Bài học

Hợp chất crom(III) và crom(VI) — tính lưỡng tính và tính oxi hoá mạnh

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình hoá học thể hiện tính lưỡng tính của $Cr_2O_3$ / $Cr(OH)_3$ , viết được phương trình thể hiện tính oxi hoá mạnh của hợp chất crom(VI), và giải thích được sự chuyển màu giữa ion cromat và đicromat theo pH.

Sau bài này, em viết được phương trình hoá học thể hiện tính lưỡng tính của $Cr_2O_3$/$Cr(OH)_3$, viết được phương trình thể hiện tính oxi hoá mạnh của hợp chất crom(VI), và giải thích được sự chuyển màu giữa ion cromat và đicromat theo pH.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 8, em đã học $Al_2O_3$ và $Al(OH)_3$ lưỡng tính — vừa tan trong acid, vừa tan trong base mạnh. Bài này áp dụng lại đúng tư duy đó cho hợp chất crom(III), rồi mở rộng sang một mức oxi hoá hoàn toàn mới của crom mà nhôm không có: crom(VI), với tính oxi hoá cực mạnh.

Khởi động

Máy đo nồng độ cồn cầm tay của cảnh sát giao thông chứa một ống thuỷ tinh nhỏ đựng tinh thể màu da cam. Khi người lái xe thở vào, nếu hơi thở có cồn, tinh thể da cam chuyển dần sang màu xanh lục. Chất hoá học nào tạo ra sự đổi màu chính xác đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Hợp chất crom(III). $Cr_2O_3$ (chất rắn, màu lục thẫm) và $Cr(OH)_3$ (kết tủa, màu lục xám) đều là hợp chất lưỡng tính — tan được cả trong acid mạnh lẫn base mạnh, giống hệt $Al_2O_3$ / $Al(OH)_3$ đã học trước đây: $Cr_2O_3 + 6HCl \to 2CrCl_3 + 3H_2O$ ; $Cr_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t^\circ} 2NaCrO_2 + H_2O$ . Đây là mức oxi hoá bền và phổ biến nhất của crom trong tự nhiên, thường gặp trong quặng cromit.

Hợp chất crom(VI). Ở mức oxi hoá cao nhất $+6$ , crom cho ra $CrO_3$ — một oxide acid, chất rắn màu đỏ thẫm, có tính oxi hoá RẤT mạnh, thậm chí bốc cháy ngay khi tiếp xúc với các chất hữu cơ dễ oxi hoá như cồn, giấy, bông. $CrO_3$ tan trong nước tạo đồng thời hai acid: acid cromic $H_2CrO_4$ và acid đicromic $H_2Cr_2O_7$ — hai acid này chỉ tồn tại trong dung dịch, không tách ra được ở dạng tinh khiết. Muối tương ứng của chúng — ion cromat $CrO_4^{2-}$ (màu vàng) và ion đicromat $Cr_2O_7^{2-}$ (màu da cam) — lại rất bền và có ứng dụng thực tế rộng rãi.

Cân bằng cromat – đicromat theo pH. Hai ion này chuyển hoá qua lại lẫn nhau tuỳ môi trường acid hay base, theo cân bằng: $2CrO_4^{2-} + 2H^+ \rightleftharpoons Cr_2O_7^{2-} + H_2O$ . Trong môi trường acid (nhiều $H^+$ ), cân bằng dịch chuyển sang phải, dung dịch có màu da cam của $Cr_2O_7^{2-}$ chiếm ưu thế; trong môi trường base (nhiều $OH^-$ trung hoà bớt $H^+$ ), cân bằng dịch chuyển sang trái, dung dịch chuyển màu vàng của $CrO_4^{2-}$ .

Ứng dụng trong máy đo nồng độ cồn. Đây chính là nguyên tắc hoạt động của máy đo nồng độ cồn cầm tay ở phần khởi động: tinh thể chứa $K_2Cr_2O_7$ màu da cam, một chất oxi hoá rất mạnh ở dạng $Cr^{6+}$ . Khi hơi thở chứa hơi ethanol $C_2H_5OH$ đi qua, $Cr_2O_7^{2-}$ oxi hoá ethanol thành acetic acid, đồng thời chính nó bị khử từ $Cr^{6+}$ (màu da cam) về $Cr^{3+}$ (màu xanh lục): nồng độ cồn trong hơi thở càng cao, lượng $Cr^{3+}$ xanh lục sinh ra càng nhiều, màu xanh càng đậm — thiết bị hiện đại đo cường độ màu này bằng cảm biến quang học để quy đổi ra nồng độ cồn.

Cảnh báo an toàn và môi trường. Vì tính oxi hoá cực mạnh, hợp chất crom(VI) — bao gồm $CrO_3$ , cromat, đicromat — độc hại và có khả năng gây ung thư nếu tiếp xúc lâu dài, nên nước thải công nghiệp có chứa Cr(VI) (như nước thải mạ điện, thuộc da) bắt buộc phải qua xử lý trước khi xả ra môi trường. Phương pháp phổ biến là dùng chất khử (như $FeSO_4$ hoặc $SO_2$ ) để khử $Cr^{6+}$ độc hại về $Cr^{3+}$ kém độc hơn nhiều, sau đó kết tủa dưới dạng $Cr(OH)_3$ và tách loại — một ứng dụng trực tiếp của chính phản ứng oxi hoá – khử vừa học, cho thấy hoá học không tách rời trách nhiệm bảo vệ môi trường.

**Hợp chất crom(III).** $Cr_2O_3$ (chất rắn, màu lục thẫm) và $Cr(OH)_3$ (kết tủa, màu lục xám) đều là hợp chất lưỡng tính — tan được cả trong acid mạnh lẫn base mạnh, giống hệt $Al_2O_3$/$Al(OH)_3$ đã học trước đây: $Cr_2O_3 + 6HCl \to 2CrCl_3 + 3H_2O$; $Cr_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t^\circ} 2NaCrO_2 + H_2O$. Đây là mức oxi hoá bền và phổ biến nhất của crom trong tự nhiên, thường gặp trong quặng cromit. **Hợp chất crom(VI).** Ở mức oxi hoá cao nhất $+6$, crom cho ra $CrO_3$ — một oxide acid, chất rắn màu đỏ thẫm, có tính oxi hoá RẤT mạnh, thậm chí bốc cháy ngay khi tiếp xúc với các chất hữu cơ dễ oxi hoá như cồn, giấy, bông. $CrO_3$ tan trong nước tạo đồng thời hai acid: acid cromic $H_2CrO_4$ và acid đicromic $H_2Cr_2O_7$ — hai acid này chỉ tồn tại trong dung dịch, không tách ra được ở dạng tinh khiết. Muối tương ứng của chúng — ion cromat $CrO_4^{2-}$ (màu vàng) và ion đicromat $Cr_2O_7^{2-}$ (màu da cam) — lại rất bền và có ứng dụng thực tế rộng rãi. **Cân bằng cromat – đicromat theo pH.** Hai ion này chuyển hoá qua lại lẫn nhau tuỳ môi trường acid hay base, theo cân bằng: $2CrO_4^{2-} + 2H^+ \rightleftharpoons Cr_2O_7^{2-} + H_2O$. Trong môi trường acid (nhiều $H^+$), cân bằng dịch chuyển sang phải, dung dịch có màu da cam của $Cr_2O_7^{2-}$ chiếm ưu thế; trong môi trường base (nhiều $OH^-$ trung hoà bớt $H^+$), cân bằng dịch chuyển sang trái, dung dịch chuyển màu vàng của $CrO_4^{2-}$. **Ứng dụng trong máy đo nồng độ cồn.** Đây chính là nguyên tắc hoạt động của máy đo nồng độ cồn cầm tay ở phần khởi động: tinh thể chứa $K_2Cr_2O_7$ màu da cam, một chất oxi hoá rất mạnh ở dạng $Cr^{6+}$. Khi hơi thở chứa hơi ethanol $C_2H_5OH$ đi qua, $Cr_2O_7^{2-}$ oxi hoá ethanol thành acetic acid, đồng thời chính nó bị khử từ $Cr^{6+}$ (màu da cam) về $Cr^{3+}$ (màu xanh lục): nồng độ cồn trong hơi thở càng cao, lượng $Cr^{3+}$ xanh lục sinh ra càng nhiều, màu xanh càng đậm — thiết bị hiện đại đo cường độ màu này bằng cảm biến quang học để quy đổi ra nồng độ cồn. **Cảnh báo an toàn và môi trường.** Vì tính oxi hoá cực mạnh, hợp chất crom(VI) — bao gồm $CrO_3$, cromat, đicromat — độc hại và có khả năng gây ung thư nếu tiếp xúc lâu dài, nên nước thải công nghiệp có chứa Cr(VI) (như nước thải mạ điện, thuộc da) bắt buộc phải qua xử lý trước khi xả ra môi trường. Phương pháp phổ biến là dùng chất khử (như $FeSO_4$ hoặc $SO_2$) để khử $Cr^{6+}$ độc hại về $Cr^{3+}$ kém độc hơn nhiều, sau đó kết tủa dưới dạng $Cr(OH)_3$ và tách loại — một ứng dụng trực tiếp của chính phản ứng oxi hoá – khử vừa học, cho thấy hoá học không tách rời trách nhiệm bảo vệ môi trường.

Ví dụ

Viết hai phương trình thể hiện tính lưỡng tính của Cr₂O₃

1
Viết phương trình hoá học chứng minh $Cr_2O_3$ là oxide lưỡng tính.
Viết phương trình hoá học chứng minh $Cr_2O_3$ là oxide lưỡng tính.
2
Một chất lưỡng tính phải tan được cả trong acid mạnh (thể hiện tính base) lẫn trong base mạnh (thể hiện tính acid).
3
Tan trong acid: $Cr_2O_3 + 6HCl \to 2CrCl_3 + 3H_2O$ . Tan trong base: $Cr_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t^\circ} 2NaCrO_2 + H_2O$ .
Tan trong acid: $Cr_2O_3 + 6HCl \to 2CrCl_3 + 3H_2O$. Tan trong base: $Cr_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t^\circ} 2NaCrO_2 + H_2O$.
4
$Cr_2O_3$ vừa phản ứng với acid vừa phản ứng với base mạnh nên là hợp chất lưỡng tính, hoàn toàn tương tự $Al_2O_3$ đã học ở Course 8.
$Cr_2O_3$ vừa phản ứng với acid vừa phản ứng với base mạnh nên là hợp chất lưỡng tính, hoàn toàn tương tự $Al_2O_3$ đã học ở Course 8.

Ví dụ

Xác định vai trò chất oxi hoá – khử trong phản ứng máy đo nồng độ cồn

1
Trong máy đo nồng độ cồn, ion $Cr_2O_7^{2-}$ (da cam) phản ứng với ethanol trong hơi thở tạo ra ion $Cr^{3+}$ (xanh lục) và acetic acid. Xác định chất oxi hoá, chất khử, và giải thích vì sao màu sắc là dấu hiệu định lượng được nồng độ cồn.
Trong máy đo nồng độ cồn, ion $Cr_2O_7^{2-}$ (da cam) phản ứng với ethanol trong hơi thở tạo ra ion $Cr^{3+}$ (xanh lục) và acetic acid. Xác định chất oxi hoá, chất khử, và giải thích vì sao màu sắc là dấu hiệu định lượng được nồng độ cồn.
2
Trong $Cr_2O_7^{2-}$ , crom có số oxi hoá $+6$ ; trong sản phẩm $Cr^{3+}$ , crom có số oxi hoá $+3$ — số oxi hoá crom GIẢM, nên $Cr_2O_7^{2-}$ là chất OXI HOÁ. Carbon trong $C_2H_5OH$ (rượu, số oxi hoá trung bình thấp hơn) chuyển thành $CH_3COOH$ (acid, số oxi hoá cao hơn) — carbon bị oxi hoá, nên ethanol là chất KHỬ.
Trong $Cr_2O_7^{2-}$, crom có số oxi hoá $+6$; trong sản phẩm $Cr^{3+}$, crom có số oxi hoá $+3$ — số oxi hoá crom GIẢM, nên $Cr_2O_7^{2-}$ là chất OXI HOÁ. Carbon trong $C_2H_5OH$ (rượu, số oxi hoá trung bình thấp hơn) chuyển thành $CH_3COOH$ (acid, số oxi hoá cao hơn) — carbon bị oxi hoá, nên ethanol là chất KHỬ.
3
Lượng $Cr_2O_7^{2-}$ bị khử thành $Cr^{3+}$ tỉ lệ thuận với lượng ethanol có trong hơi thở đi qua ống đo. Ethanol càng nhiều, càng nhiều $Cr_2O_7^{2-}$ da cam chuyển thành $Cr^{3+}$ xanh lục, nên cường độ màu xanh lục tỉ lệ thuận với nồng độ cồn trong hơi thở.
Lượng $Cr_2O_7^{2-}$ bị khử thành $Cr^{3+}$ tỉ lệ thuận với lượng ethanol có trong hơi thở đi qua ống đo. Ethanol càng nhiều, càng nhiều $Cr_2O_7^{2-}$ da cam chuyển thành $Cr^{3+}$ xanh lục, nên cường độ màu xanh lục tỉ lệ thuận với nồng độ cồn trong hơi thở.
4
Vậy đây là phản ứng oxi hoá – khử, với $Cr_2O_7^{2-}$ là chất oxi hoá và ethanol là chất khử; sự đổi màu định lượng được chính là nguyên tắc đo nồng độ cồn của thiết bị.
Vậy đây là phản ứng oxi hoá – khử, với $Cr_2O_7^{2-}$ là chất oxi hoá và ethanol là chất khử; sự đổi màu định lượng được chính là nguyên tắc đo nồng độ cồn của thiết bị.

Sai lầm thường gặp

Học sinh dễ nhầm lẫn hai màu: ion cromat $CrO_4^{2-}$ (vàng) và ion đicromat $Cr_2O_7^{2-}$ (da cam) — nhớ ngược nhau. Ngoài ra, nhiều em nhớ nhầm chiều dịch chuyển cân bằng: môi trường ACID tạo màu DA CAM (đicromat chiếm ưu thế), môi trường BASE tạo màu VÀNG (cromat chiếm ưu thế) — không phải ngược lại.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Cr2O3/Cr(OH)3 (crom III) lưỡng tính giống Al2O3/Al(OH)3. Crom(VI) trong CrO3, cromat CrO4²⁻ (vàng), đicromat Cr2O7²⁻ (da cam) có tính oxi hoá rất mạnh; hai ion này chuyển hoá theo pH — acid tạo da cam, base tạo vàng. Máy đo nồng độ cồn dùng chính phản ứng Cr2O7²⁻ oxi hoá ethanol, đổi màu da cam sang xanh lục.

Bài tiếp theo chuyển sang đồng — kim loại chuyển tiếp có tính khử yếu hơn hẳn Fe và Cr, cùng những phản ứng đặc trưng dẫn thẳng tới khái niệm phức chất ở cuối chương.