CHUYÊN ĐỀ HỌC TẬP GIẢN ĐỒ LATIMER

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (935.32 KB, 33 trang )

Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU...4

1.1. Lý do chọn đề tài...4

1.2. Mục đích chọn đề tài...4

1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA CHUYÊN ĐỀ...4

1.4 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN CHUYÊN ĐỀ...5

1.4.1 Thời gian thực hiện đề tài 5 1.4.2 Phân công nhiệm vụ thực hiện chuyên đề 5 PHẦN 2 NỘI DUNG...6

2. Giản đồ Latimer...6

2.1. Khái niệm 6 2.2. Ý nghĩa của giản đồ latimer 6 2.2.1. Dự đốn trạng thái oxi hóa bền của nguyên tố...6

2.2.2. Tính thế khử chuẩn của các cặp oxi hóa – khử khơng gần nhau...8

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1.1. Lý do chọn đề tài.

Trong q trình tìm hiểu mơn hóa học lớp 10, bên cạnh các nội dung cốt lõi mà các em được học. Quyển chuyên đề học tập về giản đồ Latimer sẽ cung cấp thêm cho các bạn những hiểu biết về hóa học hay cụ thể hơn là về giản đồ Latimer một cách sâu sắc hơn, mở rộng hơn với nhiều ứng dụng với dạng bài tập giản đồ Latimer này trong việc giải thích các hiện tượng hóa học. Khái niệm, ý nghĩa và những dạng bài tập về giản đồ Latimer là những gì chúng em muốn thể hiện cũng như chia sẽ cho các bạn và thầy cô cùng tham khảo.

Toàn bộ những điều trên được thể hiện một cách hấp dẫn và gần gũi, lí thú về khoa học tự nhiên. Từ đó các bạn sẽ được tiến thêm một bước trên con đường khám phá thế giới bí ẩn và đẹp đẽ của hóa học, đặc biệt là được “làm giàu” hơn về vốn kiến thức cần phải có trong trang hành trình đi đến đỉnh của ngọn đồi tri thức. Chỉ cần chịu khó suy nghĩ, trao đổi với thầy cô và bạn bè, nhất định các bạn sẽ ngày càng tiến bộ và cảm thấy vui sướng khi nhận ra được ý nghĩa của học.

1.2. Mục đích chọn đề tài.

Đề tài được thực hiện với các mục tiêu sau:

Sưu tầm được ít nhất 18 bài tập với nội dung chỉn chu, kiến thức chính xác, chuyên sâu bài tập được sưu tầm và thiết kế theo các nội dung sau:

-Câu hỏi giải thích ( quy luật, sự khác biệt ) liên quan đến giản đồ Latimer. Ý nghĩa của giản đồ Latimer.

-Dự đoán được được trạng thái oxi hóa bền của nguyên tố.

-Biết được tính thế khử chuẩn của các cặp oxi hóa – khử khơng gần nhau. -Nhóm thực hiện, hiểu được về nội dung thực hiện và báo cáo.

-Hoàn thành đúng tiến độ mà giáo viên hướng dẫn đã đặt ra.

Song song đó chúng em muốn được tìm hiểu sâu hơn về giản đồ latimer, cũng như tìm hiểu và giải được những bài tập mới lạ, làm thêm phần phong phú cho nguồn liệu học tập cho các bạn học sinh chuyên hóa hiện nay và các khóa sau này.

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của chuyên đề.

Đối tượng nghiên cứu của chúng em là về ý nghĩa và các phương pháp giải bài tập của giản đồ latimer, đồng thời cịn tìm hiểu sâu hơn về chun đề nay mà không dừng lại những vấn đề cơ bản.

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

GIẢN ĐỒ LATIMER 1.4 Kế hoạch thực hiện chuyên đề.

1.4.1 Thời gian thực hiện đề tài

28/9/2022 soạn thảo chuyên đề.Lên kế hoạch, phân chia nhiệm vụ cho việc lên ý tưởng cho việc 30/10/2022 Kết thúc việc lên ý tưởng và bất đầu biên soạn chun đề học tập.

5/11/2022 Hồn thành những cơng đoạn cuối cùng và hồn tất chun đề.

1.4.2 Phân cơng nhiệm vụ thực hiện chuyên đề

Lê Đức Thịnh

Lên kế hoạch thực hiện và biên soạn lý thuyết cơ sở (hoàn thành)

Sưu tầm và soạn bài tập cho chuyên đề

Soạn kết luận và kiến nghị (11/10-5/11, khơng nộp) (khơng hồn thành)

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

PHẦN 2 NỘI DUNG

2. Giản đồ Latimer

2.1. Khái niệm

Là một trong những dữ kiện thế tổng kết về độ bền nhiệt động tương đối của một dãy các hợp chất của cùng nguyên tố ở các trạng thái oxi hóa khác nhau, thể hiện sự khử – thế khử đơn giản nhất được đưa ra bởi Wendell Latimer – một trong những người dẫn đầu việc áp dụng nhiệt động trong Hóa Vơ cơ.

Giản đồ sử dụng kí hiệu: Trong đó:

±m và ±n là các số oxi hóa của nguyên tố trung tâm. E° là thế khử chuẩn của nửa phản ứng đó (đơn vị: V)

Ví dụ;

Latimer diagram for a series ò manganese species in acid solution

2.2. Ý nghĩa của giản đồ latimer

2.2.1. Dự đoán trạng thái oxi hóa bền của nguyên tố

Điều quan trọng nhất có thể rút ra từ giản đồ Latimer là nhận biết được trạng thái oxi hóa nào của nguyên tố là bền và khơng bền trong q trình tự oxi hóa của chúng, đồng thời biết được hướng chuyển hóa giữa chúng.

Ta xét hai nửa phản ứng cạnh nhau trong giản đồ Latimer:

- Nếu < thì nửa phản ứng của cặp B/C tự diễn biến theo chiều thuận và nửa còn lại A/B theo chiều nghịch → B là tiểu phân kém bền, nó có khả năng tự oxi hóa –

khử thành A (số oxi hóa cao hơn) và C (số oxi hóa thấp hơn). Người ta gọi đó là sự dị

phân (disproportion).

-Nếu > thì nửa phản ứng của cặp B/C tự diễn biến theo chiều nghịch và nửa

còn lại A/B theo chiều thuận → B là tiểu phân bền, tiểu phân A (số oxi hóa cao hơn) sẽ

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

GIẢN ĐỒ LATIMER

phản ứng với tiểu phân C (số oxi hóa thấp hơn) để tạo ra B (số oxi hóa trung gian).Người ta gọi đó là sự hợp phân (comproportion).

Chú ý: Thế khử chuẩn ghi trên mũi tên là tương ứng với nửa phản ứng có chiều từ trái

sang phải (chiều thuận). Khi viết theo chiều nghịch phải chú ý đổi dấu của thế khử chuẩn.

Ví dụ về sự dị phân:

Từ giản đồ Latimer của Cu:

Chúng ta có thể thấy bức tranh định lượng hơn về vị trí cân bằng của phản ứng trên dựa vào giá trị hằng số cân bằng:

Như vậy, xét về mặt nhiệt động học, phản ứng trên có thể xảy ra. Tuy nhiên 0,36V không phải là thế quá lớn để cho phản ứng xảy ra với tốc độ thấy được ở điều kiện tiêu chuẩn.

Thường thì các tiểu phân khơng bền về mặt nhiệt động (bị dị phân) là những sản phẩm trung gian của các phản ứng oxi hóa – khử và là nguyên nhân của những phản ứng chậm. H2O2 là một tiểu phân như vậy. Phần lớn các phản ứng oxi hóa bởi oxi phân tử xảy ra với sự tạo thành sản phẩm trung gian loại hiđropeoxit. Do vậy, mặc dù thế khử của cặp là 1,23 V nhưng thế khử “hữu hiệu động học” chỉ khoảng 0,68 V. Hệ quả là các chất khử ở nửa phản ứng với thế khử trong khoảng phản ứng chậm với oxi.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Chẳng hạn, anion bromua với bằng 1,05 V bị oxi hóa rất chậm bởi oxi. Cịn iodua với bằng 0,54 V bị oxi hóa nhanh hơn.

Ví dụ về sự hợp phân:

Từ giản đồ Latimer của sắt, ta thấy > , nghĩa là Fe2+ bền với sự dị phân, còn Fe3+ và Fe chịu sự hợp phân, tức là chúng sẽ tương tác với nhau để cho ra Fe2+. Kết quả này được khẳng định bằng cách tính tổng của hai nửa phản ứng sau:

2Fe3+ + 2e → 2Fe2+ E° = +0,77 (V) Fe → Fe2+ + 2e E° = +0,44 (V) 2Fe3+ + Fe → 3Fe2+ E° = +1,21 (V)

Vì thế khá dương nên sự hợp phân xảy ra dễ dàng trong dung dịch nước.

2.2.2. Tính thế khử chuẩn của các cặp oxi hóa – khử khơng gần nhau

Một ứng dụng khác của giản đồ Latimer là từ giản đồ có thể tính thế khử chuẩn của các cặp oxi hóa – khử khơng gần nhau. Việc tính dựa vào mối liên hệ giữa và của quá trình và thực tế là chung của n quá trình kế tiếp nhau bằng tổng của n q trình. Chẳng hạn, có thể tính của cặp A/D từ giản đồ Latimer như sau:

→ ∆G = ∆G + ∆G + ∆G = −(n1 + n2 + n3). F.E

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Ví dụ: Tính thế E° của quá trình khử HClO2 đến Cl− trong dung dịch axit. Cho giản đổ Latimer như sau:

Hướng Dẫn Giải

3. MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP Bài 1:

Cho giản đồ thế chuẩn của Mn trong môi trường acid (pH=0)

Hãy tính thế chuẩn của cặp MnO4-/Mn2+?

1.1 Cho biết phản ứng sau có tự xảy ra được khơng? Tại sao? 3MnO4 + 4H+ 2MnO4 + MnO2 + 2H2O

1.2 Manganese có thể phản ứng được với nước để giải phóng hydrogen không ?

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Ta có: ∆ pư = (+) - (-) = 2,265 - 06 = 1,705V > 0. Vậy phản ứng tự xảy ra được

1.3 Theo đầu bài H2O + e = ½H2 + OH

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

GIẢN ĐỒ LATIMER

2x TcO42- TcO4- + 1e Eo = -0,7V TcO42- + 4H+ + 2e TcO2 + 2H2O Eo = +0,8V 3TcO42- + 4H+ 2TcO42- + TcO2 + 2H2O Eo = +0,1V

> 0 => ∆G < 0 nên phản ứng tự diễn biến => ở điều kiện chuẩn ion TcO42- tự phân hủy :

Lập luận tương tự thì ReO42- không tự phân hủy ở điều kiện chuẩn. Kết luận: ion ReO42- bền hơn TcO42 ở điều kiện chuẩn

Bài 3 :

Cho giản đồ Latimer đối với dãy các tiểu phân chứa chromium trong môi trường acid (pH = 0) và base (pH = 14) được cho ở dưới

1. Tìm ba giá trị cịn thiếu

2. Có phải Cr(V) và Cr(IV) bền đối với phản ứng dị li không? Dựa vào giản đồ Latimer hãy chỉ ra xu hướng của chúng. Tính hằng số cân bằng đối với phản ứng dị phân của ion Cr2+ ?

HƯỚNG DẪN GIẢI

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

1. Chúng ta sẽ sử dụng công thức = Từ biểu thức ta nhận được

E0 = 1,35V đối với quá trình Cr(V) Cr(VI) E0 = 1,33V đối với quá trình Cr2O72- Cr3+

E0 = -0,90V đối với quá trình Cr2+ Cr

2. Để cho một q trình tự phân li có thể xảy ra thì Eox < Ekh, với Eox là thế khử của q trình oxi hóa và Ekh là thế khử của quá trình khử. Một tiểu phân sẽ bị dị phân nếu như có sự chênh lệch lớn về thế khử trên giản đồ Latimer giữa bên phải so với bên trái. Điều này dẫn đến kết quả là Cr(V) và Cr(VI) không bền đối với phản ứng dị phân

Đối với phản ứng 3Cr2+ 2Cr3+ + Cr thì hằng số cân bằng có thể được tính từ các

Cho giản đồ Latimer thế khử chuẩn của Mn trong mơi trường acid là:

Tính thế khử chuẩn của các cặp MnO42-/MnO2 và MnO2/Mn3+

HƯỚNG DẪN GIẢI

MnO42-/MnO2 -∆ = 1F ; = 0,56V MnO42- MnO4- + e ∆ = -3F ; = 1,70V

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

1.Cho giản đồ thế khử của I và Mn trong mơi trường acid như sau:

Viết phương trình phản ứng khi cho dung dịch KI tác dụng với dung dịch KmnO4 (môi trường acid) trong các trường hợp sau:

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

a) Sau phản ứng còn dư ion iođua (có giải thích)

b) Sau phản ứng cịn dư ion pemanganat ( có giải thích)

HƯỚNG DẪN GIẢI

Dựa vào giản đồ thế khử của I ta suy ra HIO khơng bền vì HIO sẽ bị dị phân thành I và

Dựa vào thế khử của Mn ta suy ra ion MnO4- và Mn3+ khơng bền vì chúng có thế khử bên phải lớn hơn bên trái nên chúng sẽ dị phân thành 2 tiểu phân bên cạnh tương tự HIO Với quá trình Mn2+ Mn ta cũng khơng xét vì Mn kim loại khơng thể tồn tại trong dung dịch khi có mặt ion H+ do thế khử Mn2+/Mn quá âm

Viết lại thế khử của I và Mn như sau:

a) Sau phản ứng có dư

hoặc khơng thể cùng tồn tại với vì : = 1,7 > = 0,54

Và = 1,2 > = 0,54

 hoặc đều có thể oxi hóa thành

Khi dư thì MnO4- và MnO2 cũng khơng thể tồn tại vì:

Vì Eo và đều lớn hơn nên MnO4 và MnO2 đều có thể oxi hóa thành . Như vậy MnO4- bị khử hoàn toàn thành Mn2+

 Phản ứng ion khi I- dư

2MnO4- + 15 + 16H+ 5 + 2Mn2++ 8H2O b) Sau phản ứng dư MnO4

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

-GIẢN ĐỒ LATIMER

Mn2+ không thể nào tồn tại khi MnO4- dư vì > nên MnO4- sẽ oxi hóa Mn2+ thành MnO2

và cũng khơng tồn tại vì > và nên MnO4- sẽ oxi hóa

Cathode (+): 2V(OH)+ + 6H++ 4e 2VO2+ + 4H2O Anode (-): SO2 + 2H2O 2VO2+ + H+ +2e

Ta có: Eo (1) = -

=> = 0,83 + 0,16 = 0,99V Xét (2):

Cathode (+): 2V(OH)4 + 8H+ + 6e 2V2+ + 4H2O

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Tên nguyên tố được đặt là crom do sự đa sắc trong các hợp chất của các ion crom. Sơ đồ sau đây thể hiện một giản đồ Lantimer chưa hoàn chỉnh của crom và màu sắc một số các hợp chất của nó. Các giá trị thế điện cực được lấy ở pH = 0

a) Tính giá trị của x và y.

b) Liệu Cr (IV) có thể dị ly thành Cr (III) và Cr (VI)? Khẳng định câu trả lời bằng tính tốn cụ thể.

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

GIẢN ĐỒ LATIMER

((Trích bài 12– chuyên đề 32: Pin điện – Sự điện phân - 50 chuyên đề Olympiad Hóa học tập 4: Hóa phân tích & Điện hóa học - Tạp chí Olympiad Hóa học)

Giản đồ Lantimer là một cách đơn giản và thuận tiện để ghi lại các tính chất oxi hóa-khử của một nguyên tố thể hiện nhiều số oxi hóa khác nhau. Từ trái sang phải, các hợp chất của nguyên tố được sắp xếp theo chiều giảm số oxi hóa. Nếu một số oxi hóa của một nguyên tố tồn tại ở nhiều dạng tiểu phân (phân tử, ion) thì chọn tiểu phân có nồng độ chiếm ưu thế (ví dụ Cr2O42-ở pH>7, Cr2O72- ở pH<7). Phía trên mũi tên là các giá trị Eoxi hóa/khử (khơng nhất thiết phải là E0

oxi hóa/khử. Với tất cả các hợp chất, đa phần thì a=1 và pH=0 hoặc 14). Hình vẽ dưới đây biểu diễn giản đồ Lantimer của các hợp chất phosphorus ở pH=14 và pH=0.

b) Tính (P trắng) biết rằng Ka(H3PO2) = 7.9*10-2

(Trích bài 14 – chuyên đề 32: Pin điện – Sự điện phân - 50 chuyên đề Olympiad Hóa học tập 4: Hóa phân tích & Điện hóa học - Tạp chí Olympiad Hóa học)

HƯỚNG DẪN GIẢI

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

b) Chứng minh bằng tính tốn rằng S bền, khơng bị tự oxid hóa – khử

c) Viết phương trình tự oxid hóa – khử của S(II) với các tiểu phân được cho trong giản đồ Lantimer

d) Tính hằng số cân bằng của phản ứng tự oxid hóa – khử ở 25 ℃

Hydrogen peroxide có thể đóng vai trị chất oxid hóa lẫn chất khử. Cho các giá trị thế

e) Trong phản ứng với Na2S2O8 ở điều kiện chuẩn, hydrogen peroxide đóng vai trị là chất khử hay oxid hóa?

f) Viết phương trình phản ứng oxid hóa – khử và tính ΔE0

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

(Trích bài 16 – chuyên đề 32: Pin điện – Sự điện phân - 50 chuyên đề Olympiad Hóa học tập 4: Hóa phân tích & Điện hóa học - Tạp chí Olympiad Hóa học)

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

GIẢN ĐỒ LATIMER

a) tính

b) dựa vào giản đồ latimer ở pH=0, dạng nào của lưu huỳnh bị dị ly trong môi trường axit.

c) Ta thấy dạng bị dị ly trong môi trường axit nhưng lại không bị dị ly trong môi trường bazo. Như vậy khi tăng từ 0 đến 14 sẽ có 1 giá trị pH mà tại đó chuyển từ bị dị ly thành khơng bị dị ly. Tính giá trị pH đó.

HƯỚNG DẪN GIẢI

b) trên nguyên tắc khi số oxi hóa giảm thì giảm, nếu đột ngột tăng lên thì dạng đó bị dị ly. Vậy ở pH=0 thì và bị dị ly trong môi trường axit

c) muốn cho hợp chất hay ion không bị dị ly nghĩa là phía bên trái bằng phía bên phải:

Bài 11:

Các kim loại X, Y, Z có bán kính nguyên tử gần như xấp xỉ 0,144 nm cũng như cùng sự sắp xếp mạng tinh thể. Khối lượng riêng của các kim loại X, Y, Z lần lượt bằng 2,7; 10,5; 19,3gam/cm3. Trạng thái oxi hóa điển hình của X, Y, Z lần lượt là I, II, III.

1. Sử dụng dữ kiện từ giản đồ Latimer, hãy chứng minh bằng tính tốn rằng trạng thái oxi hóa bền nhất của Y và Z trong dung dịch lần lượt bằng I và III

2. Tính khối lượng mol các kim loại và xác định X, Y, Z.

(Trích bài 68: Điện hóa học – tự học hóa 5- 100 bài tập Điện Hóa & Phân tích - Tạp chí Olympiad Hóa học)

HƯỚNG DẪN GIẢI:

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

2. với giản đồ Latimer, nếu thế bên phải của tiểu phân cao hơn thế bên trái, nó sẽ bị dị phân (tự oxi hóa-khử). Do đó, và bền, trong khi đó và tương đối kém bền, bị dị phân.

. Ag3+ là chất oxi hóa mạn hơn Ag+. Nó có thể oxid hóa nước thành oxygen < > là chất oxid hóa mạnh hơn . Cả hai đều có thể oxid hóa oxygen trừ khi chúng tạo liên kết phức chất như

Bài 12:

Đồng xu vàng thật

Một đồng xu làm từ vàng thật không tan cả trong dung dịch HCl đặc lẫn HNO3 đặc. Một giản đồ Latime chưa hoàn chỉnh của Au ở pH = 0 được đưa ra dưới đây, tất cả các thế điện cực đều có đơn vị là V.

a. Tính giá trị của x.

b. Đồng xu vàng khơng bị hồ tan (chính xác hơn là không phản ứng) với HNO3 đặc, thay vào đó là nước cường toang (hỗn hợp dung dịch HCl đặc và HNO3 đặc theo tỉ lệ 3 : 1, được các nhà giả kim thuật đặc biệt phát minh để hồ tan Au. Viết phương trình phản ứng khi hồ tan đồng xu trong nước cường toang. Tính hằng số bền tạo phức của [AuCl4]– biết thế điện cực của [AuCl4]–/Au là + 1,002 V.

1. a. x = 3.1,517 − 1,832 = 1,36 V

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

Cho giản đồ Latimer của americium (Am) như sau (pH = 0, T = 298.15 K)

1) Cho biết sản phẩm tạo thành khi hịa tan Am kim loại vào HCl. Tính tốn chứng minh.2) Trong mơi trường acid, khi có mặt ozone thì Am3+sẽ chuyển thành oxocation dạng AmO2x+. Hãy tính tỉ lệ cực đại ứng với mỗi oxocation. Biết rằng =

Như vậy năng lượng tự do trong trường hợp tạo ra là thấp nhất, tức phản ứng của Am kim loại phải tạo ra cation này: 2Am + 6HCl => 2AmCl3 + 3H2

2) khi sự tạo thành từ Am3+ và O3 đạt cân bằng thì . Lúc này tỉ lệ áp suất giữa và sẽ là cực đại. Như vậy

Ta có:

Như vậy

</div>