Bài 6.Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch các chất điện li

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 (Na₂SO₄) vào ống nghiệm đựng dung dịch bari clorua (BaCl₂) thấy kết tủa trắng của BaSO₄ xuất hiện:           

Na₂SO₄+BaCl₂→2NaCl+BaSO₄↓(1)

Giải thích: Na₂SO₄ và BaCl₂ đều dễ tan và phân ly mạnh trong nước:

                   Na₂SO₄→2Na⁺+SO²⁻₄

                   BaCl₂→Ba²⁺+2Cl⁻

Trong số bốn ion được phân li ra chỉ có các ion Ba²⁺ và SO²⁻₄ kết hợp được với nhau tạo thành chất kết tủa là BaSO₄ (Hình 1.6) nên thực chất phản ứng trong dung dịch là:                  

Ba²⁺+SO²⁻₄→BaSO₄↓(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⁺+SO²⁻₄+Ba²⁺+2Cl⁻→BaSO₄↓+2Na⁺+2Cl⁻

* Lược bỏ những ion không tham gia phản ứng, ta được phương trình ion rút gọn:                     

Ba²⁺+SO²⁻₄→BaSO₄↓

Từ phương trình này ta thấy rằng, muốn điều chế BaSO₄ cần trộn hai dung dịch, một dung dịch chứa ion Ba²⁺ và dung dịch kia chứa ion SO²⁻₄

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 NaOH0,10M. Nhỏ vào đó vài giọt dung dịch phenolphtalein. Dung dịch có màu hồng (hình 1.7). Rót từ từ dung dịch HCl0,10M vào cốc trên, vừa rót vừa khuấy cho đến khi mất màu. Phản ứng như sau: HCl+NaOH→NaCl+H2O

Giải thích: NaOH và HCl đều dễ tan và phân li mạnh trong nước:

NaOH→Na⁺+OH⁻

HCl→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 H2O.

Phương trình ion rút gọn là : H⁺+OH⁻→H₂O

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 H₂O.

Chẳng hạn, Mg(OH)₂ ít tan trong nước, nhưng dễ dàng tan trong dung dịch axit mạnh:                

Mg(OH)₂(r)+2H+→Mg²⁺+2H₂O

b) Phản ứng tạo thành axit yếu

Thí nghiệm: Nhỏ dung dịch HCl vào ồng nghiệm đựng dung dịch CH₃COONa, axit yếu CH₃COOH sẽ tạo thành.             

HCl+CH₃COONa→CH₃COOH+NaCl

Giải thích: HCl và CH3COONa là các chất dễ tan và phân li mạnh:

                  HCl→H⁺+Cl⁻

                  CH₃COONa→Na⁺+CH₃COO⁻

Trong dung dịch, các ion H+ sẽ kết hợp với các ion CH₃COO⁻ tạo thành chất điện li yếu là CH₃COOH (mùi giấm). Phương trình ion rút gọn:

CH₃COO⁻+H⁺→CH₃COOH

3. Phản ứng tạo thành chất khí

Thí nghiệm: Rót dung dịch HCl vào cốc đựng dung dịch Na₂CO₃ ta thấy có khí thoát ra:

 2HCl+Na₂CO₃→2NaCl+CO₂↑+H₂O

Giải thích: HCl và Na₂CO₃ đều dễ tan và phân li mạnh:

                    HCl→H⁺+Cl⁻

                    Na₂CO₃→2Na⁺+CO²⁻₃

Các ion H⁺ và CO²⁻₃ trong dung dịch kết hợp với nhau tạo thành axit yếu là H₂CO₃. Axit này không bền bị phân hủy ra CO₂ và H₂O:

                    H⁺+CO²⁻₃→HCO⁻₃

                    H⁺+HCO⁻₃→H₂CO₃

                    H₂CO₃→CO₂↑+H₂O

Phương trình ion rút gọn:                     

2H⁺+CO²⁻₃→CO₂↑+H₂O

Phản ứng giữa muối cacbonat và dung dịch axit rất dễ xảy ra, vì vừa tạo thành chất điện li rất yếu là H2O, vừa tạo ra chất khí CO2 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 (CaCO3) rất dễ tan trong dung dịch HCl                     

CaCO₃(r)+2HCl→CO₂↑+H₂O+CaCl2

Phương trình ion rút gọn:                     

CaCO₃(r)+2H⁺→Ca²⁺+CO₂↑+H₂O

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 CH₃COONa trong nước, ta thấy pH>7,0.

Điều này được giải thích như sau: CH3COONa hòa tan trong nước phân li ra ion theo phương trình:                   CH₃COONa→Na⁺+CH₃COO⁻

Anion CH₃COO⁻ phản ứng với H₂O tạo ra chất điện li yếu CH₃COOH. Phương trình ion rút gọn:                    

CH₃COO⁻+HOH⇌CH₃COOH+OH⁻

Các anion OH− được giải phóng, nên môi trường có pH>7,0. Sản phẩm phản ứng là axit (CH₃COOH) và bazơ (OH−), do đó có phản ứng ngược lại. Cation Na+ trong muối CH₃COONa là cation của bazơ mạnh (NaOH), nên không phản ứng với nước.

Thí dụ 2: pH của dung dịch Fe(NO₃)₃ nhỏ hơn 7,0 vì cation Fe³⁺ được tạo ra do sự điện li của Fe(NO₃)₃ tác dụng với H₂O tạo thành chất điện li yếu là Fe(OH)²⁺ và giải phóng các ion H⁺:                     

Fe³⁺+HOH⇌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 (HNO3), nên không phản ứng với nước.

Thí dụ 3: Khi hòa tan (CH₃COO)₂Pb trong nước, cả hai ion Pb2+ và CH₃COO− 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 NaHCO₃,KH₂PO₄,K₂HPO₄ khi hòa tan trong nước phân li ra các anion HCO⁻₃,H₂PO⁻₄,HPO²⁻₄. Các ion này là lưỡng tính. Chúng cũng phản ứng với H₂O, 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: CH₃COONa;K₂S;Na₂CO₃

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(NO₃)₃,NH₄Cl,ZnBr₂

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,KNO₃,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.