Giáo trình Hóa học Lớp 11 nâng cao - Chương 1: Sự điện li

Chương 1 Sự điện li A-rê-ni-ut ((*) (S. Arrhenius, 1859 - 1927), người Thuỵ Điển, được giải Nobel về hoá học năm 1903. ) Một loại máy đo pH được dùng trong phòng thí nghiệm ã Khi các axit, bazơ và muối hoà tan trong nước xảy ra những hiện tượng gì và hệ quả của quá trình hoà tan này ra sao ? ã Phản ứng xảy ra trong dung dịch nước có những đặc điểm gì ? sự điện li ã Biết các khái niệm về sự điện li và chất điện li. Bài 1 ã Hiểu nguyên nhân tính dẫn điện của dung dịch chất điện li và cơ chế của quá trình điện li. I - Hiện tượng điện li 1. Thí nghiệm Chuẩn bị ba cốc : cốc a đựng nước cất, cốc b đựng dung dịch saccarozơ (đường kính trắng tinh khiết), cốc c đựng dung dịch NaCl rồi lắp vào bộ dụng cụ như hình 1.1. Hình 1.1. Bộ dụng cụ chứng minh tính dẫn điện của dung dịch. Khi nối các đầu dây dẫn điện với nguồn điện, ta thấy chỉ bóng đèn ở cốc đựng dung dịch NaCl bật sáng. Vậy dung dịch NaCl dẫn điện, còn nước cất và dung dịch saccarozơ không dẫn điện. Nếu làm các thí nghiệm tương tự, người ta thấy NaCl rắn, khan, NaOH rắn, khan, các dung dịch ancol etylic, glixerol không dẫn điện. Ngược lại các dung dịch axit, bazơ và muối đều dẫn điện. 2. Nguyên nhân tính dẫn điện của các dung dịch axit, bazơ và muối trong nước Ngay từ năm 1887, A-rê-ni-ut đã chứng minh rằng, tính dẫn điện của các dung dịch axit, bazơ và muối là do trong dung dịch của chúng có các tiểu phân mang điện tích chuyển động tự do được gọi là các ion. Như vậy các axit, bazơ và muối khi hoà tan trong nước điện li ra các ion, nên dung dịch của chúng dẫn điện. Quá trình điện li các chất trong nước ra ion là sự điện li. Những chất tan trong nước điện li ra ion được gọi là những chất điện li.((*) Nhiều chất khi nóng chảy cũng điện li ra ion, nên ở trạng thái nóng chảy các chất này dẫn điện được. Trong một số tài liệu, người ta cũng đề cập đến chất điện li loại này, thí dụ Al2O3. ) Vậy axit, bazơ và muối là những chất điện li. II - Cơ chế của quá trình điện li 1. Cấu tạo của phân tử H2O Phân tử H2O có cấu tạo như hình 1.2. Liên kết O - H là liên kết cộng hoá trị phân cực, cặp electron dùng chung lệch về phía oxi, nên ở oxi có dư điện tích âm, còn ở hiđro có dư điện tích dương. Vì vậy, phân tử H2O là phân tử phân cực. Hình 1.2. a) Cấu tạo của phân tử nước ; b) Mô hình đặc của phân tử nước 2. Quá trình điện li của NaCl trong nước NaCl là hợp chất ion, nghĩa là gồm những cation Na+ và anion Cl- liên kết với nhau bằng lực tĩnh điện. Khi cho NaCl tinh thể vào nước, những ion Na+ và Cl- trên bề mặt tinh thể hút về chúng các phân tử H2O (cation hút đầu âm và anion hút đầu dương). Quá trình tương tác giữa các phân tử nước phân cực và các ion của muối kết hợp với sự chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử nước làm cho các ion Na+ và Cl- của muối tách dần khỏi tinh thể và hoà tan trong nước (hình 1.3). Hình 1.3. Sơ đồ quá trình điện li ra ion của tinh thể NaCl trong nước. Từ sơ đồ trên ta thấy sự điện li của NaCl trong nước có thể được biểu diễn bằng phương trình điện li như sau : NaCl (dd) đ Na+ (dd) + Cl- (dd) Tuy nhiên, để đơn giản người ta thường viết : NaCl đ Na+ + Cl- 3. Quá trình điện li của HCl trong nước Phân tử hiđro clorua (HCl) cũng là phân tử phân cực tương tự phân tử nước. Cực dương ở phía hiđro, cực âm ở phía clo. Khi tan trong nước, các phân tử HCl hút về chúng những cực ngược dấu của các phân tử nước. Do sự tương tác giữa các phân tử nước và phân tử HCl, kết hợp với sự chuyển động không ngừng của các phân tử nước dẫn đến sự điện li phân tử HCl ra các ion H+ và Cl- (hình 1.4). Hình 1.4. Sơ đồ quá trình điện li ra ion của phân tử HCl trong nước. Phương trình điện li của HCl trong nước như sau : HCl đ H+ + Cl- Trong các phân tử ancol etylic, saccarozơ, glixerol, có sự phân cực nhưng rất yếu, nên dưới tác dụng của các phân tử nước chúng không thể điện li thành ion được, chúng là các chất không điện li. Bài tập 1. Sự điện li, chất điện li là gì ? Những loại chất nào là chất điện li ? Lấy một số thí dụ về chất điện li và chất không điện li. 2. Theo thuyết điện li, các dung dịch axit, bazơ và muối dẫn điện được là do nguyên nhân gì ? 3. Trong số các chất sau, những chất nào là chất điện li ? H2S, SO2, Cl2, H2SO3, CH4, NaHCO3, Ca(OH)2, HF, C6H6, NaClO. 4. Trường hợp nào sau đây không dẫn điện được ? a. KCl rắn, khan. c. Nước sông, hồ, ao. b. Nước biển. d. Dung dịch KCl trong nước. 5. Chất nào dưới đây không điện li ra ion khi hoà tan trong nước ? A. MgCl2, B. HClO3, C. C6H12O6 (glucozơ), D. Ba(OH)2, 6. Dung dịch nào sau đây không dẫn điện được ? A. HCl trong C6H6 (benzen). B. Ca(OH)2 trong nước. B. CH3COONa trong nước. D. NaHSO4 trong nước. 7. Với chất điện li là hợp chất ion và hợp chất cộng hoá trị phân cực thì cơ chế của quá trình điện li như thế nào ? Phân loại các chất điện li ã Hiểu độ điện li, cân bằng điện li là gì,Bài 2 ã Hiểu thế nào là chất điện li mạnh và chất điện li yếu. I - Độ điện li 1. Thí nghiệm Chuẩn bị hai cốc : một cốc đựng dung dịch HCl 0,10M, cốc kia đựng dung dịch CH3COOH 0,10M rồi lắp vào bộ dụng cụ như hình 1.1. Khi nối các đầu dây dẫn điện với nguồn điện, ta thấy bóng đèn ở cốc đựng dung dịch HCl sáng hơn so với bóng đèn ở cốc đựng dung dịch CH3COOH. Điều đó chứng tỏ rằng : nồng độ các ion trong dung dịch HCl lớn hơn nồng độ các ion trong dung dịch CH3COOH, nghĩa là số phân tử HCl điện li ra ion nhiều hơn so với số phân tử CH3COOH điện li ra ion. 2. Độ điện li Để đánh giá mức độ điện li ra ion của chất điện li trong dung dịch, người ta dùng khái niệm độ điện li. Độ điện li a (anpha) của chất điện li là tỉ số giữa số phân tử phân li ra ion (n) và tổng số phân tử hoà tan (no). Độ điện li của các chất điện li khác nhau nằm trong khoảng 0 < a Ê 1. Khi một chất có a = 0, quá trình điện li không xảy ra, đó là chất không điện li. Độ điện li thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm. Thí dụ, trong dung dịch CH3COOH 0,043M, cứ 100 phân tử hoà tan chỉ có 2 phân tử điện li ra ion, độ điện li là : = 0,02 hay 2% II - Chất điện li mạnh và chất điện li yếu 1. Chất điện li mạnh Chất điện li mạnh là chất khi tan trong nước((*) Tất cả các chất đều ít nhiều tan trong nước. Thí dụ, ở 25oC độ hoà tan của BaSO4 là 1,0.10-5 mol/l, của AgCl là 1,2.10-5 mol/l, của CaCO3 là 6,9.10-5 mol/l, của Fe(OH)2 là 5,8.10-6 mol/l. ), các phân tử hoà tan đều điện li ra ion. Vậy chất điện li mạnh có a = 1. Đó là các axit mạnh, như HCl, HNO3, HClO4, H2SO4,... ; các bazơ mạnh, như NaOH, KOH, Ba(OH)2... và hầu hết các muối. Trong phương trình điện li của chất điện li mạnh, người ta dùng một mũi tên chỉ chiều của quá trình điện li. Thí dụ : Na2SO4 đ 2Na+ + Vì sự điện li của Na2SO4 là hoàn toàn, nên ta dễ dàng tính được nồng độ ion do Na2SO4 điện li ra. Thí dụ, trong dung dịch Na2SO4 0,10M, nồng độ ion Na+ là 0,20M và nồng độ ion là 0,10M. 2. Chất điện li yếu Chất điện li yếu là chất khi tan trong nước chỉ có một phần số phân tử hoà tan điện li ra ion, phần còn lại vẫn tồn tại dưới dạng phân tử trong dung dịch. Vậy độ điện li của chất điện li yếu nằm trong khoảng 0 < a < 1. Những chất điện li yếu là các axit yếu, như CH3COOH, HClO, H2S, HF, H2SO3, H2CO3... ; các bazơ yếu, như Bi(OH)3, Cr(OH)2 v.v... Trong phương trình điện li của chất điện li yếu, người ta dùng hai mũi tên ngược chiều. Thí dụ : CH3COOH H+ + CH3COO- a) Cân bằng điện li Sự điện li của chất điện li yếu là quá trình thuận nghịch, khi nào tốc độ điện li và tốc độ kết hợp các ion tạo lại phân tử bằng nhau, cân bằng của quá trình điện li được thiết lập. Cân bằng điện li cũng là cân bằng động. Giống như mọi cân bằng hoá học khác, cân bằng điện li cũng có hằng số cân bằng K và tuân theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ Sa-tơ-li-ê. b) ảnh hưởng của sự pha loãng đến độ điện li Khi pha loãng dung dịch, độ điện li của các chất điện li đều tăng. Thí dụ, ở 25oC độ điện li của CH3COOH trong dung dịch 0,100M là 1,32%, trong dung dịch 0,043M là 2% và trong dung dịch 0,010M là 4,11%. Có thể giải thích hiện tượng này như sau. Khi pha loãng dung dịch, các ion dương và âm của chất điện li ở cách xa nhau hơn, ít có điều kiện va chạm vào nhau để tạo lại phân tử, trong khi đó sự pha loãng không cản trở đến sự điện li của các phân tử. Bài tập 1. Độ điện li là gì ? Thế nào là chất điện li mạnh, chất điện li yếu ? Lấy một số thí dụ chất điện li mạnh, chất điện li yếu và viết phương trình điện li của chúng. 2. Chất điện li mạnh có độ điện li a. a > 1. c. a < 1. b. a = 1. D. 0 < a < 1. Hãy chọn đáp án đúng. 3. Chất điện li yếu có độ điện li A. a = 0. C. 0 < a < 1. B. a = 1. D. a < 0. Hãy chọn đáp án đúng. 4. Có hai chất điện li AB và CD, trong đó A và C đều có số oxi hoá +I, chúng là các chất tan được trong nước. Một là chất điện li mạnh và một là chất điện li yếu. Bằng phương pháp thực nghiệm nào có thể phân biệt được chúng ? Mô tả phương pháp đó. 5. Tính nồng độ mol của cation và anion do sự điện li tạo ra của các chất sau trong dung dịch : a) Ba(NO3)2 0,10M. b) HNO3 0,02M. c) KOH 0,01M. 6*. a) Chứng minh rằng độ điện li a có thể tính bằng công thức sau : Trong đó có Co là nồng độ mol của chất hoà tan, C là nồng độ mol của chất hoà tan điện li ra ion. b) Tính nồng độ mol của CH3COOH, CH3COO- và H+ trong dung dịch CH3COOH 0,043M khi quá trình điện li ở trạng thái cân bằng, biết rằng độ điện li a của CH3COOH bằng 2%. 7. Cân bằng sau tồn tại trong dung dịch : CH3COOH H+ + CH3COO- Độ điện li a của CH3COOH sẽ biến đổi như thế nào ? a) Khi nhỏ vào vài giọt dung dịch HCl. b) Khi pha loãng dung dịch. c) Khi nhỏ vào vài giọt dung dịch NaOH. axit, bazơ và muối Bài 3 ã Biết thế nào là axit, bazơ theo thuyết A-rê-ni-ut và thuyết Bron-stêt. ã Biết phương trình điện li của các axit, bazơ và muối trong nước. ã Biết hằng số điện li axit, hằng số điện li bazơ là gì và sử dụng chúng để giải các bài tập đơn giản. I - Axit và bazơ theo thuyết A-rê-ni-ut 1. Định nghĩa a) Axit là chất khi tan trong nước điện li ra cation H+. Thí dụ : HCl đ H+ + Cl- CH3COOH H+ + CH3COO- Các dung dịch axit đều có một số tính chất chung, đó là tính chất của các cation H+ trong dung dịch. b) Bazơ là chất khi tan trong nước điện li ra anion OH-. Thí dụ : NaOH đ Na++ OH- Các dung dịch bazơ đều có một số tính chất chung, đó là tính chất của các anion OH- trong dung dịch. 2. Axit nhiều nấc, bazơ nhiều nấc a) Axit nhiều nấc Từ hai thí dụ trên ta thấy phân tử HCl cũng như phân tử CH3COOH trong dung dịch nước chỉ điện li một nấc ra ion H+. Đó là các axit một nấc. Những axit khi tan trong nước mà phân tử điện li nhiều nấc ra ion H+ là các axit nhiều nấc. Thí dụ : H3PO4 H+ + : K1 = 7,6.10-3 H+ + : K2 = 6,2.10-8 H+ + : K3 = 4,4.10-13 Phân tử H3PO4 điện li ba nấc ra ion H+, H3PO4 là axit ba nấc. b) Bazơ nhiều nấc Phân tử NaOH khi tan trong nước chỉ điện li một nấc ra ion OH-, NaOH là bazơ một nấc. Những bazơ khi tan trong nước mà phân tử điện li nhiều nấc ra ion OH- là các bazơ nhiều nấc. Thí dụ : Cr(OH)2 Cr(OH)+ + OH- Cr(OH) + Cr2+ + OH- Phân tử Cr(OH)2 điện li hai nấc ra ion OH-, Cr(OH)2 là bazơ hai nấc. 3. Hiđroxit lưỡng tính Hiđroxit lưỡng tính là hiđroxit khi tan trong nước vừa có thể điện li như axit, vừa có thể điện li như bazơ. Thí dụ, Zn(OH)2 là hiđroxit lưỡng tính : Zn(OH)2 Zn2+ + 2OH- : Điện li kiểu bazơ Zn(OH)2 2H+ + Zn((*) Thực tế trong dung dịch tồn tại ion [Zn(OH)4]2- : Zn(OH)2 + 2H2O [Zn(OH)4]2- + 2H+ ) : Điện li kiểu axit Để thể hiện tính axit của Zn(OH)2 người ta thường viết nó dưới dạng H2ZnO2. Một số hiđroxit lưỡng tính thường gặp là Al(OH)3, Zn(OH)2, Pb(OH)2, Sn(OH)2, Cr(OH)3, Cu(OH)2. Chúng đều tan ít trong nước và lực axit, lực((**) Lực axit hay lực bazơ được đánh giá bằng hằng số cân bằng điện li K. ) bazơ đều yếu. II - khái niệm về Axit và bazơ theo thuyết Bron-stêt(*) Trong một số tài liệu gọi là thuyết Bron-stêt - Lau-ri (J. N. Brửnsted, 1879 - 1947, nhà hoá học Đan Mạch, T. Lowry, 1874 - 1936, nhà hoá học Anh). Thuyết này cũng có tên là thuyết proton. 1. Định nghĩa Axit là chất nhường proton (H+). Bazơ là chất nhận proton. Axit Bazơ + H+ Thí dụ 1 : CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO- Trong phản ứng này, CH3COOH nhường H+ cho H2O, CH3COOH là axit ; H2O nhận H+, H2O là bazơ. Theo phản ứng nghịch CH3COO- nhận H+, CH3COO- là bazơ, còn H3O+ (ion oxoni) nhường H+, H3O+ là axit. Thí dụ 2 : NH3 + H2O + OH- NH3 là bazơ, H2O là axit. Theo phản ứng nghịch là axit và OH- là bazơ. Thí dụ 3 : + H2O H3O+ + và H3O+ là axit, H2O và là bazơ. + H2O H2CO3 + OH- ở đây và OH- là bazơ, H2O và H2CO3 là axit. Vậy là lưỡng tính. Nhận xét : ã Phân tử H2O, có thể đóng vai trò axit hay bazơ. Vậy H2O là chất lưỡng tính. ã Theo thuyết Bron-stêt, axit và bazơ có thể là phân tử hoặc ion. 2. Ưu điểm của thuyết Bron-stêt Theo thuyết A-rê-ni-ut, trong phân tử axit phải có hiđro và trong nước điện li ra H+, trong phân tử bazơ phải có nhóm OH và trong nước điện li ra OH-. Vậy thuyết A-rê-ni-ut chỉ đúng cho trường hợp dung môi là nước. Mặt khác, có những chất không chứa nhóm OH, nhưng là bazơ, như NH3, các amin((**) Các amin sẽ học ở phần các chất hữu cơ lớp 12. ) thì thuyết A-rê-ni-ut không giải thích được. Thuyết Bron-stêt tổng quát hơn, nó áp dụng đúng cho bất kì dung môi nào có khả năng nhường và nhận proton, cả khi vắng mặt dung môi. Tuy nhiên, ở đây chúng ta chỉ nghiên cứu tính chất axit - bazơ trong dung môi nước, nên cả hai thuyết đều cho kết quả giống nhau. III - Hằng số điện li axit và bazơ 1. Hằng số điện li axit Sự điện li axit yếu trong nước là quá trình thuận nghịch, ở trạng thái cân bằng có thể áp dụng biểu thức hằng số cân bằng cho nó. Thí dụ : CH3COOH H+ + CH3COO- (1) ; Ka = Trong đó : [H+], [CH3COO-] và [CH3COOH] là nồng độ mol của H+, CH3COO- và CH3COOH lúc cân bằng. Cân bằng trong dung dịch CH3COOH có thể viết : (2) ; H2O trong cân bằng (2) là dung môi, trong dung dịch loãng nồng độ của H2O được coi là hằng số, nên không có mặt trong biểu thức tính K. Phương trình (1) được viết theo thuyết A-rê-ni-ut, phương trình (2) được viết theo thuyết Bron-stêt. Hai cách viết này cho kết quả giống nhau, nghĩa là giá trị Ka như nhau, vì H+ và H3O+ chỉ khác nhau về cách viết. Ka là hằng số điện li axit. Đối với axit xác định, Ka chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Giá trị Ka của axit càng nhỏ, lực axit càng yếu. Thí dụ, ở 25oC, Ka của CH3COOH là 1,75.10-5 và của HClO là 5,0.10-8. Vậy lực axit của HClO yếu hơn của CH3COOH, nghĩa là nếu hai axit có cùng nồng độ mol và ở cùng nhiệt độ thì nồng độ mol của H+ trong dung dịch HClO nhỏ hơn. 2. Hằng số điện li bazơ Thí dụ, NH3 ở trong nước là bazơ yếu : NH3 + H2O + OH- [], [OH-] và [NH3] là nồng độ mol của, OH- và NH3 lúc cân bằng ; Kb là hằng số điện li bazơ. Kb của một bazơ xác định chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Giá trị Kb của bazơ càng nhỏ, lực bazơ của nó càng yếu. IV - Muối 1. Định nghĩa Muối là hợp chất, khi tan trong nước điện li ra cation kim loại (hoặc cation ) và anion gốc axit. Thí dụ : (NH4)2SO4 đ 2 + NaHCO3 đ Na+ + Muối mà anion gốc axit không còn hiđro có khả năng điện li ra ion H+ (hiđro có tính axit)((*) Trong gốc axit của một số muối như Na2HPO3, NaH2PO2, vẫn còn hiđro, nhưng là muối trung hoà vì các hiđro đó không có tính axit. ) được gọi là muối trung hoà. Thí dụ, NaCl, (NH4)2SO4, Na2CO3. Nếu anion gốc axit của muối vẫn còn hiđro có khả năng điện li ra ion H+, thì muối đó được gọi là muối axit. Thí dụ, NaHCO3, NaH2PO4, NaHSO4. Ngoài ra có một số muối phức tạp thường gặp như muối kép : NaCl.KCl ; KCl.MgCl2.6H2O ;... phức chất : [Ag(NH3)2]Cl ; [Cu(NH3)4]SO4 ;... 2. Sự điện li của muối trong nước Hầu hết các muối (kể cả muối kép) khi tan trong nước điện li hoàn toàn ra cation kim loại (hoặc cation ) và anion gốc axit (trừ một số muối như HgCl2, Hg(CN)2 v.v... là các chất điện li yếu). Thí dụ : K2SO4 đ 2K+ + NaCl . KCl đ Na+ + K+ + 2Cl- NaHSO3 đ Na+ + Nếu anion gốc axit còn chứa hiđro có tính axit, thì gốc này điện li yếu ra H+. Thí dụ H+ + Phức chất khi tan trong nước điện li hoàn toàn ra ion phức (ion phức nằm trong dấu móc vuông), sau đó ion phức điện li yếu ra các cấu tử thành phần. Thí dụ : [Ag(NH3)2]Cl đ [Ag(NH3)2]+ + Cl- [Ag(NH3)2]+ Ag+ + 2NH3 Bài tập 1. Phát biểu các định nghĩa axit và bazơ theo thuyết A-rê-ni-ut và thuyết Bron-stêt. Lấy các thí dụ minh hoạ. 2. Thế nào là bazơ một nấc và nhiều nấc, axit một nấc và nhiều nấc, hiđroxit lưỡng tính, muối trung hoà, muối axit ? Lấy các thí dụ và viết phương trình điện li của chúng trong nước. 3. Hằng số điện li axit, hằng số điện li bazơ là gì ? Lấy thí dụ. 4. Kết luận nào dưới đây là đúng theo thuyết A-rê-ni-ut ? A. Một hợp chất trong thành phần phân tử có hiđro là axit. B. Một hợp chất trong thành phần phân tử có nhóm OH là bazơ. C. Một hợp chất trong thành phần phân tử có hiđro và điện li ra H+ trong nước là axit. D. Một bazơ không nhất thiết phải có nhóm OH trong thành phần phân tử. 5. Theo thuyết Bron-stêt thì câu trả lời nào sau đây là đúng ? A. Trong thành phần của bazơ phải có nhóm OH. B. Axit hoặc bazơ có thể là phân tử hoặc ion. C. Trong thành phần của axit có thể không có hiđro. D. Axit hoặc bazơ không thể là ion. 6. Chọn câu trả lời đúng trong số các câu dưới đây : A. Giá trị Ka của một axit phụ thuộc vào nồng độ. B. Giá trị Ka của một axit phụ thuộc vào áp suất. C. Giá trị Ka của một axit phụ thuộc vào nhiệt độ. D. Giá trị Ka của axit càng nhỏ lực axit càng mạnh. 7. Viết phương trình điện li của các chất sau trong dung dịch : K2CO3, NaClO, Na2HPO4, Na3PO4, Na2S, NaHS, Sn(OH)2. 8. Hãy cho biết các phân tử và ion sau là axit, bazơ hay lưỡng tính theo thuyết Bron-stêt : HI ; CH3COO-, , NH3 ; S2- ; . Minh hoạ bằng phản ứng hoá học của chúng trong dung dịch nước. 9. Viết biểu thức hằng số điện li axit Ka hoặc hằng số điện li bazơ Kb cho các trường hợp sau : HF ; CH3COO- ; ; F-. 10. Có hai dung dịch sau : a) CH3COOH 0,10M (Ka = 1,75.10-5). Tính nồng độ mol của ion H+. b) NH3 0,10M (Kb = 1,80.10-5). Tính nồng độ mol của ion OH-. Sự điện li của nước. ph. Chất chỉ thị axit - bazơ ã Hiểu tích số ion của nước là gì. ã Hiểu cách đánh giá độ axit và độ kiềm của các dung dịch theo nồng độ ion H+ và pH. Bài 4 ã Biết màu của một số chất chỉ thị trong dung dịch ở các khoảng pH khác nhau. I - nước là chất điện li rất yếu 1. Sự điện li của nước Bằng dụng cụ đo nhạy, người ta thấy nước cũng dẫn điện nhưng cực kì yếu, vì nước là chất điện li rất yếu : H2O H+ + OH- (1) 2. Tích số ion của nước Từ phương trình (1) ta có thể viết được biểu thức hằng số cân bằng K của phản ứng : Thực nghiệm đã xác định được rằng, ở nhiệt độ thường cứ 555 triệu phân tử nước chỉ có một phân tử điện li ra ion, nên [H2O] được coi là hằng số. Từ đó, đặt : = K[H2O] = [H+].[OH-] Hằng số được gọi là tích số ion của nước, tích số này là hằng số ở nhiệt độ xác định. ở 25oC : = [H+].[OH-] = 1,0.10-14 Tích số ion của nước là hằng số cả trong dung dịch loãng của các chất khác nhau. Vì một phân tử H2O phân li ra một ion H+ và một ion OH-, nên trong nước: [H+] = [OH-] = = 1,0.10-7 mol/l. Nước là môi trường trung tính, nên có thể định nghĩa môi trường trung tính là môi trường trong đó [H+] = [OH-] = 1,0.10-7M. 3. ý nghĩa tích số ion của nước a) Môi trường axit : Khi hoà tan axit vào nước, nồng độ H+ tăng, nên nồng độ OH- phải giảm sao cho tích số ion của nước không đổi. Thí dụ, hoà tan axit vào nước để nồng độ H+ bằng 1,0.10-3 mol/l thì nồng độ OH- là : [OH-] = = = 1,0.10-11 mol/l. Vậy môi trường axit là môi trường trong đó [H+] > [OH-] hay [H+] > 1,0.10-7 M. b) Môi trường kiềm((*) Khi bazơ tan trong nước tạo thành dung dịch có tính kiềm. Môi trường của nó được gọi là môi trường kiềm. ): Khi hoà tan bazơ vào nước, nồng độ OH- tăng, nên nồng độ H+ phải giảm sao cho tích số ion của nước không đổi. Thí dụ, hoà tan bazơ vào nước để nồng độ OH- bằng 1,0.10-5M thì nồng độ H+ là : [H+] = = = 1,0.10-9 mol/l Vậy môi trường kiềm là môi trường trong đó : [H+] < [OH-] hay [H+] <1,0.10-7 M. Những thí dụ trên cho thấy, nếu biết nồng độ H+ trong dung dịch nước, thì nồng độ OH- cũng được xác định và ngược lại. Vì vậy, độ axit và độ kiềm của dung dịch có thể được đánh giá chỉ bằng nồng độ H+ : Môi trường trung tính : [H+] = 1,0.10-7M Môi trường axit : [H+] > 1,0.10-7M Môi trường kiềm : [H+] < 1,0.10-7M II - Khái niệm về pH. Chất chỉ thị axit - bazơ 1. Khái niệm về pH Như đã thấy ở trên, dựa vào nồng độ H+ trong dung dịch nước có thể đánh giá được độ axit và độ kiềm của dung dịch. Nhưng dung dịch thường dùng có nồng độ H+ nhỏ, để tránh ghi nồng độ H+ với số mũ âm, người ta dùng pH với quy ước như sau : [H+] = 1,0.10-pH(*) Về mặt toán học pH = -lg[H+] (**) Trong dung dịch xút đặc màu hồng bị mất. M hoặc nếu [H+] = 1,0.10-aM thì pH = a. Thí dụ : [H+] = 1,0.10-1M ị pH = 1,0 : môi trường axit. [H+] = 1,0.10-7M ị pH = 7,0 : môi trường trung tính. [H+] = 1,0.10-11M ị pH = 11,0 : môi trường kiềm. Thang pH thường dùng có giá trị từ 0 đến 14 : Giá trị pH có ý nghĩa to lớn trong thực tế. Chẳng hạn, pH của máu người và động vật có giá trị gần như không đổi. Thực vật có thể sinh trưởng bình thường chỉ khi giá trị pH của dung dịch trong đất ở trong khoảng xác định đặc trưng cho mỗi loại cây. Tốc độ ăn mòn kim loại trong nước tự nhiên phụ thuộc rất nhiều vào pH của nước mà kim loại tiếp xúc. 2. Chất chỉ thị axit - bazơ Chất chỉ thị axit-bazơ là chất có màu biến đổi phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch. Thí dụ, màu của hai chất chỉ thị axit - bazơ là quỳ và phenolphtalein trong các khoảng pH khác nhau được đưa ra trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Màu của quỳ và phenolphtalein trong dung dịch ở các khoảng pH khác nhau Trộn lẫn một số chất chỉ thị có màu biến đổi kế tiếp nhau theo giá trị pH, ta được hỗn hợp chất chỉ thị axit - bazơ vạn năng. Dùng băng giấy tẩm dung dịch hỗn hợp này có thể xác định được giá trị gần đúng pH của dung dịch. Để xác định giá trị tương đối chính xác pH của dung dịch người ta dùng máy đo pH. Bài tập 1. Phát biểu các định nghĩa môi trường axit, trung tính và kiềm theo nồng độ H+ và pH ở 25oC. 2. Một dung dịch có [OH-] = 2,5.10-10M. Môi trường của dung dịch là A. axit B. kiềm C. trung tính D. không xác định được Hãy chọn đáp án đúng. 3. Trong dung dịch HNO3 0,010M, tích số ion của nước ở nhiệt độ bất kì là : A. [H+] [OH-] = 1,0.10-14. B. [H+] [OH-] > 1,0.10-14. C. [H+] [OH-] < 1,0.10-14. D. Tuỳ thuộc vào nhiệt độ. Hãy chọn đáp án đúng. 4. Một dung dịch có [OH-] = 4,2.10-3M, đánh giá nào dưới đây là đúng ? A. pH = 3 ; B. pH = 4 ; C. pH 4. 5. Một dung dịch có pH = 5, đánh giá nào dưới đây là đúng ? A. [H+] = 2,0.10-5M ; B. [H+] = 5,0.10-4M ; C. [H+] = 1,0.10-5M ; D. [H+] = 1,0.10-4M. 6. Ka(CH3COOH) = 1,75.10-5 ; Ka(HNO2) = 4,0.10-4. Nếu hai axit có nồng độ bằng nhau và ở cùng nhiệt độ, khi quá trình điện li ở trạng thái cân bằng, đánh giá nào dưới đây là đúng ? A. B. C. D. 7. Hai dung dịch axit đưa ra ở câu 9 cùng nồng độ mol và cùng nhiệt độ, axit nào có độ điện li a lớn hơn? 8. Chất chỉ thị axit - bazơ là gì ? Hãy cho biết màu của quỳ và phenolphtalein trong dung dịch ở các khoảng pH khác nhau. 9. Cần bao nhiêu gam NaOH để pha chế 300 ml dung dịch có pH = 10,0 ? 10. a) Tính pH của dung dịch chứa 1,46 g HCl trong 400,0 ml. b) Tính pH của dung dịch tạo thành sau khi trộn 100,0 ml dung dịch HCl 1,000M với 400,0 ml dung dịch NaOH 0,375M. Tư liệu pH và sự sâu răng Răng được bảo vệ bởi lớp men cứng, dày khoảng 2mm. Lớp men này là hợp chất Ca5(PO4)3 OH và được tạo thành bằng phản ứng : 5Ca2+ + 3 + OH- Ca5(PO4)3OH (1) Quá trình tạo lớp men này là sự bảo vệ tự nhiên của con người chống lại bệnh sâu răng. Sau bữa ăn, vi khuẩn trong miệng tấn công các thức ăn còn lưu lại trên răng tạo thành các axit hữu cơ như axit axetic, axit lactic. Thức ăn với hàm lượng đường cao tạo điều kiện tốt nhất cho việc sản sinh ra các axit đó. Lượng axit trong miệng tăng, pH giảm, làm cho phản ứng sau xảy ra : H+ + OH- đ H2O Khi nồng độ OH- giảm, theo nguyên lí Lơ Sa-tơ-li-ê, cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều nghịch và men răng bị mòn, tạo điều kiện cho sâu răng phát triển. Biện pháp tốt nhất phòng sâu răng là ăn thức ăn ít chua, ít đường, đánh răng sau khi ăn. Người ta thường trộn vào thuốc đánh răng NaF hay SnF2, vì ion F- tạo điều kiện cho phản ứng sau xảy ra : 5Ca2+ + 3 + F- đ Ca5(PO4)3F Hợp chất Ca5(PO4)3 F là men răng thay thế một phần Ca5(PO4)3OH. ở nước ta, một số người có thói quen ăn trầu rất tốt cho việc tạo men răng theo phản ứng (1), vì trong trầu có vôi tôi Ca(OH)2, chứa Ca2+ và OH- làm cho cân bằng (1) chuyển dịch theo chiều thuận. Luyện tập Axit, bazơ và muối ã Củng cố kiến thức về axit, bazơ và muối. Bài 5 ã Rèn luyện kĩ năng tính pH của các dung dịch axit một nấc và bazơ một nấc. I - kiến thức cần nắm vững 1. Axit khi tan trong nước điện li ra cation H+ (theo thuyết A-rê-ni-ut) hoặc axit là chất nhường proton H+ (theo thuyết Bron-stêt). Bazơ khi tan trong nước điện li ra anion OH- (theo thuyết A-rê-ni-ut) hoặc bazơ là chất