Bài tập CO2 tác dụng với dung dịch kiềm

n_OH- = 0,15 mol ; n_CO2 = 0,1 mol => n_CO2 < n_OH- < 2.n_CO2

=> n_CO3 = n_OH – n_CO2 = 0,05 mol

Vì n_CO3 < n_Ca2+ => n_CaCO3 = n_CO3 = 0,05 mol

=> m_{kết tủa} = 5 gam

n_OH- = 0,15 mol ; n_CO2 = 0,1 mol => n_CO2 < n_OH- < 2.n_CO2

=> n_CO3 = n_OH – n_CO2 = 0,05 mol

Vì n_CO3 < n_Ca2+ => n_CaCO3 = n_CO3 = 0,05 mol

=> m_{kết tủa} = 5 gam

n_CO2 = 0,05 mol;  n_OH = n_NaOH + n_KOH = 0,08+0,05= 0,13 mol > 2n_CO2

=> OH^- dư

=> n_CO3 =  n_CO2 = 0,05 mol

Và n_{OH- dư} = n_{OH- ban đầu} – n_{OH- phản ứng} = n_{OH- ban đầu} -2\({n_{CO_3^{2 - }}}\) = 0,03 mol

=> m_rắn = m_Na + m_K + m_CO3 + m_{OH dư} = 7,3 gam

V lớn nhất khi có hiện tượng hòa tan kết tủa => thuộc trường hợp n_CO2 < n_OH- < 2.n_CO2

n_OH = n_NaOH + n_KOH + 2n_Ba(OH)2 = 1 mol

n_BaCO3 = 0,2 mol < n_Ba2+ = 0,3 mol => CO₃^2- tạo hết thành kết tủa

=> n_CO2 = n_OH – n_BaCO3 = 1-0,2 = 0,8 mol

=> V = 17,92 lit

n_CO2 = 0,2 mol; n_KOH = 0,5 mol > 2n_CO2 => OH^- dư

=> dung dịch sau phản ứng gồm K₂CO₃ 0,2 mol và KOH dư = 0,5- 0,2.2 = 0,1 mol

Nhỏ từ từ HCl đến khi có khí thì dừng, có các phản ứng sau :

HCl + KOH → KCl + H₂O

K₂CO₃ + HCl → KHCO₃ + KCl

=> n_HCl = n_KOH + n_K2CO3 = 0,1+0,2 = 0,3 mol

=> V = 300 ml

Xét dung dịch chứa : x mol Ba²⁺ ; 0,2 mol K⁺ ; 0,2 mol Na⁺ và HCO₃^-

Bảo toàn điện tích :\({n_{HCO_3^ - }}\)= 0,4 + 2x mol

=> m_muối = m_Ba2+ + m_K+ + m_Na+ +\({n_{HCO_3^ - }}\)= 62,7 gam => x = 0,1 mol => n_BaCO3 = 0,3 – 0,1 = 0,2 mol

+) Bảo toàn C : n_CO2 =\({n_{CO_3^ 2- }}\) +\({n_{HCO_3^ - }}\) = 0,8 mol

=> V_CO2 = 17,92 lít

CO₂ đến dư thì dung dịch gồm 0,4 mol NaHCO₃ và 0,2 mol Ca(HCO₃)₂

Khi nhiệt phân hoàn toàn thu được : 0,2 mol Na₂CO₃ và 0,2 mol CaO

=> m = 32,4 gam

Vì phản ứng tạo 4 muối => có tạo x mol CO₃^2- và y mol HCO₃^-

=> m_rắn = m_Na + m_K + m_CO3 + m_HCO3 => 32,5 = 23.2.V+ 1,25.2.39V + 60x + 61y  (1)

Bảo toàn điện tích : \({n_{N{a^ + }}} + {n_{{K^ + }}} = 2.{n_{CO_3^{2 - }}} + {n_{HCO_3^ - }}\) =>  2.V + 2.1,25V = 2x + y        (2)

Bảo toàn C : n_CO2 + n_K2CO3 = x + y = 0,175 + 1,25V      (3)

Từ (1), (2) và (3) ta có : V = 0,1 lít = 100 ml

n_NaOH = 0,4 mol ; n_Na2CO3 = 0,1 mol

TH1: Giả sử CO₂ phản ứng hết , sau phản ứng thu được NaHCO₃ và Na₂CO₃

Đặt n_NaHCO3 = a mol

Bảo toàn nguyên tử Na: n_{Na+ trước phản ứng} = n_NaHCO3 + 2.n_Na2CO3 => n_Na2CO3 = 0,3 – 0,5a mol

=> m_rắn = 84a + 106.(0,3 – 0,5a) = 29,2 (loại vì a < 0)

TH2: Giả sử CO₂ hết, NaOH dư => sau phản ứng thu được Na₂CO₃ (x mol) và NaOH dư (y mol)

Bảo toàn Na: n_{Na+ trước phản ứng} = 2.n_Na2CO3 + n_{NaOH dư}  => 2x + y = 0,6   (1)

m_{rắn khan} = m_Na2CO3 + m_NaOH => 106x + 40y = 29,2    (2)

Từ (1) và (2) => x = 0,2 mol;  y = 0,2 mol

Bảo toàn C:  n_CO2 + n_{Na2CO3 phản ứng} = n_{Na2CO3 sau phản ứng}  

=> n_CO2 = 0,2 – 0,1 = 0,1 mol => V = 2,24 lít

n_CO2 = 0,45 mol; n_NaOH = 0,2 mol; n_KOH = 0,1 mol; n_Na2CO3 = 0,1 mol; n_K2CO3 = 0,1 mol

=> n_CO3 = 0,2 mol ; n_OH = 0,3 mol

Vì n_OH- < n_CO2 => CO₂ phản ứng với OH^- tạo HCO₃^-

CO₂ + OH^- → HCO₃^-

0,3 ← 0,3

CO₂ + CO₃^2- + H₂O → 2HCO₃^-

0,15 → 0,15

=> n_CO3 = 0,2  – 0,15 = 0,05 mol

=> n_CaCO3 = n_CO3 = 0,05 => m_CaCO3 = 5g

n_OH- = 0,4 
có n_CO2 = 0,3 < n_OH- < 2.n_CO2 => tạo 2 muối HCO₃^- (x mol) và CO₃^2- (y mol)
Bảo toàn C: n_CO2 = n_HCO3 + n_CO3 => x + y = 0,3 

Bảo toàn điện tích: n_OH- = n_HCO3 + 2.n_CO3 =>  x + 2y = 0.4

=>  x = 0,2 và y = 0,1
Vì n_CO3 = y = 0,1 = n_Ca2+ = 0,1 => sau phản ứng CO₃^2- hết
=> dung dịch X gồm: 0,2 mol HCO₃^-;  0,2 mol Na⁺ 
n_CaCl2 = 0,1 = n_Ca2+  
HCO₃^- + OH^- →  CO₃^2- + H₂O 
0,05   ←   0,05   →  0,05 
=> n_CO3 = 0,05 < n_Ca2+ = 0,1 => n_CaCO3 = 0,05

=>  m₂ = 0,05.100 = 5 gam

n_CO2 = 1 mol;  n_BaCO3 = 0,2 mol

Giả sử muối chứa Ba(HCO₃)₂

=> dung dịch thu được gồm K⁺ (x mol); Na⁺ (x mol); Ba²⁺ và HCO₃^- (a mol)

Bảo toàn điện tích: n_Ba2+ = 0,5a – 0,5x – 0,5x= 0,5a -x

Bảo toàn nguyên tố C: n_CO2 = n_HCO3 + n_BaCO3 => 1 = a + 0,2 => a = 0,8  (1)

Bảo toàn nguyên tố Ba: n_Ba(OH)2 = n_Ba2+ + n_BaCO3 => y = 0,5a – x  + 0,2  (2)

m_muối = m_K+ + m_Na+ + m_Ba2+ + m_HCO3-  => 39x + 23x + 137.(0,5a - x) + 61a = 81,1   (3)

Từ (1), (2) và (3) => a = 0,8; x = 0,3;  y = 0,3

=> x : y = 1 : 1

Ta thấy lượng 0,05 mol CO₂ đưa vào làm 2 nhiệm vụ :

+) Đưa kết tủa từ m₁ lên cực đại

+) Đưa kết tủa từ cực đại đến m₂

 Từ : m₁ = 2m₂ và m₁ = 1/2m_max

=> ta có :  n _{CO2 thêm} = \(\frac{{{m_{\max }} - {m_1} + {m_{\max }} - {m_2}}}{{100}}\)  

<=> 0,05 = \(\frac{{{m_{\max }} - {m_1} + {m_{\max }} - {m_2}}}{{100}} = \frac{{2{m_1} - {m_1} + 2{m_1} - 1/2{m_1}}}{{100}}\)=> \(\left\{ \begin{array}{l}{m_1} = 2gam\\{m_2} = 1gam\end{array} \right.\)

=> n_{CaCO3 max} = 0,04 mol

Nếu hấp thụ V lít CO₂ thì Ca(OH)₂ còn dư => n_CO2 = n = n_{CaCO3 (m1)} = 0,02 mol

=> n₁ = 0,02 mol => V₁ = 0,448 lít

n_{CO2 bđ} = 0,35 mol

100 ml X + Ba(OH)₂ =>  n_BaCO3 = n_C(X) = 0,2 mol

=> Trong 200 ml X có 0,4 mol C => Bảo toàn C : n_{CO2 bđ} + n_K2CO3 = n_C(X)

=> n_K2CO3 = y = 0,05 mol

Giả sử trong 100 ml X có a mol K₂CO₃ và b mol KHCO₃ (a + b = 0,2 mol)

Cho từ từ X vào n_HCl = 0,2 mol tạo n_CO2 = 0,15 mol

=> K₂CO₃ và KHCO₃ phản ứng đồng thời (vì HCl lúc đầu dư) theo tỉ lệ mol a : b

Gọi n_{K2CO3 pứ} = ax và n_{KHCO3 pứ} = bx

=> 2ax + bx = n_HCl = 0,2 mol ; ax + bx = n_CO2 = 0,15 mol

=> ax = 0,05 và bx = 0,1 mol

=> a : b = 1 : 2

=> a = 0,05 ; b = 0,15 mol

=> Bảo toàn K : x + 2y = 2.(2a + b)

=> x = 0,4 mol

+ n_{CaCO3 max} = n_Ca(OH)2 = b = 0,25 mol

+ Tại n_CO2 = 0,7 mol: Phản ứng tạo Ca(HCO₃)₂ và NaHCO₃

BTNT "Ca": n_Ca(HCO3)2 = n_Ca(OH)2 = 0,25 mol

BTNT "C": n_CO2 = 2n_Ca(HCO3)2 + n_NaHCO3 => 0,7 = 2.0,25 + n_NaHCO3 => n_NaHCO3 = 0,2 mol

BTNT "Na": n_NaOH = n_NaHCO3 = a = 0,2 mol

=> a : b = 0,2 : 0,25 = 4 : 5

Tại thời điểm kết tủa lớn nhất Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

→ n_Ca(OH)2 = n_CO2 = 0,8 mol

Tại thời điểm CO₂ : 1,2 mol thì CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

                               Ban đầu :   0,8 mol       0,4            

                                Sau Pư       0,4               0                           0,4

Bảo toàn khối lượng m_{dd sau pư}  = 1,2.44 + 200 – 0,4 .100 =212,8 gam

\( \to \% Ca{(HC{O_3})_2} = \dfrac{{0,4.162}}{{212,8}}.100\%  = 30,45\% \)

Tại điểm A: ↓ đạt max: n_CO3(2-) =  n_CO2 =  n_Ca(OH)2 =  0,25 mol → b =  0,25 mol

Tại điểm B: ↓ tan hoàn toàn

Khi số mol kết tủa cực tiểu thì: n_OH-/ n_CO2  =  1 → n_OH- =  n_CO2 =  0,7 mol

Mặt khác: n_OH-  =  a + 2b =  0,7 mol suy ra a =  0,7-2b =  0,7- 2.0,25 =  0,2 mol

Vậy a : b =  0,2 : 0,25 =  4 : 5

PTHH: Na + H₂O → NaOH + ½ H₂

            Ba + 2H₂O → Ba(OH)₂ + H₂

Dd X chứa NaOH và Ba(OH)₂. Cho CO₂ vào dung dịch X xảy ra pư

            CO₂ + OH^- → CO₃^2- + H₂O

            CO₃^2- + CO₂ +H₂O → 2HCO₃^-

             Ba²⁺ + CO₃^2- → BaCO₃

Xét đồ thị

n_{BaCO3 max} = 0,18 mol nên n_Ba = n_{BaCO3 max} = 0,18 mol

Tại thời điểm CO₂ là 0,42 mol thì lượng kết tủa bắt đầu giảm dần

→ khi đó sản phẩm chỉ có BaCO₃ : 0,18 mol và NaHCO₃ : x mol

Bảo toàn C có 0,42 = 0,18 + x nên x = 0,24 mol

Bảo toàn Na có n_{Na ban đầu} = n_NaHCO3 = 0,24 mol → m = m_Ba + m_Na = 0,18.137 + 0,24.23 = 30,18 g 

Theo PTHH thì n_H2 = ½ . n_Na  + n_Ba = ½ . 0,24 + 0,18 = 0,3 mol → V =0,3.22,4 =6,72 lít

- Khi x = V:

n_CO2 = n_CaCO3 ⇔ \(\frac{V}{{22,4}} = \frac{m}{{100}}\) (1)

- Khi x = 7V:

Ta có: n_CaCO3 = \(\frac{{3m}}{{100}}\) (mol)

Bảo toàn Ca

→ n_Ca(HCO3)2 = n_Ca(OH)2 - n_CaCO3 = 0,01 - \(\frac{{3m}}{{100}}\) (mol)

Bảo toàn C → n_CO2 = n_CaCO3 + 2n_Ca(HCO3)2 ⇔ \(\frac{{7V}}{{22,4}} = \frac{{3m}}{{100}} + 2.\left( {0,01 - \frac{{3m}}{{100}}} \right)\)(2)

Giải hệ (1)(2) được:

m = 0,2 và V = 0,0448

Vậy m = 0,2 (g)

Tại điểm A: n_{kết tủa} = n_Ba2+ = n_CO2 = 0,8 mol → n_Ba(OH)2 = 0,8 mol

Tại điểm B: kết tủa bắt đầu tan:

n_CO3(2-) = n_OH- - n_CO2

⟹ 0,8 = n_OH- - 1,8 → n_OH- = 2,6 mol → n_KOH = 2,6 - 0,8.2 = 1 mol

Tại điểm C: Kết tủa tan 1 phần:

n_CO3(2-) = n_OH- - n_CO2

⟹ 0,2 = 2,6 - n_CO2 → n_CO2 = 2,4 mol

Dung dịch sau phản ứng có: 0,6 mol Ba²⁺; 1 mol K⁺; 2,2 mol HCO₃^- (áp dụng định luật bảo toàn điện tích)

⟹ m_{chất tan} = 0,6.137 + 1.39 + 2,2.61 = 255,4 gam

Tương tự tìm m_dd = m_{các chất tham gia pứ} - m_{kết tủa} = 2,4.44 + 500 - 0,2.197 = 566,2 (gam)

⟹ C%_{chất tan} = \(\frac{{255,4}}{{566,2}}.100\% \)= 45,11%