Giáo trình Điện Hóa Học chương 2: Tương tác Ion - Lưỡng cực dung môi trong các dung dịch điện ly

Thuyết điện li Arrhenius có ngụ ý là sự tạo thành các ion trong dung dịch chỉ xảy ra khi các phân tử trung hoà của chất tan bị phân huỷ. Song thực tế các ion tồn tại ngay cả trước khi hoà tan. Người ta chia chất điện phân ra làm hai loại: Chất điện phân thật là chất điện phân ở trạng thái phân tử tồn tại liên kết ion như NaCl, KCL.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Điện Hóa Học chương 2: Tương tác Ion - Lưỡng cực dung môi trong các dung dịch điện ly Ch−¬ng Ch−¬ng 2 T−¬ng l−ìng T−¬ng t¸c ion - l−ìng cùc dung m«i trong c¸c dung dÞch ®iÖn ly2.1.2.1. Nguyªn nh©n cña sù ®iÖn li vµ t−¬ng t¸c ion - l−ìng cùc dung m«i ThuyÕt ®iÖn li Arrhenius cã ngô ý lµ sù t¹o thµnh c¸c ion trong dung dÞch chØx¶y ra khi c¸c ph©n tö trung hoµ cña chÊt tan bÞ ph©n huû. Song thùc tÕ c¸c ion tån t¹ingay c¶ tr−íc khi hoµ tan. Ng−êi ta chia chÊt ®iÖn ph©n ra lµm hai lo¹i: - ChÊt ®iÖn ph©n thËt lµ chÊt ®iÖn ph©n ë tr¹ng th¸i ph©n tö tån t¹i liªn kÕt ion. VÝ dô: NaCl, KCl .. . - ChÊt ®iÖn ph©n tiÒm n¨ng lµ chÊt ®iÖn ph©n ë tr¹ng th¸i ph©n tö ch−a tån t¹i ion. VÝ dô: HCl ... §èi víi chÊt ®iÖn ph©n thËt th× qu¸ tr×nh ®iÖn li bao gåm: - Ph¸ huû m¹ng l−íi tinh thÓ do t−¬ng t¸c cña c¸c ion trong m¹ng l−íi tinh thÓvíi c¸c dipol (l−ìng cùc) cña dung m«i. - Qu¸ tr×nh solvat ho¸ ion t¹o thµnh bëi c¸c ph©n tö dung m«i. §èi víi chÊt ®iÖn ph©n tiÒm n¨ng th× qu¸ tr×nh ®iÖn li bao gåm: - T−¬ng t¸c ho¸ häc gi÷a ph©n tö víi dung m«i ®Ó bÎ g·y liªn kÕt ph©n tö t¹oion. - Qu¸ tr×nh solvat ho¸ ion. VÝ dô: khi hoµ tan khÝ HCl vµo n−íc t¹o thµnh chÊt ®iÖn li m¹nh, axit clohidric.Song sù thËt ë ®©y kh«ng ph¶i lµ sù ph©n li ph©n tö HCl mµ lµ sù t−¬ng t¸c ho¸ häc cñachóng víi c¸c ph©n tö n−íc. HCl + H2O → H3O+ + Cl- ë ®©y proton chuyÓn tõ ph©n tö HCl ®Õn ph©n tö H2O t¹o thµnh ion hydroxoni.Ngoµi ra, c¸c ion H3O+ vµ Cl- ®−îc t¹o thµnh ®· tham gia vµo t−¬ng t¸c ion - dipol víic¸c ph©n tö H2O d−. V× vËy, khi t¹o thµnh dung dÞch axit clohidric, n¨ng l−îng cÇnthiÕt ®Ó bÎ g·y liªn kÕt ho¸ häc H - Cl (kho¶ng 432kJ/mol), ®−îc bï trõ bëi n¨ng l−îngliªn kÕt cña proton (H+) víi ph©n tö n−íc trong ion H3O+ vµ n¨ng l−îng hydrat ho¸ cñac¸c ion H3O+, Cl-. §©y lµ hai c¬ chÕ c¬ b¶n t¹o thµnh c¸c dung dÞch ®iÖn ly.2.2. N¨ng l−îng m¹ng l−íi tinh thÓ §Ó chøng minh qu¸ tr×nh h×nh thµnh dung dÞch chÊt ®iÖn ly theo c¬ chÕ trªn ®èivíi chÊt ®iÖn ph©n thËt, ta cÇn so s¸nh n¨ng l−îng cÇn thiÕt ®Ó ph¸ vì m¹ng l−íi tinhthÓ t¹o ra ion víi n¨ng l−îng solvat hãa c¸c ion bëi c¸c ph©n tö dung m«i. 10 N¨ng l−îng m¹ng l−íi tinh thÓ lµ c«ng cÇn tiªu tèn ®Ó ph¸ vì m¹ng l−íi. N¨ngl−îng m¹ng l−íi tinh thÓ ®−îc tÝnh cho 1 mol chÊt nghiªn cøu. §Ó tÝnh n¨ng l−îng nµy,ng−êi ta dïng m« h×nh cña M. Born. XÐt hîp chÊt ion ®−îc t¹o bëi 2 ion tÝch ®iÖn tr¸i dÊu cã ®iÖn tÝch tuyÖt ®èi lµZ1e vµ Z2e, vµ n»m c¸ch nhau mét kho¶ng r. Lùc t−¬ng t¸c tÝnh ®iÖn cña hai ion nµy®−îc x¸c ®Þnh theo ®Þnh luËt Coulomb lµ: Z1Z 2 eo 2 Fc = (2.1) 4πε o r 2 ë ®©y εo lµ ®é thÈm ®iÖn m«i trong m«i tr−êng ch©n kh«ng. §å thÞ biÓu diÔn n¨ng l−îng t−¬ng t¸c cña hai ion tr×nh bµy ë h×nh 2.1. Fd FC U U r ro H×nh 2.1: §å thÞ biÓu diÔn n¨ng l−îng t−¬ng t¸c gi÷a hai ion H×nh Cã thÓ gi¶ thiÕt r»ng ion thø nhÊt ®−îc g¾n ë vÞ trÝ r = 0 vµ lùc Fc t¸c dông lªnion thø hai theo h−íng cña ion thø nhÊt (h×nh 2.1). Do h−íng cña lùc nµy trïng víih−íng cña trôc r cho nªn Fc < 0. §ång thêi lùc ®Èy F® t¸c dông lªn c¸c ion, lùc nµy dot−¬ng t¸c cña c¸c líp vá electron quyÕt ®Þnh vµ kh«ng cho phÐp c¸c ion tiÕn l¹i gÇnnhau ë mét kho¶ng c¸ch bÊt kú ®−îc. Gi¶ thiÕt r»ng lùc F® còng ®Æt lªn ion thø hai (h×nh 2.1). Do h−íng cña lùc nµytrïng víi h−íng cña trôc r cho nªn F® > 0. Lùc ®Èy cã thÓ biÓu diÔn d−íi d¹ng: B Fd = (2.2) r n+1 Trong ®ã B vµ n lµ c¸c h»ng sè, n > 1. VËy lùc t−¬ng t¸c tæng céng cña c¸c ion lµ: 11 Z1Z 2eo 2 B F = Fc + Fd = + n+1 (2.3) 4πε o r 2 r Theo ®Þnh nghÜa F = -dU/dr, víi U lµ thÕ n¨ng cña hÖ. V× vËy khi tÝch ph©n ®¹il−îng F tõ kho¶ng c¸ch c©n b»ng (ro) gi÷a c¸c ion trong m¹ng l−íi tinh thÓ ®Õn r = ∞ ta ...