Bài học

Sự thuỷ phân của muối

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em dự đoán được môi trường (acid, base hay trung tính) của dung dịch một muối dựa vào gốc acid và gốc base tạo ra nó, và viết được phương trình thuỷ phân tương ứng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã thấy dung dịch $CH_3COONa$ (muối) có $pH$ hơi lớn hơn 7 tại điểm tương đương của phép chuẩn độ. Bài này giải thích đầy đủ hiện tượng đó bằng cân bằng Brønsted–Lowry (Chương 2): gốc acid, gốc base trong muối vẫn có thể cho hoặc nhận proton với nước.

Khởi động

$NaCl$ , $CH_3COONa$ , $NH_4Cl$ đều là muối, đều tan tốt trong nước. Nhưng đo pH ba dung dịch cùng nồng độ, ta được lần lượt khoảng 7, khoảng 9, và khoảng 5. Vì sao ba muối lại cho ba môi trường khác nhau?

$NaCl$, $CH_3COONa$, $NH_4Cl$ đều là muối, đều tan tốt trong nước. Nhưng đo pH ba dung dịch cùng nồng độ, ta được lần lượt khoảng 7, khoảng 9, và khoảng 5. Vì sao ba muối lại cho ba môi trường khác nhau?

Kiến thức trọng tâm

Sự thuỷ phân của muối là phản ứng giữa ion gốc acid hoặc ion gốc base của muối với nước, làm thay đổi $[H^+]$ hoặc $[OH^-]$ của dung dịch — từ đó làm môi trường lệch khỏi trung tính. Cách dự đoán dựa vào nguồn gốc của muối: muối được tạo thành từ acid nào, base nào (qua phản ứng trung hoà).

**Sự thuỷ phân của muối** là phản ứng giữa ion gốc acid hoặc ion gốc base của muối với nước, làm thay đổi $[H^+]$ hoặc $[OH^-]$ của dung dịch — từ đó làm môi trường lệch khỏi trung tính. Cách dự đoán dựa vào **nguồn gốc** của muối: muối được tạo thành từ acid nào, base nào (qua phản ứng trung hoà).

Muối tạo bởi acid mạnh và base mạnh (như $NaCl$ , từ $HCl$ và $NaOH$ ): cả gốc acid ( $Cl^-$ ) lẫn cation ( $Na^+$ ) đều là base liên hợp/acid liên hợp cực yếu, hầu như không phản ứng với nước. Dung dịch có môi trường trung tính ( $pH \approx 7$ ). Nhắc lại từ Chương 2: base liên hợp của một acid MẠNH luôn cực yếu (vì $K_a$ acid lớn kéo theo $K_b$ base liên hợp rất nhỏ, do $K_a \times K_b = K_w$ ) — đây chính là lý do $Cl^-$ , $NO_3^-$ , $SO_4^{2-}$ (gốc của acid mạnh) không thuỷ phân đáng kể.

**Muối tạo bởi acid mạnh và base mạnh** (như $NaCl$, từ $HCl$ và $NaOH$): cả gốc acid ($Cl^-$) lẫn cation ($Na^+$) đều là base liên hợp/acid liên hợp cực yếu, hầu như không phản ứng với nước. Dung dịch có môi trường **trung tính** ($pH \approx 7$). Nhắc lại từ Chương 2: base liên hợp của một acid MẠNH luôn cực yếu (vì $K_a$ acid lớn kéo theo $K_b$ base liên hợp rất nhỏ, do $K_a \times K_b = K_w$) — đây chính là lý do $Cl^-$, $NO_3^-$, $SO_4^{2-}$ (gốc của acid mạnh) không thuỷ phân đáng kể.

Muối tạo bởi acid yếu và base mạnh (như $CH_3COONa$ , từ $CH_3COOH$ và $NaOH$ ): gốc acid $CH_3COO^-$ là base liên hợp của một acid yếu, nên có khả năng nhận proton từ nước đáng kể: $CH_3COO^- + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^-$ . Cân bằng này sinh ra $OH^-$ dư, làm dung dịch có môi trường base ( $pH > 7$ ).

**Muối tạo bởi acid yếu và base mạnh** (như $CH_3COONa$, từ $CH_3COOH$ và $NaOH$): gốc acid $CH_3COO^-$ là base liên hợp của một acid yếu, nên có khả năng nhận proton từ nước đáng kể: $CH_3COO^- + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^-$. Cân bằng này sinh ra $OH^-$ dư, làm dung dịch có môi trường **base** ($pH > 7$).

Muối tạo bởi acid mạnh và base yếu (như $NH_4Cl$ , từ $HCl$ và $NH_3$ ): cation $NH_4^+$ là acid liên hợp của một base yếu, nên có khả năng nhường proton cho nước: $NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 + H_3O^+$ (hay viết gọn $NH_4^+ \rightleftharpoons NH_3 + H^+$ ). Cân bằng này sinh ra $H^+$ dư, làm dung dịch có môi trường acid ( $pH < 7$ ).

**Muối tạo bởi acid mạnh và base yếu** (như $NH_4Cl$, từ $HCl$ và $NH_3$): cation $NH_4^+$ là acid liên hợp của một base yếu, nên có khả năng nhường proton cho nước: $NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 + H_3O^+$ (hay viết gọn $NH_4^+ \rightleftharpoons NH_3 + H^+$). Cân bằng này sinh ra $H^+$ dư, làm dung dịch có môi trường **acid** ($pH < 7$).

Muối tạo bởi acid yếu và base yếu (như $CH_3COONH_4$ ): cả cation lẫn gốc acid đều thuỷ phân, môi trường tuỳ thuộc $K_a$ của cation và $K_b$ của gốc acid — cái nào mạnh hơn sẽ quyết định chiều lệch pH. Ở mức nền tảng, em chỉ cần nhận diện được ba trường hợp rõ ràng trên (mạnh–mạnh, yếu–mạnh, mạnh–yếu) và biết trường hợp thứ tư tồn tại nhưng cần so sánh thêm $K_a$ , $K_b$ .

**Muối tạo bởi acid yếu và base yếu** (như $CH_3COONH_4$): cả cation lẫn gốc acid đều thuỷ phân, môi trường tuỳ thuộc $K_a$ của cation và $K_b$ của gốc acid — cái nào mạnh hơn sẽ quyết định chiều lệch pH. Ở mức nền tảng, em chỉ cần nhận diện được ba trường hợp rõ ràng trên (mạnh–mạnh, yếu–mạnh, mạnh–yếu) và biết trường hợp thứ tư tồn tại nhưng cần so sánh thêm $K_a$, $K_b$.

Hiểu đúng sự thuỷ phân muối giải thích được nhiều hiện tượng quen thuộc trong đời sống mà trước đây em có thể chỉ ghi nhớ mà chưa hiểu bản chất: bột nở (baking soda, $NaHCO_3$ ) hoà tan trong nước cho môi trường base nhẹ, giúp trung hoà bớt vị chua khi làm bánh; xà phòng (thường là muối $RCOONa$ của acid béo yếu) tạo dung dịch base nhẹ khi hoà tan, đủ để làm sạch dầu mỡ nhưng không gây bỏng da như $NaOH$ nguyên chất; phân đạm $NH_4NO_3$ , $(NH_4)_2SO_4$ khi tan trong nước và đất lại tạo môi trường acid nhẹ do $NH_4^+$ thuỷ phân, một trong những lý do đất bón nhiều phân đạm lâu ngày có xu hướng chua hoá.

Hiểu đúng sự thuỷ phân muối giải thích được nhiều hiện tượng quen thuộc trong đời sống mà trước đây em có thể chỉ ghi nhớ mà chưa hiểu bản chất: bột nở (baking soda, $NaHCO_3$) hoà tan trong nước cho môi trường base nhẹ, giúp trung hoà bớt vị chua khi làm bánh; xà phòng (thường là muối $RCOONa$ của acid béo yếu) tạo dung dịch base nhẹ khi hoà tan, đủ để làm sạch dầu mỡ nhưng không gây bỏng da như $NaOH$ nguyên chất; phân đạm $NH_4NO_3$, $(NH_4)_2SO_4$ khi tan trong nước và đất lại tạo môi trường acid nhẹ do $NH_4^+$ thuỷ phân, một trong những lý do đất bón nhiều phân đạm lâu ngày có xu hướng chua hoá.

Ví dụ

Dự đoán môi trường và viết phương trình thuỷ phân

1
Dự đoán môi trường (acid/base/trung tính) của ba dung dịch $NaCl$ , $CH_3COONa$ , $NH_4Cl$ , và viết phương trình thuỷ phân (nếu có).
Dự đoán môi trường (acid/base/trung tính) của ba dung dịch $NaCl$, $CH_3COONa$, $NH_4Cl$, và viết phương trình thuỷ phân (nếu có).
2
$NaCl$ tạo bởi acid mạnh $HCl$ và base mạnh $NaOH$ — không ion nào thuỷ phân đáng kể. Môi trường trung tính, $pH \approx 7$ .
$NaCl$ tạo bởi acid mạnh $HCl$ và base mạnh $NaOH$ — không ion nào thuỷ phân đáng kể. Môi trường trung tính, $pH \approx 7$.
3
$CH_3COONa$ tạo bởi acid yếu $CH_3COOH$ và base mạnh $NaOH$ — gốc $CH_3COO^-$ thuỷ phân: $CH_3COO^- + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^-$ . Môi trường base, $pH > 7$ .
$CH_3COONa$ tạo bởi acid yếu $CH_3COOH$ và base mạnh $NaOH$ — gốc $CH_3COO^-$ thuỷ phân: $CH_3COO^- + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^-$. Môi trường base, $pH > 7$.
4
$NH_4Cl$ tạo bởi acid mạnh $HCl$ và base yếu $NH_3$ — cation $NH_4^+$ thuỷ phân: $NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 + H_3O^+$ . Môi trường acid, $pH < 7$ .
$NH_4Cl$ tạo bởi acid mạnh $HCl$ và base yếu $NH_3$ — cation $NH_4^+$ thuỷ phân: $NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 + H_3O^+$. Môi trường acid, $pH < 7$.
5
Vậy $NaCl$ trung tính, $CH_3COONa$ có tính base, $NH_4Cl$ có tính acid — đúng khớp với ba giá trị pH đo được ở phần khởi động (khoảng 7, khoảng 9, khoảng 5).
Vậy $NaCl$ trung tính, $CH_3COONa$ có tính base, $NH_4Cl$ có tính acid — đúng khớp với ba giá trị pH đo được ở phần khởi động (khoảng 7, khoảng 9, khoảng 5).

Ví dụ

Nhận biết muối qua đo pH và tính pH gần đúng

1
Có 4 lọ dung dịch mất nhãn, mỗi lọ chứa một trong các muối: $NaCl$ , $CH_3COONa$ , $NH_4NO_3$ , $Na_2CO_3$ , đều cùng nồng độ 0,10 M. Đo pH lần lượt được: lọ (1) $pH \approx 7$ ; lọ (2) $pH \approx 5$ ; lọ (3) $pH \approx 9$ ; lọ (4) $pH \approx 11$ . Hãy ghép mỗi lọ với đúng tên muối, giải thích ngắn gọn.
Có 4 lọ dung dịch mất nhãn, mỗi lọ chứa một trong các muối: $NaCl$, $CH_3COONa$, $NH_4NO_3$, $Na_2CO_3$, đều cùng nồng độ 0,10 M. Đo pH lần lượt được: lọ (1) $pH \approx 7$; lọ (2) $pH \approx 5$; lọ (3) $pH \approx 9$; lọ (4) $pH \approx 11$. Hãy ghép mỗi lọ với đúng tên muối, giải thích ngắn gọn.
2
Lọ (1) $pH \approx 7$ (trung tính) $\to$ $NaCl$ , muối của acid mạnh–base mạnh, không thuỷ phân. Lọ (2) $pH \approx 5$ (acid) $\to$ $NH_4NO_3$ , cation $NH_4^+$ (từ base yếu $NH_3$ ) thuỷ phân sinh $H^+$ .
Lọ (1) $pH \approx 7$ (trung tính) $\to$ $NaCl$, muối của acid mạnh–base mạnh, không thuỷ phân. Lọ (2) $pH \approx 5$ (acid) $\to$ $NH_4NO_3$, cation $NH_4^+$ (từ base yếu $NH_3$) thuỷ phân sinh $H^+$.
3
Lọ (3) $pH \approx 9$ (base vừa) $\to$ $CH_3COONa$ , gốc $CH_3COO^-$ (từ acid yếu $CH_3COOH$ , $K_a \approx 1,8 \times 10^{-5}$ ) thuỷ phân sinh $OH^-$ ở mức vừa phải. Lọ (4) $pH \approx 11$ (base mạnh hơn) $\to$ $Na_2CO_3$ , gốc $CO_3^{2-}$ có tính base mạnh hơn $CH_3COO^-$ (vì $H_2CO_3$ là acid yếu hơn $CH_3COOH$ nhiều, nên base liên hợp $CO_3^{2-}$ mạnh hơn), thuỷ phân sinh $OH^-$ nhiều hơn.
Lọ (3) $pH \approx 9$ (base vừa) $\to$ $CH_3COONa$, gốc $CH_3COO^-$ (từ acid yếu $CH_3COOH$, $K_a \approx 1,8 \times 10^{-5}$) thuỷ phân sinh $OH^-$ ở mức vừa phải. Lọ (4) $pH \approx 11$ (base mạnh hơn) $\to$ $Na_2CO_3$, gốc $CO_3^{2-}$ có tính base mạnh hơn $CH_3COO^-$ (vì $H_2CO_3$ là acid yếu hơn $CH_3COOH$ nhiều, nên base liên hợp $CO_3^{2-}$ mạnh hơn), thuỷ phân sinh $OH^-$ nhiều hơn.
4
Vậy: lọ (1) là $NaCl$ , lọ (2) là $NH_4NO_3$ , lọ (3) là $CH_3COONa$ , lọ (4) là $Na_2CO_3$ — dựa trên nguyên tắc gốc acid/gốc base càng yếu (tức base/acid liên hợp của nó càng mạnh) thì mức độ thuỷ phân và độ lệch pH khỏi 7 càng lớn.
Vậy: lọ (1) là $NaCl$, lọ (2) là $NH_4NO_3$, lọ (3) là $CH_3COONa$, lọ (4) là $Na_2CO_3$ — dựa trên nguyên tắc gốc acid/gốc base càng yếu (tức base/acid liên hợp của nó càng mạnh) thì mức độ thuỷ phân và độ lệch pH khỏi 7 càng lớn.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm hay gặp: nhìn muối có "gốc kim loại mạnh" ( $Na^+$ , $K^+$ ) rồi vội kết luận dung dịch là base — thực ra $Na^+$ , $K^+$ là cation của base MẠNH, hoàn toàn trơ, không quyết định môi trường. Chính GỐC ACID mới quyết định (nếu là gốc của acid yếu thì thuỷ phân tạo base). Tương tự đừng nhìn muối có gốc "chloride, nitrate" rồi kết luận acid — phải xét CATION có phải acid liên hợp của một base yếu hay không.

Sai lầm hay gặp: nhìn muối có "gốc kim loại mạnh" ($Na^+$, $K^+$) rồi vội kết luận dung dịch là base — thực ra $Na^+$, $K^+$ là cation của base MẠNH, hoàn toàn trơ, không quyết định môi trường. Chính GỐC ACID mới quyết định (nếu là gốc của acid yếu thì thuỷ phân tạo base). Tương tự đừng nhìn muối có gốc "chloride, nitrate" rồi kết luận acid — phải xét CATION có phải acid liên hợp của một base yếu hay không.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Muối acid mạnh–base mạnh: trung tính. Muối acid yếu–base mạnh: gốc acid thuỷ phân, môi trường base. Muối acid mạnh–base yếu: cation thuỷ phân, môi trường acid. Muối acid yếu–base yếu: tuỳ $K_a$ / $K_b$ của cation và gốc acid.

Bài cuối chương giới thiệu dung dịch đệm — một hệ đặc biệt gồm acid yếu và base liên hợp (hoặc muối của nó) cùng tồn tại, giữ pH gần như không đổi dù thêm một lượng nhỏ acid hay base mạnh.