Bài 2: Cân bằng trong dung dịch nước

I. Sự điện li

1. Hiện tượng điện li

Thí nghiệm thử tính dẫn điện của nước, dung dịch muối ăn và dung dịch đường ăn được thực hiện như hình dưới đây:

Đèn sáng cho thấy dung dịch NaCl có thể dẫn điện, chứng tỏ dung dịch có chứa hạt mang điện (các tiểu phân Na⁺ và Cl^-).

Quá trình phân li các chất trong nước tạo thành ion được gọi là sự điện li. Những chất khi tan trong nước phân li ra các ion được gọi là chất điện li.

2. Chất điện li

a) Chất điện li và chất không điện li

Thí nghiệm trong Hình 1 cho thấy, dung dịch đường ăn không có khả năng dẫn điện do không chứa các tiểu phân mang điện.

Các chất như hydrochloric acid, sodium hydroxide,... tan trong nước phân li ra các ion nên chúng là chất điện li. Saccarose, ethanol,... không phân li ra các ion nên chúng là chất không điện li.

b) Chất điện li mạnh và chất điện li yếu

Dựa vào mức độ phân li thành ion, các chất điện li được chia thành hai loại:

- Chất điện li mạnh là chất khi tan trong nước, hầu hết các phân tử chất tan đều phân li ra ion. Các chất điện li mạnh thường gặp là

• Các acid mạnh: HCl, HNO₃, H₂SO₄,...
• Các base mạnh: NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂,...
• Hầu hết các muối.

Quá trình phân li của chất điện li mạnh xảy ra gần như hoàn toàn và được biểu diễn bằng mũi tên một chiều.

HNO₃ → H⁺ + NO₃^-

NaOH → Na⁺ + OH^-

Na₂CO₃ → 2Na⁺ + CO₃^2-

- Chất điện li yếu là chất khi tan trong nước chỉ có một số phân tử chất tan phân li ra ion, phần còn lại vẫn tồn tại ở dạng phân tử trong dung dịch.

Ví dụ: Trong dung dịch CH₃COOH 0,1 M, cứ 1000 phân tử hoà tan thì chỉ có 3 phân tử phân li thành ion, còn lại tồn tại ở dạng phân tử.

Những chất điện li yếu gồm các acid yếu như CH₃COOH, HClO, HF, H₂CO₃,... và base yếu như Cu(OH)₂, Fe(OH)₂,...

Quá trình phân li của chất điện li yếu là một phản ứng thuận nghịch và được biểu diễn bằng hai nửa mũi tên một chiều nhau

CH₃COOH ⇌ H⁺ + CH₃COO^-

II. Thuyết acid - base của Bronsted - Lowry

1. Khái niệm acid và base theo thuyết Bronsted - Lowry

Năm 1923, nhà hoá học người Đan Mạch J. Bronsted và nhà hoá học người Anh T. Lowry đã đưa ra một định nghĩa tổng quát hơn về acid, base.

Thuyết Brosted - Lowry cho rằng acid là chất cho proton (H⁺) và base là chất nhận proton.

Ví dụ: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^-

Trong phản ứng trên, HCl cho H⁺, HCl là acid; H₂O nhận H⁺, H₂O là base.

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH^-

Trong phản ứng thuận, NH₃ nhận H⁺ của H₂O, NH₃ là base, H₂O là acid. Trong phản ứng nghịch, ion NH₄⁺ là acid, ion OH^- là base.

Phân tử H₂O vừa có thể nhận H⁺, vừa có thể cho H⁺, nên H₂O là chất lưỡng tính.

2. Ưu điểm của thuyết Bronsted - Lowry

Theo thuyết Arrhenius, trong phân tử acid phải có nguyên tử H, trong nước phân li ra ion H⁺, trong phân tử base phải có nhóm OH, trong nước phân li ra ion OH^-. Thuyết Arrehnius chỉ đúng cho trường hợp dung môi là nước. Thuyết acid - base của Bronsted - Lowry tổng quát hơn thuyết  Arrehnius, phân tử không có nhóm OH như NH₃ hoặc ion như CO₃^2- cũng là base.

III. Khái niệm pH và ý nghĩa của pH trong thực tiễn

1. Khái niệm pH

Nồng độ ion H⁺ hoặc ion OH- được dùng để đánh giá tính acid hoặc tính base của các dung dịch. Tuy nhiên, nếu các dung dịch có nồng độ H⁺, nồng độ OH^- thấp, chúng là những số có số mũ âm hoặc có nhiều chữ số thập phân. Vì vậy để tiện sử dụng, người ta sử dụng đại lượng pH với quy ước như sau:

pH = -lg[H⁺] hoặc [H⁺] = 10^-pH

Trong đó [H⁺] là nồng độ mol của ion H⁺.

Nếu dung dịch có [H⁺] = 10^-a mol/L thì pH = a.

Ví dụ: [H⁺] = 10^-2 mol/L thì pH = 2.

Môi trường acid là môi trường có [H⁺] > [OH^-] nên [H⁺] > 10^-7 mol/L hay pH < 7.

Môi trường base là môi trường có [H⁺] < [OH^-] nên [H⁺] < 10^-7 mol/L hay pH > 7.

Môi trường trung tính là môi trường có [H⁺] = [OH^-] = 10^-7 mol/L hay pH = 7.

2. Ý nghĩa của pH trong thực tiễn

Chỉ số pH có ý nghĩa to lớn trong thực tiễn, pH có liên quan đến sức khỏe con người, sự phát triển của động vật, thực vật,...

Trong cơ thể của người, máu và các dịch của dạ dày, mật,... đều có giá trị pH trong một khoảng nhất định. Chỉ số pH trong cơ thể liên quan đến tình trạng sức khoẻ. Nếu chỉ số pH tăng hoặc giảm đột ngột, không nằm trong giới hạn cho phép thì có thể là dấu hiệu ban đầu của bệnh lí, người bệnh cần được khám để tìm ra nguyên nhân.

Một số động vật sống dưới nước cần môi trường có giá trị pH thích hợp, ví dụ: tôm và cá ưa sống trong môi trường nước có pH khoảng 7,5 - 8,5.

Một số loại thực vật chỉ phát triển tốt trong đất có giá trị pH thích hợp.

Trong đời sống hằng ngày, các sản phẩm như dầu gội, xà phòng, kem dưỡng da,... cũng đều cần có giá trị pH trong một khoảng nhất định để an toàn cho người sử dụng.

3. Xác định pH

Giá trị pH của dung dịch được xác định gần đúng bằng cách sử dụng chất chỉ thị acid - base. Khi cần xác định giá trị pH chính xác hơn, người ta sử dụng máy đo pH.

Chất chỉ thị acid - base là chất có màu sắc biến đổi phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch. Một số chất chỉ thị như giấy pH, giấy quỳ, phenolphthalein có màu sắc thay đổi trong các khoảng pH khác nhau.

IV. Sự thuỷ phân của các ion

Khi tan trong nước, muối phân li thành các ion. Phản ứng giữa ion với nước tạo ra các dung dịch có môi trường khác nhau được gọi là phản ứng thuỷ phân.

Ví dụ: Trong dung dịch Na₂CO₃, ion Na⁺ không bị thuỷ phân, còn CO₃^2- thuỷ phân trong nước tạo ion OH^- theo phương trình:

CO₃^2- + H₂O ⇌ HCO₃^- + OH^-

Vì vậy, dung dịch Na₂CO₃ có môi trường base. Na₂CO₃ được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, dệt, nhuộm, công nghệ thuỷ tinh, silicate.

Ví dụ : Trong dung dịch AlCl₃ và FeCl₃, ion Cl- không bị thuỷ phân, các ion Al³⁺ và Fe³⁺ bị thuỷ phân trong nước tạo ion H⁺ theo phương trình ở dạng đơn giản như sau:

Al³⁺ + H₂O ⇌ Al(OH)²⁺ + H⁺

Fe³⁺ + H₂O ⇌ Fe(OH)²⁺ + H⁺

Do đó, dung dịch AlCl₃ và FeCl₃ có môi trường acid. Trong thực tế, các loại đất có chứa nhiều ion Al³⁺ và Fe³⁺ được gọi là đất chua. Để khử chua, người ta bón vôi cho đất.

Các muối nhôm và sắt, ví dụ: phèn nhôm ((NH₄)₂SO₄.Al₂(SO₄)₃.24H₂O) và phèn sắt ((NH₄)₂SO₄.Fe₂(SO₄)₃.24H₂O) được sử dụng làm chất keo tụ trong quá trình xử lý nước, dùng làm chất cầm màu trong công nghiệp dệt, nhuộm, hoặc làm chất kết dính, chống nhoè trong công nghiệp giấy,...

V. Chuẩn độ acid - base

1. Nguyên tắc

Chuẩn độ là phương pháp xác định của một chất bằng dung dịch chuẩn đã biết nồng độ. Dựa vào thể tích của các dung dịch khi phản ứng vừa đủ với nhau, xác định được nồng độ dung dịch chất cần chuẩn độ.

Trong phòng thí nghiệm, nồng độ của dung dịch base mạnh (ví dụ NaOH) được xác định bằng một dung dịch acid mạnh (ví dụ HCl) đã biết trước nồng độ mol dựa trên phản ứng:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

Khi các chất phản ứng vừa đủ với nhau, số mol HCl phản ứng bằng số mol NaOH.

Ta có: V_HCl.C_HCl = V_NaOH.C_NaOH

Trong đó:

C_HCl và C_NaOH lần lượt là nồng độ mol của dung dịch HCl và dung dịch NaOH;

V_HCl và V_NaOH lần lượt là thể tíchdung dịch HCl và dung dịch NaOH (cùng đơn vị đo).

Khi biết V_HCl, V_NaOH trong quá trình chuẩn độ và biết C_HCl thì sẽ tính được C_NaOH.

Thời điểm để kết thúc chuẩn độ được xác định bằng sự đổi màu của chất chỉ thị phenolphtalein.

2. Thực hành chuẩn độ acid - base

Chuẩn bị:

- Dung dịch HCl 0,1 M; dung dịch NaOH nồng độ khoảng 0,1 M; dung dịch phenolphthalein.

- Pipette 10 mL; burette 25 mL; bình tam giác 100 mL; bình tia nước cất, giá đỡ, kẹp burette.

Tiến hành:

- Dùng pipette lấy 10 mL dung dịch HCl 0,1 M cho vào bình tam giác, thêm 1 - 2 giọt phenolphthalein.

- Cho dung dịch NaOH vào burette, điều chỉnh dung dịch trong burette về mức 0.

- Mở khoá burette, nhỏ từng giọt dung dịch NaOH xuống bình tam giác (lắc đều trong quá trình chuẩn độ) đến khi dung dịch xuất hiện màu hồng nhạt (bền trong khoảng 10 giây) thì dừng chuẩn độ.

- Ghi lại thể tích dung dịch NaOH đã dùng.

Tiến hành chuẩn độ ít nhất ba lần, đi số liệu thực nghiệm và hoàn thành theo mẫu bảng sau:

Lưu ý:

- Tránh để các hoá chất như dung dịch HCl, dung dịch NaOH bắn vào tay, mắt.

- Các dụng cụ thuỷ tinh (bình tam giá, burette, pipette,...) dễ vỡ, cần cẩn thận.

1. Quá trình phân li các chất trong nước tạo thành các ion được gọi là sự điện li. Những chất khi tan trong nước phân li ra ion được gọi là chất điện li. Các chất khi tan trong nước không phân li ra ion được gọi là chất không điện li.

2. Chất khi tan trong nước phân li hoàn toàn thành các ion là chất điện li mạnh.

3. Thuyết Bronsted - Lowry về acid - base: acid là chất cho proton (H⁺) và base là chất nhận proton.

4. Biểu thức tính pH: pH = -lg[H⁺] hoặc [H⁺] = 10^-pH.

5. Chất chỉ thị acid - base là chất có màu sắc biến đổi phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch. Các chất chỉ thị thông dụng gồm có: giấy quỳ, phenolphthalein, giấy pH.

6. Phản ứng giữa ion với nước được gọi là phản ứng thuỷ phân.

7. Chuẩn độ là phương pháp xác định nồng độ của một chất bằng một dung dịch chuẩn đã biết nồng độ.