Bài 2: Cân bằng trong dung dịch nước

1. Kiến thức trọng tâm

Nước là chất điện li rất yếu, phân li theo phương trình $H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$. Tích số ion của nước ở $25^\circ C$ là $K_w = [H^+][OH^-] = 10^{-14}$. Trong dung dịch trung tính, $[H^+] = [OH^-] = 10^{-7}$ mol/L. Dung dịch acid có [H^+] > 10^{-7} mol/L, dung dịch base có [H^+] < 10^{-7} mol/L.

Độ pH được định nghĩa là $pH = -\log[H^+]$, và $pOH = -\log[OH^-]$. Ở $25^\circ C$, ta có $pH + pOH = 14$. Thang pH chạy từ 0 đến 14: pH nhỏ hơn 7 là môi trường acid, pH bằng 7 là trung tính, pH lớn hơn 7 là môi trường base.

Acid yếu và base yếu trong dung dịch phân li không hoàn toàn và thiết lập cân bằng. Hằng số phân li acid $K_a$ càng lớn thì acid càng mạnh. Tương tự, hằng số phân li base $K_b$ càng lớn thì base càng mạnh. Muối tạo bởi acid yếu và base mạnh khi tan trong nước bị thuỷ phân cho môi trường base; muối tạo bởi acid mạnh và base yếu bị thuỷ phân cho môi trường acid.

Dung dịch đệm là dung dịch có khả năng chống lại sự thay đổi pH khi thêm một lượng nhỏ acid hay base. Dung dịch đệm thường gồm một acid yếu và muối của nó, hoặc một base yếu và muối của nó, ví dụ hệ đệm $CH_3COOH/CH_3COONa$.

2. Ví dụ minh họa

Tính pH của dung dịch $HCl$ $0,01$ M. $HCl$ là acid mạnh, phân li hoàn toàn nên $[H^+] = 0,01$ mol/L. Do đó $pH = -\log(0,01) = 2$. Dung dịch có môi trường acid mạnh.

Tính pH của dung dịch $NaOH$ $0,01$ M. $NaOH$ là base mạnh, phân li hoàn toàn nên $[OH^-] = 0,01$ mol/L, suy ra $pOH = 2$ và $pH = 14 - 2 = 12$. Dung dịch có môi trường base mạnh. Nếu pha loãng dung dịch $HCl$ trên 10 lần, $[H^+]$ giảm còn $0,001$ mol/L và pH tăng lên 3.

3. Ghi nhớ

$K_w = 10^{-14}$ ở $25^\circ C$; $pH = -\log[H^+]$, $pH + pOH = 14$. Acid mạnh phân li hoàn toàn, acid yếu phân li một phần theo cân bằng. Muối của acid yếu hay base yếu bị thuỷ phân làm thay đổi pH. Dung dịch đệm giữ pH gần như không đổi khi thêm ít acid hay base.