CHƯƠNG 1. SỰ ĐIỆN LI A. LÝ THUYẾT I. DUNG DỊCH 1) Khái niệm Dung dịch là một hệ đồng thể bao gồm dung môi, chất tan và sản phẩm của sự tương tác giữa chúng Dung môi quan trọng và phổ biến nhất là nước Chất tan có thể là chất rắn , chất khí hoặc chất lỏng Dung dịch có thể chỉ chứa một loại chất tan, cũng có thể chứa nhiều loại chất tan (dung dịch hỗn hợp) Tên của chất tan được lấy làm tên của dung dịch (trừ trường hợp chất tan là kim loại kiềm, kiềm thổ hoặc oxit kim loại mà khi hòa tan vào nước cho ta dung dịch bazơ)
Trang 1 Dung mụi quan trọng và phổ biến nhất là nước H O 2
Chất tan cú thể là chất rắn NaCl, đường , chất khớ khí HCl, khí NH 3 hoặc chất lỏng ancol etylic, axit H SO đặc 2 4
Dung dịch cú thể chỉ chứa một loại chất tan, cũng cú thể chứa nhiều loại chất tan (dung dịch hỗn hợp)
Tờn của chất tan được lấy làm tờn của dung dịch (trừ trường hợp chất tan là kim loại kiềm, kiềm thổ hoặc oxit kim loại mà khi hũa tan vào nước cho ta dung dịch bazơ)
2) Độ tan (S)
Độ tan của một chất là số gam chất đú hũa tan tối đa trong 100 gam nước (dung mụi):
t dm
m
S 100 m
S 1 g 100g H O chất dễ tan hoặc tan nhiều
Cú thể túm tắt tớnh tan của một số hợp chất vụ cơ thụng thường như sau:
*Axit: Cỏc axit thường gặp tan hết trừ H SiO2 3
*Bazơ: Chỉ cú cỏc hidroxit của kim loại kiềm, bari tan tốt, NH3 tan tốt, Sr OH 2 và
2
Ca OH tan vừa, cỏc hidroxit kim loại khỏc khụng tan
*Muối:
Cỏc muối nitrat tan hết
Cỏc muối clorua, bromua, iotua đa số tan tốt, chỉ cú cỏc muối với
Trang 2Starters-movers-flyers.com
2
Các muối cacbonat, sunfat, photphat trung hòa: tất cả đều ít tan, trừ các muối của kim loại kiềm, NH4; các muối axit (hidrocacbonat, hidrosunfat, hidrophotphat) tan tốt, riêng NaHCO3 ít tan
b) Lợi dụng độ tan khác nhau trong các dung môi khác nhau, người ta có thể làm giảm độ tan của một chất nào đó trong nước Thí dụ: CaSO4 tan được trong nước nhưng nếu thêm ancol etylic vào có thể làm kết tủa hết CaSO4
3) Dung dịch bão hòa, chữa bão hòa và quá bão hòa
a) Dung dịch bão hòa là dung dịch không thể hòa tan thêm chất tan ở một nhiệt độ nhất định, nghĩa là lượng chất tan đã đạt tới giá trị độ tan: mt S
b) Dung dịch chưa bão hòa là dung dịch còn có thể hòa tan thêm chất tan, nghĩa là lượng chất tan chưa đạt tới giá trị độ tan: mt S
Trong thực tế các dung dịch thường gặp đều là dung dịch chưa bão hòa
c) Dung dịch quá bão hòa là dung dịch có lượng chất tan vượt quá giá trị độ tan ở nhiệt
độ đó: mt S
Dung dịch quá bão hòa thường xảy ra khi ta hòa tan chất tan ở nhiệt độ cao sau đó làm nguội từ từ
Dung dịch quá bão hòa là một hệ kém bền, khi để nguội, lượng chất tan dư sẽ tách
ra khỏi dung dịch dưới dạng chất kết tinh
4) Các hiđrat và tinh thể ngậm nước
Khi hòa tan, các phân tử hoặc ion chất tan liên kết với các phân tử dung môi tạo thành
các sonvat và quá trình đó gọi là sự sonvat hóa; khi dung môi là nước, đó là các hiđrat và
rất bền nên khi cô cạn dung dịch ta thu được các hiđrat tinh thể gọi là tinh thể ngậm nước
và nước trong phân tử đó gọi là nước kết tinh Công thức phân tử một số muối đơn và kép
ngậm nước thường gặp:
NaCO 10H O Al SO 2 4 3.18H O 2 CrCl 4H O 2 2
Trang 3ẩm (nước) trong xăng, dầu và trong chất làm khô (silicagel)
Chú ý: Khi hòa tan tinh thể ngậm nước vào nước thì nước kết tinh sẽ tham gia vào thành
phần dung môi, do đó lượng chất tan lúc này chính là lượng muối khan (không ngậm nước) Điều này cần được đặc biệt chú ý khi tính nồng độ của dung dịch tạo thành trong trường hợp hòa tan tinh thể ngậm nước
5) Nhiệt hòa tan
Sự hòa tan một chất rắn vào một chất lỏng gồm hai quá trình: phá vỡ mạng lưới
tinh thể hoặc tách thành các phân tử riêng biệt Quá trình này đòi hỏi cung cấp năng
lượng tức là thu nhiệt H 1 0; quá trình thứ hai là các phân tử hoặc ion đã tách ra tiến
lại gần các phân tử nước (quá trình hiđrat hóa), quá trình này tỏa nhiệt H 2 0
Như vậy, tùy theo H1 hoặc H2 lớn hơn mà quá trình hòa tan là thu nhiệt hay tỏa nhiệt Các muối amoni khi hòa tan thu nhiệt rất mạnh làm cho môi trường trở nên khá lạnh, ngược lại, quá trình hòa tan KOH, NaOH lại tỏa nhiệt rất lớn Khi hòa tan axit
Trang 4Starters-movers-flyers.com
4
Dung dịch chứa chất tan với lượng khụng thể so sỏnh được với lượng dung mụi ta
gọi là dung dịch loóng
Dưới đõy là cỏc cỏch biểu thị nồng độ dung dịch thường gặp nhất
6.1 Nồng độ phần trăm (khối lượng): Kớ hiệu C%, là số gam chất tan cú trong 100g dung dịch Ta cú:
t dd
m C% 100%
b) Trong một dung dịch: mdung dịch mt mdm
c) Khi hũa tan chất tan vào nước hoặc khi trộn 2 dung dịch với nhau mà cú phản ứng húa học xảy ra thỡ ta phải xỏc định lại thành phần của dung dịch sau phản ứng và nhớ loại trừ cỏc khớ thoỏt ra hay lượng kết tủa xuất hiện trong phản ứng khỏi dung dịch:
dung dịch sau dung dịch trước
a gam SO3 vào nước thỡ SO3 H O2 H SO2 4 nờn mt mH SO2 4 98 agam
Nếu chất tan là chất lỏng, ngoài nồng độ % về khối lượng, người ta cũn dựng nồng độ %
về thể tớch, cũng kớ hiệu là C% được biểu diễn bằng số ml chất tan trong 100ml dung dịch
t dd
V C% 100 % V
Độ rượu: Chớnh là C%thể tớch dung dịch ancol Vớ dụ dung dịch cồn (ancol etylic) 0
90
nghĩa là trong 100 ml dung dịch ancol cú 90 ml C H OH2 5
6.3 Nồng độ mol C M biểu thị số mol chất tan cú trong 1 lớt dung dịch
M
n n.1000 C
l ml 1.4
Trang 5Starters-movers-flyers.com
5
Nếu đề bài cho khối lượng dung dịch thì từ công thức 1.2 ta suy ra thể tích dung dịch:
dd dung dÞch
m V
d
(d là khối lượng riêng của dung dịch, g ml)
6.4 Mối quan hệ giữa CM và C%:
Từ 1.2 , 1.3 và 1.4 ta dễ dàng suy ra:
M
C%.d.100 C
M
Trong đó: d – Khối lượng riêng của dung dịch g ml
M – Khối lượng mol chất tan g mol
6.5 Mối quan hệ giữa độ tan (S) và nồng độ C%dung dịch bão hòa
1) Định nghĩa: Là quá trình phân li chất điện li thành các ion dưới tác dụng của các phân tử
dung môi H O 2 lưỡng cực hoặc khi chất điện li nóng chảy dưới tác dụng của nhiệt
Các ion dương gọi là CATION, các ion âm gọi là ANION
Quá trình điện li được biểu diễn bằng phương trình gọi là phương trình điện li
2) Chất điện li mạnh – Chất điện li yếu – Chất không điện li
2.1 Chất điện li mạnh là những chất trong dung dịch nước điện li hoàn toàn thành các
ion, quá trình điện li là quá trình một chiều (trong phương trình điện li dùng dấu )
Ví dụ: NaCl Na Cl
Những chất điện li mạnh bao gồm:
Hầu hết các muối tan
Các axit mạnh: HClO , H SO , HNO , HCl , HBr , HI , HMnO ,4 2 4 3 4
Các bazơ mạnh: Bazơ của kim loại kiềm, bari, canxi,…
2.2 Chất điện li yếu là những chất trong dung dịch nước chỉ điện li một phần thành ion
còn phần lớn tồn tại dưới dạng phân tử Quá trình điện li là quá trình thuận nghịch (trong phương trình điện li dùng dấu )
Ví dụ: NH3 NH4 OH
Những chất điện li yếu gồm:
Các axit yếu: ROOCH , H CO , H SO , HNO , H PO , H S,2 3 2 3 2 3 4 2
Các bazơ yếu: dung dịch NH3 và các hidroxit không tan
2.3 Chất không điện li là những chất khi tan vào nước hoàn toàn không điện li thành
các ion Chúng có thể là chất rắn như glucozơ C H O6 12 6 , chất lỏng như
Trang 6Để đánh giá khả năng phân li của chất, ngoài độ điện li người ta còn dùng hằng số điện
li K được định nghĩa theo công thức:
Nếu MA là axit K gọi là hằng số axit, kí hiệu Ka
Nếu MA là bazơ K gọi là hằng số bazơ, kí hiệu Kb
Nếu MA là phức chất K gọi là hằng số không bền , kí hiệu Kkb
Chú ý: Đối với chất điện li nhiều nấc, mỗi nấc có một hằng số điện li riêng
5) Mối quan hệ giữa và K
Từ (1.7) và (1.8) ta có công thức liên hệ giữa và K:
Vì K const nên theo 1.9 khi C0 càng nhỏ (dung dịch càng loãng) thì độ điện li càng lớn
6) Sự điện li của nước – pH của dung dịch
a) Sự điện li của nước
Nước là chất điện li yếu: H O H O2 2 H O3 OH hay viết đơn giản: H O2 H OH
Trang 7b) pH dung dịch: Là chỉ số để đo nồng độ (đặc, loãng) của dung dịch axit hay bazơ khi
nồng độ của dung dịch nhỏ hơn 0,1M Công thức tính:
Trong môi trường axit: pH 7
Trong môi trường bazơ: pH 7
Trong môi trường trung tính: pH 7
c) Cách tính pH của một dung dịch
1 Đối với dung dịch axit mạnh 1
Từ C0 (axit) H pH lg H
2 Đối với dung dịch bazơ mạnh 1
Từ C0 (bazơ) OH pOH lg OH pH 14 pOH
3 Đối với dung dịch axit yếu 1
4 Đối với bazơ yếu 1:
Trang 8a b
7) Thuyết axit – bazơ Areniuyt
Axit là những chất khi tan trong nước phân li ra cation H
Bazơ là những chất khi tan trong nước phân li ra anion OH
Những hạn chế:
1 Phạm vi áp dụng của thuyết này là hẹp vì chỉ đúng cho dung môi là nước
2 Không nêu lên được vai trò của dung môi: HCl H Cl
Thực ra: HCl H O 2 H O3 Cl
Trang 94 Thuyết này không giải thích được các trường hợp là bazơ mà trong phân tử lại không
có nhóm OH như NH , R3 NH ,2 và do quan niệm phản ứng trung hòa là phản ứng trong đó:
Nên không giải thích được phản ứng axit – bazơ sau: NH3 HCl NH Cl4
8) Thuyết axit – bazơ của Bronsted
Axit tiểu phân (phân tử hoặc ion) có khả năng cho proton H để biến thành bazơ liên hợp Axit càng mạnh thì bazơ liên hợp càng yếu và ngược lại
Bazơ là tiểu phân (phân tử hoặc ion) có khả năng nhận proton H để biến thành axit liên hợp Bazơ càng mạnh thì axit liên hợp càng yếu và ngược lại
Ví dụ 1: HCl H O2 Cl H O3
axit 1 baz¬ 2 baz¬ 1 axit 2
Trong phản ứng này có 2 cặp axit – bazơ liên hợp, đó là HCl Cl và H O3 H O2 Vì HCl là axit rất mạnh nên Cl là bazơ rất yếu (yếu đến nỗi không thể hiện tính bazơ, Cllà trung tính) Do đó phản ứng không xảy ra theo chiều ngược lại
Ví dụ 2: NH3 HOH NH4 OH
baz¬ 1 axit 2 axit 1 baz¬ 2
Hai cặp axit – bazơ liên hợp là NH4 NH3 và H O OH2
Từ định nghĩa về axit – bazơ của Bronsted ở trên cho phép ta mở rộng phạm vi axit – bazơ
Trang 10NH R COOH, HCO , HSO , HS ,3 3
8.4 Chất trung tớnh: Là những chất khụng cú khả năng nhường và cũng khụng cú khả năng
nhận proton Chất trung tớnh bao gồm:
Cation kim loại mạnh: 2 2
Li , Na , K , Ca , Ba ,
Anion gốc axit mạnh: 2
SO , ClO , NO , Cl , Br ,
9) Giải thớch độ mạnh của axit – bazơ
Độ mạnh của axit, bazơ được đỏnh giỏ qua khả năng nhường hoặc nhận proton H , điều
đú tựy thuộc vào dung mụi và độ bền của cỏc liờn kết Vỡ ta chỉ giới hạn xột dung mụi là
2
H O nờn độ mạnh axit, bazơ chỉ cũn phụ thuộc vào độ bền cỏc liờn kết
9.1 Axit
1) Axit khụng cú oxi (axit hidrit): H Xn
Lực axit tựy thuộc vào độ bền liờn kết H X (đo bằng năng lượng liờn kết E kJ mol) Năng lượng liờn kết càng nhỏ, H Xn càng dễ nhường Hlàm cho tớnh axit càng tăng
Vớ dụ: Tớnh axit của cỏc axit hidric của nguyờn tố halogen (phõn nhúm chớnh nhúm VII)
tăng dần theo thứ tự từ trờn xuống: HF HCl HBr HI
Năng lượng liờn kết E kJ mol:
H F H Cl H Br H I
562,6 431, 4 365,75 298,87 kJ mol
2) Axit cú oxi (oxiaxit): H ROx y hay HO xRO y - x
Lực axit tựy thuộc vào sự phõn cực của liờn kết O H : liờn kết O H phõn cực càng mạnh, càng kộm bền, dễ đứt để giải phúng H nờn tớnh axit càng mạnh Sự phõn cực của liờn kết O H :
Tỉ lệ thuận với độ âm điện của R
Tỉ lệ nghịch với kích thước nguyên tử R HNO HPO
Tỉ lệ thuận với hiệu y - x
Trang 11Xét hidroxit kim loại M, hóa trị n: M OH n
Kim loại M có khuynh hướng nhường electron, tương đương với lực đẩy electron mạnh, làm giảm sự phân cực liên kết O H , khó phân li theo kiểu axit Hơn nữa liên kết M O
không bền nên dễ dàng giải phóng ion OH làm cho dung dịch bazơ
Vì vậy, tính kim loại càng mạnh, khả năng nhường electron càng lớn, sự đứt liên kết
M OH càng nhỏ tính bazơ càng mạnh
Ví dụ: NaOH Mg OH 2 Al OH 3 Fe OH 3
Chú ý: Để định lượng độ mạnh yếu của một dung dịch axit – bazơ người ta dùng khái
niệm pH lg H (xem chương 2)
10) Muối – Sự thủy phân của muối
Muối là sản phẩm của sự trung hòa một axit bằng một bazơ Khi hòa tan với nước các muối sẽ phân li thành các ion bị hidrat hóa
1 Nếu ion muối là những anion và cation tung tính (muối tạo bởi axit mạnh và bazơ mạnh) thì quá trình phân li chỉ dừng lại ở các ion bị hidrat hóa và pH của dung dịch không thay đổi pH 7
NaCl n m H O Na H O Cl H O (hay đơn giản NaCl Na Cl)
2 Nếu ion của muối là những anion và cation axit, bazơ hoặc lưỡng tính thì chúng sẽ tương tác với dung môi H O 2 để tạo ra sản phẩm là chất kết tủa, bay hơi hoặc điện li yếu Quá trình này gọi là sự thủy phân của muối Trong các trường hợp này pH của dung dịch sẽ thay đổi Từ đó ta thấy chỉ có các loại muối sau đây mới bị thủy phân:
a) Muối của axit yếu bazơ mạnh
Trang 1211) Các phản ứng trao đổi xảy ra trong dung dịch
11.1 Phản ứng trao đổi ion
1) Khái niệm: Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch là phản ứng xảy ra do sự trao đổi
ion giữa các chất điện li để tạp thành chất mới, trong đó, số oxi hóa của chúng trước và sau phản ứng không đổi (do không có sự trao đổi electron giữa các chất phản ứng)
Phản ứng trao đổi ion bao gồm: Muối tác dụng axit, muối tác dụng bazơ, muối tác dụng với muối và axit tác dụng với bazơ (xét riêng gọi là phản ứng axit – bazơ)
Sơ đồ tổng quát: AB CD AD CB
2) Điều kiện phản ứng trao đổi ion xảy ra hoàn toàn
Do phản ứng trao đổi ion xảy ra theo chiều: nhiều ion ít ion
Nên để phản ứng xảy ra hoàn toàn:
a) Điều kiện cần: Các chất tham gia phản ứng phải tan, điện li mạnh
b) Điều kiện đủ: Một trong các sản phẩm phải là chất kết tủa, chất bay hơi hoặc chất điện li yếu
Na SO CaCO không xảy ra c) Xét một số trường hợp phức tạp: Nếu trong số các chất tham gia có chất khó tan hoặc điện li yếu thì đối với chương trình phổ thông thường xảy ra 4 trường hợp sau:
Phản ứng xảy ra do quan hệ đẩy: axit (bazơ) mạnh hơn đẩy axit (bazơ) yếu hơn khỏi dung dịch muối:
CaCO CH COOH Ca CH COO CO H O
Khó tan điện li yếu (mạnh hơn H CO2 3)
Hợp chất ít tan chuyển thành khó tan
Ca OH CO CaCO H O
Trang 13Starters-movers-flyers.com
13
(ít tan) (khó tan)
3
CaCO NaOH không xảy ra
NH3 điện li yếu cho kết tủa các hidroxit khó tan:
2 Một số chất kết tủa có khả năng tạo phức chất tan
a) Bạc clorua và các hidroxit của đồng, bạc, kẽm không tan trong nước nhưng tan được trong amoniac dư do tạo thành phức chất tan:
Trang 14Starters-movers-flyers.com
14
Nếu tính axit và tính bazơ càng mạnh thì phản ứng thực hiện càng dễ và càng đến cùng
Do đó muốn phản ứng xảy ra thuận lợi thì ít nhất phải có một thành phần là mạnh
4) Viết phương trình phân tử, phương trình ion thu gọn, của các phản ứng sau (nếu có):
a) H2SO4 +NaOH b) HClO + Ba(OH)2
4
PO → Ca3(PO4)2 f) 2H+ + 2
3
CO → CO2 + H2O
6) Viết phương trình hóa học (dạng ion thu gọn và phân tử) của phản ứng trao đổi ion trong
dung dịch tạo thành kết tủa: Mg3(PO4)2, Fe(OH)2, Cu(OH)2, AlCl, BaSO4, CaCO3
7) Tính nồng độ mol của các ion:
a) 3 (l) dung dịch có hòa tan 0,6 (mol) Na2CO3
b) 2 (l) dung dịch có hòa tan 4,48 (l) khí HCl (đktc)
c) Trộn 250 (ml) dung dịch CuCl2 ) 0,15M với 100 (ml) dung dịch KCl ) 0,5M
d) Trộn 200 (ml) NaNO3 0,5M với 300 (ml) dung dịch Na2SO4 1M
e) Trộn 200 (ml) dung dịch Ca(OH)2 0,05M với 30 (ml) dung dịch KOH 0,1M
Trang 15Starters-movers-flyers.com
15
f) Trộn 25 (ml) dung dịch H2SO4 0,5M với 10 (ml) dung dịch HCl 0,05M
8) Tính nồng dộ mol của các ion khi:
a) Trộn 50 (ml) đung dịch NaOH 5M với 30 (ml) dung dịch H2SO4 1,25M
b) Trộn 1,5 (l) dung dịch Ca(OH)2 0,025M với 2,5 (l) dung dịch HCl 0,014M
c) Trộn 300 (ml) dung dịch Na2CO2 1M với 500 (ml) dung dịch H2SO4 1,5M
d) Trộn 0,5 (l) dung dịch Ca(NO3)2 với 0,05 (l) dung dịch Na2CO3 0,4M
pH
9) Tính pH của các dung dịch sau:
a) Dung dịch HNO3 0,01M b) Dung dịch H2SO4 0,005M
c) Dung dịch NaOH 0,1M d) Dung dịch Ca(OH)2 0,05M
10) Tính pH của các dung dịch sau:
a) 2,5 (ml) dung dịch HCl chứa 3,66 gam chất tan
b) 300 (ml) dung dịch HCl có chứa 0,98 gam H2SO4.
c) 250 (ml) dung dịch KOH có chứa 0,05 mol chất tan
d) 100 (ml) dung dịch Ba(OH)2 có chứa 0,0855 (g) chất tan
11) Tính nồng độ mol của các thành phần có trong các dung dịch sau:
a) Dung dịch HCl pH = 2 b) Dung dịch H2SO4 pH= 3
c) Dung dịch KOH pH =10 d) Dung dịch Ba(OH)2 =12
12) Tính pH của các dung dịch sau khi thí nghiệm như sau:
a) Trộn 40 (ml) dung dịch HCl 0,2M với 80 (ml) dung dịch HCl 2M
b) Trộn 50 (ml) dung dịch NaOH 0,1 M với 150 (ml) dung dịch NaOH 0,05M
c) Trộn 10 (ml) dung dịch HNO3 0,2M với 30 (ml) dung dịch H2SO4 0,015M
d) Trộn 20 (ml) dung dịch NaOH 0,15M với 20 (ml) dung dịch Ba(OH)2 0,5M
13) Tính pH của các dung dịch sau thí nghiệm:
a) Trộn 2,7 (l) dung dịch KOH 0,1M với 2,25 (l) dung dịch HCl 0,1M
b) Trộn 1 (l) dung dịch Ba(OH)2 0,1M với 2,25 (l) dung dịch HCl 0,1M
c) Cho 100 (ml) dung dịch HNO3 0,1M vào 300 (ml) dung dịch chứa đồng thời Ca(OH)20,05M và NaOH 0,2M
d) Cho 40 (ml) dung dịch HCl 0,75M vào 160 (ml) dung dịch chứa đồng thời Ba(OH)20,08M và KOH 0,04M
e) Cho 15 (ml) dung dịch NaOH 0,4M vào 35 (ml) dung dịch chứa đồng thời H2SO40,02M và HCl 0,1M
14) Tính thể tích các dung dịch thỏa yêu cầu:
a) Trộn V (l) dung dịch HCl 0,5M với 2 (l) dung dịch Ba(OH)2 0,05M thu được dung dịch X có pH = 2,3 Tìm V
b) Trộn V (l) dung dịch H2SO4 0,25M với 1 (l) dung dịch Ca(OH)2 0,5M thu được dung dịch X có pH= 11 Tìm V
c) Tính thể tích dung dịch NaOH có pH =12 cần dùng để trung hòa vừa đủ 100 (ml) dung dịch có chứa HCl 0,2M và H2SO4 0,1M
15) Tính nồng độ các dung dịch thỏa yêu cầu:
a) Trộn 200 (ml) dung dịch gồm HCl 0,1M và H2SO4 0,05M với dung dịch Ba(OH)2 thu được 500 (ml) dung dịch có pH = 13 và a (g) kết tủa Tìm nồng độ mol của dung dịch Ba(OH)2 ban đầu và tính a