Một học sinh A quan sát thấy nước giếng khoan của nhà mình khi mới bơm lên thì trong suốt, nhưng để ngoài không khí một thời gian trong chậu xuất hiện kết tủa màu nâu đỏ. Em học sinh A đưa ra giả thiết: “Nước giếng khoan chứa hợp chất Iron(Fe) dưới dạng hòa tan, khi tiếp xúc với không khí, chúng bị oxy hóa tạo thành kết tủa”. Để kiểm chứng, học sinh A tiến hành thí nghiệm:
• Bước 1: Cho nước giếng khoan mới bơm vào đầy hai cốc (1) và (2).
• Bước 2: Bịt kín miệng cốc (2) bằng màng bọc thực phẩm, cốc (1) để hở. Để cả hai cốc ngoài không khí.
• Bước 3: Sau 24 giờ, cốc (1) xuất hiện kết tủa màu nâu đỏ, cốc (2) nước vẫn trong suốt.
Giả thiết toàn bộ Iron tồn tại dạng Fe2+ và phản ứng xảy ra là: 4Fe2+ + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+
Tiếp tục nghiên cứu, học sinh A gửi mẫu nước đi phân tích và thấy hàm lượng iron tổng cộng là 16,8 mg/L. Để làm sạch nước, gia đình em dự định cho nước đi qua hệ thống giàn phun mưa, sau đó dẫn vào bể lọc chứa các lớp cát, sỏi và than hoạt tính, để xử lý 2,5 m³ nước mỗi ngày.
a) Kết quả thí nghiệm ở Bước 3 chứng minh hiện tượng nước giếng khoan mới bơm lên trong suốt nhưng để lâu ngoài không khí bị đục và xuất hiện kết tủa màu nâu đỏ là do xảy ra quá trình oxi hóa ion Fe2+ thành hợp chất iron(III).
b) Trong phản ứng hóa học trên, ion Fe2+ đóng vai trò là chất khử, còn phân tử O2 đóng vai trò là chất oxy hóa.
c) Việc sử dụng giàn phun mưa có mục đích chính là tăng diện tích tiếp xúc của nước với oxygen trong không khí, giúp tốc độ phản ứng tạo kết tủa diễn ra nhanh hơn.
d) Nếu hệ thống lọc cát sau giàn phun mưa đạt hiệu suất loại bỏ Iron 95%, và theo QCVN 01-1:2018/BYT, hàm lượng sắt tối đa cho phép trong nước sinh hoạt là 0,3 mg/L, thì nước sau khi lọc của nhà em A đã đạt chuẩn an toàn để ăn uống trực tiếp.
Câu trả lời tốt nhất
(a) Đúng, cốc được bọc màng bọc thực phẩm thì O2 không thể tiếp cận khiến iron vẫn tồn tại ở dạng Fe2+ tan trong dung dịch nên không thấy kết tủa. Cốc để hở sẽ tiếp cận với O2 và Fe2+ bị oxi hóa thành Fe(OH)3 nên thấy kết tủa màu nâu đỏ.
(b) Đúng, Fe2+ đóng vai trò là chất khử (+2 lên +3), O2 đóng vai trò là chất oxy hóa (0 xuống -2).
(c) Đúng, nếu để lượng lớn nước thì chỉ mặt thoáng tiếp cận được O2, quá trình oxi hóa sẽ chậm và không hoàn toàn, nếu cho chảy thành tia nhỏ (giống như mưa), diện tích tiếp xúc sẽ tăng lên nhiều, quá trình oxi hóa nhanh và hoàn toàn hơn.
(d) Sai, tiêu chuẩn 0,3 mg/L là dành cho nước sinh hoạt (tắm, rửa, giặt, sử dụng để nấu nướng…), cho dù có loại bỏ 100% iron thì hệ thống phun mưa và lọc cát mới chỉ loại bỏ iron và lọc hạt bẩn cỡ lớn chứ chưa loại bỏ được kim loại nặng hay vi sinh vật. Nếu điều kiện không cho phép, tối thiểu vẫn cần đun sôi trước khi sử dụng để uống.