Thuyết Bronsted-Lowry | Cách xác định acid, base Hóa 11

Trong chương trình Hóa học THCS, người học đã làm quen với thuyết Arrhenius, trong đó acid là chất khi tan trong nước phân li tạo ion \(\mathrm{H^+}\), còn base phân li tạo ion \(\mathrm{OH^-}\). Tuy nhiên, cách giải thích này còn hạn chế đối với một số chất như ammonia \(\mathrm{NH_3}\) hay sodium carbonate \(\mathrm{Na_2CO_3}\), vì chúng thể hiện tính base trong dung dịch dù công thức không chứa nhóm \(\mathrm{OH}\).

Để mô tả bản chất acid – base rộng hơn, năm 1923, thuyết Brønsted–Lowry được đề xuất dựa trên sự cho và nhận proton. Theo thuyết Brønsted–Lowry, acid là chất có khả năng cho proton \(\mathrm{H^+}\), còn base là chất có khả năng nhận proton \(\mathrm{H^+}\). Bài viết sẽ làm rõ thuyết Brønsted–Lowry là gì, cách xác định acid, base, chất lưỡng tính và cặp acid – base liên hợp trong Hóa học 11.

Thuyết Bronsted-Lowry là gì?

Theo thuyết này, phản ứng acid-base không đơn thuần là sự phân li ra ion trong nước, mà là quá trình chuyển proton (\(\text{H}^+\)) từ chất này sang chất khác.

• Acid là chất (hoặc ion) cho proton (\(\text{H}^+\)).

• Base là chất (hoặc ion) nhận proton (\(\text{H}^+\)).

Thuyết Bronsted-Lowry được đề xuất độc lập bởi nhà hóa học người Đan Mạch Johannes Nicolaus Bronsted và nhà hóa học người Anh Thomas Martin Lowry vào năm 1923.

Cặp acid - base liên hợp

Trong một phản ứng thuận nghịch:

\[\text{HA}+\text{B}\rightleftharpoons\text{ A}^{-}+\text{HB}^{+}\]

• \(\text{HA}\) cho \(\text{H}^+\) để trở thành \(\text{A}^{-}\rightarrow\text{ HA}\) là acid. \(\text{A}^-\) sau đó có khả năng nhận lại \(\text{H}^+\) để tạo lại \(\text{HA }\rightarrow\text{ A}^{-}\) là base liên hợp của acid \(\text{HA}\).

• \(\text{B}\) nhận \(\text{H}^+\) để trở thành \(\text{HB}^{+}\rightarrow\text{ B}\) là base. \(\text{HB}^+\) có khả năng cho \(\text{H}^{+}\rightarrow\text{ HB}^{+}\) là acid liên hợp của base \(\text{B}\).

Ví dụ:

\[\text{CH}_3\text{COOH }+\text{ H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ CH}_3\text{COO}^{-}+\text{ H}_3\text{O}^{+}\]

• \(\text{CH}_3\text{COOH}\) cho \(\text{H}^+\) \(\rightarrow\) Acid. (\(\text{CH}_3\text{COO}^-\) là base liên hợp).

• \(\text{H}_2\text{O}\) nhận \(\text{H}^+\) \(\rightarrow\) Base. (\(\text{H}_3\text{O}^+\) là acid liên hợp).

Ưu điểm của thuyết Bronsted-Lowry so với thuyết Arrhenius

Thuyết Bronsted-Lowry mở rộng khái niệm acid-base một cách sâu sắc và linh hoạt hơn nhiều so với thuyết Arrhenius nhờ các điểm ưu việt sau:

1. Không phụ thuộc vào môi trường nước: Thuyết Arrhenius chỉ áp dụng cho dung dịch nước. Thuyết Bronsted-Lowry áp dụng cho mọi môi trường dung môi (ngay cả phản ứng ở thể khí hay trong dung môi hữu cơ).

   • Ví dụ: Phản ứng thể khí \(\text{NH}_3(g)+\text{ HCl}(g)\rightarrow\text{ NH}_4\text{Cl}(s)\) vẫn là phản ứng acid-base vì \(\text{HCl}\) cho \(\text{H}^+\) cho \(\text{NH}_3\).

2. Giải thích được tính base của các phân tử và ion không có nhóm \(\text{OH}^-\):

   • \(\text{NH}_3\) (ammonia) khi tan trong nước nhận đóng vai trò là base vì nó nhận proton.\[\text{NH}_3+\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ NH}_4^{+}+\text{ OH}^{-}\Rightarrow\text{ NH}_3\]

   • Ion carbonate đóng vai trò là base, tạo môi trường kiềm cho dung dịch \(\text{Na}_2\text{CO}_3\).\[\text{CO}_3^{2-}+\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ HCO}_3^{-}+\text{ OH}^{-}\Rightarrow\text{ CO}_3^{2-}\]

3. Mở rộng phạm vi acid-base cho cả các cation và anion: Acid và base không chỉ là phân tử trung hòa mà có thể là các ion mang điện tích.

Cách xác định acid, base theo thuyết Bronsted-Lowry

Để xác định vai trò acid hay base của một chất/ion trong một phản ứng cụ thể, học sinh thực hiện theo 3 bước sau:

• Bước 1: Viết sơ đồ phản ứng xảy ra trong dung dịch.

• Bước 2: Quan sát sự thay đổi thành phần ion/phân tử trước và sau phản ứng để xác định chất nào cho \(\text{H}^+\), chất nào nhận \(\text{H}^+\).

• Bước 3: Kết luận vai trò:

  • Chất cho \(\text{H}^+\) (hoặc giảm điện tích dương) \(\rightarrow\) Acid.

  • Chất nhận \(\text{H}^+\) (hoặc tăng điện tích dương) \(\rightarrow\) Base.

Vai trò của các ion thường gặp

• Cation có tính acid:

  • Ion \[\text{NH}_4^{+}:\text{ NH}_4^{+}+\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ NH}_3+\text{H}_3\text{O}^{+}\left(cho\text{ H}^{+}\right)\]

  • Cation kim loại hóa trị cao/trung bình (\(\text{Al}^{3+},\text{ Fe}^{3+}\text{ , Fe}^{2+}\)) bị thủy phân trong nước tạo môi trường acid:

    \[\text{Al}^{3+}+3\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ Al(OH)}_3+3\text{H}^{+}\]

    Hoặc viết dưới dạng phức aqua: \[[\text{Al}(\text{H}_2\text{O})_6]^{3+}+\text{ H}_2\text{O}\rightleftharpoons[\text{Al}(\text{H}_2\text{O})_5(\text{OH})]^{2+}+\text{ H}_3\text{O}^{+}\]

• Anion có tính base:

  • Anion của acid yếu:\[\text{CO}_3^{2-},\text{ PO}_4^{3-},\text{ CH}_3\text{COO}^{-},\text{ S}^{2-},\text{ SO}_3^{2-}\]khi tan trong nước nhận \(\text{H}^+\) từ nước tạo ra ion \[\text{OH}^{-}.\text{ PO}_4^{3-}+\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{HPO}_4^{2-}+\text{OH}^{-}\]

Lưu ý: Vai trò của chất mang tính tương đối và phụ thuộc vào tác nhân phản ứng cùng với chiều phản ứng (thuận hay nghịch).

Một số chất là acid hay base theo thuyết Bronsted-Lowry?

Chất lưỡng tính theo thuyết Bronsted-Lowry là gì?

Chất (hoặc ion) lưỡng tính là chất vừa có khả năng cho proton (\(\text{H}^+\)), vừa có khả năng nhận proton (\(\text{H}^+\)) tùy thuộc vào chất phản ứng với nó.

Các nhóm chất lưỡng tính thường gặp

1. Nước (\(\text{H}_2\text{O}\)): Là dung môi phổ biến, có thể đóng vai trò acid khi tác dụng với base, hoặc base khi tác dụng với acid.

2. Hydroxide lưỡng tính: \(\text{Al(OH)}_3,\text{ Zn(OH)}_2,\text{ Cr(OH)}_3\),...

3. Anion gốc acid yếu còn hydro linh động: \[\text{HCO}_3^{-},\text{ HS}^{-},\text{ HSO}_3^{-},\text{ H}_2\text{PO}_4^{-},\text{ HPO}_4^{2-}\]

Ví dụ phương trình minh họa

• Tính lưỡng tính của \(\text{H}_2\text{O}\):

  • Nhận \(\text{H}^+\) (đóng vai trò Base): \[\text{HCl }+\text{ H}_2\text{O}\rightarrow\text{ Cl}^{-}+\text{ H}_3\text{O}^{+}\]

  • Cho\(\text{H}^+\) (đóng vai trò Acid): \[\text{NH}_3+\text{ H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ NH}_4^{+}+\text{OH}^{-}\]

• Tính lưỡng tính của ion \(\text{HCO}_3^-\):

  • Khi tác dụng với acid (\(\text{H}^{+}),\text{ HCO}_3^{-}\) nhận \(\text{H}^{+}\) → Thể hiện tính Base:

    \[\text{HCO}_3^{-}+\text{ H}^{+}\rightarrow\text{ CO}_2+\text{ H}_2\text{O}\]

  • Khi tác dụng với base (\(\text{OH}^{-}),\text{ HCO}_3^{-}\) cho \(\text{H}^+\) → Thể hiện tính Acid:

    \[\text{HCO}_3^{-}+\text{ OH}^{-}\rightarrow\text{ CO}_3^{2-}+\text{ H}_2\text{O}\]

  Một số chất thường gặp theo thuyết Bronsted-Lowry

  Không phải ion nào trong dung dịch cũng tham gia quá trình cho hoặc nhận proton. Có những ion đóng vai trò trung tính.

  • Các cation trung tính: Cation của kim loại mạnh (nhóm IA, IIA trừ Be, Mg) như \(\text{Na}^+\), \(\text{K}^+\), \(\text{Ca}^{2+}\), \(\text{Ba}^{2+}\).

  • Các anion trung tính: Anion gốc acid mạnh như \(\text{Cl}^-\), \(\text{Br}^-\), \(\text{I}^-\), \(\text{NO}_3^{-},\text{ SO}_4^{2-}\).

  Phân tích trường hợp muối \(\text{NaCl}\):

  Khi hòa tan \(\text{NaCl}\) vào nước, \(\text{NaCl}\) là một chất điện li mạnh và phân li hoàn toàn các ion:

  \[\text{NaCl }\rightarrow\text{ Na}^{+}+\text{Cl}^{-}\]

  • Ion \(\text{Na}^+\) không có khả năng nhận hay cho \(\text{H}^+\).

  • Ion \(\text{Cl}^-\) là base liên hợp của acid mạnh \(\text{HCl}\) nên có tính base cực kỳ yếu, không thể nhận \(\text{H}^+\) từ nước.

  Do cả \(\text{Na}^{+}và\text{ Cl}^{-}\) đều là các ion trung tính, không tương tác với nước làm thay đổi nồng độ \(\text{H}^+\) hay \(\text{OH}^-\), nên dung dịch \(\text{NaCl}\) có môi trường trung tính (pH = 7).

Bài tập vận dụng về thuyết Bronsted-Lowry

Trắc nghiệm

Câu 1: Cho phản ứng: \[\text{CH}_3\text{COOH }+\text{ H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ CH}_3\text{COO}^{-}+\text{ H}_3\text{O}^{+}\]

Theo thuyết Bronsted-Lowry, chất/ion nào đóng vai trò là acid trong phản ứng thuận?

A. \(\text{CH}_3\text{COO}^-\)

B. \(\text{H}_2\text{O}\)

C. \(\text{CH}_3\text{COOH}\)

D. \(\text{H}_3\text{O}^+\)

• Phân tích đề bài:

  • Thuyết Bronsted – Lowry định nghĩa: Acid là chất/ion có khả năng cho proton (\(\text{H}^+\)); Base là chất/ion có khả năng nhận proton (\(\text{H}^+\)).

  • Xét chiều thuận của phản ứng: \[\text{CH}_3\text{COOH }+\text{ H}_2\text{O}\rightarrow\text{ CH}_3\text{COO}^{-}+\text{ H}_3\text{O}^{+}\]

• Yêu cầu cần giải quyết: Xác định chất đóng vai trò là acid (chất nhường \(\text{H}^+\)) trong phản ứng thuận.

• Lời giải chi tiết:

  • Trong phản ứng thuận, \(\text{CH}_3\text{COOH}\) nhường 1 proton \(\text{H}^+\) cho \(\text{H}_2\text{O}\) để tạo thành \[\text{CH}_3\text{COO}^{-}\rightarrow\text{ CH}_3\text{COOH}\]

là acid.

• \(\text{H}_2\text{O}\) nhận proton \(\text{H}^{+}từ\text{ CH}_3\text{COOH}\rightarrow\text{ H}_2\text{O}\) là base.

• Chọn đáp án: C.

Câu 2: Dãy gồm các ion đều có khả năng đóng vai trò là base theo thuyết Bronsted-Lowry là:

A. \(\text{CO}_3^{2-},\text{ CH}_3\text{COO}^{-},\text{ PO}_4^{3-}\)

B. \(\text{NH}_4^{+},\text{ Fe}^{3+},\text{ Al}^{3+}\)

C. \(\text{HCO}_3^{-},\text{ HS}^{-},\text{ Cl}^{-}\)

D. \(\text{Na}^{+},\text{ K}^{+},\text{ SO}_4^{2-}\)

• Phân tích đề bài:

  • Base theo Brønsted – Lowry là các phần tử có khả năng nhận \(\text{H}^+\) trong dung dịch nước (thường là anion gốc acid yếu, không còn hydro có tính acid).

  • Các cation của kim loại trung bình/yếu (\(\text{Al}^{3+},\text{ Fe}^{3+}\)) và cation amoni (\(\text{NH}_4^+\)) đóng vai trò là acid do thủy phân tạo môi trường acid.

  • Các ion của acid mạnh/base mạnh (\(\text{Cl}^{-},\text{ Na}^{+},\text{ K}^{+},\text{ SO}_4^{2-}\)) đóng vai trò trung tính (trơ về mặt trao đổi proton trong dung dịch loãng).

  • Các anion chứa H của acid yếu (\(\text{HCO}_3^{-},\text{ HS}^{-}\)) là chất lưỡng tính.

• Yêu cầu cần giải quyết: Loại trừ các đáp án chứa ion acid, lưỡng tính hoặc trung tính để chọn dãy ion chỉ toàn base.

• Lời giải chi tiết:

  • A. Đúng: \(\text{CO}_3^{2-},\text{ CH}_3\text{COO}^{-},\text{ PO}_4^{3-}\) đều là anion gốc acid yếu, có khả năng nhận \(\text{H}^+\) từ nước:

    • \[\text{CO}_3^{2-}+\text{ H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ HCO}_3^{-}+\text{ OH}^{-}\]

    • \[\text{CH}_3\text{COO}^{-}+\text{ H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ CH}_3\text{COOH}+\text{ OH}^{-}\]

    • \[\text{PO}_4^{3-}+\text{ H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ HPO}_4^{2-}+\text{ OH}^{-}\]

  • B. Loại: \(\text{NH}_4^{+},\text{ Fe}^{3+},\text{ Al}^{3+}\) đều là acid.

  • C. Loại: \(\text{HCO}_3^{-},\text{ HS}^{-}\) là lưỡng tính; \(\text{Cl}^-\) là trung tính.

  • D. Loại: \(\text{Na}^{+},\text{ K}^{+},\text{ SO}_4^{2-}\) là các ion trung tính.

  • Chọn đáp án: A.

Câu 3: Ion nào sau đây là ion lưỡng tính?

A. \(\text{SO}_4^{2-}\)

B. \(\text{HS}^-\)

C. \(\text{NH}_4^+\)

D. \(\text{CO}_3^{2-}\)

• Phân tích đề bài:

  • Chất/ion lưỡng tính (amphoteric) theo Bronsted – Lowry là chất/ion vừa có khả năng nhường \(\text{H}^+\) (thể hiện tính acid), vừa có khả năng nhận \(\text{H}^+\) (thể hiện tính base).

  • Thường gặp là các anion còn hydro của acid yếu đa nấc (như \(\text{HCO}_3^{-},\text{ HS}^{-},\text{ H}_2\text{PO}_4^{-},\text{ HPO}_4^{2-}\)).

• Yêu cầu cần giải quyết: Xác định ion vừa có tính cho proton vừa có tính nhận proton.

• Lời giải chi tiết:

  • \(\text{HS}^-\) là ion lưỡng tính vì:

    • Có thể cho \(\text{H}^+\) (đóng vai trò là acid): \[\text{HS}^{-}+\text{ H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ S}^{2-}+\text{ H}_3\text{O}^{+}\]

    • Có thể nhận \(\text{H}^+\)(đóng vai trò là base): \[\text{HS}^{-}+\text{ H}_2\text{O }\rightleftharpoons\text{ H}_2\text{S}+\text{ OH}^{-}\]

  • Các ion còn lại: \(\text{SO}_4^{2-}\)(trung tính), \(\text{NH}_4^+\) (acid), \(\text{CO}_3^{2-}\) (base).

  • Chọn đáp án: B.

Tự luận

Câu 4: Cho các chất và ion sau: \(\text{HCO}_3^{-},\text{ NH}_4^{+},\text{ CH}_3\text{COO}^{-},\text{ Al}^{3+},\text{ ZnO},\text{ SO}_4^{2-}\). Hãy phân loại chúng thành các nhóm: acid, base, lưỡng tính, trung tính theo thuyết Bronsted-Lowry trong dung dịch nước. Viết phương trình minh họa cho từng trường hợp.

• Phân tích đề bài:

  • Áp dụng định nghĩa Bronsted – Lowry trong dung dịch nước:

    • Acid: Nhường \(\text{H}^+\) cho nước tạo ion \(\text{H}_3\text{O}^+\). Cation kim loại hóa trị cao như \(\text{Al}^{3+}\) tồn tại ở dạng phức chất ngậm nước \([\text{Al}(\text{H}_2\text{O})_6]^{3+}\) có khả năng nhường\(\text{H}^+\) (thủy phân).

    • Base: Nhận \(\text{H}^+\) từ nước tạo ion \(\text{OH}^-\).

    • Lưỡng tính: Vừa có khả năng cho \(\text{H}^+\), vừa có khả năng nhận \(\text{H}^+\) (hoặc oxide/hydroxide lưỡng tính phản ứng được với cả acid và base mạnh).

    • Trung tính: Gốc anion của acid mạnh hoặc cation của base mạnh không cho/nhận \(\text{H}^+\) một cách đáng kể trong nước.

• Yêu cầu cần giải quyết:

  1. Phân loại từng chất/ion vào 4 nhóm: Acid, Base, Lưỡng tính, Trung tính.

  2. Viết phương trình phản ứng trao đổi proton minh họa với nước hoặc với dung dịch acid/base đối với từng trường hợp.

• Lời giải chi tiết

  • Acid: \(\text{NH}_4^{+},\text{ Al}^{3+}\)

    • \[\text{NH}_4^{+}+\text{ H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ NH}_3+\text{ H}_3\text{O}^{+}\]

    • \[\text{Al}^{3+}+3\text{H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ Al(OH)}_3+3\text{H}^{+}\]

  • Base: \(\text{CH}_3\text{COO}^-\)

    • \[\text{CH}_3\text{COO}^{-}+\text{ H}_2\text{O}\rightleftharpoons\text{ CH}_3\text{COOH}+\text{ OH}^{-}\]

  • Lưỡng tính: \(\text{HCO}_3^{-},\text{ ZnO}\).

    • \(\text{HCO}_3^{-}+\text{ H}^{+}\rightarrow\text{ CO}_2+\text{ H}_2\text{O}\) (nhận \(\text{H}^+\)).

    • \(\text{HCO}_3^{-}+\text{ OH}^{-}\rightarrow\text{ CO}_3^{2-}+\text{ H}_2\text{O}\) (cho \(\text{H}^+\)).

  • Trung tính: \(\text{SO}_4^{2-}\) (gốc acid mạnh \(\text{H}_2\text{SO}_4\), không phản ứng trao đổi proton với nước trong điều kiện thường).

Tham khảo thêm: pH là gì? Công thức tính pH, thang pH và bài tập Hóa 11.

Hiểu rõ thuyết Bronsted-Lowry giúp học sinh nắm trọn bản chất của phản ứng acid-base, giải thích chính xác môi trường \(\text{pH}\) của các dung dịch muối và tự tin chinh phục các dạng bài tập Hóa học 11. Hãy luôn nhớ quy tắc cốt lõi: Acid cho \(\text{H}^+\) – Base nhận \(\text{H}^+\).

Để củng cố thêm nhiều dạng bài tập nâng cao và theo dõi các bài giảng chi tiết bám sát chương trình SGK mới, các em học sinh có thể tham khảo thêm tại chuyên mục bài giảng Hóa học 11 - ZIM Academy.