SGK hóa học 11 nâng cao

Nguyên nhân tính dẫn điện của các dung dịch axit, bazơ và muối trong nớc Ngay từ năm 1887, A-rê-ni-ut S.. Arrhenius, 1859 − 1927, ngờiThuỵ Điển đợc giải Nobel về hoá học năm 1903 đã chỉ

• Phản ứng xảy ra trong dung dịch nớc có những đặc

điểm gì ?

A-rê-ni-ut

(S.Arrhenius)

sự điện li

• Biết các khái niệm về sự điện li và chất điện li

• Hiểu nguyên nhân tính dẫn điện của dung dịch chất điện li và cơ chế của quá trình điện li.

I − Hiện tợng điện li

1 Thí nghiệm

Dùng bộ dụng cụ nh hình 1.1 để chứng minh tính dẫn

điện của dung dịch

Hình 1.1 Bộ dụng cụ chứng minh tính dẫn điện của dung dịch.

a) Lấy một ít nớc cất vào cốc, nhúng cặp điện cực bằng than

chì vào trong nớc, nối dụng cụ với nguồn điện, bóng đèn khôngsáng Vậy nớc cất không dẫn điện

b) Thay cốc nớc cất trên bằng cốc đựng dung dịch NaCl, bóng

đèn sáng lên (hình 1.1.a) Dung dịch NaCl dẫn điện

Làm lại thí nghiệm với dung dịch CH3COOH (hình 1.1.b), dungdịch HCl, dung dịch NaOH và các dung dịch axit, bazơ, muốikhác ta thấy dung dịch của chúng đều dẫn điện.

c) Làm các thí nghiệm tơng tự với dung dịch đờng (hình

1.1c), dung dịch ancol etylic, dung dịch glixerol, NaCl rắn khan,NaOH rắn khan, ta thấy bóng đèn đều không sáng Chúngkhông dẫn điện

2 Nguyên nhân tính dẫn điện của các dung dịch axit, bazơ và muối trong nớc

Ngay từ năm 1887, A-rê-ni-ut (S Arrhenius, 1859 − 1927, ngờiThuỵ Điển đợc giải Nobel về hoá học năm 1903) đã chỉ ra 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 đợc gọi là các ion.

Nh vậy các axit, bazơ và muối khi hoà tan trong nớc phân li racác ion, nên dung dịch của chúng dẫn điện

Ngời ta gọi quá trình phân li các chất trong nớc ra ion là

sự điện li Những chất tan trong nớc phân li ra ion đợc gọi

là những chất điện li.(*)

Vậy axit, bazơ và muối là những chất điện li

II − Cơ chế của quá trình điện li

1 Cấu tạo của phân tử H 2 O

Phân tử H2O có cấu tạo nh hình 1.2a Liên kết O − H là liên kếtcộng hoá trị phân cực, cặp electron dùng chung lệch về phíaoxi, nên ở oxi có d điện tích âm, còn ở hiđro có d điện tích d-

ơng Vì vậy, phân tử H2O là phân tử phân cực

* (*) Nhiều chất khi nóng chảy cũng phân li ra ion, nên ở trạng thái nóng chảy chúng dẫn điện đợc Trong một số tài liệu, ngời ta cũng đề cập đến chất điện li loại này, thí dụ Al 2 O 3

Hình 1.2 a) Cấu tạo của phân tử nớc ; b) Mô hình đặc của phân tử nớc

2 Quá trình điện li của NaCl trong nớc

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 thểvào nớc, những ion Na+ và Cl− trên bề mặt tinh thể hút vềchúng các phân tử H2O (cation hút đầu âm và anion hút đầudơng) Quá trình tơng tác giữa các phân tử nớc phân cực vàcác ion của muối kết hợp với sự chuyển động hỗn loạn khôngngừng của các phân tử nớc làm cho các ion Na+ và Cl− của muốitách dần khỏi tinh thể và hoà tan trong nớc (hình 1.3)

Từ sơ đồ trên ta thấy sự điện li của NaCl trong nớc có thể đợcbiểu diễn bằng phơng trình điện li nh sau :

3 Quá trình điện li của HCl trong nớc

Phân tử hiđro clorua (HCl) cũng là phân tử phân cực tơng

tự phân tử nớc Cực dơng ở phía hiđro, cực âm ở phía clo

Khi tan trong nớc, các phân tử HCl hút về chúng những cực

ng-ợc dấu của các phân tử nớc Do sự tơng tác giữa các phân tử nớc

và phân tử HCl, kết hợp với sự chuyển động không ngừng củacác phân tử nớc 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 nớc.

Phơng trình điện li của HCl trong nớc nh sau :

HCl → H+ + Cl−Trong các phân tử ancol etylic, đờng, glixerol, có sự phân cựcnhng rất yếu, nên dới tác dụng của các phân tử nớc chúng khôngthể phân li thành ion đợc, 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 Tại sao các dung dịch axit, bazơ và muối dẫn điện đợc ?

3 Cơ chế của quá trình điện li chất điện li là hợp chất ion và hợp chất cộng

hoá trị phân cực nh thế nào ?

4 Trong số các chất sau, những chất nào là chất điện li ?

H 2 S, SO 2 , Cl 2 , H 2 SO 3 , CH 4 , NaHCO 3 , Ca(OH) 2 , HF, C 6 H 6 , NaClO.

5 Trờng hợp nào sau đây không dẫn điện đợc ?

a KCl rắn, khan c Nớc sông, hồ, ao.

b Nớc biển d Dung dịch KCl trong nớc.

6 Chất nào dới đây không điện li ra ion khi hoà tan trong nớc ?

A MgCl 2 , B HClO 3 , C C 6 H 12 O 6 (glucozơ), D Ba(OH) 2 ,

7 Dung dịch nào sau đây không dẫn điện đợc ?

A HCl trong C 6 H 6 (benzen) B Ca(OH) 2 trong nớc.

B CH 3 COONa trong nớc D NaHSO 4 trong nớc.

Phân loại các chất điện li

• Hiểu độ điện li và cân bằng điện li là gì

• Hiểu thế nào là chất điện li mạnh, chất điện li yếu.

Độ điện li α (anpha) của chất điện li là tỉ số số phân tử phân li ra ion (n) và tổng số số phân tử hoà tan (no)

o

nn

α =

Độ điện li của các chất điện li khác nhau nằm trong khoảng 0 <

α ≤ 1 Khi một chất có α = 0, quá trình điện li không xảy ra, đó

là chất không điện li Độ điện li thờng đợc biểu diễn dới dạng phầntrăm Thí dụ, trong dung dịch CH3COOH 0,043M, cứ 100 phân tửhoà tan chỉ có 2 phân tử phân li ra ion, độ điện li là :

2100

Trong phơng trình điện li của chất điện li mạnh, ngời ta dùngmột mũi tên chỉ chiều của quá trình điện li Thí dụ :

Na2CO3 → 2Na+ + CO23−Vì sự điện li của Na2CO3 là hoàn toàn, nên ta dễ dàng tính

đợc nồng độ ion trong dung dịch khi biết nồng độ của Na2CO3.Thí dụ, trong dung dịch Na2CO3 0,1M, nồng độ ion Na+ là 0,2M

* (*) Tất cả các chất đều ít nhiều tan trong nớc Thí dụ, ở 25 o C độ hoà tan của BaSO 4 là 1,0.10 − 5 mol/l, của AgCl là 1,2.10 − 5 mol/l, của CaCO 3 là 6,9.10 − 5

mol/l, của Fe(OH) 2 là 5,8.10 − 6 mol/l.

và nồng độ ion CO23− là 0,1M, vì một mol phân tử Na2CO3 phân

li ra hai mol ion Na+ và một mol ion CO23−

2 Chất điện li yếu

Chất điện li yếu là chất khi tan trong nớc chỉ có một phần

số phân tử hoà tan phân li ra ion, phần còn lại vẫn tồn tại dới dạng phân tử trong dung dịch.

Vậy độ điện li của chất điện li yếu nằm trong khoảng 0 < α

< 1

Những chất điện li yếu là các axit yếu, nh CH3COOH, HClO,

H2S, HF, H2SO3, H2CO3 ; các bazơ yếu, nh Bi(OH)3, Mg(OH)2

v.v Trong phơng trình điện li của chất điện li yếu, ngời tadùng hai mũi tên ngợc chiều nhau thay cho một mũi tên trong tr-ờng hợp đối với chất điện li mạnh Thí dụ :

Giống nh mọi cân bằng hoá học khác, cân bằng điện li cũng

có hằng số cân bằng K và tuân theo nguyên lí chuyển dịchcân bằng Lơ Sa-tơ-li-ê

b) ảnh hởng của sự pha loãng đến độ điện li

Khi pha loãng dung dịch, độ điện li của các chất điện li đềutăng

Thí dụ, ở 25oC độ điện li của CH3COOH trong dung dịch0,100M là 1,32%, trong dung dịch 0,043M là 2% và trong dungdịch 0,010M là 4,11%

Có thể giải thích hiện tợng này nh sau Khi pha loãng dungdịch, các ion dơng 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 phân 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 phơng trình

điện li của chúng.

2 Cân bằng sau tồn tại trong dung dịch : CH3 COOH € H + + CH 3 COO −

Độ điện li α của CH3COOH sẽ biến đổi nh 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.

Hãy chọn câu trả lời đúng.

3 Chất điện li mạnh có độ điện li : a α > 1 c α < 1 b α = 1.

5 Có hai chất điện li AB và CD, trong đó A và C đều có số oxi hoá +I, chúng

là các chất tan đợc trong nớc Một là chất điện li mạnh và một là chất điện

li yếu Bằng phơng pháp thực nghiệm nào có thể phân biệt đợc chúng ? Mô tả phơng pháp đó.

6 Tính nồng độ mol của cation và anion trong các dung dịch sau :

C C Trong đó có C o là nồng độ mol của chất hoà tan, C là nồng độ mol của chất hoà tan phân li ra ion.

b) Tính nồng độ mol của CH 3 COOH, CH 3 COO− và H+ trong dung dịch

CH 3 COOH 0,043M khi quá trình điện li ở trạng thái cân bằng, biết rằng

độ điện li α của CH 3 COOH bằng 2%.

axit, bazơ và muối

• Biết thế nào là axit, bazơ theo thuyết A-rê-ni-ut và thuyết Bron-stêt

• Biết viết phơng trình phân li của các axit, bazơ

2 Axit nhiều nấc, bazơ nhiều nấc

a) Axit nhiều nấc

Từ hai thí dụ trên ta thấy mỗi phân tử axit HCl, CH3COOH chỉphân li một nấc ra ion H+ Những axit đó là các axit một nấc.

Có những axit, mà phân tử phân li nhiều nấc ra ion H+, nhmột vài thí dụ dới đây :

H2SO4 → H+ + HSO4− : sù ®iÖn li hoµn toµn

HPO − € H+ + PO34− : K3 = 4,4.10−13

Ph©n tö H3PO4 ph©n li ba nÊc ra ion H+, nã lµ axit ba nÊc.

Nh÷ng axit mµ ph©n tö ph©n li nhiÒu nÊc ra ion H+ lµ c¸c

axit nhiÒu nÊc.

b) Baz¬ nhiÒu nÊc

Trêng hîp NaOH ë thÝ dô trªn cho thÊy, ph©n tö chØ ph©n limét nÊc ra nhãm OH−, nã lµ baz¬ mét nÊc.

Cã nhiÒu baz¬ mµ ph©n tö ph©n li nhiÒu nÊc ra ion OH− lµ

c¸c baz¬ nhiÒu nÊc ThÝ dô :

Ca(OH)2 → Ca(OH)+ + OH− : sù ®iÖn li hoµn toµnCa(OH) + € Ca2+ + OH− : K = 4.10−2

Ph©n tö Ca(OH)2 ph©n li hai nÊc ra ion OH−, nã lµ baz¬ hai

nÊc(*).

3 Hi®roxit lìng tÝnh

Hi®roxit lìng tÝnh lµ chÊt khi tan trong níc võa cã thÓ ph©n

li nh axit, võa cã thÓ ph©n li nh baz¬.

ThÝ dô, Zn(OH)2 lµ hi®roxit lìng tÝnh :

Zn(OH)2 € Zn2+ +2OH− : Ph©n li kiÓu baz¬

* (*) C¸c axit m¹nh nhiÒu nÊc vµ baz¬ m¹nh nhiÒu nÊc chØ ph©n li m¹nh

ë nÊc thø nhÊt, tõ nÊc thø hai trë ®i lµ yÕu, trõ khi dung dÞch rÊt lo·ng.

Zn(OH)2 € 2H+ + ZnO22- (**) : Phân li kiểu axit

Để thể hiện tính axit của Zn(OH)2 ngời ta thờng viết nó dớidạng H2ZnO2

Một số hiđroxit lỡng tính thờng 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 nớc

và có lực axit, lực bazơ đều yếu

II − khái niệm về Axit và bazơ theo thuyết Bron-stêt(*)

1 Định nghĩa

Axit là chất nhờng proton (H + ) Bazơ là chất nhận proton.

Axit € Bazơ + H+

Thí dụ 1 : CH3COOH + H2O € H3O+ +CH3COO−

Trong phản ứng này, CH3COOH nhờng H+ cho H2O, nó là axit ;

H2O nhận H+, nó là bazơ Theo phản ứng nghịch CH3COO− nhận

H+, nó là bazơ, còn H3O+ nhờng H+, nó là axit

ở đây HCO3− và OH−là bazơ, H2O và H2CO3là axit Vậy HCO3−

là chất lỡng tính

* (**) Thực ra trong dung dịch nớc tồn tại dới dạng [Zn(OH) 4 ]2−, có thể do quá trình kết hợp với các phân tử nớc : ZnO22− + 2H 2 O → [Zn(OH) 4 ]2−.

( *) 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 gọi là thuyết proton.

Nhận xét : • Tuỳ từng trờng hợp phân tử H2O, có thể đóng vaitrò axit hay bazơ, nó là chất lỡng tính.

• 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 vàphân li ra H+ trong nớc, trong phân tử bazơ phải có nhóm OH vàphân li ra OH− trong nớc Vậy thuyết A-rê-ni-ut chỉ đúng cho tr-ờng hợp dung môi là nớc Mặt khác, có những chất không chứanhóm OH, nhng chúng là bazơ, nh NH3, các amin(**) thì thuyếtA-rê-ni-ut không giải thích đợc

Thuyết Bron-stêt tổng quát hơn, nó áp dụng đúng cho bất kìdung môi nào có khả năng nhờng và nhận proton, cả khi vắngmặt dung môi Tuy nhiên, ở đây chúng ta chỉ nghiên cứu tínhchất axit − bazơ trong dung môi nớc, nên cả hai thuyết đều chokết quả giống nhau

III − Hằng số phân li axit và bazơ

1 Hằng số phân li axit

Sự phân li axit yếu trong nớc là quá trình thuận nghịch, ởtrạng thái cân bằng có thể áp dụng biểu thức hằng số cân bằngcho nó Thí dụ :

Trong đó : [H+], [CH3COO−] và [CH3COOH] là nồng độ của H+,

CH3COO− và CH3COOH lúc cân bằng, tính bằng mol/l

Cân bằng trong dung dịch CH3COOH có thể viết :

H2O trong cân bằng (2) là dung môi, trong dung dịch loãngnồng độ của H2O đợc coi là hằng số, nên không có mặt trongbiểu thức tính K.

Phơng trình (1) đợc viết theo thuyết A-rê-ni-ut, phơng trình(2) đợc viết theo thuyết Bron-stêt Hai cách viết này cho kết quảgiống nhau, nghĩa là giá trị Ka không đổi, vì trong một dungdịch [H+] = [H3O+]

Ka là hằng số phân li axit Đối với axit xác định, Ka chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Giá trị K a của axit càng nhỏ, lực axit của nó càng yếu Thí dụ,

ở 25oC, Ka của CH3COOH là 1,75.10−5 và của HClO là 5.10−8 Vậylực axit của HClO yếu hơn của CH3COOH, nghĩa là nếu hai axit

có cùng nồng độ mol thì nồng độ mol của H+ trong dung dịchHClO nhỏ hơn

Muối mà trong phân tử không còn hiđro có khả năng phân li

ra ion H+ (hiđro có tính axit)(*) đợc gọi là muối trung hoà Thí

dụ, NaCl, (NH4)2SO4, Na2CO3

Nếu trong phân tử muối vẫn còn hiđro có khả năng phân li raion H+, thì muối đó đợc gọi là muối axit Thí dụ, NaHCO3,NaH2PO4, NaHSO4

Ngoài ra còn có một số muối phức tạp thờng gặp nh muốikép : NaCl.KCl ; KCl.MgCl2.6H2O ; phức chất : [Ag(NH3)2]Cl ;

[Cu(NH3)4]SO4 ;

2 Sự điện li của muối trong nớc

Hầu hết các muối (kể cả muối kép) khi tan trong nớc phân lihoàn toàn ra cation kim loại (hoặc cation NH4+) và anion gốc axit(trừ một số muối nh HgCl2, Hg(CN)2 v.v là các chất điện li yếu).Thí dụ :

K2SO4 → 2K+ + SO24−NaCl KCl → Na+ + K+ + 2ClNaHSO3 → Na+ + HSO3−Nếu gốc axit còn chứa hiđro có tính axit, thì gốc này phân liyếu ra H+ Thí dụ

3

HSO− € H+ + SO23−Phức chất khi tan trong nớc phân li hoàn toàn ra ion phức (ionphức nằm trong dấu móc vuông), sau đó ion phức điện li yếu racác cấu tử thành phần Thí dụ : [Ag(NH3)2]Cl →[Ag(NH3)2]+ + Cl−

[Ag(NH3)2]+ € Ag+ + 2NH3

* (*) Trong phân tử một số muối nh Na 2 HPO 3 , NaH 2 PO 2 , vẫn còn hiđro, nhng là muối trung hoà vì các hiđro đó không có tính axit.

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

l-ỡng tính, muối trung hoà, muối axit ? Lấy các thí dụ và viết phơng trình

điện li của chúng trong nớc.

3 Hằng số phân li axit, hằng số phân li bazơ là gì ? Lấy thí dụ.

4 Kết luận nào dới đây là đúng theo thuyết A-rê-ni-ut ?

A Một hợp chất trong thành phần phân tử có hiđro là một axit.

B Một hợp chất trong thành phần phân tử có nhóm OH là một bazơ.

C Một hợp chất trong thành phần phân tử có hiđro và phân li ra H + trong nớc

là một axit.

D Một hợp chất là 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 dới đây :

A Giá trị K a của một axit phụ thuộc vào nồng độ.

B Giá trị K a của một axit phụ thuộc vào áp suất.

C Giá trị K a của một axit phụ thuộc vào nhiệt độ.

D Giá trị K a của axit càng nhỏ lực axit càng mạnh.

7 Viết phơng trình điện li của các chất sau trong dung dịch : K2 CO 3 , NaClO,

Na 2 HPO 4 , Na 3 PO 4 , Na 2 S, NaHS, Sn(OH) 2

8 Hãy cho biết các phân tử và ion sau là axit, bazơ hay lỡng tính theo thuyết

10 Có hai dung dịch sau :

a) CH 3 COOH 0,1M (K a = 1,75.10 − 5 ) Tính nồng độ mol của ion H+.

b) NH 3 0,1M (K b = 1,80.10 − 5 ) Tính nồng độ mol của ion OH−.

Sự điện li của nớc ph Chất chỉ thị axit - bazơ

• Hiểu tích số ion của nớc là gì.

• Hiểu cách đánh giá độ axit và độ kiềm của các dung dịch theo nồng độ ion H + và pH.

• Biết màu của vài chất chỉ thị trong dung dịch ở các khoảng pH khác nhau.

I − nớc là chất điện li rất yếu

(bazơ) (axit) (axit) (bazơ)Phơng trình điện li (1) đợc viết theo thuyết A-rê-ni-ut Ph-

ơng trình (2) đợc viết theo thuyết Bron-stêt Hai cách viết nàycho những hệ quả giống nhau

2 Tích số ion của nớc

Từ phơng trình (1) ta có thể viết đợc biểu thức hằng sốcân bằng K của phản ứng :

2

[H ][OH ]K