Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch chất điện li (Hóa học 11)

1. Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch các chất điện li là gì?

Phản ứng trao đổi ion là phản ứng xảy ra khi các chất tham gia phản ứng trao đổi ion với nhau. Cụ thể hơn, đây là một phản ứng hóa học thuận lợi trong đó một ion có nguyên tử hoặc phân tử bị mất hoặc thu được electron do thu được từ dung dịch nước được trao đổi với ion mang điện tích tương tự như điện tích dương.

2. Phân loại các dạng phản ứng trao đổi ion:

Người ta chia thành các loại phản ứng trao đổi ion (nếu có) như sau:

– Muối + axit →  Muối mới + axit mới

– Muối + Bazơ → Muối mới + Bazơ mới

– Muối + muối → Muối mới + muối mới

– Hidroxit (không tan) + dung dịch axit → Dung dịch muối + H2O (chất điện li yếu)

– Dung dịch axit + dung dịch bazo → Dung dịch muối + H2O (chất điện li yếu)

3. Các điều kiện xảy ra phản ứng trao đổi ion trong các chất điện li:

Điều gì xảy ra trong phản ứng trao đổi ion trong chất điện phân? Theo định luật Bertholet, phản ứng trao đổi ion xảy ra khi các ion kết hợp với nhau tạo thành ít nhất 1 trong các chất sau:

– Chất kết tủa

– Chất điện li yếu

– Chất khí

3.1.Phản ứng tạo thành chất kết tủa:

Để tìm điều kiện xảy ra phản ứng trao đổi ion trong dung dịch chất điện phân, người ta làm thí nghiệm sau: Cho Na2SO4 vào ống nghiệm đựng BaCl2. Quan sát hiện tượng xuất hiện màu trắng của BaSO4.

Phương trình phản ứng: Na2SO4 + BaCl2 → BaSO4 (kết tủa) + 2NaCl

Sở dĩ có hiện tượng này là do cả Na2SO4 và BaCL2 đều tan và phân ly mạnh trong nước:

Na2SO4 → 2Na+ + SO4(2-)

BaCl2 → Ba(2+) + 2Cl-

Trong số các ion bị tách ra chỉ có Ba(2+) và SO4(2-) kết hợp tạo thành kết tủa BaSO4 nên bản chất của phản ứng trao đổi ion sẽ là:

Ba(2+) + SO4(2-) → BaSO4 (kết tủa). 

Trong số các ion tách ra chỉ có Ba(2+) và SO4(2-) hợp nhất tạo thành tủ liên kết BaSO4 nên bản chất của phản ứng trao đổi ion sẽ là:

Cách viết phương trình ion rút gọn như sau: 

– Chuyển hóa các chất điện ly mạnh, hòa tan thành ion

– Khí, chất kết tủa và chất điện li yếu vẫn ở dạng phân tử.

Ví dụ: 

Phương trình ion đầy đủ:

2Na+ + SO4(2-) + Ba(2+) + 2Cl- → BaSO4(kết tủa) + 2Na+ + 2Cl-

Phương trình rút gọn:

Ba(2+) + SO4(2-) → BaSO4(kết tủa)

Từ phương pháp này ta có thể kết luận rằng, để điều chỉnh tủ nối BaSO4 cần phải trộn hai dung dịch: dung dịch chứa ion Ba(2+) và dung dịch chứa ion SO4(2-).

3.2. Phản ứng tạo thành chất điện li yếu:

Một trong những điều kiện để xảy ra phản ứng trao đổi ion trong chất điện phân là phản ứng tạo thành chất điện ly yếu, bao gồm: Phản ứng tạo thành nước và phản ứng tạo thành axit yếu.

3.3. Phản ứng tạo thành nước:

Người ta tiến hành thí nghiệm khử một số dung dịch phenolphtalein thành bột tinh dịch NaOH 0,10M. Tại thời điểm này, dịch vụ có màu hồng. Sau đó, chuỗi từ dung dịch HCL 0,10M thành axit vừa phải theo phương pháp: HCl + NaOH → NaCl + H2O. Quan sát tìm thấy màu dịch vụ bị thiếu.

Sở dĩ có hiện tượng này là do NaOH và HCl đều tan và phân ly mạnh trong nước.

NaOH → Na+ + OH-

HCl → H+ + Cl-

Ion OH- trong dung dịch làm cho phenolphtalein chuyển sang màu hồng. Ion H+ phản ứng hoàn toàn với ion OH- tạo thành H2O – chất điện ly rất yếu.

Phương trình rút gọn: H+ + OH- → H2O

3.4. Phản ứng tạo thành axit yếu:

Trong trường hợp này, thí nghiệm được đưa ra như sau: Cho dung dịch HCl nhỏ vào ống nghiệm chứa CH3COONa, axit yếu CH3COOH sẽ tạo thành:

HCl + CH3COONa → CH3COOH + NaCl

Giải thích điều này, cả HCl và CH3COONa đều là các chất dễ tan và phân li mạnh. 

HCl → H+ + Cl-

CH3COONa → Na+ CH3COO-

Các ion H+ kết hợp với ion CH3COO- tạo thành CH3COOH – một chất điện li yếu. 

Phương trình rút gọn: H+ + CH3COO- → CH3COOH

3.5. Phản ứng tạo thành chất khí:

Phản ứng tạo thành khí là một trong những điều kiện cơ bản của phản ứng trao đổi ion trong chất điện phân được tạo ra.

Để chứng minh điều này, chúng tôi tiến hành thí nghiệm: Đổ dung dịch HCl vào bột có chứa Na2CO3. Hiện tượng quan sát được là sự thoát khí bằng phương pháp:

2HCl + Na2CO3 → 2NaCl + CO2 ↑ + H2O

Nguyên nhân của hiện tượng này là do HCl và Na2CO3 đều dễ tan và phân li mạnh trong nước:

HCL → H+ + Cl-

Na2CO3 → 2Na+ + CO3(2-)

Ion H+ VÀ CO3(2-) kết hợp với nhau tạo thành H2CO3 – một axit yếu không bền, phân hủy ra CO2 và H2O.

H+ + 2CO3(2-) → HCO3-

H+ + HCO3- → H2CO3

H2CO3 → CO2 ↑+ H2O

Ta có phương trình ion rút gọn: 

2H+ + CO3(2-) → CO2 (↑) + H2O

Phản ứng giữa dung dịch axit và muối cacbonat rất dễ xảy ra vì nó tạo thành chất điện ly yếu (H2O) và tách CO2 ra khỏi phản ứng.

Về bản chất, muối cacbonat ít tan trong nước nhưng dễ tan trong dung dịch axit.

Ví dụ, đá vôi CaCO3 rất dễ tan trong HCl:

CaCO3 (r) + 2H+ →Ca(2+) + CO2 (↑) + H2O

4. Bài tập về phản ứng trao đổi ion:

Để nắm chắc kiến thức về phản ứng trao đổi ion trong dung dịch các chất điện tử, chúng ta tham khảo một số dạng bài tập cơ bản trong SGK Hóa 11 với lời giải rút gọn và chi tiết dưới đây.

Giải bài 1 trang 20 SGK Hóa 11

Điều kiện xảy ra phản ứng trao đổi ion trong dung dịch điện tử là gì? Lấy ví dụ minh họa?

Câu trả lời:

Theo định luật Bertholet, phản ứng này chỉ xảy ra khi các ion kết hợp và tạo thành ít nhất một trong các chất sau: chất kết dính tủ, chất điện ly yếu và chất khí.

Ví dụ: 

Sau phản ứng tạo thành chất kết tủa

Na2CO3 + CaCl2 → 2NaCl + CaCO3 ↓

2Na+ + CO3- + Ca2+ + 2Cl- → 2Na+ + 2Cl- + CaCO3 ↓

Ca2+ + CO3- → CaCO3 ↓

Sau phản ứng tạo thành chất dễ bay hơi

Na2S + 2HCl → 2NaCl + H2S ↑

2Na+ + S2- + 2H+ + 2Cl- → 2Na+ + 2Cl- + H2S ↑

2H+ + S2- → H2S ↑

Sau phản ứng tạo thành chất điện li yếu

2CH3COONa +H2SO4 → 2CH3COOH + Na2SO4

2CH3COO- + 2Na+ + 2H+ + SO42- → 2CH3COOH +2Na+ + SO42-

CH3COO- + H+ → CH3COOH

Giải bài 2 SGK Hóa 11 trang 20

Tại sao phản ứng giữa dung dịch axit và dung dịch hydroxit lại có tính bazơ và phản ứng với muối cacbonat và dung dịch axit lại dễ dàng như vậy?

Câu trả lời:

Sản phẩm của phản ứng giữa dung dịch axit và hydroxit bazơ là muối và nước (H2O), trong đó nước là chất điện ly yếu.

Ví dụ: Mg(OH)2 + 2HCl → MgCl2 + 2H2O

Sản phẩm phản ứng giữa muối cacbonat và dung dịch axit là muối mới, axit cacbonic (H2CO3) rất yếu dễ phân hủy thành nước (H2O và cacbon dioxit (CO2) nên sản phẩm cuối cùng sau phản ứng là dễ phản ứng, dễ bay hơi (CO2) và chất điện ly yếu (H2O).

Ví dụ: CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O

Theo điều kiện của phản ứng trao đổi thì phản ứng trên có thể xảy ra.

Giải bài 3 SGK trang 20 Hóa 11

Lấy một số ví dụ chứng minh thí nghiệm: bản chất của phản ứng dịch electron là bản chất của phản ứng ion?

Câu trả lời:

Ví dụ 1: AgNO3 + NaCl → AgCl + NaNO3

AgNO3, NaCl, NaNO3 là những chất điện li dẻo trong dung dịch, chúng phân ly thành ion. Chúng tôi có phương pháp:

Ag+ + NO3- + Na+ + Cl- → AgCl ↓ + NO3- + Na+

Vậy thực chất trong dung dịch chỉ có phản ứng của:

Ag+ + Cl- → AgCl ↓

Còn các ion NO3- và Na+ vẫn tồn tại trong dung dịch trước và sau phản ứng.

Ví dụ 2: Na2SO3 + 2HCl → 2 NaCl + H2O + SO2 ↑

Na2SO3, HCl, và NaCl là những chất điện li mạnh trong dung dịch, chúng phân li thành các ion. Ta có phương trình ion:

2Na+ + SO32- + 2H+ + 2Cl- → 2Na+ + 2Cl- + H2O + SO2 ↑

2H+ + SO32- → H2O + SO2 ↑

Vậy thực ra trong dung dịch chỉ có phản ứng của 2H+ và SO32-. Các ion Na+ và Cl- còn lại vẫn tồn tại trong dung dịch trước và sau phản ứng. Về bản chất, phản ứng trong dung dịch điện phân là phản ứng ion vì các chất điện phân đã phân hủy thành các ion

Giải bài 4 trang 20 Hóa 11 SGK

Phương trình ion rút gọn của phản ứng cho biết điều gì sau đây:

A. Những ion nào tồn tại trong dung dịch.

B. Nồng độ những ion nào trong dung dịch là lớn nhất.

C. Bản chất của phản ứng trong dung dịch các chất điện li.

D. Không tồn tại phân tử trong dung dịch các chất điện li.

Lời giải: Đáp án C. Vì đáp án này chỉ rõ ion nào đã tác dụng với nhau, làm cho phản ứng xảy ra.

Giải bài 5 Hóa 11 SGK trang 20

Viết các phương pháp phân tử và khử mùi của các phản ứng (nếu có) xảy ra trong dung dịch giữa các chất sau:

a. Fe2(SO4)3 + NaOH

b. NH4Cl + AgNO3

c. NaF + HCl

d. MgCl2 + KNO3

e. FeS (r) + 2HCl

g. HClO + KOH

Lời giải:

a. Fe2(SO4)3 + 6NaOH → 3 Na2SO4 + 2Fe(OH)3 ↓

 Fe3+ + 3OH- → Fe(OH)3 ↓

b. NH4Cl + AgNO3 → NH4NO3 + AgCl ↓

Ag+ + Cl- → AgCl ↓

c. NaF + HCl → NaCl + HF

 H+ + F+ → HF

d. MgCl2 + KNO3 → Không có phản ứng

e. FeS (r) +2HCl → FeCl2 + H2S ↑

FeS (r) + 2H+ → Fe2+ + H2S ↑

g. HClO +KOH → KClO + H2O

HClO + OH- → H2O + ClO-

Giải bài 6 Hóa lớp 11 SGK trang 20

Phản ứng nào sau đây xảy ra trong dung dịch tạo kết tủa Fe(OH)3?

A. FeSO4 + KMnO4 + H2SO4

B. Fe2(SO4)3 + KI

C. Fe(NO3)3 + Fe

D. Fe(NO3)3 + KOH

Lời giải: Đáp án D.

Vì : Fe(NO3)3 + 3KOH → Fe(OH)3↓ + 3KNO3