Định nghĩa:
- Axit: Một axit Brønsted-Lowry là chất có khả năng cho proton ($H^+$). Nói cách khác, axit là chất cho proton. Khi một axit cho đi một proton, nó trở thành bazơ liên hợp của nó.
- Bazơ: Một bazơ Brønsted-Lowry là chất có khả năng nhận proton ($H^+$). Nói cách khác, bazơ là chất nhận proton. Khi một bazơ nhận một proton, nó trở thành axit liên hợp của nó.
Ví dụ
Xét phản ứng giữa axit clohidric (HCl) và nước ($H_2O$):
$HCl + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + Cl^-$
Trong phản ứng này:
- $HCl$ đóng vai trò là axit vì nó cho một proton ($H^+$) cho $H_2O$.
- $H_2O$ đóng vai trò là bazơ vì nó nhận một proton ($H^+$) từ $HCl$.
Cặp Axit-Bazơ Liên hợp
Khi một axit cho đi một proton, nó trở thành một bazơ, gọi là bazơ liên hợp của axit đó. Tương tự, khi một bazơ nhận một proton, nó trở thành một axit, gọi là axit liên hợp của bazơ đó. Một axit và bazơ liên hợp của nó tạo thành một cặp axit-bazơ liên hợp.
Trong ví dụ trên:
- $HCl$ là axit và $Cl^-$ là bazơ liên hợp của nó. ($HCl/Cl^-$ là một cặp axit-bazơ liên hợp)
- $H_2O$ là bazơ và $H_3O^+$ là axit liên hợp của nó. ($H_2O/H_3O^+$ là một cặp axit-bazơ liên hợp)
Ưu điểm của Thuyết Brønsted-Lowry
Thuyết Brønsted-Lowry khắc phục được một số hạn chế của thuyết Arrhenius, cụ thể là:
- Mở rộng khái niệm axit-bazơ sang cả môi trường không nước. Thuyết Arrhenius chỉ giới hạn trong môi trường nước.
- Giải thích được tính bazơ của các chất không chứa nhóm $OH^-$. Ví dụ như $NH_3$.
- Giải thích được tính lưỡng tính của một số chất (vừa có thể cho, vừa có thể nhận $H^+$), ví dụ như $H_2O$, $HCO_3^-$. Những chất này có thể hoạt động như axit hoặc bazơ tùy thuộc vào chất mà chúng phản ứng.
Hạn chế của Thuyết Brønsted-Lowry
- Không giải thích được phản ứng axit-bazơ không involving proton, ví dụ như phản ứng giữa $BF_3$ và $NH_3$. Các phản ứng này được giải thích bởi thuyết Lewis.
Tóm lược
Tóm lại, thuyết Brønsted-Lowry cung cấp một cách hiểu rõ hơn về axit và bazơ, tập trung vào sự trao đổi proton giữa các chất. Nó là một công cụ quan trọng trong hóa học để dự đoán và giải thích các phản ứng hóa học.
Tính Lưỡng Tính
Như đã đề cập, thuyết Brønsted-Lowry cho phép giải thích tính lưỡng tính của một số chất. Một chất lưỡng tính có thể hoạt động vừa như một axit vừa như một bazơ, tùy thuộc vào chất mà nó phản ứng. Nước ($H_2O$) là một ví dụ điển hình. Trong phản ứng với $HCl$, $H_2O$ hoạt động như bazơ. Tuy nhiên, trong phản ứng với $NH_3$, $H_2O$ lại hoạt động như axit:
$H_2O + NH_3 \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$
Trong phản ứng này:
- $H_2O$ đóng vai trò là axit vì nó cho một proton ($H^+$) cho $NH_3$.
- $NH_3$ đóng vai trò là bazơ vì nó nhận một proton ($H^+$) từ $H_2O$.
Độ Mạnh của Axit và Bazơ
Độ mạnh của một axit Brønsted-Lowry được xác định bởi khả năng cho proton của nó. Axit mạnh dễ dàng cho proton, trong khi axit yếu khó cho proton hơn. Tương tự, độ mạnh của một bazơ được xác định bởi khả năng nhận proton của nó. Bazơ mạnh dễ dàng nhận proton, trong khi bazơ yếu khó nhận proton hơn.
Một axit mạnh sẽ có bazơ liên hợp yếu và ngược lại. Tương tự, một bazơ mạnh sẽ có axit liên hợp yếu và ngược lại.
Ứng dụng của Thuyết Brønsted-Lowry
Thuyết Brønsted-Lowry có nhiều ứng dụng trong hóa học, bao gồm:
- Dự đoán chiều hướng phản ứng: Phản ứng axit-bazơ thường diễn ra theo chiều từ axit mạnh sang bazơ mạnh.
- Tính toán pH: Thuyết này là cơ sở cho việc tính toán pH của dung dịch.
- Hiểu về phản ứng trung hòa: Phản ứng giữa axit và bazơ tạo thành muối và nước.
- Nghiên cứu xúc tác axit-bazơ: Nhiều phản ứng hóa học được xúc tác bởi axit hoặc bazơ.
Thuyết Brønsted-Lowry cung cấp một định nghĩa tổng quát hơn về axit và bazơ so với thuyết Arrhenius. Điểm cốt lõi của thuyết này là sự trao đổi proton ($H^+$). Axit được định nghĩa là chất cho proton, còn bazơ là chất nhận proton. Hãy ghi nhớ ví dụ kinh điển về phản ứng giữa $HCl$ (axit) và $H_2O$ (bazơ): $HCl + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + Cl^-$. Trong phản ứng này, $HCl$ cho $H^+$ và trở thành bazơ liên hợp $Cl^-$, còn $H_2O$ nhận $H^+$ và trở thành axit liên hợp $H_3O^+$.
Khái niệm cặp axit-bazơ liên hợp rất quan trọng. Một axit và bazơ liên hợp của nó tạo thành một cặp, ví dụ như $HCl/Cl^-$ và $H_2O/H_3O^+$. Độ mạnh của axit tỉ lệ nghịch với độ mạnh của bazơ liên hợp, và ngược lại. Axit mạnh dễ cho proton, bazơ liên hợp của nó sẽ yếu và khó nhận lại proton.
Một điểm đáng chú ý khác là tính lưỡng tính. Một số chất, như nước ($H_2O$), có thể hoạt động vừa là axit vừa là bazơ tùy thuộc vào phản ứng. $H_2O$ có thể cho $H^+$ (như trong phản ứng với $NH_3$) hoặc nhận $H^+$ (như trong phản ứng với $HCl$). Thuyết Brønsted-Lowry giải thích được tính lưỡng tính này, một điểm mà thuyết Arrhenius chưa làm được. Cuối cùng, hãy nhớ rằng thuyết Brønsted-Lowry tập trung vào proton ($H^+$), khác với thuyết Lewis sẽ được tìm hiểu sau này.
Tài liệu tham khảo:
- Huheey, J. E., Keiter, E. A., & Keiter, R. L. (1993). Inorganic Chemistry: Principles of Structure and Reactivity (4th ed.). HarperCollins College Publishers.
- Masterton, W. L., Hurley, C. N., & Neth, E. J. (2012). Chemistry: Principles and Reactions (7th ed.). Cengage Learning.
- Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General Chemistry: Principles and Modern Applications (11th ed.). Pearson.
Câu hỏi và Giải đáp
Câu 1: Sự khác biệt chính giữa thuyết axit-bazơ Arrhenius và Brønsted-Lowry là gì?
Trả lời: Thuyết Arrhenius định nghĩa axit là chất tạo ra $H^+$ trong nước và bazơ là chất tạo ra $OH^-$ trong nước. Thuyết Brønsted-Lowry tổng quát hơn, định nghĩa axit là chất cho $H^+$ (chất cho proton) và bazơ là chất nhận $H^+$ (chất nhận proton), không giới hạn trong môi trường nước.
Câu 2: $HCO_3^-$ có thể hoạt động như một axit hay bazơ Brønsted-Lowry? Giải thích.
Trả lời: $HCO_3^-$ có thể hoạt động như cả axit và bazơ Brønsted-Lowry, thể hiện tính lưỡng tính. Nó có thể cho $H^+$ để trở thành $CO_3^{2-}$ (hoạt động như axit) hoặc nhận $H^+$ để trở thành $H_2CO_3$ (hoạt động như bazơ).
Câu 3: Tại sao $NH_3$ được coi là một bazơ Brønsted-Lowry, mặc dù nó không chứa ion $OH^-$?
Trả lời: Theo thuyết Brønsted-Lowry, bazơ là chất nhận $H^+$. $NH_3$ có thể nhận $H^+$ từ nước hoặc các axit khác để tạo thành $NH_4^+$, do đó nó được coi là một bazơ, mặc dù không chứa $OH^-$. Phản ứng minh hoạ: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$.
Câu 4: Mối quan hệ giữa độ mạnh của một axit và bazơ liên hợp của nó là gì?
Trả lời: Độ mạnh của một axit tỉ lệ nghịch với độ mạnh của bazơ liên hợp của nó. Axit càng mạnh thì bazơ liên hợp của nó càng yếu và ngược lại.
Câu 5: Làm thế nào để xác định chất nào là axit và chất nào là bazơ trong một phản ứng cho nhận proton?
Trả lời: Chất cho $H^+$ là axit, chất nhận $H^+$ là bazơ. Quan sát sự thay đổi công thức hóa học trước và sau phản ứng để xác định chất nào cho và chất nào nhận $H^+$.
- Brønsted và Lowry không hề hợp tác với nhau: Mặc dù thuyết mang tên cả hai nhà khoa học, Johannes Nicolaus Brønsted (người Đan Mạch) và Thomas Martin Lowry (người Anh) đã phát triển thuyết này một cách độc lập trong cùng một năm, 1923. Họ chưa từng chính thức cộng tác trong nghiên cứu này.
- Thuyết Brønsted-Lowry mở đường cho thuyết Lewis: Việc tập trung vào proton của thuyết Brønsted-Lowry đã tạo tiền đề cho Gilbert N. Lewis phát triển một thuyết axit-bazơ tổng quát hơn vào năm 1923, dựa trên sự cho nhận cặp electron. Thuyết Lewis giải thích được cả những phản ứng không có sự tham gia của proton.
- Nước là một “kẻ hai mặt”: Tính lưỡng tính của nước, được giải thích rõ ràng bởi thuyết Brønsted-Lowry, là một yếu tố vô cùng quan trọng trong hóa học và sinh học. Nó cho phép nước tham gia vào rất nhiều phản ứng hóa học, và là một phần lý do tại sao nước được coi là “dung môi vạn năng”.
- Không phải tất cả các axit đều giống nhau: Độ mạnh của axit Brønsted-Lowry rất đa dạng. Một số axit, như axit percloric ($HClO_4$), rất mạnh và có thể gây bỏng nặng. Trong khi đó, các axit yếu như axit axetic ($CH_3COOH$) có trong giấm ăn và hoàn toàn an toàn khi sử dụng trong thực phẩm.
- Proton “nhảy múa”: Trong dung dịch nước, các proton ($H^+$) không tồn tại ở dạng ion tự do mà liên kết với các phân tử nước tạo thành ion hydroni ($H_3O^+$). Tuy nhiên, các proton này liên tục “nhảy” từ phân tử nước này sang phân tử nước khác với tốc độ rất nhanh, tạo nên một mạng lưới liên kết động.
- Ứng dụng rộng rãi: Thuyết Brønsted-Lowry không chỉ là lý thuyết suông mà còn có ứng dụng rộng rãi trong đời sống, từ việc sản xuất phân bón, thuốc men, đến việc xử lý nước thải và kiểm soát độ pH trong các quy trình công nghiệp.