Bài tập hóa học từ nghiên cứu thực nghiệm

[Oxy]

"Tính pH để làm gì??"

Đó là câu hỏi nảy ra trong đầu mình khi có bạn hỏi xin bài tập tính pH. Chắc hẳn ai  học hóa phân tích đều từng làm bài tập kiểu "Tính pH của dung dịch CH₃COOH 0,01M biết pKa = 4,75". Đó chỉ là bài tập đơn giản giúp bạn củng cố và áp dụng lí thuyết, ok. Tuy nhiên nếu bạn tiếp tục giải những bài kiểu "Tính pH của dung dịch hỗn hợp gồm CH₃COOH 0,01M và H₃PO₄ 0,01M" thì...

Không khó để gặp những bài tập na ná như trên với độ khó khác nhau trong các cuốn bài tập về hóa phân tích. Ngày xưa mình cũng từng ngồi giải những bài tính pH lặp đến 3-4 lần để tìm ra giá trị pH "chính xác". Tuy nhiên sự thật là những bài tập mang tính kĩ thuật thuần túy như thế chẳng giúp ích gì cho việc phát triển tư duy hóa học. Một nhà hóa học thật sự phải biết cách pha dung dịch axit AcOH 0,01M, hoặc hỗn hợp của nó với H₃PO₄ 0,01M (nhưng chắc chẳng ai rảnh đi làm chuyện này), cắm pH kế vào và nhấn nút đo. Để pha dung dịch đệm hay điều chỉnh pH dung dịch nào đó ta cũng chỉ cần cắm pH kế vào rồi thêm axit/bazo đến giá trị cần thiết.

"Về thực chất, làm toán nghĩa là gì? Tôi cho rằng việc làm toán gồm bốn bước.Bước 1 là đặt câu hỏi đúng. Nếu bạn đặt câu hỏi sai, chắc chắn bạn sẽ nhận được lời giải sai. Bước 2 là chuyển vấn đề của thực tế thành dạng thức toán học.Bước 3 là những thao tác toán học để đi đến kết quả.Bước 4 là chuyển kết quả toán học thành lời giải thực tế và kiểm tra lời giải đó. Có điều ngộ nghĩnh là hiện nay chúng ta nhất quyết tin rằng mọi người đều phải thực hiện bước 3 một cách thủ công. Có lẽ đến 80% việc dạy toán tập trung vào bước 3, hầu như bỏ qua bước 1, 2 và 4. Trong khi đó, máy tính có thể thực hiện bước 3 tốt hơn con người rất nhiều. Tôi nghĩ rằng chúng ta cần để học sinh dùng máy tính ở bước 3 và dạy học sinh thực hiện bước 1, 2 và 4 trên phạm vi rộng lớn hơn nhiều so với hiện nay".

Trên đây là trích dẫn một đoạn trong bài phát biểu của nhà toán học Conrad Wolfram về việc "làm toán". Bài viết đầy đủ về bài phát biểu này có thể đọc ở đây:

http://echip.com.vn/buoc-nhay-wolfram-a20130313153205321-c1107.html

Dạy toán, đặc biệt là ở VN cũng như ở Nga hiện nay, tập trung chủ yếu vào bước 3. Nhìn sang các môn vật lí và hóa học thì các bước 2 và 4 cũng được thực hiện một cách tự động, vì chúng là các môn khoa học gắn với thực nghiệm nên đáp số phải có ý nghĩa vật lí, tuy nhiên bước số 1 vẫn bị bỏ qua. Đặt vấn đề (bước 1) và tìm lời giải cho vấn đề (các bước 2 3 4) là hai kĩ năng quan trọng, trong đó mình cho rằng phần "đặt vấn đề" là quan trọng hơn. Có lẽ đến 80% các vấn đề trong hóa học không xuất hiện từ lí thuyết, mà xuất hiện từ thực nghiệm. Vì vậy mình lập ra topic này để giúp các bạn yêu thích môn hóa học có thể tiếp xúc nhiều hơn với các vấn đề hóa học thực nghiệm và rèn luyện kĩ năng đặt vấn đề cũng như xử lí chúng. Cụ thể là mình sẽ post một phần của các đề tài nghiên cứu khoa học đã và đang thực hiện dưới dạng câu hỏi và bài tập. Các dữ kiện thực nghiệm thu được đều do mình hoặc những người cùng nghiên cứu tự tay thực hiện. Có những vấn đề đã được giải quyết, có những vấn đề vẫn đang cần suy nghĩ. Hy vọng là các bạn sẽ thấy hứng thú hơn là giải những bài tập kiểu "trên trời rơi xuống, không biết để làm gì" như trên. Mong là các bạn chienbinhnam2324, tutram1992, halogen1992, hongheo, phuonglien_9x, anh shindo... nếu đang nghiên cứu vấn đề gì hay ho mà có phần nào dễ hiểu thì cũng chia sẻ để mọi người cùng thảo luận .

------------------------------------
Hiện nay mình đang làm đề tài tổng hợp, phân tích thành phần và nghiên cứu tính chất của carbonated hydroxyapatite. Phần phân tích thành phần tương đối dễ hiểu đối với các bạn học sinh, chủ yếu liên quan đến chuẩn độ và phân tích trắc quang. Mình sẽ post dần dần phần giới thiệu, phương pháp, dữ liệu thực nghiệm và câu hỏi thảo luận trong thời gian tới. Ai ủng hộ, phản đối hay có ý kiến gì để lại comment nhé .

[Oxy]

Hydroxyapatite (HAP) là một loại khoáng chất của canxi, là thành phần vô cơ chủ yếu của men răng và xương. Một tinh thể HAP lí tưởng có công thức là Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Trên thực tế các ion Ca²⁺, PO₄^3- và OH^- đều có thể bị thay thế bởi các ion khác trong chừng mực nào đó mà không làm thay đổi cấu trúc tinh thể của HAP. Một trong những anion thay thế phổ biến là carbonate, hàm lượng của nó trong hydroxyapatite trong cơ thể chiếm khoảng 4-8% theo khối lượng.

Khi một phần ion phosphate bị thay thế bởi ion carbonate thì carbonated hydroxyapatite (CHAP) được gọi là loại B, còn khi một phần ion OH^- bị thay thế bởi carbonate thì ta có CHAP loại A . Để bù trừ sự thiếu hụt điện tích âm khi một ion carbonate (2-) thay thế một ion phosphate (3-) trong mạng lưới tinh thể HAP, có 2 cơ chế được đề nghị: 1 - thêm một ion OH^- vào cấu trúc; và 2- bớt một ion OH^- kèm theo sự giải phóng 1 ion Ca²⁺, tạo ra trong mạng lưới tinh thể các lỗ trống.

Câu hỏi 1:

1a. Viết công thức hóa học của carbonated hydroxyapatite khi một ion carbonate thay thế một ion phosphate theo các cơ chế nêu trên.

1b. Viết công thức hóa học tổng quát cho hai loại carbonated hydroxyapatite trên khi x ion carbonate thay thế x ion phosphate.

1c. Hydroxyapatite tổng hợp có thể coi là hỗn hợp của 2 loại trên. Đề nghị một công thức tổng quát chung cho carbonated hydroxyapatite loại B.

[dattoancqt]

a.Theo cơ chế 1: Ca₁₀(PO₄)₅(OH)₃(CO₃)
Theo cơ chế 2: Ca₉(PO₄)₅(OH)(CO₃)
b.CT tổng quát
Cơ chế 1:Ca₁₀(PO₄)_6-x(OH)_2+x(CO₃)_x
Cơ chế 2:Ca_10-x(PO₄)_6-x(OH)_2-x(CO₃)_x
c.Em không hiểu câu hỏi lắm ạ, CT tổng quát cho lại B thì làm ở câu b rồi....

[Oxy]

2 câu a và b em làm đúng rồi. Tuy nhiên trên thực tế không tồn tại 2 "loại" CHAP trên một cách riêng rẽ mà trong quá trình tổng hợp thì cả 2 cơ chế xảy ra đồng thời, dẫn đến một sản phẩm duy nhất, có công thức ví dụ như Ca_9,5(PO₄)₅(CO₃)(OH), tức là không đúng với một công thức nào trong 2 công thức ứng với 2 cơ chế đó. Nếu coi sản phẩm đó là hỗn hợp của 2 loại CHAP thì có thể đưa ra một công thức tổng quát hơn, chung hơn, đây là yêu cầu của câu c. Câu này đòi hỏi phải suy nghĩ một chút chứ không dễ như 2 câu trên.

[dattoancqt]

Vậy thì thế này đúng không ạ :Ca_10+(y-x)/2(PO₄)_6-x(CO₃)_x+y(OH)_2-y

[Oxy]

Em có thể giải thích tại sao đưa ra được công thức đó?

[dattoancqt]

À , em nghĩ là nếu là hỗn hợp của cả 2 loại CHAP thì cả PO₄ và OH đều bị thay thế vì vậy PO₄ sẽ là 6-x và OH là 2-y
,CO₃ thay thế là x+y.Bảo toàn điện tích thì tìm được số nguyên tử Ca ạ ...

[Oxy]

Tiếc là chưa đúng, nhưng vì đề bài anh nói chưa được rõ ràng. Ở đây mình cần tìm công thức tổng quát cho CHAP loại B, nghĩa là khi CO₃^2- thay thế PO₄^3-. Người ta đề nghị ra 2 cơ chế tương ứng với 2 công thức chỉ riêng cho loại B. Trong một công thức ta thấy là số lượng nhóm OH có giảm đi, nhưng điều đó không có nghĩa đây là CHAP loại A. Số lượng nhóm OH giảm đi là hệ quả gián tiếp của việc CO₃^2- thay thế PO₄^3- thông qua định luật bảo toàn điện tích chứ không phải do CO₃^2- thay thế trực tiếp OH^-. Phân biệt 2 loại A và B vì chúng có cấu trúc khác nhau.

Công thức chung cho CHAP loại A (PO₄^3- không bị thay thế) là Ca₁₀(PO₄)₆[(OH)_2-2x(CO₃)_x]

Thực tế CHAP tồn tại ở dạng AB hỗn hợp, nhưng các phương pháp tổng hợp thông thường (kết tủa từ dung dịch) cho sản phẩm chủ yếu là CHAP loại B. Để thu được CHAP loại A hay AB bằng con đường tổng hợp người ta xử lí CHAP ở nhiệt độ cao trong khí quyển CO₂.