Cân bằng trong dung dịch nước - Hóa học 11

1. Cân bằng trong dung dịch nước

1.1 Hiện tượng điện li   

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

Ví dụ: Sự phân li của NaCl ở trong nước

NaCl là một hợp chất ion, trong tinh thể của NaCl có chứa các ion Na+ và Cl− liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện giữa các ion. Nước là một loại dung môi phân cực. Khi cho các tinh thể NaCl vào trong nước, các ion Na+ và Cl− ở trên bề mặt sẽ hút các phân tử nước lại gần chúng. Các phân tử nước này sẽ hướng các đầu âm vào ion Na+, các đầu dương vào ion Cl− và làm yếu đi các liên kết giữa các cation, anion ở trong tinh thể và khuếch tán vào trong nước.

Quá trình trên được biểu diễn một cách đơn giản bằng phương trình điện li sau đây:

                                         NaCl (aq)  Na⁺(aq) + Cl^-(aq)

1.2 Chất điện li 

a. Chất điện li và chất không điện li

Chất điện li là những chất khi tan ở trong nước sẽ phân li ra các ion.

Ví dụ: hydrochloric acid (HCl); sodium hydroxide (NaOH); sodium chloride (NaCl) …

Sự phân li một chất hóa học thành những ion mang điện tích trái dấu ở trong dung dịch được biểu diễn bằng một phương trình điện li.

Ví dụ về một số phương trình điện ly:

NaOH (aq)  Na⁺(aq) + OH^-(aq).

HCl (aq)  H⁺(aq) + Cl^-(aq).

Chất không điện li là các chất khi tan ở trong nước sẽ không phân li ra ion.

Ví dụ: Saccarose, ethanol …

b. Chất điện li mạnh và chất điện li yếu trong dung dịch

Dựa vào những mức độ phân li của các chất thành các ion, chất điện li đã được phân chia thành hai loại là chất điện li mạnh và chất điện li yếu. Những chất điện li mạnh là những chất khi tan ở trong nước, hầu hết các phân tử chất tan sẽ đều phân li ra ion.

Các chất điện li mạnh thường gặp trong hóa học là:

- Một số các acid mạnh: HCl, HNO₃, H₂SO₄, …

- Một số các base mạnh: NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂ …

- Hầu hết các muối là chất điện li mạnh.

Quá trình phân li của một chất điện li mạnh sẽ xảy ra gần như là hoàn toàn và được biểu diễn bằng mũi tên phản ứng một chiều. Ví dụ:

HNO₃  H⁺ + NO3^-

NaOH  Na⁺ + OH^-

Na₂CO₃  Na⁺ + CO₃^2-

Những chất điện li yếu là chất mà khi tan ở trong nước thì chỉ có một phần số phân tử chất tan có thể phân li ra thành ion, phần còn lại của chất vẫn tồn tại dưới dạng phân tử nằm trong dung dịch.

Những chất điện li yếu bao gồm những chất sau:

- Một số các acid yếu như: CH₃COOH, HClO, HF, H₂CO₃ …

- Một số base yếu như: Cu(OH)₂, Fe(OH)₂ …

Quá trình phân li của những chất điện li yếu được thể hiện lên là một phản ứng thuận nghịch và được biểu diễn bằng hai nửa mũi tên ngược chiều với nhau:

CH₃COOH ⇌ CH₃COO^- + H⁺

Giành điểm 9+ môn hóa với bộ sách được biên soạn bởi các thầy cô giảng dạy ở các trường chuyên hàng đầu Việt Nam 

2. Thuyết bronsted - lowry về acid và base 

2.1 Thuyết bronsted - lowry về acid và base

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

Ví dụ: 

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

2.2 Ưu điểm của học thuyết bronsted - lowry

Theo thuyết Arrhenius, trong các phân tử acid phải tồn tại nguyên tử H, trong nước sẽ phân li ra ion H+, trong phân tử base phải có nhóm OH, trong nước phân li ra ion OH^-. Thuyết Arrhenius sẽ chỉ chính xác ở trong trường hợp dung môi là nước.

Thuyết Bronsted – Lowry tổng quát hơn thuyết Arrhenius, phân tử không có nhóm OH^- như NH₃ hoặc ion CO₃^2- cũng là base.

2.3 Acid mạnh - base mạnh và acid yếu - base yếu 

- Acid mạnh là những dung dịch acid có thể phân ly hoàn toàn thành các ion của chúng trong nước tạo ra một hay nhiều proton trong một phân tử. Chỉ có 7 acid mạnh thường gặp:

+ HCl - acid clohydric

+ HNO₃ - acid nitric

+ H₂SO₄  - acid sunfuric

+ HBr - acid hydrobromic

+ HI - acid hydroiodic

+ HClO₄  - acid pecloric

+ HClO₃ - acid cloric

Acid yếu không phân ly hoàn toàn thành các ion của chúng trong nước. Ví dụ, HF phân ly thành các ion H⁺ và F^- trong nước, nhưng một số HF vẫn còn trong dung dịch, vì vậy nó không phải là một acid mạnh. Có nhiều acid yếu hơn acid mạnh. Hầu hết các axit hữu cơ là acid yếu. Dưới đây là danh sách từng phần, theo thứ tự từ acid mạnh nhất đến acid yếu nhất.

+ HO₂C₂O₂H - acid oxalic 

+ H₂SO₃  - acid sufulro

+ HSO₄^-  - ion hidrosunfat

+ H₃PO₄  - acid photphoric

+ HNO₂ - acid nitrơ

+ HF - acid fluorhidric

+ HCO₂H - acid metanoic

+ C₆H₅COOH - acid benzoic

+ CH₃COOH - acid acetic

+ HCOOH - acid formic

Acid yếu ion hóa không hoàn toàn. Một phản ứng ví dụ là sự phân ly của acid ethanoic trong nước để tạo ra các cation hydroxonium và anion ethanoat:

                     CH₃COOH + H₂O  ⇌ H₃O^- + CH₃COO^-

Tương tự đối với base cũng chia thành base mạnh, base yếu trên khả năng phân ly thành ion trong nước.

Base mạnh: NaOH, Ba(OH)₂,...

Base yếu: Al(OH)₃, Cu(OH)2,...

Đăng ký để nhận ưu đãi combo sổ tay các môn học từ vuihoc nhé!

3. Khái niệm và ý nghĩa của pH 

3.1 Khái niệm pH 

pH là một chỉ số dùng để đánh giá độ acid hay độ base của một dung dịch với cách tính theo quy ước như sau:

pH = -log[H⁺] hoặc [H⁺] = 10^-pH

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

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

Chú ý:

+ Môi trường có tính acid có pH < 7.

+ Môi trường có tính base có pH > 7.

+ Môi trường có tính trung tính có pH = 7.

Thang đo pH thông thường sẽ có giá trị từ 1 đến 14.

3.2 Ý nghĩa của giá trị pH trong thực tiễn 

Chỉ số pH là một chỉ số có ý nghĩa cực kỳ to lớn trong thực tiễn, pH có liên quan trực tiếp đến sức khoẻ của mỗi con người, sự phát triển của nhiều sinh vật như động vật, thực vật,…

Ví dụ:

+ Chỉ số pH có trong nước tiểu sẽ thường nằm trong khoảng 4,8 – 7. Nếu pH của nước tiểu cao trên 8 thì thường cơ thể của bệnh nhân đang mắc phải một số bệnh lý như sỏi thận, nhiễm trùng của đường tiết niệu …

+ Một số loài động vật sống ở dưới nước cần có một môi trường có giá trị pH phù hợp để sinh sống và phát triển, ví dụ: tôm và cá thường ưa sống ở trong môi trường nước có giá trị pH dao động khoảng 7,5 đến 8,5.

+ Một số loài thực vật sẽ chỉ phát triển tốt khi trong đất trồng có giá trị pH thích hợp với sự phát triển của mỗi loài thực vật, ví dụ cây chè sẽ thường ưa sống ở trong đất có pH trong khoảng từ 4,5 – 5,5.

3.3 Xác định giá trị pH 

Giá trị pH của các loại dung dịch sẽ được xác định gần đúng bằng phương pháp sử dụng chất chỉ thị acid – base. Khi cần xác định được giá trị pH một cách chính xác hơn, người ta sẽ sử dụng máy đo pH.

Cách làm chất chỉ thị màu từ thành phần hoa đậu biếc/bắp cải tím

Chuẩn bị:

- Hoa đậu biếc (khoảng 50 g) hoặc một bắp cải tím thái rất nhỏ (khoảng 100 g). 

- Cốc thuỷ tinh 250mL nước sôi, đũa thuỷ tinh, lưới/ vải lọc. 

- Các cốc (đã được dán nhãn phân biệt) đựng giấm ăn, nước C sủi, nước rửa bát, nước soda và nước muối.

- Giấy pH hoặc máy đo pH. 

Tiến hành:

- Ngâm khoảng 50 g hoa đậu biếc/100g bắp cải tím đã được chuẩn bị vào 100 mL nước sôi trong khoảng 10 phút. Sau đó lọc bằng lưới lọc hoặc bằng vải lọc, thu được một dung dịch. Dung dịch này sẽ được sử dụng làm chất chỉ thị

- Dùng máy đo pH (hoặc dùng giấy pH) để xác định được pH của các dung dịch. 

- Cho vài giọt chất chỉ thị lần lượt vào các dung dịch: giảm ăn, nước C sủi, nước rửa bát, nước soda nước muối và khuấy đều. Quan sát sự đổi màu sắc của các dung dịch trên.

4. Chuẩn độ dung dịch acid và base 

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

Ví dụ:

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

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

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

Ta có:

V_HCl . C_HCl = V_NaOH . C_NaOH

Trong đó:

+ C_HCl, C_NaOH lần lượt là nồng độ mol của dung dịch HCl và NaOH.

+ V_HCl, V_NaOH lần lượt là thể tích của dung dịch HCl và NaOH (cùng đơn vị đo).

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

5. Ý nghĩa thực tiễn của cân bằng trong dung dịch nước 

5.1 Ý nghĩa thực tiễn của cân bằng trong dung dịch nước của ion Al²⁺ và Fe³⁺

Phèn chua hay phèn nhôm - kali ( K₂SO₄. Al₂(SO₄)₃.24H₂O ), phèn sắt  

((NH₄)2SO₄.Fe₂(SO₄)₃.24H₂O) được sử dụng như là chất keo tụ trong quá trình xử lý nước (nước thải, nước giếng khoan, ...) do tạo Al(OH)₃, Fe(OH)₃. Các hydroxide này ở dạng keo kéo theo các chất bẩn lơ lửng trong nước lắng xuống.

Phương trình thuỷ phân ion M³⁺ (Al³⁺ và Fe³⁺) được biểu diễn đơn giản như sau:

                                M³⁺ + 3H₂O  ⇌ M(OH)₃ + 3 H⁺

Ion Al³⁺ và Fe³⁺ dễ bị thủy phân trong nước tạo thành base không tan và cho môi trường acid.

5.2 Ý nghĩa thực tiễn cân bằng trong dung dịch nước của ion (CO₃)^2-

Một hồ bơi đủ tiêu chuẩn khi có độ pH trong nước khoảng từ 7,2 đến 7,8. Mất cân bằng pH là một trong những vấn đề thường gặp ở nhiều hồ bơi. Trong trường hợp pH hồ bơi quá thấp sẽ gây ra tình trạng kích ứng da và mắt cho người bơi. Soda (Na₂CO₃) được xem là hóa chất hiệu quả được sử dụng để làm tăng pH của nước hồ bơi. Phương trình thuỷ phân ion CO₃^2- biểu diễn đơn giản như sau: 

                            CO₃^2- + H2O ⇌ HCO3^-  + OH^-

Ion  CO₃^2- bị thuỷ phân cho môi trường base.

6. Câu hỏi trắc nghiệm về cân bằng trong dung dịch nước 

Câu 1: Phương trình điện li nào ở dưới đây là không đúng?

A. HCl → H⁺ + Cl^-

B. CH₃COOH ⇌ CH₃COO^- + H⁺

C. H₃PO₄ → 3H⁺ + PO₄^3-

D. H₃PO₄ → 3Na⁺ + PO₄^3-

Câu 2: Trong dung dịch CH₃COOH 0,043M, cứ 100 phân tử hòa tan sẽ có 2 phân tử sẽ phân li thành ion. Nồng độ của ion H⁺ trong dung dịch sẽ là

A. 0,001M.

B. 0,086M.

C. 0,00086M.

D. 0,043M.

Câu 3: Một dung dịch chứa Mg²⁺ (0,02 mol), K⁺ (0,03 mol) , Cl^- (0,04 mol) và ion Z (y mol). Ion Z và giá trị của y là

A. NO₃^- (0,03).

B. CO₃^2- (0,015).

C. SO₄^2- (0,01).

D. NH₄⁺ (0,01)

Câu 4: Dung dịch X bao gồm: 0,09 mol Cl^- , 0,04 mol Na⁺ , a mol Fe³⁺ và b mol SO₄^2-. Khi cô cạn dung dịch X thu được 7,715 gam muối khan. Giá trị của a và b lần lượt là

A. 0.05 và 0,05.

B. 0,03 và 0,02.

C. 0,07 và 0,08.

D. 0,018 và 0,027.

Câu 5: Phương trình điện li nào ở dưới đây viết chính xác?

A. H2SO4 ⇌ H⁺ + HSO₄^-

B. H₂CO₃ ⇌ 2H⁺ + HCO₃^-

C. H₂SO₃ → 2H+ + SO₃^2-

D. Na₂S ⇌ 2Na⁺ + S₂^-

Câu 6: Các chất dẫn điện là

A. KCl khi nóng chảy, dung dịch NaOH, dung dịch HNO₃.

B. dung dịch glucose, dung dịch ethyl alcohol, glycerol.

C. KCl rắn khan, NaOH rắn khan, kim cương nguyên chất.

D. Khí HCl, khí NO, khí ozone O₃.

Câu 7: Acid nào trong các acid sau đây là axit một nấc?

A. H₂SO₄

B. H₂CO₃

C. CH₃COOH

D. H₃PO₄

Câu 8: Cho các dung dịch acid có cùng nồng độ mol: H₂S, HCl, H₂SO₄, H3PO₄, dung dịch có nồng độ H lớn nhất là

A. H₂SO₄

B. H₂S

C. HCl

D. H3PO₄

Câu 9: Cần bao nhiêu ml dung dịch NaOH 0,5M để phản ứng vừa đủ với 50 ml dung dịch NaHCO₃ 0,2M?

A. 100 ml.

B. 50 ml.

C. 40 ml.

D. 20 ml.

Câu 10: Cho 8 gam hỗn hợp X bao gồm Mg và Fe vào dung dịch chứa HCl dư. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, khối lượng dung dịch sau phản ứng tăng 7,6 gam. Số mol Mg trong X là

A. 0,05 mol.

B. 0,075 mol.

C. 0,1 mol.

D. 0,15 mol.

Đáp án:

Trên đây, VUIHOC đã cung cấp cho các bạn kiến thức về cân bằng trong dung dịch nước trong chương trình Hóa 11. Ngoài ra, để học nhiều hơn các kiến thức các môn học của THPT thì các em hãy truy cập vuihoc.vn hoặc đăng ký khoá học với các thầy cô VUIHOC ngay bây giờ nhé!

>> Mời bạn tham khảo thêm: 

Khái niệm về cân bằng hoá học