Chào các em học sinh lớp 12 thân mến! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau ôn tập và giải quyết một số bài tập Hóa học liên quan đến các khí quen thuộc như CO2 và SO2. Cô tin rằng với kiến thức đã học trong sách giáo khoa, các em hoàn toàn có thể chinh phục được những dạng bài này.

Chúng ta bắt đầu với câu hỏi đầu tiên nhé:

1) Khí CO2 có lẫn tạp chất là khí HCl. Để loại trừ tạp chất HCl đó nên cho khí CO2 đi qua dung dịch nào?

Để giải quyết câu hỏi này, chúng ta cần nhớ lại tính chất hóa học của khí CO2 và khí HCl.

Bước 1: Phân tích yêu cầu của đề bài.
Đề bài yêu cầu tìm cách loại trừ tạp chất HCl ra khỏi khí CO2. Điều này có nghĩa là chúng ta cần tìm một dung dịch có khả năng phản ứng với HCl nhưng không phản ứng hoặc phản ứng rất ít với CO2.

Bước 2: Xem xét tính chất của HCl.
Khí HCl tan trong nước tạo thành axit clohidric (HCl), là một axit mạnh. Axit có tính chất chung là phản ứng với bazơ, oxit bazơ, muối cacbonat, muối hidrocacbonat, kim loại hoạt động mạnh.

Bước 3: Xem xét tính chất của CO2.
Khí CO2 là một oxit axit. Nó có thể phản ứng với dung dịch bazơ mạnh, một số oxit bazơ, nước (tạo thành axit cacbonic H2CO3, một axit yếu).

Bước 4: Tìm dung dịch phù hợp.
Chúng ta cần một dung dịch có thể phản ứng với HCl nhưng “bỏ qua” CO2.

– Dung dịch bazơ mạnh: Ví dụ như dung dịch NaOH, KOH.
HCl là axit, NaOH là bazơ mạnh. Chúng sẽ phản ứng với nhau theo phương trình:
HCl + NaOH -> NaCl + H2O
CO2 là oxit axit, nó cũng phản ứng với dung dịch bazơ mạnh theo phương trình:
2NaOH + CO2 -> Na2CO3 + H2O
hoặc NaOH + CO2 -> NaHCO3 (nếu NaOH dư hoặc tỉ lệ mol CO2 : NaOH = 1:1)
Như vậy, nếu cho qua dung dịch NaOH, cả HCl và CO2 đều bị giữ lại. Cách này không hiệu quả để loại HCl mà giữ CO2.

– Dung dịch axit: Axit sẽ không phản ứng với HCl (trừ khi có phản ứng oxi hóa-khử đặc biệt, không liên quan ở đây). Axit cũng không phản ứng với CO2. Cách này cũng không hiệu quả.

– Dung dịch muối: Chúng ta cần một dung dịch muối mà ion của nó có thể phản ứng với ion H+ từ HCl hoặc ion Cl- từ HCl, nhưng không phản ứng hoặc phản ứng yếu với CO2.
Xét phản ứng của HCl với muối của axit yếu hơn hoặc muối có tính bazơ.
Muối cacbonat hoặc hidrocacbonat là những lựa chọn tốt.
Ví dụ: Dung dịch Na2CO3 (natri cacbonat) hoặc dung dịch NaHCO3 (natri hidrocacbonat).

Khi cho hỗn hợp khí CO2 và HCl đi qua dung dịch Na2CO3:
Khí HCl sẽ phản ứng với Na2CO3:
Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + H2O + CO2
Trong phản ứng này, cả HCl bị loại bỏ, nhưng lại sinh ra thêm khí CO2. Điều này không giúp ta thu được khí CO2 tinh khiết mà còn làm tăng lượng CO2.

Tuy nhiên, nếu chúng ta xem xét các phản ứng với nước và các ion trong dung dịch.
HCl là axit mạnh, tan trong nước tạo ra ion H+ và Cl-.
CO2 là oxit axit, tan trong nước tạo thành axit cacbonic H2CO3.

Chúng ta cần một dung dịch có thể trung hòa hoặc kết tủa ion H+ hoặc Cl- từ HCl, nhưng CO2 đi qua được.
Hãy nghĩ đến các dung dịch có tính bazơ yếu hoặc trung bình.

Xem xét dung dịch NaCl: Không có tính axit hay bazơ đáng kể, không phản ứng với cả HCl và CO2.

Xem xét nước cất: HCl tan rất tốt trong nước. CO2 cũng tan trong nước nhưng ít hơn và tạo thành axit cacbonic. Nếu cho qua nước, cả hai khí đều có thể tan một phần.

Thế còn dung dịch có khả năng hấp thụ HCl mà không ảnh hưởng đến CO2?
Chúng ta quay lại với ý tưởng về dung dịch muối có gốc axit yếu hơn axit HCl.
Đặc biệt, chúng ta cần một dung dịch có thể phản ứng với axit mạnh (HCl) nhưng không phản ứng hoặc ít phản ứng với oxit axit (CO2).

Hãy xem xét lại dung dịch natri clorua (NaCl). NaCl không có tính axit hay bazơ mạnh, và nó không phản ứng trực tiếp với HCl hay CO2 ở điều kiện thường.

Hmmm, có lẽ cô đã suy nghĩ hơi phức tạp một chút. Chúng ta cần một dung dịch hấp thụ HCl.
Trong chương trình Hóa học lớp 11 và 12, chúng ta học về việc sử dụng nước để rửa khí. Nước có thể hòa tan một phần CO2 và hấp thụ HCl. Tuy nhiên, để loại trừ HCl hiệu quả mà vẫn giữ được CO2, chúng ta cần một chất có khả năng phản ứng với HCl.

Cô gợi ý lại: HCl là axit mạnh. Chúng ta cần một dung dịch có thể phản ứng với HCl.
Các dung dịch bazơ như NaOH, KOH phản ứng với cả HCl và CO2.
Dung dịch muối của axit yếu hơn HCl, ví dụ như dung dịch Na2CO3, sẽ phản ứng với HCl:
Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + H2O + CO2. Phản ứng này tạo ra CO2, không phù hợp.

Vậy, giải pháp ở đây là tìm một dung dịch mà khi HCl đi qua, nó sẽ bị hấp thụ, còn CO2 thì đi qua gần như nguyên vẹn.
Loại bỏ HCl khỏi CO2.

Hãy nghĩ đến nước cất hoặc dung dịch NaCl bão hòa.
HCl tan rất tốt trong nước.
CO2 cũng tan trong nước nhưng ít hơn nhiều.
Khi cho hỗn hợp khí đi qua nước, HCl sẽ bị giữ lại trong nước dưới dạng dung dịch axit clohidric. CO2 sẽ thoát ra ngoài.
Để tăng hiệu quả hấp thụ HCl và giảm sự hòa tan của CO2, người ta thường dùng dung dịch NaCl bão hòa. Lý do là ion Cl- có sẵn trong dung dịch NaCl bão hòa sẽ làm giảm khả năng hòa tan thêm của các chất có chứa ion Cl- (trong trường hợp này là HCl) theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier (sự ảnh hưởng của ion chung). Tuy nhiên, điều quan trọng hơn là HCl tan tốt hơn nhiều so với CO2 trong nước.

Vậy đáp án cho câu 1 là: Dung dịch nước cất hoặc dung dịch NaCl bão hòa.

Bây giờ, chúng ta sang câu hỏi thứ hai:

2) Có thể dùng dung dịch nước vôi trong để phân biệt hai khí CO2 và SO2 được không? Tại sao?

Bước 1: Phân tích yêu cầu đề bài.
Đề bài yêu cầu xác định xem dung dịch nước vôi trong (dung dịch Ca(OH)2) có thể dùng để phân biệt hai khí CO2 và SO2 hay không, và giải thích lý do.

Bước 2: Nhớ lại tính chất của nước vôi trong.
Nước vôi trong là dung dịch canxi hidroxit, Ca(OH)2. Ca(OH)2 là một bazơ mạnh.

Bước 3: Xét phản ứng của CO2 với nước vôi trong.
Khi cho khí CO2 đi qua dung dịch nước vôi trong, CO2 là một oxit axit. Nó sẽ phản ứng với Ca(OH)2 theo phương trình:
CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3↓ + H2O
Phản ứng này tạo ra kết tủa canxi cacbonat (CaCO3), có màu trắng. Do đó, ta sẽ thấy dung dịch bị vẩn đục.

Bước 4: Xét phản ứng của SO2 với nước vôi trong.
Khi cho khí SO2 đi qua dung dịch nước vôi trong, SO2 là một oxit axit. Nó sẽ phản ứng với Ca(OH)2 theo phương trình:
SO2 + Ca(OH)2 -> CaSO3↓ + H2O
Phản ứng này cũng tạo ra kết tủa canxi sulfit (CaSO3), cũng có màu trắng. Do đó, ta cũng sẽ thấy dung dịch bị vẩn đục.

Bước 5: So sánh hiện tượng và đưa ra kết luận.
Cả hai khí CO2 và SO2 khi đi qua dung dịch nước vôi trong đều tạo ra kết tủa trắng, làm cho dung dịch vẩn đục. Vì hiện tượng quan sát được là giống nhau (cả hai đều làm vẩn đục nước vôi trong), nên chúng ta không thể dùng dung dịch nước vôi trong để phân biệt hai khí này.

Tuy nhiên, có một điểm khác biệt cần lưu ý thêm theo sách giáo khoa nâng cao một chút:
Nếu cho dư khí CO2 đi qua dung dịch nước vôi trong có kết tủa CaCO3, kết tủa này có thể tan lại:
CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2 (canxi hidrocacbonat, tan được).
Còn với SO2, nếu cho dư SO2 qua dung dịch nước vôi trong:
CaSO3 + SO2 + H2O -> Ca(HSO3)2 (canxi hidrosulfit, tan được).
Như vậy, cả hai đều có khả năng tạo thành sản phẩm tan khi dư khí tương ứng.

Nhưng câu hỏi chỉ yêu cầu “phân biệt hai khí CO2 và SO2”. Dựa trên phản ứng ban đầu tạo kết tủa, chúng ta chưa phân biệt được.

Để phân biệt CO2 và SO2, chúng ta cần tìm một thuốc thử mà một trong hai khí phản ứng tạo ra hiện tượng đặc trưng, còn khí kia thì không hoặc tạo ra hiện tượng khác.

Ví dụ, có thể dùng dung dịch Brom (nước brom):
SO2 có tính khử, nó sẽ làm mất màu dung dịch brom:
SO2 + Br2 + 2H2O -> H2SO4 + 2HBr
CO2 không có tính khử mạnh và không làm mất màu dung dịch brom ở điều kiện thường.

Quay lại câu hỏi: “Có thể dùng dung dịch nước vôi trong để phân biệt hai khí CO2 và SO2 được không? Tại sao?”

Câu trả lời là: Không thể.

Lý do: Cả khí CO2 và khí SO2 đều là oxit axit, khi cho đi qua dung dịch nước vôi trong (Ca(OH)2) đều phản ứng tạo ra kết tủa trắng.
Với CO2: CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3↓ + H2O (kết tủa trắng)
Với SO2: SO2 + Ca(OH)2 -> CaSO3↓ + H2O (kết tủa trắng)
Vì hiện tượng quan sát được là giống nhau (đều tạo kết tủa trắng làm vẩn đục dung dịch), nên không thể dùng nước vôi trong để phân biệt hai khí này.

Các em có chỗ nào chưa rõ thì cứ mạnh dạn hỏi nhé! Chúng ta cùng nhau thảo luận để hiểu bài tốt hơn.