Hiện tượng điện li là một khái niệm quan trọng trong hóa học, đặc biệt khi nghiên cứu về dung dịch và các phản ứng xảy ra trong môi trường nước. Bài viết này sẽ đi sâu vào bản chất của hiện tượng điện li, giải thích nguyên nhân các dung dịch axit, bazơ và muối có khả năng dẫn điện, đồng thời phân loại các chất điện li mạnh và yếu.
I. Hiện Tượng Điện Li
1. Thí nghiệm về hiện tượng điện li
Để chứng minh hiện tượng điện li, chúng ta có thể thực hiện một thí nghiệm đơn giản. Chuẩn bị các cốc đựng: nước cất, dung dịch saccarozơ (đường), dung dịch natri clorua (NaCl). Sau đó, nối các cốc này vào một mạch điện có bóng đèn.
Kết quả cho thấy, chỉ có bóng đèn ở cốc đựng dung dịch NaCl là sáng. Điều này chứng tỏ dung dịch NaCl có khả năng dẫn điện, trong khi nước cất và dung dịch saccarozơ thì không. Tương tự, NaCl, NaOH ở trạng thái rắn, khan, các dung dịch ancol etylic (C2H5OH), glixerol (C3H8O3) cũng không dẫn điện. Ngược lại, các dung dịch axit, bazơ và muối lại có khả năng dẫn điện.
2. Nguyên nhân của tính dẫn điện trong dung dịch axit, bazơ và muối
Năm 1887, nhà hóa học Svante Arrhenius đưa ra giả thuyết rằng tính dẫn điện của các dung dịch axit, bazơ và muối là do sự tồn tại của các ion tự do trong dung dịch. Các ion này mang điện tích và có khả năng di chuyển, tạo thành dòng điện.
Quá trình phân li các chất trong nước thành các ion được gọi là sự điện li. Các chất có khả năng phân li thành ion trong nước được gọi là chất điện li. Như vậy, axit, bazơ và muối là các chất điện li.
Sự điện li được biểu diễn bằng phương trình điện li. Ví dụ:
- Muối phân li thành cation kim loại và anion gốc axit:
NaCl → Na+ + Cl− - Axit phân li thành cation H+ và anion gốc axit:
HCl → H+ + Cl− - Bazơ phân li thành cation kim loại và anion hiđroxit:
NaOH → Na+ + OH−
3. Định nghĩa sự điện li
Sự điện li là quá trình phân li các chất thành ion (cation mang điện tích dương và anion mang điện tích âm) khi chúng tan trong nước hoặc ở trạng thái nóng chảy. Chất điện li là những chất khi tan trong nước tạo thành dung dịch có khả năng dẫn điện do sự phân li thành ion.
II. Phân Loại Chất Điện Li Mạnh và Chất Điện Li Yếu
1. Độ điện li
Độ điện li (α) là một đại lượng đặc trưng cho khả năng phân li thành ion của một chất điện li trong dung dịch. Nó được định nghĩa là tỉ số giữa số phân tử (hoặc số mol) chất điện li đã phân li thành ion (n) và tổng số phân tử (hoặc số mol) chất điện li hòa tan trong dung dịch (n0).
α = n / n0
Độ điện li cũng có thể được tính bằng tỉ số giữa nồng độ mol của chất tan đã phân li (Cp) và tổng nồng độ mol của chất tan trong dung dịch (Ct):
α = Cp / Ct
Độ điện li α phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Bản chất của chất tan: Mỗi chất có khả năng điện li khác nhau.
- Bản chất của dung môi: Khả năng hòa tan và điện li phụ thuộc vào dung môi. Nước là dung môi phổ biến cho các chất điện li.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến động năng của các phân tử và khả năng phá vỡ liên kết ion.
- Nồng độ chất điện li: Độ điện li thường giảm khi nồng độ chất điện li tăng.
2. Chất điện li mạnh và chất điện li yếu
a) Chất điện li mạnh
Chất điện li mạnh là những chất khi tan trong nước, tất cả các phân tử hòa tan đều phân li hoàn toàn thành ion. Quá trình điện li của chất điện li mạnh được biểu diễn bằng mũi tên một chiều (→).
Ví dụ:
- Các axit mạnh: HCl, HNO3, H2SO4, HClO4,…
- Các bazơ mạnh: NaOH, KOH, Ba(OH)2,…
- Hầu hết các muối (NaCl, KCl, Na2SO4,…)
Phương trình điện li của chất điện li mạnh:
Na2SO4 → 2Na+ + SO42−
b) Chất điện li yếu
Chất điện li yếu là những chất khi tan trong nước, chỉ một phần nhỏ số phân tử hòa tan phân li thành ion, phần còn lại vẫn tồn tại dưới dạng phân tử trong dung dịch. Quá trình điện li của chất điện li yếu là một quá trình thuận nghịch và được biểu diễn bằng hai mũi tên ngược chiều nhau (⇄).
Ví dụ:
- Các axit yếu: CH3COOH (axit axetic), HF (axit flohiđric), H2S (axit sunfuahidric), HClO (axit hipoclorơ),…
- Các bazơ yếu: Mg(OH)2 (magie hidroxit), Bi(OH)3 (bitmut hidroxit),…
Phương trình điện li của chất điện li yếu:
CH3COOH ⇄ CH3COO− + H+
Cân bằng điện li là một cân bằng động, tuân theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier. Điều này có nghĩa là cân bằng điện li sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như nồng độ, nhiệt độ, và áp suất.
III. Bài Tập Về Sự Điện Li
Bài 1: Giải thích tại sao các dung dịch axit (HCl), bazơ (NaOH) và muối (NaCl) dẫn điện, trong khi các dung dịch ancol etylic, saccarozơ, glixerol lại không dẫn điện.
Saccarozơ (đường kính) là một hợp chất hữu cơ không điện li trong dung dịch nước.
Lời giải:
Các dung dịch axit, bazơ và muối có khả năng dẫn điện là do chúng phân li thành các ion mang điện tích dương và âm khi hòa tan trong nước. Các ion này di chuyển tự do trong dung dịch, tạo thành dòng điện.
Ví dụ:
- HCl → H+ + Cl-
- NaOH → Na+ + OH-
- NaCl → Na+ + Cl-
Ngược lại, các dung dịch ancol etylic, saccarozơ và glixerol không dẫn điện vì chúng không phân li thành ion khi hòa tan trong nước. Chúng tồn tại ở dạng phân tử trung hòa, không có khả năng mang điện tích và di chuyển trong dung dịch.
Kết luận:
Hiện tượng điện li là một khái niệm cơ bản nhưng vô cùng quan trọng trong hóa học. Việc hiểu rõ về hiện tượng này giúp chúng ta giải thích được nhiều tính chất của dung dịch và các phản ứng hóa học xảy ra trong môi trường nước. Đồng thời, việc phân loại các chất điện li mạnh và yếu cũng giúp chúng ta dự đoán được khả năng dẫn điện và tính chất hóa học của các dung dịch.