Câu hỏi và bài tập Sự điện ly

Câu hỏ i v à b à i t ập về s ự đ i ện ly Câu 1: Hãy mô tả sự tạo thành dung dịch? Trả lời: a) Cấu tạo phân tử nước: Nước là một phân tử 3 nguyên tử gấp khúc với góc liên kết bằng 104,5o. Do chênh lệch độ âm điện giữa nguyên tử ôxi và hiđro nên liên kết OH phân cực mạnh về phía nguyên tử ôxi. Nguyên tử ôxi mang một phần điện tích âm còn nguyên tử hiđro mang một phần điện tích dương nhưng phân tử vẫn trung hoà điện. Phân tử nước là một lưỡng cực điện với đầu âm là nguyên tử ôxi và đầu dương là nguyên tử H. Chính sự phân cực của nước dẫn đến những tính chất rất bất thường: nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong các hợp chất cùng loại trong cùng nhóm 6 A; tự ion hoá một phần nhỏ trong trạng thái nguyên chất, có khối lượng riêng giảm dần khi nhiệt độ giảm từ 4oC đến 0oC và từ 4oC đến 100oC. Khi hoà tan các chất vào nước có thể nói trong nhiều trường hợp như có phản ứng hoá học xảy ra vì nhiều chất thay đổi dạng tồn tại trong dung dịch nước. b) Sự hoà tan của các chất khí: + Khi hoà tan các chất khí, động năng của các chất khí giảm. Năng lượng dư sẽ biến thành nhiệt nên hầu hết các quá trình hoà tan khí đều toả nhiệt. Tuy nhiên không phải khí nào cũng có thể tan trong nước. Các phân tử khí không phân cực ít tan trong nước. Phân tử ôxi không phân cực nên chỉ tan được 31 ml O2 trong 1 lít nước. + Các phân tử nước là các phân tử phân cực vì thế chỉ có các phân tử phân cực mới tan tốt trong nước. Có thể lấy thí dụ là các quá trình hoà tan NH3, SO3. ở 20oC, 800 lít NH3 có thể tan trong một lít nước. SO3 tan vô hạn trong nước và tạo ra H2SO4. Nhiệt hoà tan SO3 rất lớn và gây ra hiện tượng xèo xèo như nhúng một thanh sắt nóng đỏ vào nước. + Khi hoà tan HCl vào nước, do phân tử HCl phân cực nên sẽ bị các phân tử nước làm cho phân cực hơn nữa. Sự phân cực tiếp tục làm cho HCl bị phân li thành ion khoảng 20% trong dung dịch nước. Các ion H+ và Cl- tồn tại trong dung dịch ở dạng các ion hiđrat hoá (một ion bị bao vây bởi một số phân tử nước). c) Sự hoà tan của chất lỏng: + Khi hoà tan các chất lỏng trong nước, công tách các phân tử chất tan ra khỏi nhau không lớn. Nhiệt hoà tan và khả năng tan của chất phụ thuộc độ phân cực của các phân tử chất tan. + Các chất lỏng không phân cực ít tan hoặc không tan trong nước. Có thể lấy thí dụ các chất không phân cực gần như không tan trong nước là dầu hoả hay các hiđrocacbon nói chung. Các chất như anđehit, phênol, anilin ít tan trong nước. Các chất lỏng phân cực mạnh, có thể tạo liên kết H dễ tan và tan hoàn toàn trong nước: C2H5OH, CH3COOH, C3H5(OH)3. + Các chất lỏng tan và phân li được thành ion sẽ tan rất tốt trong nước: H2SO4, HNO3,. d) Sự hoà tan của chất rắn tinh thể: + Khi hoà tan chất rắn trong nước, có hai quá trình xảy ra đồng thời. Quá trình phá vỡ liên kết của các phân tử, nguyên tử hay ion trong trạng thái rắn (cần cung cấp năng lượng). Quá trình hiđrat hoá các phân tử, nguyên tử hay ion (toả nhiệt). Các phân tử, nguyên tử trung hoà có tương tác yếu với nước sẽ ít tan trong nước: S nguyên tử, P nguyên tử + Các quá trình hoà tan các chất rắn tinh thể dạng ion rất đáng chú ý. Các tinh thể dạng ion như NaCl, NaOH dễ tan trong nước dễ dàng vì tạo thành các ion hiđrat hoá mạnh. + Liên kết trong tinh thể NaCl là liên kết ion (với lực hút tĩnh điện). Các ion không di chuyển được nên các tinh thể muối ăn không dẫn điện. Khi cho tinh thể muối ăn vào nước, các ion trên bề mặt tinh thể bị các phân tử nước hút. Các phân tử nước liên tục chuyển động nhiệt nên mối liên kết của các ion với khối tinh thể yếu dần rồi đứt ra. Các ion chuyển vào dung dịch ở dạng hiđrat hoá bền vững. Chính các ion hiđrat hoá đóng vai trò dẫn đIện trong dung dịch. + Tương tự như vậy liên kết giữa ion Na+ và OH- trong tinh thể NaOH cũng sẽ bị đứt ra tạo thành ion khi hoà tan NaOH vào nước. Các ion này cũng bị hiđrat hoá và dẫn điện trong dung dịch. Câu 2: Chất điện ly là gì? Hãy cho biết các khái niệm liên quan đến sự điện ly? Trả lời: Từ thí nghiệm về sự dẫn điện của dung dịch các chất người ta chia các chất thành các chất điện ly (không dẫn điện khi ở trạng thái dung dịch trong nước) và chất không điện ly. - Chất điện ly là những chất tan trong nước tạo thành dung dịch dẫn được điện. Các muối, bazơ và axit thuộc loại chất điện ly. - Sự điện ly là quá trình phân ly thành ion dương và ion âm của phân tử chất điện ly khi tan trong nước. + Trong phân tử, liên kết giữa các nguyên tử có độ phân cực khác nhau nên có những liên kết sẽ bị đứt ra dưới tác dụng của các phân tử nước. Có những phân tử khi tan vào nước, liên kết chỉ bị phân cực thêm mà không bị đứt ra như liên kết OH trong rượu. Có những phân tử có một số phân tử có liên kết bị đứt ra còn các liên kết chỉ bị phân cực thêm. Có thể lấy phân tử CH3COOH làm thí dụ. Trong dung dịch 0,1 M chỉ có vài phần trăm phân tử CH3COOH bị phân ly trong số các phân tử đã tan. + Những chất khi hoà tan có liên kết phân cực hay ion đứt hoàn toàn (> 20%) được gọi là các chất điện li mạnh. Đó là các muối, axit mạnh và kiềm. + Những chất khi hoà tan có số phân tử bị ion hoá < 5% được gọi là các chất điện ly yếu. Đó là các axit yếu, bazơ yếu như CH3COOH, NH4OH + Còn lại các chất điện ly khác là chất điện ly trung bình. + Độ điện ly được định nghĩa là tỉ số giữa số phân tử đã phân ly và tổng số phân tử đã tan trong dung dịch. Nếu chia số phân tử cho số Avôgađrô ta sẽ có độ điện ly bằng tỉ số số mol chất đã phân ly và số mol chất đã tan. Lượng chất tan và phân ly ở trong cùng thể tích dung dịch nên nếu chia số mol chất cho thể tích dung dịch thì ta có độ điện ly bằng tỉ số nồng độ chất đã phân ly và nồng độ chất đã tan. Độ điện ly có giá trị thay đổi từ 0 đến 1 hay từ 0 đến 100% ứng với các chất hoàn toàn không điện ly và chất điện ly hoàn toàn. Cần chú ý rằng giá trị độ điện li của các chất còn phụ thuộc nồng độ chất tan. Khi nồng độ giảm thì độ điện li tăng. Khi nồng độ tiến dần tới 0 thì độ điện ly tiến tới 1. + Người ta thường xét sự điện ly của axit yếu và bazơ yếu. Độ điện ly α của một axit hay một bazơ được định nghĩa là tỉ số của số phân tử chất đã phân ly và tổng số phân tử đã tan trong dung dịch: o N α = N , trong đó N là số phân tử đã phân ly thành ion và No là tổng số phân tử chất tan đã tan trong dung dịch (tổng số phân tử chưa phân ly và số phân tử đã phân ly). + Số phân tử trong dung dịch rất lớn nên nếu chia cả tử và mẫu số của biểu thức tính độ đIện ly cho NA ta có độ điện ly tính theo số mol. Thể tích dung dịch chung cho cả các chất đã phân ly và số phân tử chưa phân ly nên nếu chia tiếp cả tử và mẫu số cho V dung dịch ta có biểu thức tính độ đIện ly theo nồng độ: o N α = N /NA o n n /V o C C Như vậy có thể tính độ điện ly α theo một trong ba đại lượng kể trên. + Có thể căn cứ vào độ điện ly để sơ lược phân loại các chất điện ly thành: - Chất điện ly mạnh: có 0,2 < α < 1,0 - Chất điện ly trung bình: có 0,05 < α < 0,2 - Chất điện ly yếu: có α < 0,05. - Cần chú ý rằng độ điện ly có giá trị thay đổi theo nồng độ nên ranh giới phân chia như trên chỉ có ý nghĩa tương đối. Chẳng hạn khi pha loãng dung dịch CH3COOH đến khi có nồng độ H+ bằng 10-6,8 thì α = 0,98 trong khi ở nồng độ 10-1 thì α = 0,04. Câu 3: Phương trình điện ly là gì? Nêu ứng dụng của phương trình điện ly? Trả lời: Phương trình điện ly là phương trình hoá học thể hiện quá trình điện ly. Phía trái của phương trình là dạng ban đầu của chất tan. Phía trái là sản phẩm của sự điện ly. Đó là các ion tạo ra do tác dụng của các phân tử nước. Cách viết phương trình điện ly cho các chất điện ly như sau: + Đối với chất điện ly mạnh ta sử dụng dấu = để chỉ quá trình diễn ra hoàn toàn. Dung dịch chỉ chứa các ion ở bên phải của dấu bằng. Tuy nhiên do các ion luôn luôn chuyển động nhiệt nên chúng có thể tạm thời tái hợp tạo lại phân tử chất tan trong thời gian ngắn: NaOH = Na+ + OHNaCl = Na+ + Cl- Al(NO3)3 = Al3+ + 3 NO3 - HCl = H+ + Cl- H2SO4 = 2 H+ + SO4 2- + Đối với các chất điện ly yếu người ta sử dụng mũi tên 2 chiều để chỉ quá trình sẽ đạt đến một trạng thái cân bằng. Tại trạng thái cân bằng nồng độ các ion và phân tử trong dung dịch không thay đổi. Tuy vậy trong dung dịch vẫn có sự phân ly và tái hợp với tốc độ bằng nhau: CH3COOH CH3COO- + H+ NH4OH NH4 + + OHH2O H+ + OH- + Phương trình điện ly được sử dụng để tính nồng độ, lượng chất tan và ion tạo ra do sự phân ly trong dung dịch. - Đối với chất điện li mạnh, người ta sử dụng phương trình điện ly có dấu bằng và áp dụng quy luật của phản ứng diễn ra hoàn toàn để tính số phân tử, ion; số mol phân tử, ion hay nồng độ phân tử, ion tham gia hay tạo thành do quá trình phân ly. - Đối với chất điện ly yếu, người ta sử dụng phương trình phân ly có dấu mũi tên hai chiều. Khi tính lượng chất tham gia phân ly hay ion chất tạo thành do sự phân ly ta áp dụng các quy luật của phản ứng không hoàn toàn. Câu 4: Hãy cho biết sự phân ly của nước và khái niệm pH của các dung dịch? Trả lời: Nước luôn luôn tự phân ly thành ion khi ở trạng thái nguyên chất hay trong dung dịch có chất điện ly khác. Sự phân ly của nước có thể biểu diễn bằng phương trình sau: H2O H+ + OHCân bằng phân ly có thể được mô tả bằng quy luật của cân bằng hoá học: [ ][ ] [H O] K H OH d 2 + − = có giá trị không đổi ở một nhiệt độ cho trước. Nồng độ nước rất lớn so với nồng độ H+ và OH-. [H2O] = 1000/18 = 55,56 M nên Có thể coi tích số T = [H+ ][OH− ] H2O = Kd x 55,56 có giá trị không đổi. ở 20oC tích số này bằng 10-14. Như vậy trong nước nguyên chất ở 20oC nồng độ H+ = nồng độ OH- và bằng 10-7 mol/l. + Do nồng độ ion H+ trong dung dịch thường rất nhỏ nên để đặc trưng cho nồng độ ion H+ trong dung dịch người ta sử dụng khái niệm pH = - lg[H+]. Nước nguyên chất có [H+] = 10-7 nên pH = 7. Dung dịch bazơ có nồng độ H+ nhỏ hơn 10-7 tức là 10-8, 10-9, 10-10 ... nên có pH = 8, 9, 10 ... hay > 7. Dung dịch axit có nồng độ [H+] lớn hơn 10-7 tức là 10-6, 10-5, 10-4, ... nên có pH bằng 6, 5, 4, ... hay < 7. Câu 5: Hãy cho biết những điểm đặc biệt? khi xác định nồng độ các ion, phân tử hay độ điện ly của các axit, bazơ trong dung dịch? Trả lời: + Vấn đề khó nhất trong việc xác định độ điện ly là xác định ion nào là đại diện cho chất điện ly đã phân ly (do chất điện ly phân ly ra) để phân biệt với các ion do nguồn khác phân ly ra lẫn với một trong các ion của chất điện ly. Có thể lấy thí dụ về dung dịch CH3COOH trong nước. Trong dung dịch này có tồn tại đồng thời hai cân bằng CH3COOH CH3COO- + H+ H2O H+ + OHCác ion CH3COO- là đại diện cho số phân tử CH3COOH đã phân ly. Trong khi đó ion H+ còn do các phân tử nước phân ly ra. Sự tồn tại cân bằng phân ly của nước sẽ làm ảnh hưởng đến cân bằng phân ly của CH3COOH và ngược lại. Như vậy độ điện ly của CH3COOH trong dung dịch phải tính bằng: [ ] o C CH COO− α = 3 . Trong nhiều bài toán tính toán, với nồng độ của axit khá lớn người ta thường bỏ qua lượng ion H+ do nước phân ly ra thì có thể tính theo ion H+ hoặc CH3COO-. Tuy nhiên nếu trong dung dịch đệm axetat (để giữ cho nồng độ H+ thay đổi chậm khi cho axit hay bazơ vào dung dịch) có tồn tại đồng thời CH3COOH và NaCH3COO. Ion CH3COO- sinh ra ở hai quá trình phân ly của axit CH3COOH và muối NaCH3COO. Muối NaCH3COO phân ly hoàn toàn trong dung dịch. Vì lí do đó cân bằng phân ly của CH3COOH bị ảnh hưởng và ion CH3COO- không còn là ion đại diện cho số phân tử CH3COOH phân ly nữa. Nếu vẫn bỏ qua sự phân ly của nước ta có thể lấy các ion H+ làm đại diện cho các phân tử CH3COOH đã phân ly để tính độ điện ly. + Có thể lập luận tương tự đối với trường hợp chất điện ly là bazơ yếu. Câu 6: Nêu các loại phản ứng xảy ra trong dung dịch? Trả lời: Thực chất các phản ứng giữa các chất điện ly trong dung dịch là phản ứng giữa các ion do chất điện ly sinh ra. Phản ứng đó được gọi là phản ứng ion. Trong quá trình phản ứng, các chất trao đổi thành phần cấu tạo nên chúng. Các chất tham gia phản ứng có thể là các axit, bazơ hoặc các muối. Các phản ứng chỉ có thể xảy ra hoàn toàn khi sản phẩm phản ứng có ít nhất một chất kết tủa, một chất dễ bay hơi hay một chất điện ly yếu. a) Phản ứng trung hoà: Phản ứng giữa axit và bazơ được gọi là phản ứng trung hoà. Bản chất phản ứng là tác dụng của ion H+ với ion OH- tạo thành H2O là chất điện ly rất yếu và phản ứng phát nhiệt: H+ + OH- = H2O H = - 57,1 kJ. Khi một axit mạnh bất kỳ tác dụng với một bazơ mạnh (kiềm) bất kỳ, lượng nhiệt toả ra như nhau vì chúng có cùng bản chất. b) Phản ứng trao đổi: + Loại phản ứng thường gặp là phản ứng trao đổi ion giữa hai chất ion hay một chất ion và chất khác. Điều kiện cần và đủ để một phản ứng trao đổi diễn ra hoàn toàn là phản ứng phải tạo ra chất kết tủa, chất bay hơi hay chất ít điện ly. - Thí dụ 1: Trộn hai dung dịch Na2SO4 với dung dịch BaCl2 tạo ra muối BaSO4 kết tủa. Phương trình phản ứng dạng phân tử, ion đầy đủ và ion rút gọn như sau: Na2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2 NaCl 2 Na+ + SO4 2- + Ba2+ + 2 Cl- = BaSO4↓ + 2 Na+ + 2 Cl- SO4 2- + Ba2+ = BaSO4↓ - Thí dụ 2: Trộn hai dung dịch Na2CO3 với dung dịch H2SO4 loãng tạo khí CO2. Phương trình phản ứng dạng phân tử, ion đầy đủ và ion rút gọn như sau: Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O + CO2↑ 2 Na+ + CO3 2- + 2 H+ + SO4 2- = 2 Na+ + SO4 2- + H2O + CO2↑ CO3 2- + 2 H+ = H2O + CO2↑ - Thí dụ 3: Trộn dung dịch CH3COONa với dung dịch HCl. Phản ứng xảy ra tạo thành dung dịch có mùi dấm. Phương trình phản ứng như sau: CH3COONa + HCl = CH3COOH + NaCl CH3COO- + Na+ + H+ + Cl- = CH3COOH + Na+ + Cl- CH3COO- + H+ = CH3COOH + Nếu không đáp ứng điều kiện trên thì các phản ứng trao đổi sẽ không xảy ra. Chẳng hạn khi trộn hai dung dịch NaCl và dung dịch HNO3, không xảy ra phản ứng do trong dung dịch, các ion tồn tại đồng thời. Nếu trộn hai dung dịch muối với nhau như KCl và Na2SO4 mặc dù không tạo chất mới nhưng do sự tồn tại đồng thời các ion nên khi cô cạn dung dịch sẽ tạo ra 4 chất do sự gặp gỡ ngẫu nhiên của các ion: K2SO4, Na2SO4, KCl và NaCl. c) Phản ứng ôxi hóa khử : Phản ứng ôxi hoá khử xảy ra khi một chất ôxi hoá gặp một chất khử để tạo thành chất ôxi hoá mới và chất khử mới yếu hơn chất oxi hoá và chất khử ban đầu. Thí dụ cho dung dịch HNO3 loãng tác dụng với dung dịch FeSO4 sẽ có phản ứng ôxi hoá khử: 3 FeSO4 + 4 HNO3 = Fe2(SO4)3 + Fe(NO3)3 + NO + 2 H2O Thực chất phản ứng xảy ra giữa các ion: 3 Fe2+ + 4 H+ + NO3 - = 3 Fe3+ + NO + 2 H2O Câu 7: Viết công thức hóa học của các chất khi hoà tan trong nước thấy trong dung dịch chứa các ion sau: a) Fe3+ và SO4 2-; b) Ca2+ và Cl-; c) Al3+ và NO3 -; d) K+ và PO4 3-; e) Zn2+ và NO3-; f) Ca2+, NO3 - và Cu2+; g) Al3+, K+, NO3 - và SO4 2-; h) Na+, Cu2+, Fe3+, CH3COO-, Cl- và SO4 2-. Trả lời: Các phân tử các chất khi hoà tan phân ly thành ion, vì vậy có thể căn cứ vào loại ion trong dung dịch để kết luận về các phân tử chất đầu. Tuy nhiên với trường hợp có nhiều loại ion thì khả năng tồn tại các phân tử do ghép ion sẽ tăng lên. Ta có: a) Phân tử chất đầu là Fe2(SO4)3 phù hợp hoá trị của các ion. b) Phân tử chất đầu là CaCl2 phù hợp hoá trị của các ion. c) Phân tử chất đầu là AlCl3 phù hợp hoá trị của các ion. d) Phân tử chất đầu là K3PO4 phù hợp hoá trị của các ion. e) Phân tử chất đầu là Zn(NO3)2 phù hợp hoá trị của các ion. f) Các phân tử chất đầu là Ca(NO3)2 và Cu(NO3)2 phù hợp hoá trị của các ion. g) Có hai cặp phân tử chất đầu là Al(NO3)3, K2SO4 và cặp Al2(SO4)3 và KNO3 đều phù hợp hoá trị của các ion. h) Có các chất đầu sau: + NaCH3COO, CuCl2 và Fe2(SO4)3 + NaCH3COO, Cu SO4 và FeCl3 + NaCl, Cu(CH3COO)2 và Fe2(SO4)3 + NaCl, CuSO4 và Fe(CH3COO)3 + Na2 SO4, Cu(CH3COO)2 và FeCl3 + Na2 SO4, CuCl2 và Fe(CH3COO)3 Câu 8: Bài toán sau đây là bài toán điển hình về việc sử dụng phương trình ion và bảo toàn ion: Cho 8,5 gam hỗn hợp X chứa hai kim loại kiềm thuộc hai chu kỳ liên tiếp A và B (thực chất là hợp kim) tác dụng với nước dư thu được 3,36 lít hiđro (đktc) và dung dịch Y. Cho dung dịch Y tác dụng vừa đủ với dung dịch Z có chứa H2SO4 0,1M và HCl 0,2M thu được dung dịch T. a) Xác định hai kim loại A và B. b) Cô cạn dung dịch T thì thu được bao nhiêu gam muối khan? Giải: a) Hai kim loại kiềm A và B có thể thay bằng một kim loại trung bình M vì chúng có cùng tính chất. Nếu tìm được KLNT trung bình M thì xác định ngay được hai kim loại: 2 M + 2 H2O = 2 M+ + 2 OH- + H2. (1) Từ PT(1) ta có ngay số mol hai kim loại gấp 2 lần số mol hiđro khí thu được. NH2 = 3,36/22,4 = 0,15 mol. Ta có M = 8,5/0,3 = 28,33. Như vậy hai kim loại kiềm là Na (23) và K (39). b) Khi cho dung dịch Y tác dụng với dung dịch Z thực chất chỉ có 1 phản ứng: H+ + OH- = H2O. (2) + Các ion khác vẫn ở trong dung dịch. Khi cô cạn ta có tổng cộng 4 muối K2SO4. Na2SO4, KCl và NaCl. Không thể tìm được có bao nhiêu mol từng kim loại kết hợp với từng anion. Do vậy để giải bài toán này ta chỉ cần áp dụng nguyên tắc phản ứng giữa các ion và bảo toàn ion: Khối lượng muối = Khối lượng cation + khối lượng anion. + Khối lượng cation = khối lượng kim loại ban đầu (Do khối lượng của electron không đáng kể hay sẽ được bù lại ở phần anion) = 8,5 gam. - Khối lượng anion được tính từ thể tích dung dịch Z. Cách tính như sau: H2SO4 phân ly hoàn toàn thành H+ và SO4 2-: H2SO4 = 2 H+ + SO4 2- - HCl phân ly hoàn toàn thành H+ và Cl-: HCl = H+ + ClNhư vậy nồng độ H+ trong dung dịch Z bằng 0,1 x 2 + 0,2 x 1 =0,4 M. Để phản ứng trung hoà vừa đủ ta có số mol H+ = số mol OH- (trong dung dịch) = 0,3 mol. Do vậy thể tích dung dịch Z = 0,3/0,4 = 0,75 lit. + Trong 0,75 lít dung dịch Z có 0,75 x 0,1 = 0,075 mol H2SO4 hay SO42- và 0,75 x 0,2 = 0,15 mol HCl hay Cl-. + Khối lượng anion = 0,075 x 96 + 0,15 x 35,5 = 7,2 + 5,325 = 12,525 gam. Như vậy khối lượng muối bằng 8,5 + 12,525 = 21,025 gam.