Tài liệu BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ docx

BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ
BÀI TẬP VỀ NHÀ MÔN HÓA VÔ CƠ
(Homework for Inorganic Chemistry)
Professor: Dr. Nguyễn Hoa Du – Vinh University
Master student: Trần Anh Sơn – 17th Course.
Bài số 1:
ĐỀ RA:
Câu 1:
a) Xác định năng lượng và các hàm sóng AO gần đúng của các electron 1s, 2s, 2p của C theo
phương pháp Slater.
b) Bằng phương pháp gần đúng Slater hãy tính năng lượng ion hóa I
1
và I
2
của nguyên tử Al
Câu 2: Xác định các số hạng có thể và số hạng cơ bản của cấu hình:
a) Của nguyên tử C
b) Của ion V
3+
BÀI LÀM:
Câu 1:
a) Cấu hình của nguyên tử C: 1s
2
2s
2
2p
2
.
Điện tích hạt nhân hiệu dụng: Z
*
1s

= 6 – 0,3 = 5,7
Z*
2s,2p
= 6 – (2.0,85 + 3.0,35) = 3,25
Năng lượng của các electron:
E
1s
= –13,6.
2
2
1
7,5
= – 441,864 (eV)
E
2s
≈ E
2p
= –13,6.
2
2
2
25,3
= – 35,9125 (eV)
Xác định hàm sóng AO:
),()(,.
,,
.
ϕθ
l
mllnl

YR
rmln
=Ψ
Trong đó:
. ,
l
n l m
Ψ
: hàm sóng của electron nào đó
,
( )
n l
r
R
: hàm bán kính.
,
( , )
l m
l
Y
θ φ
: hàm góc.
Vậy:
5,7.
1 1
1
. .
2
o
r

a
s
c e
π
−
Ψ =
3,25.
2
2 2
1
. . .
2
o
r
a
s
c r e
π
−
Ψ =
3,25.
2
2 3
3
. . . sin cos
2
o
x
r
a

p
c r e
θ ϕ
π
−
Ψ =
3,25.
2
2 3
3
. . . sin sin
2
o
z
r
a
p
c r e
θ ϕ
π
−
Ψ =
Với c
1
, c
2
, c
3
: hằng số chuẩn hóa.
b) Tính I

1
, I
2
của Al
Al → Al
+
+ 1e , I
1
=
Al
E
+
– E
Al
Al
+
→ Al
2+
+ 1e , I
2
=
2
Al
E
+
–
Al
E
+
Cấu hình của Al: 1s

2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
1
.
Tính E
Al
:
Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn 3
BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ
Z*
1s
= 13 – 0,3 = 12,7 ⇒ E
1s
= –13,6 .
2
2
12,7
1
= –2193,544 (eV)
Z*
2s2p
= 13 – (2.0,85 + 7.0,35) = 8,85 ⇒ E
2s2p
= –13,6 .

2
2
8,85
2
= –266,2965 (eV)
Z*
3s3p
= 13 – (2.1 + 8.0,85 + 2.0,35) = 3,5 ⇒ E3s3p = –13,6 .
2
2
3,5
3
= –18,511 (eV)
⇒E
Al
= E
1s
+ E
2s2p
+ E
3s3p
= –2193,544 –266,2965 –18,511 = – 6572,993 (eV)
Tính
+
Al
E
:
Z*
1s
= 13 – 0,3 = 12,7 ⇒ E

1s
= –13,6 .
2
2
12,7
1
= –2193,544 (eV)
Z*
2s2p
= 13 – (2.0,85 + 7.0,35) = 8,85 ⇒ E
2s2p
= –13,6 .
2
2
8,85
2
= –266,2965 (eV)
Z*
3s3p
= 13 – (2.1 + 8.0,85 + 0,35) = 3,85 ⇒ E
3s3p
= –13,6 .
2
2
3,85
3
= –22,398 (eV)
⇒
Al
E

+
= E
1s
+ E
2s2p
+ E
3s3p
= –2193,544 –266,2965 –22,398 = – 6562,398 (eV)
Tính
2
Al
E
+
:
Z*
1s
= 13 – 0,3 = 12,7 ⇒ E
1s
= –13,6 .
2
2
12,7
1
= –2193,544 (eV)
Z*
2s2p
= 13 – (2.0,85 + 7.0,35) = 8,85 ⇒ E
2s2p
= –13,6 .
2

2
8,85
2
= –266,2965 (eV)
Z*
3s3p
= 13 – (2.1 + 8.0,85) = 4,2 ⇒ E
3s3p
= –13,6 .
2
2
4,2
3
= –26,656 (eV)
⇒
2
Al
E
+
= E
1s
+ E
2s2p
+ E
3s3p
= –2193,544 –266,2965 –26,656 = – 6544,116 (eV)
Vậy:
I
1
=

Al
E
+
– E
Al
= – 6562,398 – (– 6572,993) = 10,737 (eV)
I
2
=
2
Al
E
+
–
Al
E
+
= – 6544,116 – (–6562,398) = 18,14 (eV)
Nhận xét: Năng lượng ion hóa I
2
lớn hơn rất nhiều so với I
1
do việc tách electron thứ hai ra khỏi
nguyên tử khó khăn hơn.
Câu 2:
a) Cấu hình nguyên tử C: 1s
2
2s
2
2p

2
.
Khi xác định số hạng ta chỉ cần xét phân lớp p
2
.
Ứng với phân lớp p
2
có
( ) ( )
! 6!
15
! ! 2! 6 2 !
t
N
e t e
= = =
− −
vi trạng thái khả dĩ.
M
S
M
L
+1 0 –1
+2 (1
–
1
+
)
+1 (0
+

1
+
) (0
–
1
+
) (0
+
1
–
) (0
–
1
–
)
0 (–1
+
1
+
) (–1
–
1
+
) (0
–
0
+
) (1
+
–1

–
) (–1
–
1
–
)
–1 (0
+
–1
+
) (0
–
–1
+
) (0
+
–1
–
) (0
–
–1
–
)
–2 (–1
+
–1
–
)
Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn 4
BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ

Từ bảng vi trạng thái ta có các số hạng:
L=2, S=0 ⇒
1
D
L=1, S=1 ⇒
3
P
L=0, S=0 ⇒
1
S
Xác định số hạng cơ bản: trong ba số hạng
1
D,
3
P,
1
S thì
3
P là số hạng có độ bội lớn nhất.
Số lượng tử nội của
3
P là 2, 1, 0.
Suy ra số hạng cơ bản là:
3
P
0
.
b) Cấu hình của ion nguyên tử V
3+
là: 1s

2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
2
.
Ta chỉ cần xét phân lớp d
2
⇒ có
( ) ( )
! 10!
45
! ! 2! 10 2 !
t
N
e t e
= = =
− −
vi trạng thái khả dĩ:
M
S
M
L
+1 0 –1

+4 (2
+
2
–
)
+3 (2
+
1
+
) (2
+
1
–
) (2
–
1
+
) (2
–
1
–
)
+2 (2
+
0
+
) (2
+
0
–

) (2
–
0
+
) (1
+
1
–
) (2
–
0
–
)
+1 (+2
+
–1
+
) (1
+
0
+
) (+2
–
–1
+
) (+2
+
–1
–
) (0

–
1
+
) (0
+
1
–
) (+2
–
–1
–
) (1
–
0
–
)
0 (+2
+
–2
+
) (1
+
–1
+
) (+2
–
–2
+
) (+2
+

–2
–
) (–1
–
1
+
) (0
–
0
+
) (1
+
–1
–
) (+2
–
–2
–
) (1
–
–1
–
)
–1 (–2
+
+1
+
) (0
+
–1

+
) (–2
–
+1
+
) (–2
+
+1
–
) (0
–
–1
+
) (0
+
–1
–
) (–2
–
+1
–
) (0
–
–1
–
)
–2 (–2
+
0
+

) (–2
+
0
–
) (–2
–
0
+
)(–1
–
–1
+
) (–2
–
0
–
)
–3 (–1
+
–2
+
) (–1
+
–2
–
) (–1
–
–2
+
) (–1

–
–2
–
)
–4 (–2
+
–2
–
)
Từ bảng vi trạng thái có các số hạng:
L=4, S=0 ⇒
1
G
L=3, S=1 ⇒
3
F
L=2, S=0 ⇒
1
D
L=1, S=1 ⇒
3
P
L=0, S=0 ⇒
1
S
Xác định số hạng cơ bản:
3
F và
3
P có cùng độ bội nhưng L=3 lớn hơn nên số hạng cơ bản là

3
F.
Số lượng tử nội của
3
F là 4, 3, 2.
Suy ra số hạng cơ bản là
3
F
2
.
Bài số 2:
ĐỀ RA:
Câu 1:
a) Dùng Excel vẽ giản đồ Ellingham của các hệ Ag
2
O, CuO, FeO, ZnO, C→CO, CO→CO
2
,
C→CO
2
, SiO
2
, TiO
2
, Al
2
O
3
, MgO, CaO.
b) Xác định bằng đồ thị ấy nhiệt độ thấp nhất có thể để khử ZnO đến Zn bằng C.

Câu 2: Dựng giản đồ E-pH cho hệ:
a) Zn (gồm Zn, Zn
2+
, Zn(OH)
2
)
b) Cu (gồm Cu, Cu
+
, Cu
2+
, CuOH
+
, Cu(OH)
2
)
Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn 5
BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ
Câu 3:
a) Xây dựng đồ thị Frost cho hệ clo từ đồ thì Latimer.
b) Xây dựng đồ thị Frost cho hệ Mn trong môi trường axit (Mn, Mn
2+
)
BÀI LÀM:
Giải bài 1:
Dùng excel vẽ giản đồ Ellingham của các hệ :
< Số liệu được lấy từ: Handbook Of Chemistry And Physics >
Bảng 1,2: Entanpy và Etropy chuẩn của một số chất
O
2
Ag Ag

2
O Cu CuO Fe FeO Zn ZnO C CO
o
S
H
∆
0 0 -31,06 0 -157,4 0 -272 0 -384,5 0 -110,5
o
S
∆
205,2 42,6 121,4 33,17 42,66 27,29 83,3 41,65 43,66 5,7 197,7
CO
2
Si SiO
2
Ti TiO
2
Al Al
2
O
3
Mg MgO Ca CaO
o
S
H
∆
-393,5 0 -910,7 0 -944 0
-1676,8
0 -602,1 0 -635,5
o

S
∆
213,8 18,81 41,46 30,72 50,62 28,34 50,95 32,69 26,96 41,43 39,78
Bảng 3: Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và nhiệt chuyển pha của một số kim loại
Ag Cu Fe Zn C Si Ti Al Mg Ca
t
nc
(
o
C) 961,9 1083 1535 419,5 3550 1410 1660 660,3 648,7 839
t
s
(
o
C) 2212 2567 2570 907 4827 2355 3287 2467 1090 1484
o
cp
H
∆
r→l
11,3 13,5 13,8 7,322 - 50,54 15,45 10,79 8,954 8,54
l→h
250,5 300,2 349,6 115,3 355,7 384,2 421 293,3 127,4 153,6
Lập các phương trình
TG
o
T
−∆
:
Với Ag

2
O :
4Ag
(r)
+ O
2(k)
→ 2Ag
2
O
(r)
(1)
Ag
(r)
→ Ag
(l)
(2)
4Ag
(l)
+ O
2(k)
→ 2Ag
2
O
(r)
(3)
Ag
(l)
→ Ag
(k)
(4)

4Ag
(k)
+ O
2(k)
→ 2Ag
2
O
(r)
(5)
+ Khi T < T
nc
: Diễn ra quá trình (1)
o
H
∆⇒
=-62,12 (kJ/mol)
o
S
∆
=
o
OAg
S
2
∆
–
o
O
S
2

∆
– 2
o
Ag
S
∆
= -133 (J/mol.độ) = -0,133 (kJ/mol.độ)
o
G
∆⇒
= -62.12 + 0.133T
+Khi T
nc
≤ T < T
s
:
o
cp
H
∆
= 11,3 (kJ/mol)
o
cp
S
∆⇒
=
nc
o
cp
T

H
∆
= 11,3/(961,9+273) = 9,15.10
-3
(kJ/mol.độ)
Ta có : (3) = (1) – 4*(2)
o
H
∆⇒
= -62,12–4*11,3 = -107,32 (kJ/mol)
o
S
∆
= -0,133-4*9,15.10 -3 = -0,17 (kJ/mol.độ)
o
G
∆⇒
= -107.32 + 0.17T
+Khi T
s
≤ T :
Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn 6
BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ
o
cp
H
∆
= 250,5 (kJ/mol)
o
cp

S
∆⇒
=
s
o
cp
T
H
∆
= 250,5/(2212+273)= 0,101 (kJ/mol.độ)
Ta có : (5) = (3) –4*(4)
o
H
∆⇒
= -107,32–4*250,5= -1109,32 (kJ/mol)
o
S
∆
= -0,17-4*0,101= -0,573 kJ/mol.độ
o
G
∆⇒
= -1109.32 + 0.573T
Tương tự với các hợpchất khác ta được kết quả như sau :
T < T
nc
T
nc
≤ T < T
s

T
s
≤ T
Ag
2
O -62.12 + 0.133T -107.32 + 0.17T -1109.32 + 0.573T
CuO -314.8 +0.186T -341.8 +0.206T -942.2 +0.417T
FeO -272 + 0.149T -287.45 + 0.157T 287.45 + 0.157T
ZnO -697 + 0.201T -711.644 +0.222T -942.244 +0.417T
C → CO
-221 -0.179T -221 -0.179T -932.4- 0.04T
CO → CO
2
-566 + 0.173T -566 + 0.173T -566 + 0.173T
C → CO
2
-393.5- 0.003T -393.5- 0.003T -749.2 + 0.067T
SiO
2
-910.7 + 0.183T -961.24 + 0.213T -1345.44 + 0.359T
TiO
2
-944 + 0.185T -959.45 + 0.193T -1380.45 + 0.311T
Al
2
O
3
-1117.867 + 0.209T -1132.254 + 0.224T -1523.321 + 0.367T
MgO -1204.2 + 0.217T -1222.108 + 0.236T -1476.908 + 0.423T
CaO -1271.02 + 0.209T -1288.1 + 0.224T -1595.3 + 0.399T

Dựa vào giản đồ trên ta thấy nhiệt độ thấp nhất có thể khử ZnO về Zn bằng C là 1200
o
K, tiến hành
giải các phương trình ∆G của Zn– ZnO và C – CO ta được nghiệm chính xác là 1210,141
o
K.
Câu 2: Dựng giản đồ E –pH cho các hệ:
a) Zn (Zn, Zn
2+
, Zn(OH)
2
):
Zn
2+
+ 2e → Zn; E
o
=-0,763V
Zn
2+
+ 2OH
-
→ Zn(OH)
2
; T = 10
-17

Giả sử [Zn
2+
] = 1M
- Khi bắt đầu xuất hiện kết tủa:

T =[Zn
2+
][OH
-
]
2
= 10
-17

⇒ [OH
-
] = 10
-8,5
M
⇒ pOH = 8,5
⇒ pH = 5,5
Xét cặp Zn
2+
/Zn :
Theo phương trình Nernst ta có :
]lg[
2
059,0
2
//
22
+
+=
++
ZnEE

o
ZnZnZnZn

]lg[
2
059,0
763,0
2
/
2
+
+−=⇒
+
ZnE
ZnZn
(*)
- Khi pH ≤ 5,5 thì chưa xuất hiện kết tủa, [Zn
2+
] = 1M ⇒ E = -0,763(V) (1)
- Khi pH > 5,5 thì xuất hiện kết tủa Zn(OH)
2
,
Khi đó [Zn
2+
] =
[ ]
[ ]
[ ]
2
11

28
2
.10
10
.
+
−
+
−
==
H
HT
OH
T

Thay vào (*) ta có :

[ ]
).10lg(
2
059,0
763,0]lg[
2
059,0
763,0
2
112
/
2
++

+−=+−=
+
HZnE
ZnZn
]lg[059,04385,0
/
2
+
+−=⇒
+
HE
ZnZn
=
pH059,04385,0
−−
(2)
Từ (1) và (2) ta được giảnđồ E– pH như sau :
Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn 7