nêu cách cân bằng pt : al3+ + co32- + h2o -> al(oh)3 + co2
Phương trình cần cân bằng là:
Al\(^{3+}\) + CO\(_3\[^{2-}\) + H\(_2\)O –> Al(OH)\(_3\) + CO\(_2\)
Đây là một phản ứng oxi hóa – khử, nhưng chúng ta có thể cân bằng bằng phương pháp thăng bằng electron hoặc phương pháp đại số. Tuy nhiên, theo Sách giáo khoa lớp 11, chúng ta thường bắt đầu với phương pháp cân bằng nguyên tố, đặc biệt là với các phản ứng có vẻ phức tạp như thế này.
Chúng ta sẽ đi từng bước một nhé:
Bước 1: Xác định các nguyên tố có mặt trong phương trình.
Ở đây chúng ta có các nguyên tố: Nhôm (Al), Cacbon (C), Oxy (O), Hydro (H).
Bước 2: Cân bằng số lượng nguyên tử của từng nguyên tố ở hai vế của phương trình.
Ta xét nguyên tố Nhôm (Al):
Vế trái có 1 nguyên tử Al (trong Al\(^{3+}\)).
Vế phải có 1 nguyên tử Al (trong Al(OH)\(_3\)).
Số nguyên tử Al đã bằng nhau.
Ta xét nguyên tố Cacbon (C):
Vế trái có 1 nguyên tử C (trong CO\(_3\]^{2-}\)).
Vế phải có 1 nguyên tử C (trong CO\(_2\)).
Số nguyên tử C đã bằng nhau.
Ta xét nguyên tố Hydro (H):
Vế trái có 2 nguyên tử H (trong H\(_2\)O).
Vế phải có 3 nguyên tử H (trong Al(OH)\(_3\)).
Số nguyên tử H chưa bằng nhau. Để cân bằng H, chúng ta cần thêm hệ số cho H\(_2\)O ở vế trái hoặc cho Al(OH)\(_3\) ở vế phải. Tuy nhiên, việc thêm hệ số cho Al(OH)\(_3\) sẽ ảnh hưởng đến số nguyên tử Al và O, nên chúng ta sẽ xem xét các nguyên tố khác trước.
Ta xét nguyên tố Oxy (O):
Vế trái có 3 nguyên tử O (trong CO\(_3\[^{2-}\)) + 1 nguyên tử O (trong H\(_2\)O) = 4 nguyên tử O.
Vế phải có 3 nguyên tử O (trong Al(OH)\(_3\)) + 2 nguyên tử O (trong CO\(_2\)) = 5 nguyên tử O.
Số nguyên tử O chưa bằng nhau.
Quan sát kỹ, chúng ta thấy rằng cả Hydro và Oxy đều chưa cân bằng, và chúng liên quan đến phân tử H\(_2\)O và sản phẩm Al(OH)\(_3\), CO\(_2\).
Hãy thử cân bằng dựa trên sự thay đổi số oxi hóa hoặc dựa vào việc cân bằng điện tích. Tuy nhiên, theo cách tiếp cận cơ bản, chúng ta sẽ cố gắng tìm hệ số chung.
Ta nhận thấy rằng Al\(^{3+}\) kết hợp với nhóm OH\(^-\) để tạo thành Al(OH)\(_3\). Do đó, có thể suy ra rằng nhóm CO\(_3\]^{2-}\) đã phản ứng với nước để tạo ra ion H\(^+\), và các ion H\(^+\) này sẽ kết hợp với Al\(^{3+}\) và một phần của CO\(_3\[^{2-}\) để tạo thành Al(OH)\(_3\).
Một cách tiếp cận khác, là xem xét vai trò của nước. Nước vừa là chất tham gia, vừa cung cấp nguyên tố cho sản phẩm.
Để cân bằng phương trình này một cách hiệu quả theo phương pháp cân bằng nguyên tố thông thường, chúng ta cần lưu ý đến các nhóm nguyên tử và sự liên kết ion.
Chúng ta thấy rằng Al\(^{3+}\) sẽ nhận các nhóm OH\(^-\) để tạo thành Al(OH)\(_3\).
CO\(_3\]^{2-}\) sẽ phân hủy một phần hoặc phản ứng với H\(^+\) để tạo thành CO\(_2\).
Hãy thử đặt hệ số cho các chất tham gia và sản phẩm.
Nếu ta đặt hệ số 1 cho Al(OH)\(_3\):
Al\(^{3+}\) + CO\(_3\[^{2-}\) + H\(_2\)O –> 1 Al(OH)\(_3\) + CO\(_2\)
Để tạo ra 1 Al(OH)\(_3\), ta cần 1 Al\(^{3+}\) và 3 nhóm OH\(^-\).
Vậy, Al\(^{3+}\) đã cân bằng.
Chúng ta cần 3 nhóm OH\(^-\) ở vế trái. Nhóm OH\(^-\) này sẽ đến từ đâu? Có thể từ CO\(_3\]^{2-}\) và H\(_2\)O.
Hãy thử cân bằng nguyên tố Cacbon.
Nếu sản phẩm là CO\(_2\), và ban đầu là CO\(_3\[^{2-}\), có khả năng nhóm CO\(_3\]^{2-}\) đã nhường đi 2 nguyên tử O để tạo thành CO\(_2\) và có thể là H\(_2\)O.
Hãy thử một cách khác. Cân bằng phương trình ion đầy đủ trước, sau đó loại bỏ các ion khán giả nếu có. Tuy nhiên, đề bài đã cho dưới dạng ion rút gọn.
Chúng ta hãy tập trung vào việc cân bằng các nguyên tố, đặc biệt là Hydro và Oxy, vì chúng thường “di chuyển” nhiều trong các phản ứng này.
Giả sử ta đặt hệ số cho CO\(_2\) là 1:
Al\(^{3+}\) + CO\(_3\[^{2-}\) + H\(_2\)O –> Al(OH)\(_3\) + 1 CO\(_2\)
Cân bằng C: Vế trái có 1 C, vế phải có 1 C. Đã cân bằng.
Cân bằng Al: Vế trái có 1 Al, vế phải có 1 Al. Đã cân bằng.
Bây giờ, hãy cân bằng H và O.
Vế trái: 2H, 3+1=4O
Vế phải: 3H, 3+2=5O
Để cân bằng H, ta cần thêm H ở vế trái. Số H ở vế phải là 3.
Nếu ta đặt hệ số 3 cho H\(_2\)O ở vế trái:
Al\(^{3+}\) + CO\(_3\]^{2-}\) + 3 H\(_2\)O –> Al(OH)\(_3\) + CO\(_2\)
Bây giờ, ta đếm lại các nguyên tố:
Al: Trái 1, Phải 1. (Cân bằng)
C: Trái 1, Phải 1. (Cân bằng)
H: Trái 3 * 2 = 6, Phải 3. (Chưa cân bằng)
O: Trái 3 + 3 * 1 = 6, Phải 3 + 2 = 5. (Chưa cân bằng)
Có vẻ cách đặt hệ số cho H\(_2\)O như vậy chưa phù hợp.
Hãy xem xét khả năng phân ly của CO\(_3\[^{2-}\) trong nước.
CO\(_3\]^{2-}\) + H\(_2\)O <=> HCO\(_3\[^-\) + OH\(^-\) (phản ứng thủy phân)
CO\(_3\]^{2-}\) + H\(_2\)O <=> H\(_2\)CO\(_3\) + 2OH\(^-\) (tạo axit cacbonic yếu, không phổ biến lắm trong môi trường bazơ)
Tuy nhiên, phương trình của chúng ta là tạo ra CO\(_2\). Điều này gợi ý rằng CO\(_3\[^{2-}\) có thể đã bị proton hóa và mất nước.
Hãy thử cân bằng bằng phương pháp đại số, đặt hệ số lần lượt là a, b, c, d, e.
a Al\(^{3+}\) + b CO\(_3\]^{2-}\) + c H\(_2\)O –> d Al(OH)\(_3\) + e CO\(_2\)
Cân bằng nguyên tố:
Al: a = d (1)
C: b = e (2)
H: 2c = 3d (3)
O: 3b + c = 3d + 2e (4)
Từ (1) và (2), ta có thể đặt a=d và b=e.
Thay vào (3): 2c = 3a
Suy ra: c = \(\frac{3}{2}a\)
Thay a, b, c, e vào (4):
3b + \(\frac{3}{2}a\) = 3a + 2b
Chuyển vế:
3b – 2b = 3a – \(\frac{3}{2}a\)
b = \(\frac{6}{2}a – \frac{3}{2}a\)
b = \(\frac{3}{2}a\)
Vậy ta có mối quan hệ:
a = d
b = e
c = \(\frac{3}{2}a\)
b = \(\frac{3}{2}a\)
Để đơn giản hóa, ta chọn a = 2 (là mẫu số chung).
Nếu a = 2, thì:
d = a = 2
b = \(\frac{3}{2} \times 2\) = 3
e = b = 3
c = \(\frac{3}{2} \times 2\) = 3
Vậy các hệ số là: a=2, b=3, c=3, d=2, e=3.
Thay vào phương trình:
2 Al\(^{3+}\) + 3 CO\(_3\[^{2-}\) + 3 H\(_2\)O –> 2 Al(OH)\(_3\) + 3 CO\(_2\)
Bây giờ chúng ta kiểm tra lại các nguyên tố:
Al: Trái 2 1 = 2. Phải 2 1 = 2. (Cân bằng)
C: Trái 3 1 = 3. Phải 3 1 = 3. (Cân bằng)
H: Trái 3 2 = 6. Phải 2 3 = 6. (Cân bằng)
O: Trái 3 3 + 3 1 = 9 + 3 = 12. Phải 2 3 + 3 2 = 6 + 6 = 12. (Cân bằng)
Phương trình đã được cân bằng.
Cách trình bày chi tiết theo từng bước để học sinh dễ hiểu như sau:
Bước 1: Viết phương trình hóa học dưới dạng ion rút gọn.
Phương trình cho sẵn là:
Al\(^{3+}\) + CO\(_3\]^{2-}\) + H\(_2\)O –> Al(OH)\(_3\) + CO\(_2\)
Bước 2: Xác định các nguyên tố có mặt trong phương trình.
Các nguyên tố là: Al, C, O, H.
Bước 3: Sử dụng phương pháp cân bằng nguyên tố (hoặc phương pháp đại số như đã làm ở trên).
Với các phản ứng phức tạp, phương pháp đại số thường cho kết quả chính xác và hệ thống. Chúng ta đặt các hệ số chưa biết lần lượt là a, b, c, d, e cho mỗi chất trong phương trình:
a Al\(^{3+}\) + b CO\(_3\[^{2-}\) + c H\(_2\)O –> d Al(OH)\(_3\) + e CO\(_2\)
Bước 4: Lập các biểu thức cân bằng nguyên tố.
Cân bằng từng nguyên tố ở hai vế của phương trình:
– Đối với nguyên tố Nhôm (Al): Số nguyên tử Al ở vế trái là a, ở vế phải là d. Vậy ta có:
a = d (1)
– Đối với nguyên tố Cacbon (C): Số nguyên tử C ở vế trái là b, ở vế phải là e. Vậy ta có:
b = e (2)
– Đối với nguyên tố Hydro (H): Số nguyên tử H ở vế trái là 2c, ở vế phải là 3d. Vậy ta có:
2c = 3d (3)
– Đối với nguyên tố Oxy (O): Số nguyên tử O ở vế trái là 3b + c, ở vế phải là 3d + 2e. Vậy ta có:
3b + c = 3d + 2e (4)
Bước 5: Giải hệ phương trình để tìm các hệ số.
Từ phương trình (1), ta có d = a.
Từ phương trình (2), ta có e = b.
Thay d = a vào phương trình (3):
2c = 3a
Suy ra c = \(\frac{3}{2}a\)
Bây giờ, thay d=a, e=b, c=\(\frac{3}{2}a\) vào phương trình (4):
3b + \(\frac{3}{2}a\) = 3a + 2b
Chuyển các số hạng chứa b sang một vế và các số hạng chứa a sang vế còn lại:
3b – 2b = 3a – \(\frac{3}{2}a\)
b = \(\frac{6}{2}a – \frac{3}{2}a\)
b = \(\frac{3}{2}a\)
Vậy, ta có các mối quan hệ:
d = a
e = b
c = \(\frac{3}{2}a\)
b = \(\frac{3}{2}a\)
Để các hệ số là số nguyên, chúng ta chọn giá trị cho a sao cho các biểu thức đều cho ra số nguyên. Mẫu số chung ở đây là 2.
Chọn a = 2.
Khi đó:
d = a = 2
b = \(\frac{3}{2} \times 2\) = 3
e = b = 3
c = \(\frac{3}{2} \times 2\) = 3
Vậy các hệ số cần tìm là: a=2, b=3, c=3, d=2, e=3.
Bước 6: Điền các hệ số vào phương trình hóa học.
Thay các hệ số tìm được vào phương trình ban đầu:
2 Al\(^{3+}\) + 3 CO\(_3\]^{2-}\) + 3 H\(_2\)O –> 2 Al(OH)\(_3\) + 3 CO\(_2\)
Bước 7: Kiểm tra lại sự cân bằng của các nguyên tố và điện tích.
– Cân bằng nguyên tố: Đã kiểm tra ở trên, tất cả các nguyên tố đều cân bằng.
– Cân bằng điện tích:
Vế trái: 2 (+3) + 3 (-2) = +6 – 6 = 0
Vế phải: 2 (0) + 3 (0) = 0
Điện tích hai vế bằng nhau.
Vậy phương trình đã được cân bằng đúng.
Chúc các em ôn tập tốt!
Đáp án:
\(2Al^{3+}+3CO_3^{2-}+3H_2O\to 2Al(OH)_3+3CO_2\)
Sau phản ứng, sản phẩm gồm toàn phân tử trung hoà nên đặt hệ số của \(Al^{3+}\) và \(CO_3^{2-}\) sao cho tổng điện tích VT bằng \(0\).
Gán hệ số của \(Al^{3+}\) là \(2\), hệ số \(CO_3^{2-}\) là \(3\). Khi đó điền được hệ số \(Al(OH)_3, CO_2\). Bảo toàn \(H\) tìm hệ số \(H_2O\), kiểm tra bằng bảo toàn \(O\).