Bài học

CaCO3, Ca(OH)2 và chu trình đá vôi

Mục tiêu và kiến thức nền

Sau bài học, em viết được các phương trình trong chu trình CaCO3 → CaO → Ca(OH)2 → CaCO3, giải thích được ứng dụng của từng chất trong xây dựng, và tính toán được khối lượng, thể tích theo hiệu suất phản ứng.

Bài học dùng lại tính khử của Ca đã học ở bài trước, đồng thời nối với kiến thức nhiệt phân muối carbonate và phản ứng oxide base với nước mà em đã gặp ở lớp dưới. Ba hợp chất CaCO3, CaO, Ca(OH)2 xuất hiện khắp nơi trong xây dựng và đời sống — hiểu chu trình chuyển hóa giữa chúng giúp em giải thích được rất nhiều hiện tượng thực tế.

Khởi động

Đá vôi được nung trong lò để làm gì trước khi đưa vào công trường xây nhà? Và tại sao vữa xây (làm từ vôi tôi) lại tự "cứng" dần theo thời gian dù không được nung nóng lại lần nào nữa?

CaCO3 — đá vôi

CaCO3 là chất rắn màu trắng, không tan trong nước, chỉ tan khi có mặt $CO_2$ dư tạo thành muối tan $Ca(HCO_3)_2$ : $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2$ . Đây là phản ứng thuận nghịch: chiều thuận giải thích vì sao nước mưa có $CO_2$ hòa tan có thể ăn mòn đá vôi tạo thành hang động; chiều nghịch (khi $Ca(HCO_3)_2$ mất bớt $CO_2$ , ví dụ do nước nhỏ giọt bay hơi chậm trong hang) giải thích sự hình thành thạch nhũ — từng lớp $CaCO_3$ kết tủa lại rất chậm qua hàng nghìn năm. Ngoài vai trò trong tự nhiên, CaCO3 dạng bột mịn (bột nhẹ) còn được dùng làm chất độn trong sản xuất giấy, sơn, và cao su.

CaCO3 là chất rắn màu trắng, không tan trong nước, chỉ tan khi có mặt $CO_2$ dư tạo thành muối tan $Ca(HCO_3)_2$: $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2$. Đây là phản ứng thuận nghịch: chiều thuận giải thích vì sao nước mưa có $CO_2$ hòa tan có thể ăn mòn đá vôi tạo thành hang động; chiều nghịch (khi $Ca(HCO_3)_2$ mất bớt $CO_2$, ví dụ do nước nhỏ giọt bay hơi chậm trong hang) giải thích sự hình thành thạch nhũ — từng lớp $CaCO_3$ kết tủa lại rất chậm qua hàng nghìn năm. Ngoài vai trò trong tự nhiên, CaCO3 dạng bột mịn (bột nhẹ) còn được dùng làm chất độn trong sản xuất giấy, sơn, và cao su.

Khi nung ở nhiệt độ cao, CaCO3 bị nhiệt phân: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow$ . Đây là bước đầu tiên trong quy trình sản xuất vôi sống từ đá vôi khai thác được.

Khi nung ở nhiệt độ cao, CaCO3 bị nhiệt phân: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow$. Đây là bước đầu tiên trong quy trình sản xuất vôi sống từ đá vôi khai thác được.

CaO — vôi sống, và Ca(OH)2 — vôi tôi

CaO (vôi sống) là oxide base, phản ứng mạnh với nước, tỏa nhiệt rất lớn — quá trình này gọi là "tôi vôi": $CaO + H_2O \to Ca(OH)_2$ . Sản phẩm $Ca(OH)_2$ (vôi tôi) ít tan trong nước, tạo huyền phù gọi là nước vôi trong khi lọc bỏ phần không tan. $Ca(OH)_2$ là base, được dùng làm vữa xây (trộn với cát), khử chua đất nông nghiệp (trung hòa acid trong đất), và xử lí nước thải.

CaO (vôi sống) là oxide base, phản ứng mạnh với nước, tỏa nhiệt rất lớn — quá trình này gọi là "tôi vôi": $CaO + H_2O \to Ca(OH)_2$. Sản phẩm $Ca(OH)_2$ (vôi tôi) ít tan trong nước, tạo huyền phù gọi là nước vôi trong khi lọc bỏ phần không tan. $Ca(OH)_2$ là base, được dùng làm vữa xây (trộn với cát), khử chua đất nông nghiệp (trung hòa acid trong đất), và xử lí nước thải.

Vữa xây từ $Ca(OH)_2$ tự đóng rắn theo thời gian nhờ hấp thụ khí $CO_2$ trong không khí, quay trở lại thành $CaCO_3$ rắn chắc: $Ca(OH)_2 + CO_2 \to CaCO_3\downarrow + H_2O$ . Đây chính là bước khép kín chu trình: đá vôi khai thác → nung thành vôi sống → tôi thành vôi tôi → vôi tôi đóng rắn trở lại thành đá vôi (dưới dạng lớp vữa trong công trình).

Vữa xây từ $Ca(OH)_2$ tự đóng rắn theo thời gian nhờ hấp thụ khí $CO_2$ trong không khí, quay trở lại thành $CaCO_3$ rắn chắc: $Ca(OH)_2 + CO_2 \to CaCO_3\downarrow + H_2O$. Đây chính là bước khép kín chu trình: đá vôi khai thác → nung thành vôi sống → tôi thành vôi tôi → vôi tôi đóng rắn trở lại thành đá vôi (dưới dạng lớp vữa trong công trình).

Chính phản ứng này cũng là cơ sở của phép nhận biết khí $CO_2$ quen thuộc từ lớp dưới: dẫn khí qua nước vôi trong (dung dịch $Ca(OH)_2$ loãng), nếu xuất hiện kết tủa trắng đục thì khí đó là $CO_2$ . Ngoài vữa xây, $Ca(OH)_2$ còn được dùng để khử chua đất trồng trọt — đất chua có dư acid, $Ca(OH)_2$ trung hòa lượng acid đó — và để xử lí nước thải công nghiệp, kết tủa bớt một số ion kim loại nặng gây ô nhiễm.

Chính phản ứng này cũng là cơ sở của phép nhận biết khí $CO_2$ quen thuộc từ lớp dưới: dẫn khí qua nước vôi trong (dung dịch $Ca(OH)_2$ loãng), nếu xuất hiện kết tủa trắng đục thì khí đó là $CO_2$. Ngoài vữa xây, $Ca(OH)_2$ còn được dùng để khử chua đất trồng trọt — đất chua có dư acid, $Ca(OH)_2$ trung hòa lượng acid đó — và để xử lí nước thải công nghiệp, kết tủa bớt một số ion kim loại nặng gây ô nhiễm.

Chu trình này giải thích vì sao vữa xây từ vôi tôi tự cứng dần nhờ hấp thụ CO2 trong không khí.

Ví dụ

Tính lượng vôi sống thu được khi nung đá vôi

1
Nung 50 gam CaCO3 (hiệu suất phản ứng 100%). Tính khối lượng CaO và thể tích khí $CO_2$ thu được (đkc).
Nung 50 gam CaCO3 (hiệu suất phản ứng 100%). Tính khối lượng CaO và thể tích khí $CO_2$ thu được (đkc).
2
$M_{CaCO_3} = 40 + 12 + 48 = 100$ g/mol. $n_{CaCO_3} = \dfrac{50}{100} = 0{,}5$ mol.
$M_{CaCO_3} = 40 + 12 + 48 = 100$ g/mol. $n_{CaCO_3} = \dfrac{50}{100} = 0{,}5$ mol.
3
PTHH: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow$ . Theo PT, tỉ lệ mol 1 : 1 : 1, nên $n_{CaO} = n_{CO_2} = n_{CaCO_3} = 0{,}5$ mol.
PTHH: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow$. Theo PT, tỉ lệ mol 1 : 1 : 1, nên $n_{CaO} = n_{CO_2} = n_{CaCO_3} = 0{,}5$ mol.
4
$m_{CaO} = 0{,}5 \times 56 = 28$ gam. $V_{CO_2} = 0{,}5 \times 24{,}79 = 12{,}395$ lít. Vậy khối lượng CaO thu được là 28 gam và thể tích khí $CO_2$ là 12,395 lít.
$m_{CaO} = 0{,}5 \times 56 = 28$ gam. $V_{CO_2} = 0{,}5 \times 24{,}79 = 12{,}395$ lít. Vậy khối lượng CaO thu được là 28 gam và thể tích khí $CO_2$ là 12,395 lít.

Ví dụ

Tính khối lượng đá vôi cần dùng theo hiệu suất (dạng thi)

1
Một lò nung cần sản xuất 5,6 tấn vôi sống CaO. Biết hiệu suất phản ứng nung chỉ đạt 80%. Tính khối lượng đá vôi CaCO3 (chứa 100% CaCO3) cần đưa vào lò.
2
Theo PT $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2$ , tỉ lệ mol 1 : 1 nên tỉ lệ khối lượng $\dfrac{m_{CaCO_3}}{100} = \dfrac{m_{CaO}}{56}$ . Với $m_{CaO} = 5{,}6$ tấn: $m_{CaCO_3\ lí\ thuyết} = \dfrac{5{,}6 \times 100}{56} = 10$ tấn.
Theo PT $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2$, tỉ lệ mol 1 : 1 nên tỉ lệ khối lượng $\dfrac{m_{CaCO_3}}{100} = \dfrac{m_{CaO}}{56}$. Với $m_{CaO} = 5{,}6$ tấn: $m_{CaCO_3\ lí\ thuyết} = \dfrac{5{,}6 \times 100}{56} = 10$ tấn.
3
Vì hiệu suất chỉ đạt 80%, lượng CaCO3 thực tế cần đưa vào phải lớn hơn lượng lí thuyết: $m_{CaCO_3\ thực\ tế} = \dfrac{10}{80\%} = 12{,}5$ tấn.
Vì hiệu suất chỉ đạt 80%, lượng CaCO3 thực tế cần đưa vào phải lớn hơn lượng lí thuyết: $m_{CaCO_3\ thực\ tế} = \dfrac{10}{80\%} = 12{,}5$ tấn.
4
Vậy cần đưa vào lò 12,5 tấn đá vôi CaCO3 để sản xuất được 5,6 tấn vôi sống CaO với hiệu suất 80%.

Ví dụ

Giải thích hiện tượng thạch nhũ và nước cứng tạm thời

1
Giải thích vì sao trong hang động đá vôi lại hình thành thạch nhũ theo thời gian rất dài, và vì sao nước chảy qua vùng đá vôi thường trở thành nước cứng.
2
Nước mưa có hòa tan một lượng nhỏ $CO_2$ từ không khí, khi thấm qua lớp đá vôi sẽ hòa tan một phần CaCO3 theo chiều thuận của phản ứng thuận nghịch $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2$ , tạo ra dung dịch chứa ion $Ca^{2+}$ và $HCO_3^-$ — đây chính là nước cứng tạm thời.
Nước mưa có hòa tan một lượng nhỏ $CO_2$ từ không khí, khi thấm qua lớp đá vôi sẽ hòa tan một phần CaCO3 theo chiều thuận của phản ứng thuận nghịch $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2$, tạo ra dung dịch chứa ion $Ca^{2+}$ và $HCO_3^-$ — đây chính là nước cứng tạm thời.
3
Khi giọt nước chứa $Ca(HCO_3)_2$ nhỏ xuống trong hang động và một phần $CO_2$ thoát ra khỏi dung dịch (do bay hơi chậm), phản ứng dịch chuyển theo chiều nghịch, kết tủa lại $CaCO_3$ rắn — mỗi giọt nước để lại một lớp $CaCO_3$ cực mỏng.
Khi giọt nước chứa $Ca(HCO_3)_2$ nhỏ xuống trong hang động và một phần $CO_2$ thoát ra khỏi dung dịch (do bay hơi chậm), phản ứng dịch chuyển theo chiều nghịch, kết tủa lại $CaCO_3$ rắn — mỗi giọt nước để lại một lớp $CaCO_3$ cực mỏng.
4
Vậy thạch nhũ chính là CaCO3 kết tủa dần qua chiều nghịch của phản ứng, tích lũy qua hàng nghìn năm; còn nước cứng tạm thời sinh ra từ chính chiều thuận của phản ứng khi nước ngầm hòa tan đá vôi — chủ đề em sẽ đào sâu hơn ở bài tiếp theo.

Sai lầm thường gặp

Một sai lầm thường gặp là cho rằng CaCO3 tan tốt trong nước như muối ăn — thực tế CaCO3 gần như không tan, chỉ "tan" được khi có $CO_2$ dư chuyển hóa thành $Ca(HCO_3)_2$ . Sai lầm khác là nhầm CaO với Ca(OH)2 khi gọi tên: CaO là vôi sống (oxide base, chưa tác dụng với nước), Ca(OH)2 là vôi tôi (đã tác dụng với nước) — hai chất khác nhau về tính chất và cách sử dụng.

Một sai lầm thường gặp là cho rằng CaCO3 tan tốt trong nước như muối ăn — thực tế CaCO3 gần như không tan, chỉ "tan" được khi có $CO_2$ dư chuyển hóa thành $Ca(HCO_3)_2$. Sai lầm khác là nhầm CaO với Ca(OH)2 khi gọi tên: CaO là vôi sống (oxide base, chưa tác dụng với nước), Ca(OH)2 là vôi tôi (đã tác dụng với nước) — hai chất khác nhau về tính chất và cách sử dụng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

Chu trình đá vôi khép kín qua ba bước: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO$ (nung), $CaO + H_2O \to Ca(OH)_2$ (tôi vôi), và $Ca(OH)_2 + CO_2 \to CaCO_3$ (đóng rắn vữa xây). Phản ứng thuận nghịch giữa CaCO3 và Ca(HCO3)2 giải thích cả hiện tượng thạch nhũ lẫn nguồn gốc nước cứng tạm thời.

Cầu nối

Ion $Ca(HCO_3)_2$ hòa tan vừa nhắc đến chính là thủ phạm gây ra nước cứng — chủ đề của chương tiếp theo, nơi em sẽ học cách phân loại và làm mềm loại nước này.