Khi cho natri kim loại tiếp xúc với dung dịch nhôm(III) clorua trong nước, natri phản ứng với nước tạo natri hiđroxit và khí hiđro. Lượng OH⁻ vừa sinh ra ngay lập tức kết hợp với ion Al³⁺ trong dung dịch để kết tủa nhôm hiđroxit Al(OH)₃, đồng thời anion Cl⁻ phối hợp với cation Na⁺ còn lại tạo muối tan NaCl. Do có đồng thời quá trình oxi hóa–khử (Na khử H₂O) và quá trình trao đổi ion có tạo kết tủa (Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃), hệ phản ứng diễn ra nhanh, tỏa nhiệt và thuận lợi về mặt cân bằng.
Phương trình hóa học
Na + AlCl₃ + H₂O → Al(OH)₃ + NaCl + H₂↑
Cân bằng phương trình:
6Na + 2AlCl₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 6NaCl + 3H₂↑
Có thể tách thành các bước thành phần:
1. Phản ứng Na với nước:
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑
NaOH → Na⁺ + OH⁻
2. Phản ứng tạo kết tủa:
Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓
3. Kết hợp ion còn lại:
Na⁺ + Cl⁻ → NaCl
Cộng ba phương trình trên cho phương trình tổng quát ở trên.
Điều kiện phản ứng
Phản ứng xảy ra trong điều kiện bình thường, không cần xúc tác hay yêu cầu nhiệt độ đặc biệt.
Tuy nhiên cần giữ tỉ lệ mol của Na:AlCl₃ < 3, nếu tỉ lệ giữ Natri và Nhôm Clorua > 3 thì sản phẩm Nhôm Hidroxit sẽ tan dần trong Natri dư
\[NaOH + Al(OH)_3 \to NaAlO_2 + 2H_2O\]
Nguyên lý phản ứng
Bản chất phản ứng là sự kết hợp của hai cơ chế. Thứ nhất là cơ chế oxi hóa–khử giữa natri và nước. Natri có thế khử rất âm, dễ bị oxi hóa thành Na⁺, còn H₂O bị khử tạo H₂ và OH⁻: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. Quá trình này tỏa nhiệt mạnh, tạo điều kiện khuếch tán nhanh các ion sinh ra trong vùng phản ứng. Thứ hai là cơ chế trao đổi ion kèm tách pha. Nhôm(III) trong dung dịch AlCl₃ tồn tại dạng aquo phức có tính axit; khi gặp OH⁻, xảy ra phản ứng tạo kết tủa Al(OH)₃: Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓.
Sự tách pha rắn làm giảm hoạt độ Al³⁺ và OH⁻ trong dung dịch, kéo cân bằng về phía sản phẩm theo nguyên lý Le Chatelier. Ion Na⁺ và Cl⁻ còn lại tạo muối tan NaCl, không ảnh hưởng đến cân bằng tạo kết tủa.
Về động học, bước khởi phát là tiếp xúc Na–H₂O trên bề mặt natri. Lớp dầu bảo quản, oxit hoặc hidroxit trên bề mặt có thể cản trở; làm sạch bề mặt hoặc cắt mặt mới giúp phản ứng bắt đầu đều hơn. Sau khi OH⁻ sinh ra, kết tủa Al(OH)₃ hình thành gần như tức thời trong vùng tiếp xúc với Al³⁺, thường tạo huyền phù mịn màu trắng sữa. Bọt H₂ đẩy các sản phẩm khỏi bề mặt natri, liên tục “lộ” bề mặt kim loại mới, nên phản ứng tiến triển theo kiểu lan truyền bề mặt. Khi OH⁻ dư đáng kể và ở pH cao, Al(OH)₃ có thể hòa tan một phần tạo aluminat (NaAlO₂⁻); ngược lại, nếu nhiệt tăng cục bộ, một phần Al(OH)₃ có thể mất nước từng phần, song ở điều kiện thực hành chuẩn, sản phẩm thuần quan sát chủ yếu vẫn là Al(OH)₃.
Cách thực hiện phản ứng
Chuẩn bị
Hóa chất: natri kim loại bảo quản trong dầu khoáng; dung dịch AlCl₃ (0,05–0,20 M) pha bằng nước cất; nước cất để rửa. Không sử dụng dung môi dễ cháy ở khu vực thí nghiệm.
Dụng cụ: cốc thủy tinh, ống đong, đũa khuấy, kẹp gắp, dao nhỏ để cắt natri, giấy thấm khô để lau dầu, giấy quỳ tím hoặc pH-mét, que đóm để thử khí, phễu và giấy lọc nếu cần thu kết tủa. Chuẩn bị khay cát khô để xử lý sự cố liên quan natri. Làm việc trong tủ hút.
An toàn: đeo kính, găng, áo choàng. Không để ngọn lửa trần gần hệ phản ứng do H₂ dễ cháy nổ. Tuyệt đối không dùng nước hoặc CO₂ để dập lửa natri; chỉ dùng cát khô hoặc bình chữa cháy chuyên dụng cho kim loại kiềm.
Thực hiện
Bước 1. Rót vào cốc một thể tích xác định dung dịch AlCl₃ (ví dụ 50–100 mL, 0,10 M). Khuấy nhẹ để dung dịch đồng nhất.
Bước 2. Cắt một mẩu natri rất nhỏ (đường kính vài milimét), lau sạch dầu bằng khăn giấy khô; thao tác nhanh để hạn chế natri tiếp xúc ẩm không khí.
Bước 3. Thả mẩu natri vào dung dịch, quan sát hiện tượng sinh bọt khí H₂ mạnh ở vùng tiếp xúc và sự xuất hiện huyền phù trắng sữa của Al(OH)₃. Khuấy nhẹ để phân tán đều OH⁻ và tạo điều kiện tiếp xúc tốt giữa Al³⁺ và OH⁻. Nếu mục tiêu là thu Al(OH)₃, điều chỉnh lượng natri sao cho gần tỉ lệ vừa đủ cung cấp 3OH⁻ cho mỗi Al³⁺.
Bước 4. Sau khi hết sủi bọt, để lắng và lọc lấy kết tủa Al(OH)₃. Rửa kết tủa bằng nước cất lạnh để loại ion Cl⁻/Na⁺ bám bề mặt. Không gia nhiệt dịch huyền phù để tránh thay đổi pha. Thu dịch lọc để kiểm chứng Cl⁻.
Lưu ý
Chỉ dùng mẩu natri nhỏ để kiểm soát tốc độ sinh H₂ và mức tỏa nhiệt. Dụng cụ chạm natri phải khô, song hệ phản ứng có nước nên thao tác thả natri cần nhẹ tay và có che chắn. Không đậy kín dụng cụ; khí H₂ cần thoát tự do. Nếu pH tăng quá cao do dư OH⁻, Al(OH)₃ có thể hòa tan tạo aluminat; khi mục tiêu là thu kết tủa, cần dừng cho natri đúng lúc.
Nhận biết phản ứng
Nhận biết phản ứng đang xảy ra
Xuất hiện sủi bọt mạnh tại vị trí mẩu natri, bề mặt dung dịch chuyển động do khí H₂. Dung dịch trong ban đầu của AlCl₃ chuyển sang đục trắng do hình thành huyền phù Al(OH)₃. Nhiệt tỏa ra làm dung dịch ấm lên; pH tăng nhanh từ vùng axit nhẹ (do Al³⁺ aquo) sang bazơ nhẹ do OH⁻ sinh ra.
Nhận biết sản phẩm cuối cùng
Kết tủa rắn là Al(OH)₃ màu trắng, dễ lắng. Khi thêm axit loãng, Al(OH)₃ tan dần tạo lại muối nhôm; khi thêm kiềm mạnh dư, kết tủa hòa tan tạo (NaAlO₂⁻), xác nhận tính lưỡng tính.
Dung dịch sau lọc chứa Na⁺ và Cl⁻: Kiểm chứng Cl⁻ bằng AgNO₃ xuất hiện kết tủa trắng AgCl tan trong NH₃ dư.
Khí sinh ra là H₂: Có thể nhận biết bằng tiếng “bụp” nhỏ khi đưa que đóm đang cháy gần miệng cốc, nhưng cần thực hiện xa bề mặt và sau khi tốc độ thoát khí đã giảm để đảm bảo an toàn.
Ứng dụng
Trong thực nghiệm vô cơ, phản ứng cung cấp cách điều chế nhanh Al(OH)₃ ở quy mô nhỏ để phục vụ các thí nghiệm tiếp theo như nghiên cứu tính lưỡng tính (hòa tan trong kiềm), chuyển hóa nhiệt–giải phóng nước kết tinh để thu Al₂O₃ ở các nhiệt độ thích hợp, hoặc làm chất keo tụ mô phỏng trong xử lý nước. Tuy nhiên, nhằm đảm bảo an toàn và kiểm soát tốt hơn, trong thực hành người ta thường thay natri kim loại bằng dung dịch kiềm (NaOH) để tạo OH⁻.
Trong xử lý nước, Al(OH)₃ dạng keo có khả năng hấp phụ và kết bông mạnh, được sử dụng rộng rãi dưới dạng các muối nhôm như phèn nhôm; phản ứng này cho thấy cơ chế tạo gel hydroxide nhôm trong môi trường nước khi có nguồn OH⁻.