TS Hoaøng Ñoâng Nam
Chöông XI baøi giaûng cho lôùp taïi chöùc hoùa
1
CHÖÔNG XI
PHAÛN ÖÙNG TRAO ÑOÅI ION
I . BAÛN CHAÁT VAØ ÑIEÀU KIEÄN CUÛA PHAÛN ÖÙNG TRAO ÑOÅI ION
I . 1 Baûn chaát cuûa phaûn öùng trao ñoåi ion
Phaûn öùng trao ñoåi ion laø loaïi phaûn öùng xaûy ra giöõa caùc ion trong dung dòch vaø
khoâng coù söï thay ñoåi möùc oxy hoùa cuûa caùc nguyeân toá
Phaûn öùng trao ñoåi ion xaûy ra giöõa caùc ion tích ñieän traùi daáu bò hydrat hoùa neân
chuùng thöôøng coù naêng löôïng hoaït hoùa nhoû, do ñoù chuùng coù toác ñoä phaûn öùng cao.
I.2 Ñieàu kieän ñeå phaûn öùng trao ñoåi ion dieãn ra
Vì phaûn öùng trao ñoåi ion laø loaïi phaûn öùng thuaän nghòch neân veà lyù thuyeát thì khi
cho moïi chaát ñieän ly coù ion khaùc loaïi vaøo dung dòch thì luoân coù phaûn öùng ion xaûy
ra ôû moät möùc ñoä naøo ñoù, tuy nhieân chæ moät soá trong chuùng coù theå xaûy ra ôû möùc ñoä
ñaùng keå.
Ñieàu kieän ñeå cho phaûn öùng ion xaûy ra ôû möùc ñoä ñaùng keå phaûi thoûa maõn moät trong
2 ñieàu kieän sau:
a) Caùc saûn phaåm ít ñieän ly (axit yeáu, bazô yeáu, phöùc, nöôùc …)
b) Caùc saûn phaåm ít tan trong nöôùc (chaát raén, chaát khí ít tan)
Ví duï1: Phaûn öùng xaûy ra giöõa HCl vaø NaOH trong dung dòch nöôùc:
HCl + NaOH ' NaCl + H2O (*)
laø moät phaûn öùng trao ñoåi ion vaø xaûy ra ñeán cuøng vì:
phaûn öùng naøy thöïc chaát xaûy ra giöõa ion H+ vaø ion OH- ñeå taïo ra nöôùc.
HCl laø axit maïnh vaø NaOH laø bazô maïnh neân trong nöôùc hoøan toøan naèm döôùi
daïng ion bò hydrat hoùa:
NaOH + H2O → Na+.aq + OH-.aq
HCl + H2O → H+.aq + Cl-.aq
Vì vaäy phaûn öùng (*) coù theå vieát:
H
+.aq + Cl-.aq + Na+.aq + OH-.aq ' Cl-.aq + Na+.aq + H2O (**)
Loïai boû Cl-.aq + Na+.aq ôû 2 veá cuûa phöông trình phaûn öùng (**), ñöôïc:
H
+.aq + OH-.aq ' H2O
ΔG0298,pö = -2,303x298x8,31lg1.1014 = -79,84 kJ << -40 kJ
Phaûn öùng naøy xaûy ra hoøan toøan
Ví duï 2: Xeùt xem Canxi carbonat coù bò tan khi noù vaøo coác chöùa dung dòch bari
clorua?
Cho bieát TBaCO3 = 1.10-8,29 vaø TCaCO3 = 1.10-8,32
Giaûi: Phaûn öùng:
CaCO3 + BaCl2 = CaCl2 BaCO3
Coù phöông trình ion – phaân töû:
CaCO3(r) + Ba2+ = BaCO3(r) + Ca2+
14
14 10.1
10.1
11
]][[
1==== −−+
n
cb K
OHH
K
TS Hoaøng Ñoâng Nam
Chöông XI baøi giaûng cho lôùp taïi chöùc hoùa
2
ΔGo298,pö = -2,303x298x8,31lg1.10-0,03 = 0,17 kJ
vì : 40 kJ > 0,17 kJ > -40 kJ
Phaûn öùng naøy thuaän nghòch neân coù moät phaàn CaCO3 seõ tan.
I.3 Phöông trình ion - phaân töû cuûa phaûn öùng trao ñoåi ion
Phaûn öùng trao ñoåi ion laø loaïi phaûn öùng thuaän nghòch, do ñoù trong heä coù caùc traïng
thaùi caân baèng. Caùc traïng thaùi caân baèng naøy ñöôïc mieâu taû baèng phöông trình ion -
phaân töû. Nhôø phöông trình ion - phaân töû, chuùng ta coù theå tính toaùn ñònh löôïng ñöôïc
caùc phaûn öùng trao ñoåi ion.
Phöông trình ion - phaân töû goàm caùc phaân töû cuûa caùc chaát keùm ñieän ly hay ít tan
trong dung dòch vaø caùc ion tham gia vaøo phaûn öùng vaø taïo thaønh sau phaûn öùng.
Ví duï 3: Vieát phöông trình ion - phaân töû – cuûa phaûn öùng sau
HF + NaOH ' NaF + H2O
Giaûi: Chuùng ta bieát NaOH vaø NaF laø nhöõng chaát ñieän ly maïnh, HF laø axit trung
bình coù Ka = 6,8.10-4 (250C) vaø H2O laø chaát ñieän ly yeáu Kn = 1.10-14 (220C), do ñoù:
HF + Na+ + OH- ' Na+ + F- + H2O
Theo phöông trình treân thì ion Na+ khoâng tham gia phaûn öùng, neân phöông trình
ion - phaân töû cuûa noù coù daïng:
HF + OH- ' F- + H2O
Ví duï 4: Vieát caùc phöông trình ion - phaân töû coù theå coù khi cho Na2S vaøo nöôùc
Giaûi: Khi cho Na2S vaøo nöôùc, coù theå taïo thaønh caùc saûn phaåm NaHS vaø H2S vì HS-
vaø H2S laø caùc chaát ñieän ly yeáu. (H2S laø axit coù hai naác phaân ly Ka1 = 1.10-7 vaø
Ka2 = 1.10-12,89 ). Na2S, NaHS, NaOH laø caùc chaát ñieän ly maïnh vaø H2O laø chaát ñieän
ly yeáu, do ñoù phaûn öùng:
Na2S + H2O ' NaHS + NaOH
Coù theå vieát:
2Na+ + S2- + H2O ' Na+ + HS- + Na+ + OH-
neân phöông trình ion - phaân töû cuûa phaûn öùng naøy coù daïng :
S
2- + H2O ' HS- + OH-
vaø phaûn öùng:
NaHS + H2O ' NaOH + H2S
Coù theå vieát :
Na+ + HS- + H2O ' Na+ + OH- + H2S
Neân phöông trình ion - phaân töû cuûa phaûn öùng naøy coù daïng :
HS- + H2O ' OH- + H2S
II . HAÈNG SOÁ CAÂN BAÈNG (Kcb) CUÛA PHÖÔNG TRÌNH ION - PHAÂN TÖÛ LAØ
THÖÔÙC ÑO CHIEÀU HÖÔÙNG CUÛA CAÙC PHAÛN ÖÙNG TRAO ÑOÅI ION.
Chuùng ta bieát raèng phaûn öùng trao ñoåi ion laø phaûn öùng thuaän nghòch vaø phöông trình
ion - phaân töû laø phöông trình phaûn aùnh traïng thaùi caân baèng cuûa loaïi phaûn öùng naøy,
do ñoù coù moái quan heä giöõa haèng soá caân baèng cuûa phöông trình ion - phaân töû ôû nhieät
03,0
29,8
32,8
2
2
10.1
10.1
10.1
][
][
3
3−
−
−
+
+
====
BaCO
CaCO
cb T
T
Ba
Ca
K
TS Hoaøng Ñoâng Nam
Chöông XI baøi giaûng cho lôùp taïi chöùc hoùa
3
ñoä T (K) vaø theá ñaúng aùp ñaúng nhieät tieâu chuaån cuûa phaûn öùng trao ñoåi ion ôû nhieät
ñoä naøy (ΔG0T,pö) theo bieåu thöùc (7.8):
ΔG0T,pö = -RT ln Kcb = 2,303 RTlgKcb (11.1)
hay :
trong ñoù ΔG tính baèng kJ , R = 8,31 J/mol.K, T- nhieät ñoä tuyeät ñoái (K).
Töø quy taéc 6.18 ruùt ra quy taéc (11.3) ñoái vôùi ña soá caùc phaûn öùng trao ñoåi ion :
Quy taéc 11.3
+ Neáu
Δ
G0298,pö > 40 kJ
⇒
Kcb < 1.10-7 thì coù theå coi raèng trong thöïc teá phaûn
öùng trao ñoåi ion xaûy ra khoâng ñaùng keå ôû baát cöù noàng ñoä naøo cuûa cuûa caùc chaát ñaàu
vaø saûn phaåm phaûn öùng ôû trong khoaûng nhieät ñoä phoøng.
+ Neáu
Δ
G0298,pö < - 40 kJ
⇒
Kcb > 1.107 thì coù theå coi raèng trong thöïc teá phaûn
öùng trao ñoåi ion xaûy ra ñeán cuøng ôû baát cöù noàng ñoä naøo cuûa caùc chaát ñaàu vaø saûn
phaåm phaûn öùng ôû trong khoaûng nhieät ñoä phoøng.
+ Neáu -40 kJ <
Δ
G0T,pö < 40 kJ
⇒
1.10-7 < Kcb< 1.107 thì ôû trong khoaûng nhieät
ñoä phoøng phaûn öùng trao ñoåi ion coù theå xaûy ra theo chieàu thuaän hoaëc theo chieàu
nghòch tuøy thuoäc vaøo noàng ñoä caùc chaát ñaàu vaø saûn phaåm phaûn öùng.
Kcb cuûa phaûn öùng trao ñoåi ion laø KC vaø ñöôïc tính qua caùc haèng soá ñieän ly cuûa axit,
bazô, phöùc, chaát ít tan vaø ñoä tan cuûa chaát khí.
Ví duï 5: Cho phaûn öùng trao ñoåi ion trong dung dòch nöôùc
BaSO4 (r) + K2CO3 ' BaCO3(r) + K2SO4 (*)
a) Xeùt xem phaûn öùng sau coù xaûy ra hay khoâng ôû 250C ôû ñieàu kieän chuaån.
b) Neâu ñieàu kieän ñeå phaûn öùng treân baét ñaàu coù khaû naêng töï dieãn bieán. Cho bieát tích
soá tan cuûa BaSO4 vaø BaCO3 ôû 250C töông öùng laø 1.10-9,97 vaø 1.10-8,29
Giaûi: a) Ñeå bieát phaûn öùng treân ôû ñieàu kieän chuaån coù xaûy ra hay khoâng caàn tính Kcb
& ΔGoT,pö cuûa phaûn öùng.
Vì K2SO4 vaø K2CO3 laø muoái tan nhieàu neân phöông trình ion - phaân töû cuûa phaûn
öùng (*) coù daïng:
BaSO4 (r) + CO32- ' BaCO3(r) + SO42-
Aùp duïng coâng thöùc (6.2) coù :
Ñöa Kcb vaøo bieåu thöùc (11.1) ñöôïc:
ΔGoT,pö = -2,303 x 8,313 x 298 x lg10-1,68 = 9,58 kJ
Vì ΔGoT,pö > 0 neân ôû ñieàu kieän chuaån phaûn öùng khoâng xaûy ra töï phaùt
b) Tuy nhieân vì :
1.10-7 < Kcb = 1.10-1,68 < 1.107
neân theo chuaån (11.3) phaûn öùng (*) thuaän nghòch.
Vì vaäy coù theå tìm ñieàu kieän tyû soá noàng ñoä ion ñeå ΔGoT,pö < 0.
Aùp duïng coâng thöùc (7.6) ñöôïc:
)2.11(10.1 303,2
0
,
RT
G
cb
puT
K
Δ
−
=
68,1
29,8
97,9
BaCO
BaSO
22
3
22
4
2
3
2
4
cb 10.1
10.1
10.1
T
T
]Ba][CO[
]Ba][SO[
]CO[
]SO[
K
3
4−
−
−
+−
+−
−
−
=====
)1(
][
][
lg303,2 *2
3
*2
4
0
298298 −
−
+Δ=Δ
CO
SO
RTGG
][
][
2
3
2
4
−
−
CO
SO
TS Hoaøng Ñoâng Nam
Chöông XI baøi giaûng cho lôùp taïi chöùc hoùa
4
Trong ñoù: [SO42-] vaø [CO32-] laø noàng ñoä caùc ion trong thôøi ñieåm chuùng ta xem xeùt.
Aùp duïng (11.1) ñöôïc:
ΔG0298 = 2,303RTlgKcb (2).
Keát hôïp (1) vôùi (2) ñöôïc bieåu thöùc (3) :
Ñieàu kieän cho phaûn öùng töï dieãn ra laø theá ñaúng aùp cuûa phaûn öùng phaûi nhoû hôn
khoâng, vì vaäy suy ra töø bieåu thöùc (3) coù :
Ñaùp soá : Khi tyû soá noàng ñoä [SO42-]/[CO32-] nhoû hôn giaù trò 2,09.10-2 thì phaûn öùng
treân coù khaû naêng töï xaûy ra.
Ví duï 6: Muoái Na2S trong dung dòch nöôùc bò thuûy phaân ñeán möùc ñoä naøo? Cho bieát
caùc haèng soá ñieän ly axit H2S laàn löôït baèng Ka1 = 1.10-7 vaø Ka2 = 1.10-12,89 vaø
Kn = 1.10-14.
Giaûi: Phöông trình ion - phaân töû cuûa söï thuûy phaân Na2S ñeán HS- laø :
S
2- + H2O ' HS- + OH- (1)
Aùp duïng bieåu thöùc (7.3) coù :
Aùp duïng quy taéc (11.3):
1.10-7 < Kcb1 = 1.10-1,11 < 1.107
Cho thaáy phaûn öùng (1) thuaän nghòch
Phöông trình thuûy phaân cuûa Na2S ñeán H2S laø :
S
2- + 2 H2O ' H2S + 2OH- (2)
Aùp duïng bieåu thöùc (7.3) coù :
Aùp duïng quy taéc (11.3):
K
cb2 = 1.10-8,11 < 1.10-7
Cho thaáy phaûn öùng (2) khoâng xaûy ra.
Keát luaän: Muoái Na2S chæ thuûy phaân moät phaàn ôû möùc ñaàu tieân thaønh HS-.
III . PHAÛN ÖÙNG TRUNG HOØA
Phaûn öùng trung hoøa laø loaïi phaûn öùng trao ñoåi ion giöõa axit vaø bazô taïo thaønh
muoái vaø nöôùc -chaát keùm ñieän ly.
)3(
]CO[
]SO[
lgRT303,2KlgRT303,2G *2
3
*2
4
cb298 −
−
+−=Δ
0
]CO[
]SO[
lgRT303,2KlgRT303,2G *2
3
*2
4
cb298 <+−=Δ −
−
268,1
cb
2
3
2
4
cb
*2
3
*2
410.09,210.1K
]CO[
]SO[
Klg
]CO[
]SO[
lg −−
−
−
−
−
==<⇒<⇒
11,1
89.12
14
2
22
110.1
10.1
10.1
]][[
]][][[
][
]][[ −
−
−
+−
−+−
−
−−
=====
a
n
cb K
K
HS
HSHOH
S
HSOH
K
11,8
89,127
214
21
2
22
2
22
2
2
2
210.1
10.1.10.1
)10.1(
.
]][[
][][][
][
][][ −
−−
−
+−
+−
−
−
=====
aa
n
cb KK
K
HS
SHHOH
S
SHOH
K
TS Hoaøng Ñoâng Nam
Chöông XI baøi giaûng cho lôùp taïi chöùc hoùa
5
III . Phaûn öùng trung hoøa giöõa axit maïnh vaø bazô maïnh
Ví duï coù phaûn öùng trung hoøa giöõa axit maïnh HX vaø bazô maïnh BOH :
HX + BOH ' BX + H2O
Vì axit maïnh vaø bazô maïnh laø caùc chaát ñieän ly hoaøn toaøn vaø muoái BX cuõng laø
chaát ñieän ly hoaøn toaøn neân phöông trình ion - phaân töû coù daïng :
OH- + H+ ' H2O (11.4)
Aùp duïng coâng thöùc (7.3) coù :
Töø (11.4) vaø (11.5) ruùt ra
a) pH cuûa dung dòch khi khoâng coøn dö axit hay bazô (dung dòch trung tính) baèng:
[H+] = {OH-] = 1.10-7 ⇒ pH = 7
b) Theo tieâu chuaån (11.3) ( Kcb =1.1014 >> 1.107,33) thì phaûn öùng trung hoøa giöõa
axit maïnh vaø bazô maïnh laø phaûn öùng chæ xaûy ra theo chieàu thuaän ngay ôû noàng ñoä
H+ vaø OH- voâ cuøng nhoû.
Toùm laïi, coù theå ruùt ra caùc keát luaän sau:
a) Axit maïnh vaø bazô maïnh khoâng theå ñoàng thôøi coù maët trong heä ôû traïng thaùi caân
baèng vì vaäy khoâng theå cho saûn phaåm taïo thaønh laø bazô maïnh neáu coù chaát phaûn
öùng laø axit maïnh vaø ngöôïc laïi khoâng theå cho saûn phaåm laø axit maïnh neáu coù chaát
phaûn öùng laø bazô maïnh .
b) Dung dòch trung tính coù pH = 7
Ví duï : Khoâng theå vieát
2KMnO4 + 5 K2SO3 + 2H2SO4 = 2KOH + 5K2SO4 + 2MnSO4 + H2O
maø phaûi vieát :
2KMnO4 + 5K2SO3 + 3H2SO4 = 6K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O
vì KOH sinh ra trong phaûn öùng seõ taùc duïng ngay vôùi H2SO4 ñeå taïo K2SO4 vaø H2O.
III . 2 Phaûn öùng trung hoøa giöõa axit yeáu vaø bazô maïnh
Goïi HX laø axit yeáu vaø BOH laø bazô maïnh coù Ka, phöông trình phaûn öùng laø :
HX + BOH ' BX + H2O
Vì BOH laø bazô maïnh vaø BX laø muoái tan nhieàu, phöông trình ion - phaân töû coù
daïng :
HX + OH- ' X- + H2O (11.6)
Aùp duïng bieåu thöùc (6.2) coù:
Bieåu thöùc (11.7) cho thaáy giaù trò Kcb vaø pH dung dòch tuøy thuoäc vaøo ñoä lôùn cuûa
haèng soá ñieän ly axit Ka .
Ví duï 7: Tính pH dung dòch khi cho 1mol NaOH vaøo moät lít dung dòch HCN 1M
(giaû thieát söï thay ñoåi theå tích khoâng ñaùng keå). Cho bieát haèng soá ñieän ly axit HCN
Ka = 1.10-9,21 ôû 250C.
Giaûi: Vì NaOH laø bazô maïnh vaø NaCN laø muoái tan nhieàu, neân phöông trình ion -
phaân töû cuûa phaûn öùng trung hoaø giöõa NaOH vaø HCN coù daïng:
)5.11(10.1
10.1
11
]][[
114
14 ==== −−+
n
cb K
OHH
K
)7.11(.10
]][[
][ 14
a
n
a
cb K
K
K
OHHX
X
K=== −
−