Phản ứng giữa natri clorua rắn và axit sunfuric đặc ở nhiệt độ cao là một phản ứng trao đổi ion giữa muối và axit vô cơ đậm đặc. Dưới tác dụng của nhiệt, axit sunfuric đặc tác dụng với muối clorua tạo thành muối sunfat và khí hydro clorua thoát ra. Đây là một trong các phản ứng cổ điển trong hóa vô cơ, được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất axit mạnh, đặc biệt là axit clohidric.
Phương trình hóa học
\[NaCl + H_2SO_{4 (đặc)} \xrightarrow{400^oC} Na_2SO_4 + HCl\]
Cân bằng phương trình:
\[2NaCl + H_2SO_{4 (đặc)} \xrightarrow{400^oC} Na_2SO_4 + 2HCl\]
Trong phản ứng, natri clorua và axit sunfuric đều tồn tại ở pha rắn hoặc lỏng, còn khí hydro clorua là sản phẩm bay hơi.
Điều kiện phản ứng
Phản ứng xảy ra khi điều kiện dung dịch Axit Sulfuric (H₂SO₄) đặc và trong môi trường được đun nóng đến nhiệt độ xấp xỉ 400 độ C.
Ở nhiệt độ thấp hơn, phản ứng không hoàn toàn hoặc chỉ dừng lại ở giai đoạn tạo natri bisunfat. Nhiệt độ cao là yếu tố cần thiết để vượt qua rào cản năng lượng, phân tách liên kết trong H₂SO₄, cũng như cung cấp động năng để sản phẩm khí HCl thoát ra khỏi hệ, làm chuyển dịch cân bằng phản ứng theo hướng tạo thành sản phẩm.
Nguyên lý phản ứng
Phản ứng này tuân theo cơ chế phản ứng trao đổi ion giữa axit mạnh (H₂SO₄) và muối của axit yếu hơn (NaCl). Trong trường hợp này, HCl là một axit dễ bay hơi và yếu hơn so với H₂SO₄.
Khi H₂SO₄ phản ứng với NaCl, ion H⁺ từ H₂SO₄ kết hợp với ion Cl⁻ từ NaCl để tạo thành phân tử HCl. Đồng thời, cation Na⁺ kết hợp với anion HSO₄⁻ hoặc SO₄²⁻ để tạo muối trung hòa NaHSO₄ hoặc Na₂SO₄ tùy thuộc vào điều kiện phản ứng.
Phản ứng ban đầu ở nhiệt độ thấp:
\[NaCl + H_2SO_{4 (đặc)} \to NaHSO_4 + HCl\]
Sau khi tiếp tục gia nhiệt, HCl bay hơi:
\[NaHSO_4 + NaCl \to Na_2SO_4 + HCl\]
Cách thực hiện phản ứng
Chuẩn bị hóa chất:
- Natri clorua tinh khiết (NaCl rắn khan)
- Axit sunfuric đặc (H₂SO₄ ≥ 98%)
- Dụng cụ thủy tinh chịu nhiệt, bình cầu hai cổ, ống dẫn khí thủy tinh
- Bếp nung hoặc bếp điện gia nhiệt chính xác đến 400 độ C
- Bộ hấp thụ khí HCl như dung dịch NaOH loãng hoặc nước
Quy trình thực hiện:
- Trộn đều hỗn hợp natri clorua với một lượng dư axit sunfuric đặc theo tỷ lệ mol 2:1
- Tiến hành gia nhiệt vào bình phản ứng chịu nhiệt.
- Gắn ống dẫn khí vào một hệ thống dẫn vào bình hấp thụ. Sau đó tiếp tục gia nhiệt từ từ đến khoảng 400 độ C.
- Quá trình này cần được thực hiện trong tủ hút khí độc do HCl sinh ra là chất khí ăn mòn, có hại cho hệ hô hấp.
Lưu ý khi thao tác:
- Không sử dụng axit sunfuric loãng vì phản ứng không xảy ra hiệu quả
- Không dùng dụng cụ bằng kim loại hoặc sứ dễ nứt do axit và nhiệt độ cao
- Cần hấp thụ HCl sinh ra bằng dung dịch kiềm hoặc nước để tránh ô nhiễm không khí
- Trang bị bảo hộ như kính, găng tay, áo khoác phòng thí nghiệm khi thực hiện phản ứng
Nhận biết phản ứng
Có thể nhận biết phản ứng đang diễn ra thông qua sự xuất hiện của khí không màu, có mùi hăng, xốc lên mũi, đó là khí hydro clorua (HCl).
Khi dẫn khí này vào nước hoặc dung dịch AgNO₃, ta quan sát thấy dung dịch có hiện tượng kết tủa trắng.
\[HCl + AgNO_3 \to AgCl \downarrow + HNO_3\]
Phản ứng cũng có thể được xác định qua sự thay đổi trạng thái của chất rắn. Hỗn hợp ban đầu là muối ăn và axit lỏng đậm đặc, sau phản ứng tạo thành natri sunfat là chất rắn màu trắng, bền, có điểm nóng chảy cao hơn.
Có thể dùng giấy quỳ tím để kiểm tra khí HCl. Khi khí tiếp xúc với giấy quỳ tím ẩm, giấy sẽ chuyển sang màu đỏ do sự tạo thành dung dịch HCl.
Cơ chế phản ứng ở cấp độ phân tử
Phản ứng giữa NaCl và H₂SO₄ có thể được phân tích ở mức độ cơ bản là sự trao đổi proton giữa axit và muối, nhưng để tiếp cận sâu hơn, cần xét đến bản chất liên kết, mức năng lượng phân tử và phân tách liên kết.
Phân tử H₂SO₄ bao gồm hai nguyên tử hydro liên kết với hai nhóm OH và một nguyên tử lưu huỳnh trung tâm liên kết với hai nguyên tử oxy qua liên kết đôi. Trong môi trường đặc và nhiệt độ cao, liên kết O–H trong H₂SO₄ bị phân cực mạnh, dễ bị tách ra tạo H⁺.
Ion H⁺ này kết hợp với ion Cl⁻ trong mạng tinh thể NaCl để hình thành phân tử HCl. Trong quá trình này, NaCl đóng vai trò là nguồn ion Cl⁻. Cation Na⁺, khi mất đối tác Cl⁻, sẽ kết hợp với anion SO₄²⁻ hoặc HSO₄⁻ tạo thành NaHSO₄ đầu tiên và tiếp tục hình thành Na₂SO₄ ngay sau đó.
Về mặt năng lượng, phản ứng được thúc đẩy bởi sự hình thành phân tử HCl có liên kết cộng hóa trị bền vững và dễ thoát khỏi hệ do là chất khí. Quá trình phân ly và hình thành lại liên kết thể hiện rõ nguyên lý phân tách liên kết yếu (O–H trong H₂SO₄) và tạo liên kết mạnh (H–Cl trong HCl).
Giai đoạn 1: Ở nhiệt độ vừa phải (100–200°C), NaCl rắn tác dụng với H₂SO₄ đặc tạo NaHSO₄ và khí HCl:
\[NaCl_{(r)} + H_2SO_{4 (đặc)} \xrightarrow{\Delta} NaHSO_{4 (r)} + HCl \uparrow\]
Giai đoạn 2: Ở nhiệt độ cao (≥ 400°C), NaHSO₄ phản ứng tiếp với NaCl dư, tạo Na₂SO₄ và giải phóng HCl:
\[NaCl_{(r)} + NaHSO_{4 (r)} \xrightarrow{400^\circ C} Na_2SO_{4 (r)} + HCl \uparrow\]
Phản ứng tổng hợp:
\[2NaCl_{(r)} + H_2SO_{4 (đặc)} \xrightarrow{400^\circ C} Na_2SO_{4 (r)} + 2HCl \uparrow\]
Trong trạng thái khí, HCl tồn tại dưới dạng phân tử riêng biệt, không tạo liên kết hydro mạnh như trong nước, điều này giúp khí dễ khuếch tán khỏi hỗn hợp và thúc đẩy phản ứng diễn ra theo chiều thuận.
Vì sao phản ứng chỉ xảy ra trong điều kiện H₂SO₄ đặc và nhiệt độ trên 400 độ C?
Cơ sở axit–bazơ của phản ứng
Phản ứng giữa NaCl rắn và H₂SO₄ dựa trên nguyên tắc axit mạnh đẩy axit yếu hơn ra khỏi muối. Ở trạng thái khan, H₂SO₄ là một axit mạnh hơn HCl (pKa₁ ≈ –3, so với HCl pKa ≈ –7, nhưng xét trong môi trường khan H₂SO₄ có khả năng proton hóa tốt hơn), do đó có thể:
\[H_2SO_4 + Cl^- \rightarrow HCl \uparrow + HSO_4^-\]
Tuy nhiên, khi H₂SO₄ bị loãng (có nhiều nước), cơ chế này không còn thuận lợi nữa vì các yếu tố sau.
Ảnh hưởng của sự loãng đến khả năng đẩy Cl⁻
Mất tính “axit khan”
- Khi có nhiều nước, H₂SO₄ chủ yếu tồn tại dưới dạng ion hydronium (H₃O⁺) và anion SO₄²⁻/HSO₄⁻.
- HCl là một axit mạnh và cũng bị phân ly hoàn toàn trong dung dịch. Vì vậy, nếu H₂SO₄ loãng, không có cơ chế nào để “đẩy” HCl ra khỏi muối NaCl – vì cả HCl và H₂SO₄ đều đã ở dạng ion, không có quá trình hình thành HCl khí.
Điều này có nghĩa:
- Ở dạng dung dịch loãng, H₂SO₄ không thể trực tiếp proton hóa ion Cl⁻ của NaCl rắn.
- NaCl sẽ không phản ứng, bởi môi trường dung dịch chỉ cho phép hòa tan NaCl chứ không tạo HCl khí.
HCl bị giữ lại trong dung dịch
Ngay cả khi một lượng nhỏ HCl hình thành, trong môi trường nhiều nước, HCl tan rất tốt (dung dịch HCl đậm đặc có thể chứa tới 37% HCl).
- Nếu HCl tan vào dung dịch, phản ứng sẽ bị kìm hãm do không có sự thoát khí để kéo cân bằng.
- Hiệu ứng “thoát khí” là cơ chế quan trọng để phản ứng NaCl + H₂SO₄ đặc diễn ra hoàn toàn.
Mất ưu thế về độ mạnh axit
Trong môi trường nước, HCl và H₂SO₄ đều phân ly gần như hoàn toàn, nên chúng không còn chênh lệch rõ rệt về sức mạnh axit như trong môi trường khan.
- Khi đó, không còn động lực hóa học để H₂SO₄ đẩy Cl⁻ khỏi NaCl.
- Thay vì phản ứng tạo HCl khí, quá trình chỉ dừng lại ở hòa tan NaCl trong dung dịch, tạo Na⁺ và Cl⁻.
Tại sao H₂SO₄ đặc lại đủ mạnh?
Khi H₂SO₄ đặc, không có nước tự do để hòa tan NaCl hay HCl, và H₂SO₄ giữ vai trò như một “axit proton hóa khan”.
- H₂SO₄ đặc có khả năng proton hóa ion Cl⁻ ngay trên bề mặt tinh thể NaCl, tạo HCl khí bay ra:
undefined
- Khí HCl ngay lập tức thoát ra, kéo cân bằng về phía sản phẩm.
- Muối NaHSO₄ hình thành tiếp tục phản ứng với NaCl khi được cung cấp đủ nhiệt (400°C) để tạo Na₂SO₄.
Vì sao cần nhiệt độ cao khi H₂SO₄ đặc?
- Phản ứng giữa NaCl và H₂SO₄ đặc là phản ứng rắn–rắn. Để ion H⁺ và Cl⁻ tiếp xúc và di chuyển trong mạng tinh thể cần năng lượng đáng kể.
- Ở 400°C, năng lượng dao động của mạng tinh thể tăng, bề mặt tiếp xúc tăng, giúp phản ứng hoàn tất và hình thành Na₂SO₄ ổn định.
- Nếu không đủ nhiệt, phản ứng chỉ dừng lại ở giai đoạn tạo NaHSO₄.
Ứng dụng của phản ứng và sản phẩm
Phản ứng này là một trong những phương pháp truyền thống để điều chế axit clohidric tinh khiết trong phòng thí nghiệm. Mặc dù trong công nghiệp hiện đại, HCl chủ yếu được điều chế từ phản ứng giữa Cl₂ và H₂ hoặc bằng cách xử lý khí thải từ sản xuất clo, nhưng phản ứng với H₂SO₄ vẫn được sử dụng trong một số quy trình tổng hợp hóa chất quy mô nhỏ hoặc giảng dạy.
Axit clohidric thu được có ứng dụng rất rộng trong công nghiệp như:
- Làm chất xúc tác hoặc môi trường axit cho nhiều phản ứng hữu cơ và vô cơ
- Dùng trong sản xuất clorua kim loại, nhựa PVC, thuốc trừ sâu
- Sử dụng trong xử lý nước, làm sạch bề mặt kim loại, tẩy gỉ
Natri sunfat (Na₂SO₄) là chất phụ gia quan trọng trong sản xuất bột giặt, thủy tinh, giấy, cũng như là chất độn và tinh thể hóa trong nhiều quá trình công nghiệp.
Bài tập vận dụng
Đề bài: Cho X gam NaCl phản ứng hoàn toàn với dung dịch H₂SO₄ đặc nóng, dư. Sau phản ứng, thu được 28,4 g Natri Sulfat (Na₂SO₄). Tính khối lượng NaCl và H₂SO₄ đã phản ứng.
Giải:
Phương trình phản ứng:
\[2NaCl + H_2SO_{4 (đặc)} \xrightarrow{400^oC} Na_2SO_4 + 2HCl\]
- Tính số mol NaCl:
Khối lượng phân tử của \[NaCl = 23 + 35,5 = 58,5 gram/mol\]
\[n_{Na_2SO_4} = \frac{{28,4}}{{142}} = 0,2 mol\]
- Theo phương trình, tỉ lệ mol giữa Na₂SO₄:H₂SO₄:NaCl là 1:1:2. Do đó:
\[n_{H_2SO_4} = 0,2 mol\]
\[{n_{NaCl}} = n_{Na_2SO_4} \times 2 = 0,2 \times 2 = 0,4 mol\]
- Khối lượng NaCl:
\[{M_{NaCl}} = 23 + 35,5 = 58,5 gram/mol\]
\[{m_{NaCl}} = M \times m = 0,4 \times 58,5 = 23,4 gram/mol\]
- Khối lượng H₂SO₄:
\[{M_{H_2SO_4}} = 2 + 32 + 16 \times 4 = 98 gram/mol\]
\[{m_{H_2SO_4}} = 98 \times 0,2 = 19,6 gram\]
Đáp số: Khối lượng NaCl đã phản ứng là 23,4 g, khối lượng của H₂SO₄ đã phản ứng là 19,6 g.
