Giải chi tiết Hóa học 11 Chân trời mới bài 2: Cân bằng trong dung dịch nước

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Các hợp chất acid và base có vai trò rất quan trọng trong đời sống của con người. Acid, base là gì? Làm cách nào có thể xác định nồng độ của dung dịch acid, base. 

Hướng dẫn trả lời:

Để xác định nồng độ của dung dịch acid, base có thể sử dụng máy đo pH, giấy chỉ thị vạn năng,...

1. SỰ ĐIỆN LI, CHẤT ĐIỆN LI, CHẤT KHÔNG ĐIỆN LI

Tìm hiểu hiện tượng điện li

Thảo luận 1. Quan sát hình 2.1 nhận xét hiện tượng xảy ra khi thực hiện thí nghiệm. So sánh tính dẫn điện của nước cất và các dung dịch.

Hướng dẫn trả lời:

Bóng đèn ở cốc đựng dung dịch Sodium Chloride (c) sáng còn bóng đèn ở cốc chứa nước cất (a) và bình chứa dung dịch saccharose (b) không sáng. Vậy dung dịch Sodium Chloride dẫn điện, còn nước cất và dung dịch saccharose không dẫn điện.

Thảo luận 2. Hãy cho biết nguyên nhân vì sao dung dịch NaCl có tính dẫn điện 

Hướng dẫn trả lời:

Do NaCl trong dung dịch phân li thành các ion Na+ và Cl- là các phần tử mang điện điện nên dung dịch NaCl có tính dẫn điện.

Tìm hiểu sự phân loại các chất điện li

Thảo luận 3. Quan sát hình 2.3, nhận xét về độ sáng của bóng đèn ở các thí nghiệm. Biết rằng nồng độ mol của các dung dịch bằng nhau, cho biết dung dịch nào dẫn điện mạnh, dẫn điện yếu và không dẫn điện

Hướng dẫn trả lời:

Bóng đèn ở bình chứa dung dịch hydrochloric acid (a) sáng nhất, bóng đèn ở bình chứa dung dịch acetic acid (b) sáng mờ và bóng đèn ở bình chứa dung dịch glucose (c) không sáng. Vậy dung dịch hydrochloric acid dẫn điện mạnh, dung dịch acetic acid dẫn điện yếu và dung dịch glucose không dẫn điện.

Thảo luận 4. Từ phương trình (1) và (2) nhận xét mức độ phân li của HCl và CH₃COOH trong nước

Hướng dẫn trả lời:

HCl: phân li hoàn toàn trong nước

CH₃COOH: phân li không hoàn toàn trong nước

Thảo luận 5. Nếu nhỏ thêm vài giọt dung dịch NaOH hoặc CH3COONa vào dung dịch CH₃COOH thì cân bằng (7) chuyển dịch theo chiều nào?

Hướng dẫn trả lời:

Nếu nhỏ thêm vài giọt dung dịch NaOH. ion OH− do NaOH phân li ra sẽ kết hợp với H+ làm cho nồng độ H+ giảm cân bằng (1) chuyển dịch về chiều thuận, làm tăng khả năng phân li của CH3COOH.

Khi nhỏ thêm CH3COO−  vào dung dịch thì cân bằng chuyển dịch theo chiều chống lại sự cho thêm CH3COO− đó. Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.

Luyện tập. Viết phương trình điện li (nếu có) của các chất sau khi hòa tan vào nước HNO₃ Ca(OH)₂ và BaCl₂.

Hướng dẫn trả lời:

HNO₃ → H⁺ + NO₃^-

Ca(OH)2  → 2OH^– + Ca²⁺ 

BaCl₂ → Ba²⁺ + 2Cl^-

2. THUYẾT BRONSTED - LOWRY VỀ ACID - BASE

Tìm hiểu về thuyết Bronsted - Lowry về acid - base

Thảo luận 6. Quan sát hình 2.4 và hình 2.5 cho biết chất nào nhận H+ chất nào cho H+

Hướng dẫn trả lời:

Hình 2.4, HCl là chất nhường H+ (H+ di chuyển từ phân tử HCl đến phân tử H₃O+), H₂O là chất nhận H+

Hình 2.5, H₂O là chất nhường H+ (H+ di chuyển từ phân tử H₂O  đến phân tử NH₃), NH₃ là chất nhận H+

Thảo luận 7. Nhận xét về vai trò của acid - base trong phân tử H₂O trong các cân bằng ở hình 2.4, hình 2.5 và cân bằng của ion HCO₃ - trong nước.

Hướng dẫn trả lời:

Trong cân bằng ở hình 2.4, phân tử H2O đóng vai trò base
Trong cân bằng ở hình 2.5, phân tử H2O đóng vai trò acid
→ H2O vừa có khả năng nhường vừa có khả năng nhận H+, nên H2O là chất lưỡng tính vừa có thể đóng vai trò là acid, vừa có thể đóng vai trò là base.

Trong cân bằng của ion HCO3- trong nước, HCO3- vừa có khả năng nhường, vừa có khả năng nhận H+, nên HCO3- là chất lưỡng tính vừa có thể đóng vai trò là acid, vừa có thể đóng vai trò là base.

Luyện tập. Cho phản ứng

(1) CH₃COOH + H₂O⇌ CH3COO- +H3O+

(2) CO₃^2- + H₂O ⇌ HCO₃^- + OH^-

Cho biết chất nào là acid chất nào là base theo thuyết Bronsted Lowry

Hướng dẫn trả lời:

3. KHÁI NIỆM pH. CHẤT CHỈ THỊ ACID - BASE

Tìm hiểu khái niệm pH

Thảo luận 8. Tính pH của dung dịch có nồng độ H⁺ là 10^-2M

Hướng dẫn trả lời:

Ta có pH = -log[H+] = -log (10-2 )= 2 

Thảo luận 9. Tính pH của dung dịch có nồng độ OH^- là 10^-4

Hướng dẫn trả lời:

[H+] = 10^-14 : 10^-4 = 10^-10

pH = -log[H⁺] = -log (10^-10 )= 10

Thảo luận 10. Quan sát hình 2.6, cho biết khoảng giá trị nào trong thang pH tương ứng với môi trường của dung dịch là acid, base hay trung tính.

Hướng dẫn trả lời:

pH = 7: Dung dịch là trung tính Thí dụ : nước cất có pH = 7

pH < 7: Dung dịch có tính acid, pH càng nhỏ độ acid càng lớn.

pH > 7: Dung dịch có tính base, pH càng lớn độ base càng lớn.

Luyện tập.

a) Pha 500ml dung dịch HCl 0,2 M vào 500 ml nước. Tính pH của dung dịch thu được

b) Tính khối lượng NaOH cần để pha 100ml dung dịch NaOH có pH = 12 

Hướng dẫn trả lời:

a) n_H+ = 0,5.0,2 = 0,1 (mol)

[H+]=0,1) = 0,1M

pH = -log[H⁺] = -log (0,1 )= 1

b) pH=12 ➝ 14 + log[OH-]=12 

➝ [OH-] = 0,01

➝  n_NaOH=n_OH- = 0,1. 0,01= 0,001(mol)

=> m_NaOH=0,001.40=0,04(g)

Tìm hiểu ý nghĩa của pH trong thực tiễn

Thảo luận 11. Quan sát hình 2.7 cho biết khoảng pH thấp nhất và cao nhất của ở các cơ quan trong hệ tiêu hóa con người

Hướng dẫn trả lời:

khoảng pH thấp nhất ở dạ dày: pH 1,5 - 3,5 và cao nhất ở khoang miệng pH 6,5 - 7,5

Vận dụng. Đất chua là đất có độ pH dưới 6,5 để cải thiện đất trồng bị chua người nông dân có thể bổ sung chất nào trong các chất sau đây vào đất: CaO. P₂O₅. Giải thích 

Tìm hiểu chất chỉ thị acid - base

Hướng dẫn trả lời:

Đất bị chua còn được hiểu là đất có độ pH từ 6.5 trở xuống. Trị số pH cho biết nồng độ ion H+ trong môi trường cao --> cần tăng lượng OH- để trung hoà làm giảm lượng H+ trong đất.

CaO + H2O → Ca(OH)2 : tăng lượng OH- 

P2O5 + H2O → H3PO4: tăng lượng H+

Vậy nếu đất chua là đất có độ pH dưới 6,5 để cải thiện đất trồng bị chua người nông dân có thể bổ sung CaO vào đất: CaO.

Thảo luận 12. Quan sát hình 2.8 Trình bày sự biến đổi màu sắc của chất chỉ thị acid - base trong các dung dịch có độ pH khác nhau

Hướng dẫn trả lời:

Giấy pH

• Màu đỏ: khi pH < 7 và nhạt dần khi pH tăng
• Màu xanh: khi pH >7 và đậm dần khi pH tăng

Phenolphtaleine

• không màu môi trường acid, trung tính (pH từ 0 đến 8,3)
• màu hồng đậm dần trong môi trường base

4. CHUẨN ĐỘ ACID - BASE

Tìm hiểu phương pháp chuẩn độ acid - base

Thảo luận 13. Hãy nêu vai trò của chất chỉ thị trong phương pháp chuẩn độ acid - base

Hướng dẫn trả lời:

Chất chỉ thị dùng để xác định được điểm ngừng thêm dung dịch chuẩn (điểm tương đương) để kết thúc quá trình chuẩn độ.

Thảo luận 14. Quan sát hình 2.9, giải thích vì sao cần lắc nhẹ dung dịch trong bình tam giác trong khi thực hiện thao tác chuẩn độ.

Hướng dẫn trả lời:

Thao tác lắc nhẹ dung dịch trong bình tam giác nhằm mục đích để dung dịch chuẩn trộn đều trong dung dịch khi rơi xuống bình tam giác, phản ứng xảy ra hoàn toàn, từ đó xác định được chính xác điểm kết thúc chuẩn độ thông qua các hiện tượng quan sát được khi sử dụng chất chỉ thị thích hợp.

Thảo luận 15. Viết phương trình hóa học của phản ứng xảy ra trong dung dịch chuẩn độ dung dịch NaOH loãng dung dịch HCl

Hướng dẫn trả lời:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

H⁺ + OH^-⇌ H2O 

Thảo luận 16. Quan sát hình 2.10, mô tả hiện tượng thời điểm kết thúc chuẩn độ

Hướng dẫn trả lời:

Khi kết thúc chuẩn độ thì dung dịch trong bình tam giác chuyển sang màu hồng nhạt, bền trong 30s

Thảo luận 17. Giả sử khi kết thúc chuẩn độ thể tích dung dịch NaOH đã sử dụng là 12,5 ml. Tính nồng độ dung dịch NaOH ban đầu

Hướng dẫn trả lời:

Áp dụng công thức: C_{NaOH =}  

5. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CÂN BẰNG TRONG DUNG DỊCH NƯỚC CỦA ION Al3+, Fe3+ VÀ CO32-

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

Thảo luận 18: Tại sao khi bảo quản dung dịch muối M3+ trong phòng thí nghiệm người ta thường nhỏ vài giọt dung dịch acid vào lọ đựng dung dịch muối 

Hướng dẫn trả lời:

Khi bảo quản dung dịch muối M3+ trong phòng thí nghiệm người ta thường nhỏ vài giọt dung dịch acid vào lọ đựng dung dịch muối để hạn chế sự tạo thành kết tủa M(OH)₃

do khi thêm acid --> [H+] tăng --> cân bằng thuỷ phân M3+ trong  nước dịch chuyển theo chiều nghịch --> bảo quản được M3+ 

Vận dụng: Ngoài tác dụng làm trong nước dung dịch phèn chua còn có khả năng làm sạch gỉ sét trên inox. Giải thích. 

Hướng dẫn trả lời:

Phèn chua có công thức: KAl(SO₄)₂·12H₂O

Khi hoà tan trong nước phân li ra ion Al³⁺ , Al³⁺ dễ bị thuỷ phân trong nước tạo thành Al(OH)₃ không tan và cho môi trường acid --> H⁺ sinh ra phản ứng với với gỉ sét --> làm sạch inox

Tìm hiểu ý nghĩa thực tiễn cân bằng trong dung dịch nước của ion CO₃^{2 –}

Thảo luận 19. Giải thích vì sao quá trình thủy phân ion CO₃^{2 –} trong nước làm tăng pH của nước.

Hướng dẫn trả lời:

Quá trình thuỷ phân ion CO₃^{2 -} trong nước: CO₃^{2 -} + H₂O⇌ OH^-+HCO₃⁻

Quá trình này làm tăng nồng độ OH- nên pH của dung dịch tăng.

Vận dụng. Khi mưa nhiều ngày liên tục có thể làm cho pH của nước ở ao, hồ giảm xuống dưới 6,5 và người ta thường rắc vôi bột để điều chỉnh pH. Giải thích 

Hướng dẫn trả lời:

Đối với nước ao, hồ mưa nhiều ngày liên tục sẽ làm cho pH ở ao hồ xuống dưới 6,5 do đó người ta rắc vôi bột để điều chỉnh pH, vì vôi có thành phần chính là Calcium oxide (CaO)khi cho vào nước sẽ tạo thành CaCO3 kết tủa và Calcium hydroxide tan trong nước Ca(OH)2. Ca(OH)2 phân li --> [OH-] trong ao hồ tăng --> pH tăng

BÀI TẬP

Bài tập 1. Một dung dịch có [OH-] = 2,5.10-10 M. Tính pH và xác định môi trường dung dịch này. 

Hướng dẫn trả lời:

[H+] = 10-14 : 2,5. 10-10 = 4 .10-5

pH = -log[H+] = -log (410-5) = 4,4 < 7

Vậy dung dịch có môi trường acid

Bài tập 2. Tính pH của dung dịch thu được sau khi trộn 40 mL dung dịch HCl 0,5M  và 0,60 mL dung dịch NaOH 0,5M 

Hướng dẫn trả lời:

n_HCl = 0,04.0,5 = 0,02 (mol)

n_NaOH = 0,06×0,5 = 0,03 (mol)

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

 ⇒NaOH dư

n_NaOHdư = 0,03 − 0,02 = 0,01(mol)

n_OH− = n_NaOHdư = 0,01 mol

[OH−] =  = 0,1M

pOH = −log(0,1) = 1 -->  pH = 14 −1 = 13

Bài tập 3. Một mẫu dịch vị có pH = 2,5. Xác định nồng độ mol của ion H+ trong mẫu dịch vị đó 

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: [H+] = 10^-pH = 10^-2,5 ≈ 3,16.10^-3 M

Bài tập 4. Viết phương trình điện li của các chất sau H₂SO₄, Ba(OH)₂, Al₂(SO₄)₃

Hướng dẫn trả lời:

Phương trình điện li 

H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄^-

HSO₄^- ⇌ H⁺ + SO₄^2-

Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + OH^-

Al₂(SO₄)₃ → 2Al ³⁺ + 3SO₄ ^2-

Bài tập 5. Ở vùng quê người dân thường dùng phèn chua để làm trong nước nhờ ứng dụng của phản ứng thủy phân ion Al3+. Giải thích. Chất hay ion nào là acid, là base trong phản ứng thủy phân Al3+

Hướng dẫn trả lời:

Khi cho phèn chua vào nước sẽ phân li ra ion Al3+. Chính ion Al3+ này bị thủy phân theo phương trình:   Al3+ + 3H2O  →  Al(OH)3↓ + 3H+ 

Kết quả tạo ra Al(OH)3 là chất kết tủa dạng keo nên khi khuấy phèn chua vào nước, nó kết dính các hạt đất nhỏ lơ lửng trong nước đục thành hạt đất to hơn, nặng và chìm xuống làm trong nước.