Ôn ĐH-Dung dịch-Điện ly-Điện phân

- Sự điện li là quá trình phân li chất tan thành các ion dưới tác dụng của các phân tử dung môi thường là nước hoặc khi nóng chảy.. - Chất điện ly là những chất tan trong nước tạo thành

DUNG DỊCH - ĐIỆN LY - ĐIỆN PHÂN

Dung dịch

1 Định nghĩa.

Dung dịch là hệ đồng thể gồm hai hay nhiều chất mà tỷ lệ thành phần của chúng có thể thay đổi trong một giới hạn khá rộng

Dung dịch gồm: các chất tan và dung môi

Dung môi là môi trường để phân bổ các phân ử hoặc ion chất tan Thường gặp dung môi lỏng và quan trọng nhất là H2O

2 Quá trình hoà tan.

Khi hoà tan một chất thường xảy ra 2 quá trình

- Phá huỷ cấu trúc của các chất tan

- Tương tác của dung môi với các tiểu phân chất tan

Ngoài ra còn xảy ra hiện tượng ion hoá hoặc liên hợp phân tử chất tan (liên kết hiđro)

Ngược với quá trình hoà tan là quá trình kết tinh Trong dung dịch, khi tốc độ hoà tan bằng tốc độ kết tinh,

ta có dung dịch bão hoà Lúc đó chất tan không tan thêm được nữa

3 Độ tan của các chất.

Độ tan được xác định bằng lượng chất tan bão hoà trong một lượng dung môi xác định Nếu trong 100 g H2O hoà tan được:

>10 g chất tan: chất dễ tan hay tan nhiều

<1 g chất tan: chất tan ít

< 0,01 g chất tan: chất thực tế không tan

4 Tinh thể ngậm nước.

Quá trình liên kết các phân tử (hoặc ion) chất tan với các phân tử dung môi gọi là quá trình sonvat hoá Nếu dung môi là H2O thì đó là quá trình hiđrat hoá

Hợp chất tạo thành gọi là sonvat (hay hiđrat)

Ví dụ: CuSO4.5H2O ; Na2SO4.10H2O

Các sonvat (hiđrat) khá bền vững Khi làm bay hơi dung dịch thu được chúng ở dạng tinh thể, gọi là những tinh thể ngậm H2O Nước trong tinh thể gọi là nước kết tinh

Một số tinh thể ngậm nước thường gặp:

FeSO4.7H2O, Na2SO4.10H2O, CaSO4.2H2O

5 Nồng độ dung dịch

Nồng độ dung dịch là đại lượng biểu thị lượng chất tan có trong một lượng nhất định dung dịch hoặc dung môi

a) Nồng độ phần trăm (C%) Nồng độ phần trăm được biểu thị bằng số gam chất tan có trong 100 g dung dịch

Trong đó : mt, mdd là khối lượng của chất tan và của dung dịch

V là thể tích dung dịch (ml), D là khối lượng riêng của dung dịch (g/ml)

b) Nồng độ mol (CM) Nồng độ mol được biểu thị bằng số mol chất tan trong 1 lít dung dịch Ký hiệu là M

c) Quan hệ giữa C% và CM

Ví dụ : Tính nồng độ mol của dung dịch axit H2SO4 20%, có D = 1,143 g/ml

Giải : Theo công thức trên ta có :

Sự điện li

1 Định nghĩa

- Sự điện li là quá trình phân li chất tan thành các ion dưới tác dụng của các phân tử dung môi (thường là nước) hoặc khi nóng chảy

Ion dương gọi là cation, ion âm gọi là anion

- Chất điện ly là những chất tan trong nước tạo thành dung dịch dẫn điện nhờ phân ly thành các ion

Ví dụ: Các chất muối axit, bazơ

- Chất không điện li là chất khi tan trong nước tạo thành dung dịch không dẫn điện

Ví dụ: Dung dịch đường, dung dịch rượu,…

- Nếu chất tan cấu tạo từ các tinh thể ion (như NaCl, KOH,…) thì quá trình điện ly là quá trình điện li là quá trình tách các ion khỏi mạng lưới tinh thể rồi sau đó ion kết hợp với các phân tử nước tạo thành ion hiđrat

- Nếu chất tan gồm các phân tử phân cực (như HCl, HBr, HNO3,…) thì đầu tiên xảy ra sự ion hoá phân tử

và sau đó là sự hiđrat hoá các ion

- Phân tử dung môi phân cực càng mạnh thì khả năng gây ra hiện tượng điện li đối với chất tan càng mạnh

Trong một số trường hợp quá trình điện li liên quan với khả năng tạo liên kết hiđro của phân tử dung môi (như sự điện li của axit)

2 Sự điện li của axit, bazơ, muối trong dung dịch nước

a) Sự điện li của axit

Axit điện li ra cation H+ (đúng hơn là H3O+) và anion gốc axit

Để đơn giản, người ta chỉ viết

Nếu axit nhiều lần axit thì sự điện li xảy ra theo nhiều nấc, nấc sau yếu hơn nấc trước

b) Sự điện li của bazơ

Bazơ điện li ra anion OH- và cation kim loại hoặc amoni

Nếu bazơ nhiều lần bazơ thì sự điện li xảy ra theo nhiều nấc, nấc sau yếu hơn nấc trước

c) Sự điện li của muối

Muối điện li ra cation kim loại hay amoni và anion gốc axit, các muối trung hoà thường chỉ điện li 1 nấc Muối axit, muối bazơ điện li nhiều nấc :

Muối bazơ :

d) Sự điện li của hiđroxit lưỡng tính.

Hiđroxit lưỡng tính có thể điện li theo 2 chiều ra cả ion H+ và OH-

3 Chất điện li mạnh và chất điện li yếu

a) Chất điện li mạnh

Chất điện li mạnh là những chất trong dung dịch nước điện li hoàn toàn thành ion Quá trình điện li là quá trình một chiều, trong phương trình điện li dùng dấu = Ví dụ:

Những chất điện li mạnh là những chất mà tinh thể ion hoặc phân tử có liên kết phân cực mạnh

Đó là:

- Hầu hết các muối tan

- Các axit mạnh: HCl, HNO3, H2SO4,…

- Các bazơ mạnh: NaOH, KOH, Ca(OH)2,…

b) Chất điện li yếu

- Chất điện li yếu là những chất trong dung dịch nước chỉ có một phần nhỏ số phân tử điện li thành ion còn phần lớn tồn tại dưới dạng phân tử, trong phương trình điện li dùng dấu thuận nghịch

Ví dụ:

Những chất điện li yếu thường gặp là:

- Các axit yếu: CH3COOH, H2CO3, H2S,…

- Các bazơ yếu: NH4OH,…

- Mỗi chất điện li yếu được đặc trưng bằng hằng số điện li (Kđl) - đó là hằng số cân bằng của quá trình điện li Ví dụ:

Trong đó: [CH3COO-], [H+] và [CH3COOH] là nồng độ các ion và phân tử trong dung dịch lúc cân bằng Kđl là hằng số, không phụ thuộc nồng độ Chất điện li càng yếu thì Kđl càng nhỏ

Với chất điện li nhiều nấc, mỗi nấc có Kđl riêng H2CO3 có 2 hằng số điện li:

4 Độ điện li α

- Độ điện li a của chất điện li là tỷ số giữa số phân tử phân li thành ion Np và tổng số phân tử chất điện li tan vào nước Nt

Ví dụ: Cứ 100 phân tử chất tan trong nước có 25 phân tử điện li thì độ điện li a bằng:

- Tỷ số này cũng chính là tỷ số nồng độ mol chất tan phân li (Cp) và nồng độ mol chất tan vào trong dung dịch (Ct)

- Giá trị của α biến đổi trong khoảng 0 đến 1

0 ≥ α ≥ 1

Khi a = 1: chất tan phân li hoàn toàn thành ion Khi α = 0: chất tan hoàn toàn không phân li (chất không điện li)

- Độ điện li α phụ thuộc các yếu tố : bản chất của chất tan, dung môi, nhiệt độ và nồng độ dung dịch

5 Quan hệ giữa độ điện li α và hằng số điện li

Giả sử có chất điện li yếu MA với nồng độ ban đầu Co, độ điện li của nó là α, ta có:

Hằng số điện li:

Dựa vào biểu thức này, nếu biết α ứng với nồng độ dung dịch Co, ta tính được Kđl và ngược lại

Ví dụ: Trong dung dịch axit HA 0,1M có α = 0,01 Tính hằng số điện li của axit đó (ký hiệu là Ka)

Giải: Trong dung dịch, axit HA phân li:

6 Axit - bazơ

a) Định nghĩa

Axit là những chất khi tan trong nước điện li ra ion H+ (chính xác là H3O+)

Bazơ là những chất khi tan trong nước điện li ra ion OH-

- Đối với axit, ví dụ HCl, sự điện li thường được biểu diễn bằng phương trình

Nhưng thực ra axit không tự phân li mà nhường proton cho nước theo phương trình

Vì H2O trong H3O+ không tham gia phản ứng nên thường chỉ ghi là H+

- Đối với bazơ, ngoài những chất trong phân tử có sẵn nhóm OH- (như NaOH, Ba(OH)2…) Còn có những bazơ trong phân tử không có nhóm OH (như NH3…) nhưng đã nhận proton của nước để tạo ra OH-

Do đó để nêu lên bản chất của axit và bazơ, vai trò của nước (dung môi) cần định nghĩa axit - bazơ như sau:

Axit là những chất có khả năng cho proton

Bazơ là những chất có khả năng nhận proton

Đây là định nghĩa của Bronstet về axit - bazơ

b) Phản ứng axit - bazơ

- Tác dụng của dung dịch axit và dung dịch bazơ

Cho dung dịch H2SO4 tác dụng với dung dịch NaOH, phản ứng hoá học xảy ra toả nhiệt làm dung dịch nóng lên

Phương trình phân tử:

Phương trình ion:

Hoặc là:

H2SO4 cho proton (chuyển qua ion H3O+) và NaOH nhận proton (trực tiếp là ion OH-).

Phản ứng của axit với bazơ gọi là phản ứng trung hoà và luôn toả nhiệt

- Tác dụng của dung dịch axit và bazơ không tan

Đổ dung dịch HNO3 vào Al(OH)3 , chất này tan dần Phản ứng hoá học xảy ra

Phương trình phân tử:

Phương trình ion

Hoặc là:

HNO3 cho proton, Al(OH)3 nhận proton

- Tác dụng của dung dịch axit và oxit bazơ không tan

Đổ dung dịch axit HCl vào CuO, đun nóng, phản ứng hoá học xảy ra, CuO tan dần:

Phương trình phân tử:

Phương trình ion

Hoặc là

HCl cho proton, CuO nhận proton, nó đóng vai trò như một bazơ

- Kết luận:

Trong các phản ứng trên đều có sự cho, nhận proton - đó là bản chất của phản ứng axit - bazơ

c) Hiđroxit lưỡng tính

Có một số hiđroxit không tan (như Zn(OH)2, Al(OH)3) tác dụng được cả với dung dịch axit và cả với dung dịch bazơ được gọi là hiđroxit lưỡng tính

Ví dụ: Zn(OH)2 tác đụng được với H2SO4 và NaOH

Hoặc là:

Kẽm hiđroxit nhận proton, nó là một bazơ

Kẽm hiđroxit cho proton, nó là một axit

Vậy: Hiđroxit lưỡng tính là hiđroxit có hai khả năng cho và nhận proton, nghĩa là vừa là axit, vừa là bazơ

7 Sự điện li của nước

a) Nước là chất điện li yếu

Tích số nồng độ ion H+ và OH- trong nước nguyên chất và trong dung dịch nước ở mỗi nhiệt độ là một

hằng số

Môi trường trung tính : [H+] = [OH-] = 10-7 mol/l

Môi trường axit: [H+] > [OH-]

[H+] > 10-7 mol/l

Môi trường bazơ: [H+] < [OH-]

[H+] < 10-7 mol/l

b) Chỉ số hiđro của dung dịch - Độ pH

- Khi biểu diễn nồng độ ion H+ (hay H3O+) của dung dịch dưới dạng hệ thức sau:

thì hệ số a được gọi là pH của dung dịch

Ví dụ: [H+] = 10-5 mol/l thì pH = 5, …

Về mặt toán học thì pH = -lg[H+]

Như vậy:

Môi trường trung tính: pH = 7

Môi trường axit: pH < 7

Môi trường bazơ: pH > 7

pH càng nhỏ thì dung dịch có độ axit càng lớn, (axit càng mạnh); pH càng lớn thì dung dịch có độ bazơ càng lớn (bazơ càng mạnh)

- Cách xác định pH:

Ví dụ 1: Dung dịch HCl 0,02M, có [H+] = 0,02M Do đó pH = -lg2.10-2 = 1,7

Ví dụ 2: Dung dịch NaOH 0,01M, có [OH-] = 0,01 = 10-2 mol/l Do đó :

c) Chất chỉ thị màu axit - bazơ

Chất chỉ thị màu axit - bazơ là chất có màu thay đổi theo nồng độ ion H+ của dung dịch Mỗi chất chỉ thị chuyển màu trong một khoảng xác định

Một số chất chỉ thị màu axit - bazơ thường dùng:

8 Sự thuỷ phân của muối

Chúng ta đã biết, không phải dung dịch của tất cả các muối trung hoà đều là những môi trường trung tính (pH = 7) Nguyên nhân là do: những muối của axit yếu - bazơ mạnh (như CH3COOHNa), của axit mạnh - bazơ yếu (như NH4Cl) khi hoà tan trong nước đã tác dụng với nước tạo ra axit yếu, bazơ yếu, vì vậy những muối này không tồn tại trong nước Nó bị thuỷ phân, gây ra sự thay đổi tính chất của môi trường a) Sự thuỷ phân của muối tạo thành từ axit yếu -bazơ mạnh Ví dụ: CH3COONa, Na2CO3, K2S,…

Trong dung dịch dư ion OH-, do vậy pH > 7 (tính bazơ)

Vậy: muối của axit yếu - bazơ mạnh khi thuỷ phân cho môi trường bazơ

b) Sự thuỷ phân của muối tạo thành từ axit mạnh - bazơ yếu Ví dụ: NH4Cl, ZnCl2, Al2(SO4)3

Trong dung dịch dư ion H3O+ hay (H+), do vậy pH < 7 (tính axit)

Vậy muối của axit mạnh - bazơ yếu khi thuỷ phân cho môi trường axit

c) Sự thuỷ phân của muối tạo thành từ axit yếu - bazơ yếu Ví dụ: Al2S3, Fe2(CO3)3.

9 Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch điện li

Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch điện li chỉ xảy ra khi có sự tạo thành hoặc chất kết tủa, hoặc chất bay hơi, hoặc chất ít điện li (điện li yếu)

a) Phản ứng tạo thành chất kết tủa

Trộn dung dịch BaCl2 với dung dịch Na2SO4 thấy có kết tủa trắng tạo thành Đã xảy ra phản ứng

Phương trình phân tử:

Phương trình ion:

b) Phản ứng tạo thành chất bay hơi

Cho axit HCl tác dụng với Na2CO3 thấy có khí bay ra Đã xảy ra phản ứng

Phương trình phân tử:

Phương trình ion

c) Phản ứng tạo thành chất ít điện li

- Cho axit H2SO4 vào muối axetat Phản ứng xảy ra tạo thành axit CH3COOH ít điện li

Phương trình phân tử:

Phương trình ion

- Hoặc cho axit HNO3 tác dụng với Ba(OH)2 Phản ứng trung hoà xảy ra tạo thành chất ít điện li là nước Phương trình phân tử:

Phương trình ion

Chú ý: Khi biểu diễn phản ứng trao đổi trong dung dịch điện li người ta thường viết phương trình phân tử

và phương trình ion ở phương trình ion, những chất kết tủa, bay hơi, điện li yếu viết dưới dạng phân tử, các chất điện li mạnh viết dưới dạng ion (do chúng điện li ra) Cuối cùng thu gọn phương trình ion bằng cách lược bỏ những ion như nhau ở 2 vế của phương trình

Sự điện phân

1 Định nghĩa

Điện phân là sự thực hiện các quá trình oxi hoá - khử trên bề mặt điện cực nhờ dòng điện một chiều bên ngoài

Quá trình điện phân được biểu diễn bằng sơ đồ điện phân Ví dụ: Sơ đồ điện phân NaCl nóng chảy

Ở catôt: xảy ra quá trình khử.

Ở anôt: xảy ra quá trình oxi hoá

Phương trình điện phân NaCl nóng chảy:

2 Điện phân hợp chất nóng chảy

Ở trạng thái nóng chảy, các tinh thể chất điện phân bị phá vỡ thành các ion chuyển động hỗn loạn Khi có dòng điện một chiều chạy qua, ion dương chạy về catôt và bị khử ở đó, ion âm chạy về anôt và bị oxi hoá

ở đó

Ví dụ: Điện phân KOH nóng chảy

Phương trình điện phân

Điện phân nóng chảy xảy ra ở nhiệt độ cao nên có thể xảy ra phản ứng phụ giữa sản phẩm điện phân (O2, Cl2 ) và điện cực (anôt) thường làm bằng than chì Ví dụ: điện phân Al2O3 nóng chảy (có pha thêm criolit 3NaF.AlF3) ở 1000oC

Phương trình điện phân

Phản ứng phụ:

(Than chì làm anôt bị mất dần, nên sau một thời gian phải bổ sung vào điện cực)

Ứng dụng: Phương pháp điện phân hợp chất nóng chảy được dùng để điều chế các kim loại hoạt động mạnh:

- Điều chế kim loại kiềm: Điện phân muối clorua hoặc hiđroxit nóng chảy

- Điều chế kim loại kiềm thổ: Điện phân muối clorua nóng chảy

- Điều chế Al: Điện phân Al2O3 nóng chảy

3 Điện phân dung dịch nước

a) Nguyên tắc:

Khi điện phân dung dịch, tham gia các quá trình oxi hoá - khử ở điện cực ngoài các ion của chất điện phân còn có thể có các ion H+ và OH- của nước và bản thân kim loại làm điện cực Khi đó quá trình oxi hoá - khử thực tế xảy ra phụ thuộc vào so sánh tính oxi hoá - khử mạnh hay yếu của các chất trong bình điện

b) Thứ tự khử ở catôt

Kim loại càng yếu thì cation của nó có tính oxi hoá càng mạnh và càng dễ bị khử ở catôt (trừ trường hợp ion H+) Có thể áp dụng quy tắc sau:

- Dễ khử nhất là các cation kim loại đứng sau Al trong dãy thế điện hoá (trừ ion H+), trong đó ion kim loại càng ở cưối dãy càng dễ bị khử

- Tiếp đến là ion H+ của dung dịch

- Khó khử nhất là các ion kim loại mạnh, kể từ Al, về phía đầu dãy thế điện hoá

(Al3+, Mg2+, Ca2+, Na+, …) Những ion này thực tế không bao giờ bị khử khi điện phân trong dung dịch

c) Thứ tự oxi hoá ở canôt

Nói chung ion hoặc phân tử nào có tính khử mạnh thì càng dễ bị oxi hoá Có thể áp dụng kinh nghiệm sau:

- Dễ bị oxi hoá nhất là bản thân các kim loại dùng làm anôt Trừ trường hợp anôt trơ (không bị ăn mòn) làm bằng Pt, hay than chì(C)

- Sau đó đến các ion gốc axit không có oxi: I-, Br-, Cl-, …

- Rồi đến ion OH- của nước hoặc của kiềm tan trong dung dịch

- Khó bị oxi hoá nhất là các anion gốc axit có oxi như , ,… Thực tế các anion này không bị oxi hoá khi điện phân dung dịch

d) Một số ví dụ áp dụng quy tắc trên

Ví dụ 1: Điện phân dung dịch CuCl2 với điện cực than chì:

Phương trình điện phân:

Ví dụ 2: Điện phân dung dịch NiCl2 với điện cực bằng niken

Thực chất quá trình điện phân là sự vận chuyển Ni từ anôt sang catôt nhờ dòng điện Phương pháp được ứng dụng để tinh chế kim loại

Ví dụ 3: Điện phân dung dịch Na2SO4 với điện cực Pt:

Phương trình điện phân:

Ví dụ 4: Điện phân dung dịch NaCl với anôt bằng than chì:

Phương trình điện phân:

Trong quá trình điện phân, dung dịch ở khu vực xung quanh catôt, ion H+ bị mất dần., H2O tiếp tục điện

li, do đó ở khu vực này giàu ion OH- tạo thành (cùng với Na+) dung dịch NaOH

Ở anôt, ion Cl- bị oxi hoá thành Cl2 Một phần hoà tan vào dung dịch và một phần khuếch tán sang catôt, tác dụng với NaOH tạo thành nước Javen:

Vì vậy muốn thu được NaOH phải tránh phản ứng tạo nước Javen bằng cách dùng màng ngăn bao bọc lấy khu vực anôt để ngăn khí Cl2 khuếch tán vào dung dịch

Ví dụ 5: Điện phân dung dịch KNO3 với anôt bằng Cu

Khi điện phân, ở khu vực catôt, ion H+ mất dần, nồng độ OH- tăng dần, dung dịch ở đó có tính kiềm tăng dần ở anôt ion Cu2+ tan vào dung dịch

Trong dung dịch xảy ra phản ứng

Phương trình điện phân:

Bản thân KNO3 không bị biến đổi nhưng nồng độ tăng dần

Ứng dụng của điện phân dung dịch:

- Điều chế kim loại đứng sau Al trong dãy thế điện hoá

- Tinh chế kim loại

- Mạ và đúc kim loại bằng điện

- Điều chế một số hoá chất thông dụng: H2, Cl2, O2,…, hiđroxit kim loại kiềm

- Tách riêng một số kim loại khỏi hỗn hợp dung dịch

4 Công thức Farađây

Trong đó: m là khối lượng chất được giải phóng khi điện phân (gam)

A là khối lượng mol của chất đó

n là số e trao đổi khi tạo thành một nguyên tử hay phân tử chất đó

Q là điện lượng phóng qua bình điện phân (Culông)

F là số Farađây (F = 96500 Culông.mol-1)

l là cường độ dòng điện (Ampe)

t là thời gian điện phân (giây)

Ví dụ: Tính khối lượng oxi được giải phóng ở anôt khi cho dòng điện 5 ampe qua bình điện phân đựng dung dịch Na2SO4 trong 1 giờ 20 phút 25 giây