Khi cho chất rắn Đồng (II) hydroxit (Cu(OH)₂) tiếp xúc với dung dịch axit axetic (CH₃COOH). Chất rắn dần tan, tạo dung dịch muối đồng (II) axetat Cu(CH₃COO)₂. Phản ứng diễn ra ở giao diện rắn–lỏng, có tốc độ ban đầu phụ thuộc lượng axit, cường độ khuấy, kích thước hạt và nhiệt độ. Với dấm ăn (axit axetic ~5%), hiện tượng sủi bọt đủ rõ để quan sát bằng mắt; với axit axetic đậm đặc (axit băng), phản ứng nhanh và tỏa nhiệt đáng kể, cần thao tác an toàn.
Phương trình hóa học
\[Cu(OH)_2 + CH_3COOH \rightarrow Cu(CH_3COO)_2 + H_2O\]
Cân bằng phương trình:
\[Cu(OH)_2 + 2CH_3COOH \rightarrow Cu(CH_3COO)_2 + 2H_2O\]
Phương trình ion rút gọn (minh họa trao đổi axit–bazơ)
\[Cu(OH)_2 + 2H^+ \rightarrow 2H_2O\]
Trong dung dịch, CH₃COOH phân ly yếu:
\[CH_3COOH \rightleftharpoons H^+ + CH_3COO^- \quad pK_a \approx 5,76\]
Điều kiện phản ứng
Phản ứng xảy ra ở điều kiện thường, không cần nhiệt độ cao hay xúc tác.
Về xúc tác:
- Phản ứng này không cần xúc tác.
- Nguyên nhân: Axit axetic đủ mạnh để phản ứng trực tiếp với muối cacbonat, phản ứng xảy ra ngay khi hai chất tiếp xúc trong dung dịch.
- Sự giải phóng CO₂ là yếu tố giúp phản ứng tự diễn ra và không cần thêm chất xúc tác hay gia nhiệt.
Điều duy nhất ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng là nồng độ axit và độ mịn của Cu(OH)₂ (bột mịn gia tăng diện tích bề mặt phản ứng nhanh hơn so với dạng khối).
Nguyên lý phản ứng
Phản ứng thuộc nhóm phản ứng trung hòa bazơ – axit hữu cơ . Cơ sở là axit cung cấp H⁺, còn Cu(OH)₂ đóng vai trò là bazơ; khi H⁺ gặp OH⁻, chúng tạo nước (kw=10^-14). Khí thoát ra khỏi dung dịch nên kéo phản ứng tiến gần như một chiều. Ion Cu²⁺ còn lại kết hợp với anion axetat CH₃COO⁻ của axit axetic tạo muối đồng (II) axetat tan trong nước. Từ góc nhìn đơn giản, có ba dấu hiệu đặc trưng: Giảm khối rắn Cu(OH)₂, và thu dung dịch muối Cu(CH₃COO)₂.
Không cần viện dẫn các khái niệm hằng số tan hay hoạt độ: chỉ cần hiểu rằng việc tạo muối tan khiến phản ứng diễn ra hoàn toàn nếu axit đủ lượng.
Cách thực hiện phản ứng
Chuẩn bị:
- Hóa chất: Cu(OH)₂ rắn tinh khiết (bột Cu(OH)₂); dung dịch CH₃COOH 0,5–1,0 M (hoặc dấm ăn ~5%); nước cất/khử ion.
- Dụng cụ: Cốc thủy tinh có khuấy từ, ống đong, phễu lọc (nếu tách cặn), bình tam giác nếu cần cô dung dịch tạo tinh thể muối, nhiệt kế.
- An toàn: Axit axetic ăn mòn niêm mạc, đặc biệt dạng đậm đặc. Làm việc nơi thông thoáng, đeo kính – găng, không đậy kín trong quá trình phản ứng.
Quy trình minh họa định tính:
- Cho 2–3 g bột Cu(OH)₂ vào cốc 100 mL.
- Thêm 30–40 mL dung dịch CH₃COOH 0,5–1,0 M, khuấy nhẹ.
- Tiếp tục khuấy đến khi hết hoặc còn dư rắn nhỏ không tan nữa (thiếu axit).
- Lọc (nếu cần) để loại cặn không tan. Dịch lọc là dung dịch Cu(CH₃COO)₂.
Quy trình thu muối đồng (II) axetat dạng rắn:
- Thực hiện như trên nhưng dùng dư nhẹ axit, sau đó trung hòa về pH ~6–7 bằng cách thêm từ từ Cu(OH)₂ mới để triệt axit dư (không để kiềm).
- Lọc bỏ cặn, cô dung dịch ở 60–70°C (không đun sôi mạnh để tránh phun bọt).
- Để nguội cho tinh thể Cu(CH₃COO)₂·H₂O (thường dạng monohydrat) kết tinh. Lọc, rửa nhanh bằng ethanol lạnh, sấy ở 60–80°C đến khối lượng không đổi.
Lưu ý:
- Kiểm soát pH: khi mục tiêu thu muối tinh khiết, tránh dư axit kéo dài vì làm đồng kết tinh tạp axit; điều chỉnh pH bằng Cu(OH)₂ hoặc một bazơ yếu phù hợp.
- Kích thước hạt Cu(OH)₂: hạt càng mịn tốc độ càng nhanh nhưng dễ tạo bọt mịn; khuấy đều để tránh bọt trào.
- Nhiệt: phản ứng tỏa nhiệt vừa; đối với axit đậm đặc, nên pha loãng trước rồi mới cho tiếp xúc Cu(OH)₂.
Nhận biết phản ứng
Nhận biết phản ứng đang xảy ra:
Khối rắn giảm theo thời gian; tốc độ sủi phụ thuộc nồng độ axit và khuấy trộn.
Nhận biết sản phẩm cuối cùng:
đồng (II) axetat trong dung dịch: cho vài giọt dung dịch oxalat (C₂O₄²⁻) tạo kết tủa trắng CaC₂O₄, chứng tỏ sự có mặt của Cu²⁺. Để nhận biết acetat, axit hóa nhẹ dung dịch bằng H₂SO₄ loãng, đun ấm, xuất hiện mùi axit axetic đặc trưng; hoặc tạo phức Fe³⁺–acetat (biến đổi độ tan, không tạo màu đặc trưng như salicylat).
Cơ chế chuyên sâu phản ứng
Trình tự cơ chế ở giao diện rắn–lỏng
Bước 1 – Phân ly axit và tạo môi trường proton hóa
Trong nước, axit axetic thiết lập cân bằng:
\[CH_3COOH \rightleftharpoons H^+ + CH_3COO^- \quad pK_a \approx 5,76\]
Mặc dù là axit yếu, ở vùng gần bề mặt Cu(OH)₂ pH giảm do tiêu thụ bởi phản ứng, giúp giữ nồng độ H⁺ cục bộ ở mức đủ lớn để tấn công cacbonat.
\[Pk_a = 4,76 \Rightarrow K_a = \frac{[H^+][CH_3COO^-]}{[CH_3COOH]} = 10^{-4,76} = 1,73 \times 10^{-5}\]
Bước 2 – Tấn công proton lên bề mặt Cu(OH)₂ (cơ chế axit–bazơ trên bề mặt)
Cu(OH)₂ là mạng ion gồm Cu²⁺ phối hợp với OH⁻. Proton H⁺ từ lớp khuếch tán tiếp cận bề mặt và proton hóa ngay lập tức với nhóm hydroxy (OH⁻) trên bề mặt:
\[>Cu(OH)_2(s) + H^+ \rightarrow >Cu(OH).H_2O^+(s)\]
Proton trong dung dịch tiếp tục tấn công:
\[Cu(OH).H_2O + H^+ \rightarrow Cu^{2+} + H_2O\]
Bước này vừa phá vỡ liên kết Cu–OH trong mạng rắn, vừa đưa Cu²⁺ vào pha lỏng dưới dạng hydrat.
Bước 3 – Tổ hợp ion Cu²⁺ với anion axetat
Song song với giải phóng CO₂, ion Cu²⁺ mới giải phóng phối hợp với anion axetat:
\[Cu^{2+}(aq) + 2CH_3COO^-(aq) \rightarrow Cu(CH_3COO)_2(aq)\]
Trong môi trường nước, muối này tan tốt; ở nồng độ cao có thể kết tinh dưới dạng hydrat khi cô đặc.
Bước 5 – Tái tổ chức bề mặt (etching) và phát triển hố ăn mòn
Quá trình tấn công proton diễn ra ưa thích tại các khuyết tật bề mặt (đỉnh, cạnh, điểm gãy) của tinh thể calcit/aragonit. Theo quan sát bề mặt, các “etch pit” xuất hiện và lan rộng khi phản ứng tiếp tục, phản ánh bản chất phản ứng–khuếch tán ghép đôi tại giao diện.
Ứng dụng của phản ứng và của sản phẩm
- Điều chế đồng (II) axetat: Thu muối Cu(CH₃COO)₂ dùng làm phụ gia thực phẩm (E263) với vai trò điều chỉnh độ axit và chất bảo quản ở liều lượng quy chuẩn; dung dịch đồng (II) axetat còn dùng trong một số quy trình xử lý mùi.
- Tiền chất điều chế acetone: đồng (II) axetat khi nhiệt phân/khử nước cho acetone theo phản ứng:
\[Cu(CH_3COO)_2 \rightarrow CH_3COCH_3 + Cu(OH)_2\downarrow\]
Đây là con đường tổng hợp cổ điển ở quy mô phòng thí nghiệm.