Phản ứng kết tủa và phương trình ion rút gọn trong HSC Chemistry

Bạn trộn hai dung dịch trong suốt, không màu. Một giây sau, dung dịch trong cốc trở nên đục và xuất hiện chất rắn. Trước khi trộn không hề có chất rắn, vậy chất rắn đó từ đâu mà có?

Giả sử một dung dịch chứa ion chì(II) và ion nitrat, còn dung dịch kia chứa ion kali và ion iodide. Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán điều gì xảy ra khi chúng gặp nhau. Liệu cả bốn ion chỉ đơn giản tiếp tục hòa tan, hay một tổ hợp ion mới có thể tách ra khỏi dung dịch?

Ý tưởng then chốt là một số tổ hợp ion tan được trong nước, trong khi những tổ hợp khác lại rất ít tan. Nếu các ion mang điện tích trái dấu tạo thành một hợp chất ion đủ khó tan, chúng sẽ tập hợp lại thành tinh thể rắn. Chất rắn đó được gọi là kết tủa.

Khi đã xác định được tổ hợp khó tan đó, các bài toán kết tủa trở nên có tính quy trình hơn nhiều: dự đoán sản phẩm, cân bằng phương trình, tách các chất ion tan thành các ion, rồi loại bỏ các ion khán.

01Thực sự có gì bên trong một dung dịch ion?

Hãy bắt đầu với một chất quen thuộc như natri clorua, \(\ce{NaCl}\).

Natri clorua rắn chứa các ion \(\mathrm{Na}^{+}\) và \(\mathrm{Cl}^{-}\) được giữ trong mạng tinh thể ion. Khi một lượng đủ lớn hòa tan trong nước, các ion này tách khỏi nhau và được các phân tử nước bao quanh:

\[
\ce{NaCl(aq) -> Na+(aq) + Cl-(aq)}
\]

Trạng thái \((aq)\) có nghĩa là dung dịch nước, tức là chất được hòa tan trong nước.

Ý tưởng tương tự áp dụng cho kali iodide:

\[
\ce{KI(aq) -> K+(aq) + I-(aq)}
\]

Vì vậy, không nên hình dung một cốc được ghi nhãn “\(\ce{KI(aq)}\)” là chứa rất nhiều đơn vị \(\ce{KI}\) nguyên vẹn trôi nổi. Trong đó có các ion \(\mathrm{K}^{+}\) và \(\mathrm{I}^{-}\) chuyển động tự do.

Điều này rất quan trọng khi hai dung dịch ion được trộn với nhau.

Có thể hình dung một cách đơn giản các ion giống như những người tham dự một bữa tiệc. Mọi người di chuyển độc lập thay vì luôn gắn cố định với một người đi cùng. Sau khi hai nhóm hòa vào nhau, một cặp ion dương-âm cụ thể có thể tạo thành một chất rắn bền đến mức các ion đó về cơ bản cùng rời khỏi “bữa tiệc”.

Phép so sánh chỉ dừng lại ở đó. Các ion không “lựa chọn” đối tác, và tính khó tan bắt nguồn từ sự cân bằng giữa các tương tác của ion, mạng tinh thể của chúng và nước. Đối với các bài toán kết tủa HSC, các quy tắc độ tan cho chúng ta một cách thực tế để dự đoán kết quả mà không cần tính toán tất cả những tương tác đó.

02Quyết định cơ bản để xác định sự kết tủa

Xét việc trộn dung dịch chì(II) nitrat và kali iodide:

\[
\ce{Pb(NO3)2(aq) + KI(aq)}
\]

Các ion hòa tan là:

• \(\mathrm{Pb}^{2+}\)
• \(\ce{NO3-}\)
• \(\mathrm{K}^{+}\)
• \(\mathrm{I}^{-}\)

Một cách thường dùng để dự đoán sản phẩm là hình dung các ion dương đổi ion âm đi kèm.

Các tổ hợp mới có thể có là:

• \(\mathrm{Pb}^{2+}\) với \(\mathrm{I}^{-}\)
• \(\mathrm{K}^{+}\) với \(\ce{NO3-}\)

Điều kiện trung hòa điện tích cho ta các công thức:

\[
\ce{PbI2}
\]

và

\[
\ce{KNO3}
\]

Bây giờ đến câu hỏi quan trọng: chất nào, nếu có, là chất khó tan?

Các hợp chất của kali và các muối nitrat đều tan, nên \(\ce{KNO3}\) vẫn ở trạng thái dung dịch. Chì(II) iodide ít tan, nên tạo thành chất rắn:

\[
\ce{PbI2(s)}
\]

Đó là kết tủa.

Phương trình đã cân bằng là:

\[
\ce{Pb(NO3)2(aq) + 2KI(aq) -> PbI2(s) + 2KNO3(aq)}
\]

Phản ứng không xảy ra vì các hợp chất có một nhu cầu bí ẩn nào đó phải “đổi đối tác”. Cách nói đó chỉ là một phương pháp ghi chép thuận tiện. Quá trình thực sự thúc đẩy phản ứng là các ion \(\mathrm{Pb}^{2+}\) và \(\mathrm{I}^{-}\) bị loại khỏi dung dịch khi tạo thành \(\ce{PbI2}\) rắn.

03Các quy tắc độ tan cần sử dụng

Bạn không cần ghi nhớ riêng độ tan của mọi hợp chất ion. Các quy luật chung sẽ giúp giải quyết phần lớn bài toán.

Nếu đề bài cung cấp bảng độ tan, luôn ưu tiên sử dụng bảng đó. Nếu không, các quy luật có giá trị cao sau đây hữu ích cho các bài toán ở mức HSC.

Lưu ý rằng các từ được dùng là thường và nhìn chung, chứ không phải “luôn luôn”. Trên thực tế, độ tan là một đại lượng liên tục. Ngay cả một hợp chất được mô tả là không tan thường vẫn có một lượng rất nhỏ hòa tan.

Tuy nhiên, trong một bài toán kết tủa HSC, quyết định hữu ích thường đơn giản hơn: thông tin về độ tan cho biết bạn nên viết chất đó ở trạng thái \((aq)\) hay dưới dạng kết tủa, \((s)\)?

04Phương pháp đáng tin cậy để dự đoán kết tủa

Khi hai hợp chất ion trong dung dịch nước được trộn với nhau, hãy làm theo trình tự sau.

1. Viết các ion có mặt trong mỗi dung dịch.
2. Tạo các tổ hợp ion mới có thể hình thành.
3. Đảm bảo mỗi sản phẩm trung hòa về điện.
4. Dùng các quy tắc độ tan để xác định trạng thái của từng sản phẩm.
5. Nếu không hình thành sản phẩm khó tan, có thể không có phản ứng kết tủa.
6. Cân bằng phương trình đầy đủ trước khi viết phương trình ion.

Bước thứ ba gây ra rất nhiều lỗi hoàn toàn có thể tránh được.

Ví dụ, \(\mathrm{Fe}^{3+}\) và \(\ce{OH-}\) không tạo thành \(\ce{FeOH}\). Một ion \(\mathrm{Fe}^{3+}\) cần ba ion \(\ce{OH-}\) để tổng điện tích bằng không:

\[
\ce{Fe(OH)3}
\]

Công thức được xác định từ điện tích, chứ không phải chỉ bằng cách đặt một ion cạnh một ion khác.

Nếu chính việc cân bằng phương trình là phần khó, bạn nên xem lại cách phản ứng bảo toàn nguyên tử trong Sự sắp xếp lại các nguyên tử trong phản ứng: Hướng dẫn HSC Chemistry.

05Từ phương trình phân tử đến phương trình ion rút gọn

Phương trình phân tử rất hữu ích, nhưng nó bao gồm cả những ion thực tế không trải qua biến đổi hóa học.

Đối với phản ứng tạo bạc clorua:

\[
\ce{AgNO3(aq) + NaCl(aq) -> AgCl(s) + NaNO3(aq)}
\]

Hãy nhớ các chất ở trạng thái dung dịch thực sự chứa gì.

Bạc nitrat hòa tan dưới dạng các ion:

\[
\ce{Ag+(aq) + NO3-(aq)}
\]

Natri clorua hòa tan dưới dạng:

\[
\ce{Na+(aq) + Cl-(aq)}
\]

Natri nitrat ở phía sản phẩm cũng ở trạng thái dung dịch, nên vẫn tồn tại dưới dạng các ion riêng biệt.

Vì vậy, phương trình ion đầy đủ là:

\[
\ce{Ag+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)}
\]

Bây giờ hãy tìm những tiểu phân xuất hiện không đổi ở cả hai vế.

Cả \(\mathrm{Na}^{+}\) và \(\ce{NO3-}\) đều có mặt trước và sau phản ứng. Đây là các ion khán.

Khử chúng đi:

\[
\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}
\]

Đây là phương trình ion rút gọn.

Nó chỉ thể hiện biến đổi hóa học chịu trách nhiệm cho quá trình kết tủa.

06Chất nào nên được tách thành các ion?

Một quy tắc hữu ích là:

Tách các chất ion tan ở trạng thái dung dịch thành ion. Không tách các chất kết tủa.

Ví dụ:

\[
\ce{Na2CO3(aq)}
\]

trở thành:

\[
\ce{2Na+(aq) + CO3^2-(aq)}
\]

Nhưng:

\[
\ce{CaCO3(s)}
\]

vẫn được giữ nguyên là:

\[
\ce{CaCO3(s)}
\]

Nếu bạn tách kết tủa trở lại thành các ion trong dung dịch, bạn đã đảo ngược chính quá trình mà phương trình cần mô tả.

Đây là lý do ký hiệu trạng thái không chỉ mang tính trang trí. Chúng cho biết một chất nên được xem là các tiểu phân hòa tan hay là một pha rắn riêng biệt.

08Sai lầm dễ mắc: cho rằng mọi sự trao đổi ion đều là một phản ứng

Giả sử dung dịch kali nitrat và natri clorua được trộn với nhau.

Một học sinh có thể viết:

\[
\ce{KNO3(aq) + NaCl(aq) -> KCl(aq) + NaNO3(aq)}
\]

Phương trình đã cân bằng, nên trông có vẻ hợp lý.

Nhưng hãy dự đoán mô hình ở cấp độ hạt sẽ cho thấy gì. Trước khi trộn, có các ion \(\mathrm{K}^{+}\), \(\ce{NO3-}\), \(\mathrm{Na}^{+}\) và \(\mathrm{Cl}^{-}\) chuyển động trong nước. Sau khi trộn, cả bốn loại tiểu phân vẫn hòa tan.

Về mặt hóa học, thực sự không có gì thay đổi.

Cả hai sản phẩm có thể hình thành đều tan. Không có kết tủa, khí, chất điện li yếu hay quá trình thúc đẩy nào khác làm các ion bị loại khỏi dung dịch.

“Phương trình” ion đầy đủ sẽ là:

\[
\ce{K+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) -> K+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + NO3-(aq)}
\]

Mọi tiểu phân đều bị khử.

Vì vậy, không có phương trình ion rút gọn cho một phản ứng kết tủa, bởi vì không có phản ứng kết tủa nào xảy ra.

Do đó, “phản ứng trao đổi kép” không đảm bảo rằng phản ứng thực sự xảy ra. Nó chỉ là một kiểu sắp xếp sản phẩm có thể có. Độ tan quyết định liệu sự kết tủa có thực sự thúc đẩy một biến đổi hay không.

09Bốn bước kiểm tra trước khi tin tưởng một phương trình ion rút gọn

Một phương trình ion rút gọn đúng phải vượt qua bốn phép kiểm tra.

Ví dụ:

\[
\ce{Pb^2+(aq) + I-(aq) -> PbI2(s)}
\]

không vượt qua phép kiểm tra điện tích và nguyên tử. Vế trái có tổng điện tích là \(+1\), và chỉ có một ion iodide.

Phương trình đúng là:

\[
\ce{Pb^2+(aq) + 2I-(aq) -> PbI2(s)}
\]

Lúc này vế trái có tổng điện tích bằng \(0\), phù hợp với chất rắn trung hòa ở vế phải, đồng thời có hai nguyên tử iodine ở mỗi vế.

10Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Dung dịch magnesium clorua được trộn với dung dịch natri carbonat.

Hãy dự đoán xem có kết tủa hình thành hay không. Gọi tên kết tủa và viết phương trình ion rút gọn.

Lời giải 1

Magnesium carbonat kết tủa, và phương trình ion rút gọn là \(\ce{Mg^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s)}\).

Các ion có mặt ban đầu là \(\mathrm{Mg}^{2+}\), \(\mathrm{Cl}^{-}\), \(\mathrm{Na}^{+}\) và \(\ce{CO3^2-}\).

Trao đổi ion đi kèm tạo thành magnesium carbonat và natri clorua:

\[
\ce{MgCl2(aq) + Na2CO3(aq) -> MgCO3(s) + 2NaCl(aq)}
\]

Phần lớn carbonat ít tan, trừ khi đi cùng các ion như cation Nhóm 1 hoặc amoni. Vì vậy, \(\ce{MgCO3}\) kết tủa.

Phương trình ion đầy đủ là:

\[
\ce{Mg^2+(aq) + 2Cl-(aq) + 2Na+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s) + 2Na+(aq) + 2Cl-(aq)}
\]

Khử \(\mathrm{Na}^{+}\) và \(\mathrm{Cl}^{-}\) cho:

\[
\ce{Mg^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> MgCO3(s)}
\]

Hai điện tích \(2+\) và \(2-\) bằng nhau và trái dấu cũng giải thích tại sao kết tủa có công thức theo tỉ lệ \(1:1\).

Câu hỏi 2

Một học sinh trộn dung dịch amoni nitrat với dung dịch kali clorua và dự đoán rằng amoni clorua rắn sẽ hình thành vì các ion đã “đổi đối tác”.

Dự đoán này có đúng không? Hãy giải thích bằng độ tan và hình dung ở cấp độ hạt.

Lời giải 2

Không có kết tủa hình thành, nên dự đoán của học sinh là không đúng.

Các sản phẩm có thể hình thành là amoni clorua và kali nitrat:

\[
\ce{NH4NO3(aq) + KCl(aq) -> NH4Cl(aq) + KNO3(aq)}
\]

Muối amoni tan, muối kali tan và các muối nitrat tan. Vì vậy, cả hai sản phẩm đề xuất đều vẫn ở trạng thái dung dịch.

Ở cấp độ hạt, dung dịch chứa cùng bốn loại ion hòa tan trước và sau khi trộn:

\[
\ce{NH4+, NO3-, K+, Cl-}
\]

Không có sản phẩm khó tan nào loại ion khỏi dung dịch. Quan niệm sai dễ mắc ở đây là xem “sự trao đổi ion” như bằng chứng rằng phản ứng đã xảy ra. Điều đó không đúng. Chính việc kiểm tra độ tan mới quyết định có xảy ra kết tủa hay không.

Câu hỏi 3

Dung dịch aluminium sulfat, \(\ce{Al2(SO4)3}\), được trộn với dung dịch bari nitrat, \(\ce{Ba(NO3)2}\).

Hãy viết:

• phương trình phân tử đã cân bằng,
• phương trình ion đầy đủ, và
• phương trình ion rút gọn.

Lời giải 3

Bari sulfat kết tủa, và biến đổi ion rút gọn là \(\ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)}\).

Các sản phẩm sau khi trao đổi là \(\ce{BaSO4}\) và \(\ce{Al(NO3)3}\). Bari sulfat ít tan, trong khi các muối nitrat tan.

Phương trình phân tử đã cân bằng là:

\[
\ce{Al2(SO4)3(aq) + 3Ba(NO3)2(aq) -> 3BaSO4(s) + 2Al(NO3)3(aq)}
\]

Bây giờ tách các chất ion tan trong dung dịch thành ion:

\[
\ce{2Al^3+(aq) + 3SO4^2-(aq) + 3Ba^2+(aq) + 6NO3-(aq) -> 3BaSO4(s) + 2Al^3+(aq) + 6NO3-(aq)}
\]

Các ion \(\mathrm{Al}^{3+}\) và \(\ce{NO3-}\) là ion khán, nên chúng bị khử:

\[
\ce{3Ba^2+(aq) + 3SO4^2-(aq) -> 3BaSO4(s)}
\]

Phương trình ion rút gọn nên được viết với các hệ số nguyên đơn giản nhất, cho:

\[
\ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)}
\]

Hệ số ba trong phương trình phân tử xuất hiện do cần cân bằng các hợp chất đầy đủ. Nó không thuộc mô tả đơn giản nhất của một quá trình kết tủa.

Câu hỏi 4

Một học sinh dự đoán rằng việc trộn dung dịch chì(II) nitrat với dung dịch natri clorua tạo ra \(\ce{PbCl(s)}\), rồi viết:

\[
\ce{Pb^2+(aq) + Cl-(aq) -> PbCl(s)}
\]

Hãy xác định lỗi và viết công thức kết tủa đúng cùng phương trình ion rút gọn đúng.

Lời giải 4

Kết tủa là \(\ce{PbCl2(s)}\), và phương trình ion rút gọn đúng là \(\ce{Pb^2+(aq) + 2Cl-(aq) -> PbCl2(s)}\).

Lỗi chính của học sinh là lập công thức sản phẩm mà không cân bằng điện tích ion.

Một ion chì(II) có điện tích \(+2\):

\[
\mathrm{Pb}^{2+}
\]

Một ion clorua có điện tích \(-1\):

\[
\mathrm{Cl}^{-}
\]

Do đó cần hai ion clorua để tạo thành một hợp chất ion trung hòa:

\[
(+2) + 2(-1) = 0
\]

Vì vậy, kết tủa là:

\[
\ce{PbCl2(s)}
\]

Phương trình ion rút gọn đúng là:

\[
\ce{Pb^2+(aq) + 2Cl-(aq) -> PbCl2(s)}
\]

Phương trình này bảo toàn cả nguyên tử lẫn điện tích. Phiên bản sai có tổng điện tích \(+1\) ở vế trái và cũng chứa sai số lượng ion clorua.

Câu hỏi 5

Ba dung dịch nước không có nhãn được biết là calcium clorua, natri carbonat và kali nitrat.

Các quan sát là:

• trộn A với B tạo ra kết tủa,
• trộn A với C không tạo kết tủa,
• trộn B với C không tạo kết tủa.

Hãy xác định dung dịch C. Chỉ dựa trên những quan sát này, bạn có thể xác định dung dịch nào trong A và B là calcium clorua và dung dịch nào là natri carbonat không? Viết phương trình ion rút gọn cho phản ứng kết tủa.

Lời giải 5

Dung dịch C phải là kali nitrat, nhưng các quan sát không cho chúng ta biết A là calcium clorua và B là natri carbonat hay ngược lại. Phản ứng kết tủa là \(\ce{Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> CaCO3(s)}\).

Calcium clorua và natri carbonat phản ứng vì calcium carbonat ít tan:

\[
\ce{CaCl2(aq) + Na2CO3(aq) -> CaCO3(s) + 2NaCl(aq)}
\]

Kali nitrat không tạo kết tủa với một trong hai dung dịch còn lại vì các muối kali và nitrat đều vẫn tan.

Vì vậy, cặp duy nhất có thể tạo ra kết tủa quan sát được là calcium clorua và natri carbonat. Do A và B là cặp tạo kết tủa, C phải là kali nitrat.

Tuy nhiên, bằng chứng có tính đối xứng. Nó cho biết A và B là hai dung dịch phản ứng với nhau, nhưng không có quan sát nào phân biệt được dung dịch nào chứa \(\mathrm{Ca}^{2+}\) và dung dịch nào chứa \(\ce{CO3^2-}\).

Phương trình ion rút gọn là:

\[
\ce{Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq) -> CaCO3(s)}
\]

Phần khó ở đây không phải là viết phương trình. Mà là không khẳng định nhiều hơn những gì bằng chứng cho phép.

Câu hỏi 6

Một học sinh được cho dung dịch bạc nitrat và dung dịch natri phosphat.

Học sinh lập luận rằng bạc có điện tích \(+1\), phosphat có điện tích \(3-\), nên viết kết tủa là \(\ce{AgPO4}\).

Hãy dự đoán kết tủa đúng, viết phương trình phân tử đã cân bằng và cho phương trình ion rút gọn.

Lời giải 6

Kết tủa đúng là bạc phosphat, \(\ce{Ag3PO4(s)}\), và phương trình ion rút gọn là \(\ce{3Ag+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s)}\).

Công thức \(\ce{AgPO4}\) mà học sinh đề xuất không trung hòa về điện. Một \(\mathrm{Ag}^{+}\) đóng góp \(+1\), trong khi một \(\ce{PO4^3-}\) đóng góp \(-3\), tạo ra điện tích tổng là \(-2\).

Cần ba ion bạc cho mỗi ion phosphat:

\[
3(+1) + (-3) = 0
\]

Vì vậy, kết tủa trung hòa là:

\[
\ce{Ag3PO4(s)}
\]

Phương trình phân tử là:

\[
\ce{3AgNO3(aq) + Na3PO4(aq) -> Ag3PO4(s) + 3NaNO3(aq)}
\]

Tách các chất ở trạng thái dung dịch thành ion cho:

\[
\ce{3Ag+(aq) + 3NO3-(aq) + 3Na+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s) + 3Na+(aq) + 3NO3-(aq)}
\]

Sau khi khử các ion khán \(\mathrm{Na}^{+}\) và \(\ce{NO3-}\), phương trình ion rút gọn là:

\[
\ce{3Ag+(aq) + PO4^3-(aq) -> Ag3PO4(s)}
\]

Câu hỏi này cho thấy một thói quen hữu ích: đừng đoán công thức ion chỉ từ tên của các ion. Trước tiên hãy làm cho tổng điện tích bằng không, rồi mới cân bằng phản ứng.

11Ý tưởng này dẫn đến điều gì tiếp theo?

Khi đã có thể dự đoán kết tủa, bước tiếp theo là sử dụng chúng làm bằng chứng.

Nếu thêm một ion đã biết tạo ra một hợp chất khó tan đặc trưng, phản ứng đó có thể giúp xác định một ion chưa biết. Cùng một phương trình ion rút gọn vẫn áp dụng bất kể các ion phản ứng ban đầu được cung cấp bởi những muối tan nào.

Sự kết tủa cũng dẫn đến một ý tưởng chính xác hơn: “không tan” không có nghĩa là hoàn toàn không có hạt nào hòa tan. Ở trạng thái cân bằng, một lượng nhỏ chất rắn ion vẫn có thể hòa tan, và sự cân bằng giữa các ion hòa tan với chất rắn có thể được mô tả định lượng.

Hiện tại, quyết định hữu ích ở mức HSC đơn giản hơn: xác định các ion, tạo các sản phẩm trung hòa về điện tích, kiểm tra độ tan của chúng và viết phương trình ion rút gọn dựa trên những tiểu phân thực sự thay đổi.