Phản ứng axit-bazơ: Sự chuyển proton và trung hòa
Tìm hiểu cách nhận biết phản ứng axit-bazơ, theo dõi sự chuyển proton, dự đoán sản phẩm và viết phương trình phân tử cũng như phương trình ion rút gọn cho HSC Chemistry.
Một chai ghi nhãn axit hydrochloric và một chai ghi nhãn natri hydroxide trông chẳng có gì đặc biệt: chỉ là hai dung dịch trong suốt. Nhưng khi trộn chúng theo đúng lượng, hỗn hợp sẽ ấm lên. Một phản ứng đã xảy ra.
Những tiểu phân nào thực sự đã thay đổi? Bạn có thể dự đoán rằng mọi ion trong hai dung dịch đều phải tham gia. Điều đó nghe có vẻ hợp lý, nhưng thực tế không phải vậy. Các ion natri và chloride hầu như chỉ đứng ngoài quan sát. Sự kiện quan trọng đơn giản hơn nhiều: một axit nhường proton, và một bazơ nhận proton đó.
Sự chuyển proton này là chìa khóa để nhận biết phản ứng axit-bazơ, dự đoán sản phẩm và viết các phương trình cho thấy điều gì thực sự đang xảy ra.
01Bắt đầu bằng cách tìm sự chuyển proton
Giả sử axit hydrochloric phản ứng với natri hydroxide:
\[ \ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \]
Có thể bạn đã nhận ra đây là phản ứng trung hòa. Nhưng quy tắc “axit + bazơ tạo muối + nước” chỉ là một dạng mẫu hữu ích. Nó không giải thích vì sao phản ứng xảy ra, và cũng không áp dụng được cho mọi phản ứng axit-bazơ.
Một mô hình tư duy tốt hơn là hình dung một proton, \(\mathrm{H}^{+}\), đang đổi đối tác.
Axit là tiểu phân sẵn sàng nhường proton. Bazơ là tiểu phân có khả năng nhận proton đó.
Điều này hơi giống một chương trình hẹn hò cực kỳ kịch tính mà thí sinh duy nhất là một proton. Axit xuất hiện cùng proton, bazơ nhận lấy proton, rồi axit rời đi dưới dạng một tiểu phân khác. Phép so sánh này không hoàn toàn đúng vì các tiểu phân không “lựa chọn” đối tác, và sự chuyển proton thực tế được chi phối bởi năng lượng hóa học và cân bằng. Tuy vậy, nó giúp ta tập trung vào đúng điều cần theo dõi: proton đi đâu?
Từ đó dẫn đến các định nghĩa Brønsted-Lowry:
- Axit Brønsted-Lowry là chất cho proton.
- Bazơ Brønsted-Lowry là chất nhận proton.
Proton là \(\mathrm{H}^{+}\), tức là một nguyên tử hydro đã mất electron.
Trong nước, một \(\mathrm{H}^{+}\) riêng lẻ không đơn giản là trôi nổi một mình. Nó liên kết mạnh với các phân tử nước. Ta thường biểu diễn phân tử nước đã nhận proton dưới dạng ion hydronium, \(\ce{H3O+}\). Các phương trình HSC cũng có thể dùng \(\mathrm{H}^{+}\) như một cách viết tắt thuận tiện.
02Cách nhận biết một phản ứng axit-bazơ
Khi được cho một phản ứng, đừng bắt đầu bằng câu hỏi: “Công thức này có trông giống một axit không?”
Hãy đặt hai câu hỏi hữu ích hơn:
- Có tiểu phân nào mất một \(\mathrm{H}^{+}\) không?
- Có tiểu phân nào khác nhận \(\mathrm{H}^{+}\) đó không?
Nếu cả hai điều đều xảy ra, bạn đang có sự chuyển proton.
Xét:
\[ \ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-} \]
Hãy theo dõi proton.
- \(\ce{HCl}\) trở thành \(\mathrm{Cl}^{-}\). Nó đã mất \(\mathrm{H}^{+}\), nên \(\ce{HCl}\) đóng vai trò là axit.
- \(\ce{H2O}\) trở thành \(\ce{H3O+}\). Nó đã nhận \(\mathrm{H}^{+}\), nên \(\ce{H2O}\) đóng vai trò là bazơ.
Bây giờ xét ammonia:
\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-} \]
Lần này chất phản ứng nào là axit?
Bạn có thể dễ nghĩ rằng nước phải là bazơ vì trong phản ứng trước nước đã nhận proton. Nhưng một tiểu phân không có một vai trò cố định trong mọi phản ứng.
Ở đây:
- \(\ce{NH3}\) trở thành \(\ce{NH4+}\), nên ammonia nhận \(\mathrm{H}^{+}\) và đóng vai trò là bazơ.
- \(\ce{H2O}\) trở thành \(\ce{OH-}\), nên nước mất \(\mathrm{H}^{+}\) và đóng vai trò là axit.
Vì vậy, nước có thể đóng vai trò là axit hoặc bazơ, tùy thuộc vào chất mà nó phản ứng cùng.
03Các cặp axit-bazơ liên hợp
Bất cứ khi nào một axit nhường proton, nó trở thành bazơ liên hợp của chính nó.
Bất cứ khi nào một bazơ nhận proton, nó trở thành axit liên hợp của chính nó.
Đối với phản ứng
\[ \ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-} \]
các cặp là:
| Tiểu phân | Vai trò | Trở thành |
|---|---|---|
| \(\ce{HCl}\) | axit | \(\mathrm{Cl}^{-}\), bazơ liên hợp của nó |
| \(\ce{H2O}\) | bazơ | \(\ce{H3O+}\), axit liên hợp của nó |
Một cặp axit-bazơ liên hợp khác nhau đúng một proton.
Điều này cho bạn một quy tắc kiểm tra rất hữu ích. Nếu hai chất được cho là liên hợp lại khác nhau bởi một nguyên tử oxygen, một nguyên tử carbon hoặc hai nguyên tử hydrogen, thì có điều gì đó đã sai.
Ví dụ:
\[ \ce{NH4+ <=> NH3 + H+} \]
\(\ce{NH4+}\) và \(\ce{NH3}\) khác nhau một \(\mathrm{H}^{+}\), nên chúng là một cặp axit-bazơ liên hợp.
04Dự đoán sản phẩm từ sự chuyển proton
Đối với một phản ứng Brønsted-Lowry đơn giản, bạn có thể dự đoán sản phẩm mà không cần học thuộc một danh sách khổng lồ.
Giả sử bạn được yêu cầu dự đoán sản phẩm của:
\[ \ce{HNO3 + H2O -> ?} \]
Trước tiên, hãy xác định tiểu phân nào có khả năng nhường proton. Axit nitric, \(\ce{HNO3}\), nhường \(\mathrm{H}^{+}\).
Loại một \(\mathrm{H}^{+}\) khỏi \(\ce{HNO3}\):
\[ \ce{HNO3 -> NO3-} \]
Sau đó thêm proton đó vào nước:
\[ \ce{H2O -> H3O+} \]
Vì vậy:
\[ \ce{HNO3 + H2O -> NO3- + H3O+} \]
Lưu ý rằng số nguyên tử và tổng điện tích đều được bảo toàn. Đây cũng chính là yêu cầu bảo toàn được sử dụng bất cứ khi nào bạn theo dõi sự sắp xếp lại của các nguyên tử trong phản ứng hóa học.
Ví dụ có lời giải: Xác định axit, bazơ và các cặp liên hợp
Với phản ứng dưới đây, hãy xác định axit, bazơ, axit liên hợp và bazơ liên hợp.
\[ \ce{CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+} \]
Bước 1
\(\ce{CH3COOH}\) trở thành \(\ce{CH3COO-}\). Nó đã mất \(\mathrm{H}^{+}\), nên \(\ce{CH3COOH}\) là axit.
Bước 2
\(\ce{H2O}\) trở thành \(\ce{H3O+}\). Nó đã nhận \(\mathrm{H}^{+}\), nên \(\ce{H2O}\) là bazơ.
Bước 3
\[ \ce{CH3COOH / CH3COO-} \]
là một cặp axit-bazơ liên hợp.
\[ \ce{H2O / H3O+} \]
là cặp còn lại.
Vì vậy:
- axit: \(\ce{CH3COOH}\)
- bazơ: \(\ce{H2O}\)
- bazơ liên hợp: \(\ce{CH3COO-}\)
- axit liên hợp: \(\ce{H3O+}\)
Ý tưởng quan trọng không nằm ở bản thân các nhãn gọi. Điều quan trọng là proton đã chuyển từ axit ethanoic sang nước.
05Trung hòa là một dạng cụ thể của phản ứng axit-bazơ
Bạn thường gặp các phản ứng giữa axit và hydroxide kim loại như natri hydroxide.
Ví dụ:
\[ \ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \]
Thoạt nhìn, có vẻ như bốn tiểu phân khác nhau đều tham gia. Tuy nhiên, trong dung dịch nước, các chất tan phân li thành ion:
\[ \ce{H+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq) -> Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)} \]
Các ion \(\mathrm{Na}^{+}\) và \(\mathrm{Cl}^{-}\) xuất hiện không thay đổi ở cả hai vế. Chúng là ion khán giả.
Loại chúng đi:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]
Hoặc, nếu viết rõ ion hydronium:
\[ \ce{H3O+(aq) + OH-(aq) -> 2H2O(l)} \]
Đây là quá trình chuyển proton cốt lõi trong phản ứng trung hòa một axit mạnh bằng một hydroxide tan.
Nếu bạn cần luyện thêm cách xác định ion nào không thay đổi và ion nào thuộc phương trình ion rút gọn, cùng logic về ion khán giả này cũng xuất hiện trong phản ứng kết tủa và phương trình ion rút gọn.
Ví dụ có lời giải: Viết phương trình phân tử và phương trình ion rút gọn
Axit sulfuric phản ứng với dung dịch potassium hydroxide. Viết phương trình phân tử cân bằng và phương trình ion rút gọn tương ứng.
Bước 1
Axit phản ứng với hydroxide kim loại tạo thành muối và nước.
Muối chứa các ion potassium, \(\mathrm{K}^{+}\), và ion sulfate, \(\ce{SO4^2-}\), nên công thức của nó là \(\ce{K2SO4}\).
Bắt đầu với:
\[ \ce{H2SO4 + KOH -> K2SO4 + H2O} \]
Bước 2
Cần hai ion potassium cho một ion sulfate, nên đặt hệ số 2 trước \(\ce{KOH}\).
Lúc này có bốn nguyên tử hydrogen ở vế trái, nên cần hai phân tử nước:
\[ \ce{H2SO4(aq) + 2KOH(aq) -> K2SO4(aq) + 2H2O(l)} \]
Bước 3
Trong cách xử lý đơn giản hóa đối với axit mạnh, các tiểu phân phản ứng là \(\mathrm{H}^{+}\) và \(\ce{OH-}\). Các ion potassium và sulfate không tham gia bước chuyển proton.
Phương trình ion rút gọn là:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \]
Bước 4
Các hệ số trong phương trình đầy đủ cho biết một mol \(\ce{H2SO4}\) có thể cung cấp đủ proton có tính axit để phản ứng với hai mol \(\ce{KOH}\). Phương trình ion rút gọn được viết ở dạng hệ số nguyên đơn giản nhất vì mỗi proton trung hòa một ion hydroxide.
06Không phải mọi phản ứng axit-bazơ đều tạo ra nước
Đây là điểm mà quy tắc đơn giản “axit + bazơ tạo muối + nước” trở nên không đầy đủ.
Xét ammonia phản ứng với một axit:
\[ \ce{NH3(aq) + H+(aq) -> NH4+(aq)} \]
Ammonia nhận proton, nên rõ ràng nó đang đóng vai trò là một bazơ Brønsted-Lowry. Nhưng không có ion hydroxide tham gia, vì vậy trong phương trình chuyển proton đơn giản hóa này không bắt buộc phải có nước ở phía sản phẩm.
Quy tắc tổng quát hơn là:
\[ \text{axit + bazơ} \rightarrow \text{bazơ liên hợp + axit liên hợp} \]
Mô tả này có phạm vi áp dụng rộng hơn “muối + nước”.
07Phản ứng của axit với oxide và hydroxide
Nhiều oxide kim loại và hydroxide kim loại đóng vai trò là bazơ.
Ví dụ:
\[ \ce{2HCl(aq) + MgO(s) -> MgCl2(aq) + H2O(l)} \]
Ion oxide trong chất rắn ion có thể nhận proton. Về mặt khái niệm:
\[ \ce{O^2- + 2H+ -> H2O} \]
Một ion hydroxide cần một proton:
\[ \ce{OH- + H+ -> H2O} \]
Điều này giúp bạn dự đoán hệ số thay vì đoán mò.
Chẳng hạn, \(\ce{Ca(OH)2}\) chứa hai nhóm hydroxide trong mỗi đơn vị công thức, nên để trung hòa hoàn toàn cần hai proton có tính axit:
\[ \ce{2HCl(aq) + Ca(OH)2(aq) -> CaCl2(aq) + 2H2O(l)} \]
08Điều gì xảy ra với carbonate?
Phản ứng giữa axit và carbonate có thể trông giống một loại phản ứng hoàn toàn riêng biệt vì bạn quan sát thấy hiện tượng sủi bọt.
Ví dụ:
\[ \ce{2HCl(aq) + Na2CO3(aq) -> 2NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g)} \]
Khí sinh ra là carbon dioxide.
Bên dưới hiện tượng quan sát được vẫn là hóa học axit-bazơ. Các ion carbonate nhận proton. Một chuỗi bước đơn giản hóa hữu ích là:
\[ \ce{CO3^2- + H+ -> HCO3-} \]
sau đó:
\[ \ce{HCO3- + H+ -> H2CO3} \]
Axit carbonic, \(\ce{H2CO3}\), không bền trong điều kiện thông thường và có thể tạo thành carbon dioxide và nước:
\[ \ce{H2CO3 -> CO2 + H2O} \]
Kết hợp các bước này ta được:
\[ \ce{CO3^2- + 2H+ -> CO2 + H2O} \]
Điều này giải thích đồng thời hai điều: carbonate đóng vai trò là bazơ bằng cách nhận proton, và sản phẩm cuối cùng quan sát được có chứa một chất khí.
Ví dụ có lời giải: Dự đoán phản ứng giữa axit và carbonate
Axit nitric phản ứng với calcium carbonate rắn. Hãy dự đoán sản phẩm và viết phương trình cân bằng.
Bước 1
Axit phản ứng với carbonate tạo thành muối, nước và carbon dioxide.
Các ion tạo thành muối là \(\mathrm{Ca}^{2+}\) và \(\ce{NO3-}\), tạo ra \(\ce{Ca(NO3)2}\).
Bước 2
\[ \ce{HNO3 + CaCO3 -> Ca(NO3)2 + H2O + CO2} \]
Bước 3
Có hai ion nitrate trong \(\ce{Ca(NO3)2}\), nên cần hai phân tử axit nitric:
\[ \ce{2HNO3 + CaCO3 -> Ca(NO3)2 + H2O + CO2} \]
Phương trình lúc này đã cân bằng.
Kèm trạng thái:
\[ \ce{2HNO3(aq) + CaCO3(s) -> Ca(NO3)2(aq) + H2O(l) + CO2(g)} \]
Bước 4
Carbonate rắn bị tiêu thụ và khí carbon dioxide được tạo ra, vì vậy có thể quan sát thấy hiện tượng sủi bọt. Bước chuyển proton vẫn giữ vai trò trung tâm, dù sản phẩm cuối cùng phức tạp hơn so với phản ứng trung hòa hydroxide đơn giản.
09Lối tắt hấp dẫn nhưng dễ gây sai
Một lối tắt thường gặp là:
“Nếu một chất chứa H thì đó là axit. Nếu nó chứa OH thì đó là bazơ.”
Đôi khi quy tắc này có thể gợi đúng hướng, nhưng nó không phải là một định nghĩa.
Methane, \(\ce{CH4}\), chứa hydrogen nhưng không được xem là một axit Brønsted-Lowry trong các phản ứng axit-bazơ HSC thông thường.
Ammonia, \(\ce{NH3}\), không chứa nhóm \(\ce{OH}\) nhưng vẫn là bazơ vì nó có thể nhận proton:
\[ \ce{NH3 + H+ -> NH4+} \]
Quy tắc xác định an toàn hơn luôn dựa trên sự chuyển proton.
| Điều cần tìm | Điều đó cho biết |
|---|---|
| Tiểu phân mất một \(\mathrm{H}^{+}\) | Nó đã đóng vai trò là axit |
| Tiểu phân nhận một \(\mathrm{H}^{+}\) | Nó đã đóng vai trò là bazơ |
| Hai tiểu phân khác nhau một \(\mathrm{H}^{+}\) | Chúng có thể là một cặp axit-bazơ liên hợp |
| \(\mathrm{H}^{+}\) phản ứng với \(\ce{OH-}\) | Phản ứng trung hòa tạo ra nước |
| Axit phản ứng với carbonate | Dự đoán có sự chuyển proton, sau đó tạo \(\ce{CO2}\) và \(\ce{H2O}\) |
| Các ion xuất hiện không thay đổi ở cả hai vế | Chúng là ion khán giả và có thể được loại khỏi phương trình ion rút gọn |
10Một cái bẫy quan trọng khác: không phải mọi phản ứng có axit đều là phản ứng axit-bazơ
Giả sử axit hydrochloric phản ứng với magnesium:
\[ \ce{Mg(s) + 2HCl(aq) -> MgCl2(aq) + H2(g)} \]
Bạn có thể phân loại đây là phản ứng axit-bazơ chỉ vì có một axit ở vế trái.
Nhưng hãy xem điều gì thực sự thay đổi. Các nguyên tử magnesium trở thành \(\mathrm{Mg}^{2+}\), còn ion hydrogen trở thành khí hydrogen. Electron được chuyển giao.
Vì vậy, đây là một phản ứng oxi hóa-khử, chứ không đơn thuần là một phản ứng chuyển proton Brønsted-Lowry.
Do đó, “có chứa một axit” là chưa đủ để xác định loại phản ứng. Bạn phải xem xét sự biến đổi hóa học thực tế.
11Một phương pháp đáng tin cậy cho các câu hỏi HSC
Khi cần nhận biết hoặc biểu diễn một phản ứng axit-bazơ, hãy sử dụng trình tự sau:
- Xác định một chất có khả năng cho proton. Tìm một tiểu phân có thể mất một \(\mathrm{H}^{+}\).
- Xác định một chất có khả năng nhận proton. Tìm một tiểu phân có thể nhận proton đó.
- Theo dõi proton một cách rõ ràng. Viết xem mỗi chất phản ứng trở thành gì sau khi mất hoặc nhận \(\mathrm{H}^{+}\).
- Kiểm tra nguyên tử và điện tích. Cả hai đều phải được bảo toàn.
- Xác định loại phương trình đang được yêu cầu. Phương trình phân tử, phương trình ion đầy đủ và phương trình ion rút gọn không phải là một.
- Tìm một quá trình tiếp theo nếu có. Việc axit carbonic tạo thành \(\ce{CO2}\) và nước là một ví dụ phổ biến.
- Đừng ép mọi phản ứng vào khuôn mẫu trung hòa. Sự chuyển proton là ý tưởng tổng quát hơn.
12Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Trong phản ứng
\[ \ce{HBr + H2O -> H3O+ + Br-} \]
hãy xác định axit, bazơ, axit liên hợp và bazơ liên hợp.
Lời giải 1
\(\ce{HBr}\) là axit, \(\ce{H2O}\) là bazơ, \(\ce{H3O+}\) là axit liên hợp và \(\mathrm{Br}^{-}\) là bazơ liên hợp.
\(\ce{HBr}\) mất một proton:
\[ \ce{HBr -> Br- + H+} \]
nên nó đóng vai trò là chất cho proton.
Nước nhận proton đó:
\[ \ce{H2O + H+ -> H3O+} \]
nên nước đóng vai trò là bazơ.
Vì vậy, các cặp liên hợp là \(\ce{HBr/Br-}\) và \(\ce{H2O/H3O+}\). Mỗi cặp khác nhau đúng một proton.
Câu hỏi 2
Axit ethanoic phản ứng với dung dịch natri hydroxide.
Hãy viết:
a. phương trình phân tử cân bằng
b. phương trình ion rút gọn
c. bazơ Brønsted-Lowry tham gia trong phản ứng ion rút gọn.
Lời giải 2
Phương trình phân tử là
\[ \ce{CH3COOH(aq) + NaOH(aq) -> CH3COONa(aq) + H2O(l)} \]
và phương trình ion rút gọn là
\[ \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)} \]
Bazơ Brønsted-Lowry là \(\ce{OH-}\).
Axit ethanoic là một axit yếu, vì vậy trong phương trình ion rút gọn, nó thường được giữ ở dạng chưa phân li thay vì được viết hoàn toàn thành \(\mathrm{H}^{+}\) và \(\ce{CH3COO-}\).
Ion hydroxide nhận một proton:
\[ \ce{OH- + H+ -> H2O} \]
trong khi axit ethanoic mất proton đó và trở thành \(\ce{CH3COO-}\).
Một lỗi dễ mắc là viết
\[ \ce{H+ + OH- -> H2O} \]
như thể axit ethanoic đã phân li hoàn toàn thành các ion. Phương trình đó mô tả tốt sự trung hòa của axit mạnh, nhưng nó che khuất tiểu phân axit yếu thực sự tham gia phản ứng ở đây.
Câu hỏi 3
Một học sinh viết phương trình sau cho phản ứng giữa axit phosphoric và potassium hydroxide:
\[ \ce{H3PO4 + KOH -> K3PO4 + H2O} \]
Hãy giải thích vì sao phương trình chưa cân bằng, sau đó viết phương trình cân bằng cho sự trung hòa hoàn toàn.
Lời giải 3
Cần ba mol \(\ce{KOH}\) cho mỗi mol \(\ce{H3PO4}\), ta có
\[ \ce{H3PO4(aq) + 3KOH(aq) -> K3PO4(aq) + 3H2O(l)} \]
Phương trình ban đầu chỉ có một nguyên tử potassium ở vế trái nhưng có ba nguyên tử trong \(\ce{K3PO4}\) ở vế phải. Nó cũng không tính đúng ba nguyên tử hydrogen có tính axit trong \(\ce{H3PO4}\).
Đối với sự trung hòa hoàn toàn, cả ba proton có tính axit đều phải được tính đến. Ba ion hydroxide có thể nhận ba proton đó:
\[ \ce{3H+ + 3OH- -> 3H2O} \]
Cái bẫy ở đây là nhìn thấy “axit + hydroxide” rồi tự động dùng tỉ lệ 1:1. Tỉ lệ phản ứng phụ thuộc vào số proton có tính axit được trung hòa và số ion hydroxide mà mỗi đơn vị công thức cung cấp.
Câu hỏi 4
Ion hydrogen carbonate có thể phản ứng với cả axit và bazơ.
Hãy dự đoán sản phẩm chứa carbon khi \(\ce{HCO3-}\):
a. nhận một proton từ axit
b. nhường một proton cho một bazơ mạnh.
Dùng các phương trình để giải thích vì sao không thể gắn nhãn \(\ce{HCO3-}\) là “luôn là axit” hoặc “luôn là bazơ”.
Lời giải 4
\(\ce{HCO3-}\) có thể đóng vai trò là bazơ hoặc axit, tùy vào chất phản ứng cùng nó.
Khi nó nhận một proton, nó đóng vai trò là bazơ:
\[ \ce{HCO3- + H+ -> H2CO3} \]
\(\ce{H2CO3}\) được tạo thành sau đó có thể tạo ra carbon dioxide và nước:
\[ \ce{H2CO3 -> CO2 + H2O} \]
Vì vậy, quá trình tổng thể có thể được biểu diễn là:
\[ \ce{HCO3- + H+ -> CO2 + H2O} \]
Khi hydrogen carbonate nhường một proton cho ion hydroxide, nó đóng vai trò là axit:
\[ \ce{HCO3- + OH- -> CO3^2- + H2O} \]
Ở đây, \(\ce{HCO3-}\) mất \(\mathrm{H}^{+}\) và trở thành \(\ce{CO3^2-}\).
Điểm then chốt là các nhãn axit và bazơ mô tả vai trò của một tiểu phân trong một phản ứng chuyển proton cụ thể. Hydrogen carbonate có khả năng vừa nhận vừa nhường proton, nên vai trò của nó phụ thuộc vào chất mà nó phản ứng cùng.
Câu hỏi 5
Hai học sinh được cho phản ứng
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O} \]
Học sinh A nói: “Ion hydroxide là bazơ vì nó chứa \(\ce{OH}\).”
Học sinh B nói: “Ion ammonium là axit vì nó chuyển một proton cho hydroxide.”
Lập luận nào vững chắc hơn về mặt hóa học? Hãy xác định cả hai cặp axit-bazơ liên hợp và giải thích bằng chứng nào thực sự xác lập từng vai trò.
Lời giải 5
Học sinh B đưa ra lập luận hóa học vững chắc hơn vì các vai trò được xác định bằng cách theo dõi sự chuyển proton, chứ không phải bằng cách nhận ra một nhóm cụ thể trong công thức.
Phản ứng là:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O} \]
Ion ammonium chuyển từ \(\ce{NH4+}\) thành \(\ce{NH3}\). Nó đã mất một proton:
\[ \ce{NH4+ -> NH3 + H+} \]
nên \(\ce{NH4+}\) đóng vai trò là axit, và \(\ce{NH3}\) là bazơ liên hợp của nó.
Ion hydroxide chuyển từ \(\ce{OH-}\) thành \(\ce{H2O}\). Nó đã nhận một proton:
\[ \ce{OH- + H+ -> H2O} \]
nên \(\ce{OH-}\) đóng vai trò là bazơ, và \(\ce{H2O}\) là axit liên hợp của nó.
Vì vậy, các cặp liên hợp là:
\[ \ce{NH4+ / NH3} \]
và
\[ \ce{H2O / OH-} \]
Học sinh A đi đến kết luận đúng khi gọi hydroxide là bazơ, nhưng cách lập luận không đáng tin cậy. Việc một công thức chứa \(\ce{OH}\) tự nó không chứng minh rằng một tiểu phân đang đóng vai trò là bazơ Brønsted-Lowry. Bằng chứng là \(\ce{OH-}\) thực sự nhận một proton trong phản ứng này.
Một khi bạn có thể theo dõi proton thay vì chỉ ghi nhớ các dạng phản ứng, hóa học axit-bazơ sẽ trở nên dễ mở rộng hơn nhiều. Bước hữu ích tiếp theo là cân bằng: một số quá trình chuyển proton diễn ra gần như hoàn toàn theo chiều tạo sản phẩm, trong khi những quá trình khác thiết lập một hỗn hợp đáng kể gồm cả chất phản ứng và sản phẩm. Đây là lúc độ mạnh của axit, độ mạnh của bazơ, \(K_a\) và pH bắt đầu được kết nối trở lại với cùng một mô hình chuyển proton.