Điện li lớp 11 nâng cao

Đoạn văn bản mở đầu bằng việc khẳng định phân tử H₂O có cực do sự phân bố điện tích không đồng đều giữa nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro. Điều này được minh họa bằng hình 1.2, thể hiện cấu tạo và mô hình đặc trưng của phân tử nước. Tính chất cực này là cơ sở quan trọng giải thích nhiều tính chất vật lý và hóa học đặc biệt của nước, như khả năng hòa tan các chất và vai trò làm dung môi trong các phản ứng hóa học. Sự phân bố điện tích không đều này dẫn đến các liên kết hydro giữa các phân tử nước, góp phần tạo nên các tính chất đặc biệt như nhiệt dung riêng cao, điểm sôi cao, và mật độ bất thường.

Phần này tập trung vào quá trình điện li của NaCl, một hợp chất ion điển hình, trong nước. NaCl gồm các cation Na⁺ và anion Cl⁻ liên kết với nhau bằng lực tĩnh điện. Khi cho tinh thể NaCl vào nước, các ion Na⁺ và Cl⁻ trên bề mặt tinh thể bị hút bởi các phân tử nước có cực (cation hút đầu âm, anion hút đầu dương). Quá trình này được thúc đẩy bởi sự tương tác giữa các phân tử nước cực và các ion, kết hợp với chuyển động hỗn loạn không ngừng của các phân tử nước. Sự hòa tan và điện li của NaCl trong nước là một ví dụ điển hình minh họa cho ảnh hưởng của tính cực của nước đến khả năng hòa tan các chất ion.

Văn bản định nghĩa chất điện li yếu là chất khi tan trong nước chỉ có một phần nhỏ phân tử hòa tan phân li ra ion, phần còn lại vẫn tồn tại dưới dạng phân tử trong dung dịch. Độ điện li (α) của chất điện li yếu nằm trong khoảng 0 < α < 1. Các ví dụ về chất điện li yếu bao gồm các axit yếu như CH₃COOH, HClO, H₂S, HF, H₂SO₃, H₂CO₃,... và các bazơ yếu như Bi(OH)₃, Mg(OH)₂,... Trong phương trình điện li của chất điện li yếu, người ta sử dụng hai mũi tên ngược chiều nhau để thể hiện sự cân bằng giữa dạng phân tử và dạng ion. Hiểu biết về chất điện li yếu là nền tảng để giải thích nhiều hiện tượng hóa học trong dung dịch.

Giá trị pH có ý nghĩa to lớn trong thực tiễn. Ví dụ, pH của máu người và động vật có giá trị gần như không đổi. Thực vật chỉ có thể sinh trưởng bình thường khi giá trị pH của dung dịch trong đất nằm trong khoảng xác định đặc trưng cho mỗi loại cây. Tốc độ ăn mòn kim loại trong nước tự nhiên phụ thuộc rất nhiều vào pH của nước mà kim loại tiếp xúc. Sự hiểu biết về pH giúp giải thích và dự đoán nhiều hiện tượng xảy ra trong tự nhiên và trong các quá trình công nghiệp, cũng như trong sinh học.

Một ví dụ thực tiễn về phản ứng hóa học được trình bày là việc xác định sự có mặt của ion sunfit (SO₃²⁻) trong rau quả được bảo quản bằng khí SO₂. Phương pháp thực nghiệm bao gồm ngâm một ít quả đậu trong nước, lọc lấy dung dịch, sau đó cho tác dụng với dung dịch H₂O₂ (chất oxy hóa), và cuối cùng là tác dụng với dung dịch BaCl₂. Các phản ứng xảy ra được biểu diễn bằng phương trình ion rút gọn. Đây là một ví dụ về phân tích định tính, nhằm xác định sự hiện diện của một chất cụ thể trong một mẫu. Việc viết phương trình ion rút gọn giúp làm rõ bản chất của phản ứng hóa học diễn ra.

Một bài toán khác liên quan đến việc sử dụng các phản ứng hóa học để phân biệt các chất thường dùng trong nội trợ như muối ăn, giấm, bột nở (NH₄HCO₃), phèn chua (KAl(SO₄)₂.12H₂O), và muối iốt (NaCl + KI). Đây là một ứng dụng thực tiễn của kiến thức phản ứng hóa học, đòi hỏi người giải phải hiểu rõ tính chất hóa học của từng chất và lựa chọn các thuốc thử phù hợp để tạo ra những phản ứng đặc trưng, dễ nhận biết. Việc viết phương trình ion rút gọn cho phép tóm tắt quá trình phản ứng một cách rõ ràng và hiệu quả, giúp dễ dàng hiểu được bản chất của quá trình.

Một bài toán phân tích định lượng được đưa ra, liên quan đến việc xác định công thức của một muối kim loại hóa trị II, MCO₃. Phương pháp thực nghiệm bao gồm hòa tan hoàn toàn một lượng muối trong dung dịch HCl, sau đó trung hòa lượng HCl dư bằng dung dịch NaOH. Từ dữ liệu về khối lượng muối, thể tích và nồng độ của HCl và NaOH, ta có thể tính toán được số mol của MCO₃ và từ đó suy ra khối lượng mol của M và xác định được công thức của muối. Đây là một minh họa cho phương pháp phân tích định lượng, đòi hỏi sự chính xác cao trong các phép đo và tính toán.

Hai ví dụ khác về phân tích được đề cập, một liên quan đến việc xác định hàm lượng phần trăm của C, H, O, N trong một hợp chất hữu cơ A bằng phương pháp đốt cháy hoàn toàn và hấp thụ sản phẩm. Khối lượng tăng thêm của bình H₂SO₄ đặc và bình KOH cho biết lượng H và C tương ứng. Lượng nitơ được xác định bằng phản ứng với CuO. Ví dụ thứ hai liên quan đến việc xác định công thức cấu tạo của một hợp chất hữu cơ A dựa trên dữ liệu về sản phẩm cháy (CO₂, H₂O), tỷ khối hơi và phản ứng clo hóa. Những ví dụ này minh họa cho sự kết hợp giữa phân tích định tính và định lượng để xác định thành phần và cấu trúc của các chất hữu cơ.

Cuối cùng, phần này đề cập đến phương pháp hiện đại xác định phân tử khối sử dụng máy phổ khối lượng. Phương pháp này chỉ cần một lượng mẫu rất nhỏ (<1mg) và cho độ chính xác cao (tới 0,0001). Nhờ đó, công thức phân tử có thể được suy ra mà không cần phân tích định lượng nguyên tố. Điều này thể hiện sự tiến bộ của công nghệ trong phân tích hóa học, giúp cho quá trình xác định thành phần và cấu trúc của các chất trở nên nhanh chóng và chính xác hơn.

Văn bản đề cập đến phân đạm, một loại phân bón cung cấp nguyên tố nitơ cần thiết cho sự phát triển của cây trồng. Nitơ được cây hấp thụ chủ yếu dưới dạng muối nitrat (NO₃⁻) và muối amoni (NH₄⁺), chuyển hóa thành protein thực vật. Chu trình nitơ trong tự nhiên được mô tả ngắn gọn, bao gồm quá trình cây xanh đồng hóa nitơ, động vật đồng hóa protein thực vật, và sự phân hủy các chất hữu cơ chứa nitơ nhờ vi khuẩn trong đất. Một phần các hợp chất này chuyển hóa thành amoniac, rồi thành muối nitrat, phần còn lại thoát ra dưới dạng nitơ tự do bay vào khí quyển. Việc đốt cháy các chất hữu cơ cũng giải phóng nitơ tự do. Sự bổ sung nitơ vào đất thông qua quá trình phóng điện do sấm sét cũng được đề cập, tạo ra HNO₃ và sau đó chuyển thành muối nitrat khi kết hợp với muối cacbonat trong đất. Ví dụ về phân đạm amoni sunfat và phản ứng của nó với NaOH được nêu ra, tạo khí amoniac làm xanh giấy quỳ tím ẩm.

Phần này tập trung vào phân lân, loại phân bón cung cấp nguyên tố photpho. Viện sĩ A.E. Fecman gọi photpho là "nguyên tố của sự sống và tư duy", nhấn mạnh tầm quan trọng của photpho đối với hoạt động sống, đặc biệt là hoạt động trí não. Thiếu photpho dẫn đến giảm khả năng làm việc, rối loạn thần kinh và rối loạn chuyển hóa. Nguồn cung cấp photpho cho cơ thể có thể từ thực vật (xà lách, đậu, cà rốt,…) và động vật (thịt nạc, cá, trứng, sữa,…). Trong văn bản, phân lân nung chảy được đề cập, được sản xuất tại Văn Điển (Hà Nội) và một số địa phương khác. Thành phần chính của phân lân nung chảy là hỗn hợp photphat và silicat của canxi và magie (chứa 12-14% P₂O₅). Do các muối này không tan trong nước nên chỉ thích hợp cho đất chua. Quá trình sản xuất phân lân nung chảy ở nhiệt độ trên 1000°C trong lò đứng, làm nguội nhanh bằng nước, sấy khô và nghiền thành bột cũng được mô tả.

Phần cuối cùng đề cập đến phân kali, cung cấp nguyên tố kali cho cây trồng dưới dạng ion K⁺. Phân kali giúp cây hấp thụ được nhiều đạm hơn, cần cho việc tạo ra chất đường, chất bột, chất xơ và chất dầu, tăng cường sức chống bệnh, chống rét và chịu hạn của cây. Độ dinh dưỡng của phân kali được đánh giá bằng hàm lượng % K₂O tương ứng với lượng kali có trong thành phần của nó. Không có chi tiết cụ thể hơn về phương pháp sản xuất hay thành phần cụ thể của phân kali trong đoạn văn bản này.

Silicon là nguyên tố phổ biến thứ hai trên Trái Đất, chiếm gần 29,5% khối lượng vỏ Trái Đất. Tuy nhiên, trong tự nhiên, silicon chỉ gặp ở dạng các hợp chất, chủ yếu là cát (SiO₂), các khoáng vật silicat và aluminosilicat như cao lanh (Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O), xecpentin (3MgO.2SiO₂.2H₂O), fenspat (Na₂O.Al₂O₃.6SiO₂),... Silicon cũng có trong cơ thể động, thực vật với lượng nhỏ và có vai trò đáng kể trong hoạt động sống của thế giới hữu sinh. Sự hiện diện của silicon trong các khoáng vật khác nhau phản ánh vai trò quan trọng của nó trong cấu tạo địa chất của Trái Đất và sự đa dạng về thành phần hóa học của các loại đá và khoáng sản.

Silicon rất cần thiết cho thực vật, động vật và con người. Thực vật sử dụng silicon để tạo các mô thực bì, làm cho thành tế bào cứng hơn và bền hơn, chống được sự phá hủy của côn trùng và sự xâm nhập của nấm mốc. Silicon có trong hầu hết tế bào của động vật và người, đặc biệt ở tuyến tụy, gan, lông, tóc, xương, răng, sơn rất giàu silicon. Lượng silicon trong xương, răng và sơn của bệnh nhân lao giảm đáng kể so với người khỏe mạnh. Ở những người bị bệnh eczema, hàm lượng silicon trong máu giảm rất rõ rệt, còn khi bị bệnh đại tràng thì ngược lại, hàm lượng silicon trong máu tăng lên. Những thông tin này cho thấy silicon đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và chức năng của nhiều mô và cơ quan trong cơ thể sống.

Gốm sứ là vật liệu cứng, xốp, có màu trắng, giòn. Nguyên liệu để sản xuất gốm sứ gồm cao lanh, fenspat, thạch anh và một số oxit kim loại. Đồ gốm được nung hai lần, lần đầu ở 1000°C, sau đó tráng men và trang trí, rồi nung lần thứ hai ở nhiệt độ cao hơn, khoảng 1400-1450°C. Gốm có nhiều loại: gốm dân dụng và gốm kỹ thuật. Gốm kỹ thuật được dùng để chế tạo các vật liệu cách điện, tụ điện, bugi đánh lửa, các dụng cụ thí nghiệm. Sợi thủy tinh được sản xuất từ nguyên liệu dễ kiếm, rẻ tiền, quy trình sản xuất khá đơn giản, nên hiện nay được dùng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau: sản xuất chất dẻo thủy tinh; làm vật liệu lọc; chế tạo vật liệu cách điện; may áo bảo hộ lao động chống cháy, chống axit; lát cách nhiệt cho các cột chưng cất, làm vật liệu kết cấu trong chế tạo máy, xây dựng, chế tạo sợi quang… Việc kéo sợi thủy tinh nóng chảy qua thiết bị có nhiều lỗ nhỏ tạo ra sợi thủy tinh có đường kính từ 2 đến 10 µm. Bong thủy tinh được tạo ra bằng phương pháp ly tâm hoặc thổi không khí nén vào dòng thủy tinh nóng chảy. Sợi thủy tinh không giòn và rất dai, có độ chịu nhiệt, độ bền hóa học và độ cách điện cao, độ dẫn nhiệt thấp. Cuối cùng, một phản ứng nung hỗn hợp cát trắng và than cốc ở 3500°C tạo ra hợp chất chứa khoảng 70% Si và 30% C (một trong các sản phẩm là CO) cũng được đề cập.

Văn bản nhắc đến sự phát triển của khái niệm hợp chất hữu cơ, từ quan niệm ban đầu chỉ các chất được tạo ra từ cơ thể sinh vật đến sự tổng hợp các hợp chất này trong phòng thí nghiệm. Hiệp hội Hóa học Thuần túy và Ứng dụng Quốc tế (IUPAC) đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng và hoàn thiện danh pháp thống nhất cho các hợp chất hữu cơ. Danh pháp IUPAC, được xây dựng từ những năm 1947-1957 và liên tục được bổ sung, giúp các nhà hóa học trên toàn thế giới có một ngôn ngữ chung để đặt tên các hợp chất và khái niệm hóa học. Ví dụ, nhóm chức của anken là C=C, của ankin là C≡C được đề cập để minh họa cho hệ thống danh pháp này. Sự thống nhất trong danh pháp là cần thiết cho việc giao tiếp và chia sẻ kiến thức trong cộng đồng khoa học.

Phần này đề cập đến phương pháp phân tích định tính và định lượng nguyên tố trong các hợp chất hữu cơ. Phân tích định tính có thể tiến hành ở các phòng thí nghiệm bình thường, trong khi phân tích định lượng đòi hỏi các phòng thí nghiệm chuyên biệt với thiết bị đo đạc chính xác. Lượng mẫu cần cho phân tích nguyên tố thường chỉ khoảng 10-15mg. Độ chính xác của cân phân tích được nhấn mạnh, có thể cân chính xác khối lượng từng hạt tấm, hạt cảm. Để đo thể tích, người ta dùng các dụng cụ chính xác tới phần ngàn ml. Hai ví dụ minh họa cho việc xác định thành phần phần trăm của các nguyên tố trong hợp chất hữu cơ A (chứa C, H, N, O) được trình bày, dựa trên dữ liệu thu được từ quá trình đốt cháy hoàn toàn và hấp thụ sản phẩm. Một ví dụ khác liên quan đến việc xác định công thức cấu tạo của hợp chất A dựa trên sản phẩm cháy, tỷ khối hơi và phản ứng clo hóa.

Đặc tính chung của gốc tự do (R•) và cacbocation (R⁺) được mô tả: chúng rất không bền, thời gian tồn tại rất ngắn và khả năng phản ứng cao. Chúng được sinh ra trong hỗn hợp phản ứng và chuyển hóa ngay thành các phân tử bền hơn, nên được gọi là các tiểu phân trung gian. Người ta chỉ nhận ra chúng nhờ các phương pháp vật lý như các phương pháp phổ, mà thường không tách biệt và cô lập được chúng. Vai trò của xúc tác trong việc làm tăng tốc độ phản ứng được đề cập. Xúc tác tương tác với chất đầu tạo ra tiểu phân trung gian có khả năng phản ứng cao, làm cho phản ứng xảy ra theo một con đường khác dễ hơn, nhanh hơn so với con đường không có xúc tác. Trong cơ thể sống, các xúc tác sinh học (enzim) làm tăng tốc độ phản ứng lên từ 10¹⁰ đến 10¹² lần so với phản ứng không được xúc tác, giải thích tại sao các phản ứng hóa học phức tạp vẫn có thể diễn ra ở điều kiện nhiệt độ, áp suất và pH bình thường của cơ thể.

Phần này thảo luận về polixicloankan, nhiều chất có cấu trúc giống như các khối đa diện, ví dụ adamantane tách được từ dầu mỏ. Tính bền của polixicloankan đa diện phụ thuộc vào số cạnh của các vòng: các vòng 3, 4 cạnh rất kém bền, vòng 5, 6 cạnh bền hơn nhiều. Các ví dụ như tetrahedrane (C₄H₄), prismane (C₆H₆), và cubane (C₈H₈) được đề cập, cho thấy sự khác biệt về độ bền. Tecpen được giới thiệu là những hợp chất hữu cơ thiên nhiên quan trọng, có thể có cấu tạo mạch hở hay mạch vòng, nhưng đều được cấu tạo từ các đơn vị isopren kết hợp theo kiểu “đầu nối với đuôi”. Ví dụ về oximen và limonen được nhắc đến (công thức không được cung cấp trong đoạn trích dẫn). Tecpen có nhiều trong tinh dầu thực vật, đóng vai trò trong mùi thơm của hoa hồng và nhiều loại hoa khác. Tetratecpen chứa nhiều liên kết đôi C=C liên hợp tạo nên màu đỏ của cà chua, cà rốt, quả gấc. Retinen, dẫn xuất của vitamin A, đóng vai trò quan trọng trong hóa học của thị giác.

Benzen được giới thiệu là một trong những nguyên liệu quan trọng nhất của công nghiệp hóa hữu cơ. Nó được dùng nhiều nhất để tổng hợp các monome trong sản xuất polime làm chất dẻo, cao su, tơ sợi (ví dụ polistiren, cao su buna-stiren, tơ capron). Từ benzen, người ta điều chế ra nitrobenzen, anilin, phenol dùng để tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm, thuốc trừ dịch hại,... Sự so sánh giữa việc sử dụng axetilen và etilen trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ được đề cập, với etilen trở thành nguyên liệu phổ biến hơn do công nghệ khai thác và chế biến dầu mỏ phát triển. Việc điều chế các hợp chất hữu cơ cơ bản và monome từ etilen hoặc các hydrocarbon thu được khi cracking dầu mỏ được coi là phương pháp kinh tế và ít ảnh hưởng đến môi trường hơn. Ví dụ, vinyl clorua và vinyl axetat được điều chế theo các sơ đồ mà chất thải ra môi trường chỉ là nước.

Trước những năm 50 của thế kỷ XX, công nghiệp tổng hợp hữu cơ dựa trên nguyên liệu chính là axetilen. Từ axetilen, người ta điều chế được nhiều chất quan trọng như axetanđehit (cộng nước), vinyl clorua (cộng HCl), vinylaxetilen (đime hóa) rồi butadien và cloropren, acrilonitrin (cộng HCN), vinyl axetat (cộng CH₃COOH), ankyl vinyl ete (cộng ancol),... Các chất này được sử dụng để sản xuất nhiều sản phẩm khác nhau. Sự điều chế vinyl clorua từ axetilen được đề cập cụ thể, minh họa cho quy trình tổng hợp hữu cơ từ nguyên liệu này. Tuy nhiên, văn bản cũng nhấn mạnh sự thay đổi trong nguyên liệu chính cho công nghiệp này.

Nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ khai thác và chế biến dầu mỏ, etilen trở thành nguyên liệu rẻ hơn, tiện lợi hơn nhiều so với axetilen. Do đó, các hóa chất hữu cơ cơ bản và các monome kể trên đều được sản xuất từ etilen hoặc từ các hydrocarbon thu được khi cracking dầu mỏ. Việc điều chế dựa vào những sơ đồ phản ứng mới với những xúc tác hiệu quả không những là phương pháp kinh tế hơn mà còn ít ảnh hưởng đến môi trường hơn. Ví dụ, vinyl clorua và vinyl axetat được điều chế theo các sơ đồ mà chất thải ra môi trường chỉ là nước. Sự chuyển đổi này cho thấy sự thích ứng của công nghiệp hóa học với sự phát triển của công nghệ và xu hướng bảo vệ môi trường.

Benzen là một trong những nguyên liệu quan trọng nhất của công nghiệp hóa hữu cơ. Nó được dùng nhiều nhất để tổng hợp các monome trong sản xuất polime làm chất dẻo, cao su, tơ sợi (chẳng hạn polistiren, cao su buna-stiren, tơ capron). Từ benzen, người ta điều chế ra nitrobenzen, anilin, phenol dùng để tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm, thuốc trừ dịch hại,... Ứng dụng rộng rãi của benzen trong sản xuất polime cho thấy vai trò không thể thiếu của nó trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại. Việc benzen được dùng để tổng hợp nhiều sản phẩm khác nhau, từ chất dẻo đến dược phẩm, minh họa tính đa dạng của ứng dụng trong công nghiệp.

Stiren, tương tự như etilen, làm mất màu dung dịch KMnO₄ và bị oxi hóa ở nhóm vinyl, còn vòng benzen vẫn giữ nguyên. Ứng dụng quan trọng nhất của stiren là để sản xuất polime. Polistiren là một chất nhiệt dẻo, trong suốt, dùng chế tạo các dụng cụ văn phòng, đồ dùng gia đình (thước kẻ, vỏ bút bi, eke, cốc, hộp mứt kẹo,...). Sự ứng dụng rộng rãi của polistiren trong đời sống hàng ngày minh họa cho tầm quan trọng của stiren như một monome trong công nghiệp sản xuất polime. Tính chất vật lý của polistiren (nhiệt dẻo, trong suốt) cũng được nêu ra để làm rõ các đặc điểm ứng dụng của nó.