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

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 I1 và I2 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 V3+ BÀI LÀM: Câu 1: a) Cấu hình của nguyên tử C: 1s22s22p2. 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: 5,7 2 E1s = –13,6. 2 = – 441,864 (eV) 1 3,25 2 E2s ≈ E2p = –13,6. = – 35,9125 (eV) 22 Xác định hàm sóng AO: Ψn.l ,ml = R n ,l ( r ) .Yl , m l Trong đó: (θ ,ϕ) Ψ n.l , ml : hàm sóng của electron nào đó Rn ,l ( r ) : hàm bán kính. Yl ,m (θ ,φ ) : hàm góc. l Vậy: Ψ1s = c1.e −5,7. Ψ 2 s = c2 .r.e r ao . −3,25. Ψ 2 px = c3 .r.e 1 2 π r 2 ao −3,25. . r 2 ao r 2 ao 1 2 π . 3 sin θ cos ϕ 2 π 3 sin θ sin ϕ 2 π Với c1, c2, c3: hằng số chuẩn hóa. b) Tính I1, I2 của Al Al → Al+ + 1e , I1 = E Al + – EAl Al+ → Al2+ + 1e , I2 = E Al 2+ – E Al + Ψ 2 pz = c3 .r.e −3,25. . Cấu hình của Al: 1s22s22p63s23p1. Tính EAl: Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn 3 BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ 12, 7 2 = –2193,544 (eV) 12 8,852 Z*2s2p = 13 – (2.0,85 + 7.0,35) = 8,85 ⇒ E2s2p = –13,6 . 2 = –266,2965 (eV) 2 3,52 Z*3s3p = 13 – (2.1 + 8.0,85 + 2.0,35) = 3,5 ⇒ E3s3p = –13,6 . 2 = –18,511 (eV) 3 ⇒EAl = E1s + E2s2p + E3s3p = –2193,544 –266,2965 –18,511 = – 6572,993 (eV) Tính E Al : Z*1s = 13 – 0,3 = 12,7 ⇒ E1s = –13,6 . + 12, 7 2 = –2193,544 (eV) 12 8,852 Z*2s2p = 13 – (2.0,85 + 7.0,35) = 8,85 ⇒ E2s2p = –13,6 . 2 = –266,2965 (eV) 2 3,852 Z*3s3p = 13 – (2.1 + 8.0,85 + 0,35) = 3,85 ⇒ E3s3p = –13,6 . 2 = –22,398 (eV) 3 E ⇒ Al + = E1s + E2s2p + E3s3p = –2193,544 –266,2965 –22,398 = – 6562,398 (eV) Tính E Al 2+ : Z*1s = 13 – 0,3 = 12,7 ⇒ E1s = –13,6 . 12, 7 2 = –2193,544 (eV) 12 8,852 Z*2s2p = 13 – (2.0,85 + 7.0,35) = 8,85 ⇒ E2s2p = –13,6 . 2 = –266,2965 (eV) 2 2 4, 2 Z*3s3p = 13 – (2.1 + 8.0,85) = 4,2 ⇒ E3s3p = –13,6 . 2 = –26,656 (eV) 3 ⇒ E Al 2+ = E1s + E2s2p + E3s3p = –2193,544 –266,2965 –26,656 = – 6544,116 (eV) Z*1s = 13 – 0,3 = 12,7 ⇒ E1s = –13,6 . Vậy: I1 = E Al + – EAl = – 6562,398 – (– 6572,993) = 10,737 (eV) I2 = E Al 2+ – E Al + = – 6544,116 – (–6562,398) = 18,14 (eV) Nhận xét: Năng lượng ion hóa I2 lớn hơn rất nhiều so với I1 do việc tách electron thứ hai ra khỏi nguyên tử khó khăn hơn. Câu 2: a) Cấu hình nguyên tử C: 1s22s22p2. Khi xác định số hạng ta chỉ cần xét phân lớp p2. t! 6! = = 15 vi trạng thái khả dĩ. Ứng với phân lớp p2 có N = e !( t − e ) ! 2!( 6 − 2 ) ! MS ML +1 0 –1 (1– 1+) +2 +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 Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn (–1+ –1–) 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 ⇒ 1D L=1, S=1 ⇒ 3P L=0, S=0 ⇒ 1S Xác định số hạng cơ bản: trong ba số hạng 1D, 3P, 1S thì 3P là số hạng có độ bội lớn nhất. Số lượng tử nội của 3P là 2, 1, 0. Suy ra số hạng cơ bản là: 3P0. b) Cấu hình của ion nguyên tử V3+ là: 1s22s22p63s23p63d2. t! 10! = = 45 vi trạng thái khả dĩ: Ta chỉ cần xét phân lớp d2 ⇒ có N = e !( t − e ) ! 2!( 10 − 2 ) ! MS ML +1 0 –1 (2+ 2–) +4 +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 ⇒ 1G L=3, S=1 ⇒ 3F L=2, S=0 ⇒ 1D L=1, S=1 ⇒ 3P L=0, S=0 ⇒ 1S Xác định số hạng cơ bản: 3F và 3P có cùng độ bội nhưng L=3 lớn hơn nên số hạng cơ bản là 3F. Số lượng tử nội của 3F là 4, 3, 2. Suy ra số hạng cơ bản là 3F2. Bài số 2: ĐỀ RA: Câu 1: a) Dùng Excel vẽ giản đồ Ellingham của các hệ Ag2O, CuO, FeO, ZnO, C→CO, CO→CO2, C→CO2, SiO2, TiO2, Al2O3, 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, Zn2+, Zn(OH)2) b) Cu (gồm Cu, Cu+, Cu2+, 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, Mn2+) BÀI LÀM: Giải bài 1: Dùng excel vẽ giản đồ Ellingham của các hệ : < Số liệu được lấy từ: Handbook Of Chemistry And Physics > O2 ∆H o S ∆S o ∆H o S ∆S o Bảng 1,2: Entanpy và Etropy chuẩn của một số chất Ag Ag2O Cu CuO Fe FeO Zn ZnO C CO 0 0 -31,06 0 -157,4 0 -272 0 -384,5 0 -110,5 205,2 42,6 121,4 33,17 42,66 27,29 83,3 41,65 43,66 5,7 197,7 CO2 Si SiO2 Ti TiO2 Al Al2O3 Mg MgO Ca CaO -393,5 0 -910,7 0 -944 0 -1676,8 0 -602,1 0 -635,5 213,8 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 tnc (oC) 961,9 1083 1535 419,5 3550 1410 1660 660,3 648,7 ts (oC) 2212 2567 2570 907 4827 2355 3287 2467 1090 o ∆H cp 11,3 13,5 13,8 7,322 50,54 15,45 10,79 8,954 r→l 421 293,3 127,4 l→h 250,5 300,2 349,6 115,3 355,7 384,2 Ca 839 1484 8,54 153,6 Lập các phương trình ∆GTo − T : Với Ag2O : 4Ag(r) + O2(k) → 2Ag2O(r) (1) Ag(r) → Ag(l) (2) 4Ag(l) + O2(k) → 2Ag2O(r) (3) Ag(l) → Ag(k) (4) 4Ag(k) + O2(k) → 2Ag2O(r) (5) + Khi T < Tnc : Diễn ra quá trình (1) ⇒ ∆H o =-62,12 (kJ/mol) o o o ∆S o = ∆S Ag O – ∆S O – 2 ∆S Ag = -133 (J/mol.độ) = -0,133 (kJ/mol.độ) 2 2 o ⇒ ∆G = -62.12 + 0.133T +Khi Tnc ≤ T < Ts : o ∆H cp = 11,3 (kJ/mol) o ∆H cp o ⇒ ∆S cp = = 11,3/(961,9+273) = 9,15.10-3 (kJ/mol.độ) Tnc Ta có : (3) = (1) – 4*(2) ⇒ ∆H o = -62,12–4*11,3 = -107,32 (kJ/mol) ∆S o = -0,133-4*9,15.10 -3 = -0,17 (kJ/mol.độ) ⇒ ∆G o = -107.32 + 0.17T +Khi Ts ≤ T : Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn 6 BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ o ∆H cp = 250,5 (kJ/mol) o ⇒ ∆S cp = o ∆H cp = 250,5/(2212+273)= 0,101 (kJ/mol.độ) Ts Ta có : (5) = (3) –4*(4) ⇒ ∆H o = -107,32–4*250,5= -1109,32 (kJ/mol) ∆S o = -0,17-4*0,101= -0,573 kJ/mol.độ ⇒ ∆G o = -1109.32 + 0.573T Tương tự với các hợpchất khác ta được kết quả như sau : T < Tnc Tnc ≤ T < Ts Ag2O -62.12 + 0.133T -107.32 + 0.17T CuO -314.8 +0.186T -341.8 +0.206T FeO -272 + 0.149T -287.45 + 0.157T ZnO -697 + 0.201T -711.644 +0.222T -221 -0.179T -221 -0.179T C → CO -566 + 0.173T -566 + 0.173T CO → CO2 -393.5- 0.003T -393.5- 0.003T C → CO2 SiO2 -910.7 + 0.183T -961.24 + 0.213T TiO2 -944 + 0.185T -959.45 + 0.193T Al2O3 -1117.867 + 0.209T -1132.254 + 0.224T MgO -1204.2 + 0.217T -1222.108 + 0.236T CaO -1271.02 + 0.209T -1288.1 + 0.224T Ts ≤ T -1109.32 + 0.573T -942.2 +0.417T 287.45 + 0.157T -942.244 +0.417T -932.4- 0.04T -566 + 0.173T -749.2 + 0.067T -1345.44 + 0.359T -1380.45 + 0.311T -1523.321 + 0.367T -1476.908 + 0.423T -1595.3 + 0.399T Dựa vào giản đồ trên ta thấy nhiệt độ thấp nhất có thể khử ZnO về Zn bằng C là 1200oK, tiến hành giải các phương trình ∆G của Zn– ZnO và C – CO ta được nghiệm chính xác là 1210,141oK. Câu 2: Dựng giản đồ E –pH cho các hệ: a) Zn (Zn, Zn2+, Zn(OH)2): Zn2+ + 2e → Zn; Eo =-0,763V Zn2+ + 2OH- → Zn(OH)2; T = 10-17 Giả sử [Zn2+] = 1M - Khi bắt đầu xuất hiện kết tủa: T =[Zn2+][OH-]2 = 10-17 ⇒ [OH-] = 10-8,5 M ⇒ pOH = 8,5 ⇒ pH = 5,5 Xét cặp Zn2+/Zn : Theo phương trình Nernst ta có : 0,059 lg[ Zn 2+ ] 2 0,059 = −0,763 + lg[ Zn 2+ ] 2 o E Zn 2 + / Zn = E Zn + 2+ / Zn ⇒ E Zn 2+ / Zn (*) - Khi pH ≤ 5,5 thì chưa xuất hiện kết tủa, [Zn2+] = 1M ⇒ E = -0,763(V) - Khi pH > 5,5 thì xuất hiện kết tủa Zn(OH)2, [ ] T T. H + Khi đó [Zn ] = = OH − 10 −28 Thay vào (*) ta có : 2+ [ E Zn 2 + / Zn = −0,763 + ] 2 [ ] = 1011. H + (1) 2 [ ] 2 0,059 0,059 lg[ Zn 2+ ] = −0,763 + lg(1011. H + ) 2 2 ⇒ EZn 2 + / Zn = −0,4385 + 0,059 lg[ H + ] = − 0,4385 − 0,059 pH Từ (1) và (2) ta được giảnđồ E– pH như sau : Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn (2) 7 BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ b) Cu (Cu, Cu+, Cu2+, CuOH, Cu(OH)2): Tương tự như của Zn, ta được kết quả như sau : + Cặp Cu 2+/Cu+ : - Khi pH ≤ 1,34: chưa có kết tủa - Khi 1,34 < pH≤ 4,37: xuất hiện kết tủa Cu(OH) - Khi pH > 4,37: xuất hiện cả hai kết tủa + + Cặp Cu /Cu : - pH ≤ 1,34 Chưa có kếttủa E = 0,531V - 1,34 < pH Xuất hiệnkết tủaCu(OH) E = 0,61- 0,059pH Qua đóta được giảnđồ sau : Bài tập hoá vô cơ đề cao Phan Hoài Thanh Cao học 16 – PPGD Hoá học 16 Họ và tên : Phan Hoài Thanh Lớp Cao học 16 - PPGD Hoá học -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 10. ĐồthịLatimer: 1,21,181,71,631,36 4322 ClOClOClOHClOClCl   ? Ta có các quátrìnhsau : 2HClO + 2H + + 2e  Cl 2 + 2H 2 O G 0 1 = -2E 1 .F Cl2 + 2e  2Cl - G 0 2 =-2E 2 .F 2HClO + 2H + + 4e  2Cl + 2H 2 O G 0 = -4E.F G 0 =G 0 1 + G 0 2  2E = E 1 + E 2  12 EE1,631,36 E1,495 22   V 11. Xây dựngđồ thị Frost : 0,7V1,76V 2222 OHOHO  Bài tập hoá vô cơ đề cao Phan Hoài Thanh Cao học 16 – PPGD Hoá học 17 Frost Diagram, Oxygen, pH = 0 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0 -1 -2 Họ và tên : Phan Hoài Thanh Lớp Cao học 16 - PPGD Hoá học 1,2V1,18V1,7V1,63V1,36V 4322 ClOClOClOHClOClCl   Frost Diagram, Chlorine, pH = 0 -2 0 2 4 6 8 10 12 Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn ⇒ E = 0,159V ⇒ E = 0,08 + 0,059pH ⇒ E = 0,596-0,059pH 8 BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ 7 5 3 1 0 -1 Họ và tên : Phan Hoài Thanh Lớp Cao học 16 - PPGD Hoá học Bài tập hoá vô cơ đề cao Phan Hoài Thanh Cao học 16 – PPGD Hoá học 18 0,56V2,26V0,95V1,51V1,18V 232 4 42 MnOMnOMnOMnMnMn    Frost Diagram, Manganese, pH = 0 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 6 4 3 2 0 Họ và tên : Phan Hoài Thanh Lớp Cao học 16 - PPGD Hoá học Từ đồ thịta thấytạiđiểm Mn(VI) và Mn(III) lồilên, thường kémbền, cóthể thực hiệnsự dịphân Theo tínhtoánta có : Mn(VI) : E = 2,26– 0,56 = 1,70 > 0  2 4 MnO  sẽtựoxi hoá -tự khửtạo thành 2 MnO và 4 MnO  Mn(III) : E = 1,51– 0,95 = 0,56 > 0  3 Mn  sẽtựoxi hoá -tự khửtạo thành 2 Mn  và 2 Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn 9