Phản ứng trung hòa: Cầu nối giữa axit và bazo

Phản ứng trung hòa là một trong những khái niệm cơ bản nhất trong hóa học, đóng vai trò quan trọng trong cả lĩnh vực giáo dục, nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn. Bài viết này yeuhoahoc.edu.vn sẽ mang lại cái nhìn sâu sắc về phản ứng trung hòa, từ cơ chế đến ứng dụng, giúp bạn hiểu rõ hơn về quá trình hóa học này.

Phản ứng trung hòa là gì?

Phản ứng trung hòa là quá trình hóa học nơi một axit và một bazơ tương tác với nhau để tạo thành nước và một muối. Quá trình này thường diễn ra nhanh chóng và giải phóng nhiệt.

Phân loại phản ứng trung hòa

Phản ứng trung hòa có thể được phân loại dựa trên

Loại axit và bazơ tham gia 

• Axit mạnh + Bazơ mạnh: Phản ứng xảy ra nhanh và hoàn toàn. Ví dụ: HCl + NaOH → NaCl + H2O.
• Axit yếu + Bazơ mạnh: Phản ứng xảy ra chậm và không hoàn toàn. Ví dụ: CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O.
• Axit mạnh + Bazơ yếu: Phản ứng xảy ra nhanh và hoàn toàn. Ví dụ: HCl + NH3 → NH4Cl.
• Axit yếu + Bazơ yếu: Phản ứng xảy ra chậm và không hoàn toàn. Ví dụ: CH3COOH + NH3 → CH3COONH4.

Tính tan của muối tạo thành

• Muối tan: Phản ứng xảy ra hoàn toàn. Ví dụ: HCl + NaOH → NaCl + H2O.
• Muối không tan: Phản ứng xảy ra không hoàn toàn, tạo thành kết tủa. Ví dụ: H2SO4 + Ba(OH)2 → BaSO4↓ + 2H2O.

Pha loãng dung dịch

• Pha loãng dung dịch axit: Nên cho axit vào nước.
• Pha loãng dung dịch bazơ: Nên cho bazơ vào nước.

Tỏa nhiệt

• Phản ứng tỏa nhiệt: Phản ứng trung hòa giữa axit mạnh và bazơ mạnh thường tỏa nhiệt nhiều.
• Phản ứng thu nhiệt: Phản ứng trung hòa giữa axit yếu và bazơ yếu thường thu nhiệt.

Đặc điểm của phản ứng trung hòa

Về bản chất

• Phản ứng trung hòa là quá trình trao đổi ion.
• Axit và bazơ trao đổi ion H+ và OH- để tạo thành muối và nước.

Về điều kiện

• Phản ứng xảy ra khi tỉ lệ mol giữa axit và bazơ bằng 1:1.
• Dung dịch thu được sau phản ứng có pH = 7 (trung tính).

Về phương trình phản ứng

• Phương trình phản ứng tổng quát:

Axit + Bazơ → Muối + Nước

• Ví dụ:
• HCl + NaOH → NaCl + H2O
• H2SO4 + 2KOH → K2SO4 + 2H2O

Cơ chế phản ứng trung hòa

Có hai cơ chế chính cho phản ứng trung hòa:

Cơ chế Brønsted-Lowry

• Theo cơ chế này, axit và bazơ được xác định dựa trên khả năng cho hoặc nhận proton (H+).
• Axit là chất có khả năng cho proton (H+).
• Bazơ là chất có khả năng nhận proton (H+).
• Trong phản ứng trung hòa, axit và bazơ trao đổi proton với nhau để tạo thành muối và nước.

Ví dụ:

• HCl + NaOH → NaCl + H2O
• H2SO4 + 2KOH → K2SO4 + 2H2O

Cơ chế Lewis

• Theo cơ chế này, axit và bazơ được xác định dựa trên khả năng nhận hoặc cho cặp electron.
• Axit là chất có thể nhận electron.
• Bazơ là chất có thể cho electron.
• Trong phản ứng trung hòa, axit và bazơ trao đổi cặp electron với nhau để tạo thành muối và nước.

Ví dụ:

• HCl + NaOH → NaCl + H2O
• H2SO4 + 2KOH → K2SO4 + 2H2O

Ví dụ về phản ứng trung hòa

Phản ứng giữa axit và bazơ tan trong nước

• Axit mạnh + Bazơ mạnh:
  • HCl + NaOH → NaCl + H2O
  • H2SO4 + 2KOH → K2SO4 + 2H2O
• Axit yếu + Bazơ mạnh:
  • CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
  • H2CO3 + 2NaOH → Na2CO3 + 2H2O
• Axit mạnh + Bazơ yếu:
  • HCl + NH3 → NH4Cl
  • H2SO4 + 2NH3 → (NH4)2SO4 + 2H2O
• Axit yếu + Bazơ yếu:
  • CH3COOH + NH3 → CH3COONH4
  • H2CO3 + NH3 → NH4HCO3

Phản ứng giữa axit và bazơ không tan trong nước

• Axit + Bazơ không tan:
  • HCl + Mg(OH)2 → MgCl2 + H2O
  • H2SO4 + Ba(OH)2 → BaSO4↓ + 2H2O

Phản ứng trung hòa trong tự nhiên

• Trung hòa axit trong dạ dày: Dạ dày tiết ra axit HCl để tiêu hóa thức ăn. Khi ăn quá nhiều thức ăn chua, cay, nóng, dạ dày sẽ tiết ra nhiều axit HCl, gây ra tình trạng khó chịu. Để trung hòa axit trong dạ dày, người ta thường sử dụng các loại thuốc như Natri bicarbonate (NaHCO3), Magnesi hydroxide (Mg(OH)2),…
• Trung hòa axit trong môi trường: Axit trong môi trường có thể gây ô nhiễm. Phản ứng trung hòa được sử dụng để khử độc môi trường bằng cách trung hòa axit bằng bazơ tương ứng.

Phản ứng trung hòa trong sản xuất

• Sản xuất muối: Muối ăn (NaCl) được sản xuất từ phản ứng trung hòa giữa axit HCl và bazơ NaOH.
• Sản xuất hóa chất: Phản ứng trung hòa được sử dụng để sản xuất nhiều loại hóa chất khác nhau, như axit nitric (HNO3), axit sulfuric (H2SO4),…

Ứng dụng của phản ứng trung hòa

Phản ứng trung hòa có nhiều ứng dụng trong đời sống và trong sản xuất:

Trung hòa axit trong dạ dày: Dạ dày tiết ra axit HCl để tiêu hóa thức ăn. Khi ăn quá nhiều thức ăn chua, cay, nóng, dạ dày sẽ tiết ra nhiều axit HCl, gây ra tình trạng khó chịu. Để trung hòa axit trong dạ dày, người ta thường sử dụng các loại thuốc như Natri bicarbonate (NaHCO3), Magnesi hydroxide (Mg(OH)2),…

Trung hòa axit trong môi trường: Axit trong môi trường có thể gây ô nhiễm. Phản ứng trung hòa được sử dụng để khử độc môi trường bằng cách trung hòa axit bằng bazơ tương ứng.

Sản xuất muối: Muối ăn (NaCl) được sản xuất từ phản ứng trung hòa giữa axit HCl và bazơ NaOH.

Sản xuất hóa chất: Phản ứng trung hòa được sử dụng để sản xuất nhiều loại hóa chất khác nhau, như axit nitric (HNO3), axit sulfuric (H2SO4),…

Xử lý nước thải: Phản ứng trung hòa được sử dụng để xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt.

Trong y tế: Phản ứng trung hòa được sử dụng để điều trị một số bệnh, như loét dạ dày, tiêu chảy,…

Trong nông nghiệp: Phản ứng trung hòa được sử dụng để bón phân cho cây trồng.

Trong công nghiệp: Phản ứng trung hòa được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, như sản xuất giấy, dệt may, hóa chất,…

Cách giải bài tập phản ứng trung hòa

Để giải bài tập phản ứng trung hòa, cần thực hiện các bước sau:

Bước 1: Xác định loại axit và bazơ tham gia phản ứng.

Bước 2: Viết phương trình phản ứng cân bằng.

Bước 3: Tính toán số mol của axit và bazơ tham gia phản ứng.

Bước 4: Xác định chất phản ứng hết, chất phản ứng dư (nếu có).

Bước 5: Tính toán khối lượng hoặc thể tích của chất cần tìm (sản phẩm, chất dư).

Ví dụ:

Bài toán: Cho 200 ml dung dịch HCl 0,5M tác dụng với 100 ml dung dịch NaOH 1M. Tính khối lượng muối thu được sau phản ứng.

Giải:

Bước 1: Xác định loại axit và bazơ tham gia phản ứng.

• Axit: HCl
• Bazơ: NaOH

Bước 2: Viết phương trình phản ứng cân bằng.

• HCl + NaOH → NaCl + H2O

Bước 3: Tính toán số mol của axit và bazơ tham gia phản ứng.

• nHCl = nNaOH = C.V = 0,5.0,2 = 0,1 mol

Bước 4: Xác định chất phản ứng hết, chất phản ứng dư (nếu có).

• Tỉ lệ mol giữa HCl và NaOH = 0,1/0,1 = 1.
• Theo phương trình phản ứng, tỉ lệ mol giữa HCl và NaOH là 1:1.
• Vậy, HCl và NaOH phản ứng vừa đủ.

Bước 5: Tính toán khối lượng muối thu được sau phản ứng.

• nNaCl = nHCl = nNaOH = 0,1 mol
• mNaCl = n.M = 0,1.58,5 = 5,85 gam

Vậy, khối lượng muối thu được sau phản ứng là 5,85 gam.

Các dạng bài tập của phản ứng trung hoà từ cơ bản đến nâng cao 

Dạng cơ bản 

Dạng 1: Tính thể tích Axit/Bazơ cần thiết để trung hòa một chất

Để tính thể tích axit/bazơ cần thiết để trung hòa một chất, ta cần thực hiện các bước sau:

Bước 1: Xác định nồng độ mol (C) của axit/bazơ cần tính.

Bước 2: Xác định số mol (n) của chất cần trung hòa.

Bước 3: Sử dụng phương trình phản ứng trung hòa để tính tỉ lệ mol giữa axit và bazơ.

Bước 4: Dựa vào tỉ lệ mol và nồng độ mol, tính toán thể tích (V) axit/bazơ cần thiết.

Ví dụ:

Bài toán: Cho 200 ml dung dịch NaOH 1M tác dụng với 100 ml dung dịch HCl 0,5M. Tính thể tích dung dịch NaOH cần thiết để trung hòa axit.

Giải:

Bước 1: Xác định nồng độ mol (C) của axit/bazơ cần tính.

• C(NaOH) = 1M
• C(HCl) = 0,5M

Bước 2: Xác định số mol (n) của chất cần trung hòa.

• n(HCl) = nNaOH = C.V = 0,5.0,1 = 0,05 mol

Bước 3: Sử dụng phương trình phản ứng trung hòa để tính tỉ lệ mol giữa axit và bazơ.

• Phương trình phản ứng: NaOH + HCl → NaCl + H2O
• Tỉ lệ mol: nNaOH/nHCl = 1/1

Bước 4: Dựa vào tỉ lệ mol và nồng độ mol, tính toán thể tích (V) axit/bazơ cần thiết.

• V(NaOH) = nNaOH / C(NaOH) = 0,05 / 1 = 0,05 lít = 50 ml

Vậy, thể tích dung dịch NaOH cần thiết để trung hòa axit là 50 ml.

Bài toán lượng dư của phản ứng trung hòa

Để giải bài toán lượng dư của phản ứng trung hòa, cần thực hiện các bước sau:

Bước 1: Viết phương trình phản ứng cân bằng.

Bước 2: Xác định số mol của axit và bazơ tham gia phản ứng.

Bước 3: So sánh số mol của axit và bazơ dựa vào tỉ lệ mol trong phương trình phản ứng.

Bước 4: Xác định chất phản ứng hết, chất phản ứng dư (nếu có).

Bước 5: Tính toán số mol của chất dư.

Bước 6: Tính toán nồng độ mol của chất dư trong dung dịch sau phản ứng.

Ví dụ:

Bài toán: Cho 200 ml dung dịch HCl 1M tác dụng với 100 ml dung dịch NaOH 0,5M. Tính nồng độ mol của dung dịch HCl dư sau phản ứng.

Giải:

Bước 1: Viết phương trình phản ứng cân bằng.

• HCl + NaOH → NaCl + H2O

Bước 2: Xác định số mol của axit và bazơ tham gia phản ứng.

• nHCl = C.V = 1.0,2 = 0,2 mol
• nNaOH = C.V = 0,5.0,1 = 0,05 mol

Bước 3: So sánh số mol của axit và bazơ dựa vào tỉ lệ mol trong phương trình phản ứng.

• Tỉ lệ mol: nHCl/nNaOH = 1/1
• nHCl/nNaOH = 0,2/0,05 = 4 > 1

Bước 4: Xác định chất phản ứng hết, chất phản ứng dư (nếu có).

• Theo tỉ lệ mol, NaOH phản ứng hết, HCl dư.

Bước 5: Tính toán số mol của chất dư.

• nHCl dư = nHCl – nNaOH = 0,2 – 0,05 = 0,15 mol

Bước 6: Tính toán nồng độ mol của chất dư trong dung dịch sau phản ứng.

• Vdd sau = VHCl + VNaOH = 200 + 100 = 300 ml
• C(HCl dư) = n/V = 0,15/0,3 = 0,5M

Vậy, nồng độ mol của dung dịch HCl dư sau phản ứng là 0,5M.

Dạng nâng cao 

Phản ứng trung hòa với sự thay đổi nhiệt độ

Đề bài: Tính nhiệt lượng tỏa ra khi trung hòa 100 ml dung dịch H₂SO₄ với 200 ml dung dịch NaOH. Biết nhiệt dung riêng của dung dịch là 4.18 J/g°C và khối lượng riêng là 1 g/ml.

Giải:

Bước 1: Lập phương trình phản ứng hóa học cân bằng

• H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O

Bước 2: Xác định số mol của axit và bazơ tham gia phản ứng:

• nH₂SO₄ = C.V = 1.0,1 = 0,1 mol
• nNaOH = C.V = 0,5.0,2 = 0,1 mol

Bước 3: Xác định chất phản ứng hết, chất phản ứng dư (nếu có):

• Theo tỉ lệ mol, nH₂SO₄/nNaOH = 0,1/0,1 = 1/1. Vậy, H₂SO₄ và NaOH phản ứng vừa đủ.

Bước 4: Tính toán nhiệt lượng tỏa ra:

• Theo phương trình phản ứng, nH₂SO₄ = nNaOH = 0,1 mol.
• Nhiệt lượng tỏa ra khi trung hòa 1 mol H₂SO₄ là -28.5 kJ (giá trị âm thể hiện phản ứng tỏa nhiệt).
• Nhiệt lượng tỏa ra khi trung hòa 0,1 mol H₂SO₄ là:

Q = n * ΔH° = 0,1 * (-28.5 kJ) = -2.85 kJ

Bước 5: Chuyển đổi đơn vị:

• Q = -2.85 kJ = -2850 J

Vậy, nhiệt lượng tỏa ra khi trung hòa 100 ml dung dịch H₂SO₄ với 200 ml dung dịch NaOH là -2850 J.

Phản ứng trung hòa với chất đệm

Bài toán: Tính pH của dung dịch sau khi thêm 10 ml dung dịch HCl vào 100 ml dung dịch đệm acetic/acetate có pH ban đầu là 4.75.

Giải:

Bước 1: Xác định nồng độ mol của dung dịch HCl và dung dịch đệm acetic/acetate.

Bước 2: Viết phương trình phản ứng trung hòa giữa HCl và CH3COOH.

Bước 3: Tính số mol HCl phản ứng với CH3COOH.

Bước 4: Tính số mol CH3COOH còn lại sau phản ứng.

Bước 5: Tính số mol CH3COO- tạo thành sau phản ứng.

Bước 6: Tính pH của dung dịch sau phản ứng bằng phương trình Henderson-Hasselbalch.

Dưới đây là giải chi tiết:

Bước 1:

• Nồng độ mol của dung dịch HCl:

C(HCl) = n(HCl) / V(HCl)

• Nồng độ mol của dung dịch đệm acetic/acetate:

C(CH3COOH) = n(CH3COOH) / V(CH3COOH)

Bước 2:

HCl + CH3COOH -> CH3COO- + H2O

Bước 3:

n(HCl) = C(HCl) * V(HCl)

Bước 4:

n(CH3COOH) còn lại = n(CH3COOH) ban đầu – n(HCl)

Bước 5:

n(CH3COO-) = n(HCl)

Bước 6:

pH = pKa + log([CH3COO-]/[CH3COOH])

Lưu ý:

• pKa của axit acetic là 4.75.
• Cần đổi đơn vị thể tích từ ml sang lít trước khi tính toán.

Kết quả:

• pH của dung dịch sau khi thêm 10 ml dung dịch HCl vào 100 ml dung dịch đệm acetic/acetate có pH ban đầu là 4.75 sẽ phụ thuộc vào nồng độ mol của dung dịch HCl và dung dịch đệm acetic/acetate.
• Cần thực hiện tính toán theo các bước trên để xác định pH cụ thể của dung dịch sau phản ứng.

Ví dụ:

• Nếu nồng độ mol của dung dịch HCl là 0.1 M và nồng độ mol của dung dịch đệm acetic/acetate là 0.1 M, thì pH của dung dịch sau phản ứng sẽ là 4.65.

Phản ứng trung hòa trong hệ đa Axit hoặc đa Bazơ

Đề bài: Tính thể tích dung dịch NaOH 0.1M cần thiết để trung hòa hết 25 ml dung dịch H₃PO₄ 0.1M, biết rằng H₃PO₄ là một axit ba nấc.

Lời giải

Để giải bài toán này, ta cần hiểu rằng axit photphoric (H₃PO₄) là một axit ba nấc, nghĩa là nó có thể cho ra ba proton (H⁺) trong ba giai đoạn trung hòa khác nhau

Mỗi mol H₃PO₄ có thể phản ứng với 3 mol NaOH để tạo thành muối và nước:

H3PO4+3NaOH→Na3PO4+3H2O

Bây giờ, ta có thể tính toán thể tích dung dịch NaOH cần thiết:

• Tính số mol H₃PO₄:

Nồng độ H₃PO₄ là 0.1M và thể tích là 25ml (hoặc 0.025L), vậy số mol H₃PO₄ là:

0.1M×0.025L=0.0025 mol

0.1M×0.025L=0.0025 mol

Tính số mol NaOH cần thiết:

Vì mỗi mol H₃PO₄ cần 3 mol NaOH để trung hòa hoàn toàn, số mol NaOH cần là:

0.0025 mol H3PO4×3=0.0075 mol NaOH

0.0025 mol H3PO4×3=0.0075 mol NaOH

Tính thể tích NaOH cần thiết:

Biết nồng độ dung dịch NaOH là 0.1M, ta có thể tính thể tích cần thiết:

Vậy, để trung hòa hết 25ml dung dịch H₃PO₄ 0.1M, ta cần 75ml dung dịch NaOH 0.1M.