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 BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ ĐỀ CAO - LỚP CAO HỌC 17 HÓA HỮU CƠ b) Cu (Cu, Cu + , Cu 2+ , 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 ⇒ E = 0,159V - Khi 1,34 < pH≤ 4,37: xuất hiện kết tủa Cu(OH) ⇒ E = 0,08 + 0,059pH - Khi pH > 4,37: xuất hiện cả hai kết tủa ⇒ E = 0,596-0,059pH + 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 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 . 12 Học viên thực hiện: Trần Anh Sơn 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. 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)