Trả lời nhanh
Phèn chua tan cho ion Al3+. Phản ứng em cần viết đủ hệ số là Al3+ + 3H2O ⇌ Al(OH)3 + 3H+, tức dạng ngắn của Al3+ + H2O. Al(OH)3 ở dạng keo kéo hạt bẩn lơ lửng rồi lắng, nước trong hơn. Theo Bronsted–Lowry, Al3+ (chính xác là ion hiđrat) là acid, H2O là base. Một số bài giải gọi H3O+ là acid và OH− là base; cách đó không khớp phương trình này.
Vì sao phèn chua làm trong nước
Phèn chua dùng ở nhiều vùng quê là phèn nhôm–kali. Công thức viết gọn KAl(SO4)2·12H2O. Viết theo muối kép thì K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O, đúng bằng hai lần công thức gọn. Cả hai tên đều chỉ một chất. Khối lượng mol của dạng gọn là 474 g/mol: K = 39, Al = 27, hai nhóm SO4 = 2 × 96 = 192, mười hai phân tử nước = 12 × 18 = 216; 39 + 27 + 192 + 216 = 474.
Khi hòa tan, muối phân li hoàn toàn:
KAl(SO4)2·12H2O → K+ + Al3+ + 2SO42− + 12H2O
Điện tích hai vế: +1 + 3 + 2 × (−2) = 0. Với công thức kép, một mol cho hai mol Al3+:
K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O → 2K+ + 2Al3+ + 4SO42− + 24H2O
Điện tích: 2×(+1) + 2×(+3) + 4×(−2) = 0. Ion K+ và SO42− không tạo kết tủa kéo cặn. Việc làm trong nước là việc của Al3+.
Al3+ bị thủy phân. Phương trình sách hay chép:
Al3+ + 3H2O ⇌ Al(OH)3 + 3H+
Đếm lại: Al một hai vế; H là 6 bên trái và 3 + 3 bên phải; O là 3 hai vế; điện tích +3 = +3. Mũi tên thuận nghịch vì đây là cân bằng. Al(OH)3 không tan, tách ra ở dạng keo, cân bằng bị kéo về phía tạo kết tủa.
Hạt Al(OH)3 rất mịn, diện tích bề mặt lớn, hấp phụ bùn, mùn và các hạt lơ lửng. Hạt nhỏ dính thành cụm nặng hơn rồi chìm. Lớp nước phía trên trong dần, người ta gạn lấy. Đó là keo tụ, không phải phèn “đốt sạch” bẩn bằng một phản ứng oxi hóa. Cho rất nhiều phèn không biến nước ao thành nước đạt chuẩn sinh hoạt; bài này chỉ giải thích hiện tượng trong nước nhờ thủy phân.
Acid và base trong phản ứng thủy phân
Đề hỏi chất hay ion nào là acid, là base. Câu trả lời em ghi vào vở: Al3+ là acid, H2O là base.
Theo Bronsted–Lowry, acid là tiểu phân cho H+, base là tiểu phân nhận H+. Al3+ trần không có H để cho. Trong nước, nhôm tồn tại dạng ion hiđrat [Al(H2O)6]3+. Phân tử nước phối trí bị phân cực, một H tách ra. Bước đầu:
[Al(H2O)6]3+ + H2O ⇌ [Al(H2O)5(OH)]2+ + H3O+
Đếm nguyên tử: bên trái 6 nước phối trí cộng 1 nước tự do là 7 O và 14 H; bên phải phức có 6 O và 11 H, H3O+ thêm 1 O và 3 H, tổng vẫn 7 O và 14 H. Điện tích +3 = +2 + 1. Acid cho proton là [Al(H2O)6]3+, base nhận proton là H2O. Axit liên hợp của nước là H3O+. Base liên hợp của ion hiđrat là [Al(H2O)5(OH)]2+.
Lặp thêm hai bước nữa, gom lại và bỏ bớt nước phối trí, em được đúng phương trình ngắn Al3+ + 3H2O ⇌ Al(OH)3 + 3H+. Vì vậy gọi Al3+ là acid vẫn đúng với cách nói của sách, miễn là em hiểu acid thật sự đang cho proton là ion hiđrat của nó. H2O là base trong phản ứng này.
Có lời giải ghi H3O+ là acid và OH− là base. Hai ion ấy đúng là một cặp acid–base của nước nói chung, nhưng không phải cặp đang thủy phân trong phương trình của đề: OH− không xuất hiện ở hai vế, còn H+ hay H3O+ là sản phẩm. Em không chọn cách đó. Sách cũng không coi K+ hay SO42− là acid của phản ứng này.
Vì có H+ sinh ra, dung dịch phèn chua có môi trường acid, làm quỳ tím hóa đỏ. Đó là hệ quả, không phải lý do nước trong. Nước trong nhờ keo Al(OH)3, không nhờ độ acid.
Viết phương trình cho đúng hệ số
Từ khóa hay gặp là Al3+ + H2O, chưa có hệ số. Chép y nguyên vào bài làm thì phương trình chưa cân. Dạng thiếu hệ số Al3+ + H2O → Al(OH)3 + H+ lệch hiđro: trái 2 H, phải 3 + 1 = 4 H, và điện tích trái +3, phải +1. Hệ số đúng là 3 trước H2O và 3 trước H+.
Một mol phèn dạng gọn cho một mol Al3+. Muốn có 0,1 mol Al3+ thì cần 0,1 mol KAl(SO4)2·12H2O, tức 0,1 × 474 = 47,4 gam. Nếu dùng công thức kép, một mol đã cho hai mol Al3+, nên 0,1 mol Al3+ chỉ cần 0,05 mol muối kép, khối lượng 0,05 × 948 = 47,4 gam. Cùng một lượng nhôm, hai cách viết cho cùng một khối lượng phèn. Đây là phép kiểm tra hữu ích khi đề đổi cách viết công thức giữa chừng.
Ion sắt (III) thủy phân cùng kiểu và cũng được dùng để keo tụ:
Fe3+ + 3H2O ⇌ Fe(OH)3 + 3H+
Fe3+ là acid, H2O là base, Fe(OH)3 cũng là keo kéo cặn. Na+, K+ và NO3− không thủy phân theo kiểu này: Na+ và K+ là cation của bazơ mạnh, NO3− là anion của axit mạnh.
Bài tập ngắn
Bài 1. Trong Al3+ + 3H2O ⇌ Al(OH)3 + 3H+, tiểu phân nào là acid, tiểu phân nào là base?
Đáp án. Acid: Al3+ (dạng hiđrat [Al(H2O)6]3+). Base: H2O. Không ghi H+ làm acid của chính phản ứng sinh ra nó.
Bài 2. Phương trình Al3+ + H2O → Al(OH)3 + H+ đã cân chưa?
Đáp án. Chưa. Thiếu hệ số 3 ở H2O và ở H+. Sau khi thêm, H và điện tích mới khớp.
Bài 3. Hòa tan phèn chua, ion nào gây kết tủa keo: K+, Al3+ hay SO42−?
Đáp án. Al3+. Hai ion kia ở lại trong dung dịch, không tạo Al(OH)3.
Bài 4. Cần bao nhiêu gam KAl(SO4)2·12H2O để có 0,2 mol Al3+?
Đáp án. 0,2 × 474 = 94,8 gam. Thử nhanh: 0,1 mol là 47,4 gam, nhân đôi thành 94,8 gam.
Bài 5. Vì sao nước sau khi cho phèn có thể làm quỳ tím đỏ, trong khi mục đích của người dân là làm trong nước?
Đáp án. H+ sinh ra từ thủy phân làm môi trường acid, quỳ hóa đỏ. Độ trong đến từ keo Al(OH)3 hấp phụ rồi lắng, không đến từ H+.
Những chỗ dễ mất điểm
- Viết Al3+ + H2O mà không hệ số, hoặc viết sản phẩm là Al2O3. Oxit nhôm không phải sản phẩm của phản ứng trong nước lạnh này.
- Gọi nước là acid vì “thấy H+”. H+ là sản phẩm. Nước nhận proton nên là base.
- Quên mũi tên thuận nghịch. Thủy phân ion là cân bằng. Khi Al(OH)3 tách khỏi dung dịch, cân bằng mới lệch mạnh về phía keo.
- Nhầm công thức kép với công thức gọn rồi đếm sai số mol Al3+. Dạng kép cho hai mol Al3+ mỗi mol muối; dạng gọn cho một mol.
- Giải thích nước trong bằng câu “phèn diệt khuẩn” mà không có phương trình. Ý diệt khuẩn không trả lời được câu hỏi acid–base của đề.
Bài làm đủ ý gồm bốn dòng: công thức phèn, phương trình điện li, phương trình thủy phân đã cân, và một câu chỉ rõ Al3+ là acid, H2O là base, Al(OH)3 keo kéo cặn. Phần ion hiđrat chỉ cần thêm khi đề hỏi sâu hơn về Bronsted.
Câu hỏi thường gặp
Al3+ + H2O tạo ra chất gì?
Viết đủ hệ số: Al3+ + 3H2O cân bằng với Al(OH)3 và 3H+. Al(OH)3 ở dạng keo.
Trong phản ứng thủy phân Al3+, acid và base là gì?
Al3+ (dạng ion hiđrat) là acid vì cho proton, H2O là base vì nhận proton.
Vì sao phèn chua làm trong nước?
Ion Al3+ tạo keo Al(OH)3, keo hấp phụ hạt bẩn lơ lửng và kéo chúng lắng xuống.
Công thức phèn chua viết thế nào?
KAl(SO4)2·12H2O hoặc K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O. Dạng sau bằng hai lần dạng trước.
H+ có phải chất làm nước trong không?
Không. H+ chỉ làm dung dịch acid. Nước trong nhờ kết tủa keo Al(OH)3.