Phản ứng trao đổi: Khám phá và cơ chế ứng dụng

Làm thế nào để giải thích phản ứng trao đổi và những yếu tố nào cần thiết để phản ứng này diễn ra?Cơ chế ứng dụng được biểu diễn ra sao? Mời các bạn cùng yeuhoahoc.edu.vn cùng tham khảo qua nội dung bài viết dưới đây nhé 

Định nghĩa phản ứng trao đổi

Phản ứng trao đổi là một dạng phản ứng hóa học nơi các ion trong các hợp chất khác nhau trao đổi với nhau để tạo ra sản phẩm mới. Loại phản ứng này thường xảy ra trong dung dịch và có thể dễ dàng quan sát thông qua sự thay đổi màu sắc, kết tủa hoặc sản phẩm khí.

Phân loại phản ứng trao đổi

Phản ứng trao đổi được phân loại dựa vào dung dịch tham gia và sản phẩm tạo thành.

Phân loại dựa vào dung dịch tham gia

Phản ứng trao đổi giữa dung dịch axit và dung dịch bazơ: Một axit tá dụng với một bazơ để tạo ra sản phẩm là muối và nước 

Axit  +  Bazơ  —> Muối + Nước 

Ví dụ:

Phản ứng trao đổi giữa dung dịch muối và dung dịch kim loại:

KL  +  Muối —> Muối mới + KL mới 

Ví dụ:

Phản ứng trao đổi giữa hai dung dịch muối:

Ví dụ:

Phân loại dựa vào sản phẩm

Phản ứng tạo ra kết tủa:

Ví dụ:

Phản ứng tạo ra khí:

Ví dụ:

Phản ứng tạo ra nước:

Ví dụ:

Điều kiện xảy ra phản ứng trao đổi:

Để phản ứng trao đổi xảy ra, cần thỏa mãn một trong hai điều kiện sau:

Tạo thành chất kết tủa

• Chất kết tủa là chất không tan trong dung dịch.
• Khi các ion trong dung dịch kết hợp với nhau tạo thành chất kết tủa, phản ứng trao đổi sẽ xảy ra.

Ví dụ:

Tạo thành chất khí

• Chất khí là chất thoát ra khỏi dung dịch.
• Khi các ion trong dung dịch kết hợp với nhau tạo thành chất khí, phản ứng trao đổi sẽ xảy ra.

Ví dụ:

Ngoài hai điều kiện trên, một số phản ứng trao đổi xảy ra khi tạo thành axit hoặc bazơ yếu hơn axit hoặc bazơ ban đầu.

Ví dụ:

Lưu ý:

• Không phải tất cả các phản ứng có đủ hai điều kiện trên đều xảy ra.
• Cần dựa vào tính tan, độ điện li của các chất tham gia và sản phẩm để xác định phản ứng có xảy ra hay không.

Ví dụ:

• NaCl + KNO3 không xảy ra phản ứng vì các chất tham gia và sản phẩm đều tan và điện li mạnh.

Cơ chế của phản ứng trao đổi:

Có hai cơ chế chính cho phản ứng trao đổi:

Cơ chế trao đổi ion

• Trong cơ chế này, các ion trong dung dịch trao đổi vị trí với nhau.
• Ví dụ:

• Phản ứng trao đổi giữa dung dịch axit và dung dịch bazơ:

H+ (từ axit) + OH- (từ bazơ) → H2O

• Phản ứng trao đổi giữa dung dịch muối và dung dịch kim loại:

M+ (từ dung dịch muối) + Me (kim loại) → M (kim loại) + Me+ (từ dung dịch muối)

Cơ chế tạo phức

• Trong cơ chế này, các ion trong dung dịch kết hợp với nhau tạo thành phức chất.
• Ví dụ:

• Phản ứng tạo phức giữa ion Cu2+ và ion NH3:

Ngoài hai cơ chế trên, một số phản ứng trao đổi có thể xảy ra theo cơ chế khác.

Cơ chế của phản ứng trao đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

• Loại phản ứng trao đổi
• Tính chất của các chất tham gia
• Điều kiện phản ứng

Ví dụ:

• Phản ứng trao đổi giữa dung dịch axit và dung dịch bazơ thường xảy ra theo cơ chế trao đổi ion.
• Phản ứng trao đổi giữa dung dịch muối và dung dịch kim loại có thể xảy ra theo cả hai cơ chế trao đổi ion và tạo phức.

Ứng dụng của phản ứng trao đổi:

Điều chế axit, bazơ, muối

• Phản ứng trao đổi giữa dung dịch axit và dung dịch bazơ được sử dụng để điều chế muối.
• Ví dụ:

• Phản ứng trao đổi giữa dung dịch muối và dung dịch kim loại được sử dụng để điều chế kim loại.
• Ví dụ:

Xử lý nước thải

• Phản ứng trao đổi được sử dụng để loại bỏ các chất độc hại trong nước thải.
• Ví dụ:

${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SO}}_4 + {\mathrm{BaCl}}_2 \to {\mathrm{BaSO}}_4\downarrow + 2\mathrm{NaCl}$

$\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2 + {\mathrm{MgCl}}_2 \to \mathrm{Mg}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2\downarrow + {\mathrm{CaCl}}_2$

Sản xuất phân bón

• Phản ứng trao đổi được sử dụng để sản xuất phân bón hóa học.
• Ví dụ:

${\mathrm{Ca}}_3{\left({\mathrm{PO}}_4\right)}_{2 }+ 2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 \to 3{\mathrm{CaSO}}_4\downarrow + 2{\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4$

${\left({\mathrm{NH}}_4\right)}_2{\mathrm{SO}}_4 + {\mathrm{CaCl}}_2 \to {\mathrm{CaSO}}_4\downarrow + 2{\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl}$

Xác định thành phần của hợp chất

• Phản ứng trao đổi được sử dụng để xác định thành phần của hợp chất.
• Ví dụ:

Dùng dung dịch BaCl2 để xác định thành phần của dung dịch muối sunfat.

Ứng dụng trong y học

• Phản ứng trao đổi được sử dụng trong một số phương pháp điều trị y tế.
• Ví dụ:

Dùng dung dịch NaCl để rửa vết thương.

Ngoài ra, phản ứng trao đổi còn có nhiều ứng dụng khác trong các lĩnh vực như luyện kim, dệt may, hóa chất, v.v.

Một vài dạng bài tập của phản ứng trao đổi:

Dạng 1: Cho biết các dung dịch tham gia, xác định các cặp ion có thể xảy ra phản ứng trao đổi và viết phương trình phản ứng ion rút gọn.

Ví dụ: Cho dung dịch BaCl2 tác dụng với dung dịch Na2SO4.

Xác định: Cặp ion có thể xảy ra phản ứng trao đổi là Ba2+ và SO42-.

Phương trình phản ứng ion rút gọn:

${\mathrm{Ba}}^{2+} + {\mathrm{SO}}^{4^{2–}}\to {\mathrm{BaSO}}_4\downarrow$

Dạng 2: Cho biết các dung dịch tham gia, tính khối lượng chất kết tủa thu được.

Ví dụ: Cho 200 ml dung dịch BaCl2 1M tác dụng với 300 ml dung dịch Na2SO4 0,5M. Tính khối lượng BaSO4 thu được.

Lời giải:

Bước 1: Viết phương trình phản ứng ion rút gọn:

${\mathrm{Ba}}^{2+} + {\mathrm{SO}}^{4^{2–}}\to {\mathrm{BaSO}}_4\downarrow$

Bước 2: Xác định lượng mol của các chất ban đầu 

nBaCl2 = 0,2 mol; nNa2SO4 = 0,15 mol

Bước 3: Lập tỉ lệ số mol giữa Ba2+ và SO42-:

nBa2+/nSO42- = 0,2/0,15 = 4/3

Bước 4: Xác định chất nào được tiêu thụ hết và chất nào còn dư sau phản ứng

• Ba2+ phản ứng hết, SO42- dư.

Bước 5: Tính số mol của BaSO4:

nBaSO4 = nBaCl2 = 0,2 mol

Bước 6: Tính khối lượng BaSO4:

mBaSO4 = nBaSO4 * MBaSO4 = 0,2 * 233 = 46,6 gam

Vậy, khối lượng BaSO4 thu được là 46,6 gam.

Dạng 3: Cho biết các dung dịch tham gia, Xácđịnh nồng độ mol của các thành phần trong dung dịch sau khi phản ứng diễn ra.

Ví dụ: Cho 100 ml dung dịch HCl 1M tác dụng với 200 ml dung dịch NaOH 0,5M. Tính nồng độ mol của các chất trong dung dịch sau phản ứng.

Lời giải:

Bước 1: Viết phương trình phản ứng ion rút gọn:

${\mathrm{H}}^{+} + {\mathrm{OH}}^{–} \to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Bước 2: Tính số mol của các chất tham gia:

nHCl = 0,1 mol; nNaOH = 0,1 mol

Bước 3: Lập tỉ lệ số mol giữa H+ và OH-:

nH+/nOH- = 0,1/0,1 = 1

Bước 4: Xác định chất phản ứng hết và chất dư:

• H+ và OH- phản ứng hết.

Bước 5: Tính số mol của các chất trong dung dịch sau phản ứng:

nNaCl = nHCl = nNaOH = 0,1 mol

Bước 6: Tính nồng độ mol của các chất trong dung dịch sau khi phản ứng kết thúc:

CNaCl = nNaCl / Vdd = 0,1 / (0,1 + 0,2) = 0,33 M

Vậy, nồng độ mol của NaCl trong dung dịch sau phản ứng là 0,33 M.