
K
ta có giá trị gần đúng của [H
+
]:
(4)
Theo (*)
J
J
K
=
F
A
.
F
.
J
K
vừa tính được vào (5) ta được:
= 2,0.10
-4
.
4Q/
R
/
S4K
4Q/
R
= 1,9779.10
-5
M
Thay
vào (3) ta tính được
chính xác hơn:
Bazơ cation: CaOH
+
Ca
2+
+ OH
+
Bazơ anion:
Độ mạnh của các bazơ yếu phụ thuộc vào hằng số bazơ K
b
hoặc chỉ số hằng số
bazơ pK
K
b
(16)
Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
15
Tổ hợp các phản ứng trên ta có:
K
b
=
I
P
(17)
và pK
b
= pK
w
- pK
a
(18)
Như vậy khi axit HA càng mạnh (K
a
b
.
≈K
b
.
E
):
K
w
<<K
b
.
E
(19)
Thì ta có thể tính cân bằng chỉ theo (16).
K
b
C C
[] C- x x x
G
K
w
(22)
Phân li của axit yếu:
K
a
(23)
Ở đây C
HA =
C
2
; C
H
+
=C
HY
=C
1
Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
16
= K
a
(24)
Nếu hằng số phân li K
HA
tương đối bé và C
1
và C
2
không quá nhỏ thì ta có thể coi
x<<C
2
; x<<C
1
và ta có thể đánh giá gần đúng:
X.
= K
a
.
H
H
(25)
5.2. Hỗn hợp bazơ mạnh và bazơ yếu
Trong dung dịch có quá trình phân li hoàn toàn của bazơ mạnh (XOH), cân bằng
nồng độ
do XOH phân li ra, với
= C
XOH
=C
1
và
E
= C
2
.
K
a
=
I
P
C C
ngành SP Hoá học
17
5.3.Phân số nồng độ
Trong dung dịch của các đơn axit và đơn bazơ luôn có mặt đồng thời của hai dạng
của cặp axit - bazơ liên hợp HA/
Nồng độ của cả hai dạng biến đổi tuỳ theo tổng
nồng độ axit ( hoặc bazơ), pK
a
và theo pH.
Để tiện đánh giá quan hệ định lượng này,người ta dùng đại lượng phân số nồng độ
α.
Phân số nồng độ α
i
là tỉ số giữa nồng độ cân bằng của cấu tử i với tổng nồng độ
các dạng có mặt của i ở trong dung dịch.
Đối với cân bằng
K
a
(30)
Ta có α
E
.
Y
Với
= α
A
.C
HA
(33)
[HA] = α
HA
.C
HA
(34)
Từ (30) ta có:
=
F
(35)
[HA]=K
a
-1
.[
].[H
+
5
(39)
Tổ hợp (38), (39) với (31) và (32) ta có:
α
HA
=
P
(40)
α
E
.
5
(41)
Với ( α
K
w
K
a1
(42)
K
a 2
(43)
K
a3
.
E
thì biểu thức ĐKP áp dụng
cho hệ sẽ là:
.
(45)
Sau khi tổ hợp cần thiết với chú ý [H
+
] >>
ta có:
E
và
.
:
F
F
F
(47)
Để kiểm tra ta tính lại [HA
1
] = C
1
α
1
; [HA
2
] = C
2
C
2
M
A
C
1
A
C
2
(48)
Nếu K
b1
.C
1
>>K
b2
.C
2
>>K
w
thì phép tính được thực hiện theo cân bằng (49).
Nếu K
b1
.C
1
≈ K
b2
.C
2
>> K
w
thì phải tính theo ĐKP:
.
- [HA
1
] - [HA
2
-K
a1
-1
.
.[H
+
] - K
a2
-1
.
[H
+
]
và [H
+
] =
a
I
P
E
(53)
5.6. Hỗn hợp các axit yếu và bazơ liên hợp
Xét dung dịch đơn axit HA(C
a
) và bazơ liên hợp (C
b
)
Trong dung dịch có các cân bằng:
K
w
K
a
(54)
Hoặc
K
, C
b
thì h = K
a
b
và ta có công thức gần đúng
tính pH:
pH = pK
a
+ lg
H
c
H
P
(56)
Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
20
Nếu pH >>7 thì cân bằng (55) mô tả đúng hiện tượng và có thể dựa vào đó để tính
pH:
Và pOH = pK
b
- lg
H
c
H
P
(57)
Thay pOH = 14 - pH và pK
b
= 14 - pK
a
vào (57) ta lại có phương trình tính pH như
(56). Phương trình (56) được gọi là phương trình Henderson - Hasselbalch hay được
dùng trong các tài liệu sinh học và sinh hoá để tính pH của các dung dịch đệm. Chú ý
rằng phương trình chỉ đúng khi pH khác nhiều với 7,0 và khi [H
+
],
<< C
a
, C
b
.
IV.ĐA AXIT VÀ ĐA BAZƠ
1. Đa axit [4,7]
Phân tử của các đa axit có khả năng phân li cho n proton( n>1). Nếu n = 2 ta có
điaxit, n = 3 triaxit… Sự phân li của các đa axit diễn ra theo từng nấc. Ví dụ sự phân li
của triaxit H
3
a3
Đối với đa số các axit nhất là đối với các axit vô cơ thì K
a1
>> K
a2
>> K
a3 ,
nghĩa là
sự phân li của đa axit xảy ra mạnh nhất ở nấc đầu và sau đó giảm dần ở các nấc tiếp
theo. Điều này dễ hiểu vì một phân tử không mang điện mất proton dễ hơn anion, và
anion một điện tích mất proton dĩ nhiên là tương đối dễ hơn anion hai điện tích
Nếu K
a1
>> K
a2
>> K
a3
ta cóthể coi đa axit như một đơn axit và tính cân bằng theo
nấc phân li thứ nhất của axit đó.
2.Đa bazơ
Phân tử đa bazơ có khẳ năng nhận một số proton. Quá trình proton hoá của đa
bazơ ngược với quá trình phân li đa axit tương ứng. Vì vậy, ứng với điaxit ta có
đibazơ, ứng với triaxit ta có tribazơ và ta có sơ đồ tương ứng sau đây:
Xây dựng, tổng hợp các bài tập về axit - bazơ trong chương trình giáo dục đại học
ngành SP Hoá học
K
b1
= K
w
. K
-1
a3
K
a2
K
b2
= K
K
b3
= K
w
. K
-1
a1
Khi K
a1
>> K
a2
>> K
a3
thì K
-1
a1
CC
[] C-x x x
V. CÁC CHẤT ĐIỆN LI LƯỠNG TÍNH
Các chất vừa có tính axit ( cho proton) vừa có tính bazơ (thu proton) được gọi là
các chất lưỡng tính. Thuộc loại này gồm có:
- Các hiđroxit của một số kim loại (nhôm,crom, kẽm, thiếc, chì ).
Ví dụ 8:
ebBC
eb
K
b1
=10
-4,8
eb
eb
K
b2
=10
-6,0
ebBC
→
K
w
(58)
K
a2
(59)
K
Nếu K
a2
> K
b2
thì dung dịch có phản ứng axit, ngược lại nếu K
b2
>K
a2
thì pH>7.
- Muối của axit và bazơ yếu:Các muối của axit yếu và bazơ yếu cũng là chất điện
li lưỡng tính, vì các ion của chúng cũng có khả năng cho proton và thu proton.
Chẳng hạn, CH
3
COONH
4
( muối của CH
3
COOH và NH
3
) cho ta cation axit
(cho proton) và anion bazơ
( nhận proton):
3
COO
-
+ H
+
CH
3
COOH K
-1
a2
(bazơ)
Để tính cân bằng trong dung dịch các hợp chất lưỡng tính cần kể đến cả hai loại
cân bằng cho và thu proton. Đối với muối NaHA với mức không
ta có hai quá
trình cho proton (58) và (59) và quá trình thu proton (60).
Phương trình ĐKP:
.
– [H
2
] =
a
I
P
E
P
E
(63)
Trong đa số trường hợp
phân li yếu nên có thể coi gần đúng
≈ C
NaHA
= C, vì
vậy biểu thức (63)trở thành:
[H
+
] =
a
I
F
(67)
hay pH =
f
P
f
P
(68)
VI. DUNG DỊCH ĐỆM [7]
1. Thành phần và tính chất của dung dịch đệm
Nhiều phản ứng hoá học, sinh hoá xảy ra thuận lợi ở pH nhất định. Để duy trì pH
thích hợp không đổi, người ta phải tiến hành phản ứng hoá học trong môi trường đệm.
Như vậy, dung dịch đệm là những dung dịch có khả năng điều chỉnh sao cho pH của
hệ ít thay đổi bất kể quá trình hoá học có giải phóng hay thu nhận ion hiđro.
- Thànhphần:
+Hỗnhợpmộtaxityếuvàbazơliênhợp(vídụHCOOHvà
,
và
).
+Dung dịchmuốiaxitcủacácđaaxitnhưnatri hiđrocacbonat
NaHCO
3
,kalihiđrophtalatKHC
K
w
Nếu pH>> 7 hoặc<< 7;[H
+
],
<<C
a
,C
b
thìcôngthứctínhgầnđúngcủadung
dịchđệmlà:
pH=K
a
+ lg
H
c
H
P
2.Đệmnăng
Làsốmolbazơmạnh(hoặcaxitmạnh)cầnchovào1lítdungdịch
đệmđể
P
I
+
)
Khi[H
+
],
<<C thìcó thểtínhβtheobiểuthứcgầnđúng:
i = 2,3.
H
P
H
c
j
H
Đệmnăngsẽ cựcđạikhinồngđộcủaaxitvà bazơliênhợpbằngnhauvà có giátrị:
độtăng pH kèmtheosựphaloãngdungdịchđầucó nồngđộ
đươnglượngC
i
bằngmộtthểtíchbằngnhaucủanướcnguyênchất:
∆pH
1/2
=pH
Ci/2
-
(pH)
Ci
NếuphaloãngpHtăngthì∆pH
1/2
>0,cònkhigiảmthì ∆pH
1/2
<0.
4. Ứngdụngcủacácdungdịchđệm
CácdungdịchđệmpHđượcứngdụngrộngrãitrongthựctế phântích.
- Phảnứngtách:nhiềuphảnứngphảiđượcthựchiệnởpHxácđịnh,đượcthiếtlập
trogmôitrườngđệmthíchhợp.
Ví dụ 10:TáchBa
2+
ra khỏiSr
2+
dướidạngkếttủaBaCrO
4
cầnduytrì pHtrongkhu vực
4-
5 bằnghỗnhợpđệmaxetat(CH
CỦACÁCIONKIMLOẠI (7,8)
Trongdung dịchnước,cácionkimloạitồntạidướidạnghidrathóa.Chúnglà những
axitcókhảnăngchoprotonvàtạoracácphứchiroxokimloại.Đặctínhaxitcủa
cácionkimloạiphụthuộcvàobảnchấtcủaionkimloại, vàođiệntíchcủachúng.
Cácionkimloạikiềmkhôngthểhiệntínhaxitvìhiđroxitcủachúnglànhững
bazơrấtmạnh.Cácionkimloạikiềmthổlànhững axitrấtyếu.Cácionởtrạngtháioxi
hóacaothườngcó tínhaxithơncácioncùngloạiởtrạngtháioxihóathấphơn.
Cóthểmôtả sựtạophứchiđroxocủaionM
n+
theosơđồtổngquát:
M
n+
.mH
2
O [MOH.(m-2)H
2
O]
(n-1)+
+H
3
O
+*
β
1
M
n+
.mH
2
O [M(OH)
(n-2)+
+ 2H
+*
β
2
Ở đây,
*
β
1
=K
w
.β
1
;
*
β
2
=K
w
.β
2
:
β
1
=
l
l
1
=-8,0
Cu
2+
+2H
2
O Cu(OH)
2
+2H
+
lg*β
2
=-6,8
Cu
2+
+3H
2
O nBC
+3H
+
lg*β
3
=-27,2
Cu
2+
+4H
2
Copyright: Tài liệu đại học ©