Phản ứng giữa NaOH dư và CO2 là một trong những phản ứng hóa học quan trọng, thường gặp trong các bài toán hóa học THPT và có nhiều ứng dụng thực tế. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về phản ứng này, bao gồm phương trình hóa học, các yếu tố ảnh hưởng, cách xác định sản phẩm và bài tập vận dụng.
1. Phương Trình Phản Ứng
Khi sục khí CO2 vào dung dịch NaOH, có thể xảy ra hai trường hợp tùy thuộc vào tỉ lệ mol giữa NaOH và CO2. Trong trường hợp NaOH dư, phản ứng xảy ra như sau:
CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O
2. Cách Tiến Hành Phản Ứng
Để thực hiện phản ứng, ta sục khí CO2 vào dung dịch NaOH. Nếu NaOH dư, toàn bộ CO2 sẽ phản ứng hết, tạo thành muối Na2CO3.
3. Phương Trình Ion Rút Gọn
Phương trình ion rút gọn giúp đơn giản hóa phản ứng và làm rõ bản chất của quá trình hóa học:
- Phương trình phân tử: CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O
- Phương trình ion đầy đủ: CO2 + 2Na+ + 2OH- → 2Na+ + CO32- + H2O
- Phương trình ion rút gọn: CO2 + 2OH- → CO32- + H2O
4. Xác Định Sản Phẩm
Trong trường hợp NaOH dư, sản phẩm chính của phản ứng là muối Na2CO3 (natri cacbonat) và nước. Điều này xảy ra khi tỉ lệ mol NaOH/CO2 lớn hơn hoặc bằng 2.
5. Ảnh Hưởng Của Lượng NaOH
Lượng NaOH đóng vai trò quan trọng trong việc xác định sản phẩm của phản ứng.
- Nếu NaOH dư (nNaOH/nCO2 ≥ 2): Sản phẩm là Na2CO3.
- Nếu CO2 dư (nNaOH/nCO2 ≤ 1): Sản phẩm là NaHCO3.
- Nếu 1 < nNaOH/nCO2 < 2: Sản phẩm là hỗn hợp cả Na2CO3 và NaHCO3.
6. Mở Rộng Kiến Thức Về CO2
6.1. Cấu Tạo Phân Tử
CO2 có cấu trúc tuyến tính O=C=O, không phân cực.
6.2. Tính Chất Vật Lý
- Là khí không màu, nặng hơn không khí.
- Tan ít trong nước.
- Hóa rắn ở nhiệt độ thấp, tạo thành nước đá khô.
6.3. Tính Chất Hóa Học
- Không duy trì sự cháy.
- Là oxit axit, tác dụng với nước tạo axit cacbonic (H2CO3).
- Tác dụng với oxit bazơ và dung dịch kiềm.
Ví dụ:
CaO + CO2 → CaCO3
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O (NaOH dư)
NaOH + CO2 → NaHCO3 (CO2 dư)
6.4. Điều Chế
- Trong phòng thí nghiệm: Cho axit HCl tác dụng với CaCO3.
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O
- Trong công nghiệp: Thu hồi từ quá trình đốt cháy than, chuyển hóa khí thiên nhiên, nung vôi, lên men rượu.
7. Bài Tập Vận Dụng
Câu 1: Sục 4,48 lít khí CO2 (đktc) vào 200 ml dung dịch NaOH 2M. Sau phản ứng, thu được dung dịch chứa những chất nào?
Hướng dẫn giải:
nCO2 = 4.48/22.4 = 0.2 mol
nNaOH = 0.2 * 2 = 0.4 mol
Vì nNaOH/nCO2 = 0.4/0.2 = 2, phản ứng tạo ra Na2CO3.
Dung dịch sau phản ứng chứa Na2CO3.
Câu 2: Hấp thụ hoàn toàn 3,36 lít CO2 (đktc) vào 200 ml dung dịch NaOH 1M. Tính khối lượng muối thu được sau phản ứng.
Hướng dẫn giải:
nCO2 = 3.36/22.4 = 0.15 mol
nNaOH = 0.2 * 1 = 0.2 mol
Vì 1 < nNaOH/nCO2 = 0.2/0.15 = 1.33 < 2, phản ứng tạo ra cả Na2CO3 và NaHCO3.
Gọi x là số mol Na2CO3 và y là số mol NaHCO3.
Ta có hệ phương trình:
x + y = 0.15 (theo CO2)
2x + y = 0.2 (theo NaOH)
Giải hệ phương trình, ta được x = 0.05 mol và y = 0.1 mol.
Khối lượng muối thu được = 0.05 106 + 0.1 84 = 5.3 + 8.4 = 13.7 gam.
Câu 3: Cho 11,2 lít CO2 (đktc) hấp thụ hoàn toàn vào 400ml dung dịch hỗn hợp NaOH 1M và Ca(OH)2 0,5M thu được m gam kết tủa. Tính giá trị của m.
Hướng dẫn giải:
nCO2 = 11.2/22.4 = 0.5 mol
nNaOH = 0.4 * 1 = 0.4 mol
nCa(OH)2 = 0.4 * 0.5 = 0.2 mol
nOH- = nNaOH + 2nCa(OH)2 = 0.4 + 2 * 0.2 = 0.8 mol
Vì nOH-/nCO2 = 0.8/0.5 = 1.6, phản ứng tạo ra cả CO32- và HCO3-.
nCO32- = nOH- – nCO2 = 0.8 – 0.5 = 0.3 mol
Kết tủa là CaCO3, số mol CaCO3 = min(nCO32-, nCa2+) = min(0.3, 0.2) = 0.2 mol
m = 0.2 * 100 = 20 gam.
8. Ứng Dụng Thực Tế
Phản ứng giữa NaOH và CO2 có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và đời sống:
- Hấp thụ CO2: Sử dụng dung dịch NaOH để loại bỏ CO2 trong các quy trình công nghiệp hoặc trong không gian kín như tàu ngầm.
- Sản xuất hóa chất: Tạo ra các sản phẩm như Na2CO3 (soda) và NaHCO3 (baking soda), có nhiều ứng dụng trong sản xuất và đời sống hàng ngày.
9. Kết Luận
Phản ứng giữa NaOH dư và CO2 là một phản ứng quan trọng trong hóa học vô cơ. Việc nắm vững phương trình phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng và cách xác định sản phẩm giúp giải quyết các bài tập liên quan và hiểu rõ hơn về ứng dụng thực tế của phản ứng này.
