Phản ứng axit-bazơ (Acid-base reaction)

1. Định nghĩa Arrhenius:
   • Axit: Chất tạo ra ion $H^+$ (proton) khi hòa tan trong nước. Ví dụ: $HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$
   • Bazơ: Chất tạo ra ion $OH^-$ (hydroxit) khi hòa tan trong nước. Ví dụ: $NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$
   • Phản ứng trung hòa: Phản ứng giữa axit và bazơ tạo ra muối và nước. Ví dụ: $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

   Hạn chế của định nghĩa này là chỉ áp dụng cho các phản ứng trong dung dịch nước. Nó không giải thích được tính bazơ của các chất không chứa nhóm $OH^-$ như $NH_3$.

Định nghĩa Brønsted-Lowry

• Axit: Chất cho proton ($H^+$).
• Bazơ: Chất nhận proton ($H^+$).

Định nghĩa này mở rộng hơn định nghĩa Arrhenius vì nó không giới hạn trong dung dịch nước. Một phản ứng axit-bazơ theo Brønsted-Lowry bao gồm việc chuyển proton từ axit sang bazơ.

Ví dụ:

$HCl + NH_3 \rightarrow NH_4^+ + Cl^-$

Trong phản ứng này, $HCl$ là axit (cho $H^+$) và $NH_3$ là bazơ (nhận $H^+$). $NH_4^+$ là axit liên hợp của $NH_3$, và $Cl^-$ là bazơ liên hợp của $HCl$.

Định nghĩa Lewis

• Axit: Chất nhận cặp electron.
• Bazơ: Chất cho cặp electron.

Định nghĩa Lewis là định nghĩa tổng quát nhất, bao gồm cả các phản ứng không liên quan đến proton. Nó tập trung vào sự chia sẻ cặp electron để hình thành liên kết cộng hóa trị phối trí.

Ví dụ:

$BF_3 + :NH_3 \rightarrow F_3B-NH_3$

Trong phản ứng này, $BF_3$ là axit Lewis (nhận cặp electron từ $NH_3$) và $NH_3$ là bazơ Lewis (cho cặp electron).

Các Loại Phản ứng Axit-Bazơ

• Trung hòa: Phản ứng giữa axit mạnh và bazơ mạnh tạo ra dung dịch trung tính (pH=7).
• Phản ứng axit yếu với bazơ mạnh: Tạo ra dung dịch bazơ (pH>7).
• Phản ứng bazơ yếu với axit mạnh: Tạo ra dung dịch axit (pH<7).
• Phản ứng axit yếu với bazơ yếu: pH của dung dịch phụ thuộc vào hằng số axit ($K_a$) của axit và hằng số bazơ ($K_b$) của bazơ.

Ứng dụng của Phản ứng Axit-Bazơ

Phản ứng axit-bazơ có nhiều ứng dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp, ví dụ như:

• Trung hòa axit trong dạ dày: Sử dụng thuốc kháng axit (chứa bazơ) để giảm độ axit trong dạ dày.
• Sản xuất phân bón: Phản ứng axit-bazơ được sử dụng trong quá trình sản xuất phân bón.
• Xử lý nước thải: Điều chỉnh pH của nước thải bằng cách thêm axit hoặc bazơ.
• Tổng hợp hóa chất: Nhiều phản ứng tổng hợp hóa chất hữu cơ và vô cơ sử dụng phản ứng axit-bazơ.

Tính chất của Phản ứng Axit-Bazơ

• Tỏa nhiệt: Phần lớn phản ứng axit-bazơ là phản ứng tỏa nhiệt, nghĩa là chúng giải phóng nhiệt ra môi trường xung quanh. Đặc biệt, phản ứng trung hòa giữa axit mạnh và bazơ mạnh thường tỏa ra một lượng nhiệt đáng kể.
• Thay đổi pH: Phản ứng axit-bazơ làm thay đổi pH của dung dịch. Phản ứng giữa axit và bazơ làm giảm độ axit hoặc độ bazơ của dung dịch, hướng tới giá trị pH trung tính (pH=7).
• Tạo thành muối và nước: Trong nhiều trường hợp, sản phẩm của phản ứng axit-bazơ là muối và nước. Muối là hợp chất ion được tạo thành từ cation của bazơ và anion của axit.
• Sự thay đổi màu sắc của chất chỉ thị: Chất chỉ thị axit-bazơ là các chất hữu cơ có màu sắc thay đổi theo pH của dung dịch. Chúng được sử dụng để xác định điểm tương đương trong phép chuẩn độ axit-bazơ. Ví dụ: Phenolphtalein chuyển từ không màu sang hồng trong môi trường bazơ.
• Phản ứng thuận nghịch: Một số phản ứng axit-bazơ là phản ứng thuận nghịch, nghĩa là chúng có thể xảy ra theo cả hai chiều. Ví dụ, phản ứng giữa axit yếu và bazơ yếu thường là phản ứng thuận nghịch.

Chuẩn độ Axit-Bazơ

Chuẩn độ axit-bazơ là một kỹ thuật phân tích định lượng được sử dụng để xác định nồng độ của một dung dịch axit hoặc bazơ bằng cách cho nó phản ứng với một dung dịch có nồng độ đã biết (dung dịch chuẩn). Quá trình chuẩn độ liên quan đến việc thêm từ từ dung dịch chuẩn vào dung dịch cần xác định nồng độ cho đến khi phản ứng hoàn toàn, được gọi là điểm tương đương. Điểm tương đương thường được xác định bằng cách sử dụng chất chỉ thị axit-bazơ hoặc bằng cách đo pH của dung dịch.

Ví dụ về Phản ứng Axit-Bazơ trong Đời sống

• Nướng bánh: Sử dụng baking soda ($NaHCO_3$) – một bazơ – để phản ứng với axit trong bột nở, tạo ra khí $CO_2$ làm bánh nở phồng.
• Mưa axit: Các oxit axit như $SO_2$ và $NO_x$ phản ứng với nước trong khí quyển tạo thành axit sulfuric ($H_2SO_4$) và axit nitric ($HNO_3$), gây ra mưa axit.
• Tiêu hóa: Axit clohydric ($HCl$) trong dạ dày giúp tiêu hóa thức ăn.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Zumdahl, S. S., & DeCoste, D. J. (2017). Chemical Principles. Cengage Learning.
• Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General Chemistry: Principles and Modern Applications. Pearson.

Câu hỏi và Giải đáp

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

Trả lời: Định nghĩa Brønsted-Lowry tập trung vào sự trao đổi proton ($H^+$), trong khi định nghĩa Lewis tập trung vào sự cho nhận cặp electron. Ví dụ, phản ứng $NH_3 + H^+ \rightarrow NH_4^+$ là phản ứng axit-bazơ theo cả hai định nghĩa. $H^+$ là axit (cho proton/nhận cặp electron) và $NH_3$ là bazơ (nhận proton/cho cặp electron). Tuy nhiên, phản ứng $BF_3 + NH_3 \rightarrow F_3B-NH_3$ chỉ được coi là phản ứng axit-bazơ theo Lewis. $BF_3$ là axit Lewis (nhận cặp electron) và $NH_3$ là bazơ Lewis (cho cặp electron). Phản ứng này không liên quan đến sự trao đổi proton nên không thuộc phạm vi định nghĩa Brønsted-Lowry.

Tại sao phản ứng trung hòa giữa axit mạnh và bazơ mạnh lại tỏa nhiệt mạnh?

Trả lời: Phản ứng trung hòa giữa axit mạnh và bazơ mạnh, ví dụ $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$, tỏa nhiệt mạnh do sự hình thành liên kết mạnh giữa ion $H^+$ và ion $OH^-$ tạo thành nước ($H_2O$). Năng lượng được giải phóng khi hình thành liên kết này lớn hơn năng lượng cần để phá vỡ liên kết trong axit và bazơ ban đầu.

Chất chỉ thị axit-bazơ hoạt động như thế nào?

Trả lời: Chất chỉ thị axit-bazơ là các phân tử hữu cơ có cấu trúc thay đổi theo pH của dung dịch, dẫn đến sự thay đổi màu sắc. Sự thay đổi cấu trúc này thường liên quan đến việc nhận hoặc mất proton ($H^+$), ảnh hưởng đến sự hấp thụ ánh sáng của phân tử và do đó thay đổi màu sắc mà ta quan sát được.

Làm thế nào để tính pH của dung dịch sau phản ứng giữa axit yếu và bazơ mạnh?

Trả lời: Để tính pH của dung dịch sau phản ứng giữa axit yếu và bazơ mạnh, ta cần xem xét cân bằng của axit yếu và sự thủy phân của muối tạo thành. Thông thường, ta cần sử dụng hằng số điện li axit ($K_a$) của axit yếu và nồng độ ban đầu của axit và bazơ để tính nồng độ $OH^-$ và sau đó tính pOH và pH. Trong một số trường hợp đơn giản, khi bazơ mạnh dư nhiều, ta có thể xấp xỉ nồng độ $OH^-$ bằng nồng độ bazơ mạnh dư.

Ứng dụng của phản ứng axit-bazơ trong xử lý nước thải là gì?

Trả lời: Trong xử lý nước thải, phản ứng axit-bazơ được sử dụng để điều chỉnh pH của nước thải về phạm vi cho phép trước khi thải ra môi trường. Ví dụ, nếu nước thải có tính axit, có thể thêm bazơ như vôi ($Ca(OH)_2$) để trung hòa axit. Ngược lại, nếu nước thải có tính bazơ, có thể thêm axit như axit sulfuric ($H_2SO_4$) để trung hòa bazơ. Việc điều chỉnh pH quan trọng để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.