Phản ứng giữa natri Bromua (NaBr) 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 Bromua (AgBr). Đây là một trong những phản ứng kinh điển được sử dụng rộng rãi trong phân tích hóa học để nhận biết ion Bromua, đồng thời thể hiện rõ đặc trưng của phản ứng trao đổi trong dung dịch điện ly.
Phương trình hóa học
\[NaBr_{(dd)} + AgNO_{3 (dd)} \to NaNO_{3 (dd)} + AgBr \downarrow\]
Phương trình tự cân bằng.
Phương trình ion đầy đủ của phản ứng:
\[Na^+_{(aq)} + Br^-_{(aq)} + Ag^+_{(aq)} + {NO_3^-}_{(aq)} \to Na^+_{(aq)} + {NO_3^-}_{(aq)} + AgBr_{(r)}\]
Phương trình ion rút gọn:
\[Ag^+_{(aq)} + Br^-_{(aq)} \to AgBr_{(r)}\]
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 Br⁻ để tạo kết tủa AgBr.
Điều kiện phản ứng
Phản ứng xảy ra trong dung dịch nước, nơi cả hai muối NaBr 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 NaBr và AgNO₃ được hòa tan trong nước, chúng phân ly hoàn toàn thành các ion:
\[NaBr \to Na^+ + Br^-\]
\[AgNO_3 \to Ag^+ + NO_3^-\]
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 Br⁻ gặp ion Ag⁺ tạo thành AgBr, một hợp chất có độ tan rất nhỏ trong nước. Vì độ tan (Ksp) của AgBr rất thấp (Ksp = 5,4 × 10⁻¹³ ở 25°C), AgBr 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.
\[AgBr \leftrightharpoons Ag^+ + Br^- \quad K_{sp} = 5,4 \times 10^{-13}\]
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 Bromua (NaBr) 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 NaBr (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 Br⁻ 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 AgBr 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 AgBr 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 AgBr, kết tủa sẽ tan dần tạo thành phức chất [Ag(NH₃)₂]⁺, xác nhận đó là AgBr.
Phản ứng hòa tan AgBr trong amoniac:
\[AgBr_{(r)} + 2NH_{3 (aq)} \to [Ag(NH_3)_2]^+_{(aq)} + Br^-_{(aq)}\]
Kiến Thức Mở Rộng về AgBr/Ag⁺
Bạc bromua (AgBr) là một hợp chất ion có cấu trúc tinh thể tương tự như NaCl, nhưng liên kết Ag⁺–Br⁻ 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 Br⁻ (bán kính ~196 pm). Hiệu ứng phân cực này làm cho electron ngoài cùng của Br⁻ bị hút lệch về phía Ag⁺, khiến liên kết mang tính bán ion–bán cộng hóa. Điều này giải thích tại sao AgBr có năng lượng mạng tinh thể lớn nhưng cũng nhạy cảm với ánh sáng (dễ bị phân hủy quang học).
AgBr có hằng số điện môi thấp và độ tan cực nhỏ trong nước (~1×10⁻⁵ 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)
Một đặc tính nổi bật của AgBr là dễ bị hòa tan trong dung dịch chứa các ligand có khả năng tạo phức với Ag⁺. Khi tiếp xúc với NH₃, CN⁻, S₂O₃²⁻, Ag⁺ trong AgBr tạo thành phức chất bền, phá vỡ mạng tinh thể AgBr. Ví dụ, với amoniac:
\[AgBr + 2NH_3 \to [Ag(NH_3)_2]^+ + Br^-\]
Cơ chế phản ứng:
NH₃ đóng vai trò là ligand Lewis, sử dụng cặp electron tự do trên N để tạo liên kết phối trí với Ag⁺.
Sự hình thành phức [Ag(NH₃)₂]⁺ làm giảm nồng độ Ag⁺ tự do, kéo cân bằng hòa tan của AgBr theo hướng tan ra thêm.
Tính chất này đặc biệt quan trọng trong công nghệ tráng rửa ảnh, khi muốn loại bỏ AgBr dư thừa mà không làm ảnh hưởng đến các hạt bạc đã khử.
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.
AgBr – 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), AgBr bị phân hủy quang học:
\[2AgBr \xrightarrow{hv} 2Ag + Br_2\]
- Do sự phân tách electron từ Br⁻ 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
- AgBr có hằng số tan rất nhỏ:
\[K_{sp}(AgBr) \approx 1.8 \times 10^{-10}\]
Kết tủa được tạo ra nhanh chóng khi cho Ag⁺ gặp Br⁻, ngay cả với nồng độ nhỏ.
- Nhưng tan trở lại khi: Có ligand tạo phức mạnh: NH₃, S₂O₃²⁻, Br⁻ dư (vì tạo phức [AgBr₂]⁻)
Phản ứng với NH₃: tan nhờ tạo phức [Ag(NH₃)₂]⁺
\[AgBr_{(s)} + 2NH_3 \to [Ag(NH_3)_2]^+ + Br^-\]
Phản ứng này hoàn toàn thuận chiều vì phức [Ag(NH₃)₂]⁺ rất bền.
Phản ứng với thiosunfat – ứng dụng trong rửa ảnh
\[AgBr + 2S_2O_3^{2-} \to [Ag(S_2O_3)_2]^{3-} + Br^-\]
Phương trình này là cơ sở cho cơ chế rửa ảnh trong phim bạc halogen trước đây (loại bỏ phần AgBr chưa bị phân hủy ánh sáng).
Ảnh hưởng của ánh sáng và động học phản ứng
AgBr là chất nhạy sáng mạnh nhờ khả năng hấp thụ photon và giải phóng electron. Cơ chế có thể mô tả như sau:
Photon có năng lượng đủ cao kích thích electron của Br⁻ lên mức năng lượng cao hơn, tạo ra lỗ trống (hole).
Lỗ trống này dễ dàng kết hợp với electron của Ag⁺ để khử thành Ag⁰, trong khi Br⁻ bị oxy hóa thành Br₂ hoặc các gốc Br•.
Ag⁺ trong AgBr đóng vai trò là một chất oxy hóa yếu. Cặp oxy hóa – khử Ag⁺/Ag có thế khử chuẩn +0,799 V, đủ để nhận electron từ nhiều tác nhân khử nhẹ, bao gồm các gốc tự do được tạo ra trong phản ứng quang hóa. Chính đặc tính này tạo cơ sở cho phản ứng phân hủy quang học của AgBr trong công nghệ phim ảnh và cảm biến quang.
Phản ứng quang phân của AgBr có dạng:
\[AgBr + \text{ánh sáng (hν)} \to Ag \text{(rắn, dạng hạt nano)} + \frac{1}{2} Br_2 \uparrow\]
Tính chất đặc biệt của ion Br⁻ trong hệ AgBr
Ion bromua (Br⁻) có bán kính và độ phân cực lớn hơn Cl⁻, làm tăng tính cộng hóa trị của AgBr so với AgCl. Br⁻ cũng là một tác nhân khử nhẹ trong môi trường có chất oxy hóa mạnh, ví dụ:
\[2Br^- \to Br_2 + 2e\]
Trong hệ AgBr, Br⁻ không chỉ đóng vai trò cấu thành tinh thể mà còn là tác nhân tham gia vào phản ứng halogen hóa và các quá trình quang oxy hóa.
Ứng dụng của phản ứng
Phản ứng giữa NaBr và AgNO₃ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong phân tích định tính và định lượng ion Bromua.
Trong phân tích hóa học:
Phản ứng này được sử dụng để xác định sự có mặt của ion Br⁻ trong dung dịch thông qua sự tạo thành kết tủa bạc bromua (AgBr) màu vàng nhạt. Đây là phản ứng đặc trưng trong các phương pháp phân tích định tính cổ điển để phân biệt các ion halogen như Cl⁻, Br⁻, I⁻.
Trong công nghiệp:
AgNO₃ được dùng để xác định hàm lượng Bromua trong nước uống, nước thải và trong các mẫu thực phẩm. Phản ứng này cũng được ứng dụng trong phương pháp chuẩn độ kết tủa (ví dụ: phương pháp Mohr) nhằm xác định chính xác nồng độ ion Br⁻ trong các dung dịch cần phân tích.
Trong nhiếp ảnh truyền thống:
Mặc dù không liên quan trực tiếp đến phản ứng NaBr + AgNO₃, nhưng sản phẩm tạo thành là AgBr lại có vai trò quan trọng trong kỹ thuật tráng phim. AgBr là một chất nhạy sáng – khi tiếp xúc với ánh sáng, nó bị phân hủy tạo thành bạc kim loại (Ag) có màu đen, giúp hình thành ảnh âm bản. Đây là nguyên lý cơ bản của công nghệ ảnh truyền thống bằng phim.
Bài tập vận dụng
Đề bài: Cho 20,6 g NaBr phản ứng hoàn toàn với AgNO₃: NaBr + 2AgNO₃ → 2AgBr↓ + NaNO₃. Tính:
a) Khối lượng AgBr thu được (g).
b) Thể tích dung dịch AgNO₃ 0,2M cần dùng (mL).
Giải:
\[M_{NaBr} = 23 + 80 = 103 gram/mol\]
\[M_{AgBr} = 108 + 80 = 188 gram/mol\]
a) Khối lượng AgBr:
Số mol của NaBr:
\[n_{NaBr} = \frac{20,6}{103} = 0,2 mol\]
Tỉ lệ NaBr:AgBr = 1:1, nên:
\[n_{AgBr} = 0,2 (mol)\]
khối lượng AgBr thu được:
\[m_{AgBr} = 0,2 \times 188 = 37,6 gram\]
Đáp số: 37,6 g.
b) Thể tích AgNO₃ 0,2M:
Tỉ lệ NaBr: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.
