Axit (Acid)

1. Định nghĩa Arrhenius:

Svante Arrhenius định nghĩa axit là chất khi hòa tan trong nước sẽ phân li ra ion H⁺ (ion hydro/proton). Chính xác hơn, axit Arrhenius khi hòa tan trong nước sẽ làm tăng nồng độ ion hydroni (H₃O⁺). Ion H⁺ thực chất không tồn tại ở dạng tự do trong dung dịch nước mà sẽ kết hợp với phân tử nước tạo thành ion hydroni (H₃O⁺). Ví dụ:

$HCl_{(aq)} + H2O{(l)} \rightarrow H3O^{+}{(aq)} + Cl^{-}_{(aq)}$

Tuy nhiên, để đơn giản hóa, người ta thường viết gọn là:

$HCl{(aq)} \rightarrow H^{+}{(aq)} + Cl^{-}_{(aq)}$

Định nghĩa Axit

2. Định nghĩa Brønsted-Lowry:

Johannes Nicolaus Brønsted và Thomas Martin Lowry định nghĩa axit là chất cho proton (H⁺) trong một phản ứng hóa học. Bazơ là chất nhận proton. Theo định nghĩa này, một phản ứng axit-bazơ là sự trao đổi proton từ axit sang bazơ. Ví dụ:

$HCl + H_2O \rightarrow H_3O^{+} + Cl^{-}$

Trong phản ứng này, $HCl$ là axit (cho H⁺) và $H_2O$ là bazơ (nhận H⁺). H₃O⁺ được gọi là ion hydroni.

3. Định nghĩa Lewis:

Gilbert N. Lewis định nghĩa axit là chất nhận cặp electron, còn bazơ là chất cho cặp electron. Định nghĩa này bao quát hơn hai định nghĩa trên, vì nó không giới hạn ở các phản ứng liên quan đến proton. Ví dụ:

$BF_3 + :NH_3 \rightarrow BF_3NH_3$

Trong phản ứng này, $BF_3$ là axit Lewis (nhận cặp electron từ $NH_3$) và $NH_3$ là bazơ Lewis (cho cặp electron cho $BF_3$). Dấu hai chấm (:) biểu diễn cặp electron tự do trên nguyên tử nitơ.

Phân loại Axit

• Axit mạnh: Phân li hoàn toàn (hoặc gần như hoàn toàn) trong nước, tạo ra nồng độ H⁺ (H₃O⁺) cao. Ví dụ: $HCl$, $H_2SO_4$, $HNO_3$, $HClO_4$, $HBr$, $HI$.
• Axit yếu: Chỉ phân li một phần trong nước, tạo ra nồng độ H⁺ (H₃O⁺) thấp. Ví dụ: $CH_3COOH$, $H_2CO_3$, $H_3PO_4$, $HF$, $HCN$, $H_2S$.
• Axit hữu cơ: Chứa nhóm carboxyl (-COOH). Ví dụ: $CH_3COOH$ (axit axetic), $HCOOH$ (axit fomic).
• Axit vô cơ: Không chứa nhóm carboxyl. Ví dụ: $HCl$ (axit clohidric), $H_2SO_4$ (axit sunfuric), $HNO_3$ (axit nitric).
• Axit một nấc: Cho một proton trong một phản ứng. Ví dụ: $HCl$, $HNO_3$, $CH_3COOH$.
• Axit đa nấc: Cho nhiều hơn một proton trong một phản ứng. Ví dụ: $H_2SO_4$ (hai nấc), $H_3PO_4$ (ba nấc), $H_2CO_3$ (hai nấc).

Tính chất của Axit

• Vị chua: Tuy nhiên, không bao giờ được nếm thử để nhận biết axit.
• Làm đổi màu chất chỉ thị: Ví dụ: quỳ tím chuyển sang màu đỏ, metyl da cam chuyển sang màu đỏ, phenolphthalein không đổi màu (trong suốt).
• Phản ứng với bazơ tạo thành muối và nước (phản ứng trung hòa): Ví dụ: $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$.
• Phản ứng với kim loại hoạt động tạo thành muối và khí hydro: Ví dụ: $2HCl + Zn \rightarrow ZnCl_2 + H_2$.
• Phản ứng với oxit bazơ tạo thành muối và nước: Ví dụ: $2HCl + CuO \rightarrow CuCl_2 + H_2O$.
• Phản ứng với muối của axit yếu hơn tạo thành axit yếu hơn và muối mới: Ví dụ: $2HCl + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2$.

Ứng dụng của Axit

Axit có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Sản xuất phân bón: Ví dụ: axit sulfuric ($H_2SO_4$) dùng để sản xuất phân superphotphat, axit nitric ($HNO_3$) dùng để sản xuất phân đạm.
• Sản xuất chất tẩy rửa: Ví dụ: axit clohidric ($HCl$) dùng để tẩy rửa bề mặt kim loại.
• Sản xuất thuốc nhuộm, chất dẻo và sợi tổng hợp.
• Sản xuất pin và ắc quy: Ví dụ: axit sulfuric ($H_2SO_4$) dùng trong ắc quy chì-axit.
• Chế biến thực phẩm: Ví dụ: axit axetic ($CH_3COOH$) là thành phần chính của giấm ăn, axit citric có trong các loại quả họ cam quýt.
• Xử lý nước thải: Axit được sử dụng để điều chỉnh độ pH của nước thải.
• Khai thác khoáng sản: Ví dụ: axit sulfuric được sử dụng để hòa tan quặng.

Lưu ý An toàn

Nhiều axit có tính ăn mòn cao và có thể gây bỏng da. Cần thận trọng khi làm việc với axit và tuân thủ các quy tắc an toàn, ví dụ như đeo găng tay, kính bảo hộ, làm việc trong tủ hút,…

Độ mạnh của Axit

Độ mạnh của axit được đo bằng hằng số điện li axit ($K_a$). $K_a$ càng lớn, axit càng mạnh. Đối với axit yếu HA, phản ứng phân li trong nước được biểu diễn như sau:

$HA + H_2O \rightleftharpoons H_3O^{+} + A^{-}$

Hằng số điện li axit được tính theo công thức:

$K_a = \frac{[H_3O^{+}][A^{-}]}{[HA]}$

trong đó $[ ]$ biểu thị nồng độ mol.

Thường sử dụng $pK_a$ để biểu thị độ mạnh của axit, được định nghĩa là:

$pK_a = -log(K_a)$

$pK_a$ càng nhỏ, axit càng mạnh.

pH và Nồng độ ion H⁺ (H₃O⁺)

Độ axit của một dung dịch được đo bằng pH, được định nghĩa là:

$pH = -log[H^{+}]$ hoặc $pH = -log[H_3O^{+}]$

Dung dịch có pH < 7 được coi là axit, pH = 7 là trung tính, và pH > 7 là bazơ.

Một số Axit Quan trọng

• Axit clohidric ($HCl$): Axit mạnh, không màu, mùi hắc. Dùng trong sản xuất nhựa PVC, chất tẩy rửa, và nhiều ứng dụng công nghiệp khác.
• Axit sunfuric ($H_2SO_4$): Axit mạnh, không màu, nhớt. Dùng trong sản xuất phân bón, chất tẩy rửa, và là một trong những hóa chất công nghiệp quan trọng nhất.
• Axit nitric ($HNO_3$): Axit mạnh, không màu, có tính oxi hóa mạnh. Dùng trong sản xuất phân bón, thuốc nổ, và các hợp chất hữu cơ.
• Axit axetic ($CH_3COOH$): Axit yếu, có mùi giấm. Thành phần chính của giấm ăn.
• Axit cacbonic ($H_2CO_3$): Axit yếu, được tạo thành khi khí cacbon dioxit ($CO_2$) hòa tan trong nước.

Phản ứng Trung hòa

Phản ứng giữa axit và bazơ tạo thành muối và nước được gọi là phản ứng trung hòa. Ví dụ:

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry. Pearson Education Limited.
• Zumdahl, S. S., & Zumdahl, S. A. (2013). Chemistry. Cengage Learning.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt giữa axit mạnh và axit yếu trong phòng thí nghiệm?

Trả lời: Có nhiều cách để phân biệt axit mạnh và axit yếu trong phòng thí nghiệm. Một số phương pháp phổ biến bao gồm:

• Sử dụng chất chỉ thị pH: Axit mạnh sẽ làm thay đổi màu của chất chỉ thị pH mạnh hơn so với axit yếu ở cùng nồng độ.
• Đo độ dẫn điện: Dung dịch axit mạnh dẫn điện tốt hơn dung dịch axit yếu ở cùng nồng độ, do axit mạnh phân li hoàn toàn thành ion, trong khi axit yếu chỉ phân li một phần.
• Phản ứng với kim loại: Axit mạnh phản ứng mạnh hơn với kim loại hoạt động (như kẽm hay magie) so với axit yếu, tạo ra khí hydro nhanh hơn.
• Đo pH: Sử dụng máy đo pH để xác định chính xác giá trị pH của dung dịch. Axit mạnh sẽ có pH thấp hơn axit yếu ở cùng nồng độ.

Tại sao $HF$ lại là một axit yếu mặc dù độ âm điện của Flo rất cao?

Trả lời: Mặc dù Flo có độ âm điện cao, liên kết $H-F$ rất mạnh do kích thước nhỏ của cả hai nguyên tử. Điều này làm cho việc phân ly ion $H^+$ trở nên khó khăn, dẫn đến $HF$ là một axit yếu. Ngoài ra, sự hình thành liên kết hydro mạnh giữa các phân tử $HF$ cũng góp phần làm giảm sự phân ly.

Sự khác biệt giữa định nghĩa axit của Brønsted-Lowry và Lewis là gì? Cho ví dụ minh họa.

Trả lời: Định nghĩa Brønsted-Lowry định nghĩa axit là chất cho proton ($H^+$), trong khi định nghĩa Lewis định nghĩa axit là chất nhận cặp electron. Định nghĩa Lewis bao hàm rộng hơn. Ví dụ:

• Brønsted-Lowry: $HCl + H_2O \rightarrow H_3O^+ + Cl^-$. $HCl$ là axit (cho $H^+$) và $H_2O$ là bazơ (nhận $H^+$).
• Lewis: $BF_3 + NH_3 \rightarrow BF_3NH_3$. $BF_3$ là axit Lewis (nhận cặp electron từ $NH_3$) và $NH_3$ là bazơ Lewis (cho cặp electron). Phản ứng này không liên quan đến sự trao đổi proton, nên không thể giải thích bằng định nghĩa Brønsted-Lowry.

Ảnh hưởng của nồng độ đến độ mạnh của axit là gì?

Trả lời: Nồng độ không ảnh hưởng đến độ mạnh của axit (được biểu thị bằng $K_a$), mà ảnh hưởng đến độ axit của dung dịch (được biểu thị bằng pH). Ở nồng độ cao hơn, dung dịch axit sẽ có pH thấp hơn (axit hơn), nhưng $K_a$ của axit vẫn không đổi.

Vai trò của axit trong công nghiệp là gì? Cho một vài ví dụ cụ thể.

Trả lời: Axit đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Một số ví dụ bao gồm:

• Sản xuất phân bón: Axit sulfuric ($H_2SO_4$) được sử dụng để sản xuất phân lân.
• Sản xuất chất tẩy rửa: Axit clohidric ($HCl$) được sử dụng trong sản xuất chất tẩy rửa vệ sinh.
• Luyện kim: Axit sulfuric được sử dụng để loại bỏ gỉ sét và các tạp chất khác khỏi kim loại.
• Sản xuất pin: Axit sulfuric được sử dụng trong ắc quy chì-axit.
• Chế biến thực phẩm: Axit citric được sử dụng làm chất bảo quản và tạo hương vị trong thực phẩm.