Độ điện li (Degree of ionization/Degree of dissociation)

Định nghĩa

Độ điện li ($α$) được định nghĩa bằng tỷ số giữa số mol chất điện li đã phân li ($n{pli}$) và số mol chất điện li ban đầu ($n{bd}$):

$α = \frac{n{pli}}{n{bd}}$

Hoặc biểu diễn dưới dạng phần trăm:

$α\% = \frac{n{pli}}{n{bd}} \times 100\%$

Lưu ý: $n{pli}$ là số mol chất điện li đã phân li thành ion, không phải là tổng số mol ion tạo thành. Ví dụ, nếu 1 mol chất điện li XY phân li thành 0.5 mol X⁺ và 0.5 mol Y⁻, thì $n{pli}$ = 0.5 mol, chứ không phải 1 mol.

Phân loại chất điện li dựa trên độ điện li

• Chất điện li mạnh: Là những chất khi hòa tan trong nước, phân li hoàn toàn thành ion ($α ≈ 1$ hoặc $α\% ≈ 100\%$). Ví dụ: HCl, HNO₃, NaOH, KOH, hầu hết các muối tan.
• Chất điện li yếu: Là những chất khi hòa tan trong nước, chỉ phân li một phần thành ion ($0 < α < 1$ hoặc $0\% < α\% < 100\%$). Ví dụ: CH₃COOH, NH₃, H₂S.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ điện li

• Bản chất của chất điện li: Mỗi chất điện li có tính chất riêng, do đó có độ điện li khác nhau. Nói cách khác, khả năng phân li thành ion của mỗi chất là khác nhau.
• Nồng độ: Độ điện li của chất điện li yếu tăng khi nồng độ dung dịch giảm (pha loãng dung dịch). Nguyên nhân là khi pha loãng, khoảng cách giữa các ion tăng lên, làm giảm khả năng kết hợp lại thành phân tử. Hiệu ứng này được giải thích bởi nguyên lý Le Chatelier.
• Nhiệt độ: Độ điện li của hầu hết chất điện li yếu tăng khi nhiệt độ tăng. Sự tăng nhiệt độ cung cấp năng lượng cho quá trình phân li, thường là một quá trình thu nhiệt.
• Bản chất của dung môi: Dung môi phân cực mạnh như nước có khả năng solvat hóa (bao quanh) các ion tốt hơn, do đó làm tăng độ điện li. Hằng số điện môi của dung môi càng lớn thì khả năng solvat hóa ion càng mạnh.
• Ảnh hưởng của ion chung: Sự có mặt của ion chung (ion giống với một trong các ion của chất điện li yếu) trong dung dịch sẽ làm giảm độ điện li của chất điện li yếu. Đây cũng là một ứng dụng của nguyên lý Le Chatelier.

Ý nghĩa

Độ điện li là một đại lượng quan trọng để đánh giá khả năng dẫn điện của dung dịch. Dung dịch chất điện li mạnh dẫn điện tốt hơn dung dịch chất điện li yếu cùng nồng độ, vì có số lượng ion nhiều hơn. Độ điện li cũng giúp dự đoán chiều hướng chuyển dịch cân bằng của phản ứng trong dung dịch chất điện li yếu. Việc nắm rõ độ điện li giúp ta hiểu rõ hơn về các tính chất của dung dịch và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Ví dụ

Giả sử hòa tan 0.1 mol CH₃COOH vào nước, và chỉ có 0.01 mol CH₃COOH phân li thành ion CH₃COO^– và H⁺. Khi đó:

$α = \frac{0.01}{0.1} = 0.1$ hay $α\% = 0.1 \times 100\% = 10\%$.

Điều này cho thấy CH₃COOH là một chất điện li yếu, chỉ có 10% số phân tử phân li thành ion trong dung dịch.

Mối quan hệ giữa độ điện li và hằng số điện li

Đối với chất điện li yếu, quá trình điện li đạt đến trạng thái cân bằng động. Ta có thể biểu diễn cân bằng điện li tổng quát như sau:

AB <=> A⁺ + B^–

Hằng số điện li ($K$) được biểu diễn như sau:

$K = \frac{[A^+][B^-]}{[AB]}$

Trong đó, [A⁺], [B^–] và [AB] là nồng độ cân bằng của các ion và phân tử chưa phân li.

Đối với chất điện li yếu ở nồng độ loãng, ta có thể thiết lập mối quan hệ giữa độ điện li ($α$) và hằng số điện li ($K$) và nồng độ ban đầu của chất điện li ($C$):

$K = \frac{Cα^2}{1 – α}$

Nếu $α$ rất nhỏ so với 1 ($α << 1$), ta có thể xấp xỉ $1 – α ≈ 1$. Khi đó, công thức được đơn giản hóa thành:

$K ≈ Cα^2$

Từ đó, ta có thể tính độ điện li:

$α ≈ \sqrt{\frac{K}{C}}$

Công thức này cho thấy độ điện li của chất điện li yếu tăng khi nồng độ giảm (pha loãng dung dịch).

Ứng dụng của độ điện li

• Tính pH của dung dịch: Độ điện li được sử dụng để tính pH của dung dịch axit và bazơ yếu. Nồng độ ion H⁺ (hoặc OH^–) được xác định từ độ điện li và nồng độ ban đầu của axit (hoặc bazơ).
• Dự đoán chiều hướng chuyển dịch cân bằng: Độ điện li giúp dự đoán chiều hướng chuyển dịch cân bằng điện li khi thay đổi nồng độ, nhiệt độ, hoặc thêm ion chung theo nguyên lý Le Chatelier.
• Đánh giá khả năng dẫn điện của dung dịch: Độ điện li càng lớn, dung dịch dẫn điện càng tốt.
• Phân tích hóa học: Độ điện li được sử dụng trong các phương pháp phân tích hóa học, ví dụ như chuẩn độ axit-bazơ.

Phương pháp xác định độ điện li

Độ điện li có thể được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm:

• Đo độ dẫn điện: Độ dẫn điện của dung dịch tỉ lệ thuận với nồng độ ion trong dung dịch, từ đó có thể tính được độ điện li.
• Đo pH: Đối với axit và bazơ yếu, độ điện li có thể được tính toán từ giá trị pH của dung dịch.
• Phương pháp quang phổ: Một số chất điện li có màu hoặc hấp thụ ánh sáng ở bước sóng đặc trưng. Bằng cách đo độ hấp thụ ánh sáng, có thể xác định được nồng độ của các ion và phân tử chưa phân li, từ đó tính được độ điện li.

• Hoá học 11 – Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam
• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao độ điện li của chất điện li yếu lại tăng khi pha loãng dung dịch?

Trả lời: Khi pha loãng dung dịch, khoảng cách giữa các ion tăng lên. Điều này làm giảm lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu, khiến cho chúng khó kết hợp lại thành phân tử hơn. Kết quả là cân bằng điện li chuyển dịch theo chiều hướng phân li nhiều hơn, dẫn đến độ điện li tăng.

Làm thế nào để tính pH của dung dịch axit yếu CH₃COOH 0.1M, biết hằng số điện li K_a = 1.8 x 10^-5?

Trả lời:

1. Xấp xỉ độ điện li α: $α ≈ \sqrt{\frac{K_a}{C}} = \sqrt{\frac{1.8 \times 10^{-5}}{0.1}} ≈ 0.0134$
2. Tính nồng độ ion H⁺: [H⁺] = Cα = 0.1 x 0.0134 = 1.34 x 10^-3 M
3. Tính pH: pH = -log[H⁺] = -log(1.34 x 10^-3) ≈ 2.87

Ảnh hưởng của ion chung là gì và tại sao nó lại làm giảm độ điện li của chất điện li yếu?

Trả lời: Ảnh hưởng của ion chung là hiện tượng độ điện li của chất điện li yếu giảm khi trong dung dịch có sẵn một ion giống với một trong các ion tạo thành do sự phân li của chất điện li yếu đó. Ví dụ, thêm CH₃COONa vào dung dịch CH₃COOH sẽ làm giảm độ điện li của CH₃COOH. Nguyên nhân là sự xuất hiện ion chung (CH₃COO^–) làm cân bằng điện li của CH₃COOH chuyển dịch ngược lại theo chiều tạo thành phân tử CH₃COOH chưa phân li, do đó làm giảm độ điện li.

Ngoài nồng độ và nhiệt độ, yếu tố nào khác có thể ảnh hưởng đến độ điện li?

Trả lời: Bản chất của dung môi cũng ảnh hưởng đến độ điện li. Dung môi phân cực mạnh như nước có khả năng solvat hóa (bao quanh) các ion tốt hơn, giúp ổn định các ion và do đó làm tăng độ điện li. Ngược lại, dung môi kém phân cực sẽ làm giảm độ điện li.

Tại sao cần phải phân biệt giữa độ điện li và hằng số điện li?

Trả lời: Độ điện li (α) biểu thị mức độ phân li của chất điện li tại một nồng độ cụ thể, trong khi hằng số điện li (K) là một đại lượng không đổi ở một nhiệt độ nhất định, đặc trưng cho khả năng phân li của chất điện li. Hằng số điện li không phụ thuộc vào nồng độ, trong khi độ điện li thì có. Hiểu rõ sự khác biệt này giúp ta dự đoán chính xác hơn về hành vi của chất điện li trong dung dịch.