Chào các em học sinh yêu quý, hôm nay cô trò mình cùng nhau chinh phục một bài tập Hóa học rất hay và quen thuộc về phản ứng của CO2 với dung dịch kiềm, cụ thể là KOH và Ba(OH)2. Chúng ta sẽ đi sâu vào từng bước để hiểu rõ bản chất của bài toán và rèn luyện kỹ năng giải toán Hóa học.

Trước hết, chúng ta cần xác định rõ lượng chất ban đầu.
Dung dịch thu được gồm KOH và Ba(OH)2.
Số mol KOH: n(KOH) = C_M V = 0,5 mol/l 0,8 l = 0,4 mol
Số mol Ba(OH)2: n(Ba(OH)2) = C_M V = 0,2 mol/l 0,8 l = 0,16 mol

Khi sục khí CO2 vào dung dịch này, CO2 sẽ tác dụng với các bazơ.
CO2 tác dụng với Ba(OH)2 trước vì Ba(OH)2 là bazơ mạnh hơn và tỉ lệ mol với CO2 ban đầu có thể dẫn đến kết tủa.

Bước 1: Phân tích các phản ứng có thể xảy ra và viết phương trình hóa học.

CO2 tác dụng với dung dịch chứa KOH và Ba(OH)2 có thể xảy ra các trường hợp sau, tùy thuộc vào tỉ lệ mol giữa CO2 và các bazơ:

Trường hợp 1: CO2 thiếu hoặc vừa đủ để tạo muối cacbonat.
CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O (1)
CO2 + Ba(OH)2 -> BaCO3↓ + H2O (2)

Trường hợp 2: CO2 dư, tạo muối cacbonat và sau đó phản ứng tiếp với muối cacbonat để tạo muối axit.
K2CO3 + CO2 + H2O -> 2KHCO3 (3)
BaCO3 + CO2 + H2O -> Ba(HCO3)2 (4)

Bước 2: Biểu diễn số mol các chất phản ứng và sản phẩm theo a (mol CO2).

Ta có số mol ban đầu của các bazơ:
n(KOH) = 0,4 mol
n(Ba(OH)2) = 0,16 mol

Số mol OH- trong dung dịch ban đầu là:
n(OH-) = n(KOH) + 2 n(Ba(OH)2) = 0,4 + 2 0,16 = 0,4 + 0,32 = 0,72 mol

1. Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa a và số mol kết tủa.

Ở đây, kết tủa chỉ có thể là BaCO3 vì K2CO3 và KHCO3 là các muối tan.
Số mol kết tủa cực đại có thể đạt được là số mol BaCO3, bằng số mol Ba(OH)2 ban đầu, tức là 0,16 mol.

Chúng ta sẽ xét các giai đoạn phản ứng dựa trên lượng CO2 sục vào:

Giai đoạn 1: CO2 phản ứng với Ba(OH)2 tạo kết tủa BaCO3.
CO2 + Ba(OH)2 -> BaCO3↓ + H2O
Tỉ lệ mol là 1:1:1.
Số mol CO2 phản ứng là x mol.
Số mol BaCO3 tạo ra là x mol.
Giai đoạn này xảy ra khi lượng CO2 nhỏ hơn hoặc bằng số mol Ba(OH)2.
0 <= a <= 0,16 mol. Số mol kết tủa = a. Giai đoạn 2: Khi CO2 đã phản ứng hết với Ba(OH)2 (a = 0,16 mol), CO2 bắt đầu phản ứng với KOH để tạo K2CO3. CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O
Tỉ lệ mol là 1:2.
Số mol CO2 cần để phản ứng hết với 0,4 mol KOH là 0,4 / 2 = 0,2 mol.
Số mol CO2 lúc này đã vượt quá 0,16 mol.
Nếu CO2 chỉ phản ứng với KOH tạo K2CO3, thì lượng CO2 đã dùng là:
Số mol CO2 đã dùng = 0,16 (với Ba(OH)2) + số mol CO2 phản ứng với KOH.
Trong giai đoạn này, toàn bộ Ba(OH)2 đã phản ứng, tạo ra 0,16 mol BaCO3.
Khi a > 0,16 mol, CO2 sẽ tiếp tục phản ứng với KOH.
Phản ứng: CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O
Lượng CO2 đã dùng cho đến thời điểm này là a mol.
Lượng CO2 phản ứng với Ba(OH)2 là 0,16 mol.
Lượng CO2 còn lại để phản ứng với KOH là a – 0,16 mol.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng CO2 có thể phản ứng theo hai cách với dung dịch kiềm:
Cách 1: CO2 + 2OH- -> CO3(2-) + H2O
Cách 2: CO2 + CO3(2-) + H2O -> 2HCO3-

Chúng ta hãy xét tổng số mol OH- là 0,72 mol và tổng số mol CO2 là a mol.

– Khi a <= 0,36 mol (tỉ lệ mol CO2 / OH- <= 1/2): Trong trường hợp này, CO2 phản ứng với OH- tạo ra CO3(2-). CO2 + 2OH- -> CO3(2-) + H2O
Số mol CO3(2-) tạo ra = a mol.
Số mol kết tủa BaCO3 phụ thuộc vào số mol Ba(OH)2 và số mol CO3(2-) tạo ra.
Nếu a <= 0,16 mol (tức là CO2 chưa đủ để phản ứng hết với Ba(OH)2 theo tỉ lệ 1:1): Số mol kết tủa BaCO3 = a mol. Đồ thị: Đoạn thẳng đi lên từ (0,0) đến (0,16; 0,16). Nếu 0,16 < a <= 0,36 mol: Lúc này, 0,16 mol CO2 đã phản ứng hết với 0,16 mol Ba(OH)2 tạo 0,16 mol BaCO3. Số mol CO2 còn lại là a - 0,16 mol. Số mol OH- còn lại là 0,72 - 2*0,16 = 0,72 - 0,32 = 0,4 mol (từ KOH). CO2 tiếp tục phản ứng với KOH: CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O
Số mol CO2 phản ứng với KOH là a – 0,16 mol.
Lượng OH- còn lại là 0,4 mol.
Ta có tỉ lệ mol CO2 / OH- mới là (a – 0,16) / 0,4.
Nếu (a – 0,16) / 0,4 <= 1/2 hay a - 0,16 <= 0,2 hay a <= 0,36: CO2 phản ứng với OH- tạo CO3(2-). Số mol CO3(2-) tạo ra = a - 0,16 mol. Số mol BaCO3 ban đầu là 0,16 mol. Số mol CO3(2-) tạo ra là a - 0,16 mol. Số mol kết tủa BaCO3 = 0,16 mol. Tại a = 0,16 mol, kết tủa là 0,16 mol. Tại a = 0,36 mol, số mol CO2 là 0,36 mol. Số mol OH- là 0,72 mol. Tỉ lệ 0,36/0,72 = 1/2. Số mol CO3(2-) tạo ra = a = 0,36 mol. Số mol BaCO3 = 0,16 mol. Vậy trong khoảng 0,16 < a <= 0,36, số mol kết tủa vẫn là 0,16 mol. Đồ thị: Đoạn thẳng nằm ngang tại 0,16 mol kết tủa, từ a = 0,16 đến a = 0,36. - Khi a > 0,36 mol (tỉ lệ mol CO2 / OH- > 1/2):
Lúc này, CO2 đã đủ để chuyển toàn bộ CO3(2-) thành HCO3-.
CO3(2-) + CO2 + H2O -> 2HCO3-
Hoặc đối với bazơ:
BaCO3 + CO2 + H2O -> Ba(HCO3)2
K2CO3 + CO2 + H2O -> 2KHCO3

Tại a = 0,36 mol, ta có 0,16 mol BaCO3 và 0,2 mol K2CO3. Tổng cộng 0,16 mol BaCO3 kết tủa.
Khi a tăng từ 0,36 mol:
CO2 sẽ phản ứng với BaCO3 để hòa tan kết tủa.
BaCO3 + CO2 + H2O -> Ba(HCO3)2
Số mol CO2 phản ứng để hòa tan BaCO3 là:
Cần 1 mol CO2 để hòa tan 1 mol BaCO3.
Số mol CO2 cần để hòa tan hết 0,16 mol BaCO3 là 0,16 mol.
Số mol CO2 bắt đầu hòa tan kết tủa là a – 0,36 mol.
Khi a = 0,36 mol, kết tủa là 0,16 mol.
Khi a = 0,36 + 0,16 = 0,52 mol:
Lượng CO2 này đã đủ để hòa tan hết 0,16 mol BaCO3.
Số mol kết tủa lúc này giảm dần từ 0,16 mol xuống 0 mol.
Số mol kết tủa = 0,16 – (a – 0,36) = 0,52 – a.
Đồ thị: Đoạn thẳng đi xuống từ (0,36; 0,16) đến (0,52; 0).

Tóm lại, đồ thị có 3 đoạn:
Đoạn 1: Từ a = 0 đến 0,16 mol, số mol kết tủa tăng tuyến tính từ 0 đến 0,16 mol. (y = a)
Đoạn 2: Từ a = 0,16 mol đến 0,36 mol, số mol kết tủa không đổi ở mức 0,16 mol. (y = 0,16)
Đoạn 3: Từ a = 0,36 mol đến 0,52 mol, số mol kết tủa giảm tuyến tính từ 0,16 mol về 0 mol. (y = 0,52 – a)
Sau a = 0,52 mol, số mol kết tủa bằng 0.

2. Tìm giá trị của a để lượng kết tủa cực đại.

Lượng kết tủa cực đại chính là lượng BaCO3 được tạo thành ban đầu khi CO2 chưa kịp hòa tan nó.
Lượng kết tủa cực đại bằng số mol Ba(OH)2 ban đầu, tức là 0,16 mol.
Điều này xảy ra khi toàn bộ Ba(OH)2 đã phản ứng tạo kết tủa và CO2 chưa đủ để phản ứng tiếp với K2CO3 tạo thành hoặc chưa đủ để hòa tan BaCO3.
Trong giai đoạn 2 của đồ thị, số mol kết tủa là 0,16 mol.
Giai đoạn này bắt đầu từ khi CO2 phản ứng hết với Ba(OH)2 (a = 0,16 mol) và kết thúc khi CO2 bắt đầu phản ứng với K2CO3 để tạo muối axit hoặc bắt đầu hòa tan BaCO3.
Ta thấy rằng, trong khoảng 0,16 <= a <= 0,36 mol, số mol kết tủa là cực đại và bằng 0,16 mol. Vậy, giá trị của a để lượng kết tủa cực đại nằm trong khoảng từ 0,16 mol đến 0,36 mol. 3. Tìm giá trị của a để khối lượng kết tủa bằng 19,7 gam.

Khối lượng mol của BaCO3 là: M(BaCO3) = 137 + 12 + 3*16 = 197 g/mol.
Số mol kết tủa = Khối lượng / Khối lượng mol = 19,7 g / 197 g/mol = 0,1 mol.

Chúng ta xét các trường hợp có thể xảy ra số mol kết tủa là 0,1 mol:

Trường hợp 1: Kết tủa đang trong giai đoạn tạo thành (Đoạn 1 của đồ thị).
Số mol kết tủa = a.
Vậy a = 0,1 mol.
Kiểm tra điều kiện: 0 <= a <= 0,16. Điều kiện này thỏa mãn. Vậy có một giá trị a = 0,1 mol. Trường hợp 2: Kết tủa đang trong giai đoạn hòa tan (Đoạn 3 của đồ thị). Số mol kết tủa = 0,52 - a. Vậy 0,52 - a = 0,1 a = 0,52 - 0,1 = 0,42 mol. Kiểm tra điều kiện: 0,36 < a <= 0,52. Điều kiện này thỏa mãn. Vậy có một giá trị a = 0,42 mol. Có hai giá trị của a để khối lượng kết tủa bằng 19,7 gam là 0,1 mol và 0,42 mol. 4. Nếu giá trị của a bằng 0,5 thì khối lượng kết tủa bằng mấy gam?

Khi a = 0,5 mol.
Ta xét xem phản ứng đang ở giai đoạn nào.
Ta đã tính toán ở phần vẽ đồ thị:
– Nếu a <= 0,16: Kết tủa là a mol. - Nếu 0,16 < a <= 0,36: Kết tủa là 0,16 mol. - Nếu 0,36 < a <= 0,52: Kết tủa là 0,52 - a mol. - Nếu a > 0,52: Kết tủa bằng 0 mol.

Vì a = 0,5 mol thuộc khoảng 0,36 < a <= 0,52, nên số mol kết tủa được tính theo công thức: Số mol kết tủa = 0,52 - a = 0,52 - 0,5 = 0,02 mol. Khối lượng kết tủa BaCO3 là: Khối lượng = Số mol Khối lượng mol = 0,02 mol 197 g/mol = 3,94 gam.

Vậy, nếu giá trị của a bằng 0,5 thì khối lượng kết tủa bằng 3,94 gam.

Các em thấy đó, bài toán này đòi hỏi chúng ta phải nắm vững thứ tự phản ứng và các tỉ lệ mol. Việc vẽ đồ thị giúp chúng ta hình dung rõ ràng hơn sự thay đổi của lượng kết tủa theo lượng CO2. Hãy ôn tập kỹ phần này để làm tốt các bài tập tương tự nhé!