Bài học

Định nghĩa acid–base theo thuyết Brønsted–Lowry

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em định nghĩa được acid và base theo Brønsted–Lowry, xác định được cặp acid–base liên hợp trong một phản ứng, và nhận ra được chất lưỡng tính.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 8–9 em đã học định nghĩa acid, base theo Arrhenius: acid là chất khi tan trong nước phân li ra ion $H^+$ , base là chất phân li ra ion $OH^-$ . Định nghĩa đó đúng nhưng hẹp — nó không giải thích được vì sao $NH_3$ (không có nhóm $OH$ ) vẫn làm dung dịch có tính base. Bài này mở rộng khái niệm acid–base sang một cách nhìn tổng quát hơn.

Ở lớp 8–9 em đã học định nghĩa acid, base theo Arrhenius: acid là chất khi tan trong nước phân li ra ion $H^+$, base là chất phân li ra ion $OH^-$. Định nghĩa đó đúng nhưng hẹp — nó không giải thích được vì sao $NH_3$ (không có nhóm $OH$) vẫn làm dung dịch có tính base. Bài này mở rộng khái niệm acid–base sang một cách nhìn tổng quát hơn.

Khởi động

Hoà tan khí $NH_3$ vào nước, giấy quỳ tím chuyển xanh — chứng tỏ dung dịch có tính base. Nhưng công thức $NH_3$ không hề chứa nhóm $OH^-$ để phân li ra như định nghĩa Arrhenius yêu cầu. Vậy vì sao $NH_3$ vẫn là một base?

Kiến thức trọng tâm

Năm 1923, Brønsted và Lowry đưa ra một định nghĩa acid–base tổng quát hơn Arrhenius, dựa trên sự cho và nhận proton ( $H^+$ ): acid là chất nhường (cho) proton, base là chất nhận proton. Định nghĩa này không đòi hỏi acid hay base phải chứa sẵn ion $H^+$ hay $OH^-$ trong công thức — nó nhìn vào việc chất đó làm gì trong phản ứng.

Năm 1923, Brønsted và Lowry đưa ra một định nghĩa acid–base tổng quát hơn Arrhenius, dựa trên sự **cho và nhận proton** ($H^+$): **acid** là chất **nhường** (cho) proton, **base** là chất **nhận** proton. Định nghĩa này không đòi hỏi acid hay base phải chứa sẵn ion $H^+$ hay $OH^-$ trong công thức — nó nhìn vào việc chất đó làm gì trong phản ứng.

Xét $NH_3$ tan trong nước: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ . Ở đây, phân tử $H_2O$ nhường một proton cho $NH_3$ — vậy $H_2O$ đóng vai trò acid, còn $NH_3$ nhận proton nên đóng vai trò base. Đây chính là lý do $NH_3$ làm quỳ tím hoá xanh dù không có nhóm $OH$ sẵn trong phân tử: base Brønsted–Lowry không cần chứa $OH^-$ , chỉ cần có khả năng nhận $H^+$ .

Xét $NH_3$ tan trong nước: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$. Ở đây, phân tử $H_2O$ nhường một proton cho $NH_3$ — vậy $H_2O$ đóng vai trò acid, còn $NH_3$ nhận proton nên đóng vai trò base. Đây chính là lý do $NH_3$ làm quỳ tím hoá xanh dù không có nhóm $OH$ sẵn trong phân tử: base Brønsted–Lowry không cần chứa $OH^-$, chỉ cần có khả năng nhận $H^+$.

Mỗi phản ứng cho–nhận proton tạo ra hai cặp acid–base liên hợp. Khi acid nhường proton, phần còn lại của nó trở thành base liên hợp; khi base nhận proton, nó trở thành acid liên hợp. Trong ví dụ trên: $H_2O$ (acid) nhường $H^+$ trở thành $OH^-$ (base liên hợp của $H_2O$ ); $NH_3$ (base) nhận $H^+$ trở thành $NH_4^+$ (acid liên hợp của $NH_3$ ). Ta viết hai cặp: $H_2O/OH^-$ và $NH_4^+/NH_3$ — mỗi cặp chỉ khác nhau đúng một ion $H^+$ .

Mỗi phản ứng cho–nhận proton tạo ra hai **cặp acid–base liên hợp**. Khi acid nhường proton, phần còn lại của nó trở thành **base liên hợp**; khi base nhận proton, nó trở thành **acid liên hợp**. Trong ví dụ trên: $H_2O$ (acid) nhường $H^+$ trở thành $OH^-$ (base liên hợp của $H_2O$); $NH_3$ (base) nhận $H^+$ trở thành $NH_4^+$ (acid liên hợp của $NH_3$). Ta viết hai cặp: $H_2O/OH^-$ và $NH_4^+/NH_3$ — mỗi cặp chỉ khác nhau đúng một ion $H^+$.

Có những chất vừa cho được proton (đóng vai trò acid), vừa nhận được proton (đóng vai trò base) tuỳ vào chất phản ứng cùng — gọi là chất lưỡng tính. Ion $HCO_3^-$ (hydrogencarbonate) là ví dụ điển hình: khi gặp acid mạnh hơn, $HCO_3^-$ nhận thêm $H^+$ để trở thành $H_2CO_3$ — lúc này nó là base; khi gặp base mạnh hơn, $HCO_3^-$ lại nhường $H^+$ để trở thành $CO_3^{2-}$ — lúc này nó là acid. Chính nước $H_2O$ cũng là chất lưỡng tính, như đã thấy ở ví dụ với $NH_3$ trên.

Có những chất vừa cho được proton (đóng vai trò acid), vừa nhận được proton (đóng vai trò base) tuỳ vào chất phản ứng cùng — gọi là **chất lưỡng tính**. Ion $HCO_3^-$ (hydrogencarbonate) là ví dụ điển hình: khi gặp acid mạnh hơn, $HCO_3^-$ nhận thêm $H^+$ để trở thành $H_2CO_3$ — lúc này nó là base; khi gặp base mạnh hơn, $HCO_3^-$ lại nhường $H^+$ để trở thành $CO_3^{2-}$ — lúc này nó là acid. Chính nước $H_2O$ cũng là chất lưỡng tính, như đã thấy ở ví dụ với $NH_3$ trên.

Chất lưỡng tính $HCO_3^-$ không chỉ là một ví dụ lý thuyết — chính nó là thành phần trung tâm của hệ đệm bicarbonate giữ ổn định pH máu người (sẽ nhắc lại ở Chương 5), nhờ khả năng vừa hấp thụ acid dư vừa hấp thụ base dư trong cơ thể. Ngoài $HCO_3^-$ , các ion trung gian của những acid đa chức khác — như $H_2PO_4^-$ , $HPO_4^{2-}$ trong hệ phosphate — cũng là chất lưỡng tính theo đúng cơ chế cho–nhận proton này, nên đây là một dạng chất khá phổ biến trong hoá học dung dịch chứ không phải trường hợp cá biệt.

Chất lưỡng tính $HCO_3^-$ không chỉ là một ví dụ lý thuyết — chính nó là thành phần trung tâm của hệ đệm bicarbonate giữ ổn định pH máu người (sẽ nhắc lại ở Chương 5), nhờ khả năng vừa hấp thụ acid dư vừa hấp thụ base dư trong cơ thể. Ngoài $HCO_3^-$, các ion trung gian của những acid đa chức khác — như $H_2PO_4^-$, $HPO_4^{2-}$ trong hệ phosphate — cũng là chất lưỡng tính theo đúng cơ chế cho–nhận proton này, nên đây là một dạng chất khá phổ biến trong hoá học dung dịch chứ không phải trường hợp cá biệt.

So với định nghĩa Arrhenius (chỉ đúng cho phản ứng trong nước, chỉ nhận diện acid/base qua $H^+$ / $OH^-$ có sẵn), thuyết Brønsted–Lowry giải thích được nhiều phản ứng acid–base hơn — kể cả những phản ứng không xảy ra trong nước, và những chất như $NH_3$ , $HCO_3^-$ mà Arrhenius không xếp loại rõ ràng được.

So với định nghĩa Arrhenius (chỉ đúng cho phản ứng trong nước, chỉ nhận diện acid/base qua $H^+$/$OH^-$ có sẵn), thuyết Brønsted–Lowry giải thích được nhiều phản ứng acid–base hơn — kể cả những phản ứng không xảy ra trong nước, và những chất như $NH_3$, $HCO_3^-$ mà Arrhenius không xếp loại rõ ràng được.

Một điểm cần lưu ý: một chất có thể là acid Brønsted–Lowry trong phản ứng này nhưng lại là base trong phản ứng khác — vai trò không phải một nhãn cố định gắn liền với công thức hoá học, mà phụ thuộc "đối tác" mà nó phản ứng cùng. $H_2O$ là ví dụ rõ nhất: với $NH_3$ (một base yếu hơn), $H_2O$ đóng vai trò acid (nhường proton); nhưng với $HCl$ (một acid mạnh hơn), $H_2O$ lại đóng vai trò base (nhận proton, tạo $H_3O^+$ ). Cách nhìn linh hoạt này là bước chuyển quan trọng so với tư duy "phân loại cố định" quen thuộc từ lớp dưới, và nó chuẩn bị nền tảng để hiểu vì sao cùng một gốc muối lại có thể tạo môi trường acid trong phản ứng này, môi trường base trong phản ứng khác — nội dung sẽ gặp lại ở Chương 5.

Một điểm cần lưu ý: một chất có thể là acid Brønsted–Lowry trong phản ứng này nhưng lại là base trong phản ứng khác — vai trò không phải một nhãn cố định gắn liền với công thức hoá học, mà phụ thuộc "đối tác" mà nó phản ứng cùng. $H_2O$ là ví dụ rõ nhất: với $NH_3$ (một base yếu hơn), $H_2O$ đóng vai trò acid (nhường proton); nhưng với $HCl$ (một acid mạnh hơn), $H_2O$ lại đóng vai trò base (nhận proton, tạo $H_3O^+$). Cách nhìn linh hoạt này là bước chuyển quan trọng so với tư duy "phân loại cố định" quen thuộc từ lớp dưới, và nó chuẩn bị nền tảng để hiểu vì sao cùng một gốc muối lại có thể tạo môi trường acid trong phản ứng này, môi trường base trong phản ứng khác — nội dung sẽ gặp lại ở Chương 5.

Ví dụ

Xác định acid, base và cặp liên hợp

1
Xác định acid, base, acid liên hợp và base liên hợp trong phản ứng $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ .
Xác định acid, base, acid liên hợp và base liên hợp trong phản ứng $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$.
2
$H_2O$ nhường một $H^+$ cho $NH_3$ : $H_2O \to OH^- + H^+$ (cho), $NH_3 + H^+ \to NH_4^+$ (nhận).
$H_2O$ nhường một $H^+$ cho $NH_3$: $H_2O \to OH^- + H^+$ (cho), $NH_3 + H^+ \to NH_4^+$ (nhận).
3
$H_2O$ là acid (chất cho proton); $NH_3$ là base (chất nhận proton). Sau khi cho proton, $H_2O$ trở thành $OH^-$ — đây là base liên hợp của $H_2O$ . Sau khi nhận proton, $NH_3$ trở thành $NH_4^+$ — đây là acid liên hợp của $NH_3$ .
$H_2O$ là acid (chất cho proton); $NH_3$ là base (chất nhận proton). Sau khi cho proton, $H_2O$ trở thành $OH^-$ — đây là base liên hợp của $H_2O$. Sau khi nhận proton, $NH_3$ trở thành $NH_4^+$ — đây là acid liên hợp của $NH_3$.
4
Vậy phản ứng có hai cặp acid–base liên hợp: $H_2O$ (acid) / $OH^-$ (base liên hợp), và $NH_4^+$ (acid liên hợp) / $NH_3$ (base).
Vậy phản ứng có hai cặp acid–base liên hợp: $H_2O$ (acid) / $OH^-$ (base liên hợp), và $NH_4^+$ (acid liên hợp) / $NH_3$ (base).

Ví dụ

Chất lưỡng tính trong hai phản ứng khác nhau

1
Ion $HCO_3^-$ phản ứng được với cả dung dịch $HCl$ và dung dịch $NaOH$ . Viết hai phương trình ion thu gọn và xác định vai trò acid hay base của $HCO_3^-$ trong mỗi trường hợp.
Ion $HCO_3^-$ phản ứng được với cả dung dịch $HCl$ và dung dịch $NaOH$. Viết hai phương trình ion thu gọn và xác định vai trò acid hay base của $HCO_3^-$ trong mỗi trường hợp.
2
$HCO_3^- + H^+ \to H_2CO_3$ . Ở đây $HCO_3^-$ nhận một proton từ $H^+$ (do $HCl$ cung cấp) để trở thành $H_2CO_3$ — vậy $HCO_3^-$ đóng vai trò base.
$HCO_3^- + H^+ \to H_2CO_3$. Ở đây $HCO_3^-$ **nhận** một proton từ $H^+$ (do $HCl$ cung cấp) để trở thành $H_2CO_3$ — vậy $HCO_3^-$ đóng vai trò **base**.
3
$HCO_3^- + OH^- \to CO_3^{2-} + H_2O$ . Ở đây $HCO_3^-$ nhường một proton cho $OH^-$ để trở thành $CO_3^{2-}$ — vậy $HCO_3^-$ đóng vai trò acid.
$HCO_3^- + OH^- \to CO_3^{2-} + H_2O$. Ở đây $HCO_3^-$ **nhường** một proton cho $OH^-$ để trở thành $CO_3^{2-}$ — vậy $HCO_3^-$ đóng vai trò **acid**.
4
Vậy $HCO_3^-$ là chất lưỡng tính: đóng vai trò base khi gặp acid mạnh hơn nó ( $HCl$ ), và đóng vai trò acid khi gặp base mạnh hơn nó ( $NaOH$ ) — vai trò acid hay base không cố định mà phụ thuộc chất phản ứng cùng.
Vậy $HCO_3^-$ là chất lưỡng tính: đóng vai trò base khi gặp acid mạnh hơn nó ($HCl$), và đóng vai trò acid khi gặp base mạnh hơn nó ($NaOH$) — vai trò acid hay base không cố định mà phụ thuộc chất phản ứng cùng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nghĩ base Brønsted–Lowry bắt buộc phải có nhóm $OH$ trong công thức, giống định nghĩa Arrhenius cũ. Sai — base Brønsted–Lowry chỉ cần có khả năng NHẬN proton, như $NH_3$ hay $CO_3^{2-}$ hoàn toàn không có $OH$ trong công thức nhưng vẫn là base. Cũng đừng gán cố định một chất là "acid" hay "base" — chất lưỡng tính như $HCO_3^-$ , $H_2O$ đổi vai trò tuỳ chất phản ứng cùng.

Nhiều em nghĩ base Brønsted–Lowry bắt buộc phải có nhóm $OH$ trong công thức, giống định nghĩa Arrhenius cũ. Sai — base Brønsted–Lowry chỉ cần có khả năng NHẬN proton, như $NH_3$ hay $CO_3^{2-}$ hoàn toàn không có $OH$ trong công thức nhưng vẫn là base. Cũng đừng gán cố định một chất là "acid" hay "base" — chất lưỡng tính như $HCO_3^-$, $H_2O$ đổi vai trò tuỳ chất phản ứng cùng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Theo Brønsted–Lowry: acid là chất cho proton, base là chất nhận proton. Mỗi phản ứng cho–nhận proton tạo ra hai cặp acid–base liên hợp (chỉ khác nhau một $H^+$ ). Chất lưỡng tính (như $HCO_3^-$ , $H_2O$ ) đóng vai trò acid hay base tuỳ chất phản ứng cùng.

Theo Brønsted–Lowry: acid là chất cho proton, base là chất nhận proton. Mỗi phản ứng cho–nhận proton tạo ra hai cặp acid–base liên hợp (chỉ khác nhau một $H^+$). Chất lưỡng tính (như $HCO_3^-$, $H_2O$) đóng vai trò acid hay base tuỳ chất phản ứng cùng.

Bài tiếp theo định lượng "acid mạnh hay yếu", "base mạnh hay yếu" bằng hằng số cân bằng $K_a$ và $K_b$ — công cụ để so sánh chính xác độ mạnh giữa các acid, base yếu với nhau.