Bài tập Hóa vô cơ - Bài tập chương 2: Acid Base (Có đáp án)

Nội dung text: Bài tập Hóa vô cơ - Bài tập chương 2: Acid Base (Có đáp án)

1. - Trong trường hợp này BF3 vửa đóng vai trò acid Lewis khi liên kết với ion F tạo phức tetrafluoridoborat, vừa đóng vai trò base Lewis khi cung cấp ion fluoride. Nước cũng là lưỡng tính khi vừa cho OH- vừa cho H+. - Đối với các chất chứa proton như HF CH 3COOH, HSe thì thể hiện tính acid Lewis trong phản ứng cho proton (H +). Tuy nhiên trong thực tế để thuận tiện, người ta tách ra loại phản ứng cho nhận H+ là phản ứng Bronsted và các phản ứng cho nhận cặp electron còn lại là phản ứng acid – base Lewis. Các chất vừa nêu nếu tác dụng bằng anion thì đóng vai trò base lewis trong phản ứng. HF(b. lewis) + BF3 = H[BF4] 4CH3COOH(b. lewis) + TiCl3 + 4NaHCO3 = Na[Ti(CH3COO)4] + 4NaCl + 4CO2 + 4H2O Baøi 2. Haõy cho bieát chaát naøo coù tính acid maïnh hôn giöõa caùc caëp chaát sau ñaây? Taïi sao ? + 2+ a) Tl aq vaø Pb aq b) BCl3 vaø BBr3 2+ 2+ c) Mg aq vaø Fe aq 3+ 3+ d) Fe .aq vaø Al .aq + 2+ 2+ + a) Tl aq BCl3 do hiệu ứng cộng hưởng trong bor chloride mạnh hơn trong brom chloride. 2+ 2+ 2+ 2+ c) Fe aq > Mg aq vì Fe và Mg có cùng điện tích và có bán kính xấp xỉ nhau 0 0 2+ 6 (r 2 0,80 A ; r 3 0,74 A) nhưng Fe có lớp vỏ electron trung gian (3d ) trong khi Fe Al Mg2+ có lớp vỏ của khí hiếm (2s22p6). 3+ 3+ 3+ 3+ d) Fe aq > Al aq vì Fe và Al có cùng điện tích và có bán kính xấp xỉ nhau 0 0 3+ 5 (r 3 0,67 A ; r 3 0,57 A) nhưng Fe có lớp vỏ electron trung gian (3d ) trong khi Fe Al Al3+có lớp vỏ electron của khí hiếm (2s22p6). Baøi 3. Taïi sao toàn taïi caùc hôïp chaát: HF.BF3 , HF.SbF5 nhöng khoâng toàn taïi caùc hôïp chaát H2.BF3 , F2BF3 , H2.SbF5, F2SBF5. Các hợp chất HF.BF3 và HF.SbF5 là các phức. Công thức dạng phức như sau: H[BF4] và 3 3 2 + H[SbF6]. Trong đó B ở trạng thái lai hóa sp và Sb ở trạng thái sp d . H nằm ở cầu ngoại. Phản ứng giữa HF và BF3 và HF và SbF5 là phản ứng acid-base Lewis, trong đó HF là base lewis và các chất còn lại là acid lewis. HF là phân tử phân cực mạnh nên trên F có mật độ electron cao, thuận tiện cho việc cho đi cặp ectron, B còn 1 orbital 2p trống và Sb còn orbital 5d trống để nhận cặp electron. 2
2. d) 2Al(OH)3 + P2O5 = 2AlPO4 + 3H2O base acid e) 2NaH + B2H6 = 2Na[BH4] base acid Baøi 7. Haõy cho bieát nhöõng chaát sau ñaây, chaát naøo laø acid hoaëc base trong HF loûng : BF3 ; SbF5 ; H2O. Những chất sau đây trong HF lỏng: BF3 ; SbF5 ; H2O H2O là base Bronsted-Lawry trong HF lỏng: + HF + H2O H3O + F‾ BF3 và SbF5 là acid Lewis trong HF lỏng: BF3 + HF H[BF4] SbF5 + HF H[BF6] Baøi 8. Haõy saép xeáp caùc oxide vaø acid-oxy trong moãi daõy theo traät töï tính acid taêng daàn, giaûi thích? a) H5IO6, HIO3, HIO b) H2SO4, H2TeO4, H2CrO4 c) MnO, MnO2, Mn2O7, Mn2O3 a) HIO < H5IO6 < HIO3 Giải thích: Theo quy tắc Paoling với acid-oxy đơn phân tử có công thức tổng quát XOm(OH)n , m càng lớn tính acid nấc phân ly thứ nhất càng mạnh b) H2CrO4 < H2TeO4 < H2SO4 Giải thích: Các acid này có cùng giá trị m nên độ mạnh acid phụ thuộc vào độ âm điện của nguyên tố tạo acid. Nguyên tố tạo acid có độ âm điện càng cao thì acid-oxy càng mạnh. c) MnO < Mn2O3 < MnO2 < Mn2O7 Giải thích: Tính acid tăng theo dãy trên là do tỷ số q/r tăng (cation có số oxy hóa càng cao thì bán kính càng nhỏ) Ion Mn2+ Mn3+ Mn4+ Mn7+ r(Å) 0,91 0,70 0,52 0,46 q/r 2,20 4,29 7,69 15,22 Bài 9: Trong các hợp chất của Mn +2 và Mn+4 thì hợp chất nào tan được nhiều hơn trong HCl, hợp chất nào tan được nhiều hơn trong NaOH? Giải thích? Từ kết quả này kết luận thế nào về tính acid – base của những hợp chất khác số oxy hóa của cùng nguyên tố? Mn+4 có số oxi hóa cao hơn Mn+2, bán kính nhỏ hơn (Mn4+ (0,52Å) , Mn2+ (0,91Å)) nên mật độ điện tích dương cao hơn, vì vậy hợp chất của Mn(4+) có tính acid cao hơn và tính base thấp hơn hợp chất của Mn(2+). Do đó, hợp chất Mn(2+) dễ dàng tác dụng hơn hợp 4
3. 0 7,21 14 Vậy: G pu,298 8,314 298 ln(10 10 ) 38,743kJ ≈ -40kJ Phản ứng này cũng được coi là xảy ra hoàn toàn. Phản ứng với nấc phân li thứ 3 của acid phosphoric: K 2- 3- 3,H3PO4 HPO4 (dd) + OH‾(dd) PO4 (dd) + H2O(l) K cb K H2O 0 12,38 14 Vậy: G pu,298 8,314 298  ln(10 10 ) 9,243kJ Phản ứng này xảy ra không đến cùng. Kết luận: khi cho KOH tác dụng với acid phosphoric trong nước thì không thể điều chế đến chỉ có muối K3PO4. d/ Xét phản ứng giữa acid acetic và liti hydroxide CH3COOH + LiOH LiCH3COO + H2O Phương trình ion-phân tử có dạng: + CH3COOH(dd) +LiOH(dd) Li (dd)+CH3COO‾(dd)+ H2O(l) K K CH3COOH LiOH Kcb K H O 0 4,76 0,17 14 Vậy: G pu,298 8,314 298 ln(10 10 10 ) 51,752kJ Vậy phản ứng này xảy ra hoàn toàn. Nhận xét. Các ví dụ trên cho thấy: Phản ứng xảy ra hoàn toàn: + giữa acid mạnh và base không quá yếu + giữa acid không quá yếu và base mạnh Phản ứng xảy ra một phần giữa acid mạnh va base quá yếu (và ngược lại) Phản ứng không xảy ra giữa acid rất yếu base có độ mạnh trung bình yếu (và ngược lại) Ghi chú: Khi xét khả năng xảy ra phản ứng này cần tính cho từng nấc phân li của acid và base đa chức. Baøi 11. Khi pha dung dòch nöôùc caùc muoái: AlCl3 , SnCl2, Fe2(SO4)3 , CrCl3 ngöôøi ta thöôøng duøng dung dòch HCl loaõng (hoaëc dung dòch H2SO4) loaõng) chuù khoâng duøng nöôùc nguyeân chaát. Giaûi thích taïi sao? Các muối AlCl3 , SnCl2, Fe2(SO4)3 , CrCl3 đều là muối của acid mạnh và base yếu nên trong dung dịch sẽ thủy phân thành hydroxide kim loại và acid. Do đó khi trước khi hòa tan các muối vào nước người ta dùng dung dịch HCl loãng + (hoặc dung dịch H2SO4 loãng) để tăng nồng độ [H ] làm ngăn cản quá trình thuỷ phân Ví dụ: AlCl3 3+ - AlCl3 = Al + 3Cl 3+ + Al + 3H20 Al(OH)3 ↓+ 3H (*) Ghi chú: Vì các kết tủa hydroxide rất khó tan trong acid loãng nên nếu để sự thủy phân xảy ra thì cần lượng acid để hòa tan trở lại nhiều hơn lượng acid ngăn ngừa sự thủy phân xảy ra. Baøi 12. Coù dung dòch cuøng noàng ñoä mol cuûa caùc chaát sau ñaây: 6
4. Baøi 13. Saép xeáp söï thuûy phaân cuûa AlCl3 taêng daàn khi cho vaøo caùc chaát döôùi ñaây: a) Nöôùc b) Dung dòch FeCl2 c) Dung dòch NaCH3COO d) Dung dòch Na2HPO4 e) Dung dòch NaF Möùc ñoä thuûy phaân cuûa nhoâm chloride taêng daàn theo daõy sau: NaF < FeCl2 < H2O < NaCH3COO < Na2HPO4 Giaûi thích: AlCl3 laø moät hôïp chaát mang tính acid, vì khi hoøa tan vaøo dung moâi coù chöùa nöôùc thì + 3+ 2- + AlCl3 seõ sinh ra H : Al + H2O Al(OH) + H 2- - + Al(OH) + H2O Al(OH)2 + H - + Al(OH)2 + H2O Al(OH)3 + H Do vaäy khi moâi tröôøng caøng coù tính base maïnh OH‾ seõ keát hôïp vôùi ion H+ caøng nhieàu nghóa laø caùc can baèng treân seõ dòch chuyeån chieàu thuaän theo nguyeân lyù Le Chartelier, do vaäy AlCl3 seõ thuûy phaân caøng nhieàu. Vì vaäy ta sẽ xeùt dung dịch naøo coù tính base caøng cao thì AlCl3 trong dung dịch ñoù thủy phân càng mạnh. a) H2O laø dd trung tính. b) Dung dịch FeCl2 coù söï thuûy phaân: 2+ + + Fe + H2O Fe(OH) + H 14 Kn 10 10.11 Ka= 3.89 10 , dung dòch mang tính acid Kb2 10 c) Dung dòch NaCH3COO coù söï thuûy phaân: - - CH3COO + H2O CH3COOH +OH 14 Kn 10 9.24 Kb= 4.76 10 ,dung dòch mang tính base yếu. Ka 10 d) Dung dòch Na2HPO4 coù söï thuûy phaân: 2- 3- + HPO4 + H2O PO4 + H3O -12.38 Ka3= 10 2- - - HPO4 + H2O H2PO4 + OH 14 Kn 10 6.79 Kb= 7.21 10 Ka2 10 So saùnh thaáy Ka3<<Kb neân dung dòch mang tính base trung bình. e) Dung dòch NaF coù söï thuûy phaân: - - - F +H2O HF +OH 8
5. c) Tương tự vậy ta có : Al3+ có cấu hình ion 18e-, Fe3+ có cấu hình ion trung gian nên mặc 3+ 3+ + - dù bán kính của Fe hơi lớn hơn của Al vẫn có: Ktp,Fe > Ktp,Al. Na có cấu hình ion 8e , + - + + còn Ag có cấu hình 18e nên mặc dù bán kính Ag lớn hơn Na vẫn có: Ktp,Ag >> Ktp,Na Bài 16: Cho một hỗn hợp acid HCl và H3PO4, có thể dùng phương pháp chuẩn độ để xác định nồng độ từng acid trong hỗn hợp không? Nêu nguyên tắc và giải thích quá trình chuẩn độ? Để xác định nồng độ từng acid HCl và H3PO4 trong hỗn hợp, có thể dùng phương pháp chuẩn độ thể tích acid- base với chất chuẩn là dung dịch NaOH 0,1N Nguyên tắc của phương pháp chuẩn độ acid – base: Khi chuẩn acid bằng base có nồng độ (N 1) biết trước, lấy một lượng chính xác acid (V2) bằng pipet, nếu xác định được chính xác thể tích cần dung của dung dịch base (V 1) để trung hòa hết lượng acid này thì có thể tính nồng độ dung dịch acid (N 2) theo công thức: V1N1 N2 V2 Việc xác định thể tích chính xác của dung dịch base chuẩn cần dùng nhờ có sự chuyển màu của chất chỉ thị ở điểm tương đương (điểm trung hòa hết acid). Ở pH gần điểm tương đương, chỉ cần thêm vào một lượng nhỏ dung dịch NaOH pH thay đổi nhảy vọt. Khoảng pH có sự thay đổi nhảy vọt là bước nhảy của phép chuẩn độ. Chất chỉ thị acid base là một acid (base) yếu có màu của phân tử trung hòa và màu của ion khác biệt. Khi chất chỉ thị có khoảng chuyển màu trong khoảng bước nhảy, chúng ta biết được chính xác thể tích NaOH cần dùng. Để xác định thể tích chính xac của dung dịch base chuần cần lấy cho phép phân tích HCl sử dụng chỉ thị metyl cam hay phenolphthalein đều được vì bước nhảy của phép chuẩn độ chứa cả hai khoảng pH đổi màu của 2 chỉ thị này. Sử dụng metyl cam có thể xác định chính xác thể tích của dung dịch base cần lấy cho phép phân tích nấc thứ nhất H3PO4. Điểm tương đương của phép chuẩn là 4,665 pH. Sử dụng chỉ thị phenolphthalein có thể xác định chính xác thể tích của dung dịch base cần lấy cho phép phân tích nấc thứ hai H 3PO4. Điểm tương đương của phép chuẩn là 9,795 pH. Quá trình chuẩn độ: Bước 1: Lấy 10 ml dung dịch acid cần chuẩn bằng pipet bầu 10ml cho vào erlen 100ml. Cho vào vài giọt chỉ thị metyl cam. Cho NaOH vào erlen đến khi dung dịch đổi màu từ đỏ sang vàng. Dừng lại, ghi thể tích V1 NaOH tiêu tốn. Trong bước chuẩn độ này toàn bộ acid hydroclohydric và nấc 1 của acid phosphoric được trung hòa: HCl + NaOH = NaCl + H2O H3PO4 + NaOH = NaH2PO4 + H2O Bước 2: Lấy 10 ml dung dịch acid cần chuẩn chuẩn bằng pipet bầu 10ml cho vào erlen 100ml. Cho vào erlen vài giọt chỉ thị phenolphtalein. Cho NaOH vào erlen đến khi dung dịch chuyển qua màu tím. Dừng lại ghi thể tích V 2 NaOH tiêu tốn. Trong bước chuẩn độ này toàn bộ acid hydroclohydric và đến nấc 2 của acid phosphoric được trung hòa: HCl + NaOH = NaCl + H2O H3PO4 + 2NaOH = Na2HPO4 + 2H2O 10
6. phân tử nước và trạng thái lai hóa sp3 mạnh của nguyên tử O trong phân tử nước đóng vai trò quan trọng trong việc giữ ion H +. Bài 18: Xác định chiều ưu thế của phản ứng thuận nghịch sau đây: + Cho thêm NH4 (ammonium ion, pKa 9.24). Tính thế đẳng áp chuẩn của phản ứng: [NH ][HCO ] K .K 10 4,76.10 6,35 K 4 3 NH3 1,H2CO3 102,89 cb [NH .H O][H CO ] K 10 14 3 2 2 3 H2O 0 G 298,pư = -298x8,314lnKcb = -16,49 kJ/mol Phản ứng thuận nghịch với ưu thế về chiều thuận. + Khi cho thêm chất làm tăng ion NH4 , thì theo nguyên lý Le Chaterlier cân bằng sẽ chuyển dịch về phía phản ứng nghịch. + (Có thể lý luận khác như sau: Vì Kcb là hằng số nên khi nồng độ NH4 tăng, để Kcb không - đổi thì nồng độ HCO3 phải giảm xuống, suy ra cân bằng chuyển dịch sang chiều nghịch) Bài 19: Ước tính pKa của các vòng hydrogen sau đây: Biết CH3CH2OH (ethanol)có pKa 15.9 và phenol, pKa 9.95. a) So sánh với H2N – H , vì nhóm CH3 đẩy electron +I còn H có +I = 0, suy ra pKa của CH3NH2 nhỏ hơn pKa của NH3. Vì phân ly kiểu acid của NH3 trong dung dịch nước không thể đo được nên có thể so sánh gián tiếp qua tính base của hai chất này. CH3NH2 có tính base lớn hơn NH3 nên có pKb pKa CH3CH2OH = 15,9 c) Vì hợp chất có nhóm –OCH3 gây hiệu ứng +C ( O còn cặp e chưa ghép đôi), đẩy electron qua các hệ liên hợp π của vòng thơm; kết quả là O liên kết với hidro linh động được tăng cường mật độ điện tích âm, làm giảm khả năng hút cặp e góp chung với H linh động. Do đó tính acid giảm so với phenol. pKa p-CH3OC6H4OH > pKa C6H5OH = 9,95 12
7. -5 Acetic Acid HC2H3O2 1.7 x 10 -5 Benzoic Acid HC7H5O2 6.3 x 10 -10 Boric Acid H3BO3 5.9 x 10 -7 Carbonic Acid H2CO3 4.3 x 10 HCO3- 4.8 x 10-11 Cyanic Acid HCNO 4.9 x 10-10 -4 Formic Acid HCHO2 1.7 x 10 Hydrocyanic Acid HCN 4.9 x 10-10 Hydrofluoric Acid HF 6.8 x 10-4 Hydrogen Sufate ion HSO4- 1.1 x 10-2 -8 Hydrogen Sulfide H2S 8.9 x 10 HS- 1.2 x 10-13 Hypochlorous Acid HClO 3.5 x 10-8 -4 Nitrous Acid HNO2 4.5 x 10 -2 Oxalic Acid H2C2O4 5.6 x 10 - -5 HC2O4 5.1 x 10 -3 Phosphoric Acid H3PO4 6.9 x 10 - -8 H2PO4 6.2 x 10 2- -13 HPO4 4.8 x 10 -2 Phosphorus Acid H2PHO3 1.6 x 10 -7 HPHO3 7.0 x 10 -5 Propionic Acid HC3H5O2 1.3 x 10 -4 Pyruvic Acid HC3H3O3 1.4 x 10 -2 Sulfurous Acid H2SO3 1.3 x 10 -8 HSO3 6.3 x 10 Haèng soá phaân ly base cuûa moät soá hôïp chaát: Base K Base K Base K -4,755 -3,89 -0,17 NH3.H2O 10 Fe(OH)2 10 (2) LiOH 10 -2,3 -10,74 -11,08 AgOH 10 Fe(OH)3 10 (2) V(OH)3 10 (3) 10-11,87 (3) -1,4 -8,86 -3,3 Ca(OH)2 10 (2) Al(OH)3 10 (3) Mn(OH)2 10 (2) -0,64 -2,6 Ba(OH)2 10 (2) Mg(OH)2 10 (2) -5 Ammonia NH3 1.8 x 10 14