Cân bằng trong dung dịch nước

I. Sự điện li, chất điện li, chất không điện li

1. Tìm hiểu hiện tượng điện li

Mô phỏng thí nghiệm khảo sát tính dẫn điện của nước cất và một số dung dịch

Cấu tạo phân tử của nước

• H₂O là phân tử có cực.
• Khi cho NaCl tinh thể vào nước, xảy ra quá trình tương tác giữa các phân tử nước có cực và các ion của muối, kết hợp với sự chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử nước làm cho các ion Na⁺ và Cl^- của muối tách dần khỏi tinh thể và hòa tan vào nước, gọi là quá trình điện li hay sự điện li.
• NaCl được gọi là chất điện li, tan vào nước tạo ra ion và thu được dung dịch dẫn điện, gọi chung là chất điện li.

Phương trình điện li:

NaCl + (n + m)H₂O Na⁺.nH₂O + Cl^-.mH₂O

hay

NaCl → Na⁺ + Cl^-

Ví dụ:

NaOH → Na⁺ + OH^-

HCl → H⁺ + Cl^-

2. Tìm hiểu sự phân loại các chất điện li

• Chất điện li mạnh bao gồm acid mạnh, base mạnh và hầu hết các muối tan.
•  Phương trình điện li của chất điện li mạnh sử dụng mũi tên 1 chiều (→). 

Ví dụ:

Chất điện li: HCl, HNO₃, NaOH, KOH, KCl, Na₂SO₄, …

Phương trình điện li:

HCl → H⁺ + Cl^-

NaOH → Na⁺ + OH^-

• Chất điện li yếu bao gồm các acid yếu, base yếu.
• Phương trình điện li của chất điện li yếu sử dụng hai nửa mũi tên ngược chiều nhau (⇌). 

Ví dụ:

Chất điện li: CH₃COOH, HClO, H₂S, Mg(OH)₂, Fe(OH)₃, …

Phương trình điện li:

CH₃COOH ⇌ CH₃COO^- + H⁺

II. Thuyết Brønsted - Lowry về acid - base

1. Tìm hiểu thuyết Brønsted - Lowry về acid - base

Ví dụ:

• Trong dung dịch CH₃COOH:

CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO^– + H₃O⁺

CH₃COOH là chất cho proton H⁺ nên đóng vai trò acid.

• Trong dung dịch NaHCO₃:

HCO₃^– + H₂O ⇌ H₃O⁺ + CO₃^2– 

HCO₃^– + H₂O ⇌ H₂CO₃ + OH^– 

Ion HCO₃^– trong nước vừa có thể cho proton (H⁺), vừa có thể nhận proton (H⁺) nên gọi là chất lưỡng tính.

III. Khái niệm pH chất chỉ thị Acid - base

1. Tìm hiểu khái niệm pH

Nước là chất điện li yếu:

H₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH^– hay H₂O ⇌ H⁺ + OH^– 

Tích số nồng độ các ion H⁺ và OH^– trong nước nguyên chất hoặc trong dung dịch nước có nồng độ chất tan không quá cao ở mỗi nhiệt độ là một hằng số, gọi là tích số ion của nước, kí hiệu K_w:

K_w = [H⁺][OH^–]

Ở 25^oC, K_w = 10^-14

• Môi trường trung tính là môi trường trong đó: [H⁺] = [OH^–] = 10^-7 M
• Môi trường acid là môi trường trong đó: [H⁺] > [OH^–] hay [H⁺] > 10^-7 M.
• Môi trường kiềm là môi trường trong đó: [H⁺] < [OH^–] hay [H⁺] < 10^-7 M.

Độ acid và độ kiềm của dung dịch có thể được đánh giá bằng nồng độ H⁺ hoặc quy về một giá trị gọi là pH với quy ước như sau:

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

2. Tìm hiểu ý nghĩa của pH trong thực tiễn

Độ pH là một trong những yếu tố rất quan trọng để đánh giá các tiêu chí liên quan đến môi trường cũng như sức khỏe của con người.

pH trong hệ tiêu hóa của con người

3. Tìm hiểu chất chỉ thị acid - base

• Sự thay đổi màu trong các môi trường đối với giấy pH (a), dung dịch phenolphthalein (b), giấy quỳ tím (c):

a) Giấy chỉ thị vạn năng
b) Dung dịch phenolphtalein	c) Quỳ tím

• Người ta có thể dùng máy đo pH để xác định giá trị pH của một dung dịch.

Máy đo pH để bàn

IV. Chuẩn độ Acid - Base

Trong phương pháp này người ta sử dụng dung dịch acid đã biết nồng độ làm dung dịch chuẩn để xác định nồng độ dung dịch base hoặc dùng dung dịch base đã biết nồng độ làm dung dịch chuẩn để xác định nồng độ dung dịch acid.

Khi chuẩn độ:

• Thêm từ từ dung dịch đựng trong burette vào dung dịch đựng trong bình tam giác. 
• Thời điểm mà hai chất tác dụng vừa đủ với nhau gọi là điểm tương đương.
• Để nhận biết điểm tương đương, người ta thường dùng những chất chỉ thị acid - base gây ra sự đổi màu ở khoảng pH gần với điểm tương đương.

Thao tác chuẩn độ: Tay thuận cầm bình tam giác, lắc nhẹ dung dịch trong bình, tay không thuận điều khiển khóa burette để thêm từ từ từng giọt dung dịch trên burette vào bình tam giác.

Thao tác chuẩn độ

V. Ý nghĩa thực tiễn cân bằng trong dung dịch nước của ion Al³⁺, Fe³⁺, CO₃^2-

1. Tìm hiểu ý nghĩa thực tiễn cân bằng trong dung dịch nước của ion Al³⁺, Fe³⁺

Phèn chua hay phèn nhôm - kali (k₂SO₄.Al₂(SO₄)₃.24H₂O), phèn sắt ((NH₄)₂SO₄.Fe₂(SO₄)₃.24.H₂O) được sử dụng như là chất keo tụ trong quá trình xử lí nước (nước thải, nước giếng khoan,...) do tạo Al(OH)₃, Fe(OH)₃ dạng keo, kéo theo các chất bẩn lơ lửng trong nước lắng xuống.

M³⁺ + 3H₂O ⇌ M(OH)₃ + 3H⁺

Kết luận: Ion Al³⁺, Fe³⁺, dễ bị phân hủy trong nước tạo thành base không tan và cho môi trường acid.

2. Tìm hiểu ý nghĩa thực tiễn cân bằng trong dung dịch nước của ion CO₃^2-

Soda (Na₂CO₃) được xem là hóa chất hiệu quả để làm tăng pH của hồ bơi khi pH hồ bơi quá thấp.

CO₃^2- + H₂O ⇌ HCO₃^- + OH^-

Kết luận: Ion CO₃^2- bị phân hủy cho môi trường base.