Phần

CO2 phản ứng với dung dịch kiềm, kiềm thổ — biện luận ba miền tạo muối

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em biện luận được sản phẩm khi sục CO2 vào dung dịch kiềm/kiềm thổ theo tỉ lệ CO2 : OH-, và tính được khối lượng kết tủa tại từng mốc số mol CO2 khi dung dịch chứa đồng thời NaOH và Ca(OH)2.

Kiến thức cần có

Cần thuộc hai phản ứng $CO_2+2OH^-\rightarrow CO_3^{2-}+H_2O$ (khi OH- dư) và $CO_2+CO_3^{2-}+H_2O\rightarrow2HCO_3^-$ (khi CO2 dư, hòa tan dần kết tủa/carbonat), cùng phản ứng kết tủa $Ca^{2+}+CO_3^{2-}\rightarrow CaCO_3\downarrow$ .

Câu hỏi mở đầu

Hai đề cùng sục CO2 vào một dung dịch chứa Ca(OH)2, nhưng một đề cho kết tủa tăng dần đều còn đề kia cho kết tủa tăng, giữ nguyên một đoạn, rồi mới giảm. Vì sao cùng một khí CO2 lại tạo ra hai kiểu đồ thị khác nhau?

Mở rộng dành cho HSG. YCCĐ Hóa học 12 dừng ở việc sục CO2 vào một dung dịch base duy nhất (chỉ Ca(OH)2 hoặc chỉ NaOH) và tính khối lượng kết tủa hoặc nồng độ muối tạo thành ở một trường hợp cho sẵn. Khóa học này thêm bước biện luận khi CO2 dư (kết tủa tan dần thành hiđrocacbonat) và trường hợp dung dịch chứa đồng thời NaOH và Ca(OH)2, nơi đồ thị kết tủa có ba giai đoạn rõ rệt thay vì một. Tiền đề là phản ứng CO2 với base đơn đã học trong chương trình chuẩn lớp 12 (và ôn lại từ lớp 9).

**Mở rộng dành cho HSG.** YCCĐ Hóa học 12 dừng ở việc sục CO2 vào một dung dịch base duy nhất (chỉ Ca(OH)2 hoặc chỉ NaOH) và tính khối lượng kết tủa hoặc nồng độ muối tạo thành ở một trường hợp cho sẵn. Khóa học này thêm bước biện luận khi CO2 dư (kết tủa tan dần thành hiđrocacbonat) và trường hợp dung dịch chứa đồng thời NaOH và Ca(OH)2, nơi đồ thị kết tủa có ba giai đoạn rõ rệt thay vì một. Tiền đề là phản ứng CO2 với base đơn đã học trong chương trình chuẩn lớp 12 (và ôn lại từ lớp 9).

Một base: đồ thị hình tam giác

Khi dung dịch chỉ chứa Ca(OH)2 (b mol), CO2 phản ứng theo đúng thứ tự: từ 0 đến b mol CO2, mỗi mol CO2 tạo đúng 1 mol kết tủa CaCO3, nên kết tủa tăng tuyến tính và đạt cực đại đúng bằng b mol khi n(CO2) = b. Từ đó trở đi, CO2 dư phản ứng tiếp với chính CaCO3 đã kết tủa, chuyển nó thành Ca(HCO3)2 tan, nên kết tủa giảm tuyến tính về 0 khi n(CO2) = 2b. Đồ thị chỉ có hai nhánh — tăng rồi giảm — không có đoạn nằm ngang.

Hai base: đồ thị có thêm đoạn nằm ngang

Khi dung dịch chứa đồng thời a mol NaOH và b mol Ca(OH)2, tổng $OH^-$ là $a+2b$ nhưng chỉ có b mol $Ca^{2+}$ để kết tủa. Ba mốc cần nhớ: kết tủa đạt cực đại (đúng bằng b mol) khi n(CO2) = b, vì khi đó toàn bộ $Ca^{2+}$ đã dùng hết; kết tủa vẫn giữ nguyên ở mức cực đại cho đến khi n(CO2) = (a+2b)/2, vì CO2 dư trong đoạn này chỉ tiếp tục tạo thêm $CO_3^{2-}$ tan trong dung dịch (Na2CO3) chứ không có thêm $Ca^{2+}$ để kết tủa; và kết tủa tan hết khi n(CO2) = a+2b, vì lúc đó toàn bộ carbonat — cả kết tủa lẫn phần tan — đã chuyển hết thành hiđrocacbonat.

Kết tủa đạt cực đại tại n(CO2)=0,15 mol, giữ nguyên đến 0,20 mol, rồi tan hết tại 0,40 mol.

Vì sao có đoạn giữ nguyên

Đoạn kết tủa không đổi là dấu hiệu rõ nhất cho biết dung dịch có một base mạnh hơn hòa tan cùng Ca(OH)2 — thường là NaOH. Trong đoạn này CO2 vẫn đang phản ứng và tiêu tốn OH-, chỉ là sản phẩm carbonat sinh ra không còn $Ca^{2+}$ nào để kết hợp thành kết tủa nữa nên nó ở lại dạng Na2CO3 tan trong dung dịch. Nhận ra đoạn phẳng để không nhầm là 'CO2 không phản ứng gì' là điểm mấu chốt của dạng bài này.

Chuẩn Hướng dẫn giải

Trong Hướng dẫn giải, xác định tổng $OH^-$ và tổng $Ca^{2+}$ trước, tính ba mốc n(CO2) (kết tủa cực đại, hết đoạn giữ nguyên, kết tủa tan hết), rồi so sánh n(CO2) đề cho với ba mốc đó để kết luận đang ở giai đoạn nào trước khi tính khối lượng kết tủa.

Trong **Hướng dẫn giải**, xác định tổng $OH^-$ và tổng $Ca^{2+}$ trước, tính ba mốc n(CO2) (kết tủa cực đại, hết đoạn giữ nguyên, kết tủa tan hết), rồi so sánh n(CO2) đề cho với ba mốc đó để kết luận đang ở giai đoạn nào trước khi tính khối lượng kết tủa.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Bài chuẩn: CO2 sục vào một dung dịch Ca(OH)2

1
Sục 0,2 mol CO2 vào dung dịch chứa 0,25 mol Ca(OH)2. Tính khối lượng kết tủa thu được.
2
Dung dịch chỉ có một base duy nhất và n(CO2) nhỏ hơn n(Ca(OH)2) nên chỉ cần xét đúng một trường hợp, không cần biện luận nhiều giai đoạn.
3
So sánh n(CO2) với n(Ca(OH)2): vì $0{,}2<0{,}25$ nên OH- vẫn còn dư, CO2 phản ứng hết tạo đúng CaCO3.
So sánh n(CO2) với n(Ca(OH)2): vì $0{,}2<0{,}25$ nên OH- vẫn còn dư, CO2 phản ứng hết tạo đúng CaCO3.
4
Vì $n_{CO_2}=0{,}2<n_{Ca(OH)_2}=0{,}25$ , phản ứng chỉ tạo muối trung hòa: $CO_2+Ca(OH)_2\rightarrow CaCO_3\downarrow+H_2O$ , tỉ lệ mol 1:1 nên $n_{CaCO_3}=n_{CO_2}=0{,}2$ mol. Suy ra $m_{CaCO_3}=0{,}2\times100=20$ gam. Vậy khối lượng kết tủa là 20 gam.
Vì $n_{CO_2}=0{,}2<n_{Ca(OH)_2}=0{,}25$, phản ứng chỉ tạo muối trung hòa: $CO_2+Ca(OH)_2\rightarrow CaCO_3\downarrow+H_2O$, tỉ lệ mol 1:1 nên $n_{CaCO_3}=n_{CO_2}=0{,}2$ mol. Suy ra $m_{CaCO_3}=0{,}2\times100=20$ gam. Vậy khối lượng kết tủa là 20 gam.
5
$n_{Ca(OH)_2}$ dư sau phản ứng là $0{,}25-0{,}2=0{,}05$ mol, dương nên giả thiết OH- dư là hợp lý; 100 đúng là phân tử khối CaCO3.
$n_{Ca(OH)_2}$ dư sau phản ứng là $0{,}25-0{,}2=0{,}05$ mol, dương nên giả thiết OH- dư là hợp lý; 100 đúng là phân tử khối CaCO3.
6
Nếu tăng CO2 lên đúng 0,25 mol (bằng n(Ca(OH)2)), kết tủa đạt cực đại 0,25 mol = 25 gam; nếu CO2 tiếp tục tăng quá 0,25 mol, kết tủa bắt đầu tan trở lại.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Bài HSG: CO2 sục vào dung dịch chứa cả NaOH và Ca(OH)2

1
Sục từ từ CO2 đến dư vào dung dịch chứa đồng thời 0,1 mol NaOH và 0,15 mol Ca(OH)2. Tính khối lượng kết tủa cực đại, khoảng số mol CO2 mà kết tủa vẫn giữ nguyên ở mức cực đại, và số mol CO2 tại thời điểm kết tủa vừa tan hết.
2
Dung dịch có hai base khác nhau nên đồ thị kết tủa có ba giai đoạn (tăng, giữ nguyên, giảm) thay vì chỉ tăng rồi giảm như bài một base; phải xác định đúng ba mốc, không chỉ một.
3
Kết tủa cực đại bằng đúng $n_{Ca^{2+}}=b$ ; đoạn giữ nguyên kéo dài đến khi toàn bộ $OH^-=a+2b$ dùng hết dưới dạng $CO_3^{2-}$ , tức n(CO2) = (a+2b)/2; kết tủa tan hết khi n(CO2) = a+2b vì mọi carbonat đã chuyển hết thành hiđrocacbonat.
Kết tủa cực đại bằng đúng $n_{Ca^{2+}}=b$; đoạn giữ nguyên kéo dài đến khi toàn bộ $OH^-=a+2b$ dùng hết dưới dạng $CO_3^{2-}$, tức n(CO2) = (a+2b)/2; kết tủa tan hết khi n(CO2) = a+2b vì mọi carbonat đã chuyển hết thành hiđrocacbonat.
4
Đặt $a=0{,}1$ (mol NaOH), $b=0{,}15$ (mol Ca(OH)2). Kết tủa cực đại đạt tại $n_{CO_2}=b=0{,}15$ mol, khi đó $n_{CaCO_3}=0{,}15$ mol nên $m_{CaCO_3}=0{,}15\times100=15$ gam. Tổng $OH^-=a+2b=0{,}1+0{,}3=0{,}4$ mol; kết tủa giữ nguyên ở mức cực đại cho đến $n_{CO_2}=\dfrac{a+2b}{2}=\dfrac{0{,}4}{2}=0{,}2$ mol (khoảng $0{,}15$ đến $0{,}2$ mol CO2, kết tủa vẫn là 15 gam). Kết tủa tan hết khi toàn bộ carbonat chuyển thành hiđrocacbonat, tức tại $n_{CO_2}=a+2b=0{,}4$ mol. Vậy kết tủa cực đại là 15 gam, giữ nguyên trong khoảng $0{,}15$ đến $0{,}2$ mol CO2, và tan hết khi n(CO2) = 0,4 mol.
Đặt $a=0{,}1$ (mol NaOH), $b=0{,}15$ (mol Ca(OH)2). Kết tủa cực đại đạt tại $n_{CO_2}=b=0{,}15$ mol, khi đó $n_{CaCO_3}=0{,}15$ mol nên $m_{CaCO_3}=0{,}15\times100=15$ gam. Tổng $OH^-=a+2b=0{,}1+0{,}3=0{,}4$ mol; kết tủa giữ nguyên ở mức cực đại cho đến $n_{CO_2}=\dfrac{a+2b}{2}=\dfrac{0{,}4}{2}=0{,}2$ mol (khoảng $0{,}15$ đến $0{,}2$ mol CO2, kết tủa vẫn là 15 gam). Kết tủa tan hết khi toàn bộ carbonat chuyển thành hiđrocacbonat, tức tại $n_{CO_2}=a+2b=0{,}4$ mol. Vậy kết tủa cực đại là 15 gam, giữ nguyên trong khoảng $0{,}15$ đến $0{,}2$ mol CO2, và tan hết khi n(CO2) = 0,4 mol.
5
Ở mốc $n_{CO_2}=0{,}2$ mol, tổng carbonat tạo thành (kết tủa + Na2CO3 tan) là $0{,}2$ mol, đúng bằng $b+\dfrac{a}{2}=0{,}15+0{,}05=0{,}2$ mol, khớp bảo toàn carbon; ở mốc cuối, tổng $HCO_3^-$ tạo ra là $a+2b=0{,}4$ mol, đúng bằng điện tích dương cần cân bằng của Na+ và Ca2+.
Ở mốc $n_{CO_2}=0{,}2$ mol, tổng carbonat tạo thành (kết tủa + Na2CO3 tan) là $0{,}2$ mol, đúng bằng $b+\dfrac{a}{2}=0{,}15+0{,}05=0{,}2$ mol, khớp bảo toàn carbon; ở mốc cuối, tổng $HCO_3^-$ tạo ra là $a+2b=0{,}4$ mol, đúng bằng điện tích dương cần cân bằng của Na+ và Ca2+.
6
Nếu đề chỉ hỏi 'kết tủa còn lại khi n(CO2)=0,3 mol' — một giá trị nằm trong đoạn giữ nguyên (0,15 đến 0,2) hay đoạn giảm (0,2 đến 0,4) — trước tiên phải xác định 0,3 mol nằm ở giai đoạn giảm, rồi tính kết tủa còn lại theo phần CO2 dư so với mốc 0,2 mol.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Lỗi thường gặp

Sai lầm thường gặp: quên đoạn kết tủa giữ nguyên khi dung dịch có hai base, tưởng kết tủa giảm ngay sau khi đạt cực đại; nhầm mốc kết tủa tan hết là 2b (công thức của bài một base) thay vì a+2b khi có thêm NaOH; và quên kiểm tra n(CO2) đề cho nằm ở giai đoạn nào trước khi tính.

Chốt bài: Em đã biết ba mốc n(CO2) khi sục vào một dung dịch kiềm/kiềm thổ — kết tủa cực đại, đoạn giữ nguyên (nếu có hai base), và kết tủa tan hết — thay vì chỉ nhớ một công thức cho mọi trường hợp. Chương sau chuyển sang xử lý nước cứng, nơi chính phản ứng CO2/carbonat này quyết định nước cứng tạm thời có thể làm mềm bằng cách đun sôi hay không.

**Chốt bài:** Em đã biết ba mốc n(CO2) khi sục vào một dung dịch kiềm/kiềm thổ — kết tủa cực đại, đoạn giữ nguyên (nếu có hai base), và kết tủa tan hết — thay vì chỉ nhớ một công thức cho mọi trường hợp. Chương sau chuyển sang xử lý nước cứng, nơi chính phản ứng CO2/carbonat này quyết định nước cứng tạm thời có thể làm mềm bằng cách đun sôi hay không.