Chất lưỡng tính (hóa học)

Trong hóa học, hợp chất lưỡng tính là phân tử hoặc ion có khả năng phản ứng với cả axit và bazơ. Nhiều kim loại (như kẽm, thiếc, chì, nhôm và beryli) tạo thành oxide hoặc hydroxide lưỡng tính. Tính lưỡng tính còn tùy thuộc vào trạng thái oxy hóa, ví dụ Al₂O₃ là một oxide lưỡng tính.

Tiền tố của từ amphoteric xuất phát từ tiền tố Hy Lạp amphi-, có nghĩa là 'cả hai'. Trong hóa học, một hợp chất lưỡng tính có khả năng hoạt động như axit hoặc bazơ. Axit là chất cho proton (hoặc nhận cặp electron) còn bazơ nhận proton, do đó chất lưỡng tính thể hiện cả tính axit và bazơ.

Các oxide kim loại phản ứng với cả axit và bazơ để tạo ra muối và nước được gọi là oxide lưỡng tính, chẳng hạn như oxide chì và oxide kẽm.

Một loại trong nhóm hợp chất lưỡng tính là các phân tử amphiprotic, có thể cho hoặc nhận proton (H). Ví dụ bao gồm amino acid và protein, có các nhóm amino và acid carboxylic và các hợp chất tự ion hóa như nước.

Ampholyte là những phân tử có cả nhóm acid và nhóm bazơ, thường tồn tại dưới dạng lưỡng cực (zwitterions) trong một khoảng pH nhất định. Điểm pH tại đó điện tích phân tử trung bình là 0 được gọi là điểm đẳng điện của phân tử. Ampholyte được sử dụng để duy trì độ pH ổn định trong phương pháp điện di đẳng điện.

Nguồn gốc từ

Amphoteric bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp amphoteroi (ἀμφότεροι) có nghĩa là 'cả hai'. Các từ liên quan trong hóa học acid-base bao gồm amphichromatic và amphichroic, cả hai đều mô tả các chất chỉ thị acid-base tạo màu khi phản ứng với acid và chuyển màu khác khi phản ứng với bazơ.

Phân tử lưỡng tính

Theo lý thuyết Bronsted-Lowry về acid và bazơ: acid là chất cho proton và bazơ là chất nhận proton. Một phân tử lưỡng tính (hoặc ion) có khả năng cho hoặc nhận proton, do đó có thể hoạt động như một acid hoặc một bazơ. Nước, amino acid, ion hydrocarbonat (bicarbonat) và ion hydrosulfat (bisulfat) là những ví dụ phổ biến của các chất lưỡng tính. Vì chúng đều chứa nguyên tử hydro, có khả năng cho proton và thể hiện tính acid, đồng thời chúng cũng có thể hoạt động như một bazơ, do đó chúng là chất lưỡng tính.

Ví dụ:

Chất lưỡng tính tiêu biểu là ion hydrocarbonat, có khả năng hoạt động như một acid:

${\text{HCO}}_3^{-<!--\; -\; -->}+{\text{H}}^{+}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{CO}}_2^{}+{\text{H}}_2^{}\text{O}$

hoặc dưới dạng base:

${\text{HCO}}_3^{-<!--\; -\; -->}+{\text{OH}}^{-<!--\; -\; -->}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{CO}}_3^{2-<!--\; -\; -->}+{\text{H}}_2^{}\text{O}$

Vì vậy, nó có khả năng nhường hoặc nhận một proton.

${\text{H}}_2^{}\text{O}+\text{HCl}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{H}}_3^{}{\text{O}}^{+}+{\text{Cl}}^{-<!--\; -\; -->}$

và hoạt động như một acid khi phản ứng với một base như amonia:

${\text{H}}_2^{}\text{O}+{\text{NH}}_3^{}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{NH}}_4^{+}+{\text{OH}}^{-<!--\; -\; -->}$

Không phải mọi chất lưỡng tính đều có khả năng cho hoặc nhận proton

Rõ ràng, một hợp chất có khả năng cho hoặc nhận proton được coi là chất lưỡng tính, nhưng điều ngược lại không phải lúc nào cũng đúng. Chẳng hạn, oxide kim loại ZnO không chứa hydro và không có khả năng cho proton. Thay vào đó, nó hoạt động như một acid Lewis, nơi nguyên tử Zn tiếp nhận một cặp electron từ nhóm OH. Các oxide và hydroxide kim loại khác cũng được liệt kê ở trên cũng đóng vai trò là acid Lewis chứ không phải acid Bronsted.

Oxide lưỡng tính và hydroxide

Oxide lưỡng tính

Kẽm oxide (ZnO) có khả năng phản ứng với cả acid lẫn base:

• Trong môi trường axit: $\text{ZnO}+{\text{H}}_2^{}{\text{SO}}_4^{}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{ZnSO}}_4^{}+{\text{H}}_2^{}\text{O}$
• Trong môi trường bazơ: $\text{ZnO}+2\text{NaOH}+{\text{H}}_2^{}\text{O}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{Na}}_2^{}\left[\text{Zn}{\left(\text{OH}\right)}_4^{}\right]$

Phản ứng này có thể được áp dụng để phân tách các cation khác nhau, ví dụ như kẽm (II) hòa tan trong môi trường bazơ so với mangan (II) không hòa tan trong bazơ.

Oxit chì (PbO):

• Trong môi trường axit: $\text{PbO}+2\text{HCl}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{PbCl}}_2^{}+{\text{H}}_2^{}\text{O}$
• Trong môi trường bazơ: $\text{PbO}+2\text{NaOH}+{\text{H}}_2^{}\text{O}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{Na}}_2^{}\left[\text{Pb}{\left(\text{OH}\right)}_4^{}\right]$

Nhôm oxit (Al₂O₃)

• Trong môi trường axit: ${\text{Al}}_2^{}{\text{O}}_3^{}+6\text{HCl}⟶<!--\; ⟶\; -->2{\text{AlCl}}_3^{}+3{\text{H}}_2^{}\text{O}$
• Trong môi trường bazơ: ${\text{Al}}_2^{}{\text{O}}_3^{}+2\text{NaOH}+3{\text{H}}_2^{}\text{O}⟶<!--\; ⟶\; -->2\text{Na}\left[\text{Al}{\left(\text{OH}\right)}_4^{}\right]$ (hydrat natri aluminat)

Oxide thiếc (II): (SnO)

• Trong môi trường axit: SnO + 2 HCl ⇌ SnCl ₂ + H₂O
• Trong môi trường bazơ: SnO + 4NaOH + H₂O ⇌ Na₄[Sn(OH)₆]

Các nguyên tố khác cũng có khả năng tạo thành oxide lưỡng tính bao gồm gali, indi, scandi, titan, zirconi, vanadi, crom, sắt, cobalt, đồng, bạc, vàng, germani, antimon, bismuth và telluri.

Hydroxide lưỡng tính

Nhôm hydroxide có tính lưỡng tính:

• Như một bazơ (trung hòa acid): Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O
• Như một acid (trung hòa bazơ): Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]

Hydroxide beryli

• Với acid: Be(OH)₂ + 2HCl → BeCl₂ + 2H₂O
• Với bazơ: Be(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Be(OH)₄].