Phần

Suy luận từ đồ thị nhỏ giọt: xác định chất hết, chất dư

Em sẽ làm được gì?

Bài này rèn cho em đọc và biện luận đồ thị dạng "nhỏ từ từ" (thêm dần một dung dịch vào dung dịch khác) khi có nhiều đoạn ứng với nhiều giai đoạn phản ứng nối tiếp — đặc biệt là dạng nhỏ HCl vào hỗn hợp NaOH và $Na_2CO_3$ , một dạng đồ thị kinh điển của đề HSG.

Bài này rèn cho em đọc và biện luận đồ thị dạng "**nhỏ từ từ**" (thêm dần một dung dịch vào dung dịch khác) khi có nhiều đoạn ứng với nhiều giai đoạn phản ứng nối tiếp — đặc biệt là dạng nhỏ HCl vào hỗn hợp NaOH và $Na_2CO_3$, một dạng đồ thị kinh điển của đề HSG.

Cần nhớ trước

Cần vững bốn bước đọc đồ thị (bài trước), phản ứng acid–base, và muối carbonate + acid theo hai nấc. Mở rộng dành cho HSG: phản ứng carbonate với acid theo hai giai đoạn nối tiếp khi nhỏ từ từ — nội dung này vượt yêu cầu chuẩn Lớp 9 (SGK chỉ dạy carbonate + acid dư cho ngay khí) nhưng thường gặp trong đề nâng cao cùng chủ đề, nên bài giới thiệu có giải thích đầy đủ.

Cần vững bốn bước đọc đồ thị (bài trước), phản ứng acid–base, và muối carbonate + acid theo hai nấc. *Mở rộng dành cho HSG:* phản ứng carbonate với acid **theo hai giai đoạn nối tiếp** khi nhỏ từ từ — nội dung này vượt yêu cầu chuẩn Lớp 9 (SGK chỉ dạy carbonate + acid dư cho ngay khí) nhưng thường gặp trong đề nâng cao cùng chủ đề, nên bài giới thiệu có giải thích đầy đủ.

Benchmark chuẩn lớp 9: "Cho HCl dư vào $Na_2CO_3$ , tính khí $CO_2$ " — một phản ứng, một bước tính. Nhưng nếu ta nhỏ từ từ HCl vào một dung dịch chứa cả NaOH và $Na_2CO_3$ , chuyện xảy ra phức tạp hơn nhiều: có một đoạn HCl vào mà không hề có khí thoát ra! Vì sao? Vì HCl phải "làm việc" với NaOH và với $Na_2CO_3$ theo một thứ tự nhất định trước khi khí mới bắt đầu sinh ra. Đọc đúng đồ thị này đòi hỏi hiểu bản chất phản ứng, không chỉ đọc số.

Benchmark chuẩn lớp 9: "Cho HCl dư vào $Na_2CO_3$, tính khí $CO_2$" — một phản ứng, một bước tính. Nhưng nếu ta **nhỏ từ từ** HCl vào một dung dịch chứa **cả NaOH và $Na_2CO_3$**, chuyện xảy ra phức tạp hơn nhiều: có một đoạn HCl vào mà **không hề có khí thoát ra**! Vì sao? Vì HCl phải "làm việc" với NaOH và với $Na_2CO_3$ theo một **thứ tự nhất định** trước khi khí mới bắt đầu sinh ra. Đọc đúng đồ thị này đòi hỏi hiểu bản chất phản ứng, không chỉ đọc số.

Vì sao khí không thoát ra ngay?

Khi nhỏ từ từ HCl vào dung dịch chứa NaOH và $Na_2CO_3$ , HCl luôn là chất thiếu tại mọi thời điểm trong lúc đang nhỏ (nó nhỏ giọt, chưa đủ để dư đột ngột). Vì vậy phản ứng xảy ra theo thứ tự ưu tiên base mạnh trước, rồi mới đến ion yếu hơn:

Giai đoạn 1 — trung hòa NaOH: $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$
Giai đoạn 2 — $Na_2CO_3$ chuyển thành $NaHCO_3$ (chưa có khí!): $HCl + Na_2CO_3 \rightarrow NaHCO_3 + NaCl$
Giai đoạn 3 — $NaHCO_3$ mới phản ứng tiếp sinh khí: $HCl + NaHCO_3 \rightarrow NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$

Giai đoạn 1 và 2 xảy ra trước và không sinh khí — đó chính là đoạn nằm ngang lúc đầu trên đồ thị $V_{CO_2}$ theo $V_{HCl}$ thêm vào. Khí chỉ thoát ra ở giai đoạn 3.

Khi nhỏ từ từ HCl vào dung dịch chứa NaOH và $Na_2CO_3$, HCl luôn là chất **thiếu** tại mọi thời điểm trong lúc đang nhỏ (nó nhỏ giọt, chưa đủ để dư đột ngột). Vì vậy phản ứng xảy ra theo thứ tự **ưu tiên base mạnh trước, rồi mới đến ion yếu hơn**: 1. **Giai đoạn 1 — trung hòa NaOH:** $$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$$ 2. **Giai đoạn 2 — $Na_2CO_3$ chuyển thành $NaHCO_3$ (chưa có khí!):** $$HCl + Na_2CO_3 \rightarrow NaHCO_3 + NaCl$$ 3. **Giai đoạn 3 — $NaHCO_3$ mới phản ứng tiếp sinh khí:** $$HCl + NaHCO_3 \rightarrow NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$$ Giai đoạn 1 và 2 xảy ra **trước và không sinh khí** — đó chính là đoạn nằm ngang lúc đầu trên đồ thị $V_{CO_2}$ theo $V_{HCl}$ thêm vào. Khí chỉ thoát ra ở giai đoạn 3.

Đề thường gộp giai đoạn 1 và 2 thành một đoạn nằm ngang chung — điểm gãy đầu tiên là lúc khí bắt đầu thoát ra.

Mở rộng dành cho HSG: chiều nhỏ giọt quyết định hình dạng đồ thị

Bẫy "thứ tự nhỏ vào": nếu đổi lại — nhỏ từ từ $Na_2CO_3$ vào HCl (thay vì HCl vào hỗn hợp) — HCl luôn dư tại chỗ giọt rơi vào, nên khí $CO_2$ thoát ra ngay từ giọt đầu tiên, không hề có đoạn nằm ngang. Cùng hai chất nhưng đổi thứ tự nhỏ vào cho ra hai hình dạng đồ thị hoàn toàn khác nhau — đây là điểm phân loại thí sinh giỏi.

**Bẫy "thứ tự nhỏ vào":** nếu đổi lại — nhỏ từ từ **$Na_2CO_3$ vào HCl** (thay vì HCl vào hỗn hợp) — HCl luôn **dư tại chỗ giọt** rơi vào, nên khí $CO_2$ thoát ra **ngay từ giọt đầu tiên**, không hề có đoạn nằm ngang. Cùng hai chất nhưng đổi thứ tự nhỏ vào cho ra **hai hình dạng đồ thị hoàn toàn khác nhau** — đây là điểm phân loại thí sinh giỏi.

Worked examples

Ví dụ

Ví dụ 1 — Đọc hai điểm gãy để tìm thành phần hỗn hợp

1
Nhỏ từ từ dung dịch HCl 1M vào 100 mL dung dịch chứa NaOH và $Na_2CO_3$ . Quan sát: không có khí thoát ra khi $V_{HCl}$ từ 0 đến 40 mL; khí bắt đầu thoát ra và tăng dần khi $V_{HCl}$ từ 40 đến 60 mL; sau đó thể tích khí không đổi dù thêm HCl. Tính nồng độ mol của NaOH và $Na_2CO_3$ trong dung dịch ban đầu, và thể tích $CO_2$ tối đa thu được (đkc).
Nhỏ từ từ dung dịch HCl 1M vào 100 mL dung dịch chứa NaOH và $Na_2CO_3$. Quan sát: không có khí thoát ra khi $V_{HCl}$ từ 0 đến 40 mL; khí bắt đầu thoát ra và tăng dần khi $V_{HCl}$ từ 40 đến 60 mL; sau đó thể tích khí không đổi dù thêm HCl. Tính nồng độ mol của NaOH và $Na_2CO_3$ trong dung dịch ban đầu, và thể tích $CO_2$ tối đa thu được (đkc).
2
Đây là lúc khí bắt đầu thoát ra ⇒ giai đoạn 1 + giai đoạn 2 (trung hòa NaOH và chuyển $Na_2CO_3$ thành $NaHCO_3$ ) vừa hoàn tất. $n_{HCl}$ đã dùng $=0{,}04\times1=0{,}04$ mol $= n_{NaOH} + n_{Na_2CO_3}$ (mỗi phản ứng dùng đúng 1 HCl cho mỗi mol chất).
Đây là lúc khí **bắt đầu** thoát ra ⇒ giai đoạn 1 + giai đoạn 2 (trung hòa NaOH và chuyển $Na_2CO_3$ thành $NaHCO_3$) vừa hoàn tất. $n_{HCl}$ đã dùng $=0{,}04\times1=0{,}04$ mol $= n_{NaOH} + n_{Na_2CO_3}$ (mỗi phản ứng dùng đúng 1 HCl cho mỗi mol chất).
3
Đoạn này ứng với giai đoạn 3: $NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl+H_2O+CO_2$ , tỉ lệ 1:1. $n_{HCl}$ dùng trong đoạn này $=0{,}02\times1=0{,}02$ mol $= n_{NaHCO_3} = n_{Na_2CO_3}$ (toàn bộ $Na_2CO_3$ đã chuyển thành $NaHCO_3$ ở giai đoạn 2).
Đoạn này ứng với giai đoạn 3: $NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl+H_2O+CO_2$, tỉ lệ 1:1. $n_{HCl}$ dùng trong đoạn này $=0{,}02\times1=0{,}02$ mol $= n_{NaHCO_3} = n_{Na_2CO_3}$ (toàn bộ $Na_2CO_3$ đã chuyển thành $NaHCO_3$ ở giai đoạn 2).
4
$n_{Na_2CO_3}=0{,}02$ mol. Thay vào phương trình đầu: $n_{NaOH}+0{,}02=0{,}04 \Rightarrow n_{NaOH}=0{,}02$ mol.
$n_{Na_2CO_3}=0{,}02$ mol. Thay vào phương trình đầu: $n_{NaOH}+0{,}02=0{,}04 \Rightarrow n_{NaOH}=0{,}02$ mol.
5
$C_M(NaOH)=\dfrac{0{,}02}{0{,}1}=0{,}2$ M; $C_M(Na_2CO_3)=\dfrac{0{,}02}{0{,}1}=0{,}2$ M. $V_{CO_2}$ tối đa $=n_{Na_2CO_3}\times24{,}79=0{,}02\times24{,}79\approx0{,}496$ L $=495{,}8$ mL — đúng bằng lượng $NaHCO_3$ đã tạo ra ở giai đoạn 2, không hơn.
$C_M(NaOH)=\dfrac{0{,}02}{0{,}1}=0{,}2$ M; $C_M(Na_2CO_3)=\dfrac{0{,}02}{0{,}1}=0{,}2$ M. $V_{CO_2}$ tối đa $=n_{Na_2CO_3}\times24{,}79=0{,}02\times24{,}79\approx0{,}496$ L $=495{,}8$ mL — đúng bằng lượng $NaHCO_3$ đã tạo ra ở giai đoạn 2, không hơn.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Nhận diện chiều nhỏ giọt từ hình dạng đồ thị

1
Hai thí nghiệm dùng cùng hai dung dịch A (chứa $Na_2CO_3$ ) và B (chứa HCl). Thí nghiệm 1 cho đồ thị: khí thoát ra ngay từ giọt đầu tiên, tăng dần rồi đạt plateau. Thí nghiệm 2 cho đồ thị: có một đoạn nằm ngang không khí lúc đầu, rồi mới dốc lên. Hỏi thí nghiệm nào là "nhỏ A vào B" và thí nghiệm nào là "nhỏ B vào A"?
Hai thí nghiệm dùng cùng hai dung dịch A (chứa $Na_2CO_3$) và B (chứa HCl). Thí nghiệm 1 cho đồ thị: khí thoát ra **ngay từ giọt đầu tiên**, tăng dần rồi đạt plateau. Thí nghiệm 2 cho đồ thị: có một **đoạn nằm ngang không khí** lúc đầu, rồi mới dốc lên. Hỏi thí nghiệm nào là "nhỏ A vào B" và thí nghiệm nào là "nhỏ B vào A"?
2
Nếu nhỏ $Na_2CO_3$ (dung dịch A) vào HCl (dung dịch B) đang có sẵn dư, thì tại mọi thời điểm giọt $Na_2CO_3$ rơi vào đều gặp acid dư ngay lập tức, phản ứng luôn xảy ra trực tiếp: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$ Khí thoát ra ngay từ giọt đầu ⇒ đây là thí nghiệm 1: nhỏ A (chứa $Na_2CO_3$ ) vào B (HCl).
Nếu nhỏ $Na_2CO_3$ (dung dịch A) vào HCl (dung dịch B) đang có sẵn dư, thì tại **mọi thời điểm** giọt $Na_2CO_3$ rơi vào đều gặp acid dư ngay lập tức, phản ứng luôn xảy ra trực tiếp: $$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$$ Khí thoát ra ngay từ giọt đầu ⇒ đây là **thí nghiệm 1: nhỏ A (chứa $Na_2CO_3$) vào B (HCl)**.
3
Ngược lại, nhỏ HCl (dung dịch B) vào $Na_2CO_3$ (dung dịch A) thì HCl luôn là chất thiếu cục bộ, buộc phải phản ứng hết nấc 1 ( $Na_2CO_3 \rightarrow NaHCO_3$ , không khí) trước khi có khí. Đây là thí nghiệm 2: nhỏ B (HCl) vào A ( $Na_2CO_3$ ).
Ngược lại, nhỏ HCl (dung dịch B) vào $Na_2CO_3$ (dung dịch A) thì HCl luôn là chất **thiếu cục bộ**, buộc phải phản ứng hết nấc 1 ($Na_2CO_3 \rightarrow NaHCO_3$, không khí) trước khi có khí. Đây là **thí nghiệm 2: nhỏ B (HCl) vào A ($Na_2CO_3$)**.
4
Cùng một cặp chất, đảo chiều nhỏ giọt là đảo luôn cơ chế phản ứng: bên nào luôn dư tại chỗ tiếp xúc sẽ quyết định phản ứng xảy ra ngay hay phải qua giai đoạn trung gian. Khi đọc đề, câu "nhỏ từ từ X vào Y" luôn phải được đọc kỹ theo đúng chiều — đảo ngược chủ ngữ và tân ngữ là đổi hẳn bài toán.

Luyện phản xạ

Sai lầm thường gặp

Đừng học thuộc lòng "đồ thị luôn có đoạn nằm ngang" — điều đó chỉ đúng khi nhỏ acid vào hỗn hợp base/carbonate. Đảo chiều nhỏ giọt sẽ đảo cả hình dạng đồ thị. Luôn hỏi: "chất nào đang nhỏ vào, chất nào có sẵn và luôn dư tại chỗ tiếp xúc?"

Ghi nhớ

Khi nhỏ acid vào hỗn hợp base/carbonate, phản ứng đi theo thứ tự base mạnh trước, carbonate chuyển hóa hai nấc; đoạn không khí lúc đầu = giai đoạn chưa sinh $CO_2$ . Đảo chiều nhỏ giọt đảo cả hình dạng đồ thị — luôn đọc kỹ ai đang nhỏ vào ai.

Khi nhỏ acid vào hỗn hợp base/carbonate, phản ứng đi theo thứ tự base mạnh trước, carbonate chuyển hóa hai nấc; đoạn không khí lúc đầu = giai đoạn chưa sinh $CO_2$. Đảo chiều nhỏ giọt đảo cả hình dạng đồ thị — luôn đọc kỹ ai đang nhỏ vào ai.

Đọc dữ liệu tốt là bước đầu; đề HSG ứng dụng còn đòi hỏi tự tay tạo ra dữ liệu đáng tin cậy — tức là biết thiết kế một thí nghiệm để kiểm chứng một giả thuyết hóa học. Đó là nội dung Chương 2.