Phần 1: Phân tích thí nghiệm ban đầu

Đề bài cho chúng ta một thí nghiệm: Cho 1 ml dung dịch BaCl2 0,1 M vào 5 mL dung dịch H3PO4 0,1 M.

Bước 1: Tính số mol các chất phản ứng.
Số mol BaCl2:
n(BaCl2) = V C = 0.001 L 0.1 mol/L = 0.0001 mol

Số mol H3PO4:
n(H3PO4) = V C = 0.005 L 0.1 mol/L = 0.0005 mol

Bước 2: Viết phương trình phản ứng có thể xảy ra.
Phản ứng trao đổi ion trong dung dịch thường xảy ra khi có sự tạo thành chất kết tủa, chất khí hoặc nước. Trong trường hợp này, bazơ mạnh là Ba(OH)2 và axit mạnh là H3PO4 có thể phản ứng với nhau. Tuy nhiên, ban đầu chúng ta chỉ cho BaCl2 tác dụng với H3PO4.

Các ion có trong dung dịch ban đầu là: Ba^2+, Cl^-, H3PO4 (ở dạng phân tử chưa điện li hoặc điện li một phần).

Phản ứng tạo kết tủa bari photphat có dạng:
3Ba^2+ + 2PO4^3- -> Ba3(PO4)2 (kết tủa)

Tuy nhiên, H3PO4 là một axit đa nấc, nó phân li theo các cân bằng sau:
H3PO4 <=> H+ + H2PO4^- (ka1 = 10^-2.23)
H2PO4^- <=> H+ + HPO4^2- (ka2 = 10^-7.21)
HPO4^2- <=> H+ + PO4^3- (ka3 = 10^-12.32)

Do ka1 rất lớn so với ka2 và ka3, nên trong dung dịch H3PO4 chủ yếu tồn tại dưới dạng H3PO4 phân tử và ion H2PO4^-. Nồng độ của ion PO4^3- là rất nhỏ.

Bước 3: Xem xét tỉ lệ mol và khả năng tạo kết tủa.
Để tạo thành kết tủa Ba3(PO4)2, cần có ion Ba^2+ và ion PO4^3-.
Ta có n(Ba^2+) ban đầu là 0.0001 mol.
Trong dung dịch H3PO4 ban đầu, do sự điện li của H3PO4 ở các nấc yếu (đặc biệt là nấc 3, ka3 = 10^-12.32), nồng độ ion PO4^3- là cực kỳ thấp.
Tỉ lệ mol H3PO4 so với BaCl2 là 0.0005 / 0.0001 = 5, nghĩa là H3PO4 dư.

Vì nồng độ ion PO4^3- trong dung dịch H3PO4 loãng là rất nhỏ, nên ngay cả khi có đủ ion Ba^2+, lượng ion PO4^3- cũng không đủ để vượt qua tích số tan của Ba3(PO4)2, do đó không thấy xuất hiện kết tủa.

Phần 2: Giải thích sự xuất hiện kết tủa sau khi thêm NaOH

Sau khi được giáo viên tư vấn, nhóm học sinh đã thêm từ từ dung dịch NaOH vào hỗn hợp. NaOH là một bazơ mạnh, sẽ phản ứng với axit.

Bước 1: Phản ứng của NaOH với H3PO4.
NaOH sẽ phản ứng với H3PO4 theo các phương trình sau:
NaOH + H3PO4 -> NaH2PO4 + H2O
2NaOH + H3PO4 -> Na2HPO4 + 2H2O
3NaOH + H3PO4 -> Na3PO4 + 3H2O

Do NaOH được thêm từ từ, nó sẽ phản ứng lần lượt với H3PO4. Khi NaOH dư, nó sẽ phản ứng mạnh mẽ để tạo ra ion photphat PO4^3-.
2NaOH + H2PO4^- -> 2Na^+ + PO4^3- + 2H2O (nếu có H2PO4^-)
NaOH + HPO4^2- -> Na+ + PO4^3- + H2O (nếu có HPO4^2-)

Quan trọng nhất, NaOH sẽ làm tăng nồng độ ion OH-. Ion OH- có thể phản ứng với các ion H+ trong dung dịch, làm dịch chuyển các cân bằng điện li của H3PO4 sang phải, tăng nồng độ các ion có số oxi hóa photpho cao hơn (H2PO4^-, HPO4^2-, và cuối cùng là PO4^3-).

Bước 2: Xét sự chuyển dịch cân bằng điện li của H3PO4.
Ban đầu, H3PO4 phân li theo ba nấc:
1. H3PO4 <=> H+ + H2PO4^-
2. H2PO4^- <=> H+ + HPO4^2-
3. HPO4^2- <=> H+ + PO4^3-

Khi thêm NaOH, nồng độ OH- tăng lên. Ion OH- sẽ kết hợp với các ion H+ có sẵn trong dung dịch theo phản ứng:
OH- + H+ -> H2O

Theo nguyên lý Lơ-sat-li-ê, sự giảm nồng độ ion H+ sẽ làm các cân bằng điện li của H3PO4 dịch chuyển theo chiều thuận, tức là theo chiều tạo ra nhiều ion H+ hơn. Điều này sẽ dẫn đến sự tăng nồng độ các ion H2PO4^-, HPO4^2- và PO4^3-.
Cụ thể, nồng độ ion PO4^3- sẽ tăng lên đáng kể.

Bước 3: Phản ứng tạo kết tủa Ba3(PO4)2.
Khi nồng độ ion PO4^3- đủ lớn do tác dụng của NaOH và sự chuyển dịch cân bằng, nó sẽ phản ứng với ion Ba^2+ đã có sẵn trong dung dịch từ BaCl2 để tạo thành kết tủa bari photphat:
3Ba^2+ (trong dung dịch) + 2PO4^3- (tăng nồng độ) -> Ba3(PO4)2 (kết tủa)

Tổng kết lại:
Thí nghiệm ban đầu không thấy kết tủa vì nồng độ ion PO4^3- trong dung dịch H3PO4 0,1 M là quá thấp.
Khi thêm NaOH, bazơ mạnh này phản ứng với H3PO4, tạo ra các ion photphat và làm tăng nồng độ ion OH-. Sự gia tăng nồng độ OH- làm dịch chuyển các cân bằng điện li của H3PO4 sang phải, đẩy mạnh sự hình thành ion PO4^3-. Khi nồng độ PO4^3- đủ lớn, nó sẽ kết hợp với ion Ba^2+ có sẵn trong dung dịch để tạo thành kết tủa Ba3(PO4)2.

Hy vọng các em đã hiểu rõ bài tập này. Việc nắm vững kiến thức về cân bằng điện li và phản ứng trao đổi ion là rất quan trọng để giải thích các hiện tượng hóa học.