Biến đổi hóa học

Dây đồng có thể không thay đổi trong axit loãng trong khi magie sủi bọt. Pin sau đó có thể ép một phản ứng sẽ không xảy ra nếu chỉ trộn lẫn các chất riêng lẻ. Sử dụng dãy hoạt động hóa học, các hạt có mặt và điều kiện phản ứng để giải thích sự khác biệt này. Các trang 4.1–4.3 chứa bài tập thực hành gốc và hướng dẫn chấm điểm do tác giả biên soạn; yêu cầu của cấp độ cao (HT) được ghi nhãn rõ ràng.

Nguyên tử kim loại tạo thành ion dương. Kim loại càng hoạt động mạnh thì xu hướng này càng lớn. Hãy học Kali, Natri, Lithi, Canxi, Magie, Kẽm, Sắt và Đồng theo thứ tự giảm dần độ hoạt động. Carbon và Hydro là các điểm tham chiếu hữu ích; chúng không phải là kim loại.

Ở nhiệt độ phòng, Kali, Natri và Lithi tác dụng với nước tạo thành hydroxide tan và hydro. Natri thường nóng chảy thành viên bi; Lithi nổi lên và sủi bọt; Kali có thể cháy với ngọn lửa màu tím nhạt. Canxi sủi bọt và tạo thành canxi hydroxide; hỗn hợp có thể trở nên đục. Magie tác dụng rất chậm với nước lạnh; kẽm, sắt và đồng không có hiện tượng phản ứng rõ rệt. So sánh các điều kiện tương ứng và các mẫu sạch, có kích thước giống nhau. Phản ứng với hơi nước nằm ngoài phạm vi mục này.

Với axit clohydric hoặc axit sunfuric loãng, magie, kẽm và sắt tạo ra muối và hydro; đồng thì không. Các kim loại hoạt độ cao hơn magie phản ứng quá mãnh liệt để so sánh với axit thông thường trong phòng thí nghiệm. Đeo kính bảo hộ; giữ xa hydro khỏi ngọn lửa khi thu gom. Hóa học axit-kim loại quy định sử dụng Mg, Zn và Fe với hai loại axit này; đừng áp dụng quy tắc hydro của nó cho axit nitric.

Thay thế xảy ra khi một kim loại hoạt độ cao hơn thay thế một kim loại hoạt độ thấp hơn ra khỏi hợp chất. Ví dụ với kẽm trong đồng(II) sunfat:

Đồng tạo thành và dung dịch màu xanh nhạt đi khi ion đồng bị loại bỏ. Kết quả có thể xác định vị trí một kim loại giữa hai kim loại đã biết; nhưng chỉ một phép thử đơn lẻ không thể xác định toàn bộ thứ tự của nó.

Kim loại nhận oxygen để tạo thành oxit: $\mathrm{2Mg+O_2\rightarrow2MgO}$. Đây là oxy hóa. Sự mất oxygen là khử. Vàng có thể tồn tại dưới dạng kim loại nguyên chất vì nó không hoạt động. Hầu hết các kim loại tồn tại dưới dạng hợp chất. Carbon có thể khử oxit của các kim loại nằm phía dưới nó; một kim loại nằm phía trên carbon cần một phương pháp khác như điện phân. Các quy trình chiết xuất công nghiệp chi tiết không yêu cầu ở đây; hãy sử dụng bất kỳ thông tin bổ sung nào về quy trình được cung cấp trong đề bài.

Ví dụ minh họa chuyển giao oxy. Trong $\mathrm{2Fe_2O_3+3C\rightarrow4Fe+3CO_2}$, oxit sắt mất oxy và bị khử. Carbon nhận oxy và bị oxy hóa. Phương trình bảo toàn bốn nguyên tử sắt, sáu nguyên tử oxy và ba nguyên tử carbon.

HT: chuyển giao electron. Oxy hóa là sự mất electron; khử là sự nhận. Đối với phản ứng thế giữa kẽm và đồng, bỏ qua ion sunfat không thay đổi:

Nguyên tử kẽm bị oxy hóa; ion đồng (không phải nguyên tử đồng) bị khử. Đối với $\mathrm{Mg+2HCl\rightarrow MgCl_2+H_2}$, Mg mất hai electron và hai ion H⁺ nhận chúng; ion clorua không thay đổi.

Một axit trong nước tạo ra ion H⁺. Một bazơ tan là một bazơ mà dung dịch nước của nó chứa ion OH⁻; nó không cho electron để trung hòa axit. Phản ứng trung hòa giữa axit và bazơ tạo thành muối và nước. Muối cacbonat cũng tạo ra carbon dioxide. Thay vào đó, phản ứng với kim loại tạo ra hydro.

• Axit clohydric tạo cloa; axit nitric tạo nitrat; axit sunfuric tạo sunfat.
• Ion dương đến từ kim loại, bazơ hoặc carbonat. Cân bằng điện tích trước khi cân bằng phương trình.
• Ví dụ: Ca²⁺ và NO₃⁻ tạo thành Ca(NO₃)₂, chứ không phải CaNO₃.

• $\mathrm{H^+(aq)+OH^-(aq)\rightarrow H_2O(l)}$ là phương trình trung hòa ion.

Thực hành bắt buộc 1: tinh thể đồng(II) sunfat khô thuần khiết. Nhẹ nhàng đun nóng dung dịch axit sunfuric loãng, thêm đồng(II) oxide từng phần nhỏ kèm khuấy đều cho đến khi còn lại một ít chất rắn đen, rồi lọc. Lượng dư không tan của chất rắn cho thấy axit đã phản ứng; lọc sẽ loại bỏ phần dư đó. Đun nóng nhẹ dung dịch lọc màu xanh lam trong bồn nước hoặc bằng máy gia nhiệt điện để cô đặc, nhưng không để bay hơi cạn. Để nguội và kết tinh. Lọc tinh thể, rửa bằng một ít nước cất lạnh và sấy khô trên giấy lọc. Rửa để loại bỏ dung dịch bám bề mặt; dùng ít nước lạnh để hạn chế mất tinh thể. Luôn đeo kính bảo hộ và cẩn thận với thiết bị đang nóng. Phương pháp viết này không thay thế cho thực hành được giám sát.

Bảng pH. Ở mức này, pH chạy từ 0 đến 14: dưới 7 là axit, 7 trung tính, trên 7 là kiềm. Sử dụng chất chỉ thị đa năng kèm bảng màu để ước lượng pH, hoặc dùng máy đo pH phù hợp để đọc giá trị. Thêm chất chỉ thị vào mẫu nhỏ, không thêm vào bình chứa gốc. Một chất chỉ thị dải hẹp đơn lẻ chỉ xác định điểm kết thúc thể tích phân tích phù hợp nhưng không đo được toàn bộ dải pH. Pha loãng axit làm giảm nồng độ H⁺ và đưa pH tiến gần về 7; nó không biến axit thành base.

Thực hành bắt buộc 2, hóa học duy nhất: thể tích phân tích. Rửa pipet bằng dung dịch kiềm, dùng bơm pipet chuyển một thể tích cố định vào phễu tam giác, rồi thêm vài giọt chất chỉ thị phù hợp. Rửa burette bằng axit; đổ đầy và loại bỏ bọt khí đầu vòi. Đọc đáy mặt cong ở tầm mắt và ghi lại giá trị ban đầu cùng cuối. Lắc phễu và thêm axit chậm rãi, từng giọt khi gần điểm kết thúc, đặt trên mặt bàn trắng. Thể tích tiêu thụ là giá trị cuối trừ đi giá trị ban đầu. Thực hiện thử thô trước, sau đó lặp lại các lần chính xác và lấy trung bình các thể tích phân tích đồng nhất theo sai số quy định; loại bỏ kết quả thử thô. Thêm nước cất vào phễu giúp rửa trôi văng bắn mà không thay đổi lượng kiềm. Công việc thực tế vẫn là bắt buộc.

Tính toán HT mẫu. 20.0 cm³ dung dịch 0.100 mol/dm³ NaOH phản ứng với 25.0 cm³ axit sunfuric. Tìm nồng độ mol và nồng độ khối lượng của axit; $M(\mathrm{H_2SO_4})=98$ g/mol.

HT: axit mạnh và axit yếu. Một axit mạnh bị điện ly hoàn toàn trong nước; hydrocloric, nitric và sulfuric là các ví dụ cụ thể. Một axit yếu chỉ bị điện ly một phần; ethanoic, citric và carbonic là các ví dụ. Ở cùng nồng độ, axit mạnh hơn có pH thấp hơn. Nồng đặc/pha loãng mô tả lượng axit mỗi đơn vị thể tích dung dịch, trong khi mạnh/yếu mô tả mức độ điện ly. Pha loãng axit mạnh không biến nó thành axit yếu. Mỗi bước pH tương đương với gấp mười lần nồng độ H⁺; pH 2 có 1000 lần nồng độ H⁺ của pH 5. Tính trung tính liên quan đến sự cân bằng giữa H⁺ và OH⁻, chứ không phải sự vắng mặt của ion.

Electrolyte dẫn điện khi các ion của nó có thể di chuyển: một hợp chất ion có thể ở trạng thái nóng chảy hoặc hòa tan trong nước. Các ion không thể mang điện tích qua mạng tinh thể rắn vì chúng không thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Điện phân sử dụng dòng điện để phóng điện các ion tại điện cực và tạo ra các nguyên tố. Cation di chuyển về phía cathode âm và nhận electron; anion di chuyển về phía anode dương và mất electron. Ion mang điện tích trong chất lỏng; electron mang điện tích qua mạch kim loại bên ngoài.

Hợp chất nhị phân nóng chảy, điện cực trơ. Chì bromua tạo chì ở cathode và bromine ở anode. Kẽm clorua nóng chảy tạo kẽm và clo. Không có nước để cạnh tranh trong muối nóng chảy.

Chiết xuất nhôm. Nhôm nằm trên carbon. Điện phân tiêu thụ nhiều năng lượng điện cho dòng điện và quá trình gia nhiệt. Oxide nhôm hòa tan trong cryolite nóng chảy; hỗn hợp có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với oxide nhôm thuần túy, giảm nhu cầu gia nhiệt. Oxy hình thành tại anode cacbon dương phản ứng với nó tạo ra cacbon dioxide, nên anode này phải được thay thế. Sơ đồ áp dụng cho hỗn hợp nóng chảy này, không phải muối nhôm trong dung dịch nước.

Dung dịch nước với điện cực trơ. Nước cung cấp H⁺ và OH⁻ như những khả năng bổ sung. Theo quy tắc GCSE được chỉ định, kim loại nằm dưới hydro sẽ lắng đọng tại cathode; nếu kim loại nằm trên hydro thì hydro sẽ tạo thành. Tại anode, một halogenide sẽ giải phóng halogen của nó; ngược lại oxy sẽ tạo thành. Nồng độ và vật liệu điện cực có thể quan trọng trong hệ thống thực tế; hãy sử dụng các điều kiện đã cung cấp và không chuyển đổi dự đoán điện cực trơ sang điện đồng phản ứng mà không có thông tin bổ sung.

Thực hành bắt buộc 3. Xây dựng giả thuyết cho mỗi dung dịch trước khi thử nghiệm với điện cực trơ. Sử dụng các mẫu riêng biệt có nhãn, cùng vật liệu/khoảng cách điện cực, nguồn DC điện áp thấp phù hợp và thời gian thử nghiệm tương ứng. Quan sát từng điện cực riêng biệt. Thử nghiệm hydro bằng cách đặt que đốm đang cháy vào mẫu thu thập nhỏ (tiếng pop); oxy làm sáng lại que đốm than; clo tẩy màu giấy quỳ ẩm. Sự lắng đọng đồng có màu hồng nâu. Đeo kính bảo hộ, tránh tiếp xúc da, và chỉ sử dụng lượng khí nhỏ với thông gió tốt và giám sát của giáo viên; tuyệt đối không ngửi mùi clo. Rửa điện cực giữa các dung dịch để giảm ô nhiễm. So sánh bằng chứng thực tế với giả thuyết; sự vắng mặt khí nhìn thấy không phải là bằng chứng cho thấy không có phản ứng. Dự đoán viết tay không thay thế cho công việc thực tế.

HT: phương trình bán phản ứng. Cân bằng nguyên tử trước, sau đó cân bằng điện tích bằng electron; electron nằm bên trái cho quá trình khử và bên phải cho quá trình oxi hóa.

Trong phương trình oxit, chất tham gia là hai ion oxit, không phải peroxit hay phân tử oxy mang điện tích. Kiểm tra cả hai nguyên tử oxy và tổng điện tích −4. Trong phương trình hydroxide, bốn nguyên tử oxy và bốn nguyên tử hydro xuất hiện ở cả hai vế, với tổng điện tích −4 ở cả hai vế.

• Sử dụng các phản ứng quan sát được để sắp xếp thứ tự các kim loại chưa biết; phân biệt phản ứng redox chuyển giao oxy và HT chuyển giao electron.
• Chọn thuốc thử và phương pháp tách để tạo ra một muối khô tinh khiết theo tên; suy ra công thức từ điện tích.
• Giải thích đo pH, pha loãng, độ mạnh và nồng độ; tiến hành các phương pháp chuẩn độ hóa học và tính toán HT với tỉ lệ đã cân bằng.
• Dự đoán sản phẩm nóng chảy/nước, giải thích chiết xuất nhôm, và kiểm tra giả thuyết RP3; sinh viên HT cân bằng cả hai phương trình bán phản ứng.
• Thử các nhiệm vụ chưa quen thuộc trong biểu mẫu 4.1–4.3 trước khi xem hướng dẫn chấm điểm. Sự tham gia thực hành và tích hợp nguồn gốc chân thực là các kiểm tra riêng biệt.