BÀI TẬP CHUẨN BỊ (Phần lý thuyết) potx

Kỳ thi Olympic Hóa học Quốc tế lần thứ 39
Hóa học: sự kết hợp giữa khoa học, nghệ thuật và bất ngờ

BÀI TẬP CHUẨN BỊ
(Phần lý thuyết)



15-24/7, 2007
Moscow, Nga


2

MỤC LỤC

Problem 1. ON THE BORDERS OF THE PERIODIC SYSTEM 3

Problem 2. SCHRÖDINGER CAT AND CHEMISTRY 4

Problem 3. QUANTUM UNCERTAINTY 6

Problem 4. QUANTUM CHEMISTRY OF VISION 7

Problem 5. NANOPARTICLES AND NANOPHASES 8

Problem 6. IN WHICH DIRECTION DOES A CHEMICAL REACTION PROCEED? 10

Problem 7. LE CHATELIER’S PRINCIPLE 11

Problem 8. DMITRY IVANOVICH MENDELEEV: WHAT BESIDES THE PERIODIC TABLE? 13

Problem 9. KINETICS OF A FREE RADICAL REACTION 14

Problem 10. ASYMMETRIC AUTOCATALYSIS – AMPLIFICATION OF CHIRAL ASYMMETRY 16

Problem 11. RADIOCARBON DATING 17

Problem 12. IRON DETERMINATION 18

Problem 13. SULFUR DETERMINATION 21

Problem 14. MAGNESIUM DETERMINATION 22

Problem 15. INORGANIC PHOSPHATES: FROM SOLUTION TO CRYSTALS 23

Problem 16. FRUITS, VEGETABLES, ATOMS 26

Problem 17. CHAMELEONIC COBALT 29

Problem 18. THE FORMOSE REACTION 32

Problem 19. THE ANALOGY IN ORGANIC CHEMISTRY 35

Problem 20. KETO-ENOL TAUTOMERISM 37

Problem 21. UNUSUAL PATHWAYS OF FATTY ACID OXIDATION: ALPHA-OXIDATION 38

Problem 22. UNUSUAL PATHWAYS OF FATTY ACID OXIDATION: OMEGA- AND (OMEGA-1)-OXIDATION 41

Problem 23. UNUSUAL PATHWAYS OF FATTY ACID OXIDATION: PEROXIDATION 43

Problem 24. BIOLOGICALLY ACTIVE PEPTIDES AND THEIR METABOLIC PATHWAYS 45

Problem 25. RADICAL POLYMERIZATION 48

Problem 26. IONIC POLYMERIZATION 50

Problem 27. CO-POLYMERIZATION 53

Problem 28. TUNNELING IN CHEMISTRY 56

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

3
Bài 1. Bàn về thứ tự sắp xếp các nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn



Bảng hệ thống tuần hoàn đầu tiên được nhà hóa học Nga D. I. Mendeleev đưa ra năm
1869 với cách sắp xếp các nguyên tố đã biết vào thời đó theo thứ tự tăng dần khối
lượng nguyên tử. Năm 1871 Mendeleev công bố bài báo "Hệ thống bản chất các
nguyên tố và ứng dụng của nó để xác định tính chất các nguyên tố chưa biết" trên tờ
Tạp chí Hóa học Nga. Trong bài báo này thì Mendeleev đã miêu tả chi tiết về tính ch
ất
của ba nguyên tố vẫn chưa được tìm ra và được ông đặt tên là ekabo (Eb), eka nhôm
(Ea), và ekasilic (Es). Tất cả chúng đều được tìm ra 15 năm sau đó.

1. Tên hiện tại của cả ba nguyên tố được Mendeleev tiên đoán là gì ? Rất thú vị là tên
của các nguyên tố này đều có nguồn gốc địa lý.

Bảng Hệ thống thuần hoàn đầu tiên chỉ gồm 66 nguyên tố và ba trong số đó vẫn chưa
được biết. Vào thời điểm hiện nay thì ng
ười ta đã biết được 118 nguyên tố. Nguyên tố
thứ 118 được tìm ra năm 2005 khi hai viện Nghiên cứu Hạt nhân (Nga) và viện
Livermore (Mỹ) tiến hành bắn phá hạt nhân
249
Cf bằng
48
Ca thì nguyên tố thứ 118 được
tạo thành với số khối A = 294 đồng thời quá trình bắn phá này làm giải phóng ba hạt α.

2. Viết và cân bằng phản ứng hạt nhân: i) tổng hợp nguyên tố 118 và ii) Sự phân rã
α

của nguyên tố này.

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

4
3. Nguyên tố thứ 118 thuộc nhóm nào của bảng Hệ thống tuần hoàn ? Viết cấu hình
electron của nó (viết phần khí hiếm và cấu hình e lớp ngoài cùng).

4. Dựa vào tính chất của các nguyên tố cùng nhóm với nguyên tố thứ 118 và sử dụng
khả năng suy luận hãy dự đoán các tính chất sau của nguyên tố thứ 118: i) nhiệt độ
nóng chảy, ii) nhiệt độ sôi, iii) bán kính nguyên tử, iv) thế ion hóa thứ nhất, v) công tức
oxit cao nhất của.


Bài 2. Con mèo của Schrodinger và Hóa học

Rất nhiều các hiện tượng hóa học có thể được giải thích bằng các lý thuyết vật lý. Lý
thuyết chính của hóa học là lý thuyết lượng tử, nó là một nền móng vững chắc để quan
sát được sự biến đổi tuần hoàn của Hóa học. Một trong số những hòn đá tảng của cơ
học lượng tử là nguyên lý chồng chất trạng thái được phát biểu như
sau:

“Nếu một hệ lượng tử có thể được xác định ở trạng thái 1 và 2 được miêu tả bởi hai hàm
sóng tương ứng
Ψ
1
và
Ψ
2
thì hệ cũng có thể được xác định ở trạng thái hỗn hợp với
hàm sóng"
Ψ
= c
1
Ψ
1
+ c
2
Ψ
2
,
với c
1
và c
2
đặc trưng cho sự đóng góp của trạng thái 1 và 2 ban đầu vào trạng thái hỗn

hợp."

Tổng của các hàm sóng khác nhau với các hệ số khác nhau được gọi là tổ hợp tuyến
tính các hàm sóng.

Trong một hệ lượng tử hỗn tạp thì hệ lượng tử tồn tại ở cả hai trạng thái ban đầu một
cách ngẫu nhiên. Khi chúng ta đang tiến hành một phép đo của hệ đang ở trạng thái
hỗ
n hợp thì phép đo này sẽ phải chuyển hệ sang trạng thái thuần khiết. Chúng ta không
bao giờ xác định được trạng thái cuối của hệ, nó chỉ có thể được xác định bằng các
định luật xác suất. Xác suất của một hệ bất kỳ ở trạng thái cuối được xác định bằng
bình phương modul của các hệ số tổ hợp tương ứng
p
1
~ |c
1
|
2
, p
2
~ |c
2
|
2
.
Tất nhiên, xác suất để tìm thấy một hệ lượng tử ở trên toàn khu vực bằng đơn vị:
p
1
+ p
2

= 1.
Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

5

Nguyên lý chồng chất trạng thái chỉ có thể áp dụng được cho các hệ lượng tử và không
hề có ý nghĩa khi áp dụng vào các hệ vĩ mô. Sử dụng một máy tính Geiger có thể dò
được electron đi vào. Máy tính được kết nối với một bộ phận có khả năng đập vỡ một
dụng cụ chứa chất độc bằng thủy tinh khi có một tiểu phân đi vào máy d. Gần dụng cụ
thủy tinh là m
ột con mèo còn sống. Nếu tiểu phân đi vào máy dò thì con mèo sẽ bị
nhiễm độc. Tuy nhiên nếu máy dò không thể xác định được tín hiệu và đang ở trạng thái
giữa phát hiện được và không phát hiện được thì trạng thái của con mèo là sống hay
chết. Dễ hiểu hơn, con mèo có thể sống hay chết tuỳ thuộc vào việc máy dò có xác định
được một hệ lượng tử hay không, điều này là vô lý.

Trong hóa học thì nguyên lý chồng chất trạng thái được s
ử dụng trong thuyết lai hóa,
cộng hưởng và MO.

Nguyên lý chồng chất trạng thái đối với thuyết lai hóa.
1. Một AO lai hóa sp
3
là sự tổ hợp tuyến tính giữa một AO s và 3 AO p
3
12 3 4
=
x
yz
s

ppp
sp
cc c cΨ Ψ+Ψ+Ψ+Ψ
.
i) Giả sử rằng tất cả các AO đều đóng góp như nhau vào AO lai hóa thì giá trị của
các hằng số từ
c
1
–
c
4
sẽ là ?
ii) Tương tự, hãy tìm các giá trị cho các hệ số tổ hợp c
1
– c
3
đối với một AO lai
hóa sp
2
.

Nguyên lý chồng chất trạng thái đối với thuyết MO.
2. MO đối với ion phân tử H
2
+
ở trạng thái cơ bản có dạng:
11
11
=
22

ab
s
s
Ψ
Ψ+ Ψ,
với a và b chỉ nguyên tử hydro. Tính xác suất để tìm thấy electron ở obitan 1s của
nguyên tử H
a
?

Nguyên lý chồng chất trạng thái đối với thuyết cộng hưởng
3. Liên kết cộng hóa trị có một phần tính ion. Như vậy hàm sóng của một liên kết giữa
hydro và halogen có thể được biểu diễn bởi sự tổ hợp tuyến tính hai hàm sóng đặc
trưng cho trạng thái ion (
Ψ
H
+
Hal
–
) và cộng hóa trị (
Ψ
H:Hal
):
+
HHal cov H:Hal ion
HHal
= cc
−
ΨΨ+Ψ
Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

6
Trong cuốn sách nổi tiếng "Bản chất của liên kết hóa học" (1947) thì L.Pauling đã chỉ ra
rằng liên kết trong HCl chỉ có 17% tính ion. Tìm các giá trị của c
cht
và c
ion
đối với HCl.

4. Một trong số các hàm sóng của benzen có thể được mô tả bởi sự tổ hợp tuyến tính
của các hàm sóng tương ứng với hai công thức Kekule và ba công thức Dewar:

+
Ψ
+
Ψ
C
6
H
6
=
Ψ
+
Ψ
+
Ψ Ψ


Vậy thì tổng của các hệ số đóng góp của các công thức Kekule vào trạng thái của
benzen là bao nhiêu ?

Trong các phản ứng hóa học thì cấu trúc của phân tử thay đổi liên tục nên trạng thái
electron của phân tử là hàm của thời gian. Trong một vài trường hợp thì cấu trúc của
phân tử có thể được biểu diễn bởi một sự chồng chất trạng thái giữa trạng thái đầu và
cuối với sự phụ thu
ộc thời gian.

Bây giờ chúng ta xem xét một phân tử dao động giữa hai trạng thái thuần khiết, một với
hàm sóng
Ψ
1
, và trạng thái còn lại có hàm sóng
Ψ
2
, với tần số
ω
. Ban đầu (t = 0) phân
tử ở trạng thái thuần khiết thứ nhất và sau một nửa chu kỳ (t = π/ω) – thì ở trạng thái
thuần khiết thứ hai

5. Xác định hệ số phụ thuộc thời gian của sự chồng chất các trạng thái mô tả cấu trúc
electron của phân tử. Viết biểu thức của hàm sóng tổng quát sau một phần tư chu kỳ
.



Bài 3. Sự bất định lượng tử

Một trong số những định luật lượng tử chính nói lên mối liên hệ giữa sự bất định vị trí
∆

x
và về động lượng ∆p của tiểu phân lượng tử. Tích các bất định này không đựơc phép
bé hơn một giá trị hằng định - một nửa của hằng số Planck:
2
xp
∆
⋅∆ ≥
h

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

7
với momen động lượng là tích của khối lượng và vận tốc: p = mV, hằng số Planck có
giá trị
h = 1.05⋅10
–34
J⋅s.

1. Không cần tính toán, hãy sắp xếp các tiểu phân sau theo thứ tự tăng dần độ bất định
về vận tốc ∆V
min
:
a) một e trong phân tử H
2

b) một nguyên tử H trong phân tử H
2

c) một proton trong hạt nhân cacbon
d) một phân tử H

2
chuyển động trong ống nano;
e) một phân tử O
2
chuyển động trong một căn phòng rộng 5m.

2. Đối với những tiểu phân đầu tiên và cuối cùng ở câu 1 hãy tính cụ thể ∆V
min
. Những
dữ kiện cần thiết vui lòng tìm ở các bảng tra trên Internet.



Bài 4. Hóa lượng tử của thị giác

Bước đầu tiên trong cả một cơ chế phức tạp của sự nhìn thấy là phản ứng đồng phân
hóa cis
→
trans của chất trợ màu retinal nằm trong phân tử rhodopsin. Sự hấp thụ ánh
sáng khả kiến của cis-retinal dẫn đến sự biến đổi cấ
u dạng của liên kết đôi:

CH
3
CH
3
CH
3
CH
3

CH
3
O
h
CH
3
CH
3
CH
3
CH
3
O
CH
3
cis-retinal
trans-retinal


1. Chỉ ra liên kết đôi nào đã tham gia vào phản ứng đồng phân hóa này và chỉ ra đại
lượng xác định tọa độ phản ứng.

2. Năng lượng của chất phản ứng và của sản phẩm được xác định như là một hàm tuần
hoàn của đại lượng xác định tọa độ phản ứng x:

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

8
(
)

cis
( ) = 1.79 1 cos( )Ex x
⋅
−
,
trans
( ) = 1.94 0.54 cos( )Ex x
+
⋅ .
Đơn vị năng lượng là eV (1 eV = 1.60⋅10
–19
J = 96500 J/mol), x = 0 ứng với chất đầu,
x =
π
– ứng với sản phẩm. Vẽ giảin đồ năng lượng cho phản ứng này. Xác định biến
thiên năng lượng của phản ứng và năng lượng hoạt hóa ở đơn vị kJ/mol.

3. Bước sóng lớn nhất mà cis – retinal có thể hấp thụ là bao nhiêu?

Bây giờ chúng ta sẽ áp dụng mô hình hộp thế một chiều cho các electron hiện diện
trong hệ
thống liên hợp của cis-retinal. Mức năng lượng của một tiếu phân có khối
lượng m có trong hộp thế một chiều với chiều dài l được cho bởi biểu thức:
22
2
=
8
n
hn
E

ml
, n = 1, 2, …
4. Số electron trong cis-retinal là bao nhiêu ?

5. Dựa vào đáp án của câu (3)-(4) và sử dụng công thức cho ở trên hãy tính l. So sánh
giá trị này với cấu trúc của phân tử retinal ta rút ra được điều gì ?



Bài 5. Tiểu phân nano và pha nano

Hóa nano đã thu hút được khá nhiều sự quan tâm trong những năm gần đây và một
lượng lớn các nghiên cứu đang đi về hướng nắm rõ các tính chất của vật liệu nano.
Ống cacbon nano quấn một vòng (SWNTs) đượ
c coi như là một thí dụ điển hình về vật
liệu mới. SWNT có thể được hình dung là một tấm graphit quấn quanh một hình trụ kín
(d ≈ 1.5 nm). Các phân tử cacbon hình trụ sẽ là một phần quna trọng để sản xuất các
phân tử điện tử trong tương lai.

Tính chất của các vật liệu kích cỡ nano phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của nó

Áp suất hơi bão hòa của một tiể
u phân hình cầu nhỏ (dạng tinh thể hay lỏng) thì cao
hơn so với dạng kết khối của cùng một loại vật liệu. Ở cân bằng thì thế đẳng áp mol (G)
Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

9
của pha ngưng tụ (G
bulk
) và pha hơi (G

vap
) bằng nhau. Phương trình (1) xác định áp suất
hơi bão hoà p trên pha kết khối
G
bulk
= G
vap
= G
°
vap
+ RT ln p, (1)
G°
vap
là thế Gibbs tiêu chuẩn đối với sự bay hơi 1 mol chất ở áp suất p = 1 bar.

Các chất bên trong những tiểu phân hình cầu có sức căng lớn được gây ra bởi sức
căng bề mặt:
∆P
in
= 2σ / r
r – bán kính của mẫu hình cầu, σ – sức căng bề mặt của "pha hơi ngưng tụ". Sự tăng
áp suất nội là kết qủa của sự biến đổi năng lượng Gibbs của một chất bên trong tiểu
phân hình cầu. Năng lượng Gibbs G*
sph
(năng lượng Gibbs của một chất bên trong tiểu
phân hình cầu) thì lớn hơn G
bulk.
Sự khá biệt năng lượng Gibbs của một tiểu phân hình
cầu với pha kết khối bằng một lượng
in

PV
∆
: (∆P
in
: biến thiên áp suất nội)
G*
sph
= G
bulk
+
∆
P
in
V = G
bulk
+ 2σV / r, (2)
V là thể tích mol của chất lỏng hoặc chất rắn. Như vậy từ phương trình (1)
G*
sph
= G
bulk
+ 2σV / r = G
vap
= G°
vap
+ RT ln p* (3)
p* là áp suất hơi bão hòa của tiểu phân hình cầu bán kính r.

1. Áp suất hơi bão hòa của nước ở
T

= 298 K là 3.15⋅10
–2
bar. Tính áp suất hơi bão
hòa của các giọt nước hình cầu với bán kính lần lượt là: i) 1 µm và ii) 1 nm. Sức căng
bề mặt ở bề mặt phân cách lỏng – hơi của nước là 0.072 J/m
2
.

Khi xem xét tính chất của một tiểu phân ở dạng kết khối vào thời điểm áp suất hơi bão
hòa của pha hơi và pha kết khối chênh lệch nhau khoảng ít hơn 1%. Hãy xác định bán
kính bé nhất của mẫu hình cầu trong pha kết khối ? Có bao nhiêu phân tử nước trong
pha kết khối ở dạng giọt lỏng?

2. Một vài giọt thuỷ ngân lỏng được đặt trong SWNT ở 400 K. Áp suất hơi bão hòa bé
nhất của thu
ỷ ngân trong ống là bao nhiêu ? Áp suất hơi bão hòa của thuỷ ngân kết khối
là 1.38⋅10
–3
bar, khối lượng riêng của thuỷ ngân ρ(Hg) = 13.5 g/cm
3
, sức căng bề mặt ở
bề mặt phân cách lỏng – hơi của thuỷ ngân là 0.484 J/m
2
ở nhiệt độ đã cho.

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

10
3. Nhiệt độ sôi của benzen ở áp suất tiêu chuẩn là T
s

= 353.3 K. Nhiệt độ này phụ thuộc
vào áp suất hơi bão hòa của benzen gần nhiệt độ sôi được cho bởi phương trình dưới
đây:
vap
ln ( ) =
H
pT const
R
T
∆
−+
(4)
với ∆H
vap
= 30720 J/mol là entanpy bay hơi của benzen. Xác định nhiệt độ sôi (T*) của
benzen lỏng ở áp suất chuẩn nếu mẫu tồn tại ở dạng giọt lỏng với bán kính r = 50 nm.
Sức căng bề mặt của benzen ở gần nhiệt độ sôi là 0.021 J/m
2
và khối lượng riêng là
0.814 g/cm
3
.

4. Nói chung, tính chất của dạng kết khối và vật liệu kích thước đối với cùng một chất A
là hoàn toàn khác nhau. Hằng số nhiệt động nào sau đây sẽ giảm khi chuyển một vật
liệu kết khối sang một vật liệu kích thước nano ?
1) Độ tan của A trong dung môi bất kỳ
2) Nhiệt độ sôi của một chất ở áp suất thường
3) Áp suất hơi bão hòa trên bề mặt pha rắn củ
a chất A;

4) Hằng số cân bằng của phản ứng với A là tác nhân;
5) Hằng số cân bằng của phản ứng với A là chất sản phẩm.



Bài 6. Phản ứng hóa học xảy ra trong điều kiện nào?

Xu hướng tự nhiên của bất kỳ một phản ứng hóa học xảy ra ở một nhiệt độ và áp suất
xác định phụ thuộc vào dấu của biến thiên n
ăng lượng Gibbs của phản ứng, ∆
G
. Đây là
một nguyên lý tự nhiên. Nếu ∆G < 0, phản ứng xảy ra theo chiều thuận (chiều ưu tiên
tạo thành sản phẩm). Nếu ∆G > 0 thì phản ứng xảy ra theo chiều nghịch (phản ứng
không tự xảy ra). Trong trường hợp
∆
G = 0 thì phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng.

Biến thiên năng lượng Gibbs, ∆G°, có th
ể được tính toán từ năng lượng Gibbs của sự
hình thành chất phản ứng và sản phẩm (xem ở bảng dưới).



Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

11
1. Tính hằng số cân bằng của phản ứng (1) ở 1627 °C. Phản ứng này có thể xảy ra theo
chiều thuận hay không nếu như áp suất ban đầu của O
2

dưới 1.00 Torr?
2Ni(l) + O
2
(g) = 2NiO(s) (1)
2. Thế Gibbs tiêu chuẩn của phản ứng
TiO
2
(s) + 3C(s) = 2CO(g) + TiC(s) (2)
là dương ở 727 °C. Tính áp suất cân bằng của CO ở 727 °C. Phản ứng này nên được
tiến hành trong những điều kiện nào ở nhiệt độ đã cho sao cho phản ứng này là tự diễn
biến?

3. Tính biến thiên năng lượng Gibbs của phản ứng sau đây
3H
2
+ N
2
= 2NH
3
(3)
ở 300 K. Trong những điều kiện dưới đây thì phản ứng này có phải là tự diễn biến hay
không: p(NH
3
) = 1.0 atm, p(H
2
) = 0.50 atm, p(N
2
) = 3.0 atm?

Trong thực tế thì phản ứng này không xảy ra ở 300K với một vận tốc rất chậm. Giải

thích ?

Bảng 1. Năng lượng Gibbs hình thành*.
Chất
t
, °C
f
G∆
o
, kJ/mol
NiO 1627 –72.1
TiO
2
727 –757.8
TiC 727 –162.6
CO 727 –200.2
NH
3
27 –16.26

*Áp suất tiêu chuẩn – 1atm, Bảng JANAF.



Bài 7. Nguyên lý Le Chatelier

Nguyên lý Le Charlelier nói rằng

«Bất kỳ một hệ nào ở trạng thái cân bằng khi chịu ảnh hưởng của yếu tố bên ngoài đều
thay đổi theo chiều làm giảm sự tác động đót» (P.W. Atkins “Physical Chemistry”).

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

12
Bây giờ chúng ta sẽ xét ảnh hưởng của nguyên lý này. Xét một hệ cân bằng hóa học
được hình thành bởi phản ứng giữa các khí lý tưởng sau:
3H
2
+ N
2
= 2NH
3
(1)
Ở nhiệt độ T = 400 K thì các áp suất riêng phần của các khí đo được là: p(H
2
) = 0.376
bar, p(N
2
) = 0.125 bar, p(NH
3
) = 0.499 bar.

Những yếu tố cho dưới đây sẽ làm cho cân bằng bị chuyển dịch
a) Tăng áp suất của hệ nhưng giữ nguyên nhiệt độ
b) Tăng lượng NH
3
trong hệ phản ứng trong khi giữ nguyên áp suất chung và
nhiệt độ tiến hành phản ứng
c) Đưa vào hệ phản ứng một lượng nhỏ N
2

trong khi giữ nguyên áp suất chung
và nhiệt độ tiến hành phản ứng
d) Đưa vào hệ phản ứng một lượng nhỏ H
2
trong khi giữ nguyên áp suất chung
và nhiệt độ tiến hành phản ứng.

1. Tính năng lượng Gibbs chuẩn cho phản ứng (1) ở T = 400 K.

2. Viết phương trình tính năng lượng Gibbs cho phản ứng (1) ở áp suất bất kỳ của chất
phản ứng và sản phẩm sau khi chuyển dịch cân bằng. Phương trình này được gọi là
phương trình đẳng nhiệt của phản ứng hóa học

3. Sử dụng phươ
ng trình đẳng nhiệt ở câu 2 hãy xác định xem trong số các điều kiện từ
(a)-(d) thì điều kiện nào làm cho phản ứng (1) tự xảy ra ?

4. Câu trả lời của câu hỏi 3 có thay đổi không nếu như áp suất đầu của các khí lý tưởng
là: p(H
2
) = 0.111 bar, p(N
2
) = 0.700 bar, p(NH
3
) = 0.189 bar? Giả thiết rằng nhiệt độ và
áp suất chung của hệ vẫn được giữ nguyên.

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

13
Problem 8. DMITRY IVANOVICH MENDELEEV còn công trình nghiên cứu nào khác
ngoài bảng Hệ thống tuần hoàn

Nhà Hóa học Nga D. Mendeleev nổi tiếng trên toàn thế
giới nhờ công trình về bảng Hệ thống tuần hoàn các
nguyên tố hóa học. Ngoài ra thì Mendeleev cũng còn nhiều
công trình nghiên cứu thú vị khác nữa. Chúng ta sẽ xem
xét hai trong số chúng

1. Mendeleev là người đầu tiên đưa ra khái niệm là mỗi
chất có một “nhiệt độ sôi tối đa". Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt
độ này thì "chất đó s
ẽ luôn tồn tại ở pha khí bất kể áp suất
cao bao nhiêu". Theo Mendeleev thì nhiệt độ sôi tới hạn
của nước là 543 °C.

a) Thế nào là "nhiệt độ sôi tối đa" ?

b) Hãy chỉ ra nhiệt độ sôi tới hạn trên giản đồ pha P-T của nước.

c) Tính nhiệt độ sôi tới hạn của nước dựa vào phương trình trạng thái khí thực của
Van der Waals:
2
() =
a

pVbRT
V
⎛⎞
+−
⎜⎟
⎝⎠
,
Với H
2
O, a = 5.464 l
2
⋅atm⋅mol
–2
, b = 0.03049 l⋅mol
–1
.

2. Ở Nga thì rất nhiều người tin rằng D. Mendeleev là người đã phát minh ra công thứuc
chế tạo một thức uống nổi tiếng "Vodka Nga". Bây giờ chúng ta sẽ kiểm chứng.

Trong luận văn tiến sĩ của mình, Mendeleev đã mô tả vài tính chất của hệ hai cấu tử
“ethanol-nước”. Ông đo tỉ khối của một dãy dung dịch hai cấu tử này ứng với sự khác
nhau của
W
, với
W
(%) là phần trăm khối lượng của etanol trong hỗn hợp. Kết qủa
d
ρ
/ dW được cho ở Hình 1 dưới dạng một hàm của W.

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

14
0 102030405060708090100
dρ/dW
W% (C
2
H
5
OH)

Hình 1. Kết qủa thí nghiệm mà Mendeleev nhận được

Đường cong thu được có hệ số góc thay đổi ba lần. Theo D. Mendeleev thì ba điểm đặc
biệt này xuất hiện do có sự hình thành những hợp chất hóa học có liên kết yếu được
ông gọi là "hydrat của etanol".

a) Cho biết công thức hóa học của “hydrat của etanol"?

b) Liệu thành phần của một hydrat bất kỳ có liên quan đến công thức của vodka
(40% thể tích của C
2
H
5
OH)? Biết tỉ khối của etanol là 0.794 g⋅cm
–3
. Từ đó rút ra kết
luận liệu Dmitry Mendeleev có phải là người có công trong việc khám phá ra công
thức pha chế Vodka Nga hay không ?

Bài 9. Động học của phản ứng gốc tự do

Nhiệt phân là một quá trình công nghiệp quan trọng để chuyển hóa than thành nhiên
liệu lỏng và các sản phẩm khác. Cấu trúc của than cốc có thể được xem như là mạng
lưới ba chiều của các hợp chất thơm đa vòng ngưng tụ liên kết với nhau qua các cầu
nối là các gốc hydrocacbon mạch thẳng, ngắn. Trong những nghiên cứu mới đây về
nhiệt phân thì các α, ω - diphenylankan được xem như đại diện cho than cốc
Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

15

Sự phân huỷ nhiệt của 1,3-diphenylpropan cho toluen và styren là sản phẩm chính và
các sản phẩm phụ gồm etylbenzen và các hydrocarbons khác. Cơ chế phản ứng phân
huỷ này được đề cập dưới đây (giai đoạn đầu là giai đoạn chậm nhất):


1. Dựa vào nguyên lý nồng độ dừng áp dụng cho gốc tự do 2, Hãy viết biểu thức vận
tốc đối với phản ứng phụ tạo thành etylbenzen.

2. Ở trạng thái dừng thì tỉ lệ giữa các gốc tự do 1 và 3 là bao nhiêu ?

Thêm vào đó, hai gốc tự do có thể kết hợp lại. Hằng số tốc độ của phản ứng kết hợp k
R

được giả thiết hoàn toàn như nhau đối với các gốc tự do

3. Tại sao lại chấp nhận bỏ qua những phản ứng kiểu như thế này trong phường trình
trạng thái dừng ở câu 1 và 2

4. Một trong số các gốc tự do hiện diện trong hỗn hợp phản ứng có nồng độ cao hơn

hản so với các gốc còn lại. Gốc đó là
a)
22
PhCHCH CH Ph
•
, bởi vì nó là gốc bền vững nhất;
b) PhCH
2
.

bởi vì hằng số vận tốc của phản ứng phân cắt β (4) cao hơn so với
hằng số vận tốc của phản ứng phát triển mạch (3);
c) PhCH
2
CH
2
.
, bởi vì nó kích thích phản ứng.
Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

16

5. Tìm phương trình vận tốc đối với sự hình thành toluen. Xác định bậc phản ứng. Ước
tính năng lượng hoạt hóa hiệu lực dựa vào năng lượng hoạt hóa của mỗi giai đoạn
trong cơ chế phản ứng.

Bài 10. Phản ứng tự xúc tác bất đối xứng - Sự khuếch đại bất đối xứng

Các cơ thể sống
đều là các hợp chất bất đối cùng cấu hình. Hầu hết các aminoaxit đều
có cấu hình L, đường có cấu hình D. Một trong số những khám phá của hiện tượng này
bắt nguồn từ sự có mặt của các chất tự xúc tác bất đối xứng.Trong một vài phản ứng tì
sản phẩm bất đối có thể đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo thành nó. Lượng một đối
quang tạo thành càng lớn khi phản ứng xả
y ra càng nhanh.

1. Trường hợp đơn giản nhất cho phản ứng tự xúc tác là: A + P
→
2P, với P là sản
phẩm. Phản ứng có thể được tiến hành dưới những điều kiện khác nhau: có thế ở trong
hệ kín khi các tád nhân chỉ đựơc trộn lẫn với nhau duy nhất một lần hay trong hệ hở với
tác nhân A được liên tục thêm vào hỗn hợp phản ứng để cho nồng độ của nó không đổi.

Viết biểu thức động học và vẽ đường cong động học đối với sản phẩm P trong hệ kín và
hệ hở. Giả thiết rằng nồng độ ban đầu của P không bằng 0 nhưng rất bé.

Phản ứng tự xúc tác bất đối xứng đầu tiên được tìm ra vào thời kỳ đầu của những năm
1990. Thêm diisopropyl kẽm vào pyrimidin-5-cacbandehit trong toluen dẫn đến sự hình
thành hai đối quang X
1
và X
2
, sau khi thuỷ phân chuyển thành hai ancol đối quang Y
1

và
Y
2
:
N
N
O
(i-Pr)
2
Zn
toluene, 0
o
C
X
1
, X
2
1 M HCl
Y
1
, Y
2


Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

17
2. Vẽ công thức của cặp đối quang X và Y, và chỉ ra cấu hình tuyệt đối ở các trung tâm
bất đối.

Người ta nhận ra rằng với sự có mặt của một lượng nhỏ một sản phẩm bất kỳ (Y
1
hay
Y
2
) đều xúc tiến cho phản ứng dẫn đến việc tạo thành nó nhiều hơn trong hỗn hợp phản
ứng. Giả thiết rằng hiệu suất tạo thành mỗi sản phẩm đều phụ thuộc vào bình phương
phần mol của mỗi ancol trong hỗn hợp sau phản ứng tổng hợp.

3. Với 1 mmol hỗn hợp Y
1
và Y
2
, chứa 55% Y
1
, Thêm vài lần 1 mmol andehit và 1 mmol
của diisopropyl kẽm. Giả thiết hiệu suất phản ứng là 100%. Tính xem phải thêm tác
nhân bao nhiêu lần để làm giàu hỗn hợp ancol lên: a) 70%, b) 90%, c) 99% Y
1
.

Lưu ý: Phải xây dựng một phương trình hồi quy để giải bài toán này



Bài 11. Xác định niên đại dựa vào đồng vị Cacbon phóng xạ

Đồng vị cacbon-14 là một đồng vị của phóng xạ của cacbon thường được sử dụng
trong khảo cổ học, địa lý và địa chất thủy văn. Chu kỳ bán huỷ của
14

C là t
1/2
= 5730
năm, nhưng trong việc tính toán niên đại các mẫu cổ vật thì một giá trị khác được sử
dụng là, t’
1/2
= 5568 năm. Đồng vị
14
C được sinh ra từ nitơ trong không khí dưới tác
dụng của các tia vũ trụ. Sau đó nó đi vào các cơ thể sống của thực vật và động vật
thông qua quá trình quang hợp và các chuỗi thức ăn. Lượng đồng vị cacbon phóng xạ
trong cơ thể sống gần như là một hằng số với độ phân rã của
14
C là 230 Bq cho 1kg
cacbon. Sau khi sinh vật chết thì quá trình trao đổi cacbon dừng lại và
14
C vẫn tiếp tục bị
phân huỷ.

1. Viết phản ứng hình thành và phân huỷ của đồng vị
14
C.

2. Trong một mẫu y phục của người Ai Cập cổ thì người ta đã dò được số phân rã là
480 phân rã đối với 1 gam cacbon trong một giờ. Xác định tuổi của mẫu y phục này

Trong một thời đại khác thì người ta tìm thấy một chất bột màu trắng. Các phương pháp
phân tích cho thấy rằng chất này là phenoxymetylenpenixilin (penixilin V) có cấu tạo:
Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

18

N
S
O
OH
H
HN
O
O
O


Hiện nay thì phenoxymetylpenixilin được sản xuất bằng cách cấy vi khuẩn trong môi
trường gồm các cacbohydrat (lactozơ, glucozơ, saccarozơ), dung dịch bắp ngâm (ngâm
bắp vào nước), một số muối khoáng và axit phenoxyaxetic.

Khi áp dụng phương pháp sử dụng đồng vị cacbon phóng xạ để đo tuổi mẫu bột này thì
bằng phương pháp phổ khối người ta đã xác định được tỉ số khối lượng các đồng vị
14
C/
12
C xấp xỉ 6.0·10
–13
.

3. Nhà khảo cổ học quyết định khảo sát tuổi của mẫu bột này bằng các định luật phóng
xạ. Vậy mẫu bột này được sản xuất từ lúc nào ?

4. Giải thích kết qủa và hãy cho biết thời gian thực mà mẫu bột này được sản xuất ?

Các thông tin liên quan đựơc lấy từ
Lloyd A. Currie. The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating. // J. Res.
Natl. Inst. Stand. Technol. 109, 185-217 (2004)






Bài 12. Xác định Sắt

Sắt là một trong số những nguyên tố
quan trọng nhất và rất cần thiết cho quá trình trao
đổi chất của các cơ thể sống. Sự thiếu hụt sắt có thể gây ra bệnh thiếu máu, bệnh này
Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

19
thường được chữa trị bằng cách bổ sung thêm vào cơ thể Fe(II). Ảnh hưởng của các
hợp chất Fe(III) không lớn lắm.

Fe(II) là một chất khử mạnh và có khả năng bị oxy hóa ngay thành Fe(III). Vấn đề chúng
ta gặp phải ở đây là làm thế nào để tách Fe(II) khỏi Fe(III) cũng như xác định tổng hàm
lượng sắt cần thiết trong việc kiểm tra tiêu chuẩn chất lượng dược phẩm. Bây giờ
chúng
ta sẽ xem xét cách giải quyết vấn đề này.

1. Phương pháp thường dùng để xác định tổng nồng độ sắt là chuyển hoàn toàn định
lượng Fe(II) thành Fe(III). Sử dụng bảng thế khử chuẩn cho dưới đây để xác định xem
ở điều kiện tiêu chuẩn thì chất oxy hóa nào có thể oxy hóa Fe(II) lên Fe(III). Viết và cân

bằng các phản ứng liên quan ở dạng ion.

Dạng oxy hóa Dạng khử
E°, V
Fe
3+
Fe
2+
+0.77
HNO
3
NO (+H
2
O) +0.96
H
2
O
2
(+H
+
) H
2
O +1.77
I
2
I
–
+0.54
Br
2

Br
–
+1.09

2. Sau khi oxy hóa hoàn toàn lượng sắt thành Fe(III) thì tổng lượng sắt có thể được xác
định bằng cách kết tủa sắt dưới dạng Fe(OH)
3
sau đó nung kết tủa này đến khối lượng
không đổi để chuyển thành dạng cân Fe
2
O
3
.

a) Xác định pH của dung dịch FeCl
3
0.010M. Giả thiết rằng cation Fe(OH
2
)
6
3+
là
axit một nấc với hằng số phân ly K
a
= 6.3
.
10
–3
.

b) Tính pH cần thiết để bắt đầu xảy ra sự kết tủa Fe(OH)
3
từ dung dịch trên. Biết
tích số tan của Fe(OH)
3
là K
sp
= 6.3
.
10
–38
.

c) Ở pH nào thì sự kết tủa Fe(OH)
3
từ 100.0 mL dung dịch FeCl
3
0.010M xảy ra
hoàn toàn? Sự kết tủa được coi là hoàn toàn khi hàm lượng sắt còn lại trong dung
dịch dưới 0,2mg.

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

20
Lưu ý. Toàn bộ giá trị pH tính được đều phải chính xác đến 0.1 đơn vị pH. Bỏ qua lực
ion của dung dịch.

3. Fe(II) có thể được xác định trong sự có mặt của Fe(III) bằng cách định phân với dung
dịch KMnO
4

trong môi trường axit. Vì dung dịch KMnO
4
có xu hướng phân huỷ chậm khi
bảo quản nên nồng độ chính xác của KMnO
4
cần được xác định lại ngay trước khi tiến
hành định phân Fe(II). Điều này được thực hiện một cách dễ dàng khi tiến hành định
phân KMnO
4
bằng chất chuẩn gốc (là một chất tinh khiết với thành phần đã được xác
định). Các dung dịch chuẩn có thể được chuẩn bị bằng cách pha một lượng chính xác
chất chuẩn vào nước trong bình định mức hoặc dụng cụ khác đã biết chính xác thể tích.

Đối với sự định phân 10.00 mL dung dịchu chuẩn chứa 0.2483 g As
2
O
3
trong 100.0 mL
nước thì tốn hết 12.79 mL dung dịch KMnO
4
. Trong khi đó để định phân 15.00 mL dung
dịch có hàm lượng 2.505 g Fe trong 1 lít thì cần 11.80 mL dung dịch KMnO
4
trên. Hỏi
hàm lượng phần trăm Fe(II) trong mẫu ban đầu là bao nhiêu?

4. Đối với một dung dịch chứa Fe(II) và Fe(III) thì người ta thêm vào đó axit tactric.
Dung dịch này sau đó được trung hoà bởi amoniac và thêm KCN cho đến dư. Sử dụing
điện cực platin để đo thế của dung dịch này thì thu được thế là +0.132 V so với điện cực
tiêu chuẩn calomel.

a) Giả thiết rằng toàn bộ lượng sắt trong dung dịch sau cùng đều ở dạng Fe(CN)
6
n–

. Tính hàm lượng phần trăm Fe(III) ở trong mẫu ban đầu. Chi biết thế khử chuẩn
của cặp Fe(CN)
6
3–
/Fe(CN)
6
4–
là +0.364 V. Thế khử chuẩn của điện cực calomel là
+0.241 V. Nhiệt độ của dung dịch là 25
°
C.

b) Phản ứng nào xảy ra khi thêm axit tactric và amoniac vào dung dịch trên. Viết và
cân bằng các phương trình phản ứng liên quan ở dạng ion.






Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

21
Bài 13. Xác định lưu huỳnh

Các hợp chất chứa lưu huỳnh ở số oxy hóa thấp thường xuất hiện trong nước thải của
rất nhiều ngành công nghiệp (luyện kim, giấy, hóa chất) và đều là những chất nguy
hiểm. Các hợp chất có số oxy hóa thấp của lưu huỳnh trong dung dịch là các ion S
2–
,
SO
3
2–
và S
2
O
3
2–
. Các tiểu phân này có thể được xác định bằng phương pháp chuẩn độ
oxy hóa - khử

1. Lấy 20.00 mL mẫu dung dịch chứa S
2–
, SO
3
2–
và S
2
O
3
2–
, thêm vào đó lượng dư
huyền phù ZnCO
3
trong nước. Khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thì dịch lọc thu được cho

vào bình định mức 50.00mL và định mức cho đến vạch. Lấy 20.00 mL dung dịch mới
này rồi thêm vào đó một lượng dư HCHO. Dung dịch hỗn hợp này được axit hóa bằng
axit axetic rồi chuẩn độ tốn hết 5.20 mL dung dịch chuẩn iot 0.01000M.

a) Viết phương trình ion các phản ứng đã xảy ra trong quá trình phân tích.

b) Ion nào, S
2–
, SO
3
2–
hay S
2
O
3
2–
, có thể được xác định bằng phương pháp này ?

c) Tính nồng độ của ion đó (ppm) trong dung dịch ban đầu.

2. Lấy 20.00 mL dung dịch iot 0.01000 M đem axit hóa bằng dung dịch axit axetic rồi đổ
vào đó 15.00 mL dung dịch lọc ở câu trên. Định phân hỗn hợp này tốn hết 6.43 mL dung
dịch chuẩn natri thiosunfat 0.01000 M.

a) Viết phương trình ion các phản ứng đã xảy ra trong quá trình phân tích.

b) Ion nào, S
2–
, SO
3

2–
hay S
2
O
3
2–
, có thể được xác định bằng phương pháp này
dựa vào kết qủa của thí nghiệm 1?

c) Tính nồng độ của ion này (ppm) trong dung dịch ban đầu.

3. Lấy 10.00 mL dung dịch iot 0.05000 M đem axit hóa bằng dung dịch axit axetic sau
đó thêm vào 10.00 mL dung dịch mẫu ban đầu chứa S
2–
, SO
3
2–
và S
2
O
3
2–
. Định phân
hỗn hợp này tốn hết 4.12 mL dung dịch chuẩn natri thiosunfat 0.05000 M .

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

22
a) Viết phương trình ion các phản ứng đã xảy ra trong quá trình phân tích

b) Ion nào, S
2–
, SO
3
2–
hay S
2
O
3
2–
, có thể được xác định bằng phương pháp này
dựa vào kết qủa của hai thí nghiệm trước?

c) Tính nồng độ của ion này (ppm) trong dung dịch ban đầu.



Bài 14. Xác định magie

Để xác định hàm lượng magie trong dung dịch thì đầu tiên dung dịch này cần phải được
axit hóa bằng HCl, tsau đó kiềm hóa bằng cách thêm NH
3
và cuối cùng là thêm lượng
dư dung dịch (NH
4
)
2
HPO
4
. Kết tủa MgNH

4
PO
4
được lọc bỏ, rửa bằng dung dịch
amoniac bão hòa rồi nung ở 1000
°
C đến khối lượng không đổi rồi đem cân.

Trả lời các câu hỏi dưới đây, sử dụng các giá trị cho ở cuối bài nếu cảm thấy cần thiết.

1. Viết và cân bằng các phản ứng ở dạng ion xảy ra trong quá trình phân tích.

2. Viết phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình nung.

3. Khi xác định lượng magie trong thuốc calmagin bằng ph
ương pháp trên thì từ
1.8005g calmagin ta nhận được 0.1532g mẫu đã qua nung. Xác định phần trăm hàm
lượng MgO trong kết tủa.

4. Trong quá trình kết tủa MgNH
4
PO
4
một số tạp chất khác cũng tham gia cộng kết như
MgHPO
4
, Mg(NH
4
)
4

(PO
4
)
2
, Mg
3
(PO
4
)
2
, Mg(OH)
2
, (NH
4
)
2
HPO
4
và NH
4
Cl. Một vài chất
trong số các chất này chịu sự phân huỷ nhiệt khi nung. Viết các phản ứng phân huỷ
nhiệt của các tạp chất này.

5. Chỉ ra tạp chất nào trong số các tạp chất cho ở bảng dưới đây có thể gây ra sai số
khi tiến hành xác định hàm lượng magie bằng phương pháp trên. Ghi số 0 vào bảng
nếu không gây sai số, tương ứng là dấu + nếu gây ra sai số dương và dấu - nếu gây sai
số âm.
Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

23
Tạp chất Sai số
MgHPO
4


Mg(NH
4
)
4
(PO
4
)
2

Mg
3
(PO
4
)
2


Mg(OH)
2


(NH
4
)

2
HPO
4


NH
4
Cl


6. Tìm giá trị pH cực đại để có thể tách hoàn toàn MgNH
4
PO
4
mà tránh được sự đồng
kết tủa của Mg(OH)
2
? Biết lúc đầu thể tích của dung dịch mẫu là 200 mL và lượng
magie trong mẫu là 0.10 g.

7. Để xác định tích số tan (K
sp
) của MgNH
4
PO
4
thì thêm từng giọt NaOH vào 100mL
dung dịch đầu chứa 0.010 M MgCl
2
, NH

4
Cl và NaH
2
PO
4
cho đến khi bắt đầu kết tủa.
Giá trị pH ở thời điểm ấy là 6.48. Tính K
sp
. Bỏ qua sự thay đổi thể tích diễn ra trong quá
trình thí nghiệm.

Một số giá trị tham khảo
H
3
PO
4
hằng số axit K
a1
7.1
.
10
–3

K
a2
6.2
.
10
–8

K
a3
5.0
.
10
–13

NH
3
hằng số bazơ
K
b

1.8
.
10
–5

Mg(OH)
2
tích số tan K
sp
6.0
.
10
–10
H
2
O Hằng số ion hóa
K

w

1.0
.
10
–14





Bài 15. Photphat vô cơ: từ dung dịch đến tinh thể

Các axit vô cơ chứa photpho, oxy và hầu hết các muối của những axit này đều được
hình thành từ các tứ diện oxy liên kết với nhau và tâm của tứ diện là nguyên tử photpho.
Các tứ diện này có thể riêng biệt hoặc dùng chung nguyên tử oxy để tạo cầu liên kết
P−O−P.
Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

24

1. a) Vẽ công thức cấu tạo các anion tứ diện trong các muối trung tính của các axit
sau: H
3
PO
4
, H
3
PO
3

, H
3
PO
2
.

b) Đối với dãy các axit nói trên hãy:
1) So sánh tính axit của chúng (chỉ xét các giá trị pK
a1
),
2) Góc hóa trị O−P−O.

2. Công thức của axit metaphotphoric có thể được viết ở dạng (HPO
3
)
n
. Axit này cũng
được cấu tạo từ các tứ diện photpho – oxy. Viết công thức cấu tạo của hợp chất này và
từ đó xác định số nguyên tử photpho tối thiểu cần phải có trong axit này là bao nhiêu.

3. a) Để xác định điện tích của anion P
n
O
k
(2k–5n)–
, chúng ta sẽ sử dụng một thông số
thứ hai A
i
của nguyên tố i bằng cách lấy số oxy hóa của nguyên tử này, Z
i

, chia
cho số phối trí của nó trong anion, CN
i
,:
=
i
i
i
Z
A
CN
.

Tổng của các số oxy hóa (Z
N
) của một nguyên tố N (trường hợp này là nguyên tử
photpho) và giá trị A
i
của nguyên tố làm môi trường phối trí (trong trường hợp này là
oxy) đối với nguyên tố N dẫn đến việc xác định điện tích Q(N) của nguyên tố N:
1
() =
k
i
N
i
i
Z
QN Z
CN

=
+
∑
.

Tính Q
m
(P) đối với các tứ diện PO
4
có m = 1, 2, 3 và 4 nguyên tử oxy chung cho các tứ
diện PO
4
khác.

b) Tính tương tự cho các tứ diện TO
4
khác khi các tứ diện này liên kết với nhau
theo đường thằng với T là
1) T = Si,
2) T = S.

4. Bây giờ chúng ta sẽ xét một tứ diện với giá trị
Q
m
(P) nhỏ nhất và cũng là tiểu phân
bền vững nhất đối với phản ứng thuỷ phân.
Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 – Bài tập chuẩn bị

25

a) Giá trị nào của m phù hợp với tứ diện photpho-oxy bền vững nhất không bị thuỷ
phân ?

b) Giá trị nào của m phù hợp với tứ diện TO
4
(T = Si, S) bền vững nhất không bị
thuỷ phân?

5. Các tứ diện photpho-oxy biệt lập (không có liên kết P
−
O
−
P) có thể được tìm thấy
trong các tinh thể. Các photphat hỗn tạp (V) M
a
PO
b
được biết đến do sự pha trộn giữa
hai loại tứ diện PO
4
- và MO
4
- với mỗi nguyên tử oxy đều có cùng số nguyên tử M và P
xung quanh nó.

a) Xác định giá trị Q(O) của hợp chất trên.

b) Cho biết công thức hợp thức của hợp chất này.

6. Floapatit Ca

5
(PO
4
)
3
F là một thành phần trong răng người. Nó có thể được tổng hợp
bằng cách sử dụng phương pháp khuếch tán hai lần với màng gelatin phân tách dung
dịch chứa các ion F
–
, HPO
4
2–
và Ca
2+
. Sự tổng hợp này dẫn tới sự hình thành một loại
vật liệu lai tạp giữa photphat và polymer hữu cơ để tạo thành chân răng.

a) Nêu một lý do để hai dung dịch hợp phần này ở hai phía khác nhau của màng
gelatin để từ đó cho phép sự kết tủa floapatit như là chất đích trong thí nghiệm
khuếch tán hai lần.

5 mM Ca(NO
3
)
2
1 mM NaF 3 mM Na
2
HPO
4

Dung dịch 1
Dung dịch 2

b) Viết và cân bằng phản ứng dẫn đến sự kết tủa floapatit đã được đề cập ở phần
trên.

c) Tính áp suất thẩm thấu tác dụng lên màng ở thời điểm bắt đầu tiến hành thí
nghiệm (nhiệt độ 25 °C, hoạt độ của tất cả các ion bằng 1).