I - ĐIỀU KIỆN XẢY RA PHẢN ỨNG TRAO ĐỔI ION TRONG DUNG DỊCH CÁC CHẤT ĐIỆN LI
$1$. Phản ứng tạo thành chất kết tủa
Thí nghiệm: Nhỏ dung dịch natri sunfat ($Na_2SO_4$) vào ống nghiệm đựng dung dịch bari clorua ($BaCl_2$) thấy kết tủa trắng của $BaSO_4$ xuất hiện:
$$Na_2SO_4 + BaCl_2 \xrightarrow[{}]{{}} 2NaCl +BaSO_4 \downarrow (1)$$
Giải thích: $Na_2SO_4 $ và $BaCl_2$ đều dễ tan và phân ly mạnh trong nước:
$Na_2SO_4 \xrightarrow[{}]{{}} 2Na^+ +SO_4^ { 2-}$
$BaCl_2 \xrightarrow[{}]{{}} Ba^ { 2+}+2Cl^-$
Trong số bốn ion được phân li ra chỉ có các ion $Ba^ {2+}$ và $SO_4^ { 2-}$ kết hợp được với nhau tạo thành chất kết tủa là $BaSO_4$ (Hình $1.6$) nên thực chất phản ứng trong dung dịch là:
$$Ba^ {2+}+SO_4^ { 2-} \xrightarrow[{}]{{}} BaSO_4 \downarrow (2)$$
Phương trình $(2)$ được gọi là phương trình ion rút gọn của phản ứng $(1)$.
Phương trình ion rút gọn cho biết bản chất của phản ứng trong dung dịch các chất điện li.
Cách chuyển phương trình hóa học dưới dạng phân tử thành phương trình ion rút gọn như sau:
* Chuyển tất cả các chất vừa dễ tan vừa điện li mạnh thành ion, các chất khí, kết tủa, điện li yếu để nguyên dạng phân tử. Phương trình thu được là phương trình ion đầy đủ, thí dụ đối với phản ứng $(1)$ ta có:
$$2Na^+ +SO_4^ {2-} + Ba^ {2+}+2Cl^- \xrightarrow[{}]{{}} BaSO_4 \downarrow +2Na^+ +2Cl^- $$
* Lược bỏ những ion không tham gia phản ứng, ta được phương trình ion rút gọn:
$$Ba^{2+}+SO_4^ { 2-}\xrightarrow[{}]{{}} BaSO_4 \downarrow $$
Từ phương trình này ta thấy rằng, muốn điều chế $BaSO_4$ cần trộn hai dung dịch, một dung dịch chứa ion $Ba^ { 2+}$ và dung dịch kia chứa ion $SO_4^ {2-}$
$2$. Phản ứng tạo thành chất điện li yếu
a) Phản ứng tạo thành nước
Thí nghiệm: Chuẩn bị một cốc đựng $25$ ml dung dịch $NaOH 0,10M$. Nhỏ vào đó vài giọt dung dịch phenolphtalein. Dung dịch có màu hồng (hình $1.7$). Rót từ từ dung dịch $HCl 0,10M$ vào cốc trên, vừa rót vừa khuấy cho đến khi mất màu. Phản ứng như sau: $HCl+NaOH\xrightarrow[{}]{{}} NaCl +H_2O$
Giải thích: $NaOH$ và $HCl$ đều dễ tan và phân li mạnh trong nước:
$NaOH \xrightarrow[{}]{{}} Na^ ++OH^-$
$HCl\xrightarrow[{}]{{}} H^++Cl^-$
Các ion $OH^-$ trong dung dịch $NaOH$ làm cho phenolphtalein chuyển sang màu hồng. Khi cho dung dịch $HCl$ vào dung dịch $NaOH$, chỉ có các ion $H^+$ của $HCl$ phản ứng với các ion $OH^-$ của $NaOH$ tạo thành chất điện li rất yếu là $H_2O$.
Phương trình ion rút gọn là : $ H^++OH^-\xrightarrow[{}]{{}} H_2O$
Khi màu dung dịch trong cốc mất, đó là lúc các ion $H^+$ của $HCl$ đã phản ứng hết với các ion $OH^-$ của $NaOH$.
Phản ứng giữa dung dịch axit và hiđroxit có tính bazơ rất dễ xảy ra vì tạo thành chất điện li rất yếu là $H_2O$.
Chẳng hạn, $Mg(OH)_2$ ít tan trong nước, nhưng dễ dàng tan trong dung dịch axit mạnh:
$$Mg(OH)_2 (r) + 2H^+ \xrightarrow[{}]{{}} Mg ^{2+} + 2H_2O$$
b) Phản ứng tạo thành axit yếu
Thí nghiệm: Nhỏ dung dịch $HCl$ vào ồng nghiệm đựng dung dịch $CH_3COONa$, axit yếu $CH_3COOH$ sẽ tạo thành.
$$HCl+CH_3COONa \xrightarrow[{}]{{}} CH_3COOH + NaCl$$
Giải thích: $HCl$ và $CH_3COONa$ là các chất dễ tan và phân li mạnh:
$HCl \xrightarrow[{}]{{}} H^+ +Cl^-$
$CH_3COONa \xrightarrow[{}]{{}} Na^+ +CH_3COO^-$
Trong dung dịch, các ion $H^+$ sẽ kết hợp với các ion $CH_3COO^-$ tạo thành chất điện li yếu là $CH_3COOH$ (mùi giấm). Phương trình ion rút gọn:
$$CH_3COO^- +H^+ \xrightarrow[{}]{{}} CH_3COOH$$
$3$. Phản ứng tạo thành chất khí
Thí nghiệm: Rót dung dịch $HCl$ vào cốc đựng dung dịch $Na_2CO_3$ ta thấy có khí thoát ra:
$$2HCl + Na_2CO_3 \xrightarrow[{}]{{}} 2NaCl +CO_2 \uparrow +H_2O$$
Giải thích: $HCl $ và $Na_2CO_3$ đều dễ tan và phân li mạnh:
$HCl \xrightarrow[{}]{{}} H^+ +Cl^-$
$Na_2CO_3 \xrightarrow[{}]{{}} 2Na^+ +CO_3^ { 2-}$
Các ion $H^+$ và $CO_3^ { 2-}$ trong dung dịch kết hợp với nhau tạo thành axit yếu là $H_2CO_3$. Axit này không bền bị phân hủy ra $CO_2$ và $H_2O$:
$H^+ + CO_3^ { 2-} \xrightarrow[{}]{{}} HCO_3^-$
$H^+ + HCO_3^- \xrightarrow[{}]{{}} H_2CO_3$
$H_2CO_3 \xrightarrow[{}]{{}} CO_2\uparrow +H_2O$
Phương trình ion rút gọn:
$$2H^+ + CO_3^ {2-}\xrightarrow[{}]{{}} CO_2 \uparrow +H_2O$$
Phản ứng giữa muối cacbonat và dung dịch axit rất dễ xảy ra, vì vừa tạo thành chất điện li rất yếu là $H_2O$, vừa tạo ra chất khí $CO_2$ tách khỏi môi trường phản ứng. Chẳng hạn, các muối cacbonat ít tan trong nước, nhưng dễ tan trong các dung dịch axit. Thí dụ, đá vôi ($CaCO_3$) rất dễ tan trong dung dịch $HCl$
$$CaCO_3(r) + 2HCl \xrightarrow[{}]{{}} CO_2 \uparrow +H_2O +CaCl_2$$
Phương trình ion rút gọn:
$$CaCO_3 (r)+2H^+ \xrightarrow[{}]{{}} Ca^ {2+} +CO_2 \uparrow +H_2O$$
Kết luận:
a) Phản ứng xảy ra trong dung dịch các chất điện li là phản ứng giữa các ion.
b) Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch các chất điện li chỉ xảy ra khi các ion kết hợp được với nhau tạo thành ít nhất một trong các chất sau:
+ Chất kết tủa.
+ Chất điện li yếu.
+ Chất khí.
II - PHẢN ỨNG THỦY PHÂN CỦA MUỐI
$1$. Khái niệm sự thủy phân của muối
Nước nguyên chất có $pH=7,0$ nhưng nhiều muối khi tan trong nước làm cho $pH$ biến đổi, điều đó chứng tỏ muối đã tham gia phản ứng trao đổi ion với nước làm cho nồng độ $H^+$ trong nước biến đổi. Phản ứng trao đổi ion giữa muối và nước là phản ứng thủy phân của muối.
$2$. Phản ứng thủy phân của muối
Thí dụ $1$: Khi xác định $pH$ của dung dịch $CH_3COONa$ trong nước, ta thấy $pH >7,0$.
Điều này được giải thích như sau: $CH_3COONa$ hòa tan trong nước phân li ra ion theo phương trình:
$$CH_3COONa \xrightarrow[{}]{{}} Na^+ +CH_3COO^-$$.
Anion $CH_3COO^-$ phản ứng với $H_2O$ tạo ra chất điện li yếu $CH_3COOH$. Phương trình ion rút gọn:
$$CH_3COO^- + HOH \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^-$$
Các anion $OH^- $ được giải phóng, nên môi trường có $pH > 7,0$. Sản phẩm phản ứng là axit ($CH_3COOH$) và bazơ ($OH^-$), do đó có phản ứng ngược lại. Cation $Na^+$ trong muối $CH_3COONa$ là cation của bazơ mạnh ($NaOH$), nên không phản ứng với nước.
Thí dụ $2$: $pH$ của dung dịch $Fe(NO_3)_3$ nhỏ hơn $7,0$ vì cation $Fe^ { 3+}$ được tạo ra do sự điện li của $Fe(NO_3)_3$ tác dụng với $H_2O$ tạo thành chất điện li yếu là $Fe(OH)^ { 2+}$ và giải phóng các ion $H^+$:
$$Fe^ { 3+} +HOH \rightleftharpoons Fe(OH)^ {2+} +H^+$$
Nồng độ $H^+$ tăng lên, nên dung dịch có $pH<7,0$. Phản ứng là thuận nghịch vì $Fe(OH)^ { 2+}$ là bazơ, còn $H^+$ là axit, nên có phản ứng ngược lại. Ion $NO_3^-$ là gốc của axit mạnh $(HNO_3)$, nên không phản ứng với nước.
Thí dụ $3$: Khi hòa tan $(CH_3COO)_ 2Pb$ trong nước, cả hai ion $Pb^ { 2+}$ và $CH_3COO^-$ đều bị thủy phân. Môi trường là axit hay kiềm phụ thuộc vào độ thủy phân của hai ion.
Thí dụ $4$: Những muối axit như $NaHCO_3, KH_2PO_4, K_2HPO_4$ khi hòa tan trong nước phân li ra các anion $HCO_3^-, H_2PO_4^-, HPO_4^{2- }$. Các ion này là lưỡng tính. Chúng cũng phản ứng với $H_2O$, môi trường của dung dịch tùy thuộc vào bản chất của anion.
Kết luận:
a) Khi muối trung hòa tạo bởi cation của bazơ mạnh và anion gốc axit yếu tan trong nước thì gốc axit yếu bị thủy phân, môi trường của dung dịch là kiềm ($pH>7,0$)
Thí dụ: $CH_3COONa; K_2S; Na_2CO_3$
b) Khi muối trung hòa tạo bởi cation của bazơ yếu và anion gốc axit mạnh, tan trong nước thì cation của bazơ yếu bị thủy phân làm cho dung dịch có tính axit ($pH < 7,0$)
Thí dụ: $Fe(NO_3)_3, NH_4Cl, ZnBr_2$
c) Khi muối trung hòa tạo bởi cation của bazơ mạnh và anion gốc axit mạnh tan trong nước các ion không bị thủy phân. Môi trường của dung dịch vẫn trung tính ($pH=7,0$).
Thí dụ: $NaCl, KNO_3, KI$.
d) Khi muối trung hòa tạo bởi cation của bazơ yếu và anion gốc axit yếu tan trong nước cả cation và anion đều bị thủy phân. Môi trường của dung dịch phụ thuộc vào độ thủy phân của hai ion.