Giải Hóa Học 11 Bài 3: Sự điện li của nước. pH. Chất chỉ thị Axit – bazơ

Giải bài tập Hóa Học 11 Bài 3: Sự điện li của nước. pH. Chất chỉ thị Axit – bazơ

Câu hỏi và bài tập (trang 14 sgk Hóa học 11)

Bài 1 trang 14 sgk hóa học 11: Tích số ion của nước là gì và bằng bao nhiêu ở 25^oC?
Lời giải
Tích số K_H2O = [H⁺].[OH^–] được gọi là tích số ion của nước. Tích số này là hằng số ở nhiệt độ xác định, tuy nhiên giá trị tích số ion của nước là 1,0.10^-14 thường được dùng trong các phép tính, khi nhiệt độ không khác nhiều so với 25^oC.

Bài 2 trang 14 sgk hóa học 11: Phát biểu các định nghĩa môi trường axit, trung tính và kiềm theo nồng độ H⁺ và pH.

Lời giải
pH = -lg[H+]
Môi trường axit là môi trường trong đó:
[H⁺] > [OH^–] hay [H⁺] > 1,0.10-7M => pH < 7
Môi trường trung tính là môi trường trong đó:
[H⁺] = [OH^–] hay [H⁺] = 1,0.10-7M => pH = 7
Môi trường kiềm là môi trường trong đó:
[H⁺] < [OH^–] hay [H⁺] < 1,0.10-7M => pH > 7 

Bài 3 trang 14 sgk hóa học 11: Chất chỉ thị axit – bazo là gì? Hãy cho biết màu của quỳ và phenolphtalein trong dung dịch ở các khoảng pH khác nhau.

Lời giải
Để xác định môi trường của dung dịch người ta thường dùng chất chỉ thị axit – bazo. Chất chỉ thị axit – bazo là chất có màu biến đổi phụ thuộc vào pH của dung dịch.
Màu của quỳ tím và phenolphtalen trong dung dịch có khoảng pH khác nhau:

Quỳ	pH ≤ 6 (đỏ)	pH = 7 (tím)	pH ≥ 8 (xanh)
Phenol phtalein	pH < 8,3 (không màu)	pH ≥ 8,3 màu hồng (trong dung dịch NaOH đặc màu hồng bị mất)

Bài 4 trang 14 sgk hóa học 11: Một dung dịch có [OH^–] = 1,5.10^-5 M. Môi trường của dung dịch này là

A. axit

B. trung tính

C. kiềm

D. không xác định được

Lời giải

Đáp án C

Một dung dịch có [OH^– ]= 1,5.10^-5M.

Vậy dung dịch có môi trường kiềm.

Bài 5 trang 14 sgk hóa học 11: Tính nồng độ H⁺, OH^– và pH dung dịch HCl 0,10M và dung dịch NaOH 0,010M.

Lời giải

– Xét dung dịch HCl

HCl —> H⁺ + Cl^–

0,10M       0,10M

Dung dịch HCl 0,10M có:

[H⁺] = 0,1M

pH = -log [H⁺] = 1,0 

Mà [H⁺]. [OH^–] = 1,0.10^-14

=> [OH^–] = 1,0.10^-14/[H⁺] = 1,0.10^-13M

– Xét dung dịch NaOH

NaOH —> Na⁺ + OH^–

0,010M       0,010M

Dung dịch NaOH 0,010M có:

[OH^–] = 0,01M

Mà [H⁺]. [OH^–] = 1,0.10^-14

=> [H+] = 1,0.10^-14/[OH^–] = 10^-12M

pH = -log [H⁺] =12

Bài 6 trang 14 sgk hóa học 11: Trong dung dịch HCl 0,010M, tích số ion của nước là

A. [H⁺].[OH^–] > 1,0.10^-14

B. [H⁺].[OH^–] = 1,0.10^-14

C. [H⁺].[OH^–] < 1,0.10^-14

D. không xác định được.

Lời giải

Vì tích số ion của nước là hằng số trong nước và cả trong các dung dịch loãng của các chất khác nhau

Đáp án B

Lý thuyết Sự điện li của nước. pH. Chất chỉ thị Axit – bazơ

pH càng nhỏ thì dung dịch có độ axit càng lón. pH càng lớn thì dung dịch có độ bazơ càng lớn.

I. NƯỚC LÀ CHẤT ĐIỆN LI YẾU

1. Sự điện li của nước

Thực nghiệm cho ta nhận thấy, nước là chất điện ly cực yếu:

H₂O   $\rightleftharpoons$  H⁺    +   OH^–       (1)

Tích số ion của nước :

K H₂O=  [H⁺][OH^–]  =10^-14 M  (đo ở 25^oC)

2. Ý nghĩa tích số ion của nước

– Môi trường trung tính có : [H⁺] = [OH^–] và pH = 7 ;

– Môi trường axit có : [H⁺]  >  [OH^–] và pH < 7 ;

– Môi trường bazơ có : [H⁺] <  [OH^–] và pH > 7.

– pH càng nhỏ thì dung dịch có độ axit càng lớn. pH càng lớn thì dung dịch có độ bazơ càng lớn.

II. KHÁI NIỆM VỀ pH. CHẤT CHỈ THỊ AXIT – BAZO

1. Khái niệm về pH

2. Chất chỉ thị axit – bazơ

– Là chất có màu biến đổi phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch.

– Dựa vào sự chuyển màu của giấy quỳ và dung dịch phenolphtalein xác định được môi trường của dung dịch, dựa vào màu của giấy chỉ thị vạn năng có thể xác định được gần đúng giá tri pH của dung dịch.

Ta có: Nếu [H⁺] = 1,0.10^–a M  thì  pH = a.  

=>   pH =  -lg [H⁺]

Ví dụ :   [H⁺] = 10^-3M    pH = 3 : Môi trường axit.

pH + pOH = 14 

Sơ đồ tư duy: Sự điện li của nước. pH. Chất chỉ thị Axit – bazơ

Phương pháp giải một số dạng bài tập về sự điện li của nước, pH

Dạng 1: Lý thuyết về sự điện li của nước và pH

* Một số lưu ý cần nhớ:

– Nước là chất điện li rất yếu : H2O   $\rightleftharpoons$   H+    +   OH–  Tích số ion của nước: =  [H+][OH–]  =10-14 M  (đo ở 25oC) Môi trường axit :    [H+]  >  [OH–]  hay [H+] > 1,0.10–7M => pH < 7 Môi trường kiềm :  [H+] <  [OH–] hay  [H+] < 1,0.10–7M. => pH > 7 Môi trường trung tính :   [H+] = [OH–] = 1,0.10–7M. => pH = 7

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Cho các muối sau đây :  NaNO₃ ; K₂CO₃ ; CuSO₄ ; FeCl₃ ; AlCl₃ ; KCl. Các dung dịch có pH = 7 là :

A. NaNO₃ ; KCl. 

B. K₂CO₃ ; CuSO₄ ; KCl.     

C. CuSO₄ ; FeCl₃ ; AlCl₃. 

D. NaNO₃ ; K₂CO₃ ; CuSO₄.

Hướng dẫn giải chi tiết:

– Dung dịch có môi trường trung tính sẽ có p H = 7

Mặt khác muối có môi trường trung tính là muối của KL mạnh và gốc axit mạnh

Đáp án A

Ví dụ 2: Trong số các dung dịch : Na₂CO₃, KCl, CH₃COONa, NH₄Cl, NaHSO₄, C₆H₅ONa, những dung dịch có pH > 7 là :

A. Na₂CO₃, NH₄Cl, KCl.

B. Na₂CO₃, C₆H₅ONa, CH₃COONa.

C. NH₄Cl, CH₃COONa, NaHSO₄.

D. KCl, C₆H₅ONa, CH₃COONa.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Dung dịch có p H lớn hơn 7 là dung dịch khi thủy phân trong nước cho môi trường bazo

Mặt khác muối có môi trường bazo là muối của KL mạnh và gốc axit yếu.

A loại do KCl có môi trường trung tính

C loại do NaHSO₄ có môi trường axit

D loại do KCl có môi trường trung tính.

Đáp án B.

Ví dụ 3: Cho phản ứng :  

2NO₂  +  2NaOH → NaNO₂  +  NaNO₃  +  H₂O

Hấp thụ hết x mol NO₂ vào dung dịch chứa x mol NaOH thì dung dịch thu được có giá trị

A. pH = 7.              B. pH > 7.

C. pH = 0.              D. pH < 7.

Hướng dẫn giải chi tiết:

n NO₂ = n NaOH

=> 2 chất trên phản ứng vừa đủ

Mặt khác, sau phản ứng sinh ra NaNO₃ có môi trường trung tính và NaNO₂ có môi trường bazo (do là muối của KL mạnh và axit yếu)

=> Sau phản ứng dung dịch thu được có môi trường bazo => pH > 7

Đáp án B.

Dạng 2: Xác định pH của axit, bazo mạnh

* Một số lưu ý cần nhớ:

– Tính số mol H+, OH- có trong dung dịch – Nồng độ H+, OH- có trong dung dịch => pH

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Trộn 10g dung dịch HCl 7,3% với 20g dung dịch H₂SO₄ 4,9% rồi thêm nước để được 100ml dung dịch A. Tính pH của dung dịch A.

Hướng dẫn giải chi tiết:

m HCl = 10 . 7,3% = 0,73 gam

=> n HCl = 0,73 : 36,5 = 0,02 mol

m H₂SO₄ = 20 . 4,9% = 0,98 gam

=> n H₂SO₄ = 0,98 : 98 = 0,01 mol

Ta có phương trình điện li như sau:

HCl →H⁺ + Cl^–

0,02    0,02

H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2-

  0,01     0,02

=> n H+ = 0,02 + 0,02 = 0,04 (mol)

V dung dịch sau khi pha trộn là 100ml = 0,1 lít

=> [H+] = 0,04 : 0,1 = 0,4M

=> p H = -log[H+] = 0,4

Ví dụ 2: Hoà tan m gam Zn vào 200 ml dung dịch H₂SO₄ 0,4M thu được 1,568 lít khí hiđro và dung dịch X. Tính pH của dung dịch X?

Hướng dẫn giải chi tiết:

n H₂SO₄ = 0,4 . 0,2 = 0,08 (mol)

n H₂ = 1,568 : 22,4 = 0,07 (mol)

Ta có phương trình hóa học:

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂ (1)

(1) => n H₂SO₄ phản ứng = n H₂ = 0,07 mol

=> n H₂SO₄ dư = 0,08 – 0,07 = 0,01 mol

Ta có phương trình điện li:

H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2-

0,01         0,02

=> [H+] = 0,02 : 0,2 = 0,1

=> pH = 1

Dạng 3: Xác định pH của axit , bazo yếu

* Một số lưu ý cần nhớ:

– Viết phương trình điện li – Dựa vào dữ kiện đề bài áp dụng công thức tính độ điện li và hằng số điện li axit, bazo Ka, Kb Công thức tính độ điện li: $\alpha =\frac{C}{C_o}$ C: nồng độ chất điện li; Co nồng độ chất tan Ta có phương trình điện li của axit; HA         $\rightleftharpoons$ A–         +        H+    $K_a=\frac{\left[H^{+}\right]\left[A^{-}\right]}{\left[HA\right]}$ => Ka chỉ phụ thuộc vào bản chất của axit và nhiệt độ Ta có phương trình điện li của bazo: BOH $\rightleftharpoons$ B+ + OH–   $K_b=\frac{\left[B^{+}\right]\left[O{H}^{-}\right]}{\left[BOH\right]}$ => Kb chỉ phụ thuộc vào bản chất của bazo và nhiệt độ. Ngoài ra, ta có thể áp dụng được công thức tính nhanh như sau: $\alpha =\sqrt{\frac{K_{a/b}}{C_o}}$

Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Giá trị pH của dung dịch axit fomic 1M (K_a = 1,77.10^–4) là :

A. 1,4.                B. 1,1.

C. 1,68.               D. 1,88.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Phương trình điện li :

 HCOOH  $\rightleftharpoons$HCOO^–+  H⁺ (1); $K_a=\frac{\left[H^{+}\right]\left[HCO{O}^{-}\right]}{\left[HC\text{OO}H\right]}$

bđ:          1

p.li         a.1                a.1         a.1

cb:         1– a           a           a

      Tại thời điểm cân bằng ta có :

            $K_a=\frac{\left[H^{+}\right]\left[A^{-}\right]}{\left[HA\right]}=\frac{{\alpha }^2}{1-\alpha }=1,{77.10}^{-4}$     (2)

=> ${\alpha }^2+1,{77.10}^{-4}\alpha -1,{77.10}^{-4}=0\Rightarrow \alpha =0,0132$

      Theo (1) [H⁺] = a = 0,0132MpH = -lg[H⁺] = 1,88.

Đáp án D.

Ví dụ 2: Dung dịch CH₃COONa 0,1M (K_b = 5,71.10^–10) có [H⁺] là :

A. 7,56.10^–6 M.

B. 1,32.10^–9 M.

C. 6,57.10^–6 M.

D. 2,31.10^–9 M.

Hướng dẫn giải chi tiết:

Phương trình điện li :

            CH₃COONa  →   CH₃COO^–   +   Na⁺

C_M :            0,1         →          0,1    

Phương trình phản ứng thủy phân :

     CH₃COO^–+H₂O $\rightleftharpoons$CH₃COOH+ OH^–

C_M : a.0,1                  →                     a . 0,1       

Ta có: $K_b=\frac{\left[C{H}_{3}COOH\right]\left[O{H}^{-}\right]}{\left[C{H}_{3}C\text{O}{\text{O}}^{-}\right]}$             

Sử dụng công thức $K_b={\alpha }^2{C}_o$ ta có :

$\alpha =\sqrt{\frac{5,{71.10}^{-10}}{0,1}}=7,{556.10}^{-5}\Rightarrow \left[O{H}^{-}\right]=\alpha C_o=7,{556.10}^{-6}$

$\left[H^{+}\right]=\frac{{10}^{-14}}{7,{556.10}^{-6}}=1,{32.10}^{-9}M$

Dạng 4: Bài toán pha loãng dung dịch axit, bazo.

* Một số lưu ý cần nhớ

– Viết phương trình điện li – Từ dữ kiện đề bài, tính lại thể tích dung dịch lúc sau => Thể tích nước cần thêm vào để thỏa mãn đề bài

* Một số ví dụ điển hình:

Ví dụ 1: Phải thêm bao nhiêu ml dung dịch HCl 1M vào 90 ml nước để được dung dịch có pH = 1?

Hướng dẫn giải chi tiết:

pH = 1 => [H⁺] = 0,1M

Đặt thể tích dung dịch HCl 1M cần thêm vào là V (lít)

=> n_HCl = V mol

Sau khi trộn với 90 ml H₂O:

[H⁺] = C_{M HCl sau trộn} = $\frac{V}{V+0,09}$ = 0,1M

=> V = 0,01 lít = 10 ml

Ví dụ 2: Dung dịch HCl có pH=3. Hỏi phải pha loãng dung dịch HCl đó bằng nước bao nhiêu lần để được dung dịch HCl có pH = 4. Giải thích?

Hướng dẫn giải chi tiết:

Giả sử dung dịch HCl ban đầu có thể tích V₁ có pH = 3 => [H+] = 10^-3

Số mol H⁺ ban đầu là :V₁.10^-3 mol (1)

Gỉa sử thể tích H₂O cần thêm vào là V₂

Số mol H⁺ trong dung dịch pH= 4 là (V₁ + V₂ ).10^-4 (2)

Việc pha loãng dung dịch chỉ làm thay đổi nồng độ mol/l chứ không làm thay đổi số mol H+.

Vì vậy :  (V₁ + V₂ ).10^-4 = V₁.10^-3 

=> 9 V₁ = V₂

Vậy phải pha loãng dung dịch gấp 10 lần (nước thêm vào gấp 9 lần thể tích ban đầu)