(Luận văn thạc sĩ) áp dụng phương pháp bảo toàn electron trong hóa phân tích
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.16 MB, 71 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
................
NGUYỄN PHƢƠNG THẢO
ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP BẢO TOÀN
ELECTRON TRONG HỐ PHÂN TÍCH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA HOÁ HỌC
................
NGUYỄN PHƢƠNG THẢO
ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP BẢO TỒN
ELECTRON TRONG HỐ PHÂN TÍCH
CHUN NGÀNH: HỐ PHÂN TÍCH
MÃ SỐ: 60 44 29
Giáo viên hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. ĐÀO HỮU VINH
Hà nội - 2011
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU………………………………………………………………………1
CHƢƠNG 1: TỞNG QUAN…..…………..………………………………....2
1.1. Phản ứng oxi hố - khử……………………………………………………...2
1.1.1. Những khái niệm cơ bản……………………………………..…..2
1.1.2. Chiều của phản ứng oxi hóa - khử……………………….………4
1.1.3. Tốc độ của phản ứng oxi hóa – khử.............................................12
1.2. Phƣơng pháp bảo tồn electron …………………………………...…….18
1.2.1. Nguyên tắc của phƣơng pháp..........................................................18
1.2.2. Ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp..................................................18
1.2.3. Các bƣớc tiến hành..........................................................................19
1.2.4. Ví dụ................................................................................................19
1.3. Sơ lƣợc về chất siêu dẫn...............................................................................26
CHƢƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.....................32
2.1. Dùng phƣơng pháp bảo tồn electron để tính trong một số phép chuẩn độ
thƣờng dùng…………………………………………………..............………32
2.1.1. Phƣơng pháp pemanganat…………………………………...….32
2.1.2. Phƣơng pháp dicromat…………………………………….……33
2.1.3. Phƣơng pháp iot-thiosunfat………………………………..……34
2.1.4. Phƣơng pháp dùng Ce4+……………………………………..….35
2.2. Phân tích hỗn hợp nhiều chất oxi hố hoặc nhiều chất khử…..………....36
2.2.1. Phân tích hỗn hợp Mn, Cr, V trong thép nhẹ…………...………36
2.2.2. Phân tích hỗn hợp Cu2S + FeS2+ CuFeS2………………………37
2.2.3. Phân tích hỗn hợp xiclohexen và 3-allyl xiclohexen …………….38
2.3. Hiệu chỉnh kết quả chuẩn độ…………………………………...………..39
2.4. Xác định số oxi hoá khác thƣờng của một số ngun tố. Từ đó xác định
cơng thức của hợp chất siêu dẫn……………………………………….……..39
2.4.1. Xác định số oxi hóa bất thƣờng của Crom......................................39
2.4.2. Xác định số oxi hóa của Coban.......................................................40
2.4.3. Sử dụng phƣơng pháp chuẩn độ iot để phân tích hệ siêu dẫn nhiệt
độ cao Y-Ba-Cu-O...............................................................................................40
2.4.4. Sử dụng phƣơng pháp chuẩn độ điện thế để phân tích hệ siêu dẫn
nhiệt độ cao Bi-Sr-Ca-Y-Cu-O...........................................................................41
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................43
3.1. Dùng phƣơng pháp bảo tồn electron để tính trong một số phép chuẩn độ
thông thƣờng........................................................................................................43
3.1.1. Phƣơng pháp pemanganat...............................................................43
3.1.2. Phƣơng pháp dicromat....................................................................46
3.1.3. Phƣơng pháp iot-thiosunfat……………...…………..……………47
3.1.4. Phƣơng pháp dùng Ce4+..................................................................51
3.2. Phân tích hỗn hợp nhiều chất oxi hố hoặc nhiều chất khử.........................52
3.2.1. Phân tích hỗn hợp Mn, Cr, V trong thép nhẹ..................................52
3.2.2. Phân tích hỗn hợp Cu2S + FeS2+ CuFeS2.......................................53
3.2.3. Phân tích hỗn hợp xiclohexen và 3-allyl xiclohexen......................54
3.3. Hiệu chỉnh kết quả chuẩn độ trong phƣơng pháp Brommat - bromua.........55
3.4. Xác định số oxi hoá khác thƣờng của một số nguyên tố. Từ đó xác định
cơng thức của hợp chất siêu dẫn..........................................................................56
3.4.1. Xác định số oxi hóa bất thƣờng của các nguyên tố………............57
3.4.1.1. Xác định số oxi hóa bất thƣờng của Crom….......………..57
3.4.1.2. Xác định số oxi hóa của Coban………………...………...58
3.4.2. Xác định công thức của các hợp chất siêu dẫn……………….…...59
3.4.2.1. Sử dụng phƣơng pháp chuẩn độ iot để phân tích hệ siêu dẫn
nhiệt độ cao Y-Ba-Cu-O…………………………………………...……….......59
3.4.2.2. Sử dụng phƣơng pháp chuẩn độ điện thế để phân tích hệ
siêu dẫn nhiệt độ cao Bi-Sr-Ca-Y-Cu-O……………………………...……….62
KẾT LUẬN…………………………………………………...………………..64
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………….……..………………65
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG
Stt
Tên hình
Trang
1
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể perovskite loại ABO3
29
2
Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể hợp chất siêu dẫn loại
La-Sr-Cu-O
29
3
Hình 1.3: Cấu trúc của YBa2Cu3O7
30
Stt
Tên bảng
Trang
1
Bảng 3.1: Các chất phân tích có thể dùng phƣơng pháp
pemanganat để xác định
45
2
Bảng 3.2: Các chất phân tích có thể dùng phƣơng pháp iotthiosunfat để xác định
49
MỞ ĐẦU
Trong thực tiễn cuộc sống, phản ứng oxi hoá - khử có lẽ là loại phản ứng
quan trọng nhất. Bao gồm: sự tạo thành các hợp chất từ đơn chất và ngƣợc lại,
tất cả các phản ứng cháy, phản ứng tạo ra dòng điện trong pin, phản ứng xảy ra
trong các cơ thể động thực vật...Phản ứng oxi hóa - khử rất đa dạng và phong
phú đƣợc chia thành phản ứng giữa các nguyên tử, phân tử, ion; phản ứng nội
phân tử; phản ứng dị lị; phản ứng cảm ứng.
Trong hóa học phân tích, phản ứng oxi hố - khử đóng vai trị rất lớn: các
phƣơng pháp phân tích nhƣ điện phân, chuẩn độ điện lƣợng, điện thế, điện di,
cực phổ, các sensor điện hóa…vấn đề biến hóa năng thành điện năng ( pin,
acquy ) hoặc ngƣợc lại biến điện năng thành hóa năng ( điện phân ). Phƣơng
pháp chuẩn độ oxi hóa - khử đƣợc áp dụng rất rộng rãi trong nghiên cứu khoa
học cũng nhƣ thực tế sản xuất. Trong giảng dạy ở bậc phổ thông trung học cũng
nhƣ đại học, phản ứng oxi hóa - khử đặc biệt đƣợc chú trọng vì nó giúp học
sinh, sinh viên hiểu đƣợc bản chất nhiều q trình hóa học và thực tiễn.
Một trong những vấn đề lý thuyết hay của phản ứng oxi hóa - khử là
phƣơng pháp bảo tồn electron. Mặc dù, một bài tốn hóa học đều có thể giải
bằng nhiều cách nhƣng với các bài tốn liên quan tới phản ứng oxi hóa - khử thì
phƣơng pháp bảo toàn electron tỏ ra rất hiệu quả cho kết quả nhanh, chính xác
và đi sâu đƣợc bản chất của phản ứng. Đặc biệt phƣơng pháp bảo toàn electron
giải quyết đƣợc những trƣờng hợp phức tạp có nhiều chất oxi hóa và chất khử
cùng tham gia phản ứng. Vì thế phƣơng pháp bảo toàn electron đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong hóa học.
Nhằm mục đích làm rõ ƣu việt của phƣơng pháp bảo toàn electron và áp
dụng phƣơng pháp này vào hóa phân tích, chúng tơi chọn đề tài “ Áp dụng
phương pháp bảo tồn electron trong hóa phân tích”. Cụ thể là phân tích hỗn
hợp các chất phức tạp, hiệu chỉnh một vài q trình phân tích và tìm các số oxi
hóa khác thƣờng trong các hợp chất, đặc biệt các hợp chất siêu dẫn.
CHƢƠNG 1 : TỞNG QUAN
1.1. PHẢN ỨNG OXI HĨA - KHỬ :
1.1.1. Những khái niệm cơ bản[1, 14]:
1.1.1.1. Số oxi hóa:
Số oxi hóa của một nguyên tố trong phân tử là điện tích của ngun tử
ngun tố đó trong phân tử nếu giả định rằng mọi cặp electron dùng chung đều
lệch về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn( hay coi liên kết giữa các nguyên tử
trong phân tử là liên kết ion).
Số oxi hóa là đại lƣợng qui ƣớc. Trong phân tử, thƣờng tính số oxi hóa
n
trung bình của nguyên tố. Cách viết: n hay X
1.1.1.2. Phản ứng oxi hóa - khử:
Khái niệm về phản ứng oxi hóa - khử: Có nhiều định nghĩa về phản ứng oxi
hóa - khử:
+ Định nghĩa 1: Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng xảy ra có kèm theo sự cho
nhận electron.
+ Định nghĩa 2: Phản ứng oxi hóa –khử là phản ứng trong đó có sự chuyển dịch
điện tích.
+ Định nghĩa 3: Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng trong đó có sự thay đổi số
oxi hóa của các nguyên tố trong phản ứng.
Các khái niệm liên quan:
+ Chất oxi hóa: Là chất có khả năng nhận electron. Số oxi hóa của nó giảm. Cịn
gọi là chất bị khử.
+ Chất khử: Là chất có khả năng cho electron. Số oxi hóa của nó tăng. Cịn gọi
là chất bị oxi hóa.
+ Chất oxi hóa đa bậc: Là chất có thể bị khử theo nhiều nấc. Cịn chất khử đa
bậc là chất có thể bị oxi hóa theo nhiều nấc.
2+
Ví dụ: - Vanadi VI (dạng VO2 ) là chất oxi hóa đa bậc vì có thể bị khử lần lƣợt
2+
3+
2+
xuống hóa trị IV( VO ), hóa trị III (V ) và hóa trị II ( V )
2+
+
VO2
2+
VO
3+
V
- Fe
3+
2+
+ 2e + 2H
+ e + 2H
VO
+
3+
V
+ H2O
+ H2O
2+
+e
V
o
EVO
1V
2
/ VO 2
(1)
o
EVO
0,337V
2
/V
(2)
EVo 3 / V 2 0,225 V
(3)
2
2+
là chất oxi hóa đa bậc vì có thể khử xuống sắt hóa trị II ( Fe ) và sắt kim
o
loại ( Fe ).
Fe3+ + e
Fe2+
Eo = 0,771 V
(4)
Feo
Eo = - 0,44 V
(5)
Fe2+ + 2e
2+
Ngƣợc lại, V
hoặc Fe là chất khử đa bậc.
- Những chất nhƣ V
3+
2+
hoặc Fe
là chất lƣỡng tính oxi hóa - khử. Nó vừa có thể
là chất khử vừa có thể là chất oxi hóa.
+ Sự oxi hóa, q trình oxi hóa: Là sự cho electron của chất khử.
+ Sự khử, quá trình khử: Là sự nhận electron của chất oxi hóa.
+ Cặp oxi hóa - khử liên hợp: Gồm dạng oxi hóa và dạng khử chứa cùng một
nguyên tố, có thể biến đổi qua lại lẫn nhau: Ox + ne
Kh
1.1.1.3. Cân bằng phản ứng oxi hóa - khử:
Có nhiều phƣơng pháp để cân bằng phản ứng oxi hóa - khử. Tùy mỗi
trƣờng hợp ta lựa chọn cách nào phù hợp. Tất cả các phƣơng pháp cân bằng
phản ứng đều dựa trên sự bảo tồn điện tích và sự bảo toàn khối lƣợng.
- Bảo toàn khối lƣợng: Trong một phản ứng hóa học thơng thƣờng, với một
ngun tố, tổng số nguyên tử trƣớc và sau phản ứng bằng nhau.
- Bảo tồn điện tích: Tổng số electron mà các chất khử cho bằng tổng số
electron mà các chất oxi hóa nhận.
Phương pháp đại số: Dựa trên bảo tồn khối lƣợng.
Phương pháp thăng bằng electron: Dựa trên cả hai sự bảo toàn.
Phương pháp nửa phản ứng( hay phƣơng pháp ion – electron ):
+ Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng phổ biến với các phản ứng trong dung dịch.
Sử dụng nửa phản ứng thấy đƣợc bản chất cho nhận electron của phản ứng oxi
hóa - khử, cân bằng đƣợc ngay cả khi chƣa biết hết sản phẩm, rất tiện lợi khi
tính thế điện cực.
+ Gồm 5 bƣớc sau:
- Bƣớc 1: Viết sơ đồ phản ứng có đủ chất oxi hóa và chất khử.
- Bƣớc 2: Xác định điện tích của các chất và ion. Viết bán phản ứng oxi hóa và
bán phản ứng khử. Lƣu ý: Các chất điện li mạnh thì viết dƣới dạng ion. Các chất
điện li yếu, không điện li, chất rắn, chất khí viết dƣới dạng phân tử.
- Bƣớc 3: Cân bằng điện tích và cân bằng khối lƣợng cho mỗi bán phản ứng.
Cân bằng điện tích: Chọn vế và thêm electron để điện tích 2 vế của bán phản
ứng bằng nhau.
Cân bằng khối lƣợng: Tùy theo môi trƣờng và số nguyên tử oxi ở 2 vế mà ta
+
-
+
-
cần thêm vào vế trái H , OH hoặc H2O, còn vế phải tạo ra H2O, H hoặc OH
- Bƣớc 4: Cân bằng số electron cho và số electron nhận. Cộng 2 bán phản ứng
để triệt tiêu số electron ta đƣợc phƣơng trình ion thu gọn.
- Bƣớc 5: Thêm vào 2 vế những lƣợng ion bằng nhau các ion trái dấu để bù trừ
điện tích ta đƣợc phƣơng trình dạng phân tử.
1.1.2. Chiều của phản ứng oxi hóa - khử[ 2, 5, 9, 10, 12, 15, 17, 18]:
1.1.2.1. Cơ sở để xét chiều của phản ứng oxi hóa - khử:
Năng lượng tự do Gibbs ( G):
+ Giữa các nguyên tử, phân tử có hai xu hƣớng trái ngƣợc nhau:
- Một mặt, các nguyên tử, phân tử tiến lại gần nhau tƣơng tác với nhau tạo thành
các tổ hợp bền hơn, tức là làm giảm entanpi ( H ) của hệ để bền hơn.
- Mặt khác, do chuyển động nhiệt các nguyên tử, phân tử lại tách ra xa nhau
làm tăng độ vô trật tự của hệ, tăng entropi ( S).
+ Nhà vật lí ngƣời Mĩ J.W.Gibbs ( 1839-1903) đã đƣa ra một hàm trạng thái mới
mang tên năng lƣợng tự do Gibbs ( kí hiệu G) thể hiện đƣợc ảnh hƣởng của cả
hai xu hƣớng trên: G = H – T.S.
+ Với các quá trình biến đổi ở nhiệt độ và áp suất không đổi ( bao gồm cả các
phản ứng hóa học, sự nóng chảy, sự sơi ) ta có: G = H – T. S
(6)
+ Một quá trình hóa học sẽ tự diễn biến khi G < 0. Ngƣợc lại, G > 0 q trình
khơng tự diễn biến. Cịn G = 0 q trình đạt trạng thái cân bằng.
Sức điện động của pin tạo thành giữa 2 cặp oxi hóa - khử:
+ Với một phản ứng oxi hóa - khử dạng:
Ox1 + Kh2
Ox2 + Kh1
(7)
- Phản ứng trên gồm 2 bán phản ứng:
Ox1 + pe
Kh2
-->
Kh1
qe+
Ox2
pOx1 + pKh2
Có E pin E1 E2 E1o E2o
E1 E1o
0,059 [Ox1 ]
lg
p
[ Kh1 ]
(8)
E 2 E 2o
0,059 [Ox2 ]
lg
q
[ Kh2 ]
(9)
qKh1 + pOx2
(10)
0,059 [ Kh1 ]q .[Ox2 ] p
0,059
lg
E p0
lg Q
q
p
p.q
[Ox1 ] .[ Kh2 ]
n
(11)
Với Q là tỉ số của phản ứng Q
[ Kh1 ]q .[Ox2 ] p
và n là số electron trao đổi trong
[Ox1 ]q .[ Kh2 ] p
phản ứng oxi hóa - khử trên.
+ Giữa năng lƣợng tự do Gibbs và sức điện động của pin có mối quan hệ với
nhau: G = -nFEp. Trong đó: n là số electron trao đổi. F là hằng số Faraday F =
96500.
- Khi G < 0 - nFEp < 0 mà n > 0, F > 0 nên Ep > 0 phản ứng tự diễn biến.
- Khi G = 0 - nFEp = 0 nên Ep = 0 phản ứng đạt cân bằng.
- Khi G < 0 - nFEp < 0 nên Ep > 0 phản ứng không tự diễn biến.
+ Nhƣ vậy: Dùng sức điện động của pin tạo thành giữa 2 cặp oxi hóa - khử tham
gia phản ứng oxi hóa - khử, ta cũng xét đƣợc chiều của phản ứng oxi hóa - khử.
- Nếu Ep > 0: Phản ứng tự diễn biến.
- Ngƣợc lại Ep < 0: Phản ứng có khả năng diễn biến theo chiều ngƣợc lại.
- Nếu Ep = 0: Phản ứng đạt trạng thái cân bằng.
Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa - khử:
+ Theo tính tốn ở trên ta có:
E pin E1 E2 E p0
- Trong đó: Tỉ lệ
0,059 [ Kh1 ]q .[Ox2 ] p
RT [ Kh1 ]q .[Ox2 ] p
0
hay
lg
E
E
ln
pin
p
nF [Ox1 ]q .[ Kh2 ] p
p.q
[Ox1 ]q .[ Kh2 ] p
[ Kh1 ]q .[Ox2 ] p
chính là hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa [Ox1 ]q .[ Kh2 ] p
khử trên. Nên:
E pin E p0
RT
ln K
nF
- Tại thời điểm cân bằng: E pin E p0
(12)
RT
ln K 0 ---> nFE po RT ln K
nF
(13)
+ Dựa vào hằng số cân bằng ta có thể biết đƣợc phản ứng diễn ra theo chiều
nào? Hay nói cách khác, khi trộn hai chất Ox1 với Kh2 có xảy ra phản ứng
khơng? Vì giữa năng lƣợng tự do Gibbs tiêu chuẩn, sức điện động tiêu chuẩn
của pin và hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa - khử có liên hệ với nhau
bằng biểu thức: G o nFE po RT ln K
nE0p
RT
0,059
--> E po ln K
lg K hay K 10 0, 059
nF
n
(14)
+ Với một phản ứng oxi hóa - khử có khả năng tự diễn biến khi G < 0, Ep > 0 -> K >1 và ngƣợc lại. Cụ thể:
4
- Khi 10 < K thì phản ứng xảy ra thực tế theo chiều thuận hoàn toàn.
-3
3
- Khi 10 < K < 10 phản ứng xảy ra theo hai chiều thuận và nghịch.
-3
- Khi K < 10 phản ứng không xảy ra hoặc xảy ra theo chiều nghịch.
Như vậy: Sử dụng năng lƣợng tự do Gibbs (G ), sức điện động của pin ( Ep)
hoặc hằng số cân bằng K đều có thể đánh giá đƣợc chiều của các phản ứng oxi
hóa - khử. Nhƣng đó chỉ là khả năng xảy ra phản ứng chƣa thể kết luận đƣợc
phản ứng có xảy ra hay không? nhanh hay chậm?
- Nếu G < 0, Ep > 0 hay K >1: Phản ứng tự xảy ra theo chiều thuận.
- Nếu G = 0, Ep = 0 --> K =1: Phản ứng đạt trạng thái cân bằng.
- Nếu G < 0, Ep < 0 --> K <1: Phản ứng có khả năng xảy ra theo chiều
nghịch.
Ví dụ 1: Xét xem trong 2 phản ứng sau. Phản ứng nào xảy ra ở điều kiện tiêu
chuẩn?
Cu + 2HCl
CuCl2 + H2
2Cu + O2 + 4HCl
(15)
2CuCl2 + 2H2O
(16)
Ta thấy phản ứng (15) bao gồm 2 q trình:
+
2H + 2e
Cu
+
--> Cu + 2H
Có E pin E Ho
/ H2
Cu
Cu
2+
E Ho / H
H2
2+
2
o
ECu
2
/ Cu
+ 2e
+ H2 hay Cu + 2HCl
CuCl2 + H2
o
ECu
0,00 0,34 0,34V
2
/ Cu
- Do Epin < 0 nên phản ứng (15) không tự diễn biến. Đồng kim loại không tan
đƣợc trong dung dịch axit clohidric ở điều kiện chuẩn.
+ Xét phản ứng (16): Bao gồm 2 quá trình:
+
O2 + 4H + 4e
Cu
Cu
2+
2H2O
+
2Cu + O2 + 4H
hay
2Cu + O2 + 4HCl
Có
2
2
o
ECu
2
/ Cu
+ 2e
-->
EO0 H / H O 1,23V
2+
2Cu
+ 2H2O
2CuCl2 + 2H2O
o
E pin EO0 H / H O ECu
1,23 0,34 0,89 V
2
/ Cu
2
2
- Do Ep > 0 nên phản ứng (16) tự diễn biến. Đồng tan đƣợc trong dung dịch axit
clohidric có hịa tan oxi ở điều kiện chuẩn.
Ví dụ 2: Cho phản ứng: Fe
o
Có E Ag
(a)
/ Ag
2+
+
+ Ag
Fe
3+
+ Ag
(17)
o
0,771V . Chúng ta cần xét các vấn đề sau:
0,8V và E Fe
3
/ Fe 2
Chiều của phản ứng ở điều kiện chuẩn.
o
(b)
Hằng số cân bằng của phản ứng ở 25 C.
(c)
Chiều của phản ứng nếu trong dung dịch: [Fe ]=0,1M; [Fe ] =0,01M,
3+
2+
+
[Ag ]=0,01M khi cho bột kim loại Ag vào dung dịch trên.
Muốn vậy chúng ta xét phản ứng (1) gồm 2 bán phản ứng:
+
Ag + e
Fe
2+
+e
o
E Ag
0,8V
/ Ag
Ag
Fe
3+
0
o
E Ag
(a) Phản ứng (17) có E pin
o
E Fe
0,771V
3
/ Fe 2
/ Ag
o
EFe
0,8 0,771 0,029V 0
3
/ Fe 2
Vậy: Ở điều kiện chuẩn phản ứng (17) diễn ra theo chiều thuận.
o
(b) Kcb ở 25 C:
nE0p
Từ biểu thức liện hệ
G nFE RT ln K --> K 10
o
o
p
0, 059
10
1.0, 029
0, 059
3,1
Giá trị K > 1 cũng thấy phản ứng (17) xảy ra theo chiều thuận ở điều kiện chuẩn.
3+
2+
(c) Khi cho Ag kim loại vào dung dịch chứa [Fe ]= 0,1M; [Fe ]= 0,01M,
+
[Ag ]= 0,01M thì:
Thay số:
Ep E po
Ep 0,029
0,059 [ Fe 2 ].[ Ag ]
lg
1
[ Fe 3 ]
0,059 0,01.0,01
lg
0,148V .
1
0,1
Do Ep < 0, chứng tỏ ở điều kiện này phản ứng diễn ra theo chiều nghịch.
1.1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chiều của phản ứng oxi hóa - khử:
Dùng hiệu số thế điện cực của 2 cặp oxi hóa - khử trong phản ứng ta xét
đƣợc chiều của phản ứng oxi hóa - khử đó. Vì thế những yếu tố ảnh hƣởng đến
thế điện cực thì cũng ảnh hƣởng đến chiều của phản ứng oxi hóa - khử.
Ảnh hưởng của nồng độ: Theo phƣơng trình Nernst thế điện cực đƣợc tính:
E Eo
RT [Ox]
o
ln
với E là hằng số. Khi thay đổi nồng độ chất oxi hóa hoặc
nF
[ Kh]
chất khử thì thế điện cực thay đổi. Dẫn đến Ep thay đổi và có thể làm thay đổi
chiều của phản ứng.
+
Ví dụ 1: Xét chiều của phản ứng: Zn(r) + 2H
- Ở điều kiện chuẩn: E po E Ho
/ H2
Zn
2+
(aq) +
H2(k)
(18)
0
EZn
0,00 ( 0,762) 0,762V 0 --> Phản
2
/ Zn
ứng (18) diễn ra theo chiều thuận.
2+
+
- Ở điều kiện: [Zn ] = 1M, PH 1atm còn [H ] giảm đến 10
-7
2
( Mơi trƣờng
trung tính ) thì:
Ep E po
0,059
[ H ]2
0,059 [10 7 ]2
lg
0
,
763
lg
0,35V 0
2
2
1.1
[ Zn 2 ]. PH 2
Phản ứng (18) vẫn diễn ra theo chiều thuận.
Ví dụ 2: (a) Tính thế chuẩn của pin gồm điện cực Sn
Ta có: EPb0
-->
2
/ Pb
2+
2+
/Sn và Pb /Pb
0
0,126V ESn
0.136V nên:
2
/ Sn
0
0
E po EPb
ESn
0,126 0.136 0,01 V 0
2
2
/ Pb
/ Sn
Vì E po 0 nên ở điều kiện chuẩn phản ứng oxi hóa - khử diễn ra nhƣ sau:
2+
Sn + Pb
Pb+Sn
2+
(19)
2+
(b) Nếu vẫn giữ nguyên [Sn ] = 1M, và giảm nồng độ của Pb
2+
đi 10 lần thì
điều gì sẽ xảy ra?
Lúc này: Ep E po
0,059 [ Pb 2 ]2
0,059 0,1
lg
0,01
lg
0,195V 0
2
2
2
1
[ Sn ]
Do Ep < 0 phản ứng trong pin diễn ra theo chiều:
Pb+Sn
2+
Sn + Pb
2+
+ Nhận xét: Đối với những phản ứng có sức điện động khơng lớn thì khi thay
đổi nồng độ dung dịch chất oxi hóa hay chất khử có thể làm thay đổi chiều của
phản ứng.
Ảnh hưởng của pH:
+ Nhƣ ta đã biết pH có thể ảnh hƣởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến thế điện cực.
Khi pH thay đổi thế điện cực của nhiều cặp oxi hóa - khử thay đổi, do đó chiều
của phản ứng cũng có thể bị thay đổi.
+ Ví dụ: Xét chiều của phản ứng sau ở điều kiện chuẩn và khi tăng nồng độ của
HCl lên 2M, các điều kiện khác không đổi.
+
Cr2O72-(aq) + 14H
-
(aq)
3+
+ 6Cl (aq)
3Cl2(k) + 2Cr
(aq)
+ 7H2O
(20)
+
- Ở điều kiện chuẩn: [H ] = 1M hay pH = 0:
0
E po ECr
E o Cl2 / Cl 1,33 1,36 0,03V 0 --> Phản ứng trên diễn ra
O 2 H / Cr 3
2 7
theo chiều nghịch.
+
- Tăng [H ] lên 2M ( tức pH = 0,3) thì:
Ep E po
0,059 [Cr2 O72 ].[ H ]14 .[Cl ]6
0,059 1.214.16
lg
0
,
03
lg 2
0,01V 0
6
6
[Cr 3 ]2 .PCl2
1 .1
--> Trong điều kiện này phản ứng diễn ra theo chiều thuận.
Ta thấy: khi pH thay đổi chƣa nhiều( từ pH=0 lên pH = 0,3), phản ứng oxi hóa
- khử này đã đổi chiều.
Ảnh hưởng của sự tạo thành hợp chất ít tan: Khi tạo hợp chất ít tan ảnh
hƣởng đáng kể đến nồng độ của các ion trong dung dịch. Vì thế mà thế của từng
cặp oxi hóa - khử ( từng bán phản ứng) thay đổi và có thể làm thay đổi chiều của
phản ứng.
Ví dụ: Phản ứng có xảy ra khơng khi cho kim loại Ag vào dung dịch H2S?
+
- Xét phản ứng:
có: E po E o 2 H
Ag + H
/ H2
+
Ag +
1
H2 (k)
2
(21)
0
E Ag
0,00 0,80 0,8V 0 nên bình thƣờng ta sẽ kết
/ Ag
luận Ag không tan trong dung dịch H2S 1M.
+
- Do Ag tạo kết tủa Ag2S nên E Ag
+
2-
2Ag + S
/ Ag
sẽ thay đổi:
Ag2S
(22)
Với TAg S 10 49, 2 . Giả sử [H2S] = 1M thì:
2
+
- Nồng độ H là nghiệm của phƣơng trình:
x3 + K1x2 + K1(K2-Co)x - 2K1K2Co = 0 và
S
2
K1.K 2
2 K1.K 2
K1
H
( x là [H+], Co là nồng độ ban đầu của H2S; Co = 1M)
- Thay số: K1 = 10
= 10
-12,9
-7,02
; K2= 10
-12,9
+
-4
, Co = 1M thì: [H ] = 3,09.10 (M) và [S2-]
( Cách tính gần đúng bằng cách bỏ qua nấc phân li thứ 2 cũng cho kết
quả tƣơng tự). Khi đó:
TAg 2 S
Ag .S 10
2
2
--> Ep E po 0,059 lg
49, 2
--> Ag
H
[ Ag ]. PH 2
TAg 2 S
S
2
10 49, 2
10 36,3 10 18,15
12, 9
10
0,8 0,059 lg
3,09.10 4
0,064V 0
10 18,15.1
--> Phản ứng xảy ra theo chiều thuận.
+ Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp này Ag kim loại tan đƣợc trong dung dịch H 2S là
nhờ sự tạo thành hợp chất ít tan Ag2S.
Ảnh hưởng của sự tạo thành phức chất: Nhƣ ta đã biết sự tạo thành phức
chất làm thay đổi thế điện cực. Theo phƣơng trình Nernst:
E Eo
RT [Ox]
ln
nF
[ Kh]
E Eo
hay
0,059 [Ox]
lg
n
[ Kh]
- Nếu phối tử tạo phức chất với dạng oxi hóa thì nồng độ dạng oxi hóa giảm
xuống làm thế điện cực giảm và ngƣợc lại.
- Nếu phối tử tạo phức với cả hai dạng oxi hóa và khử thì tùy hằng số bền của
từng phức chất mà thế điện cực tăng hay giảm, nhiều hay ít.
- Vì thế điện cực thay đổi nên có thể thay đổi chiều của phản ứng.
Ví dụ 1: Xét phản ứng: 2Fe
3+
-
(aq)
+ 2I (aq)
2Fe
2+
(aq)
+ I2(aq)
(23)
Ở điều kiện tiêu chuẩn phản ứng diễn ra theo chiều thuận vì:
0
E po E Fe
E I0 / 2 I 0,77 0,536 0,234V 0
3
/ Fe 2
2
Khi thêm vào dung dịch một lƣợng dƣ NaF để nồng độ của F- khi cân bằng là
-
[F ] = 1M thì:
Fe
3+
+ 6F
-
[Fe(F6)]
3-
16
6 = 10
(24)
( Bỏ qua các phức với số phối trí nhỏ hơn (từ 1 đến 5) vì F- dƣ, và 6 lớn hơn rất
nhiều so với các hằng số bền i khác, tức [Fe(F6)] 3- bền hơn các phức với số
phối trí nhỏ hơn)
Từ phƣơng trình (24) ta có:
[ Fe 3 ].[ F ]6
10 16 mà [F ]=1M nên:
3
[ FeF6 ]
3-
3+
[ FeF6 ]3 1016.[ Fe 3 ] . Nồng độ của phức [FeF6] rất lớn so với [Fe ] nên ta có
3-
3+
3+
-16
thể coi: [FeF6] = [Fe ]ban đầu = 1M thì [Fe ] = 10 . Khi đó:
10 16
E ' Fe 3 / Fe 2 0,77 0,059 lg
0,174 V 0
1
0
0'
E p E Fe
E I0 / 2 I 0,174 0,536 0,71 V 0
3
/ Fe 2
2
--> Phản ứng diễn ra theo chiều nghịch.
Ví dụ 2:
- Ở điều kiện chuẩn Ag kim loại không tan đƣợc trong các dung dịch axit
thông thƣờng do: E po E H0
/ H2
0
E Ag
0,00 0,8 0,8V 0
/ Ag
- Khi cho Ag kim loại vào dung dịch HCN thì:
2Ag + 4HCN
2H[Ag(CN)2] + H2
(25)
+
Với hằng số bền của [Ag(CN)2] là 2 = 7.1019
- Tính tốn tƣơng tự ta đƣợc: E 0 ' Ag
/ Ag
0,8 0,059 lg( 7.1019 ) 0,371 V 0
E p E H / H E Ag / Ag 0,00 (0,371) 0,371 V 0
2
--> Điều đó chứng tỏ Ag tan đƣợc trong dung dịch axit HCN.
Qua 2 ví dụ trên ta thấy, sự tạo thành phức chất có thể thay đổi đƣợc chiều của
nhiều phản ứng oxi hóa.
1.1.3. Tốc độ của phản ứng oxi hóa – khử [ 5 ]:
Hiệu thế chuẩn của hai cặp oxi hóa - khử liên hợp chỉ cho ta biết khả năng
xảy ra phản ứng, còn phản ứng xảy ra nhanh đến mức nào còn tùy thuộc vào tốc
độ của nó.
Tốc độ của phản ứng oxi hóa - khử phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ nhiệt
độ, nồng độ các chất tham gia phản ứng, chất xúc tác, sự cảm ứng……
1.4.3.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ:
o
Khi nhiệt độ tăng 10 C thì tốc độ phản ứng tăng 2-3 lần. Ta thấy, khi tăng
nhiệt độ theo cấp số cộng thì tốc độ tăng theo cấp số nhân.
Có nhiều trƣờng hợp, phản ứng khơng xảy ra ở nhiệt độ thƣờng nhƣng lại
xảy ra nhanh khi đun nóng. Ví dụ nhƣ phản ứng:
5H2C2O4 + 2KMnO4 + 3 H2SO4
2MnSO4 + K2SO4 + 10CO2 + 8H2O (26)
Nên khi chuẩn độ axit oxalic bằng phƣơng pháp pemanganat phải tiến hành ở
o
o
70 C đến 80 C.
Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ có thể làm bay hơi dung mơi, hoặc có thể cả
chất phản ứng ( ví dụ I2), hoặc các chất đó bị oxi hóa bởi oxi khơng khí nhanh
hơn nên có nhiều trƣờng hợp không áp dụng đƣợc.
1.1.3.2. Ảnh hƣởng của nồng độ các chất và pH của môi trƣờng:
Khi tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng thì tốc độ phản ứng tăng lên.
Ví dụ: Với phản ứng:
-
2I + H2O2 + 2H+
I2 + H2O
(27)
- 2
+ 2
Theo định luật tác dụng khối lƣợng: v = K.[I ] .[H2O2].[H ] . Nếu nồng
5
độ ba chất tham gia phản ứng bằng nhau và bằng C thì v = KC . Tuy nhiên, thực
nghiệm đã chứng tỏ, tốc độ phản ứng tỉ lệ với bình phƣơng của nồng độ. Nghĩa
2
là v = K.C do bậc của phản ứng không bằng tổng các hệ số của các chất tham
gia phản ứng.
Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào vận tốc các giai đoạn trung gian. Mà các
giai đoạn trung gian của phản ứng oxi hóa - khử rất phức tạp, ta chƣa biết hết
một cách chính xác.
1.1.3.3. Ảnh hƣởng của chất xúc tác:
Chất xúc tác là những chất làm thay đổi tốc độ phản ứng nhƣng khơng bị
tiêu hao. Nó tham gia vào phản ứng ở những giai đoạn trung gian và lại đƣợc tái
sinh ở giai đoạn cuối.
2-
Ví dụ 1: Mặc dù thế chuẩn của cặp S2O8 /2SO4
-
chuẩn của cặp MnO4 /Mn
2+
2-
bằng + 2,0V lớn hơn thế
khá nhiều, song nếu dung dịch chỉ có các ion S2O8
2-
, và Mn
2+
thì phản ứng giữa chúng rất chậm, thực tế là không xảy ra. Nếu thêm
2-
vào dung dịch chứa S2O8 và Mn
2+
+
một lƣợng muối bạc nitrat, thì các ion Ag
sẽ xúc tác làm phản ứng xảy ra nhanh. Phản ứng đó xảy ra theo các giai đoạn
sau:
2-
+
S2O8 + 2H
H2S2O8
(28)
2H2S2O8 + 2H2O
4H2SO4 + 2O
(29)
+
(30)
+
2Ag + O + H2O
5Ag2O2 + 2Mn
2+
Ag2O2 + 2H
+
-
+ 4H
+
2MnO4 + 10Ag + 2H2O
(31)
Ví dụ 2:
2-
-
- Phản ứng oxi hóa oxalat ( C2O4 ) bằng pemanganat (MnO4 ) trong môi trƣờng
axit thƣờng đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình:
-
2-
+
2MnO4 + 5C2O4 + 16H
2Mn
2+
+ 10CO2 + 8H2O (32)
Nhƣng thực ra phƣơng trình đó chỉ là phƣơng trình tổng cộng nhiều phản ứng
mà không mô tả đƣợc cơ chế của phản ứng đó.
-
2-
+
- Nếu trong dung dịch ban đầu chỉ chứa các ion MnO 4 , C2O4 và H thì phản
ứng xảy ra rất chậm. Nếu thêm vào đó một lƣợng nhỏ muối mangan(II) sunfat
thì phản ứng xảy ra nhanh. Vì ion Mn
2+
đã xúc tác làm tăng tốc độ của phản ứng
này.
-
2-
2+
- Phản ứng giữa MnO4 và C2O4 có Mn
làm chất xúc tác xảy ra theo các giai
đoạn sau:
-
2 MnO4 + 3Mn
2+
+
+ 16H
5Mn
4+
+ 8H2O
(33)
( phản ứng xảy ra nhanh)
Mn
4+
+ Mn
2+
2Mn
3+
(34)
( phản ứng xảy ra nhanh, thuận nghịch)
Tiếp theo, các ion Mn
3+
4+
2-
và Mn
phản ứng với ion C2O4 theo các giai đoạn
3+
sau:
Mn
4+
2-
+ C2O4
Mn
+ CO2 + CO2
-
(35)
Mn
4+
+ CO2
-
Mn
3+
+ CO2
(36)
( phản ứng xảy ra nhanh)
Mn
3+
2-
-
+ 2C2O4
Mn(C2O4)2
(37)
( phản ứng tạo phức nhanh và thuận nghịch)
Mn
3+
+ C2O4
2-
Mn
3+
+ CO2
-
Mn
2+
+ CO2 + CO2
Mn
Nếu dung dịch ban đầu có ion Mn
2+
2+
-
(38)
+ CO2
thì ion Mn
3+
(39)
4+
ứng (33) sẽ bị khử nhanh xuống Mn , sau đó Mn
đƣợc tạo thành trong phản
3+
2-
sẽ tạo phức với C2O4 ,
phức này bị phân hủy chậm.
Trong thực tế, các chất xúc tác thƣờng đƣợc chọn bằng thực nghiệm theo
qui tắc sau: thế chuẩn của chất xúc tác phải ở khoảng giữa thế chuẩn của chất
oxi hóa và chất khử. Qui tắc này giúp ta hạn chế đƣợc số chất cần phải thử bằng
thực nghiệm. Nhƣng để chọn đƣợc chất xúc tác thích hợp nhất ta cần phải làm
nhiều thí nghiệm, thử với nhiều xúc tác có thể.
1.1.3.4. Ảnh hƣởng của phản ứng cảm ứng:
Phản ứng cảm ứng là phản ứng một mình xảy ra rất chậm nhƣng tốc độ
của nó đƣợc tăng lên khi đồng thời có một phản ứng nhanh khác xảy ra. Nguyên
nhân, cơ chế của hiện tƣợng này chƣa đƣợc giải thích một cách thống nhất. Tuy
vậy, ngƣời ta thƣờng cho rằng trong quá trình phản ứng có tạo nên những chất
trung gian có tính oxi hóa - khử mạnh hơn chất ban đầu.
2-
2+
Ví dụ 1: Cromat CrO4 oxi hóa mangan II( Mn ) rất chậm, nhƣng nếu có đồng
2-
thời H3AsO3 thì phản ứng giữa CrO4 và Mn
2+
xảy ra nhanh, vì phản ứng oxi
-
-
2+
hóa H2AsO3 bẳng CrO4 làm tăng tốc độ của phản ứng giữa CrO4 và Mn .
Hiện tƣợng đó có thể đƣợc giải thích nhƣ sau:
2-
2-
- Đầu tiên xảy ra phản ứng: CrO4 + H3AsO3
H3AsO4 + CrO3
( phản ứng xảy ra nhanh)
2-
- Tiếp theo CrO3 đƣợc tạo thành sẽ oxi hóa Mn
2+
3+
thành Mn :
(40)
2-
CrO3 + Mn
2+
+
+ 6H
Mn
3+
3+
+ Cr
+ 3H2O
(41)
( phản ứng xảy ra nhanh)
Ví dụ 2:
- Một trƣờng hợp hay gặp trong thực tế là khi định phân Fe
2+
bằng pemanganat
trong môi trƣờng axit HCl thì lƣợng pemanganat dùng thƣờng lớn hơn lƣợng
2+
tƣơng đƣơng với Fe .
- Ngun nhân, khi chỉ có một mình axit HCl lỗng thì axit khơng bị
pemanganat oxi hóa, nhƣng nếu trong dung dịch đồng thời có cả Fe
2+
thì HCl bị
oxi hóa bởi pemanganat dƣới dạng phản ứng cảm ứng. Đầu tiên Fe
5+
pemanganat oxi hóa thành Fe , rồi Fe
5+
oxi hóa Fe
2+
2+
bị
3+
thành Fe , đồng thời oxi
-
hóa Cl thành Cl2:
2Fe
Fe
2+
5+
5+
+ Fe
+ 2Cl
2+
Clo sinh ra lại oxi hóa Fe :
3Fe
-
Fe
2Fe
2+
3+
3+
(42)
+ Cl2
+ Cl2
(43)
2Fe
3+
Nếu tất cả lƣợng Cl2 ở trong dung dịch thì lƣợng Fe
+ 2Cl
3+
-
(44)
sinh ra sẽ tƣơng đƣơng
-
với lƣợng pemanganat đã tác dụng với lƣợng Cl để tạo nên Cl2 và nhƣ vậy
khơng gây nên sai số. Nhƣng vì có một lƣợng khí clo nào đó thốt ra khỏi dung
dịch nên đã phải dùng dƣ pemanganat.
2+
- Mặt khác, nếu thêm vào dung dịch một lƣợng nhỏ muối mangan II (Mn ) thì
sẽ khơng gây sai số vì Mn
Fe
Mn
Mn
3+
3+
5+
+ 2Mn
2+
dễ bị Fe
2+
Fe
2+
5+
oxi hóa hơn:
3+
+ 2Mn
2+
+ Mn
sinh ra sẽ oxi hóa Fe : Fe
3+
3+
(45)
Fe
3+
+ Mn
2+
khơng bị mất đi nhƣ khí Cl2 nên khơng bị mắc sai số. Nhƣng khi định
phân hidro peoxit H2O2 bằng pemanganat hoặc định phân Fe
4+
(46)
2+
bằng xeri IV(
Ce ) thì có thể dùng HCl để axit hóa dung dịch mà khơng gây sai số. Do đó,
chƣa có một qui luật chắc chắn để dự đốn phản ứng cảm ứng nào có thể xảy ra.
Thƣờng có thể dự đoán các phản ứng cảm ứng bằng hai qui tắc thực nghiệm sau:
- Nếu trong dung dịch có hai chất khử Akh và Bkh có thế oxi hóa khác nhau
nhiều thì thƣờng Bkh bị oxi hóa một phần do hiện tƣợng cảm ứng. Nhƣng nếu
phản ứng: Box + Akh
Bkh + Aox xảy ra nhanh thì sự cảm ứng khơng gây nên
sai số, vì Bkh sẽ đƣợc tái sinh hoàn toàn. Nếu phản ứng trên xảy ra chậm hoặc
một phần Box bị thốt ra khỏi dung dịch thì sẽ mắc sai số.
- Nếu một chất bị oxi hóa hoặc bị khử chậm bởi một thuốc thử thì tốc độ của
phản ứng sẽ tăng khi đồng thời xảy ra phản ứng giữa thuốc thử và một chất
khác.
3-
Ví dụ: PO3
trong mơi trƣờng axit không làm mất màu dung dịch kali
pemanganat, nhƣng nếu có Fe
2+
3-
-
trong dung dịch thì PO3 sẽ khử MnO4 .
- Oxi có trong khơng khí có khả năng tham gia vào một số phản ứng cảm ứng và
đây là một nguyên nhân gây ra sai số khi tiến hành phân tích các chất bằng phản
ứng oxi hóa - khử.
Ví dụ: + Khi chuẩn độ Sn
2+
bằng dung dịch chuẩn kali pemanganat ( KMnO4)
2+
bị oxi hóa một phần bởi oxi khơng khí do phản
hoặc K2Cr2O7 thì lƣợng Sn
ứng cảm ứng.
-
2-
+ Ion HSO3 bị oxi hóa ít và chậm bởi oxi khơng khí thành SO4 , nhƣng trong
-
-
q trình trung hịa HSO3 bằng kiềm NaOH thì HSO3 bị oxi khơng khí oxi hóa
2-
rất nhanh thành SO4 .
1.2. PHƢƠNG PHÁP BẢO TOÀN ELECTRON
1.2.1. Nguyên tắc của phƣơng pháp[ 3, 14 ]:
Trong hỗn hợp có nhiều chất khử, nhiều chất oxi hóa thì: tổng số electron
mà các chất khử cho phải bằng tổng số electron mà các chất oxi hóa nhận. Khi
tính tốn chúng ta thƣờng dùng: tổng số mol electron mà các chất khử cho bằng
tổng số mol electron mà các chất oxi hóa nhận.
Nguyên nhân: Trong các phản ứng hóa học thơng thƣờng, khơng làm thay
đổi hạt nhân các nguyên tử( thay đổi số proton, nơtron ) mà chỉ thay đổi lớp vỏ
của nguyên tử, ion đó là lớp electron. Các phản ứng oxi hóa - khử xảy ra chỉ
chuyển electron từ nguyên tử, ion này sang nguyên tử, ion khác nhƣng tổng số
electron của các nguyên tử, ion tham gia phản ứng không đổi nên số electron
cho phải bằng số electron nhận.
1.2.2. Ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp [ 14 ]:
Hầu hết các bài toán hóa học đều có thể giải bằng nhiều cách khác nhau.
Thế nên, phƣơng pháp bảo tồn electron khơng phải là cách duy nhất để giải
đƣợc bài tốn. Hay nói cách khác, bất cứ bài toán nào giải đƣợc bằng phƣơng
pháp bảo tồn electron đều có thể giải đƣợc bằng các phƣơng pháp khác.
Tuy nhiên, phƣơng pháp bảo tồn electron có nhiều ƣu điểm và cho phép ta
giải nhanh nhiều bài toán trong trƣờng hợp phức tạp. Về nguyên tắc, tất cả các
bài tốn liên quan tới phản ứng oxi hóa - khử đều có thể áp dụng phƣơng pháp
bảo tồn electron. Tuy nhiên, phƣơng pháp này tỏ ra hiệu quả nhất trong trƣờng
hợp: có nhiều chất oxi hóa và chất khử cùng tham gia phản ứng, hay phản ứng
qua nhiều giai đoạn, hay bài toán cần phải biện luận nhiều trƣờng hợp.
Ưu điểm:
- Học sinh thấy đƣợc bản chất của các q trình oxi hóa - khử.
- Khơng cần viết phƣơng trình phản ứng, chỉ cần xác định đúng trạng thái đầu
và trạng thái cuối mà nhiều khi không cần quan tâm đến các trạng thái trung
gian. Chỉ cần viết và cân bằng các bán phản ứng trên khi xác định đƣợc trạng
thái đầu và trạng thái cuối.
- Cách giải ngắn gọn, mất ít thời gian.
Nhược điểm:
Với học sinh kém, việc tìm ra trạng thái oxi hóa đầu và cuối mà khơng cần
viết phƣơng trình phản ứng là khó khăn nên khó áp dụng phƣơng pháp này.
1.2.3. Các bƣớc tiến hành [14]:
+ Xác định trạng thái đầu và trạng thái cuối của các quá trình oxi hóa và khử.
Viết và cân bằng các nửa phản ứng.
+ Dựa vào các nửa phản ứng, dữ liệu đề bài cho phép tính đƣợc số mol electron
cho và nhận.
+ So sánh số mol electron cho và nhận để xác định chất hết, chất dƣ và tính
tốn theo u cầu đề bài.
1.2.4. Ví dụ[ 3, 14 ]:
Ví dụ 1: Hịa tan hoàn toàn 49,6g hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 bằng
dung dịch H2SO4 đặc, nóng thu đƣợc 8,96lit khí SO2( sản phẩm khử duy nhất,
đktc) và dung dịch Y. Tính phần trăm khối lƣợng oxi trong X và khối lƣợng
muối trong Y. Các phản ứng xảy ra hoàn toàn.
Lời giải:
Cách 1: Phƣơng pháp cổ điển( đại số):
+ Các phản ứng hóa học xảy ra:
Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
(1)
2FeO + 4H2SO4
Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O
(2)
2Fe3O4 + 10H2SO4
3Fe2(SO4)3 + SO2 + 10H2O
(3)
Fe2O3 + 3H2SO4
Fe2(SO4)3 + 3H2O
(4)
2Fe +
6H2SO4
+ Gọi x, y, z, t là số mol tƣơng ứng của Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 thì:
- Khối lƣợng hỗn hợp X là: 56x + 72y + 232z + 160t = 49,6
hay 56(x+ y+ 3z +2t) + 16(y+4z+3t)=49,6
- Số mol khí SO2 thốt ra ở phản ứng (1, 2, 3) là:
(I)
3
1
1
x y z 0,4
2
2
2
hay 3(x+y+3z+2t) - 2(y+4z+3t)= 0,8
(II)
+ Từ (I, II) ta suy ra: x+y+3z+2t = 0,7 và y + 4z + 3t= 0,65
+ Do vậy, phần trăm khối lƣợng oxi trong X là:
% khoiluong oxi
mO
16 0,65
100%
100% 21%
mX
49,6
+ Khối lƣợng muối trong dung dịch Y theo ( 1, 2, 3, 4) là:
nFe2 ( SO4 )3
1
1
3
0,7
x y z t
0,35 --> mFe2 ( SO4 )3 0,35 (56 2 96 3) 140 g
2
2
2
2
Cách 2: Phƣơng pháp bảo toàn electron
+ Gọi tổng số mol nguyên tử của sắt và oxi trong X lần lƣợt là a, b:
- Theo bảo toàn khối lƣợng: mX = mFe + mO= 56a + 16b = 49,6
(III)
- Theo bảo toàn electron:
Fe Fe
+6
S
+3
+ 3e
-2
O + 2e O
+4
+ 2e S
ne cho = ne nhận --> 3a = 2b + 20,4
(IV)
+ Giải hệ (III, IV) ta có a = 0,7; b = 0,65 và tính đƣợc kết quả nhƣ trên.
Ví dụ 2:
Cho 18,5g hỗn hợp Z gồm Fe, Fe3O4 tác dụng với 200ml dung dịch HNO3
lỗng, đun nóng và khuấy đều. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn tồn thu đƣợc
2,24lit khí NO duy nhất ( đktc), dung dịch Z1 và cịn lại 1,46g kim loại.
a) Tính nồng độ mol/l của dung dịch HNO3.
b) Tính khối lƣợng muối trong dung dịch Z1.
Lời giải:
Cách 1: Phƣơng pháp cổ điển( đại số):
