lOMoARcPSD|16911414 Bài 6: Dung dịch các chất điện li BÀI 6: DUNG DỊCH CÁC CHẤT ĐIỆN LI 1. Một số khái niệm và đại lượng về dung dịch chất điện li 1. Thuyết điện li. Arêniux - 1884 (Arrehnius - Thụy Điển) Những chất ở trạng thái hòa tan hay nóng chảy có khả năng dẫn điện được gọi là các chất điện li.
Trong nước chất điện li phân li thành các ion dương và âm. Tùy thuộc vào khả năng phân li của các chất điện li trong dung dịch, người ta phân chia chúng thành các chất điện li yếu và chất điện li mạnh. * Chất điện li mạnh là những chất có khả năng phân li hoàn toàn thành các ion trong dung dịch, thường là những hợp chất có liên kết ion hay liên kết cộng phân cực mạnh. Ví dụ: - Tất cả các muối vô cơ và hầu hết các muối hữu cơ như: KNO3 → K+ + NO3- NaCH3COO → Na+ + CH3COO- RNH3Cl → RNH3+ + Cl- - Một số axit, bazơ vô cơ mạnh như: H2SO4 → 2H+ + SO42- NaOH → Na+ + OH- * Chất điện li yếu là những chất phân li không hoàn toàn trong dung dịch, thường là những chất có liên kết cộng phân cực yếu hay liên kết cho nhận.
Ví dụ: - Một số axit và bazơ vô cơ yếu như: HNO2 H+ + NO2- H2CO3 H+ + HCO3- NH4OH NH4+ + OH- - Hầu hết các axit bazơ hữu cơ như: CH3COOH H+ + CH3COO- R-NH2 + H2O R-NH3 + OH- - Các ion phức như: [Fe(CN)6]4- Fe2+ + 6CN- 1. Hằng số điện li Đối với chất điện li yếu, quá trình điện li của chúng trong dung dịch thực chất là một quá trình thuận nghịch, nghĩa là trong dung dịch có cân bằng động giữa các phân tử và các ion phân li ra: 46 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 6: Dung dịch các chất điện li AB A+ + B- Hằng số cân bằng của quá trình phân li một chất điện li yếu: [A + ][B − ] K= [AB] được gọi là hằng số điện li, kí hiệu là K. K là đại lượng đặc trưng cho các chất điện li yếu, nó phụ thuộc vào bản chất chất điện li, nhiệt độ và dung môi, K càng lớn thì khả năng phân li càng nhiều. Nếu AB là một axit yếu thì K được gọi là hằng số điện li của axit, kí hiệu Ka.
Ví dụ: CH3COOH H+ + CH3COO- [H + ][CH 3COO − ] Ka = [CH 3COOH] Nếu AB là một bazơ yếu thì K được gọi là hằng số điện li của bazơ, kí hiệu Kb. Ví dụ: R-NH2 + H2O R-NH3 + OH- [RNH 3 ][OH − ] Kb = [RNH 2 ] Nếu AB là một ion phức thì K được gọi là hằng số không bền, kí hiệu Kkb. Ví dụ: [Fe(CN)6]4- Fe2+ + 6CN- [Fe 2 + ][CN − ]6 Kkb = [Fe(CN ) 6 ] 4 − Trong tính toán người ta sử dụng đại lượng pK với qui ước pK = -lgK. Như vậy, tương ứng ta sẽ có pKa, pKb, pKkb.
Một chất điện li có pK càng nhỏ thì có khả năng điện li càng mạnh trong dung dịch. Độ điện li Khả năng phân li của các chất điện li trong dung dịch còn được đánh giá qua một đại lượng gọi là độ điện li của dung dịch, kí hiệu là α. Độ điện li là tỉ số giữa số phân tử đã phân li thành ion n và tổng số phân tử đã hòa tan n0. n α= n0 Độ điện li được biểu diễn bằng phần trăm (%).
47 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 6: Dung dịch các chất điện li Ví dụ: Dung dịch HF trong nước nồng độ 0,1M ở 25oC có α = 0,09 hay 9%. Điều đó có nghĩa là cứ hòa tan 100 phân tử thì có 9 phân tử phân li thành ion. Đối với dung dịch các chất không điện li, ví dụ: đường. Đối với dung dịch các chất điện li mạnh, phân li hoàn toàn thì α = 1.
Như vậy độ điện li có thể có giá trị 0 ≤ α ≤ 1. Tuy nhiên trong thực tế khi xác định độ điện li (ví dụ bằng phương pháp đo độ dẫn điện) của dung dịch những chất điện li mạnh, ví dụ: HCl, NaOH, K2SO4,. thì α thường < 1 (nó chỉ = 1 khi dung dịch được pha loãng vô cùng). Sở dĩ như vậy là vì ở những dung dịch có nồng độ cao xảy ra tương tác tĩnh điện giữa các ion hoặc sự tụ hợp giữa các ion với phân tử.
K chỉ phụ thuộc vào bản chất dung môi và nhiệt độ, trong khi đó α còn phụ thuộc vào cả nồng độ. Như vậy K đặc trưng cho khả năng điện li của một chất điện li yếu, còn α đặc trưng cho khả năng điện li của một dung dịch điện li nói chung. Giữa K của một chất điện li yếu và α có mối tương quan như sau: Nếu AB là chất điện li yếu có hằng số điện li K, trong dung dịch có cân bằng: AB ⇔ A+ + B- Gọi nồng độ ban đầu của AB là C, độ điện li của nó ở nồng độ này là α. Sau khi cân bằng điện li được thiết lập có [A+] = [B-] = Cα và [AB] = C-Cα Theo định nghĩa: [A + ][B − ] CαCα Cα 2 K= = = [AB] C(1 − α) 1 − α Khi α << 1 (α < 0,1) có thể coi 1 - α ≈ 1, khiđó ta có biểu thức đơn giản hơn: K α≈ C Các biểu thức trên cho phép tính hằng số K khi biết độ điện li α ở một nồng độ xác định và ngược lại.
Ví dụ 1: Tính hằng số điện li của CH3COOH biết rằng dung dịch 0,1M có độ điện li 0,0132 (0,0132) 2 101 K= = 1,76. 105 1 − 0,0132 Ví dụ 2: Hằng số điện li của HNO2 = 5. Hỏi dung dịch có nồng độ bao nhiêu để điện li bằng 20% K 5. 102M α 2 (0,2) 2 48 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 6: Dung dịch các chất điện li Biểu thức cho thấy: Độ điện li tỉ lệ nghịch với căn bậc 2 của nồng độ chất điện li.
Đó là nội dung của định luật pha loãng Oxvan. Khi nồng độ giảm, nghĩa là khi pha loãng thì độ điện li α của dung dịch tăng lên. Sự điện li của nước - Tích số ion của nước - pH Nước là chất điện li rất yếu. H2O H+ + OH- hằng số điện li của nước ở 20oC: [H + ][OH − ] K= = 1,8 .10-16= 10-14 gọi là tích số ion của nước.
Như vậy trong nước [H+] = [OH-] = 10-7 mol/l. Trong dung dịch nước, bất kỳ nồng độ ion H+ hay OH- có thể thay đổi nhưng tích số nồng độ của chúng luôn luôn bằng 10-14 mol/l. Để đặc trưng cho độ axit, bazơ hay trung tính của một dung dịch, người ta sử dụng một đại lượng gọi là pH pH = -lg [H+] Nước nguyên chất có [H+] = 10-7 pH = 7 Dung dịch axit có [H+] > 10-7 pH < 7 Dung dịch bazơ có [OH-] > 10-7 pH > 7 1. Chất chỉ thị pH Các chất chỉ thị pH là các chất có màu sắc thay đổi phụ thuộc vào pH.
chúng thường là axit hay bazơ hữu cơ yếu mà dạng phân tử và dạng ion có màu khác nhau. Ví dụ: Một chất chỉ thị pH là axit thì trong dung dịch có cân bằng phân li: HInd H+ + Ind- Màu dạng axit Màu dạng bazơ pH chuyển màu Phenolphtalein không màu hồng 8 - 10 Quì tím hồng xanh 5-8 Metyl đỏ hồng vàng 4,4 - 6,2 Metyl da cam da cam vàng 3,1 - 4,5 Đại lượng đặc trưng đối với mỗi chất chỉ thị pH là khoảng chuyển màu của chất chỉ thị. Đó là khoảng pH mà chất chỉ thị bắt đầu chuyển từ một màu này sang hoàn toàn một màu khác (từ màu dạng axit sang màu dạng bazơ). 49 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 6: Dung dịch các chất điện li Ví dụ: Với metyl đỏ thì ở pH < 4,4 có màu hồng (màu dạng axit).
ở 4,4 < pH < 6,2 màu hồng chuyển dần sang vàng ở pH > 6,2 có màu vàng (màu dạng bazơ) Sử dụng chất chỉ thị pH thích hợp có thể đánh giá sơ bộ pH của một dung dịch trong khoảng nào. Ví dụ: - Nếu nhỏ phenolphtalein vào một dung dịch thấy xuất hiện màu hồng thì chứng tỏ dung dịch có pH > 8. - Nếu nhỏ metyl đỏ vào một dung dịch thấy xuất hiện màu hồng thì dung dịch có pH < 4,4. Nếu có màu vàng thì pH của dung dịch lớn hơn 6,2.
Để xác định pH bằng các chất chỉ thị màu pH một cách chính xác hơn, người ta thường dùng dung dịch chỉ thị tổng hợp. Đó là một dung dịch chứa nhiều chất chỉ thị pH có các khoảng chuyển màu khác nhau và do đó nó sẽ có màu xác định tại một pH xác định. Tương tự, người ta cũng dùng giấy đo pH. Đó là giấy đã được tẩm chỉ thị tổng hợp.
Axit và bazơ 2. Thuyết proton về axit - bazơ. Bronstet, 1923 (Bronsted - Đan Mạch) Theo Bronstet: axit là chất có khả năng nhường proton, bazơ là chất có khả năng nhận proton: CH3COOH H+ + CH3COO- NH4+ H+ + NH3 R-NH3+ H+ + R-NH2 hay tổng quát ta có: HA H+ + A Một axit HA khi phân li cho ra proton và một bazơ A-. HA/A được gọi là một cặp axit - bazơ liên hợp.
Thuyết electron về axit - bazơ của Liuyt (Lewis) Axit là chất có khả năng nhận cặp electron, còn bazơ là chất có khả năng cho cặp electron. H+ (HCl) OH- (NaOH) H+ : O: H H R N: + H+ → R-NH3+ H Theo định nghĩa của Lewis thì những phản ứng không có sự trao đổi proton cũng thuộc loại phản ứng axit - bazơ. Ví dụ: 50 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Bài 6: Dung dịch các chất điện li F H F H F−B + :N −H → F−B −N−H F H F H Thuyết Lewis thường được sử dụng trong hóa học hữu cơ. Sự điện li của axit và bazơ trong nước HCl → H+ + Cl- CH3COOH → H+ + CH3COO- Vì ion H+ có thể tích nhỏ nên mật độ điện tích lớn do đó nó có thể tham gia vào tương tác với các phân tử nước tạo ra ion hidroxoni H3O+.
Vì vậy phản ứng phân li của axit thực chất là phản ứng của nó với nước. HCl + H2O → H3O+ + Cl- CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO- HA + H2O H3O+ + A- Tuy nhiên để đơn giản, người ta vẫn viết: HA H+ + A- [H + ][A − ] và hằng số điện li vẫn được tính bằng biểu thức: Ka = [HA] Tương tự như vậy, sự điện li của một bazơ là phản ứng của nó với nước để tạo ra ion - OH .