Chào các em, thầy là giáo viên Hóa học của các em đây. Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau phân tích và giải quyết một bài toán rất hay và điển hình về CO2. Bài toán này đòi hỏi chúng ta phải tư duy logic và xét đến các khả năng có thể xảy ra của phản ứng.

Chúng ta hãy bắt đầu nhé!

Bước 1: Phân tích các dữ kiện và viết phương trình hóa học

Khi dẫn hỗn hợp khí gồm N2 và CO2 vào dung dịch Ca(OH)2 (nước vôi trong), chỉ có khí CO2 phản ứng. Khí N2 là khí trơ ở điều kiện này nên sẽ không tham gia phản ứng.

Phản ứng giữa CO2 và dung dịch Ca(OH)2 có thể xảy ra theo hai phương trình, tùy thuộc vào tỉ lệ số mol giữa chúng:

CO2 tác dụng với Ca(OH)2 tạo kết tủa trắng là canxi cacbonat (CaCO3).
\[ \text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 \downarrow + \text{H}_2\text{O} \quad (1) \]
Nếu CO2 dư, nó có thể tiếp tục hòa tan kết tủa CaCO3 vừa sinh ra để tạo thành muối tan là canxi hidrocacbonat (Ca(HCO3)2).
\[ \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CaCO}_3 \rightarrow \text{Ca(HCO}_3)_2 \quad (2) \]

Bước 2: Tính toán số mol các chất đã biết

Đầu tiên, chúng ta sẽ tính số mol của các chất mà đề bài đã cho số liệu cụ thể.

– Số mol canxi hidroxit \((\text{Ca(OH)}_2)\) có trong dung dịch:
Theo công thức \( n = C_M \times V \), ta có:
\[ n_{\text{Ca(OH)}_2} = 0,02 \times 2 = 0,04 \text{ (mol)} \]
– Số mol kết tủa canxi cacbonat \((\text{CaCO}_3)\) thu được:
Khối lượng mol của CaCO3 là \( M_{\text{CaCO}_3} = 40 + 12 + 16 \times 3 = 100 \) g/mol.
Theo công thức \( n = \frac{m}{M} \), ta có:
\[ n_{\text{CaCO}_3} = \frac{1}{100} = 0,01 \text{ (mol)} \]

Bước 3: Biện luận và xét các trường hợp có thể xảy ra

Đây là bước quan trọng nhất của bài toán. Vì sau phản ứng ta vẫn thu được kết tủa, nên sẽ có 2 khả năng:

Trường hợp 1: CO2 thiếu, Ca(OH)2 dư.

Trong trường hợp này, chỉ xảy ra phản ứng (1). CO2 đã phản ứng hết và lượng kết tủa được tính theo CO2.

Theo phương trình phản ứng (1):
\[ \text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 \downarrow + \text{H}_2\text{O} \]
Tỉ lệ mol là 1 : 1. Do đó, số mol CO2 phản ứng bằng số mol CaCO3 tạo thành.
\[ n_{\text{CO}_2 \text{ (pư)}} = n_{\text{CaCO}_3} = 0,01 \text{ (mol)} \]
Bây giờ, ta cần kiểm tra xem giả thiết Ca(OH)2 dư có đúng không. Số mol Ca(OH)2 đã phản ứng là:
\[ n_{\text{Ca(OH)}_2 \text{ (pư)}} = n_{\text{CaCO}_3} = 0,01 \text{ (mol)} \]
Ta thấy rằng số mol Ca(OH)2 phản ứng (0,01 mol) nhỏ hơn số mol Ca(OH)2 ban đầu (0,04 mol). Vậy giả thiết Ca(OH)2 dư là hoàn toàn hợp lý.

Từ đó, ta tính được thể tích khí CO2 đã tham gia phản ứng (ở đktc):
\[ V_{\text{CO}_2} = n_{\text{CO}_2} \times 22,4 = 0,01 \times 22,4 = 0,224 \text{ (lít)} \]
Phần trăm thể tích của CO2 trong hỗn hợp ban đầu là:
\[ \%V_{\text{CO}_2} = \frac{V_{\text{CO}_2}}{V_{\text{hỗn hợp}}} \times 100\% = \frac{0,224}{10} \times 100\% = 2,24\% \]

Trường hợp 2: CO2 dư, kết tủa bị hòa tan một phần.

Trong trường hợp này, cả hai phản ứng (1) và (2) đều xảy ra. Ban đầu, toàn bộ 0,04 mol Ca(OH)2 phản ứng hết để tạo ra lượng kết tủa tối đa, sau đó một phần kết tủa bị hòa tan.

– Theo phương trình (1): Ca(OH)2 phản ứng hết.
\[ \text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 \downarrow + \text{H}_2\text{O} \]
Số mol Ca(OH)2 ban đầu là 0,04 mol, vậy lượng CO2 tham gia ở phản ứng (1) và lượng CaCO3 tạo ra ở phản ứng (1) cũng là 0,04 mol.
\[ n_{\text{CO}_2 \text{ (pư 1)}} = n_{\text{CaCO}_3 \text{ (tạo thành)}} = n_{\text{Ca(OH)}_2} = 0,04 \text{ (mol)} \]
– Sau phản ứng (1), lượng kết tủa tạo ra là 0,04 mol. Nhưng cuối cùng ta chỉ thu được 0,01 mol. Điều này chứng tỏ một phần kết tủa đã bị hòa tan ở phản ứng (2).
Số mol CaCO3 đã bị hòa tan là:
\[ n_{\text{CaCO}_3 \text{ (bị hòa tan)}} = n_{\text{CaCO}_3 \text{ (tạo thành)}} – n_{\text{CaCO}_3 \text{ (còn lại)}} = 0,04 – 0,01 = 0,03 \text{ (mol)} \]
– Theo phương trình (2):
\[ \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CaCO}_3 \rightarrow \text{Ca(HCO}_3)_2 \]
Số mol CO2 cần để hòa tan 0,03 mol CaCO3 cũng là 0,03 mol.
\[ n_{\text{CO}_2 \text{ (pư 2)}} = n_{\text{CaCO}_3 \text{ (bị hòa tan)}} = 0,03 \text{ (mol)} \]
– Vậy, tổng số mol CO2 đã tham gia cả hai phản ứng là:
\[ n_{\text{CO}_2 \text{ (tổng cộng)}} = n_{\text{CO}_2 \text{ (pư 1)}} + n_{\text{CO}_2 \text{ (pư 2)}} = 0,04 + 0,03 = 0,07 \text{ (mol)} \]
Thể tích khí CO2 (ở đktc) là:
\[ V_{\text{CO}_2} = 0,07 \times 22,4 = 1,568 \text{ (lít)} \]
Phần trăm thể tích của CO2 trong hỗn hợp ban đầu là:
\[ \%V_{\text{CO}_2} = \frac{V_{\text{CO}_2}}{V_{\text{hỗn hợp}}} \times 100\% = \frac{1,568}{10} \times 100\% = 15,68\% \]

Bước 4: Kết luận

Vì cả hai trường hợp đều có thể xảy ra và đều thỏa mãn các dữ kiện của đề bài, nên bài toán này có hai đáp án.

Vậy, phần trăm theo thể tích của khí CO2 trong hỗn hợp là:
– 2,24% (nếu CO2 thiếu)
– 15,68% (nếu CO2 dư)

Các em thấy đấy, với dạng bài tập CO2 tác dụng với dung dịch kiềm, việc biện luận các trường hợp là vô cùng quan trọng để không bỏ sót nghiệm. Chúc các em học tốt