Bài 2. Cân bằng trong dung dịch nước

Thực hiện yêu cầu:
a) Hãy nhắc lại khái niệm dòng điện.
b) Đèn sáng cho thấy dung dịch $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}$ dẫn điện, chứng tỏ trong dung dịch có hạt mang điện. Đó có thể là loạt hạt nào (electron, phân tử $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}$, cation hay anion)?
c) Hãy giải thích sự tạo thành hạt mang điện đó.

Thí nghiệm trên cho thấy: 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.

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.

Sự phân li một chất thành các ion mang điện trái dấu trong dung dịch được biểu diễn bằng phương trình điện li.
Ví dụ: $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}(\mathrm{a}\mathrm{q})\stackrel{}{\to }\mathrm{N}\mathrm{a}{\phantom{X}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{X}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})$; $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}(\mathrm{a}\mathrm{q})\stackrel{}{\to }\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}(\mathrm{a}\mathrm{q})+\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{X}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})$.

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

Khái niệm acid-base đề cập ở lớp 8 chỉ đúng với dung môi nước và chưa phản ánh đầy đủ bản chất acid/base. Năm 1923, nhà hoá học người Đan Mạch J. Brønsted (Bron-stết) và nhà hoá học người Anh T. Lowry (Lao-ri) đã đưa ra một định nghĩa tổng quát hơn về acid, base.

Theo thuyết Arrhenius, trong phân tử acid phải có nguyên tử H, trong nước phân li ra ion $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$ trong phân tử base phải có nhóm OH, trong nước phân li ra ion $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{X}}^{-}$. Thuyết Arrhenius chỉ đúng cho trường hợp dung môi là nước. Thuyết acid – base của Brønsted - Lowry tổng quát hơn thuyết Arrhenius, phân tử không có nhóm OH như $\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3$ hoặc ion như $\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3{\phantom{X}}^{2-}$ cũng là base.

Nồng độ ion $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$ hoặc ion $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{X}}^{-}$ được dùng để đánh giá tính acid hoặc tính base của các dung dịch. Tuy nhiên, nếu các dung dịch có nồng độ $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$ nồng độ $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{X}}^{-}$ thấp, chúng là những số có số mũ âm hoặc có nhiều chữ số thập phân. Vì vậy, để tiện sử dụng, người ta dùng đại lượng pH với quy ước như sau:
$\mathrm{p}\mathrm{H}=-\mathrm{l}\mathrm{g}[\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}]$ hoặc $[\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}]=10{\phantom{X}}^{-\mathrm{p}\mathrm{H}}$
Trong đó $[\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}]$ là nồng độ mol của ion $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$.
Nếu dung dịch có $[\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}]=10{\phantom{X}}^{-a}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$ thì $\mathrm{p}\mathrm{H}=\mathrm{a}$.
Ví dụ: $[\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}]=10{\phantom{X}}^{-2}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$ thì $\mathrm{p}\mathrm{H}=2$.
Môi trường acid là môi trường có $[\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}]>[\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{X}}^{-}]$ nên $[\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}]>10{\phantom{X}}^{-7}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$ hay $\mathrm{p}\mathrm{H}<7$.
Môi trường base là môi trường có $[\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}]<[\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{X}}^{-}]$ nên $[\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}]<10{\phantom{X}}^{-7}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$ hay $\mathrm{p}\mathrm{H}>7$.
Môi trường trung tính là môi trường có $[\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}]=[\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{X}}^{-}]=10{\phantom{X}}^{-7}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{/}\mathrm{L}$ hay $\mathrm{p}\mathrm{H}=7$.
Thang pH thường dùng có giá trị từ 1 đến 14.

Chỉ số pH có ý nghĩa to lớn trong thực tiễn, pH có liên quan đến sức khoẻ của 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 có 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, ví dụ:

Trong đời sống hàng 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.

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 (Bảng 2.1).

Màu của giấy pH, giấy quỳ và phenolphthalein trong dung dịch ở các khoảng pH khác nhau
| | Đỏ $\mathrm{p}\mathrm{H}<=6$ | Tím $\mathrm{p}\mathrm{H}=7$ | Xanh $\mathrm{p}\mathrm{H}>=8$ |
|---|---|---|---|
| Giấy quỳ | | | |
| Phenolphthalein | $\mathrm{p}\mathrm{H}<8$ Không màu | | $\mathrm{p}\mathrm{H}>8$ Màu hồng |
| Giấy pH | | | |

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.

Chuẩn độ là phương pháp xác định nồng độ của một chất bằng một 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 $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$) được xác định bằng một dung dịch acid mạnh (ví dụ $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$) đã biết trước nồng độ mol dựa trên phản ứng:
$\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\stackrel{}{\to }\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$
Khi các chất phản ứng vừa đủ với nhau, số mol $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$ phản ứng bằng số mol $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$.
Ta có:
$\mathrm{V}{\phantom{X}}_{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}\cdot \mathrm{C}{\phantom{X}}_{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}=\mathrm{V}{\phantom{X}}_{\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}}\cdot \mathrm{C}{\phantom{X}}_{\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}}$
Trong đó:
$\mathrm{C}{\phantom{X}}_{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}$ và $\mathrm{C}{\phantom{X}}_{\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}}$ lần lượt là nồng độ mol của dung dịch $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$ và dung dịch $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$;
$\mathrm{V}{\phantom{X}}_{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}$ và $\mathrm{V}{\phantom{X}}_{\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}}$ lần lượt là thể tích của dung dịch $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$ và dung dịch $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$ (cùng đơn vị đo).
Khi biết $\mathrm{V}{\phantom{X}}_{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}$ $\mathrm{V}{\phantom{X}}_{\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}}$ trong quá trình chuẩn độ và biết $\mathrm{C}{\phantom{X}}_{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}$ sẽ tính được $\mathrm{C}{\phantom{X}}_{\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}}$.
Thời điểm để kết thúc chuẩn độ được xác định bằng sự đổi màu của chất chỉ thị phenolphthalein.

Chuẩn bị:

• Dung dịch $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$ 0,1 M; dung dịch $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$ 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 burrette.

Tiến hành:

• Dùng pipette lấy 10 mL dung dịch $\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$ 0,1 M cho vào bình tam giác, thêm 1 – 2 giọt phenolphthalein.
• Cho dung dịch $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$ vào burette, điều chỉnh dung dịch trong burette về mức 0.
• Mở khoá burette, nhỏ từng giọt dung dịch $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$ 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 $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$ đã dùng.

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