Đang tải bài học…

AP Chemistry

axit mạnh

strong acid

Còn gọi: acid mạnh · strong acids · HCl · H2SO4 · HNO3 · HClO4

Axit mạnh là axit phân li hoàn toàn thành ion khi hòa tan trong nước, tạo ra nồng độ proton cao nhất có thể từ lượng axit ban đầu.

Axit mạnh (strong acid) là những axit mà khi tan trong nước, toàn bộ phân tử đều nhường prôton (proton) cho phân tử nước, không còn phân tử axit nguyên vẹn nào sót lại trong dung dịch. Quá trình này gọi là sự ion hóa hoàn toàn (complete ionization), và vì phản ứng chỉ xảy ra theo một chiều, phương trình điện li được viết bằng mũi tên một chiều thay vì mũi tên cân bằng. Bảy axit mạnh thường gặp trong chương trình là HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄, HClO₃ và HClO₄.

Do sự phân li hoàn toàn, nồng độ ion H⁺ trong dung dịch bằng đúng nồng độ ban đầu của axit (đối với axit một nấc) hoặc gấp bội lần nồng độ đó (đối với axit nhiều nấc như H₂SO₄). Nhờ đó, việc tính pH trở nên rất đơn giản: chỉ cần lấy $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$ mà không cần dùng đến hằng số cân bằng $K_a$ . Ngược lại, với axit yếu, ta phải giải phương trình bậc hai hoặc dùng bảng ICE mới tìm được $[\text{H}^+]$ .

Vì axit mạnh không thiết lập cân bằng với dạng chưa phân li của nó, dung dịch của chúng dẫn điện mạnh hơn hẳn so với dung dịch axit yếu cùng nồng độ. Tuy nhiên, "mạnh" ở đây nói về mức độ phân li chứ không nói về nồng độ — một dung dịch HCl loãng vẫn là dung dịch axit mạnh, chỉ là có ít prôton hơn dung dịch đậm đặc. Hệ quả thực hành là khi chuẩn độ, axit mạnh tạo đường cong pH có điểm tương đương rõ rệt ở pH = 7, khác với axit yếu vốn bị dịch chuyển về phía bazơ.

Ký hiệu

[\text{H}^+] = C_a

(với axit mạnh monoprotic,

C_a

là nồng độ mol ban đầu của axit)

Đơn vịNồng độ thường biểu diễn bằng mol/L (M); pH không có đơn vị.

Trực giác: Axit mạnh giống như một đám đông người cùng lúc buông tay khỏi thành hồ bơi — tất cả proton rơi vào nước ngay lập tức, không ai còn bám lại.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{\text{HA}} \htmlClass{fp-1}{\rightarrow} \htmlClass{fp-2}{\text{H}^+ + \text{A}^-}

Dùng để viết phương trình điện phân của một axit mạnh bất kỳ trong nước, nhấn mạnh phản ứng xảy ra hoàn toàn theo một chiều.

Trong đó

\text{HA}

axit mạnh tổng quát (strong acid)

\text{H}^+

ion hydro (hydrogen ion)

\text{A}^-

gốc axit liên hợp (conjugate base)

[\text{H}^+] = C_a

Khái niệm này sinh ra từ đâu

đầu thế kỷ 20S.P.L. SørensenJohannes BrønstedThomas Lowry

Khái niệm "axit mạnh" thành hình vào đầu thế kỷ 20, khi hóa học chuyển từ việc mô tả axit bằng vị chua sang đo đạc định lượng: Sørensen đưa ra thang pH năm 1909, còn Brønsted và Lowry mở rộng định nghĩa axit thành chất cho proton, nhờ đó "mạnh" có được nghĩa chính xác là phân li hoàn toàn trong nước.

Hay hiểu sai

Axit mạnh không có nghĩa là axit đậm đặc.

Đừng viết hằng số phân li $K_a$ cho axit mạnh rồi tính cân bằng.

Axit mạnh và bazơ liên hợp của nó không tạo được dung dịch đệm (buffer).

Điểm tương đương của chuẩn độ axit mạnh — bazơ mạnh có pH đúng bằng 7.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Trong phòng thí nghiệm, một học sinh có sẵn dung dịch

\text{HCl}

nồng độ

0{,}025\ M

ở

25\ ^\circ\text{C}

. Học sinh lấy

25{,}0\ \text{mL}

dung dịch này, cho vào bình định mức và thêm nước cất đến vạch

250{,}0\ \text{mL}

. Để so sánh, học sinh chuẩn bị thêm một dung dịch

\text{CH}_3\text{COOH}

cũng có nồng độ

0{,}025\ M

, biết

K_a = 1{,}8 \times 10^{-5}

aTính pH của dung dịch $\text{HCl}$ $0{,}025\ M$ ban đầu.
bTính pH của dung dịch $\text{HCl}$ sau khi pha loãng đến $250{,}0\ \text{mL}$ .
cTính pH của dung dịch $\text{CH}_3\text{COOH}$ $0{,}025\ M$ và giải thích vì sao hai dung dịch cùng nồng độ lại cho pH khác nhau.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyAxit & bazơ · bài “Giới thiệu axit và bazơ” — khoá AP Chemistry

Cần trướcacid Brønsted–Lowry (sắp có)sự ion hóa hoàn toàn

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

axit yếuweak acid

Khác nhau ở đâuAxit mạnh phân li hoàn toàn trong nước, nên phản ứng với nước xảy ra 100 %. Axit yếu chỉ phân li một phần, tạo ra cân bằng động giữa phân tử chưa phân li và các ion.

Hay nhầm khiKhi tính pH hoặc dựng bảng ICE, nhầm axit mạnh thành axit yếu sẽ dẫn đến việc đặt cân bằng không cần thiết.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 18, 25, 181.

Dùng khi tính nồng độ ion

\text{H}^+

trong dung dịch axit mạnh đơn nấc (như

\text{HCl}

\text{HNO}_3

); vì axit phân ly hoàn toàn nên

[\text{H}^+]

bằng đúng nồng độ ban đầu của axit.

Trong đó

[\text{H}^+]

nồng độ mol của ion hydro — M

C_a

nồng độ mol ban đầu của axit mạnh — M

Nhu cầu phân biệt axit mạnh với axit yếu không đến từ phòng thí nghiệm hóa học thuần túy mà từ những ngành cần kiểm soát độ chua thật chặt. Thang pH ra đời năm 1909 trong nghiên cứu về enzyme của Sørensen, và trong hai thập niên đầu, phần lớn công trình dùng pH lại thuộc về sinh lý học, vi khuẩn học, nghiên cứu lên men, y học, khoa học đất và xử lý nước. Khi đã đo được nồng độ ion hydrogen, người ta lập tức thấy có những axit cho ra đúng lượng ion tính theo nồng độ ban đầu, và những axit khác thì không. Ranh giới mạnh — yếu vì vậy là kết quả của việc đo, chứ không phải của cảm nhận.

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "mạnh" ở đây dễ gây hiểu lầm nhất, vì trong đời thường nó gợi ý "đậm đặc", còn trong hóa học nó chỉ nói về xu hướng mất proton. Theo cách hiểu của Brønsted và Lowry, axit là chất cho proton, nên axit càng mạnh nghĩa là nó càng dễ buông $\text{H}^+$ ; một mol axit mạnh HA tan trong nước cho đúng một mol $\text{H}^+$ và một mol bazơ liên hợp (conjugate base) $\text{A}^-$ , hầu như không còn HA nguyên vẹn. Vì vậy độ mạnh được đo bằng hằng số phân li axit (acid dissociation constant) $K_a$ : axit mạnh có $K_a$ lớn và $\mathrm{p}K_a$ nhỏ. Cũng chính lối đặt tên theo mức độ này sinh ra bậc thang cao hơn là siêu axit (superacid), tức những axit mạnh hơn cả sulfuric acid nguyên chất. Một chi tiết thú vị nằm ở tên của ion sinh ra: hạt $\text{H}_3\text{O}^+$ từng được gọi là "hydroxonium" trước khi có tên hiện đại, và năm 1931 Bjerrum đề nghị gọi chung các ion hydrogen bị dung môi hóa là ion lyoni (lyonium), lấy từ tiếng Hy Lạp lyo nghĩa là phá vỡ, hòa tan — bởi trong methanol thì axit mạnh không tạo $\text{H}_3\text{O}^+$ mà tạo $\text{CH}_3\text{OH}_2^+$ .

Học thuộc danh sách sáu axit mạnh, mọi axit khác coi như yếu.

Khi viết phương trình ion thu gọn, axit mạnh phải tách thành ion, axit yếu giữ nguyên phân tử.

Giải thích bước nhảy pH ở điểm cuối bằng lượng chất còn dư rất nhỏ.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trước hết phải nhận ra

\text{HCl}

nằm trong nhóm sáu axit mạnh quen thuộc, nên nó ion hóa hoàn toàn (complete ionization) trong nước và phản ứng được viết bằng một mũi tên đơn:

\text{HCl}(aq) \rightarrow \text{H}^{+}(aq) + \text{Cl}^{-}(aq)

. Vì không còn phân tử

\text{HCl}

nào tồn tại trong dung dịch, nồng độ ion hydro bằng đúng nồng độ axit ban đầu, tức

[\text{H}^{+}] = 0{,}025\ M

. Do đó bài toán này không cần bảng ICE và cũng không cần hằng số cân bằng nào cả.

2Bước 2: Áp dụng định nghĩa:

\text{pH} = -\log[\text{H}^{+}] = -\log(2{,}5 \times 10^{-2}) = 1{,}60

Công thức này chỉ đơn giản đổi nồng độ ion hydro sang thang lôgarit, nên mỗi lần

[\text{H}^{+}]

giảm mười lần thì pH tăng thêm một đơn vị. Kết quả

1{,}60

có hai chữ số sau dấu phẩy vì nồng độ

0{,}025\ M

có hai chữ số có nghĩa — trong pH, chỉ phần thập phân mới mang chữ số có nghĩa.

3Bước 3: Khi pha loãng, số mol chất tan không đổi nên dùng

M_1V_1 = M_2V_2

M_2 = \frac{(0{,}025)(25{,}0)}{250{,}0} = 2{,}5 \times 10^{-3}\ M

Nồng độ giảm đúng mười lần vì thể tích tăng mười lần. Vì

\text{HCl}

vẫn ion hóa hoàn toàn ở nồng độ mới, ta có ngay

\text{pH} = -\log(2{,}5 \times 10^{-3}) = 2{,}60

, tăng đúng một đơn vị so với câu (a).

4Bước 4: Với

\text{CH}_3\text{COOH}

thì tình huống khác hẳn, vì đây là axit yếu và cân bằng

\text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{H}^{+} + \text{CH}_3\text{COO}^{-}

chỉ chuyển dịch một phần rất nhỏ sang phải. Đặt

x = [\text{H}^{+}]

tại cân bằng và giả sử

x \ll 0{,}025

, ta được

x = \sqrt{K_a \cdot C} = \sqrt{(1{,}8 \times 10^{-5})(0{,}025)} = 6{,}7 \times 10^{-4}\ M

Vậy

\text{pH} = -\log(6{,}7 \times 10^{-4}) = 3{,}17

. Giả thiết xấp xỉ là hợp lệ vì phần trăm ion hóa (percent ionization) chỉ bằng

(6{,}7 \times 10^{-4})/(0{,}025) = 2{,}7\%

, nhỏ hơn ngưỡng

5\%

thường dùng.

5Bước 5: So sánh hai kết quả cho thấy dung dịch

\text{HCl}

có pH

1{,}60

trong khi

\text{CH}_3\text{COOH}

cùng nồng độ có pH

3{,}17

, chênh nhau hơn một nghìn lần về

[\text{H}^{+}]

. Nguyên nhân không nằm ở lượng axit hòa tan mà nằm ở mức độ ion hóa: axit mạnh nhường proton hoàn toàn cho nước, còn axit yếu giữ phần lớn proton trong phân tử chưa phân li. Vì vậy khi đề bài dùng cụm "cùng nồng độ", câu trả lời gần như luôn xoay quanh sự khác biệt về mức ion hóa chứ không phải về số mol.

Dung dịch $\text{HCl}$ $0{,}025\ M$ có $\text{pH} = 1{,}60$ ; sau khi pha loãng mười lần xuống $2{,}5 \times 10^{-3}\ M$ thì $\text{pH} = 2{,}60$ . Dung dịch $\text{CH}_3\text{COOH}$ cùng nồng độ chỉ đạt $\text{pH} = 3{,}17$ vì nó ion hóa $2{,}7\%$ , trong khi $\text{HCl}$ — một axit mạnh — ion hóa hoàn toàn nên toàn bộ nồng độ ban đầu đều chuyển thành $[\text{H}^{+}]$ .

2Ví dụ 2/2

Một học sinh chuẩn độ

25{,}00\ \text{mL}

dung dịch

\text{HCl}

0{,}1000\ M

bằng dung dịch

\text{NaOH}

0{,}1000\ M

ở

25\ ^\circ\text{C}

, dùng phenolphtalein làm chất chỉ thị (indicator) với khoảng đổi màu pH từ

8{,}2

đến

10{,}0

. Buret nhỏ giọt với thể tích mỗi giọt là

0{,}05\ \text{mL}

. Học sinh nhận thấy màu hồng xuất hiện rồi biến mất chỉ với một giọt thêm vào hoặc bớt đi.

aTính thể tích $\text{NaOH}$ cần để đạt điểm tương đương và pH tại điểm đó.
bTính pH khi đã thêm $24{,}95\ \text{mL}$ và khi đã thêm $25{,}05\ \text{mL}$ dung dịch $\text{NaOH}$ .
cDựa trên kết quả câu (b), giải thích vì sao màu của phenolphtalein đổi đột ngột chỉ với một giọt.

1Bước 1: Số mol axit ban đầu là

(25{,}00\ \text{mL})(0{,}1000\ M) = 2{,}500\ \text{mmol}\ \text{H}^{+}

, và vì

\text{HCl}

là axit mạnh nên toàn bộ lượng này đã ở dạng ion tự do. Phản ứng chuẩn độ là

\text{H}^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{H}_2\text{O}

với tỉ lệ mol

1:1

, nên cần đúng

2{,}500\ \text{mmol}\ \text{OH}^{-}

, tức

V = 2{,}500/0{,}1000 = 25{,}00\ \text{mL}

. Tại điểm tương đương (equivalence point), dung dịch chỉ chứa

\text{NaCl}

và nước; cả

\text{Na}^{+}

lẫn

\text{Cl}^{-}

đều không thủy phân, do đó

\text{pH} = 7{,}00

2Bước 2: Trước điểm tương đương, pH do lượng

\text{H}^{+}

dư quyết định. Khi đã thêm

24{,}95\ \text{mL}

bazơ, số mol

\text{OH}^{-}

là

2{,}495\ \text{mmol}

, nên

\text{H}^{+}

còn dư

2{,}500 - 2{,}495 = 0{,}005\ \text{mmol}

trong tổng thể tích

25{,}00 + 24{,}95 = 49{,}95\ \text{mL}

. Vậy

[\text{H}^{+}] = \frac{0{,}005}{49{,}95} = 1{,}0 \times 10^{-4}\ M \Rightarrow \text{pH} = 4{,}00

Con số này nhắc ta rằng lượng axit còn lại đã nhỏ đến mức chỉ bằng hai phần nghìn lượng ban đầu.

3Bước 3: Sau điểm tương đương, vai trò đảo ngược và pH do lượng

\text{OH}^{-}

dư quyết định. Khi đã thêm

25{,}05\ \text{mL}

, số mol bazơ dư là

2{,}505 - 2{,}500 = 0{,}005\ \text{mmol}

trong

50{,}05\ \text{mL}

, nên

[\text{OH}^{-}] = \frac{0{,}005}{50{,}05} = 1{,}0 \times 10^{-4}\ M \Rightarrow \text{pOH} = 4{,}00

Từ quan hệ

\text{pH} + \text{pOH} = 14{,}00

ở

25\ ^\circ\text{C}

, ta có

\text{pH} = 10{,}00

4Bước 4: Đặt hai kết quả cạnh nhau: chỉ trong

0{,}10\ \text{mL}

— đúng hai giọt — pH nhảy từ

4{,}00

lên

10{,}00

, tức

[\text{H}^{+}]

thay đổi một triệu lần. Lý do là ở sát điểm tương đương, lượng chất dư quyết định pH đã teo lại còn

0{,}005\ \text{mmol}

, nên thêm một giọt bazơ không chỉ trung hòa hết phần dư đó mà còn tạo ngay một lượng

\text{OH}^{-}

dư tương đương. Ngược lại, ở đầu quá trình chuẩn độ, một giọt bazơ chỉ tiêu thụ một phần rất nhỏ trong

2{,}500\ \text{mmol}

axit nên pH gần như đứng yên.

5Bước 5: Vì cả axit và bazơ đều mạnh nên không có cặp axit–bazơ liên hợp (conjugate acid–base pair) nào tồn tại trong bình để hãm sự thay đổi pH; nói cách khác, hệ hoàn toàn không có tính đệm ở lân cận điểm tương đương. Khoảng đổi màu của phenolphtalein, từ

8{,}2

đến

10{,}0

, nằm gọn bên trong đoạn dốc đứng từ

4{,}00

đến

10{,}00

. Nhờ đó chỉ một giọt cũng đủ đưa pH vượt qua trọn khoảng đổi màu, và màu hồng có thể bật đi bật lại khi thêm một giọt axit hay bazơ.

Điểm tương đương đạt được ở $25{,}00\ \text{mL}$ $\text{NaOH}$ với $\text{pH} = 7{,}00$ ; ngay trước và ngay sau đó, pH lần lượt là $4{,}00$ và $10{,}00$ . Chính vì $\text{HCl}$ là axit mạnh và $\text{NaOH}$ là bazơ mạnh, dung dịch không có khả năng đệm nên pH nhảy sáu đơn vị chỉ trong hai giọt, và khoảng đổi màu của phenolphtalein nằm trọn trong bước nhảy này — đó là lý do màu chuyển đột ngột và có thể đảo ngược chỉ bằng một giọt.

Dẫn tớichuẩn độ

Liên quanaxit yếuhằng số ion hóa acid (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.