PH VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA ION HIDRO VÀ ION HIDROXITE

Thực tế, chính nước tự sản sinh ra cả ion H+ và OH-.

H₂O → H⁺ + OH^-

Luôn luôn có một vài ion H⁺ và OH^- trong mọi dung dịch. Tất nhiên, trong dung dịch axit, nồng độ của OH^- là rất thấp, còn trong dung dịch base, thì nồng của của OH^- là rất cao so với H⁺. Giữa H⁺ và OH^- có mối liên hệ với nhau, nó thay đổi một ít theo nhiệt độ. ở 25⁰C, chúng liên hệ với nhau theo công thức:

[H⁺][OH^-]=1,00x10^-14 = Kw

Nếu như chúng ta biết được nồng độ của [H⁺] hoặc [OH^-] thì chúng ta có thể dễ dàng tính được nồng độ của chất còn lại bằng cách thay vào biểu thức kw. Ví dụ, một dung dịch chứa 0,100M HCl, [H⁺]= 0,100M.

Acid, như là HCl và H₂SO₄, cho ra ion H⁺, trong khi base, như là NaOH và Ca(OH)₂, lại cho ra ion OH^-. Nhiều khi nồng độ mol của [H⁺] rất lớn và để tiện cho việc thể hiện thì ta sử dụng pH, được định nghĩa là:

pH= -log[H⁺]

trong nước tinh khiết, nồng độ [H⁺] là 1x10^-7 mol/l, do đó pH của nước tinh khiết là 7, trong dung dịch trung tính cũng vậy. Dung dịch axit có trị số pH nhỏ hơn 7 và trong dung dịch base có trị số pH lớn hơn 7. Bảng 6.3 đưa ra nồng độ [H⁺] và trị số pH tương ứng.

Như trong bảng 6.3, khi nồng độ [H⁺] là 1x10^x( x=-2,-3 chẳng hạn) thì giá trị pH chính là giá trị phủ định của x. Như vậy, khi nồng độ [H⁺] là 1x10^-3 thì pH là 3, khi nồng độ [H⁺] là 1x10-⁴ thì pH là 4. Vì log của 1x10^-3 là -3 và log của 1x10^-4 là -4 cho nên giá trị phủ định của chúng sẽ là 3 và 4. Thế còn pH của dung dịch có [H⁺] nằm trong khoảng 1x10^-4 vả 1x10^-3 chẳng hạn 3,16x10^-4 thì sao?. Khi nồng độ [H⁺] nằm trong khoảng từ 1x1O^-3 đến 1x10^-4 thì pH chắc chắn sẽ nằm trong khoảng từ 3 đến 4. pH được tính dễ dàng bằng máy tính chúng ta chỉ việc nhập giá trị 3,16x10^-14 từ bàn phím và nhấn nút log 3,16x10^-14, dễ dàng tính được pH=3,5.

Bảng 6.3 [H⁺] và pH tương ứng

[H [H+] , mol/L	pH pH
1,00	0.0 0,00
0.1 0,100	1. 11,00
1.0 1,00x10-3	3.0 3,00
2.2 2,25x10-6(10-5.65)	5.6 5,65
1.0 1,00x10-7	7.0 7,00
1.0 1,00x10-9	9.0 9,00
5.1 5,17x10-9(10-8.29)	8.2 8,29
1.0 1,00x10-13	13 13,00
1.0 1,00x10-14	14.14,00
1.0 1,00x10-2	2.0 2,00

Nhiều hiện tượng trong hóa thủy sinh và địa hóa ít nhiều gì đều liên quan đến cân bằng hóa học. Nhìn chung về ý nghĩa, cân bằng dung dịch là sự trao đổi qua lại giữa axit và bazo. Quá trình hòa tan, tạo phức (hay quá trình oxi hóa có thể diển ra theo một chiều nhất định hoặc thuận nghịch. Điều này được thề hiện một cách tổng quát thông qua cân bằng:

aA + bB → cC + dD

Đa số các loại cân bằng này nằm trong dung dịch nước. Một trong những cân bằng được xét trong bài là axit và base, minh chứng là axit acetic. HAc.

Mà hằng số phân li của axit là:

Một ví dụ về một vấn đề trong cân bằng axit bazo, xét sự cân bằng của nước với CO₂ trong khí quyển. Giá trị của CO₂ trong nước ở 25^oC cân bằngvới không khí ở 350ppm CO₂ là

1.146x10^-5mol/l.CO₂ phân li một phần trong nước để tạo sự cân bằng về nồng độ giua H⁺ và

Suy ra:

Nồng độ của H⁺ và được tính từ K_a1

Ta có [H+]=[] , vậy

pH=5.65

Các acid có thể được điều chế bằng nhiều con đường khác nhau. Trong cách điều chế acid, quan trọng và đáng chú ý là các acid có chứa phi kim. Tất cả acid đều chứa ion hydrogen hoặc sản phẩm của nó khi phân ly trong nước. Hơn thế nữa, hidro (H₂) thường bị ion hóa, nó có khả năng trở thành ion H⁺. cuối cùng, chúng ta cũng thấy rất nhiều acid có chứa ôxi.

Một cách đơn giản để điều chế ra một acid là cho hidro phản ứng với phi kim. Theo cách đó phi kim có thể liên kết với hidro ở dạng ion H⁺ trong môi trường nước. acid clohydric có thể được điều chế bằng cách cho hydro phản ứng với clo (Cl).

H₂ + Cl → 2HCl

Và cộng thêm nước vào hợp chất.

Một số acid khác bao gồm oxi và phi kim như: HF, HBr,HI, và H₂S. Anhydrit acid- HCN, là một acid đặc biệt trong gia đình acid, nó thậm chí chứa tới 3 nguyên tố hóa học.

Thỉnh thoảng, phi kim có thể phản ứng trực tiếp với nước tạo thành acid. Ví dụ cụ thể nhất là phản ứng của Clo với nước : Cl₂ + H₂O →HCl + HClO

tạo thành acid clohydric và acid hypocloric.

Rất nhiều acid là sản phẩm của phản ứng giữa oxit phi kim và nước. điển hình là phản ứng giữa sulfur trioxit và nước : SO₃ + H₂O → H₂SO₄

Tạo thành acid sulfuric. Một số ví dụ khác được trình bày trong bảng 6.4.

Các acid dễ thay đổi- một số có thể bay hơi dễ dàng- có thể điều chế acid từ: các muối và các acid bền. acid bền thông thường nhất là acid sulfuric H₂SO₄. Khi muối NaCl rắn tác dụng với acid sulfuric đặc trong môi trường cung cấp nhiệt độ,

2NaCl(s) + H₂SO₄(l) → 2HCl(g) + Na₂SO₄(s)

Khí HCl thoát ra. Dẫn khí này đi qua môi trường nước ta thu được acid HCl.

Tương tự, khi nung nóng calcium sulfate với acid sulfuric,

CaSO₃(s) + H2SO₄(l) → CaSO₄(s) + SO₂(g) + H₂O

Sulfur đioxit cũng bay hơi. Và ta có thể giữ chúng lại trong nước tạo thành acid sulfurous, H₂SO₃.

Acid hữu cơ, chẳng hạn như acid acetic, CH₂CO₃H, có một chuỗi hydrocacbon gắn lại với nhau.

Bazơ có thể được điều chế bằng nhiều cách khác nhau. Nhiều bazơ chứa đựng những kim loại và những kim loại ấy phản ứng trực tiếp với nước tạo thành dung dịch bazơ. Liti, Natri, Kali phản ứng rất mạnh với nước tạo thành hydroxide của chúng.

2K + 2H­­­­­­­­­₂O → 2K⁺ + 2OH^- + H₂

potassium hydroxide ( bazơ mạnh )

Nhiều oxit kim loại tạo bazơ khi chúng hòa tan trong nước. Khi nước thải (dung dịch muối bị cô đặc và phần chiết từ nguyên liệu gỗ) qua quá trình sunfit làm giấy được đốt cháy để tạo năng lượng và cải tạo Magiê hydroxide, Magiê trong tro được thu hồi dưới dạng MgO.Nước được thêm vào MgO để tạo thành Magiê hydroxide được sử dụng với những chất hóa học khác để phá hủy gỗ và tạo thành những sợi giấy.

MgO + H₂O Mg(OH)₂

Những bazo quan trọng khác và những oxit kim loại mà điều chế nên những bazo này được cho trong bảng 6.5

Bảng 6.5 Các bazơ quan trọng được tạo thành khi oxit kim loại phản ứng với nước

Oxit phản ứng	Công thức bazơ	Tên bazơ	Ứng dụng và ý nghĩa của bazơ
Li2O	LiOH	Lithium hydroxide	Thành phần của một số dầu bôi trơn, dầu mỡ
Na2O	NaOH	Sodium hydroxide	Làm xà phòng, sử dụng nhiều trong công nghiệp, khử H2S từ dầu mỏ
K2O	KOH	Potassium hydroxide	Sản xuất ắc quy kiềm
MgO	Mg(OH)2	Magnesium hydroxide	Làm giấy, sử dụng trong y học
CaO	Ca(OH)2	Calcium hydroxide	Làm sạch nước, xử lí đất để trung hòa tính axit quá mức.

Nhiều bazơ quan trọng không thể được tách ra như hydroxide nhưng tạo sản phẩm ion OH^­­- trong nước. một ví dụ để thấy rõ là ammonia, NH₃. Ammonium hydroxide NH₄OH không tồn tại ở dạng hình thành tinh khiết. Một điều nữa là khi ammonia hòa tan trong nước, rất ít NH₄OH có mặt trong dung dịch. Tuy nhiên,ammonia không phản ứng với nước để tạo thành ion ammonium và ion hydroxide, Chỉ có một phần nhỏ phân tử ammonia phản ứng theo cách này, ammonia là một bazơ yếu.

NH₃ + H₂O NH₄⁺ + OH^-

Nhiều muối không chứa ion hydroxide nhưng chúng lại hoạt động như 1 bazo bởi phản ứng với nước tạo OH^- . Natri cacbonat, Na₂CO₃, là một muối được sử dụng nhiều. Khi natri cacbonate tồn tại trong nước, ion Cacbonate phản ứng với nước taọ thành ion hydroxide và ion bicacbonate (HCO₃^-). Nghành thương mại, tro natri cacbonate được sử dụng rất rộng rãi để trung hòa acid trong xử lí nước và những ứng dụng khác. Nó được sử dụng trong làm sạch Photpho tự do. Đó là một trong những cách được sử dụng nhiều và sử dụng hơn cả Natri hydroxide.

Nhưng trái lại Natri hydroxide hấp thụ dần dần lượng nước từ khí quyển để hòa tan chính nó làm đục trong thời gian ngắn tới mức cô đặc dung dịch NaOH cái mà rất có ích cho da, Natri cacbonate không dễ dàng hấp thụ nước như thế Nó cũng không nguy hiểm cho da.

Tri natri phosphate, Na₃PO₄, là một bazo mạnh hơn natri cacbonate. Ion phosphate phản ứng với nước sinh ra ion hydroxide dạng cô đặc. Sự phản ứng với nước kiểu này thì được gọi là phản ứng thủy phân.

PO₄^3- + H₂O => HPO₄^2- + OH^-

Nhiều hợp chất hữu cơ là bazơ . Hầu hết những hợp chất này có chứa Nitrơ. Một trong những hợp chất này là trimethylamine, (CH₃)₃N. Hợp chất này là một trong những hợp chất có thể gây chết cá bởi mùi hôi của chúng.

(CH₃)₃N + H₂O => (CH₃)₃NH⁺ + OH^-

Nó phản ứng với nước tạo thành ion hydroxide.Giống như các bazơ hữu cơ (CH_3­)₃N là một bazơ yếu.

6.9 ĐIỀU CHẾ MUỐI:

Một số loại muối thì rất quan trọng trong công nghệ hóa học. một số loại khác thì được sử dụng trong công nghệ thực phẩm và thuốc. một số lượng lớn Na₂CO₃ được sử dụng mỗi năm, phần lớn dùng để xử lí nước và để vô hiệu hóa acid. Khoảng 1.5 triệu tấn Na₂SO₄ được sử dụng trong ứng dụng như bột giặt hay chất tẩy rửa. Gần 30000 tấn Na₂S₂O₃, được sử dụng mỗi năm trong phim ảnh và một số ứng dụng khác. Canada khai thác hơn 10 triệu tấn KCl mỗi năm để sử dụng cho phân bón. Li₂CO₃ được sử dụng như một loại thuốc để chữa một số căn bệnh trầm cảm. Và còn nhiều ví dụ khác về sự quan trọng của muối.

Bất cứ khi nào có thể,muối được khai thác từ mỏ. Một số loại muối có thể được khai thác bằng cách làm bay hơi nước từ một số vùng biển chứa nhiều muối hay nước biển trong lòng đất. Tuy nhiên hầu hết các muối không thể khai thác ngay lập tức mà phải trải qua nhiều quy trình hóa học. Và một vài quy trình đó sẽ được giới thiệu.

Một con đường tạo nên muối được giới thiệu trong chương này là phản ứng của một acid và một baz để tạo ra muối và nước.calcium propionate(Ca(C₃H₅O₂)₂),thứ mà được dùng để bảo quản bánh mì thì được phản ứng bởi calcium hydroxide (Ca(OH)₂) và propionic acid (HC₃H₅O₂):

Ca(OH)₂ + 2HC₃H₅O₂  Ca(C₃H₅O₂)₂ + 2H₂O

Calcium propionate

Hầu như các muối được điều chế bởi sự phản ứng thích hợp giữa acid và baz.

Trong nhiều trường hợp, một kim loại tác dung trực tiếp với một phi kim để tạo ra một muối. Nếu bột Mg cháy trong không khí có khí Clo sẽ tạo ra muối MgCl₂:

Mg + Cl₂  MgCl₂

Nhiều kim loại phản ứng với nhiều acid để tạo thành muối và khí H₂. Cho Ca vào trong H₂SO₄ sẽ cho ra muối CaSO₄:

Ca + H₂SO₄  H₂(g) + CaSO₄(s)

Một số kim loại phản ứng với baz mạnh tạo ra muối.Ca phản ứng với NaOH tạo ra Na₃AlO₃:

2Al + 6NaOH  2Na₃AlO₃ + 3H₂(g)

Trong một số trường hợp một hidroxide có thể tác dụng với một muối để tạo ra muối mới, nếu KOH tác dụng với dung dịch MgSO₄, Mg(OH)₂ không tan có thể tách ra khỏi dung dịch và ta thu được dung dịch còn lại là K₂SO₄.

Nếu anion của muối có thể tạo thành acid bay hơi, một muối mới có thể đươc tạo thành bằng cách tác dụng với acid không bay hơi, nung nóng để thu được một acid bay hơi trong nước và muối:

H₂SO₄ + 2NaCl  2HCl(g) + Na₂SO₄

Một số kim loại có thể đổi chỗ của một kim loại khác trong muối. Lợi thế của công việc này là có thể đẩy một kim loại nặng và độc trong dung dịch muối bằng một kim loại hoạt động hơn nó, quá trinh đó được gọi là cementation. Ví dụ:

Fe(s) + CdSO₄(aq)  Cd(s) + FeSO₄(aq)

Cuối cùng , có một số nhà kinh doanh đặc biệt đã làm ra những muối đặc biệt, một ví dụ đó là quá trình sản xuất NaHCO₃ và Na₂CO₃. trong quá trình này dung dich NaCl được sục khí NH₃, sau đó sục khí CO₂ Và sau đó làm lạnh. phản ứng đó như sau:

NaCl + NH₃ + CO₂ + H2O  NaHCO₃(s) + NH₄Cl

Và NaHCO₃ thu được từ việc làm lạnh dung dịch trên. Khi NaHCO₃ được nung nóng, nó sẽ chuyển thành Na₂CO₃:

NaHSO₄ + Heat  Na₂CO₃ + H₂O(g) + CO₂(g)

Một vài hợp chất được tạo ra giữa acid và muối. Vài dung dịch muối khác được tạo ra từ bazo và muối. muối acid chứa ion hydro. Ion hydro này có thể phản ứng với bazo. Ví dụ, muối NaHSO₄ có thể phản ứng với NaOH:

KNaC₄H₄O₆ + NaHCO₃ → KHC₄H₄O₆ + H₂O + CO₂ (g)

Muối có chứa ion hyroxit được gọi là muối bazo. Ví dụ như calci hydroxyapatite Ca5OH(PO4)3. Tên gọi thông thường là hydroxiapatite, phản ứng này xảy ra trong khoáng đá photphat là nguyên liệu cần thiết để sản xuất phân bón. Kim loại nặng có xu hướng tạo thành muối bazo. Nhiều khoáng đá có nguồn gốc từ muối.

Nước thường liên kết với các hợp chất hóa học, nước liên kết với một muối theo một tỷ lệ tương quan thì được gọi là sự hidrat hóa nước. Một ví dụ quan trọng là Na₂CO₃.10H₂O.

Muối này được dùng trong việc tẩy rửa, chẳng hạn như trong nước lau nhà hay sự làm mềm hóa nước.

Khi hòa tan vào nước thì nó sinh ra một dung dịch phản ứng với nước tạo ra ion OH^-. Nó làm hòa tan dầu mỡ vì thế nó có thể được dùng như nước lau nhà. Ion CO₃^2- trong muối này tác dụng với ion Ca²⁺ (nguyên nhân gây nên nước cứng) .

Ca²⁺ + CO₃^2-  CaCO₃

Sản phẩm CaCO₃ là chất rắn nên có thể loại khỏi nước cứng.

Na₂CO₃.10H₂O là một dung dịch làm mềm nước tốt. Na₂CO₃ không có nước được gọi là anhydrous, nó không được dùng trong các sản phẩm tiêu dùng vì nó hoạt động rất mạnh trong nước, nếu Na₂CO₃ khan có mặt trong chất tẩy rửa, mà vô tình nuốt phải thì nó sẽ hút nước từ các mô trong miệng và cổ họng, gây ra những tổn hại to lớn.

6.12 TÊN CỦA AXIT, BAZƠ VÀ MUỐI

6.12.1 Acid:

Acid bao gồm hidro và một nguyên tố khác, được gọi tên theo nguyên tố đó kèm theo tiền tố hydro- và kết thúc là –ic. Những acid này bao gồm HF, hydrofluoric;HCl, hydrochloric; HBr, hydrobromic; and H₂S, hydrosulfuric acid. Một acid nữa được dặt tên theo cách này là HCN, hydrocyanic acid.

Tên của một số acid thông thường kết thúc với hậu tố -ic như trường hợp của acetic acid, nitric acid (HNO₃), and sulfuric acid. Trong trường hợp anion của acid chứa oxi.các acid sẽ có mối liên hệ với nhau thông qua số lượng nguyên tử oxi trong anion. Khi điều này xảy ra, acid nào có ít hơn một oxi so với acid (có tên kết thúc bằng) –ic thì nó có tên kết thúc bằng –ous. Ví dụ, H₂SO₄ là sulfuric acid và H₂SO₃ là sulfurous acid. Tương tự, HNO3 là nitric acid và HNO2 là nitrous acid. Khi acid (có tên kết thúc) –ic có nhiều hơn một oxi trong anion thì tên của acid sẽ được đặt theo quy tắc với tiền tố là per- và hậu tố là –ic. Nếu có ít hơn một nguyên tử oxi trong anion so với acid –ous thì tên của nó sẽ bắt đầu với tiền tố hypo- và kết thúc là hậu tố ous-. . Những quy định này được biểu thị qua oxyacids (axit có chứa oxy trong anion) của clo trong Bảng 6.7