Axit và Bazơ — Tính chất, pH và phản ứng

Axit cho proton hoặc làm tăng ion hiđroni trong nước. Bazơ nhận proton hoặc làm tăng ion hiđroxit trong nước. Đó là ý tưởng cốt lõi đằng sau pH, phản ứng trung hòa và hầu hết các bài toán axit-bazơ cơ bản.

Nếu bạn chỉ nhớ một cách kiểm tra, hãy dùng cách này: trong điều kiện đã cho, chất đó cho $H^+$ hay nhận $H^+$? Trong nước, cùng ý tưởng đó thể hiện qua pH thấp hơn đối với dung dịch axit và pH cao hơn đối với dung dịch bazơ.

Axit là gì và bazơ là gì?

Có hai định nghĩa quan trọng nhất trong hóa học nhập môn.

Định nghĩa Arrhenius là đơn giản nhất đối với hóa học trong nước. Axit làm tăng $[H_3O^+]$ trong nước, còn bazơ làm tăng $[OH^-]$ trong nước. Đây là cách hình dung thực tế nhất khi câu hỏi liên quan đến pH hoặc một phản ứng trung hòa thông thường.

Định nghĩa Bronsted-Lowry rộng hơn. Axit cho proton, $H^+$, còn bazơ nhận proton. Điều này giải thích vì sao nhiều phản ứng axit-bazơ được hiểu tốt nhất như các phản ứng chuyển proton.

Không có định nghĩa nào là sai. Hãy dùng cách nhìn Arrhenius khi bài toán nói rõ về dung dịch nước và pH. Hãy dùng cách nhìn Bronsted-Lowry khi bạn cần theo dõi chất nào cho proton và chất nào nhận proton.

pH liên hệ với axit và bazơ như thế nào

Trong dung dịch nước, pH là một thang đo thực tế cho tính axit và tính bazơ. pH thấp hơn nghĩa là nồng độ hiđroni cao hơn, nên dung dịch có tính axit hơn. pH cao hơn nghĩa là nồng độ hiđroni thấp hơn, nên dung dịch có tính bazơ hơn.

Đối với các dung dịch nước loãng gần $25^\circ \mathrm{C}$, quy tắc thường dùng trong lớp học là:

• pH dưới $7$: có tính axit
• pH khoảng $7$: trung tính
• pH trên $7$: có tính bazơ

Quy tắc đó có điều kiện. Trung tính không phải lúc nào cũng đúng bằng pH $7$, và các dung dịch rất đậm đặc có thể nằm ngoài khoảng $0$ đến $14$ quen thuộc trong lớp học.

Điều gì xảy ra trong phản ứng axit-bazơ

Phản ứng axit-bazơ chuyển một proton từ axit sang bazơ. Trong nhiều ví dụ trong dung dịch nước, điều này xuất hiện dưới dạng phản ứng trung hòa.

Với một axit mạnh và một bazơ mạnh trong nước, phương trình ion rút gọn là:

$$H_3O^+ + OH^- \rightarrow 2H_2O$$

Phương trình đó cho thấy sự thay đổi cốt lõi. Ion hiđroni và ion hiđroxit kết hợp tạo thành nước, nên dung dịch trở nên kém axit hơn và kém bazơ hơn so với trước đó.

Ví dụ có lời giải: HCl phản ứng với NaOH

Giả sử bạn trộn $25.0 \, \mathrm{mL}$ HCl $0.10 \, \mathrm{M}$ với $25.0 \, \mathrm{mL}$ NaOH $0.10 \, \mathrm{M}$.

Trong bối cảnh nhập môn này, hãy xem cả hai là chất điện li mạnh, phân li hoàn toàn để tạo ra các tiểu phân axit hoặc bazơ trong nước. Số mol của mỗi chất là

$$n = MV = 0.10 \times 0.0250 = 0.00250 \, \mathrm{mol}$$

Vậy hỗn hợp ban đầu có số mol axit và bazơ bằng nhau.

Các tiểu phân axit và bazơ phản ứng theo tỉ lệ $1:1$. Vì lượng của chúng bằng nhau, không bên nào còn dư sau khi trung hòa. Phần còn lại chủ yếu là nước cùng với các ion khán giả, $Na^+$ và $Cl^-$.

Trong những điều kiện này, dung dịch cuối cùng xấp xỉ trung tính. Ý chính không chỉ là “pH khoảng $7$”. Ý chính là pH cuối cùng phụ thuộc vào chất nào còn dư sau bước chuyển proton.

Nếu một bên dư, dung dịch cuối cùng sẽ không trung tính. Điều kiện đó quan trọng hơn bản thân từ “trung hòa”.

Những lỗi thường gặp về axit-bazơ

Nhầm lẫn axit mạnh với pH thấp trong mọi trường hợp

Độ mạnh của axit và pH có liên quan với nhau, nhưng chúng không giống nhau. Độ mạnh mô tả mức độ axit bị ion hóa hoàn toàn đến đâu trong điều kiện đã cho. pH còn phụ thuộc vào nồng độ.

Cho rằng mọi phản ứng axit-bazơ đều kết thúc ở pH 7

Điều đó chỉ đúng trong những trường hợp cụ thể, chẳng hạn như lượng tương ứng của một axit mạnh và một bazơ mạnh trong bối cảnh dung dịch nước nhập môn thông thường. Axit yếu, bazơ yếu hoặc lượng không bằng nhau sẽ làm thay đổi kết quả.

Xem pH như một tính chất dùng ngoài nước mà không nêu rõ hệ

pH chủ yếu được dùng cho các hệ trong dung dịch nước. Nếu bối cảnh không phải là dung dịch nước, bạn cần cẩn thận hơn để xem pH có thực sự là cách diễn đạt phù hợp hay không.

Nghĩ rằng bazơ luôn an toàn vì chúng “ít axit hơn”

Bazơ cũng có thể phản ứng rất mạnh và có tính ăn mòn. Có tính axit hay có tính bazơ không đồng nghĩa với vô hại hay nguy hiểm.

Bạn dùng các ý tưởng axit-bazơ ở đâu?

Các ý tưởng axit-bazơ xuất hiện bất cứ khi nào bạn cần suy luận về tính phản ứng trong nước, pH của dung dịch, phản ứng trung hòa, chuẩn độ, dung dịch đệm, hóa học đất, tiêu hóa, chất tẩy rửa hoặc kiểm soát quy trình công nghiệp.

Chúng cũng kết nối nhiều chủ đề hóa học mà học sinh thường học tách rời. Khi axit, bazơ và sự chuyển proton được hiểu cùng nhau, pH, dung dịch đệm và đường cong chuẩn độ sẽ dễ đọc hơn nhiều.

Hãy thử một trường hợp tương tự

Hãy tự thử một phiên bản với lượng không bằng nhau, chẳng hạn $25.0 \, \mathrm{mL}$ HCl $0.10 \, \mathrm{M}$ trộn với $20.0 \, \mathrm{mL}$ NaOH $0.10 \, \mathrm{M}$. Trước hết hãy xác định chất phản ứng nào còn dư, rồi dự đoán dung dịch cuối cùng có tính axit hay bazơ trước khi tính toán bất cứ điều gì khác.