Chất điện li (Electrolyte)

Phân loại chất điện li

Chất điện li được phân loại dựa vào mức độ phân li của chúng trong dung dịch:

• Chất điện li mạnh: Phân li hoàn toàn (hoặc gần như hoàn toàn) thành ion khi hòa tan trong nước. Dung dịch của chúng có độ dẫn điện cao. Ví dụ:
  • Axit mạnh: HCl, HNO₃, H₂SO₄,…
  • Bazơ mạnh: NaOH, KOH, Ca(OH)₂,…
  • Muối tan: NaCl, KNO₃, CuSO₄,…
• Chất điện li yếu: Chỉ phân li một phần thành ion khi hòa tan trong nước. Phần lớn chất vẫn tồn tại ở dạng phân tử không phân li. Dung dịch của chúng có độ dẫn điện kém hơn so với chất điện li mạnh. Ví dụ:
  • Axit yếu: CH₃COOH, H₂CO₃, H₃PO₄,…
  • Bazơ yếu: NH₃,…
  • Nước (H₂O): Là một chất điện li rất yếu.
• Chất không điện li: Không phân li thành ion khi hòa tan trong nước. Dung dịch của chúng không dẫn điện. Ví dụ: đường (C₁₂H₂₂O₁₁), ethanol (C₂H₅OH),…

Phương trình phân li

Phương trình phân li thể hiện quá trình phân li của chất điện li thành các ion trong dung dịch. Ví dụ:

• Chất điện li mạnh (NaCl): NaCl → Na⁺ + Cl^–
• Chất điện li yếu (CH₃COOH): CH₃COOH $\rightleftharpoons$ CH₃COO^– + H⁺ (ký hiệu $\rightleftharpoons$ biểu thị cân bằng phân li)
• Nước: H₂O $\rightleftharpoons$ H⁺ + OH^–

Độ điện li ($\alpha$)

Độ điện li là tỉ số giữa số phân tử phân li thành ion và tổng số phân tử ban đầu của chất điện li trong dung dịch.

$\alpha$ = $\frac{\text{Số phân tử phân li}}{\text{Tổng số phân tử ban đầu}}$

$\alpha$ có giá trị từ 0 đến 1. $\alpha$ = 1 cho chất điện li mạnh và 0 < $\alpha$ < 1 cho chất điện li yếu.

Ứng dụng của chất điện li

Chất điện li đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực:

• Trong cơ thể sống: Duy trì cân bằng điện giải, truyền tín hiệu thần kinh, co cơ,…
• Trong hóa học: Dung dịch điện li được sử dụng trong các phản ứng hóa học, điện phân,…
• Trong công nghiệp: Sản xuất pin, ắc quy,…

Lưu ý về độ điện li

Nồng độ của dung dịch cũng ảnh hưởng đến độ điện li. Khi nồng độ dung dịch giảm, độ điện li thường tăng. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến độ điện li, thường thì nhiệt độ tăng sẽ làm tăng độ điện li của chất điện li yếu.

Hằng số điện li (K)

Đối với chất điện li yếu, quá trình phân li là một quá trình thuận nghịch và đạt đến trạng thái cân bằng. Hằng số điện li (K) biểu thị mức độ phân li của chất điện li yếu tại một nhiệt độ nhất định. Giá trị K càng lớn, chất điện li càng phân li mạnh hơn.

Ví dụ, xét cân bằng phân li của axit yếu HA:

HA $\rightleftharpoons$ H⁺ + A^–

Hằng số điện li axit (K_a) được tính như sau:

K_a = $\frac{[H^+][A^-]}{[HA]}$

Trong đó, [H⁺], [A^–] và [HA] là nồng độ mol/l của các ion và phân tử tại trạng thái cân bằng.

Tương tự, đối với bazơ yếu BOH:

BOH $\rightleftharpoons$ B⁺ + OH^–

Hằng số điện li bazơ (K_b) được tính như sau:

K_b = $\frac{[B^+][OH^-]}{[BOH]}$

Mối liên hệ giữa độ điện li ($\alpha$) và hằng số điện li (K)

Đối với dung dịch chất điện li yếu có nồng độ C (mol/l), ta có mối liên hệ gần đúng giữa $\alpha$ và K như sau:

$\alpha$ = $\sqrt{\frac{K}{C}}$

Công thức này chỉ áp dụng khi $\alpha$ nhỏ (thường là $\alpha$ < 0.1).

Ảnh hưởng của dung môi

Dung môi đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân li của chất điện li. Hằng số điện môi ($\epsilon$) của dung môi ảnh hưởng đến lực hút tĩnh điện giữa các ion. Dung môi có hằng số điện môi cao (như nước) làm giảm lực hút tĩnh điện giữa các ion, do đó làm tăng khả năng phân li của chất điện li.

Vai trò của chất điện li trong cơ thể

Chất điện li như Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^–, HCO₃^–, PO₄^3-… đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng áp suất thẩm thấu, cân bằng pH, dẫn truyền xung thần kinh và co cơ. Sự mất cân bằng điện giải có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng.

• Hoá học 11 – Bộ Giáo dục và Đào tạo.
• Atkins, P., & de Paula, J. (2006). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Chang, R. (2010). Chemistry. McGraw-Hill.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao độ điện li ($\alpha$) của chất điện li yếu lại phụ thuộc vào nồng độ dung dịch?

Trả lời: Độ điện li ($\alpha$) của chất điện li yếu tăng khi nồng độ dung dịch giảm. Điều này được giải thích bởi nguyên lý Le Chatelier. Khi pha loãng dung dịch, tức là giảm nồng độ chất tan, cân bằng phân li sẽ dịch chuyển theo chiều làm tăng số mol chất tan, tức là chiều phân li thuận. Do đó, độ điện li tăng.

Phân biệt chất điện li và chất dẫn điện. Liệu mọi chất dẫn điện đều là chất điện li?

Trả lời: Chất điện li là chất tạo ra các ion khi hòa tan trong dung môi và dẫn điện nhờ sự di chuyển của các ion này. Chất dẫn điện là chất cho phép dòng điện chạy qua. Không phải mọi chất dẫn điện đều là chất điện li. Ví dụ, kim loại dẫn điện nhờ sự di chuyển của các electron tự do chứ không phải các ion. Do đó, kim loại là chất dẫn điện nhưng không phải là chất điện li.

Hằng số điện li (K) có phụ thuộc vào nhiệt độ không? Tại sao?

Trả lời: Hằng số điện li (K) phụ thuộc vào nhiệt độ. Quá trình phân li của chất điện li thường là quá trình thu nhiệt. Theo nguyên lý Le Chatelier, khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều thu nhiệt, tức là chiều phân li thuận. Do đó, hằng số điện li (K) tăng khi nhiệt độ tăng.

Tại sao nước tinh khiết lại dẫn điện rất kém, mặc dù nước có thể tự phân li thành ion H$^+$ và OH$^-$?

Trả lời: Nước tinh khiết dẫn điện rất kém vì nồng độ các ion H$^+$ và OH$^-$ sinh ra do sự tự phân li của nước rất nhỏ (ở 25°C, [H$^+$] = [OH$^-$] = $10^{-7}$ M). Nồng độ ion thấp dẫn đến khả năng dẫn điện kém.

Cho ví dụ về một chất vừa là chất điện li vừa là chất không điện li. Giải thích.

Trả lời: Axit axetic khan (CH$_3$COOH ở trạng thái tinh khiết, không có nước) là một ví dụ. Ở trạng thái khan, các phân tử CH$_3$COOH liên kết với nhau bằng liên kết hydro và không phân li thành ion, do đó nó không dẫn điện và được coi là chất không điện li. Tuy nhiên, khi hòa tan trong nước, CH$_3$COOH phân li một phần thành ion CH$_3$COO$^-$ và H$^+$, thể hiện tính chất điện li. Vậy, CH$_3$COOH khan vừa có thể coi là chất điện li (khi hòa tan trong nước) vừa là chất không điện li (ở trạng thái khan).