3.7.1. Bài tập về dung dịch kiềm tác dụng với CO2, SO2
Khi cho CO2 (hoặc SO2) tác dụng với NaOH, KOH ta có các phản ứng sau: - Sản phẩm là muối axit:
NaOH + CO2 → NaHCO3 (2) (dạng ion: OH- + CO2 → HCO3- ) - Sản phẩm là muối trung hòa:
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O (1) (dạng ion: 2OH- + CO2 → CO32- + H2O )
Để biết sản phẩm tạo thành muối nào thì ta lập tỉ lệ k như sau: k = 2 CO OH n n
Nếu k ≤ 1 chỉ tạo muối axit HCO3-
Nếu 1 < k < 2 tạo hai muối axit và trung hòa Nếu k ≥ 2 chỉ tạo muối trung hòa CO32-
Với những bài toán không thể tính k, ta có thể dựa vào dữ kiện đề bài đã cho để tìm ra sản phẩm muối được tạo thành:
- Hấp thu CO2 vào dung dịch kiềm dư hoặc nước vôi trong dư thì chỉ tạo muối trung hòa.
- Hấp thu CO2 dư vào dung dịch kiềm hoặc nước vôi trong (lúc đầu có kết tủa trắng, sau đó kết tủa tan) thì chỉ tạo muối axit.
- Hấp thu CO2 vào NaOH tạo dung dịch muối A. Sau đó thêm BaCl2 vào dung dịch muối
thấy có kết tủa, thêm tiếp Ba(OH)2 dư vào thấy xuất hiện thêm kết tủa. Vậy ta có thể kết luận dung dịch muối A chứa 2 muối là Na2CO3 và NaHCO3.
- Hấp thụ CO2 vào nước vôi trong thấy tạo kết tủa, sau đó thêm NaOH dư vào thấy có kết tủa nữa → tạo 2 muối Ca(HCO3)2 và CaCO3.
- Hấp thụ CO2 vào nước vôi trong thấy tạo kết tủa, lọc bỏ kết tủa rồi đun nóng nước lọc lại thấy kết tủa nữa → tạo 2 muối.
Nếu bài toán không cho bất kì dữ liệu nào thì phải chia trường hợp để giải. - Lưu ý: Theo định luật bảo toàn nguyên tố thì
2 CO n = 3 HCO n + 2 3 CO n Việc áp dụng công thức này giúp giải các bài toán nhanh hơn. - Ngoài ra còn có một số công thức tính nhanh như:
+ Công thức tính lượng kết tủa xuất hiện khi hấp thụ hết một lượng CO2 vào dung dịch Ca(OH)2 hoặc Ba(OH)2: n↓ = nOH- –
2 CO
n
Công thức trên được sử dụng khi n↓ ≤
2 CO
n , nghĩa là bazơ phản ứng hết.
Nếu bazơ còn dư thì n↓ =
2 CO
n
+ Công thức tính lượng kết tủa xuất hiện khi hấp thụ hết một lượng CO2 vào dung dịch chứa hỗn hợp gồm NaOH và Ca(OH)2 hoặc Ba(OH)2:
Đầu tiên tính 2 3 CO n = nOH- – 2 CO
n rồi so sánh với số mol của Ca2+ hoặc Ba2+ để xem chất nào phản ứng hết. Lượng kết tủa tính theo số mol chất phản ứng hết.
Điều kiện để sử dụng công thức là 2
3 CO n ≤ 2 CO n
+ Công thức tính cần hấp thụ hết vào dung dịch Ca(OH)2 hoặc Ba(OH)2 để thu được lượng kết tủa theo yêu cầu:
nCO2 = n↓
nCO2 = nOH- – n↓
Ví dụ 1: Cho V lít khí CO2 (đktc) hấp thụ hoàn toàn vào trong 0,25 lít dung dịch Ca(OH)
2 0,8 M thu được 2,5 gam kết tủa. Tính V?
Giải
2 Ca(OH)
n = 0,25 . 0,8 = 0,2 mol nOH - = 0,2.2 = 0,4 mol
3 CaCO n = 100 5 , 2 = 0,025 mol Cách 1: Phương pháp ion rút gọn
Nhận xét: Ở đây ta thấy để thu cùng một lượng kết tủa thì xảy ra 2 trường hợp: TH1: Chỉ tạo một muối trung hòa và lượng OH-dư.
2OH- + CO2 → CO32- + H2O 0,025 mol ← 0,025 mol
Vậy thể tích khí CO2 cần dùng là: V = 0,025 . 22,4 = 0,56 lít
TH2: Tạo ra hai muối trong đó muối trung hòa có khối lượng là 2,5 gam và lượng OH- hết.
Gọi x là số mol HCO3- có trong dung dịch sau phản ứng OH- + CO2 → HCO3- (1) x mol x mol ← x mol
2OH- + CO2 → CO32- + H2O (2) 0,05mol 0,025 mol ← 0,025 mol
Vì lượng OH- hết nên nOH - = x + 0,05 = 0,4 mol x = 0,35 mol 2 CO n = x + 0,025 = 0,35 + 0,025 = 0,375 mol Thể tích CO2 cần dùng là: V = 0,375 . 22,4 = 8,4 lít Cách 2: Ta sử dụng công thức tính nhanh TH1: 2 CO n = n↓ = 0,025 mol Thể tích khí CO2 cần dùng là: V = 0,025 . 22,4 = 0,56 lít TH2: 2 CO n = nOH- – n↓ = 0,4 – 0,025 = 0,375 mol Thể tích CO2 cần dùng là: V = 0,375 . 22,4 = 8,4 lít
Học sinh có thể tư duy theo nhiều hướng khác nhau để giải bài tập này. Thông thường thì học sinh chọn cách giải thông thường phương pháp phân tử hoặc theo phương pháp ion rút gọn, như vậy thì học sinh rất dễ quên một trường hợp. Với việc sử dụng công thức tính nhanh thì bài toán được giải nhanh gọn hơn, qua đó kích thích các em tìm tòi các phương pháp giải mới, ngắn gọn hơn. Từ đó, tư duy các em sẽ được rèn luyện và phát triển.
Dạng 1: Bài tập về phản ứng nhiệt phân:
- Khi nhiệt phân các muối hiđrocacbonat của các kim loại kiềm, kiềm thổ thường cho muối cacbonat và giải phóng khí CO2 và hơi nước:
2MHCO3 to M2CO3 + CO2 + H2O M(HCO3)2 to MCO3 + CO2 + H2O
- Muối cacbonat của KL kiềm thổ chỉ bị nhiệt phân ở nhiệt độ cao cho oxit bazơ: MCO3 to MO + CO2
Ví dụ 1: Dung dịch X chứa các ion: Ca2+, Na+, HCO3- và Cl- , trong đó số mol của ion Cl- là 0,1. Cho 1/2 dung dịch X phản ứng với dung dịch NaOH dư thu được 2 gam kết tủa. Cho 1/2 dung dịch X còn lại phản ứng với dung dịch Ca(OH)2 dư, thu được 3 gam kết tủa. Mặt khác, nếu đun sôi đến cạn dung dịch X thì thu được m gam chất rắn khan. Tính m?
Giải
1/2 dung dịch X + Ca(OH)2 dư thì ion HCO3- hết Ca2+ + HCO3- + OH- → CaCO3↓ + H2O 0,03 mol ← 0,03 mol 3 HCO n (trong X) = 3.0,03 = 0,06 mol
1/2 dung dịch X + Ca(OH)2 dư thì thu được 3 gam kết tủa, trong khi đó tác dụng với dung dịch NaOH thì chỉ thu được 2 gam kết tủa → Khi 1/2 dung dịch X + NaOH thì Ca2+ hết.
Ca2+ + HCO3- + OH- → CaCO3↓ + H2O 0,02 mol ← 0,02 mol
nCa2+ (trong X) = 2.0,02 = 0,04 mol Theo định luật bảo toàn điện tích: 2. nCa2+ + nNa+ =
3 HCO
n + nCl-
2.0,04 + nNa+ = 0,06 + 0,1 → nNa+ = 0,08 mol Khi đun sôi dung dịch X:
2HCO3- to CO32- + CO2↑ + H2O 0,06 mol → 0,03 mol m = mCa2+ + mNa+ + 2 3 CO m + mCl- = 40.0,04 + 23.0,08 + 60.0,03 + 35,5.0,1
m = 8,79 gam
Dạng 2: Bài tập về muối cacbonat của kim loại kiềm, kiềm thổ tác dụng với axit:
- Các ion CO32-, HCO3- đều tạo ra môi trường có tính bazơ, nhưng CO32- là bazơ mạnh hơn HCO3-, khi cho từ từ H+ vào dung dịch và khuấy đều, quá trình nhận proton H+
phải diễn ra theo thứ tự:
H+ + CO32- → HCO3-
HCO3- + H+ → CO2 + H2O
Nếu đã có khí CO2 bay ra dung dịch thu được không thể còn ion CO32-. - Ngoài ra còn có một số công thức giải nhanh như:
+ Khi đề bài cho: Muối cacbonat + dung dịch HCl → Muối clorua + CO2 + H2O. Ta có thể tính nhanh muối clorua bằng công thức sau:
m muối clorua = m muối cacbonat + 11.
2 CO
n
+ Khi đề bài cho: Muối cacbonat +H2SO4 loãng → Muối sunfat + CO2 + H2O. Ta có thể tính nhanh muối sunfat bằng công thức sau:
m muối sunfat = m muối cacbonat + 36.
2 CO
n
Ví dụ 1: Bình A chứa 0,4 mol HCl. Bình B gồm dung dịch chứa 0,2 mol NaHCO3 và 0,3 mol Na2CO3. Tính thể tích CO2 trong các trường hợp:
a. Rót từ từ bình A vào bình B. b. Rót từ từ bình B vào bình A. c. Trộn lẫn bình A với bình B.
Giải
a. Nhận xét: Khi cho axit từ từ vào dung dịch muối hỗn hợp chứa hai ion CO32- và ion HCO3-thì H+ sẽ phản ứng với ion CO32- trước nhưng vì lượng axit cho từ từ ít nên phản ứng xảy ra theo từng nấc. Nếu còn dư thì tiếp tục phản ứng với ion HCO3-giải phóng khí CO2.
H+ + CO32- → HCO3- (1) 0,3 mol ← 0,3 mol → 0,3 mol Sau phản ứng (1) nH+ còn dư = 0,4 – 0,3 = 0,1 mol HCO3- + H+ → CO2 + H2O (2)
0,1 mol ← 0,1 mol → 0,1 mol
2 CO
V = 0,1.22,4 = 2,24 lít
b. Nhận xét: Khi cho hỗn hợp muối từ từ vào axit thì axit sẽ phản ứng đồng thời với hai ion CO32- và HCO3- giải phóng khí CO2.
2 3 CO n : 3 HCO n = 3 : 2
Gọi 3x là số mol ion CO32- phản ứng với H+. Số mol ion HCO3- phản ứng với H+ là 2x. 2H+ + CO32- → CO2 + H2O (3) 6x mol ← 3x mol → 3x mol
HCO3- + H+ → CO2 + H2O (2) 2x mol → 2x mol 2x mol
nH+ = 8x = 0,4 → x = 0,05 mol
2 CO
V = (3x + 2x). 22,4 = 5.0,05.22,4 = 5,6 lít
c. Nhận xét: Khi trộn lẫn hai bình A và B thì có hai trường hợp xảy ra: - Nếu Na2CO3 phản ứng trước:
2H+ + CO32- → CO2 + H2O (3) 0,4 mol → 0,2 mol 0,2 mol
2 CO
V = 0,2. 22,4 = 4,48 lít - Nếu NaHCO3 phản ứng trước:
HCO3- + H+ → CO2 + H2O (2) 0,2 mol → 0,2 mol 0,2mol
Sau phản ứng (2) nH+ còn dư = 0,4 – 0,2 = 0,2 mol 2H+ + CO32- → CO2 + H2O (3)
0,2 mol → 0,1 mol 0,1 mol
2 CO
V = (0,2 + 0,1).22,4 = 6,72 lít
Vậy khi trộn lẫn hai bình A và B thì thể tích khí CO2 thoát ra nằm trong khoảng 4,48 lít <
2 CO
V < 6,72 lít
Ví dụ 2: Hòa tan 15 gam hỗn hợp hai muối cacbonat kim loại hóa trị II và III bằng dung dịch HCl thu được dung dịch A và 1120 ml khí (đktc). Tính khối lượng muối khan thu được khi cô cạn dung dịch A?
Giải 2 CO n = 4 , 22 12 , 1 = 0,05 mol
Cách 1: Phương pháp thông thường:
Gọi hai muối cacbonat đã cho là ACO3 và B2(CO3)3 có số mol lần lượt là x, y mol. (A + 60)x + (2B + 180)y = 15
Ax + 2By = 15 – 60(x + 3y) (a)
ACO3 + 2HCl → ACl2 + CO2↑ + H2O (1) x mol → x mol x mol
B2(CO3)3 + 6HCl → 2BCl3 + 3CO2↑ + 3H2O (2) y mol → 2y mol 3y mol
2 CO n = x + 3y = 0,05 mol (b) m muối = 2 ACl m + 3 BCl m = (A + 71)x + (B + 106,5)2y m muối = (Ax + 2By) + 71(x + 3y) (c) Thay (a) và (b) vào (c) ta có:
m muối = 15 – 60(x + 3y) + 71.(x + 3y) = 15 + 11(x + 3y) m muối = 15 + 11.0,05 = 15,55 gam
Cách 2: Phương pháp bảo toàn khối lượng Từ phương trình (1) và (2) ta thấy: nHCl = 2. 2 CO n = 2.0,05 = 0,1 mol O 2 H n = 2 CO n = 0,05 mol
Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: 15 + 36,5.0,1 = m muối + 0,05.44 + 0,05.18
m muối = 15,55 gam
Cách 3:Phương pháp tăng giảm khối lượng Sử dụng công thức tính nhanh
m muối clorua = m muối cacbonat + 11.
2 CO
n
m muối clorua = 15 + 11.0,05 = 15,55 gam
Bài toán trên có nhiều ưu điểm nhằm giúp học sinh phát triển năng lực tư duy. Bài toán có thể giải theo nhiều cách khác nhau, học sinh có thể tự lựa chọn cách giải cho
mình. Tuy nhiên, giải theo cách 2, cách 3 là nhanh và tối ưu hơn so với cách 1 giải theo phương pháp thông thường.
3.7.3. Một số bài tập tự giải phát triển tư duy cho học sinh
Bài 1: Hấp thụ hết V lít (đktc) khí CO2 vào 200 ml dung dịch Ba(OH)2 1M thu được
29,55 gam kết tủa.Lọc bỏ kết tủa đem đun nóng nước lọc lại thu được kết tủa. Tính V? Đáp số: V = 5,6 lít.
Bài 2: Đốt cháy hết 6,72 lít khí H2S (đktc), sản phẩm cháy cho hấp thụ hết vào bình
đựng dung dịch nước vôi trong dư. Khối lượng dung dịch thu được tăng hay giảm bao nhiêu gam so với ban đầu?
Đáp số: Giảm 11,4 gam.
Bài 3: Hòa tan 13,8 gam K2CO3 vào nước được dung dịch A. Vừa khuấy đều vừa
thêm từng giọt dung dịch HCl 1M cho tới khi đủ 180 ml dung dịch axit, thu được V lít (đktc) khí CO2. Tính V?
Đáp số: V = 1,792 lít.
Bài 4: Nung 19,0 gam hỗn hợp X gồm NaHCO3 và Na2CO3 tới khối lượng không đổi
thu được 15,9 gam chất rắn. Tính số mol mỗi muối trong hỗn hợp X? Đáp số: 3 NaHCO n = 0,1 mol, 3 CO 2 Na n = 0,1 mol
Bài 5: Hấp thụ hết V lít (đktc) khí CO2 vào 200 ml dung dịch Ba(OH)2 1M thu được
29,55 gam kết tủa. Lọc bỏ kết tủa đem đun nóng nước lọc lại thu được kết tủa. Tính V?
Đáp số:
2 CO
V = 5,6 lít.
Bài 6: Dung dịch X chứa hỗn hợp gồm Na2CO3 1,5M và KHCO3 1M. Nhỏ từ từ từng
giọt cho đến hết 200 ml dung dịch HCl 1M vào 100 ml dung dịch X, sinh ra V lít khí (ở đktc). Tính V?
Đáp số:
2 CO
V = 1,12 lít.
Bài 7: Hòa tan m gam hỗn hợp Na2CO3 và K2CO3 vào 55,44 gam H2O thu được 55,4
ml dung dịch (d= 1,0822) bỏ qua sự biến đổi thể tích. Cho từ từ dung dịch HCl 0,1M vào dung dịch trên cho đến khi thoát ra 1,1 gam khí thì dừng lại. Dung dịch thu được cho tác dụng với nước vôi trong tạo ra 1,5 gam kết tủa khô. Tính khối lượng m?
Bài 8: Hòa tan a gam hỗn hợp Na2CO3 và KHCO3 vào nước để được 400 ml dung dịch
A. Cho từ từ 100 ml dung dịch HCl 1,5M vào dung dịch A, thu được dung dịch B và 1,008 lít khí (đktc). Cho B tác dụng với Ba(OH)2 dư thu được 29,55 gam kết tủa. Tính khối lượng a?
Đáp số: a = 20,13 gam.
Bài 9: Nung 100 gam hỗn hợp gồm Na2CO3 và NaHCO3 cho đến khi khối lượng hỗn
hợp không đổi được 69 gam chất rắn. Tính thành phần phần trăm khối lượng của mỗi chất trong hỗn hợp?
Đáp số: % Na2CO3 = 84% % NaHCO3 = 16%.