Phản ứng giữa natri clorua (NaCl) và bạc nitrat (AgNO₃) là một phản ứng trao đổi ion trong dung dịch nước, nơi hai hợp chất phân ly thành các ion riêng biệt và sau đó tái kết hợp để tạo thành một sản phẩm mới, trong đó có một chất kết tủa không tan là bạc clorua (AgCl). Đây là một trong những phản ứng kinh điển được sử dụng rộng rãi trong phân tích hóa học để nhận biết ion clorua, đồng thời thể hiện rõ đặc trưng của phản ứng trao đổi trong dung dịch điện ly.
Phương trình hóa học
\[NaCl_{(dd)} + AgNO_{3 (dd)} \to NaNO_{3 (dd)} + AgCl \downarrow\]
Phương trình tự cân bằng.
Phương trình ion đầy đủ của phản ứng:
\[Na^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)} + Ag^+_{(aq)} + {NO_3^-}_{(aq)} \to Na^+_{(aq)} + {NO_3^-}_{(aq)} + AgCl_{(r)}\]
Phương trình ion rút gọn:
\[Ag^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)} \to AgCl_{(r)}\]
Ở phương trình ion rút gọn, các ion không tham gia trực tiếp vào quá trình tạo thành kết tủa (ion Na⁺ và NO₃⁻) được lược bỏ, cho thấy rõ phản ứng xảy ra giữa hai ion Ag⁺ và Cl⁻ để tạo kết tủa AgCl.
Điều kiện phản ứng
Phản ứng xảy ra trong dung dịch nước, nơi cả hai muối NaCl và AgNO₃ đều tan hoàn toàn. Không yêu cầu nhiệt độ hoặc áp suất hay xúc tác đặc biệt.
Nguyên lý phản ứng
Phản ứng này tuân theo nguyên lý trao đổi ion trong dung dịch chất điện ly mạnh. Cụ thể, khi NaCl và AgNO₃ được hòa tan trong nước, chúng phân ly hoàn toàn thành các ion:
\[NaCl \to Na^+ + Cl^-\]
\[AgNO_3 \to Ag^+ + NO_3^-\]
Khi hai dung dịch được trộn vào nhau, các ion di chuyển tự do trong dung môi sẽ có khả năng tái tổ hợp. Ion Cl⁻ gặp ion Ag⁺ tạo thành AgCl, một hợp chất có độ tan rất nhỏ trong nước. Vì độ tan (Ksp) của AgCl rất thấp (Ksp = 1,8 × 10⁻¹⁰ ở 25°C), AgCl nhanh chóng kết tủa ra khỏi dung dịch, kéo theo sự mất cân bằng nồng độ ion, từ đó thúc đẩy phản ứng diễn ra theo chiều thuận.
\[AgCl \leftrightharpoons Ag^+ + Cl^- \quad K_{sp} = 1,8 \times 10^{-10}\]
Phản ứng này được thúc đẩy bởi sự tạo thành một chất kết tủa không tan, tức là sản phẩm rắn không hòa tan sẽ thoát khỏi trạng thái cân bằng và kéo phản ứng về phía tạo sản phẩm. Đây chính là ví dụ điển hình của nguyên lý dịch chuyển cân bằng theo Le Chatelier.
Cách thực hiện phản ứng
Chuẩn bị dung dịch:
Chuẩn bị hai dung dịch riêng biệt:
- Dung dịch natri clorua (NaCl) loãng, nồng độ khoảng 0,1 mol/L.
- Dung dịch bạc nitrat (AgNO₃) loãng, cùng nồng độ 0,1 mol/L.
Cả hai dung dịch cần được lọc nếu có cặn để đảm bảo không có tạp chất ảnh hưởng đến kết quả quan sát. Dung môi sử dụng là nước cất để tránh các ion lạ.
Tiến hành phản ứng:
Cho từ từ dung dịch AgNO₃ vào dung dịch NaCl (hoặc ngược lại), trong ống nghiệm hoặc cốc thủy tinh nhỏ. Lắc nhẹ hỗn hợp và quan sát sự xuất hiện của kết tủa trắng đục.
Lưu ý khi thực hiện:
- Không dùng dụng cụ kim loại có chứa ion Cl⁻ hoặc Ag⁺ vì dễ gây phản ứng sai lệch.
- Cần đảm bảo các hóa chất được pha loãng đúng tỉ lệ và không bị nhiễm tạp chất.
- Tránh ánh sáng trực tiếp mạnh vì AgCl có thể bị phân hủy bởi ánh sáng tạo thành bạc kim loại và clo, làm kết tủa chuyển màu xám.
Nhận biết phản ứng
Dấu hiệu nhận biết phản ứng đang xảy ra:
Khi hai dung dịch được trộn với nhau, nếu phản ứng xảy ra, sẽ xuất hiện một lớp kết tủa trắng, đục, phân tán trong dung dịch. Kết tủa này ban đầu lơ lửng, sau đó lắng dần xuống đáy nếu để yên.
Nhận biết sản phẩm cuối cùng:
Kết tủa AgCl có màu trắng, không tan trong nước, nhưng tan trong dung dịch NH₃ (amoniac). Đây là cách nhận biết đặc trưng. Khi thêm dung dịch NH₃ loãng vào kết tủa AgCl, kết tủa sẽ tan dần tạo thành phức chất [Ag(NH₃)₂]⁺, xác nhận đó là AgCl.
Phản ứng hòa tan AgCl trong amoniac:
\[AgCl_{(r)} + 2NH_{3 (aq)} \to [Ag(NH_3)_2]^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)}\]
Kiến Thức Mở Rộng về AgCl/Ag⁺
Bạc Clorua (AgCl) kết tinh kiểu NaCl (lập phương tâm mặt, FCC), trong đó Ag⁺ và Cl⁻ sắp xếp đan xen, số phối trí 6–6. Nhưng liên kết Ag⁺–Cl⁻ có mức độ cộng hóa trị đáng kể. Nguyên nhân là do cation Ag⁺ có bán kính nhỏ (khoảng 115 pm) và điện tích dương tập trung cao, dẫn đến khả năng phân cực mạnh đối với anion Cl⁻ (bán kính ~181 pm). Hiệu ứng phân cực này làm cho electron ngoài cùng của Cl⁻ bị hút lệch về phía Ag⁺, khiến liên kết mang tính bán ion–bán cộng hóa. Điều này giải thích tại sao AgCl có năng lượng mạng tinh thể lớn nhưng cũng nhạy cảm với ánh sáng (dễ bị phân hủy quang học).
AgCl có hằng số điện môi thấp và độ tan cực nhỏ trong nước (~1,26×10⁻⁵ mol/L ở 25 °C). Sự khó tan này bắt nguồn từ sự cân bằng giữa năng lượng mạng tinh thể lớn và năng lượng hydrat hóa không đủ để phá vỡ cấu trúc ion.
Ion Ag⁺ – Cấu trúc và tính chất phản ứng
Cấu trúc electron và đặc điểm hóa trị
- Cấu hình nguyên tử của bạc:
\[Ag: [Kr], 4d^{10}5s^1\]
- Khi mất 1 electron tạo ion Ag⁺:
\[Ag^+: [Kr]\, 4d^{10}\]
Điều này khiến Ag⁺ có hai đặc tính sau:
- Lớp d đã đầy (4d¹⁰): không có electron d tự do tham gia phản ứng oxi hóa – khử dễ dàng như các ion kim loại chuyển tiếp khác (như Fe³⁺: d⁵, Cu²⁺: d⁹).
- Không có spin tự do, khiến cho Ag⁺ không có từ tính.
Tính chất đặc biệt của Ag⁺
a. Khả năng tạo phức mạnh với ligand mềm (theo HSAB)
- Theo nguyên lý HSAB (Hard Soft Acid Base):
- Ag⁺ là ion mềm (soft acid) do có bán kính nhỏ, d-electron đầy, dễ bị phân cực.
- Ưu tiên tạo liên kết với ligand mềm (soft base) như: NH₃, CN⁻, S²⁻, halogen (đặc biệt là I⁻).
\[Ag^+ + 2NH_3 \to [Ag(NH_3)_2]^+\]
Đây là lý do tại sao dung dịch AgNO₃ kết tủa với Cl⁻ nhưng tan lại trong NH₃: do tạo phức hòa tan [Ag(NH₃)₂]⁺.
b. Khả năng tạo liên kết cộng hóa trị dative tương đối bền
- Dù là ion đơn giản, nhưng Ag⁺ không chỉ tạo liên kết ion, mà thường tạo liên kết dative (cho – nhận) với các phân tử có cặp e tự do → giúp ổn định các phức chất của nó.
c. Dễ bị khử tạo kim loại Ag
- Ag⁺ dễ bị khử về Ag⁰:
\[Ag^+ + e^- \to Ag (E^\circ = +0.80V)\]
Điều kiện để xảy ra các phản ứng:
- Phản ứng tráng bạc (với aldehyde).
- Bị khử bởi nhiều chất khử trung bình như Fe²⁺, Sn²⁺, v.v.
AgCl – Muối bạc có nhiều đặc điểm đặc biệt
Tính chất vật lý – Hấp thụ ánh sáng và màu sắc
- Màu trắng, kết tủa rất mịn, nhưng nhạy sáng:
- Dưới ánh sáng (đặc biệt tia UV), AgCl bị phân hủy quang học:
\[2AgCl \xrightarrow{hv} 2Ag + Cl_2\]
- Do sự phân tách electron từ Cl⁻ sang Ag⁺ qua ánh sáng → tạo Ag kim loại đen, làm kết tủa đổi màu → xám.
- Tính chất này từng được dùng trong công nghệ ảnh chụp truyền thống (phim ảnh bạc halogenua).
Tính tan thấp – nhưng rất dễ tạo phức
- AgCl có hằng số tan rất nhỏ:
\[K_{sp}(AgCl) \approx 1.8 \times 10^{-10}\]
Kết tủa được tạo ra nhanh chóng khi cho Ag⁺ gặp Cl⁻, ngay cả với nồng độ nhỏ.
- Nhưng tan trở lại khi: Có ligand tạo phức mạnh: NH₃, S₂O₃²⁻, Cl⁻ dư (vì tạo phức [AgCl₂]⁻)
Phản ứng với NH₃: tan nhờ tạo phức [Ag(NH₃)₂]⁺
\[AgCl_{(s)} + 2NH_3 \to [Ag(NH_3)_2]^+ + Cl^-\]
Phản ứng này hoàn toàn thuận chiều vì phức [Ag(NH₃)₂]⁺ rất bền.
Phản ứng với thiosunfat – ứng dụng trong rửa ảnh
\[AgCl + 2S_2O_3^{2-} \to [Ag(S_2O_3)_2]^{3-} + Cl^-\]
Phương trình này là cơ sở cho cơ chế rửa ảnh trong phim bạc halogen trước đây (loại bỏ phần AgCl chưa bị phân hủy ánh sáng).
Ảnh hưởng của ánh sáng và động học phản ứng
AgCl nhạy sáng: khi chiếu sáng, trong mạng AgCl sinh ra Ag⁰ keo (hạt nano bạc) và Cl₂ hoặc gốc Cl•. Cơ chế mức điện tử:
Photon kích thích điện tử liên quan đến anion Cl⁻ hoặc vùng truyền dẫn trong mạng → hình thành electron tự do (e⁻) và lỗ trống (h⁺).
Electron bị bẫy bởi các khuyết tật mạng (sulfur sensitizers, vàng, hoặc trung tâm nhạy khác, nếu có) và khử Ag⁺ lân cận thành Ag⁰.
Các cụm Ag⁰ nanomet tạo thành trung tâm ảnh tiềm ẩn (latent image centers).
Trong quy trình tráng rửa (với thuốc hiện ảnh – developer), các trung tâm Ag⁰ này xúc tiến quá trình khử dây chuyền toàn bộ các hạt AgCl “được phơi sáng”, biến chúng thành hạt bạc kim loại đen, tạo nên hình ảnh nhìn thấy.
\[AgCl + \text{ánh sáng (hν)} \to Ag \text{(rắn, dạng hạt nano)} + Cl \cdot \]
\[2Cl \cdot \to Cl_2\]
Một trong số ít hệ vô cơ nhạy sáng trong điều kiện thường. Thường được dùng làm sensor ánh sáng và điều chế lớp phủ bạc nano.
Ứng dụng của phản ứng
Phản ứng giữa NaCl và AgNO₃ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong phân tích định tính và định lượng ion clorua.
Trong phân tích hóa học:
Phản ứng này được dùng để xác định sự có mặt của ion Cl⁻ trong dung dịch. Đây là phản ứng đặc trưng trong các phương pháp phân tích định tính cổ điển.
Trong công nghiệp:
AgNO₃ được dùng để xác định hàm lượng clorua trong nước uống, nước thải và trong các mẫu thực phẩm. Phương pháp chuẩn độ kết tủa (phương pháp Mohr) sử dụng AgNO₃ để xác định chính xác nồng độ ion Cl⁻.
Trong nhiếp ảnh truyền thống:
Mặc dù không liên quan trực tiếp đến phản ứng NaCl + AgNO₃, nhưng phản ứng tạo AgCl là nền tảng trong việc tạo nhũ tương ảnh. AgCl nhạy sáng và bị phân hủy thành bạc kim loại khi tiếp xúc ánh sáng, là cơ sở để tạo ảnh âm bản.
Bài tập vận dụng
Đề bài: Cho 11,7 g NaCl phản ứng hoàn toàn với AgNO₃: NaCl + 2AgNO₃ → 2AgCl↓ + NaNO₃. Tính:
a) Khối lượng AgCl thu được (g).
b) Thể tích dung dịch AgNO₃ 0,2M cần dùng (mL).
Giải:
\[M_{NaCl} = 23 + 35,5 = 58,5 gram/mol\]
\[M_{AgCl} = 108 + 35,5 = 143,5 gram/mol\]
a) Khối lượng AgCl:
Số mol của NaCl:
\[n_{NaCl} = \frac{11,7}{58,5} = 0,2 mol\]
Tỉ lệ NaCl:AgCl = 1:1, nên:
\[n_{AgCl} = 0,2\]
khối lượng AgCl thu được:
\[m_{AgCl} = 0,2 \times 143,5 = 28,7 gram\]
Đáp số: 28,7 g.
b) Thể tích AgNO₃ 0,2M:
Tỉ lệ NaCl:AgNO₃ = 1:1, nên:
\[n_{AgNO_3} = 0,1 \times 2 = 0,2 mol\]
Thể tích AgNO₃ cần dùng:
\[V_{AgNO_3} = n/C =\frac{0,2}{0,2} = 1,0 L = 1000 mL\]
Đáp số: 1000 mL.
