Từ các lý do trên tôi chọn đề tài “GIẢI BÀI TOÁN TÍNH pH CỦA DUNG DỊCH-CÁC PHÉP LẤY GẦN ĐÚNG ÁP DỤNG TRONG BÀI TOÁN TÍNH pH” làm đề tài nghiên cứu nhằm mục đích bồi dưỡng và tổng hợp k
Trang 1gv : TR¦¥NG THÞ TUYÕN TR-êng THPT
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ
TRƯỜNG THPT HOẰNG HÓA III
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
Trang 2MỤC LỤC
Mục lục……… 1
A-Đặt vấn đề……….………2
1.Lý do chọn đề tài………2
2.Thực trạng của vấn đề……… ………….2
B-Nội dung của đề tài………3
I- CƠ SỞ LÝ THUYẾT………3
I.1.Khái niệm axit – bazơ theo thuyết A-RÊ-NI-UT……….3
I.2.Khái niệm axit – bazơ theo thuyết BRON-STÊT……… ……….3
I.3 pH và pOH 3
I.4 Vấn đề chung về chất điện li trong dung dịch:………3
I-5 Những định luật cơ bản áp dụng 4
II-Dạng 1 : Tính pH của dung dịch axít mạnh, dung dịch bazơ mạnh……… 7
II.1.Tính pH của dung dịch axít mạnh ……….7
II.2.Tính pH của dung dịch bazơ mạnh :……….………….8
III.Dạng 2: Tính pH của dung dịch axít yếu và bazơ yếu……… …… 9
III.1.Tính pH của dung dịch axít yếu :……… 9
III.2.Tính pH của dung dịch bazơ yếu :……… …11
IV Dạng 3: tính pH của dung dịch có một axít yếu và một bazơ yếu………13
V Dạng 4: tính pH của dung dịch chất lưỡng tính ……….14
VI-Dạng 5 : Tính pH của dung dịch hỗn hợp axit mạnh và axít yếu……… 15
VII Dạng 6: Tính pH của dung dịch hỗn hợp bazơ mạnh và bazơ yếu …….16
VIII- Dạng 7: Tính pH của dung dịch axit yếu và bazơ liên hợp……… ….16
IX Dạng 8 : Bài toán tính pH của dung dịch hỗn hợp chứa các axít yếu … 17
X Dạng 9 : Bài toán hỗn hợp bazơ yếu ……… ……….18
XI.MỘT SỐ BÀI TÍNH pH TRONG CÁC ĐỀ THI HỌC SINH GIỎI……19
XII.KẾT QUẢ ĐIỀU TRA TRƯỚC VÀ SAU KHI THỰC NGHIỆM… 19
C- KẾT LUẬN………21
Trang 3gv : TR¦¥NG THÞ TUYÕN TR-êng THPT
A- ĐẶT VẤN ĐỀ I- Lý do chọn đề tài
Môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến phản ứng hóa học, tới khả năng xảy ra phản ứng hóa học Vì vậy có ý nghĩa rất lớn trong vận dụng thực tế của nghiên cứu hóa học và ứng dụng thực tế sản xuất Có lẽ vì thế bài tập pH rất phổ biến và đồng thời là dạng bài tập khó với học sinh
Với giáo viên bồi dưỡng học sinh giỏi việc tìm kiếm tài liệu và hệ thống kiến thức để có thể bồi dưỡng cho học sinh đòi hỏi ở giáo viên tâm huyết và công sức rất lớn
Hiện nay với các kỳ thi học sinh giỏi quan trọng như : ‘‘ Giải toán trên máy tính cầm tay casio môn hóa học’’ và “thi học sinh giỏi cấp tỉnh” cũng thường xuyên kiểm tra học sinh dạng bài tập pH
Từ các lý do trên tôi chọn đề tài “GIẢI BÀI TOÁN TÍNH pH CỦA
DUNG DỊCH-CÁC PHÉP LẤY GẦN ĐÚNG ÁP DỤNG TRONG BÀI TOÁN TÍNH pH” làm đề tài nghiên cứu nhằm mục đích bồi dưỡng và tổng
hợp kiến thức phục vụ cho giảng dạy với hy vọng có thể nâng cao kiến thức cho bản thân và phục vụ có chất lượng hơn cho công tác giảng dạy của tôi trong thời gian tiếp theo
II- Thực trạng của vấn đề
Qua quá trình giảng dạy tôi nhận thấy mặc dù được tiếp xúc với các dạng bài toán pH rất nhiều nhưng cũng rất nhiều học sinh vẫn lúng túng với sự đa dạng và phức tạp của bài toán pH Với học sinh, bài tập về pH trong nhiều trường hợp vẫn là bài tập khó
Học sinh ở THPT lượng tài liệu về bài tập pH khó còn hạn chế, kể cả khi được nghiên cứu các tài liệu thì việc nhận dạng bài tập pH và áp dụng công thức của học sinh còn lúng túng
Từ đó qua kinh nghiệm giảng dạy tôi đưa ra một số phương pháp giải với các dạng bài tập pH cụ thể và phép lấy gần đúng trong bài toán pH để học sinh hiểu được bản chất của công thức mà học sinh thường chỉ máy móc vận dụng vì thế cũng dễ quên Từ đó giúp học sinh hiểu được công thức và vận dụng các công thức phù hợp với các dạng bài tập
Trang 4B- NỘI DUNG ĐỀ TÀI I- CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I.1.Khái niệm axit – bazơ theo thuyết A-RÊ-NI-UT
- Axit: Là chất khi tan trong nước phân li ra cation H +
-I.2.Khái niệm axit – bazơ theo thuyết BRON-STÊT
- Axit là chất nhường proton (H + ) Bazơ là chất nhận proton
(Vì: [H + ][O H-] = 10 -14 nên pH + pOH = 14)
I.4 Vấn đề chung về chất điện li trong dung dịch:
I.4.1 Độ điện li và hằng số điện li
I.4.1 1 Độ điện li
Là tỷ số giữa số mol (n) của chất đã điện li thành ion với tổng số mol (n0) của chất tan trong dung dịch:
o n
= 0 đối với chất không điện li
= 1 đối với chất điện li hoàn toàn
0 < < 1 : chất điện li yếu
I.4.1.2 Hằng số điện li: aA + bB cC + dD
Trang 5gv : TR¦¥NG THÞ TUYÕN TR-êng THPT
Kc = c d
b a
D C
B A
] [ ] [
] [ ] [
ở đây, [i] chỉ nồng độ của cấu tử i trong dung dịch ở trạng thái cân bằng
I.4.2 Phân loại chất điện li:
- Hầu hết các muối : NaNO3, NaCl, Al(NO3)3 …
I.4.2.2 Chất điện li yếu
* Khái niệm : Là chất khi tan trong nước chỉ có một số phần tử số phân tử hoà
tan phân li ra ion, phần còn lại vẫn tồn tại dưới dạng phân tử trong dung dịch
* Độ điện li : 0 < < 1
* Các chất điện li yếu là :
- Các axit yếu : CH3COOH, HClO, H2S, HF, H2SO3 …
- Các bazơ yếu : Bi(OH)3, Mg(OH)2 …
* Cân bằng điện li
- Sự điện li của chất điện li yếu là quá trình thuận nghịch Cân bằng điện li
là cân bằng động
Ví dụ : CH3COOH CH3COO- + H+
I-5 Những định luật cơ bản áp dụng
I-5.1 Định luật bảo toàn nồng độ
Qui ước biểu diễn nồng độ trong dung dịch:
Trong dung dịch các chất điện li, nồng độ các chất thường được biểu diễn theo nồng độ mol/lit Sau đây là một số qui ước về cách biểu diễn nồng độ:
+ Nồng độ gốc C 0 : là nồng độ các chất trước khi đưa vào hỗn hợp phản
V
V C
+ Nồng độ ban đầu C: là nồng độ các chất sau khi phản ứng xảy ra
hoàn toàn (nhưng hệ chưa đạt đến trạng thái cân bằng) Trong trường hợp không có phản ứng xảy ra thì C và C0 chỉ là một
+ Nồng độ cân bằng [ ]: là nồng độ các chất khi hệ đạt đến trạng thái
cân bằng
Trang 6- Định luật bảo toàn nồng độ (ĐLBTNĐ) ban đầu: Phát biểu định luật: Nồng độ ban đầu của một cấu tử bằng tổng nồng độ cân bằng
của các dạng tồn tại của cấu tử đó có mặt trong dung dịch
Ví dụ : Cho dung dịch KH2PO4 nồng độ C mol/l Viết biểu thức bảo toàn nồng độ ban đầu
Các quá trình điện li xảy ra trong dung dịch:
Biểu thức ĐLBTNĐ đối với H2 PO4 :
I-5.2.Định luật bảo toàn điện tích:( ĐLBTĐT)
ĐLBTĐT được phát biểu dựa trên nguyên tắc các dung dịch có tính
trung hòa về điện: Tổng đ iện tích âm của các anion phải bằng tổng điện
tích dương của các cation
Trong đó, [i] : nồng độ của ion i lúc cân bằng
Zi : điện tích của ion i
Ví dụ : Viết biểu thức ĐLBTĐT cho dung dịch KH2PO4 nồng độ C mol/l
Trong dung dịch có các ion: K+
, H+, H2PO4-, HPO42-, PO43-, OHBiểu thức ĐLBTĐT:
-I-5.3 Định luật tác dụng khối lượng
- Phát biểu định luật: ở trạng thái cân bằng tỉ số giữa tích của
nồng độ các chất tạo thành sau phản ứng với số mũ thích hợp bằng hệ số
tỉ lượng của nó, trên tích nồng độ của các chất phản ứng với lũy thừa thích hợp là một hằng số ở nhiệt độ và áp suất đã cho
- Biểu diễn ĐLTDKL đối với cân bằng axit-bazơ:
+ Cân bằng phân li của axit:
Ka là hằng số phân li axit (hay gọi tắt là hằng số axit)
+ Cân bằng phân li của bazơ:
Kb là hằng số phân li bazơ (hay gọi tắt là hằng số bazơ)
- Tổng hợp cân bằng:
Trong thực tế, chúng ta thường gặp những cân bằng phức tạp từ những
Trang 7gv : TR¦¥NG THÞ TUYÕN TR-êng THPT
cân bằng riêng lẻ Sau đây là một số ví dụ tổng hợp cân bằng:
+ Biểu diễn cân bằng theo chiều nghịch:
Cân bằng (3.4) là cân bằng tổng của hai cân bằng (3.2) và (3.3)
Hằng số cân bằng tổ hợp khi cộng các cân bằng với nhau bằng tích các cân hằng số của các cân bằng riêng lẻ
+ Nhân cân bằng với một thừa số n ( n= -2, -1, 1, 2, …)
Khi nhân cân bằng với một thừa số n bất kì sẽ tương đương với việc cộng n lần của cân bằng đó Do đó, hằng số của cân bằng tổ hợp (hằng số của cân bằng khi nhân với thừa số n) bằng hằng số của cân bằng gốc lũy thừa n lần
Ví dụ : Khi nhân cân bằng (3.2) với thừa số n, ta được cân bằng tổ hợp:
Hằng số cân bằng kn = K1n
I-5.4 Định luật bảo toàn proton (điều kiện proton)
Đây là trường hợp riêng của ĐLBTNĐ và ĐLBTĐT áp dụng cho các hệ axit-bazơ:
Phát biểu định luật:
Nồng độ proton trong dung dịch lúc cân bằng bằng hiệu giữa tổng nồng độ proton giải phóng ra và tổng nồng độ proton thu vào ở mức không
Trang 8Để thuận tiện cho việc tính toán, người ta thường chọn mức không là trạng thái ở đó nồng độ của các cấu tử chiếm ưu thế
Ví dụ : Viết biểu thức ĐKP cho dung dịch KH2PO4 nồng độ C mol/l
Chọn mức không: H2PO4
và H2O
II-Dạng 1 : Tính pH của dung dịch axít mạnh, dung dịch bazơ mạnh
II.1.Tính pH của dung dịch axít mạnh
Trong dung dịch axít mạnh có các quá trình điện li :
HA H+ + A
H2O H+ + OH-
Theo định luật bảo toàn điện tích ta có :
(1) [H+] = [OH-] + [A-] Trường hợp 1 : [A-] >>[OH-] => [H+] [A-] (II.1)
Trường hợp 2 : Dung dịch Axít rất loãng [A-] nhỏ
[H+] 2 = [H+] [A-] + 10-14
<=> [H+] 2 - [H+] [A-] - 10-14 = 0
<=> [H+] 2 - [H+] C0- 10-14 = 0 (II.2)
Giải phương trình bậc 2 trên ta được giá trị của [H+]
- Khi nào dung dịch axít được xem là rất loãng ?
Phép gần đúng :
Nếu ta có : a + b và a + b a khi b << a
Thông thường với sự sai số nhỏ ở đây tôi đưa ra với b < 0,05a thì có thể xem là b << a Với các bài tập thông thường đây là sự sai số không đáng kể.Nếu bài toán có yêu cầu về độ chính xác cụ thể,có thể thay số và biến đổi tương tự
Trang 9gv : TR¦¥NG THÞ TUYÕN TR-êng THPT
Nếu C a < 4,47.10 -7 thì dung dịch axít là rất loãng và tính đến sự phân
li của H 2 O.Giải phương trình bậc 2 với [H + ] (II.2) và tìm được giá trị
II.2.Tính pH của dung dịch bazơ mạnh :
Trong dung dịch bazơ mạnh xảy ra các quá trình điện li :
BOH B+ + OH
H2O H+ + OH
Ta có : [OH-] = [H+] + [B+] Gọi Cb là nồng độ ban đầu của bazơ mạnh BOH
Biến đổi tương tự với bài toán của axit mạnh ta cũng có :
Khi Cb lớn (Cb > 4,47.10-7 ) thì có thể xem phân li của H2O không đáng
]
pH = 14 + lg[OH
-]
Ví dụ 2 : Tính pH của các dung dịch bazơ
a Dung dịch Ba(OH)2 0,01M ; b Dung dịch KOH 2,5.10-7M
Trang 10III.Dạng 2: Tính pH của dung dịch axít yếu và bazơ yếu
III.1.Tính pH của dung dịch axít yếu :
Kí hiệu : axít yếu là A, bazơ liên hợp là B
Ca : Nồng độ axít ban đầu
Ka : Hằng số phân li axít của A
] ].[
+ (B)
] [
B
A Ka
=
] [
]) [ (
B
B Ca
Ka
=
] [ ] [
]) [ ] [ (
OH H
Ca Ka
C << C H( A)) Hay ( )
2O H H
C < 0,05.C H( A))
20 ( )
2O H H
C < C H( A) => 20.[OH-] < [B]
=> 20.[OH-] [H+] < [H+].[B]
Trang 11] ].[
] [H 2
]
Ca
] [H 2
=> 2
] [H = Ka.Ca
= 380 (III.10) Như vậy:
- Khi K a C a < 2.10 -13 áp dụng phương trình (III.6)
- Khi K a C a > 2.10 -13 :
* Nếu
Ka
Ca
> 380 có thể xem [A] C a
Trang 12Và áp dụng công thức (III.9)
* Nếu
Ka
Ca
không đủ lớn (
Ka
Ca
< 380 ) thì [H + ] được tính từ phương trình (III.8)
Ví dụ 3 Tính pH của dung dịch HNO2 0,2M biết Ka = 4.10 4
= 500 > 380 ( lớn ) có thể xem [A] Ca và áp dụng công thức (III.8) ta có :
=> [H] = Ka.Ca = 0,2.4.10 -4
= 0,8944 10-2
=> pH=- lg[H] = - lg [0,8944.10-2]= 2,05
* Phát triển bài toán :
Có thể áp dụng phép lấy gần đúng và các công thức tương tự cho các dạng
bài tập: Bài toán tính pH của dung dịch muối tạo bởi cation của bazơ yếu
và gốc axít mạnh
Ví dụ 4 Coi trong dung dịch Fe3+
chỉ tồn tại sự điện li được biễu diễn bằng phương trình sau
Fe3+ +2H2O Fe(OH)2+ + H3O+ Ka=10-2,2
Tính pH của dung dịch FeCl3 0,05M ?
Hướng dẫn : Tương tự ví dụ 3, xét các điều kiện gần đúng
]
[H = Ka.Ca = 0,05.10-2,2 = 10-1,75
=> pH=- lg[H] = 1,75
III.2.Tính pH của dung dịch bazơ yếu :
Gọi : Cb là nồng độ ban đầu của bazơ yếu
Kb là hằng số điện li của bazơ yếu
- Khi Kb.Cb > 2.10-13 có thể xem sự điện li của H2O là không đáng kể
Trang 13gv : TR¦¥NG THÞ TUYÕN TR-êng THPT
*
Kb
Cb
lớn ( > 380) ta có thể sử dụng phép gần đúng Coi [B] Cb => [OH] = Kb.Cb (III.10)
*
Kb
Cb
nhỏ ( < 380) Tương tự ta áp dụng phương trình bậc 2 với [OH] :
2
] [OH + Kb.[OH]- Kb.Cb = 0 (III.11) => [OH]
- Khi Kb.Cb < 2.10-13 cần tính đến sự điện li của H2O.Tương tự biến đổi phần III.1 ta có phương trình bậc 3 với [OH]
4,4.10
0,2
> 380
Có thể xem : [CH3-NH2 ] Cb áp dụng công thức (III.10) ta có:
=> [OH] = Kb.Cb = 0,88.10-4 = 9,3808.10-3
=> pOH = 2,02776 => pH = 11,97224
*Phát triển bài toán : Có thể áp dụng phép lấy gần đúng và các công thức
tương tự cho dạng bài tập: Bài toán tính pH của dung dịch muối tạo bởi
cation của bazơ mạnh và gốc axít yếu
Ví dụ 6 : Tính pH của dung dịch natri benzonat ( C6H5COONa ) có nồng độ 2.10-5 Biết hằng số axit của axít benzonic bằng 6,29.10-5
Hướng dẫn : C6H5COONa Na+ + C6H5COO
Trang 1410 6,29 10
] ][H [B
1 1
;KB2 =
] [A
] ][OH [A
2 2
;KA2 =
] [A
] ][H [B
2 2
] ][H [B
1 1
] [A
] ][H [B
2 2
=> KA1 .KA2 = 2
] [H
] [A
] [B 1
2 ( do [B1] [A2])
- Khi :
A1
A1 K
C
> 380 và
B2
B2 K
C
> 380 thì ta có thể coi : [A1] CA1 và [B2] CB2
Nên ta có :
Trang 15gv : TR¦¥NG THÞ TUYÕN TR-êng THPT
KA1 .KA2 = 2
] [H
A1
B2 C
1
B
A A A C
C K
K =
) b(NH -14
) a(CH -14
3
COO CH
C = 5,56.10-10 0,5 > 2.10-13
A1
A1 K
C
K =
6,25.10
0,5 10
- > 380
B2
B2 K
C
3
COO CH
3
COO CH b
5,56.10
0,5 10
C = 0,5 nên có thể áp dụng công thức (IV.14) [H+] = K A1.K A2 = 10 5
10 8 , 1 10 25 ,
pH= -lg[H+
] = -lg(1,0607.10-7) = 6,9744
V Dạng 4: tính pH của dung dịch chất lưỡng tính
Trong dung dịch ta có thể bắt gặp các ion như : HCO3- , HSO3- , HS-,
H2PO4- , HPO42-…là các ion lưỡng tính Các ion đó vừa là axit yếu, vừa là bazơ yếu Ta có thể xem tương tự như bài toán tính pH của dung dịch chứa dồng thời axit yếu và bazơ yếu
Ví dụ 8 : Tính pH của dung dịch NaHCO3 0,5M biết axit cabonic có các hằng
số điện li axit là : K1 = 4,3.10-7 , K2 = 4,8.10-11
Hướng dẫn : - A1 là HCO3
-
có KA1 = K2
Trang 16*Trên cơ sở của phép lấy gần đúng và công thức ở 4 dạng bài tập trên
có thể phát triển với các dạng bài tập pH sau :
VI-Dạng 5 : Tính pH của dung dịch hỗn hợp axit mạnh và axít yếu
Gọi axít mạnh là HX có nồng độ C1(M), Gọi axít yếu là HA có nồng độ
C2(M), các quá trình điện li trong dung dịch là :
x) x(C 2
] = C1 + x
* Khi x << C2 và x << C1 => Ka = x
2
1 C
C
( VI.18)
Ví dụ 9 : Trộn 10 (ml) dung dịch CH3COOH 0,1M với 10(ml) dung dịch HCl 0,01M Tính pH của dung dịch thu được Cho Ka (CH3COOH) = 10-4,76
Trang 17-2 -2
= 5.10-3 (M)
C0 ( CH3COOH) =
2.10
.10 10 2 -
-2 -1
= 5.10-2 (M) -Ta có : Ca.Ka = 5.10-2 10-4,76 > 2.10-13 => xem sự điện li của H2O là không đáng kể
- áp dụng công thức (VI.16) ta có :
Ka =
) (5.10
x) x(5.10
2 - -3
x) x(C 2
C
( VII.21)
Ví dụ 10 : Hỗn hợp dung dịch bazơ mạnh và bazơ yếu :
Tính pH của dung dịch gồm NaOH 10-4
VIII- Dạng 7: Tính pH của dung dịch axit yếu và bazơ liên hợp
Gọi axit yếu là HA nồng độ Ca
