Bài học

Độ điện li α và cân bằng điện li của chất điện li yếu

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em tính được độ điện li $\alpha$ của một chất điện li yếu từ dữ liệu nồng độ, và giải thích được vì sao pha loãng dung dịch làm $\alpha$ tăng bằng nguyên lí chuyển dịch cân bằng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã phân biệt chất điện li mạnh và yếu bằng dấu $\to$ hay $\rightleftharpoons$ . Ở Course 1 (Cân bằng hoá học), em đã học nguyên lí Le Chatelier: một hệ đang cân bằng, khi bị tác động (thêm/bớt chất, đổi nồng độ) sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại tác động đó. Bài này áp dụng đúng nguyên lí ấy cho cân bằng điện li.

Bài trước em đã phân biệt chất điện li mạnh và yếu bằng dấu $\to$ hay $\rightleftharpoons$. Ở Course 1 (Cân bằng hoá học), em đã học nguyên lí Le Chatelier: một hệ đang cân bằng, khi bị tác động (thêm/bớt chất, đổi nồng độ) sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại tác động đó. Bài này áp dụng đúng nguyên lí ấy cho cân bằng điện li.

Khởi động

Hai lọ giấm ăn cùng loại, một lọ đặc (nồng độ $CH_3COOH$ cao), một lọ đã pha loãng gấp mười. Nếu đo tỉ lệ phần trăm số phân tử $CH_3COOH$ đã phân li ra ion trong mỗi lọ, lọ nào có tỉ lệ phân li cao hơn — lọ đặc hay lọ loãng?

Kiến thức trọng tâm

Độ điện li $\alpha$ của một chất điện li là tỉ số giữa số phân tử đã phân li ra ion và tổng số phân tử chất tan ban đầu (hoặc tương đương, tỉ số nồng độ đã phân li trên nồng độ ban đầu): $\alpha = \dfrac{C_{phân li}}{C_{ban đầu}}$ , với $0 < \alpha \le 1$ (thường biểu diễn theo phần trăm).

**Độ điện li** $\alpha$ của một chất điện li là tỉ số giữa số phân tử đã phân li ra ion và tổng số phân tử chất tan ban đầu (hoặc tương đương, tỉ số nồng độ đã phân li trên nồng độ ban đầu): $\alpha = \dfrac{C_{phân li}}{C_{ban đầu}}$, với $0 < \alpha \le 1$ (thường biểu diễn theo phần trăm).

Với chất điện li mạnh, $\alpha = 1$ (100%) vì phân li hoàn toàn. Với chất điện li yếu, $0 < \alpha < 1$ — đây chính là con số định lượng cho khái niệm "phân li một phần" đã nói ở bài trước.

Với một chất điện li yếu $HA \rightleftharpoons H^+ + A^-$ , cân bằng điện li tuân theo đúng nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier mà em đã học. Khi pha loãng dung dịch (thêm nước, giảm nồng độ mọi chất trong hệ), số tiểu phân trong một thể tích giảm đi, hệ có xu hướng chuyển dịch theo chiều làm tăng số tiểu phân để bù lại — tức chiều thuận, chiều phân li thêm ra ion. Kết quả là độ điện li $\alpha$ của chất điện li yếu tăng lên khi pha loãng, dù nồng độ ion tuyệt đối vẫn giảm (chỉ giảm chậm hơn so với mức giảm theo tỉ lệ pha loãng). Đây là lí do vì sao đo độ dẫn điện của một dung dịch acid yếu không cho biết trực tiếp nồng độ mol của nó — cần biết cả $\alpha$ .

Với một chất điện li yếu $HA \rightleftharpoons H^+ + A^-$, cân bằng điện li tuân theo đúng nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier mà em đã học. Khi **pha loãng** dung dịch (thêm nước, giảm nồng độ mọi chất trong hệ), số tiểu phân trong một thể tích giảm đi, hệ có xu hướng chuyển dịch theo chiều làm **tăng số tiểu phân** để bù lại — tức chiều thuận, chiều phân li thêm ra ion. Kết quả là độ điện li $\alpha$ của chất điện li yếu **tăng lên** khi pha loãng, dù nồng độ ion tuyệt đối vẫn giảm (chỉ giảm chậm hơn so với mức giảm theo tỉ lệ pha loãng). Đây là lí do vì sao đo độ dẫn điện của một dung dịch acid yếu không cho biết trực tiếp nồng độ mol của nó — cần biết cả $\alpha$.

Ngược lại, khi tăng nồng độ chất điện li yếu, hệ chuyển dịch theo chiều nghịch (giảm số tiểu phân), nên $\alpha$ giảm. Độ điện li còn phụ thuộc nhiệt độ và bản chất từng chất, nhưng ở mức nền tảng, quy luật quan trọng nhất cần nhớ là: nồng độ càng loãng, độ điện li của chất điện li yếu càng lớn.

Ngược lại, khi **tăng nồng độ** chất điện li yếu, hệ chuyển dịch theo chiều nghịch (giảm số tiểu phân), nên $\alpha$ **giảm**. Độ điện li còn phụ thuộc nhiệt độ và bản chất từng chất, nhưng ở mức nền tảng, quy luật quan trọng nhất cần nhớ là: **nồng độ càng loãng, độ điện li của chất điện li yếu càng lớn**.

Quy luật này giải thích một hiện tượng em có thể quan sát trực tiếp: giấm ăn nguyên chất (nồng độ $CH_3COOH$ cao) có vị chua gắt và mùi hắc hơn hẳn giấm đã pha loãng để chấm, dù xét theo tỉ lệ phần trăm phân li thì giấm pha loãng lại "điện li mạnh hơn". Điều này không mâu thuẫn: cảm nhận vị chua phụ thuộc nồng độ ion $H^+$ TUYỆT ĐỐI, và như ví dụ trên đã tính, nồng độ đó vẫn giảm khi pha loãng dù $\alpha$ tăng. Phân biệt rạch ròi hai đại lượng "tỉ lệ phân li" và "nồng độ ion tuyệt đối" là kỹ năng nền tảng cho toàn bộ các bài toán pH ở những chương sau, nơi cả hai đại lượng đều xuất hiện trong cùng một đề bài.

Độ điện li

\alpha

(%) của

CH_3COOH

(

K_a = 1,8 \times 10^{-5}

) ở ba nồng độ — minh hoạ chiều chuyển dịch cân bằng khi pha loãng.Độ điện li $\alpha$ (%) của $CH_3COOH$ ($K_a = 1,8 \times 10^{-5}$) ở ba nồng độ — minh hoạ chiều chuyển dịch cân bằng khi pha loãng.

Ví dụ

Tính độ điện li từ dữ liệu nồng độ

1
Hoà tan $CH_3COOH$ để được dung dịch có nồng độ ban đầu $C = 0,10\ M$ . Ở trạng thái cân bằng, nồng độ ion $H^+$ đo được là $1,3 \times 10^{-3}\ M$ . Tính độ điện li $\alpha$ của dung dịch.
Hoà tan $CH_3COOH$ để được dung dịch có nồng độ ban đầu $C = 0,10\ M$. Ở trạng thái cân bằng, nồng độ ion $H^+$ đo được là $1,3 \times 10^{-3}\ M$. Tính độ điện li $\alpha$ của dung dịch.
2
Với $CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+$ , mỗi phân tử phân li sinh ra đúng một ion $H^+$ , nên nồng độ đã phân li $C_{phân li} = [H^+] = 1,3 \times 10^{-3}\ M$ .
Với $CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+$, mỗi phân tử phân li sinh ra đúng một ion $H^+$, nên nồng độ đã phân li $C_{phân li} = [H^+] = 1,3 \times 10^{-3}\ M$.
3
Ta có $\alpha = \dfrac{C_{phân li}}{C_{ban đầu}} = \dfrac{1,3 \times 10^{-3}}{0,10} = 0,013$ , tức $\alpha = 1,3\%$ .
Ta có $\alpha = \dfrac{C_{phân li}}{C_{ban đầu}} = \dfrac{1,3 \times 10^{-3}}{0,10} = 0,013$, tức $\alpha = 1,3\%$.
4
Vậy độ điện li của $CH_3COOH$ 0,10 M là $\alpha = 1,3\%$ — chỉ một tỉ lệ rất nhỏ số phân tử acid đã phân li ra ion, đúng như đặc điểm của chất điện li yếu.
Vậy độ điện li của $CH_3COOH$ 0,10 M là $\alpha = 1,3\%$ — chỉ một tỉ lệ rất nhỏ số phân tử acid đã phân li ra ion, đúng như đặc điểm của chất điện li yếu.

Ví dụ

Giải thích xu hướng độ điện li khi pha loãng

1
Dựa vào bảng số liệu: $CH_3COOH$ 1,0 M có $\alpha = 0,42\%$ ; 0,10 M có $\alpha = 1,3\%$ ; 0,010 M có $\alpha = 4,2\%$ . Hãy giải thích xu hướng này bằng nguyên lí chuyển dịch cân bằng, và cho biết nồng độ ion $H^+$ có tăng theo cùng tỉ lệ với $\alpha$ hay không.
Dựa vào bảng số liệu: $CH_3COOH$ 1,0 M có $\alpha = 0,42\%$; 0,10 M có $\alpha = 1,3\%$; 0,010 M có $\alpha = 4,2\%$. Hãy giải thích xu hướng này bằng nguyên lí chuyển dịch cân bằng, và cho biết nồng độ ion $H^+$ có tăng theo cùng tỉ lệ với $\alpha$ hay không.
2
Khi pha loãng $CH_3COOH$ từ 1,0 M xuống 0,010 M, số tiểu phân trong một đơn vị thể tích giảm. Theo nguyên lí Le Chatelier, cân bằng $CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+$ chuyển dịch theo chiều làm tăng số tiểu phân — tức chiều thuận — để chống lại sự giảm nồng độ do pha loãng. Do đó tỉ lệ phần trăm phân li ( $\alpha$ ) tăng lên khi nồng độ ban đầu giảm, đúng như bảng số liệu cho thấy.
Khi pha loãng $CH_3COOH$ từ 1,0 M xuống 0,010 M, số tiểu phân trong một đơn vị thể tích giảm. Theo nguyên lí Le Chatelier, cân bằng $CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+$ chuyển dịch theo chiều làm tăng số tiểu phân — tức chiều thuận — để chống lại sự giảm nồng độ do pha loãng. Do đó tỉ lệ phần trăm phân li ($\alpha$) tăng lên khi nồng độ ban đầu giảm, đúng như bảng số liệu cho thấy.
3
Nồng độ ion $H^+$ bằng $\alpha \times C$ . Ở 1,0 M: $[H^+] = 0,0042 \times 1,0 = 4,2 \times 10^{-3}\ M$ . Ở 0,010 M: $[H^+] = 0,042 \times 0,010 = 4,2 \times 10^{-4}\ M$ . Dù $\alpha$ tăng gấp 10 lần, nồng độ $H^+$ tuyệt đối vẫn giảm khi pha loãng — chỉ giảm chậm hơn mức pha loãng 100 lần của $C$ .
Nồng độ ion $H^+$ bằng $\alpha \times C$. Ở 1,0 M: $[H^+] = 0,0042 \times 1,0 = 4,2 \times 10^{-3}\ M$. Ở 0,010 M: $[H^+] = 0,042 \times 0,010 = 4,2 \times 10^{-4}\ M$. Dù $\alpha$ tăng gấp 10 lần, nồng độ $H^+$ tuyệt đối vẫn giảm khi pha loãng — chỉ giảm chậm hơn mức pha loãng 100 lần của $C$.
4
Vậy pha loãng làm tăng độ điện li $\alpha$ (do cân bằng chuyển dịch theo chiều phân li thêm), nhưng nồng độ ion $H^+$ tuyệt đối vẫn giảm — hai đại lượng này không đồng biến, đây là điểm học sinh cần phân biệt rõ khi làm bài.
Vậy pha loãng làm tăng độ điện li $\alpha$ (do cân bằng chuyển dịch theo chiều phân li thêm), nhưng nồng độ ion $H^+$ tuyệt đối vẫn giảm — hai đại lượng này không đồng biến, đây là điểm học sinh cần phân biệt rõ khi làm bài.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất: cho rằng pha loãng làm TĂNG nồng độ ion (vì $\alpha$ tăng). Thực ra $\alpha$ tăng chỉ có nghĩa là TỈ LỆ phần trăm phân li tăng — nồng độ ion tuyệt đối ( $\alpha \times C$ ) vẫn giảm khi pha loãng, chỉ giảm chậm hơn so với nồng độ ban đầu $C$ . Đừng nhầm "độ điện li tăng" với "nồng độ ion tăng".

Sai lầm phổ biến nhất: cho rằng pha loãng làm TĂNG nồng độ ion (vì $\alpha$ tăng). Thực ra $\alpha$ tăng chỉ có nghĩa là TỈ LỆ phần trăm phân li tăng — nồng độ ion tuyệt đối ($\alpha \times C$) vẫn giảm khi pha loãng, chỉ giảm chậm hơn so với nồng độ ban đầu $C$. Đừng nhầm "độ điện li tăng" với "nồng độ ion tăng".

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Độ điện li $\alpha = C_{phân li}/C_{ban đầu}$ , với $\alpha = 1$ cho chất điện li mạnh và $0 < \alpha < 1$ cho chất điện li yếu. Cân bằng điện li tuân theo nguyên lí Le Chatelier: pha loãng làm $\alpha$ tăng (cân bằng chuyển dịch theo chiều phân li thêm để bù số tiểu phân), nhưng nồng độ ion tuyệt đối vẫn giảm.

Độ điện li $\alpha = C_{phân li}/C_{ban đầu}$, với $\alpha = 1$ cho chất điện li mạnh và $0 < \alpha < 1$ cho chất điện li yếu. Cân bằng điện li tuân theo nguyên lí Le Chatelier: pha loãng làm $\alpha$ tăng (cân bằng chuyển dịch theo chiều phân li thêm để bù số tiểu phân), nhưng nồng độ ion tuyệt đối vẫn giảm.

Chương tiếp theo định nghĩa chính xác acid và base theo thuyết Brønsted–Lowry — nền tảng để hiểu vì sao $CH_3COOH$ cho $H^+$ còn $NH_3$ nhận $H^+$ , và mở đường cho hằng số $K_a$ , $K_b$ ở bài sau.

Chương tiếp theo định nghĩa chính xác acid và base theo thuyết Brønsted–Lowry — nền tảng để hiểu vì sao $CH_3COOH$ cho $H^+$ còn $NH_3$ nhận $H^+$, và mở đường cho hằng số $K_a$, $K_b$ ở bài sau.