Điện li: Khái niệm, phân loại, bản chất và ứng dụng. 

Điện li, hay còn gọi là ion hóa, là hiện tượng hóa học vô cùng quan trọng, đóng vai trò chủ chốt trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống. Quá trình này biến đổi các chất thành các ion âm (anion) và ion dương (cation) khi tan trong dung môi, mở ra cánh cửa khám phá những phản ứng hóa học đầy thú vị và ứng dụng rộng rãi. Hãy cùng chúng tôi khám phá qua nội dung bài viết dưới đây.

Khái niệm về điện li

Định nghĩa:

Chất điện ly (hay còn gọi là chất điện giải, chất điện phân) là những chất khi tan trong nước phân ly thành các ion, do đó dung dịch của chúng có khả năng dẫn điện.

Sự điện ly là quá trình phân ly các chất trong nước ra ion âm và ion dương (còn gọi là anion và cation).

$\mathrm{Ví} \mathrm{dụ}: \mathrm{Muối} \mathrm{ăn} \left(\mathrm{NaCl}\right) \mathrm{khi} \tan \mathrm{trong} \mathrm{nước} \mathrm{sẽ} \mathrm{phân} \mathrm{ly} \mathrm{thành} \mathrm{các} \mathrm{ion} {\mathrm{Na}}^{+} \mathrm{và} {\mathrm{Cl}}^{–}.$

Phân loại điện li

Dựa vào mức độ phân li

Điện ly mạnh: Là chất mà khi hòa tan vào nước, mọi phân tử của nó đều tách thành ion. Mức độ phân li (α) bằng 1.

• Ví dụ

  $$\begin{gathered} \mathrm{Axit} \mathrm{mạnh}: \mathrm{HCl}, {\mathrm{HNO}}_3, {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4, \mathrm{HBr}, \mathrm{HI}, {\mathrm{HClO}}_4, {\mathrm{HClO}}_3... \\ \mathrm{Bazơ} \mathrm{mạnh}: \mathrm{NaOH}, \mathrm{KOH}, \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2, \mathrm{Ba}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2... \\ \mathrm{Muối}: \mathrm{Hầu} \mathrm{hết} \mathrm{các} \mathrm{muối} (\mathrm{trừ} {\mathrm{HgCl}}_{2,} \mathrm{Hg}{\left(\mathrm{CN}\right)}_2...). \end{gathered}$$

Điện ly yếu: Là chất khi tan trong nước, chỉ một phần số phân tử hòa tan phân li ra ion, phần còn vẫn giữ nguyên dưới dạng phân tử trong dung dịch. Mức độ phân li (α) < 1.

• Ví dụ:

  $$\begin{gathered} \mathrm{Axit} \mathrm{yếu}: {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}, \mathrm{HClO}, {\mathrm{H}}_2\mathrm{S}, \mathrm{HF}, {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_3, {\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3... \\ \mathrm{Bazơ} \mathrm{yếu}: {\mathrm{NH}}_3, {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{NH}}_2, {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NH}}_2, \mathrm{Mg}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2, \mathrm{Fe}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2, \mathrm{Fe}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3. \end{gathered}$$

Dựa vào mức độ hoàn thành

Điện li hoàn toàn: Là quá trình phân li xảy ra hoàn toàn, tất cả các phân tử chất điện li đều phân li ra ion.$\mathrm{Ví} \mathrm{dụ}: \mathrm{HCl} \left(\mathrm{aq}\right) \to {\mathrm{H}}^{+} + {\mathrm{Cl}}^{–}$

Điện li không hoàn toàn: Là quá trình phân li xảy ra không hoàn toàn, chỉ một phần các phân tử chất điện li phân li ra ion, phần còn lại vẫn giữ nguyên dưới dạng phân tử trong dung dịch.

$\mathrm{Ví} \mathrm{dụ}: {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH} \left(\mathrm{aq}\right) \rightleftharpoons {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COO}}^{–} + {\mathrm{H}}^{+}$

 

Lưu ý:

• Mức độ phân li của chất điện li yếu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất chất điện ly, nồng độ dung dịch, nhiệt độ…
• Điện li hoàn toàn chỉ xảy ra đối với các chất điện ly mạnh trong dung dịch loãng.

Phân loại điện li theo thành phần ion: cation và anion

Điện li cation kim loại:

• Là loại điện ly khi tan trong nước phân li thành cation kim loại và anion gốc axit.

Ví dụ:

$$\begin{gathered} \mathrm{NaCl} \to {\mathrm{Na}}^{+} + {\mathrm{Cl}}^{–} \\ {\mathrm{CaCl}}_2 \to \mathrm{Ca}{2}^{+} + 2{\mathrm{Cl}}^{–} \\ {\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4 \to 2{\mathrm{K}}^{+} + {\mathrm{SO}}_4{}^{2–} \end{gathered}$$

Điện li anion gốc axit:

• Là loại điện ly khi tan trong nước phân li thành cation H+ và anion gốc axit.
• Ví dụ:

$$\begin{gathered} \mathrm{HCl} \to {\mathrm{H}}^{+} + {\mathrm{Cl}}^{–} \\ {\mathrm{HNO}}_3 \to {\mathrm{H}}^{+} + {\mathrm{NO}}^{3–} \\ {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 \to 2{\mathrm{H}}^{+} + {{\mathrm{SO}}_4}^{2–} \end{gathered}$$

Điện li cation NH4+ và anion gốc axit:

• Là loại điện ly khi tan trong nước phân li thành cation NH4+ và anion gốc axit.
• Ví dụ:

$$\begin{gathered} {\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl} \to \mathrm{NH}{4}^{+} + {\mathrm{Cl}}^{–} \\ {\left({\mathrm{NH}}_4\right)}_2{\mathrm{SO}}_4 \to 2{\mathrm{NH}}_4+ + {{\mathrm{SO}}_4}^{2–} \end{gathered}$$

Điện li cation kim loại và anion OH-:

• Là loại điện ly khi tan trong nước phân li thành cation kim loại và anion OH-.
• Ví dụ:

$$\begin{gathered} \mathrm{NaOH} \to {\mathrm{Na}}^{+} + {\mathrm{OH}}^{–} \\ \mathrm{KOH} \to {\mathrm{K}}^{+} + {\mathrm{OH}}^{–} \\ \mathrm{Ba}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 \to {\mathrm{Ba}}^{2+} + 2{\mathrm{OH}}^{–} \end{gathered}$$

Điện li cation kim loại và anion gốc axit và anion OH-:

• Là loại điện ly khi tan trong nước phân li thành cation kim loại, anion gốc axit và anion OH-.
• Ví dụ:

$$\begin{gathered} {\mathrm{NaHCO}}_3 \to {\mathrm{Na}}^{+} + {\mathrm{HCO}}^{3–} + {\mathrm{OH}}^{–} \\ \mathrm{Ca}\left(\mathrm{OH}\right)\mathrm{Cl} \to {\mathrm{Ca}}^{2+} + {\mathrm{OH}}^{–} + {\mathrm{Cl}}^{–} \end{gathered}$$

Lưu ý:

• Phân loại này chỉ mang tính chất tương đối, vì một số chất điện li có thể thuộc về nhiều loại khác nhau.
• Ví dụ: NaHSO4 có thể được phân loại là điện li cation kim loại và anion gốc axit hoặc điện li cation H+ và anion gốc axit.

Ví dụ minh họa

• NaCl: Khi tan trong nước, NaCl phân li thành ion Na+ và Cl-. Do đó, NaCl thuộc loại điện li cation kim loại.
• HCl: Khi tan trong nước, HCl phân li thành ion H+ và Cl-. Do đó, HCl thuộc loại điện ly anion gốc axit.
• NH4Cl: Khi tan trong nước, NH4Cl phân li thành ion NH4+ và Cl-. Do đó, NH4Cl thuộc loại điện li cation NH4+ và anion gốc axit.
• NaOH: Khi tan trong nước, NaOH phân li thành ion Na+ và OH-. Do đó, NaOH thuộc loại điện li cation kim loại và anion OH-.
• NaHCO3: Khi tan trong nước, NaHCO3 phân li thành ion Na+, HCO3- và OH-. Do đó, NaHCO3 thuộc loại điện ly cation kim loại và anion gốc axit và anion OH-.

Ví dụ minh họa

1. Điện li mạnh:

• HCl (aq) → H+ + Cl-: Đây là phương trình điện li hoàn toàn của axit mạnh HCl. Khi tan trong nước, tất cả các phân tử HCl đều phân li ra ion H+ và Cl-.
• NaOH (aq) → Na+ + OH-: Đây là phương trình điện li hoàn toàn của bazơ mạnh NaOH. Khi tan trong nước, tất cả các phân tử NaOH đều phân li ra ion Na+ và OH-.

2. Điện li yếu:

• CH3COOH (aq) ⇌ CH3COO- + H+: Đây là phương trình điện li không hoàn toàn của axit yếu CH3COOH. Khi tan trong nước, chỉ một phần các phân tử CH3COOH phân li ra ion CH3COO- và H+, phần còn lại vẫn tồn tại dưới dạng phân tử trong dung dịch.
• NH3 (aq) ⇌ NH4+ + OH-: Đây là phương trình điện li không hoàn toàn của bazơ yếu NH3. Khi tan trong nước, chỉ một phần các phân tử NH3 phân li ra ion NH4+ và OH-, phần còn lại vẫn tồn tại dưới dạng phân tử trong dung dịch.

Loại điện li	Ví dụ	Phương trình điện li	Mức độ phân li (α)
Điện ly mạnh	HCl	HCl → H+ + Cl-	α = 1
Điện li mạnh	NaOH	NaOH → Na+ + OH-	α = 1
Điện li mạnh	Na2SO4	Na2SO4 → 2Na+ + SO42-	α = 1
Điện li yếu	CH3COOH	CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO-	α < 1
Điện li yếu	NH3	NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH-	α < 1
Điện li không hoàn toàn	H3PO4	H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4-	α < 1

Bản chất của sự điện li

Giải thích bản chất của sự điện li theo thuyết Arrhenius

Theo thuyết Arrhenius, khi tan trong nước hoặc khi nóng chảy, các chất điện ly phân li thành các ion. Các ion này có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành hạt mang điện.

Ví dụ:

• Khi tan trong nước, NaCl phân li thành các ion Na+ và Cl-.
• Khi nóng chảy, CaCl2 phân li thành các ion Ca2+ và 2Cl-.

Cơ chế:

• Khi tan trong nước, các phân tử nước (H2O) có lưỡng cực sẽ hút các ion dương (cation) và đẩy các ion âm (anion) của chất điện ly. Lực hút và đẩy này đủ mạnh để phá vỡ liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử chất điện ly, tạo thành các ion.
• Các ion này có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành hạt mang điện.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ điện li của chất

1. Bản chất của chất điện ly:

• Axit mạnh, bazơ mạnh và muối tan trong nước đều điện li mạnh.
• Axit yếu, bazơ yếu và một số muối điện li yếu.

2. Nồng độ dung dịch:

• Nồng độ dung dịch càng loãng, độ điện li càng cao.
• Ví dụ: Khi pha loãng dung dịch NaCl, số lượng ion Na+ và Cl- trong dung dịch tăng lên, dẫn đến độ điện li của NaCl tăng lên.

3. Nhiệt độ:

• Nhiệt độ tăng, độ điện li càng cao.
• Ví dụ: Khi đun nóng dung dịch NaCl, động năng của các phân tử NaCl tăng lên, dẫn đến liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử NaCl dễ bị phá vỡ hơn, tạo thành nhiều ion hơn, từ đó độ điện li của NaCl tăng lên.

4. Môi trường dung dịch:

• Môi trường axit làm tăng độ điện li của các axit yếu.
• Môi trường bazơ làm tăng độ điện li của các bazơ yếu.

Giải thích hiện tượng thủy phân của muối

Thủy phân muối là quá trình phản ứng hóa học giữa muối với nước, tạo ra axit, bazơ hoặc cả hai.

Ví dụ:

• Na2CO3 + H2O ⇌ 2NaOH + H2CO3 (thủy phân tạo bazơ)
• NH4Cl + H2O ⇌ NH4OH + HCl (thủy phân tạo axit)

Cơ chế:

• Khi tan trong nước, các ion của muối có thể phản ứng với các ion H+ và OH- của nước, tạo ra axit, bazơ hoặc cả hai.
• Ví dụ: Khi Na2CO3 tan trong nước, ion Na+ không phản ứng với nước, nhưng ion CO32- có thể phản ứng với ion H+ của nước, tạo ra axit H2CO3 và giải phóng ion OH-.

Mức độ thủy phân của muối phụ thuộc vào:

• Bản chất của muối: Muối tạo thành từ axit mạnh và bazơ mạnh ít bị thủy phân. Muối tạo thành từ axit yếu hoặc bazơ yếu bị thủy phân nhiều hơn.
• Nồng độ dung dịch: Nồng độ dung dịch càng loãng, muối càng bị thủy phân nhiều hơn.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ tăng, muối càng bị thủy phân nhiều hơn.
• Môi trường dung dịch: Môi trường axit làm giảm độ thủy phân của muối. Môi trường bazơ làm tăng độ thủy phân của muối.

Ứng dụng của điện li

Sản xuất hóa chất

• Sản xuất axit, bazơ và muối: Điện li là phương pháp chính để sản xuất các hóa chất quan trọng như axit sulfuric (H2SO4), axit nitric (HNO3), axit clohidric (HCl), natri hydroxide (NaOH), kali hydroxide (KOH), natri clorua (NaCl), canxi clorua (CaCl2)…
• Điện phân kim loại: Điện phân là quá trình sử dụng dòng điện để tách kim loại ra khỏi dung dịch muối của nó. Ví dụ, điện phân dung dịch muối NaCl có thể sản xuất ra kim loại natri (Na) và khí clo (Cl2).
• Luyện kim: Điện ly được sử dụng trong quá trình luyện kim để tinh chế kim loại và tạo ra các hợp kim. Ví dụ, điện phân dung dịch nhôm clorua (AlCl3) có thể sản xuất ra kim loại nhôm (Al).

Y học

• Dung dịch điện giải: Dung dịch điện giải là dung dịch chứa các chất điện ly hòa tan, có vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng nước và điện giải trong cơ thể. Dung dịch điện giải được sử dụng trong y tế để điều trị mất nước, rối loạn điện giải, và hỗ trợ phục hồi sau phẫu thuật.
• Thuốc: Nhiều loại thuốc được bào chế dưới dạng dung dịch điện ly hoặc dạng muối. Ví dụ, thuốc kháng sinh penicillin và thuốc giảm đau aspirin là những ví dụ về muối.
• Chẩn đoán bệnh: Điện ly được sử dụng trong một số phương pháp chẩn đoán bệnh, ví dụ như điện tâm đồ (ECG) và xét nghiệm máu.

Nông nghiệp

• Phân bón: Phân bón hóa học là những hợp chất có chứa các chất điện li cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Ví dụ, phân bón urê (CO(NH2)2) và phân bón superphosphate (Ca(H2PO4)2) là những ví dụ về phân bón hóa học.
• Thuốc trừ sâu: Một số loại thuốc trừ sâu là những hợp chất có chứa các chất điện li. Ví dụ, thuốc trừ sâu chlorpyrifos (C9H11Cl3N2O3PS) là một hợp chất có chứa ion Cl-.
• Điều chỉnh độ pH của đất: Điện li có thể được sử dụng để điều chỉnh độ pH của đất, giúp tạo môi trường thích hợp cho cây trồng phát triển.

Công nghệ thực phẩm

• Bảo quản thực phẩm: Một số chất điện li được sử dụng để bảo quản thực phẩm bằng cách ức chế sự phát triển của vi sinh vật. Ví dụ, muối natri benzoat (C7H5NaO2) được sử dụng để bảo quản thực phẩm đóng hộp.
• Chế biến thực phẩm: Điện li được sử dụng trong nhiều quá trình chế biến thực phẩm, ví dụ như lên men, làm bánh mì, và sản xuất nước giải khát.
• Cải thiện hương vị và chất lượng thực phẩm: Một số chất điện ly được sử dụng để cải thiện hương vị và chất lượng thực phẩm. Ví dụ, axit citric (C6H8O7) được sử dụng để tạo vị chua cho nước giải khát và kẹo.

Môi trường

• Xử lý nước thải: Điện li được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải để loại bỏ các chất ô nhiễm. Ví dụ, phương pháp điện phân có thể được sử dụng để khử trùng nước thải.
• Giảm thiểu ô nhiễm không khí: Điện li được sử dụng trong một số thiết bị kiểm soát khí thải để loại bỏ các chất ô nhiễm ra khỏi khói thải công nghiệp.
• Nghiên cứu khoa học: Điện li được sử dụng trong nhiều nghiên cứu khoa học, ví dụ như nghiên cứu về biến đổi khí hậu, năng lượng tái tạo, và vật liệu mới.