Chào các em học sinh yêu quý! Hôm nay, thầy trò chúng ta sẽ cùng nhau “mổ xẻ” một bài tập khá thú vị liên quan đến phản ứng trung hòa của bazơ Ba(OH)₂ và axit photphoric H₃PO₄, đặc biệt là khi có tỉ lệ phản ứng cụ thể. Đây là một dạng bài tập rất hay gặp trong chương trình Hóa học lớp 11, đòi hỏi các em phải nắm vững kiến thức về axit, bazơ, muối và phương trình ion.

Chúng ta bắt đầu nhé!

1. Phân tích đề bài và nhận định các chất phản ứng

Trước hết, chúng ta cần xác định bản chất của các chất tham gia phản ứng:

• Ba(OH)₂ (Bari hiđroxit): Đây là một bazơ mạnh, tan trong nước. Trong dung dịch, Ba(OH)₂ là chất điện li mạnh, sẽ phân li hoàn toàn thành ion Ba²⁺ và OH^–. Mỗi phân tử Ba(OH)₂ sẽ phân li ra 2 ion OH^–.
• H₃PO₄ (Axit photphoric): Đây là một axit trung bình yếu. Điều quan trọng cần nhớ là H₃PO₄ là axit đa chức (hay đa axit), có 3 nguyên tử hiđro có khả năng phân li ra ion H⁺. Tuy nhiên, vì là axit yếu, nên trong phương trình ion rút gọn, chúng ta giữ nguyên dạng phân tử H₃PO₄.

Yếu tố then chốt: Tỉ lệ 3:2 (Ba(OH)₂ : H₃PO₄)
Axit H₃PO₄ có 3 nấc phân li H⁺, nên nó có thể tạo ra các muối khác nhau tùy thuộc vào tỉ lệ phản ứng với bazơ:

• Muối đihiđrophotphat: XH₂PO₄ (khi nhường 1 H⁺)
• Muối hiđrophotphat: X₂HPO₄ (khi nhường 2 H⁺)
• Muối photphat: X₃PO₄ (khi nhường 3 H⁺)

Việc đề bài cho tỉ lệ 3:2 giữa Ba(OH)₂ và H₃PO₄ là một gợi ý cực kỳ quan trọng để chúng ta xác định sản phẩm cuối cùng.

2. Xác định sản phẩm tạo thành

Chúng ta sẽ dựa vào tỉ lệ H⁺ và OH^– để xác định loại muối photphat tạo thành.

Tỉ lệ mol: n_Ba(OH)2 : n_H3PO4 = 3 : 2

Từ 3 mol Ba(OH)₂, ta có số mol ion OH^– là: \(3 \text{ mol Ba(OH)}_2 \times 2 \text{ mol OH}^-/\text{mol Ba(OH)}_2 = 6 \text{ mol OH}^-\).

Từ 2 mol H₃PO₄, để trung hòa hoàn toàn 6 mol OH^–, mỗi mol H₃PO₄ cần phải nhường đi: \(6 \text{ mol OH}^- / 2 \text{ mol H}_3\text{PO}_4 = 3 \text{ mol H}^-/\text{mol H}_3\text{PO}_4\).

Điều này có nghĩa là, trong phản ứng này, mỗi phân tử H₃PO₄ đã nhường cả 3 ion H⁺ của mình để phản ứng với OH^–. Khi H₃PO₄ nhường 3 H⁺, nó sẽ tạo thành ion photphat (PO₄^3-).

Ion Ba²⁺ và ion PO₄^3- sẽ kết hợp với nhau để tạo thành muối. Để tạo thành một hợp chất trung hòa điện, chúng ta cần cân bằng điện tích:

Nếu có 3 ion Ba²⁺ (tổng điện tích là \(+2 \times 3 = +6\))
Nếu có 2 ion PO₄^3- (tổng điện tích là \(-3 \times 2 = -6\))

Như vậy, sản phẩm muối tạo thành là Ba₃(PO₄)₂ (Bari photphat). Theo bảng tính tan, bari photphat là một muối không tan trong nước (kết tủa).

Ngoài ra, phản ứng axit – bazơ luôn tạo ra nước (H₂O).

3. Viết phương trình phản ứng hóa học (phương trình phân tử)

Chúng ta đã xác định được các chất phản ứng và sản phẩm. Bây giờ chúng ta sẽ viết phương trình và cân bằng nó:

Ba(OH)₂ (aq) + H₃PO₄ (aq) → Ba₃(PO₄)₂ (s) + H₂O (l)

Bây giờ, chúng ta cân bằng phương trình theo tỉ lệ 3:2 đã cho:

3Ba(OH)₂ (aq) + 2H₃PO₄ (aq) → Ba₃(PO₄)₂ (s) + H₂O (l)

Kiểm tra số nguyên tử của từng nguyên tố:

• Bari (Ba): Bên trái có \(3 \times 1 = 3\) nguyên tử Ba. Bên phải có 3 nguyên tử Ba. (Đã cân bằng)
• Photpho (P): Bên trái có \(2 \times 1 = 2\) nguyên tử P. Bên phải có \(1 \times 2 = 2\) nguyên tử P. (Đã cân bằng)

Bây giờ, chúng ta cân bằng nguyên tử hiđro (H) hoặc oxi (O) trước khi cân bằng nguyên tử còn lại. Cân bằng H trước thường dễ hơn:

• Hiđro (H):
  • Từ Ba(OH)₂: \(3 \times 2 = 6\) nguyên tử H.
  • Từ H₃PO₄: \(2 \times 3 = 6\) nguyên tử H.
  • Tổng số nguyên tử H bên trái là \(6 + 6 = 12\) nguyên tử H.
  • Bên phải, trong H₂O có 2 nguyên tử H. Để có 12 nguyên tử H, cần \(12 / 2 = 6\) phân tử H₂O.

Vậy, hệ số của H₂O là 6.

3Ba(OH)₂ (aq) + 2H₃PO₄ (aq) → Ba₃(PO₄)₂ (s) + 6H₂O (l)

Kiểm tra lại nguyên tử oxi (O) để đảm bảo cân bằng cuối cùng:

• Oxi (O):
  • Từ Ba(OH)₂: \(3 \times 2 = 6\) nguyên tử O.
  • Từ H₃PO₄: \(2 \times 4 = 8\) nguyên tử O.
  • Tổng số nguyên tử O bên trái là \(6 + 8 = 14\) nguyên tử O.
  • Bên phải, trong Ba₃(PO₄)₂ có \(2 \times 4 = 8\) nguyên tử O. Trong 6H₂O có \(6 \times 1 = 6\) nguyên tử O.
  • Tổng số nguyên tử O bên phải là \(8 + 6 = 14\) nguyên tử O. (Đã cân bằng)

Phương trình phân tử đã được cân bằng hoàn chỉnh.

4. Viết phương trình ion rút gọn

Để viết phương trình ion rút gọn, chúng ta cần phân li các chất điện li mạnh thành ion và giữ nguyên các chất điện li yếu, kết tủa, khí hoặc nước ở dạng phân tử.

• Ba(OH)₂: là bazơ mạnh, chất điện li mạnh. Phân li thành ion:
  
  \(3\text{Ba(OH)}_2 \text{ (aq)} \rightarrow 3\text{Ba}^{2+}\text{ (aq)} + 6\text{OH}^-\text{ (aq)}\)
• H₃PO₄: là axit yếu, chất điện li yếu. Giữ nguyên dạng phân tử trong phương trình ion rút gọn.
• Ba₃(PO₄)₂: là muối kết tủa (không tan). Giữ nguyên dạng phân tử.
• H₂O: là chất điện li yếu (cực yếu) và là sản phẩm tạo thành. Giữ nguyên dạng phân tử.

Vậy, phương trình ion đầy đủ sẽ là:

\(3\text{Ba}^{2+}\text{ (aq)} + 6\text{OH}^-\text{ (aq)} + 2\text{H}_3\text{PO}_4\text{ (aq)} \rightarrow \text{Ba}_3(\text{PO}_4)_2\text{ (s)} + 6\text{H}_2\text{O (l)}\)

Trong phương trình này, chúng ta thấy không có ion nào xuất hiện ở cả hai vế (ion khán giả). Điều này có nghĩa là tất cả các ion và phân tử đã viết đều trực tiếp tham gia vào phản ứng hoặc là sản phẩm tạo thành. Do đó, phương trình ion đầy đủ này cũng chính là phương trình ion rút gọn.

3Ba²⁺ (aq) + 6OH^– (aq) + 2H₃PO₄ (aq) → Ba₃(PO₄)₂ (s) + 6H₂O (l)

Giải thích:

Phản ứng giữa Ba(OH)₂ và H₃PO₄ là một phản ứng trung hòa điển hình giữa bazơ và axit. Điểm đặc biệt của bài toán này nằm ở tỉ lệ mol 3:2 giữa Ba(OH)₂ và H₃PO₄, dẫn đến việc hình thành muối trung hòa Ba₃(PO₄)₂ (bari photphat).

• Sự tham gia của các ion: Ba(OH)₂ là bazơ mạnh, phân li hoàn toàn thành ion Ba²⁺ và OH^– trong dung dịch. H₃PO₄ là axit yếu, nên nó tồn tại chủ yếu dưới dạng phân tử trong dung dịch và chỉ phân li từng nấc. Ở tỉ lệ 3:2 này, 2 phân tử H₃PO₄ đã nhường tổng cộng 6 ion H⁺ để phản ứng với 6 ion OH^– từ 3 phân tử Ba(OH)₂, tạo thành 6 phân tử nước.
• Sự hình thành kết tủa: Sau khi các ion H⁺ và OH^– trung hòa nhau, các ion Ba²⁺ còn lại và các anion photphat (PO₄^3-) (được tạo ra từ H₃PO₄ khi nó nhường 3H⁺) kết hợp lại. Vì Ba₃(PO₄)₂ là một muối không tan trong nước, nó sẽ tách ra khỏi dung dịch dưới dạng kết tủa rắn (kí hiệu “s”). Sự hình thành kết tủa là một trong những động lực chính thúc đẩy phản ứng diễn ra hoàn toàn.
• Bản chất của phương trình ion rút gọn: Phương trình ion rút gọn chỉ biểu diễn các ion và phân tử trực tiếp tham gia vào sự biến đổi hóa học. Trong trường hợp này, các ion Ba²⁺, OH^– và phân tử H₃PO₄ đều tham gia tạo thành sản phẩm mới là Ba₃(PO₄)₂ và H₂O. Không có ion nào là “khán giả” không thay đổi trước và sau phản ứng.

Hy vọng bài giải chi tiết này đã giúp các em hiểu rõ hơn về cách giải quyết dạng bài tập này nhé! Chúc các em học tốt!