Bài giảng Hóa phân tích - Chương 3: Hằng số đặc trưng của các cân bằng hóa học đơn giản trong nước

CHƯƠNG 3

HẰNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA

CÁC CÂN BẰNG HÓA HỌC

ĐƠN GIẢN TRONG NƯỚC

NỘI DUNG CHƯƠNG 3

HẰNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA

CÁC CÂN BẰNG HÓA HỌC

ĐƠN GIẢN TRONG NƯỚC

3.1 Cân bằng trao đổi điện tử

3.2 Cân bằng trao đổi tiểu phân

3.3 Ứng dụng: Xét tính định lượng của

CBHH; Tính pH của dung dịch acid;

dung dịch base; dung dịch muối

Chương 3

3.1 CÂN BẰNG TRAO

ĐỔI ĐIỆN TỬ

– Bán cân bằng

– Cân bằng trao đổi điện tử:

* HS cân bằng – chiều phản ứng

* Thế tương đương

Chương 3

BÁN CÂN BẰNG TRAO ĐỔI ĐIỆN TỬ

BCB trao đổi điện tử:

Ox/Kh

Ox + ne ^-⇄ Kh

Khi hiện diện trong nước với hoạt độ (Ox) và

(Kh), dung dịch có thế E (PT Nernst):

RT (Ox)

E = E⁰+ ln

nF (Kh)

R = 8,3144 J / mol ⁰K ; T = 298,16 ⁰K ; F = 96.493

Cb/ mol; n = số điện tử trao đổi

Chương 3

BÁN CÂN BẰNG TRAO ĐỔI ĐIỆN TỬ

Thay các giá trị tương ứng vào PT Nerst và

chuyển từ ln sang log:

0,059 [Ox]

E = E⁰+

lg

n [Kh]

E^o: thế oxy hóa chuẩn của cặp Ox/Kh, là HS

đặc trưng cho khả năng oxy hóa hay khử của

đôi oxy hóa/ khử liên hợp (ở 25^oC, 1 atm)

Trong biểu thức tính E: (a_r) = 1; p_khi= 1 atm và

[H₂O] = 1

Chương 3

CÂN BẰNG TRAO ĐỔI ĐIỆN TỬ

HS CÂN BẰNG – DỰ ĐOÁN CHIỀU PHẢN ỨNG

Trộn 2 đôi Ox₁/Kh₁(n₁e ; E^o) và Ox₂/Kh₂(n₂e ; E^o):

1

2

Ox₁/Kh₁

Ox₂/Kh₂

(1)

(2)

n₂Ox₁+ n₁Kh₂

n₁Ox₂+ n₂Kh₁

Định luật tác dụng khối lượng:

[Ox₂]ⁿ¹[Kh ]ⁿ²

1

K(1) =

=

[Ox₁]ⁿ²[Kh₂]ⁿ¹

K(2)

Chương 3

CÂN BẰNG TRAO ĐỔI ĐIỆN TỬ

HS CÂN BẰNG – DỰ ĐOÁN CHIỀU PHẢN ỨNG

[Ox₂]ⁿ¹[Kh ]ⁿ²

1

K(1) =

=

[Ox₁]ⁿ²[Kh₂]ⁿ¹

K(2)

DD chứa cùng lúc 2 đôi Ox₁/Kh₁và Ox₂/Kh₂ở

TT cân bằng sẽ có E_cb= E₁= E₂:

0,059 [Ox₂]

[Ox₁]

0,059

= E₂= E₂⁰+

lg

E₁= E₁⁰+

lg



n₂

[Kh₂]

n₁

[Kh ]

1

Nhân 2 vế với n₁n₂, chuyển vế và thu gọn:

n₁n₂(E₁^o− E^o₂)

0,059

[Ox₂]ⁿ¹[Kh₁]ⁿ²

[Kh₂]_n1[Ox₁]ⁿ²

= lg

= lgK(1)

n₁n₂(E₁^o−E₂^o)

0,059

K(1) =10

(n₁n₂: bội số chung nhỏ nhất của n₁và n₂)

Chương 3

CÂN BẰNG TRAO ĐỔI ĐIỆN TỬ

HS CÂN BẰNG – DỰ ĐOÁN CHIỀU PHẢN ỨNG

n₁n₂(E₁^o−E₂^o)

0,059

Nhận xét:

K(1) =10

1) Nếu E⁰– E⁰> 0 : lgK(1) > 0  K(1) > 1 :

1

2

Phản ứng theo chiều (1) hay Ox₁có tí nh oxy

hóa mạnh hơn Ox₂và ngược lại

2) E⁰−E⁰>> 0  K(1) >> 1: trị số E^ocàng lớn,

1

2

khả năng oxy hóa của dạng Ox càng mạnh, tính

khử của dạng khử càng yếu

3) Trộn 2 đôi oxy hóa khử bất kỳ với nhau: đôi

nào có E^olớn hơn thì dạng oxy hóa của đôi này

sẽ oxy hóa dạng khử của đôi còn lại

Chương 3

CÂN BẰNG TRAO ĐỔI ĐIỆN TỬ

HS CÂN BẰNG – DỰ ĐOÁN CHIỀU PHẢN ỨNG

Ví dụ E^o(Fe³⁺/Fe²⁺) = 0,77 V ; E^o(Sn⁴⁺/Sn²⁺) = 0,15 V

Trộn 2 đôi với nhau, phản ứng sẽ xảy ra theo

Fe³⁺+ Sn²⁺→ Fe²⁺+ Sn⁴⁺

Tuy nhiên, dự đoán chiều phản ứng dựa vào E^o

chỉ chính xác khi trong hệ phản ứng không có cấu

tử nào khác tham gia vào phản ứng

Khi có sự tham gia của cấu tử khác, dự đoán có

thể sai vì K đã thay đổi

Chương 3

CÂN BẰNG TRAO ĐỔI ĐIỆN TỬ

THẾ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA DUNG DịCH

Thế tương đương E_tđ: thế của dd (cân bằng) tại

điểm tương đương (thời điểm các tác chất tác dụng

vừa đủ với nhau theo số đương lượng bằng nhau)

Dung dịch chỉ chứa 2 đôi Ox₁/ Kh₁và Ox₂/ Kh₂

(1)

n₂Ox₁+ n₁Kh₂

Ox₂+ n₂Kh₁

(2)

Tại điểm tương đương, số đương lượng các tác chất

bằng nhau và số đương lượng các sản phẩm cũng

bằng nhau:

n [Ox ]=n [Kh ]

 [Ox₁] n₂

[Ox₂] n₁

=

1

2



= vaø

[Kh₂] n₁



n₁[Kh₁]=n₂[Ox₂]

[Kh₁] n₂



Chương 3

CÂN BẰNG TRAO ĐỔI ĐIỆN TỬ

THẾ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA DUNG DịCH

E_cb= E₁= E₂= E_tđ

Taïi caân baèng

[Ox₁]

0,059

E_td= E₁⁰+

n₁

n₁E_td= n₁E₁⁰+ 0,059lg

lg

hay



[Kh ]

1

[Ox₂]

[Kh₂]

[Ox₂]

[Kh₂]

0,059

n₂E_td= n₂E₂⁰+ 0,059lg

E = E⁰+

lg

td

2

n₂

n₁E₁^o+ n₂E₂^o

0,059 [Ox₁] [Ox₂]

E_tđ=

+

lg



n₁+ n₂

n₁+ n₂[Kh ] []Kh₂]

1

n₁E₁^o+ n₂E₂^o

n₁+ n₂

E_td=

Chương 3

CÂN BẰNG TRAO ĐỔI ĐIỆN TỬ

THẾ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA DUNG DịCH

Nếu có H⁺tham gia vào bán cân bằng của Ox₁/ Kh₁

n₂Ox₁+ n₁Kh₂+ n₂mH⁺⇄ n₁Ox₂+ n₂Kh₁+ ½ n₂m H₂O

n₁E₁^o+ n₂E₂^o

0,059

n₁+ n₂

lg[H⁺]^m

E_td=

+

n₁+ n₂

Nếu có H⁺tham gia vào bán cân bằng của Ox₁/ p Kh₁

n₂Ox₁+ n₁Kh₂+ n₂mH⁺⇄ n₁Ox₂+ n₂pKh₁+ ½ n₂m H₂O

[Kh ]^{1− p}

n₁E₁^o+ n₂E₂^o

0,059

lg[ H ⁺]^m

1

E_td=

+

n₁+ n₂

p

Chương 3

3.2 CÂN BẰNG TRAO

ĐỔI TIỂU PHÂN

– Bán cân bằng:

*HS đặc trưng của BCB tổng quát

* HS đặc trưng của BCB cụ thể

* Nồng độ cấu tử ở thời điểm CB

– Cân bằng trao đổi tiểu phân:

*HS cân bằng

*Cách biểu diễn và tính toán CB trao đổi tiểu

phân trong thực tế

Chương 3

BÁN CÂN BẰNG TRAO ĐỔI TIÊU PHÂN

HS ĐẶC TRƯNG CỦA BCB TỔNG QUÁT

(1)

A/D

A + p ⇄ D

(2)

D/A : Đôi cho – nhận tiểu phâ n p

[D]

K(1) =  =

[A][ p]

K(2) = k =

[D]

β : hằng số bền của D;

k : hằng số phân li (không bền) của D

Chương 3

BÁN CÂN BẰNG TRAO ĐỔI TIÊU PHÂN

HS ĐẶC TRƯNG CỦA BCB TỔNG QUÁT

Quá trì nh cho – nhận tiểu phân p có thể xảy ra

theo n nấc: theo từng nấc hoặc một lúc nhiều nấc

HS bền từng nấc β và HS phân li từng nấc k

Theo từng nấc

β₁

[D₁] 1

A + p ⇄ D₁

₁=

₂=

=

k_n

[A][ p] k_n

β₂

[D₂]

1

D₁+ p ⇄ D₂

=

k_n-1

[D ][ p] k_n−1

1

β_n

D_n-1+ p ⇄ D_n

k₁

 [D₁] = β₁[ A ] [ p ]

[D₂] = β₂[ D₁] [ p ] = β₁. β₂[ A ] [ p ]²

Chương 3

BÁN CÂN BẰNG TRAO ĐỔI TIÊU PHÂN

HS ĐẶC TRƯNG CỦA BCB TỔNG QUÁT

Theo từng nấc

Tổng quát, ở nấc thứ i:

β_i

D_{i - 1}+ p ⇄ D_i

k_{i ‘}

[D_i]

1

_i=

=

[D_i−1][ p] k_i'

[D_i] = β₁.β₂….β_i[A ] [ p ]ⁱ

( Với i + i ‘ = n + 1)

Chương 3

BÁN CÂN BẰNG TRAO ĐỔI TIÊU PHÂN

HS ĐẶC TRƯNG CỦA BCB TỔNG QUÁT

Theo một lúc nhiều nấc

Giả sử theo 2 nấc:

Hằng số bền tổng cộng β₁và hằng số phân li

,2

:

tổng cộng k_1,2

β₁

,2

A + 2p ⇄ D₂

k_1,2

[D₂]

[A][ p]²

1

_1,2=

=

k_1,2

Chương 3

BÁN CÂN BẰNG TRAO ĐỔI TIÊU PHÂN

Mối tương quan giữa các HSB từng nấc và

HSB tổng cộng:

[D₁] [D₂]

[D₂]

₁.₂=



=

= _1,2

[A][ p] [D₁][ p] [A][ p]²

Tổng quát, ở nấc thứ i:

1

_1,i= ₁.₂...._i=

k_n.k_n−1...k_i'

[D_i] = β_1,i[A ] [ p ]ⁱ

Với i + i ‘ = n + 1

Chương 3

BÁN CÂN BẰNG TRAO ĐỔI TIÊU PHÂN

HS ĐẶC TRƯNG CỦA BCB CỤ THỂ

BCB TẠO PHỨC

β

A + p ⇄ D

(phức)

k

BCB ACID – BASE

(1)

A ^–+ H⁺⇄ HA

(2)

HA là acid , A^–là base ;

Đôi HA / A^-: đôi acid – base liên hợp

Chương 3

BÁN CÂN BẰNG TRAO ĐỔI TIÊU PHÂN

HS ĐẶC TRƯNG CỦA BCB CỤ THỂ

BCB ACID – BASE

(1)

A^-+ H⁺⇄ HA

(2)

HS phâ n li acid

Theo chiều (1) : β_HA

Theo chiều (2) : hằng số phân li acid

[H⁺][A⁻]

k_HA= k_acid= k_a= k_{A / B}=

[HA]

Chương 3

Bài giảng Hóa phân tích - Chương 3: Hằng số đặc trưng của các cân bằng hóa học đơn giản trong nước - Nguyễn Thị Thu Vân