Đang tải bài học…

AP Chemistry

ion hydronium

hydronium ion

Còn gọi: H3O+ · H₃O⁺ · ion hidroni · ion H3O+ · hydronium

Ion hydronium là ion dương hình thành khi phân tử nước nhận thêm một proton, đóng vai trò trung tâm trong hóa học axit–bazơ dung dịch nước.

Trong dung dịch nước, ion hydro ( $\text{H}^+$ ) không bao giờ tồn tại dưới dạng hạt tự do, bởi nó thực chất chỉ là hạt nhân nguyên tử (nucleus) hydro đã mất đi điện tử duy nhất nên mang mật độ điện tích dương cực lớn. Ngay khi một axit hòa tan và phân ly, hạt mang điện dương này lập tức tương tác với cặp điện tử chưa liên kết trên nguyên tử oxi của phân tử nước để tạo thành một liên kết cộng hóa trị phối trí. Sản phẩm của quá trình đó là ion hydronium (hydronium ion), một ion đa nguyên tử có công thức $\text{H}_3\text{O}^+$ . Nhờ đó, ta hiểu rằng sự hiện diện của axit trong nước thực chất là sự làm tăng nồng độ của loại ion này, chứ không phải là sự giải phóng những hạt hydro trần trụi.

Dưới góc nhìn của thuyết Brønsted–Lowry, nước đóng vai trò là một bazơ khi nhận ion hydro từ chất tan, và vì thế ion hydronium chính là axit liên hợp của nước. Mặc dù nhiều phương trình hóa học (chemical equation) vẫn viết gọn là $\text{H}^+_{(aq)}$ cho tiện lợi, bản chất vật lý chính xác đòi hỏi ta phải hình dung hạt hydro ấy luôn gắn chặt với ít nhất một phân tử nước. Do đó, mọi tính toán về cân bằng axit–bazơ đều phải dựa trên nồng độ thực tế của $\text{H}_3\text{O}^+$ trong dung dịch.

Hệ quả trực tiếp nhất của sự hình thành ion này là việc xác định độ axit của dung dịch thông qua thang pH. Thang đo đó được định nghĩa bằng biểu thức $\text{pH} = -\log[\text{H}_3\text{O}^+]$ , trong đó $[\text{H}_3\text{O}^+]$ là nồng độ (concentration) mol của ion hydronium tại trạng thái cân bằng. Vì vậy, khi nồng độ ion này tăng lên gấp mười lần thì giá trị pH sẽ giảm đi một đơn vị, phản ánh môi trường trở nên axit mạnh hơn rõ rệt. Ngược lại, nếu nồng độ ấy giảm đi mười lần thì pH tăng thêm một đơn vị, cho thấy dung dịch đang chuyển dần sang môi trường bazơ.

Ký hiệu

[\text{H}_3\text{O}^+]

\text{H}^+_{(aq)}

Trực giác: Proton trần trụi không thể bơi một mình trong bể nước mà phải bám ngay vào một phao cứu sinh là phân tử nước để di chuyển.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

thập niên 1880 (tên gọi "hydronium" ghi nhận từ 1905)Svante ArrheniusWilhelm OstwaldJohannes BrønstedMartin LowryJames Walker

Thử nghiệm tương tác

Xoay ion hydronium — thử tìm xem liên kết O–H nào là cái vừa mới nhận proton

Hay hiểu sai

Ion hydronium là $\text{H}_3\text{O}^+$ , không phải $\text{H}_2\text{O}^+$ .

Trong dung dịch nước không hề tồn tại proton trần $\text{H}^+$ .

pH đo nồng độ hydronium, không đo lượng axit ban đầu.

$[\text{H}_3\text{O}^+]$ xuất hiện trong định luật tốc độ không có nghĩa nó là chất phản ứng bị tiêu thụ.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Acid propanoic,

\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH}

, là một acid yếu đơn chức có

K_a = 1{,}3 \times 10^{-5}

ở

25\ ^\circ\text{C}

. Một học sinh pha

250{,}0\ \text{mL}

dung dịch acid propanoic nồng độ đầu

0{,}150\ M

trong nước cất và để hệ đạt cân bằng ở

25\ ^\circ\text{C}

aViết phương trình cân bằng của acid propanoic trong nước và chỉ rõ hai cặp acid–base liên hợp (conjugate acid–base pair) trong phương trình đó.
bTính nồng độ ion hydronium ở cân bằng và pH của dung dịch.
cTính phần trăm ion hóa (percent ionization) của acid và nồng độ ion hydroxide trong dung dịch.

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 “Axit & bazơ” — khoá AP Chemistry

Cần trướcprotonthuyết acid–base Brønsted–Lowry

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 120, 197, 760.

Khái niệm ion hydronium bắt nguồn từ thập niên 1880, khi nhà khoa học Thụy Điển Svante Arrhenius cùng nhà hóa học Đức Wilhelm Ostwald định nghĩa acid là chất phân li trong nước tạo ion hydrogen, và chính các ion này proton hóa phân tử nước. Cái tên "hydronium" xuất hiện muộn hơn, được ghi nhận lần đầu năm 1905.

Vấn đề mà các nhà hóa học thế kỷ 19 phải giải quyết là: một acid tan trong nước thì thứ gì thực sự tồn tại trong dung dịch? Arrhenius, khi đó làm việc tại Học viện Công nghệ Hoàng gia ở Stockholm và cộng tác với Ostwald ở Học viện Bách khoa Riga, đề xuất rằng acid phân li cho ion hydrogen, rồi ion này gắn vào nước. Ý tưởng đó đủ sức giải thích độ dẫn điện và độ mạnh yếu của các dung dịch acid, và nó mang lại cho Arrhenius giải Nobel Hóa học năm 1903, còn Ostwald nhận giải năm 1909. Về sau, Johannes Brønsted ở Copenhagen và Martin Lowry ở Cambridge tinh chỉnh cách nhìn này một cách độc lập với nhau.

Vì sao mang đúng cái tên này? Trước khi có tên gọi quen thuộc ngày nay, giới hóa học từng loay hoay khá lâu với việc đặt tên cho hạt mang điện dương trong dung dịch acid. Năm 1901, nhà hóa học Scotland James Walker đề nghị gọi $\text{H}^{+}$ là "hydrion" và $\text{OH}^{-}$ là "hydroxidion"; cách gọi này được dùng nhiều trong hóa sinh và hóa nông nghiệp nhưng không thuyết phục được đa số nhà vật lý và nhà hóa học, nhất là sau khi Ernest Rutherford năm 1920 gọi hạt đó là proton (proton). Trong khi đó, $\text{H}_3\text{O}^{+}$ lúc bấy giờ thường được gọi là "hydroxonium". Tên "hydronium" chính là kết quả của việc rút gọn chữ "hydroxonium" trong tiếng Đức, và được ghi nhận lần đầu vào năm 1905. Nói cách khác, cái tên nghe có vẻ tự nhiên này không phải được đặt mới từ đầu mà là một dạng viết tắt đã sống lâu hơn từ gốc của nó. Về sau, danh pháp chính thức lại ưu tiên "oxonium", vì hydronium chỉ là dạng đơn giản nhất của các ion oxonium (oxonium ion) — những ion có ba nhóm gắn vào một nguyên tử oxygen và mang điện tích dương tổng cộng. Một nhánh đặt tên khác cũng đáng nhắc: năm 1931, Bjerrum đề nghị gọi chung các ion hydrogen bị dung môi hóa là "lyonium", lấy từ tiếng Hy Lạp λύω nghĩa là phá vỡ hay hòa tan. Lý do rất thực dụng, vì acid mạnh tan trong methanol không cho $\text{H}_3\text{O}^{+}$ mà cho $\text{CH}_3\text{OH}_2^{+}$ . Bản thân sự tồn tại của hydronium trong dung dịch acid mạnh mãi về sau mới được Michael Falk phát hiện một cách chắc chắn bằng thực nghiệm, khi khái niệm này đã quen thuộc với giới hóa học hơn năm mươi năm. Tuy vậy, trong đề thi và sách giáo khoa hiện nay, tên gọi phổ biến vẫn là hydronium, và acid theo nghĩa proton hóa nước nay được gọi là acid Brønsted (Brønsted acid) thay cho cách gọi cũ là acid Arrhenius (Arrhenius acid).

Xoay ion hydronium — thử tìm xem liên kết O–H nào là cái vừa mới nhận proton

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Viết hydronium hay $\text{H}^+$ đều được, nhưng phải nhất quán trong cả bài.

Với câu chỉ thị màu axit–base, luôn viết rõ chiều chuyển dịch cân bằng.

Khi tính pH, ghi rõ giá trị $[\text{H}_3\text{O}^+]$ trước khi lấy logarit.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

Acid yếu chỉ nhường một phần proton cho nước, nên phải viết mũi tên hai chiều và nước đóng vai trò base:

\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}^-(aq) + \text{H}_3\text{O}^+(aq)

Proton chuyển từ nhóm

-\text{COOH}

sang phân tử nước, tạo thành ion hydronium chứ không phải

\text{H}^+

trần trong dung dịch. Hai cặp liên hợp là

\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH}/\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}^-

và

\text{H}_3\text{O}^+/\text{H}_2\text{O}

2Bước 2: Đặt

x = [\text{H}_3\text{O}^+]

ở cân bằng. Vì mỗi phân tử acid nhường một proton tạo đúng một ion hydronium và một ion propanoate, bảng biến thiên cho:

[\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}^-] = x

và

[\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH}] = 0{,}150 - x

. Biểu thức hằng số:

K_a = \frac{x^2}{0{,}150 - x} = 1{,}3 \times 10^{-5}

Nước là chất lỏng tinh khiết nên không xuất hiện trong biểu thức.

3Bước 3: Vì

K_a

rất nhỏ so với nồng độ đầu, giả sử

0{,}150 - x \approx 0{,}150

x = \sqrt{(1{,}3 \times 10^{-5})(0{,}150)} = \sqrt{1{,}95 \times 10^{-6}} = 1{,}4 \times 10^{-3}\ M

Vậy

[\text{H}_3\text{O}^+] = 1{,}4 \times 10^{-3}\ M

. Kiểm tra giả thiết:

x

chỉ chiếm

0{,}93\%

của

0{,}150\ M

, nhỏ hơn

5\%

, nên phép xấp xỉ chấp nhận được.

4Bước 4: Tính pH từ nồng độ ion hydronium vừa tìm:

\text{pH} = -\log(1{,}4 \times 10^{-3}) = 2{,}86

Giá trị này nhỏ hơn 7 rất nhiều, phù hợp với một dung dịch acid; tuy nhiên nó vẫn lớn hơn

\text{pH} = 0{,}82

mà một acid mạnh cùng nồng độ

0{,}150\ M

sẽ cho, đúng như dự đoán cho acid yếu.

5Bước 5: Phần trăm ion hóa so sánh lượng acid đã nhường proton với lượng acid ban đầu:

\frac{1{,}4 \times 10^{-3}}{0{,}150} \times 100\% = 0{,}93\%

Nồng độ ion hydroxide suy ra từ tích ion của nước,

K_w = [\text{H}_3\text{O}^+][\text{OH}^-] = 1{,}0 \times 10^{-14}

[\text{OH}^-] = \frac{1{,}0 \times 10^{-14}}{1{,}4 \times 10^{-3}} = 7{,}1 \times 10^{-12}\ M

Trong dung dịch acid propanoic $0{,}150\ M$ , chỉ khoảng $0{,}93\%$ số phân tử acid nhường proton cho nước, tạo ra $[\text{H}_3\text{O}^+] = 1{,}4 \times 10^{-3}\ M$ và $\text{pH} = 2{,}86$ ; nồng độ ion hydroxide chỉ còn $7{,}1 \times 10^{-12}\ M$ . Ion hydronium ở đây không phải chất tan ban đầu mà là sản phẩm của phản ứng chuyển proton giữa acid và nước, nên nồng độ của nó do $K_a$ quyết định.

2Ví dụ 2/2

Phản ứng oxi hóa ion iodide bằng acid arsenic trong môi trường acid xảy ra theo phương trình

\text{H}_3\text{AsO}_4 + 3\,\text{I}^- + 2\,\text{H}_3\text{O}^+ \rightarrow \text{H}_3\text{AsO}_3 + \text{I}_3^- + 3\,\text{H}_2\text{O}

Định luật tốc độ xác định bằng thực nghiệm là

\text{Rate} = k[\text{H}_3\text{AsO}_4][\text{I}^-][\text{H}_3\text{O}^+]

, với

k = 4{,}0 \times 10^{-4}

ở

25\ ^\circ\text{C}

. Một thí nghiệm dùng

[\text{H}_3\text{AsO}_4] = 0{,}020\ M

[\text{I}^-] = 0{,}010\ M

và dung dịch được đệm ở

\text{pH} = 2{,}00

aXác định đơn vị của hằng số tốc độ $k$ và tính tốc độ đầu của phản ứng trong thí nghiệm nói trên.
bNếu giữ nguyên mọi nồng độ khác nhưng thay dung dịch đệm sao cho pH giảm còn $1{,}00$ , tốc độ đầu thay đổi bao nhiêu lần? Giải thích.
cMột học sinh đề xuất bước quyết định tốc độ (rate-determining step) là $\text{H}_3\text{AsO}_4 + \text{I}^- \rightarrow$ sản phẩm trung gian. Hãy đánh giá đề xuất này.

1Bước 1: Bậc tổng của phản ứng bằng tổng các số mũ:

1 + 1 + 1 = 3

. Từ

\text{Rate} = k[\text{H}_3\text{AsO}_4][\text{I}^-][\text{H}_3\text{O}^+]

suy ra

k = \text{Rate}/(M^3)

, mà tốc độ có đơn vị

M\cdot s^{-1}

, nên

k \text{ có don vi } M^{-2}\,s^{-1}

Đây là dấu hiệu quen thuộc của phản ứng bậc ba.

2Bước 2: Đổi pH sang nồng độ ion hydronium trước khi thay vào định luật tốc độ:

[\text{H}_3\text{O}^+] = 10^{-\text{pH}} = 10^{-2,00} = 1{,}0 \times 10^{-2}\ M

Bước đổi này bắt buộc, vì định luật tốc độ được viết theo nồng độ chứ không theo pH.

3Bước 3: Thay ba nồng độ vào biểu thức:

\text{Rate} = (4{,}0 \times 10^{-4})(0{,}020)(0{,}010)(1{,}0 \times 10^{-2}) = 8{,}0 \times 10^{-10}\ M\cdot s^{-1}

Tích

(0{,}020)(0{,}010) = 2{,}0 \times 10^{-4}

, nhân với

4{,}0 \times 10^{-4}

được

8{,}0 \times 10^{-8}

, rồi nhân với

1{,}0 \times 10^{-2}

cho kết quả trên.

4Bước 4: Khi pH giảm từ

2{,}00

xuống

1{,}00

thì

[\text{H}_3\text{O}^+]

tăng từ

1{,}0 \times 10^{-2}\ M

lên

1{,}0 \times 10^{-1}\ M

, tức gấp

10

lần. Vì phản ứng bậc một theo ion hydronium, tốc độ tỉ lệ thuận bậc nhất với nồng độ này:

\frac{\text{Rate}_2}{\text{Rate}_1} = \frac{1{,}0 \times 10^{-1}}{1{,}0 \times 10^{-2}} = 10

Tốc độ mới là

8{,}0 \times 10^{-9}\ M\cdot s^{-1}

, gấp mười lần tốc độ cũ. Lưu ý pH giảm một đơn vị luôn ứng với nồng độ ion hydronium tăng mười lần.

5Bước 5: Định luật tốc độ của bước quyết định tốc độ phải khớp với định luật tốc độ thực nghiệm khi bước đó là bước đầu tiên và chậm nhất. Bước mà học sinh đề xuất chỉ cho

\text{Rate} = k[\text{H}_3\text{AsO}_4][\text{I}^-]

, thiếu hẳn thừa số

[\text{H}_3\text{O}^+]

. Do đó đề xuất này không hợp lệ: thực nghiệm cho thấy một ion hydronium phải tham gia ở bước chậm hoặc ở một cân bằng nhanh xảy ra trước bước chậm.

Tốc độ đầu ở $\text{pH} = 2{,}00$ là $8{,}0 \times 10^{-10}\ M\cdot s^{-1}$ với $k$ có đơn vị $M^{-2}s^{-1}$ ; hạ pH xuống $1{,}00$ làm tốc độ tăng đúng $10$ lần vì phản ứng bậc một theo ion hydronium. Cơ chế mà học sinh đề xuất bị loại, bởi bước chậm của nó không chứa ion hydronium nên không tái tạo được định luật tốc độ thực nghiệm.

Dẫn tớipH chuẩn độ

Liên quansự tự ion hóa của nước (sắp có)

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