Năng lượng điện

Năng lượng điện hay ion hóa là quá trình một nguyên tử hoặc phân tử tích điện tích âm hoặc dương bằng cách nhận thêm hoặc mất đi electron để tạo thành các ion, thường đi kèm với các thay đổi hóa học khác. Ion dương được tạo thành khi chúng hấp thụ đủ năng lượng (năng lượng này phải lớn hơn hoặc bằng thế năng tương tác của electron trong nguyên tử) để giải phóng electron, những electron này được gọi là electron tự do. Năng lượng cần thiết để xảy ra quá trình này được gọi là năng lượng ion hóa. Ion âm được tạo thành khi một electron tự do nào đó đập vào một nguyên tử mang điện trung hòa và ngay lập tức bị giữ lại và thiết lập hàng rào thế năng với nguyên tử này, vì nó không còn đủ năng lượng để thoát ra khỏi nguyên tử này nữa nên hình thành ion âm.

Trường hợp điện ly đơn giản là chất có liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị phân cực bị tách thành các ion riêng biệt trong môi trường nước, ví dụ như muối natri clorua.

Nguyên nhân

Phân tử nước bị phân cực thành hai đầu âm và dương do nguyên tử oxy có độ âm điện lớn hơn nguyên tử hydro, cặp electron chung bị lệch về phía oxy. Khi các chất có liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị phân cực hòa tan vào nước, phân tử của chúng sẽ bị bao bọc và tương tác với phân tử nước, tách chúng thành các ion. Ion dương được tách ra bởi nguyên tử oxy (mang điện âm) và ion âm được tách ra bởi nguyên tử hydro (mang điện dương) của nước. Quá trình này giải phóng năng lượng do mạng tinh thể (hoặc liên kết giữa các nguyên tử) bị phá vỡ.

Độ điện ly

Độ điện ly α (alpha) là tỷ số giữa số phân tử phân ly thành ion (n) và tổng số phân tử hòa tan vào dung dịch (n₀) được tính theo công thức $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}=\frac{n}{n_0}$.

Độ điện ly của các chất điện ly khác nhau nằm trong khoảng 0 < α ≤ 1. Khi α = 0, quá trình điện ly không xảy ra, đó là chất không điện ly. Độ điện ly thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm.

Chất điện ly mạnh và chất điện ly yếu

Sự điện ly mạnh hay yếu phụ thuộc vào độ điện ly.

Chất điện ly mạnh

Là chất khi tan trong nước, các phân tử hòa tan đều phân ly ra ion. Các chất điện ly mạnh có α = 1.

• Các base mạnh: KOH, NaOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂,...
• Các acid mạnh: HNO₃, HCl, HI, HBr, H₂SO₄, HClO₄,...
• Hầu hết các muối.

Muối của acid mạnh (HCl, H₂SO₄, HNO₃,...):

• Muối chloride tan hết trừ AgCl↓, PbCl₂ ít tan.
• Muối sulfat tan hết trừ PbSO4↓, CaSO_4↓, SrSO₄↓, BaSO₄↓ và Ag₂SO₄ ít tan.
• Muối nitrat tan hết.

Muối của acid yếu (H₃PO₄, H_2­SO₃,...):

Muối của natri, kali và muối acetat tan hết. Còn lại hầu hết tan.

Muối acid (chứa H có thể di chuyển trong phân tử): hầu hết hoà tan.

Phương trình điện phân:

• Acid mạnh → cation H + anion gốc acid.
• Base mạnh → cation kim loại + anion OH.
• Muối tan → cation kim loại/NH₄ + anion gốc acid.

Ví dụ:

• HNO₃ → H + NO₃
• Ba(OH)₂ → Ba + 2OH
• Na₂SO₄ → 2Na + SO₄

Chất điện li yếu

Là các chất khi tan trong nước chỉ có một phần số phân tử hòa tan phân ly thành ion, phần còn lại vẫn tồn tại dưới dạng phân tử trong dung dịch. Bao gồm: acid yếu, base yếu, một số muối do điện li phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, dung môi, bản chất của chất điện li. Độ điện li của chất điện li yếu nằm trong khoảng 0 < α < 1.

• Acid yếu: HClO, H₂S, HF, H₂SO₃, CH₃COOH, H₂CO₃,...
• Base yếu: Bi(OH)₃, Mg(OH)₂, Cu(OH)₂,...
• Một số muối: HgCl₂, Hg(CN)₂, CuCl,...

Sự điện li do nhiệt độ

Thường thì, các chất ion liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện. Khi nhận được lượng nhiệt đủ lớn, động năng của các ion tăng lên và đủ mạnh để phá vỡ liên kết tĩnh điện, sau đó phân ly vào môi trường. Chất ion nóng chảy hoặc bay hơi là các ion tự do di chuyển xung quanh nhau.