CO2 + Ca(OH)2 | Phương trình, hiện tượng và bài tập

Khi sục khí CO₂ vào nước vôi trong, phản ứng CO₂ + Ca(OH)₂ tạo kết tủa trắng CaCO₃, làm dung dịch vẩn đục. Nếu tiếp tục dẫn CO₂ dư, kết tủa tan dần do tạo thành Ca(HCO₃)₂ tan trong nước. Đây là phản ứng minh họa tính chất oxide acid tác dụng với dung dịch base trong Bài 10 – Khoa học tự nhiên 8, bộ Kết nối tri thức với cuộc sống.

Bài viết trình bày phương trình, điều kiện và hiện tượng khi CO₂ tác dụng với nước vôi trong, đồng thời hướng dẫn xét tỉ lệ mol để xác định sản phẩm, tính lượng kết tủa trong các trường hợp Ca(OH)₂ dư hoặc CO₂ dư.

CO2 + Ca(OH)2 tạo ra chất gì? Phương trình và hiện tượng

Khi dẫn khí CO₂ (carbon dioxide) vào nước vôi trong, CO₂ + Ca(OH)₂ tạo kết tủa trắng CaCO₃ và nước:

\[CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O\]

Hệ số của cả bốn chất trong phương trình đều bằng 1. Điều này có nghĩa 1 mol CO2 phản ứng vừa đủ với 1 mol Ca(OH)2, tạo thành 1 mol kết tủa CaCO3 và 1 mol nước.

Điều kiện phản ứng: Sục CO₂ vào dung dịch Ca(OH)₂ ở nhiệt độ thường, không cần xúc tác. Phương trình trên mô tả giai đoạn tạo kết tủa khi CO₂ chưa vượt quá lượng Ca(OH)₂ theo tỉ lệ mol 1 : 1.

Hiện tượng quan sát được: dung dịch Ca(OH)2 trong suốt ban đầu xuất hiện kết tủa màu trắng, làm cả dung dịch chuyển sang trạng thái vẩn đục. Đây là dấu hiệu dễ quan sát nhất của phản ứng.

Về bản chất, CO₂ là oxide acid; phần Ca(OH)₂ hòa tan tạo dung dịch base. Phản ứng minh họa tính chất oxide acid tác dụng với dung dịch base tạo muối và nước trong Bài 10 – Khoa học tự nhiên 8, bộ Kết nối tri thức với cuộc sống. [1]

Phản ứng này không phải phản ứng oxi hóa – khử vì số oxi hóa của các nguyên tố không thay đổi.

Xét rộng hơn, phản ứng của một oxide acid với dung dịch base thường tạo ra muối và nước, tương tự cách một acid phản ứng với base. Ví dụ, SO2 cũng là một oxide acid và phản ứng với Ca(OH)2 theo cách tương tự: SO2 + Ca(OH)2 → CaSO3↓ + H2O, tạo kết tủa CaSO3 cũng có màu trắng.

Có thể dựa vào khả năng phản ứng với acid hoặc base để phân loại oxide, nhưng cần xét đầy đủ tính chất: oxide lưỡng tính cũng phản ứng được với base. Không kết luận mọi oxide phản ứng với base đều là oxide acid.

Vì sao CO2 làm đục nước vôi trong?

CaCO3 là muối carbonate ít tan trong nước. Khi phản ứng tạo ra, CaCO3 không tan hết mà tồn tại dưới dạng những hạt rắn nhỏ lơ lửng trong dung dịch. Các hạt này làm ánh sáng bị tán xạ thay vì truyền thẳng qua dung dịch, khiến dung dịch có màu trắng đục thay vì trong suốt như ban đầu.

Mức độ vẩn đục tăng khi lượng CaCO₃ tạo thành tăng trong giai đoạn CO₂ chưa dư. Sau mốc tạo kết tủa tối đa, dẫn tiếp CO₂ có thể làm kết tủa giảm; không suy luận “càng nhiều CO₂ thì càng nhiều kết tủa”.

Ba chất sau dễ bị nhầm lẫn vì đều liên quan đến calcium, nên cần phân biệt rõ:

• CaO (calcium oxide): còn gọi là vôi sống, là chất rắn màu trắng.

• Ca(OH)2 (calcium hydroxide): vôi tôi; phần hòa tan trong nước tạo dung dịch base gọi là nước vôi trong.

• CaCO3 (calcium carbonate): thành phần chính của đá vôi, là kết tủa trắng ít tan trong nước.

Cần phân biệt chất và dung dịch: Ca(OH)₂ rắn là vôi tôi, chỉ tan một phần trong nước; phần dung dịch trong suốt được gạn hoặc lọc ra gọi là nước vôi trong. Hỗn hợp đục chứa Ca(OH)₂ chưa tan là sữa vôi, không phải nước vôi trong. [3]

CaCO₃, CaO và Ca(OH)₂ liên hệ qua chuỗi chuyển hóa đá vôi → vôi sống → vôi tôi; các phương trình được trình bày ở phần phản ứng liên quan dưới đây.

CaCO₃ là muối gồm ion Ca²⁺ và CO₃²⁻, rất ít tan trong nước. Đây là chất rắn gây vẩn đục, không phải bản thân khí CO₂ làm dung dịch đổi màu. [2]

CO2 + Ca(OH)2: Trường hợp dư chất tạo sản phẩm gì?

Sản phẩm thu được sau phản ứng phụ thuộc vào lượng CO2 so với lượng Ca(OH)2 đã dùng. Cần xét từng trường hợp cụ thể trước khi kết luận chất nào còn dư.

Ca(OH)2 dư hoặc CO2 chưa dư

Khi số mol CO₂ phản ứng nhỏ hơn số mol Ca(OH)₂ ban đầu, CO₂ hết và Ca(OH)₂ còn dư. Nếu hai lượng bằng nhau theo tỉ lệ 1 : 1, lượng CaCO₃ đạt cực đại theo mô hình tính toán phổ thông.

CO2 dư

Khi CO2 được dẫn vào dư, kết tủa CaCO3 đã tạo thành tiếp tục phản ứng với CO2 và nước.

\[CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2\]

Ca(HCO₃)₂ (calcium hydrogencarbonate, còn gọi là calcium bicarbonate) tan trong nước, nên kết tủa giảm dần hoặc mất đi khi lượng CO₂ đủ lớn. Hiện tượng: ban đầu vẩn đục, sau đó có thể trong trở lại. [2]

Phương trình tổng quát khi chuyển toàn bộ Ca(OH)₂ thành muối hydrogencarbonate:

\[2CO_2+Ca(OH)_2\rightarrow Ca(HCO_3)_2\]

Thí nghiệm này có thể hình dung qua ba giai đoạn liên tiếp. Giai đoạn một, lượng CO2 còn ít, toàn bộ CO2 phản ứng hết với Ca(OH)2 để tạo CaCO3, kết tủa tăng dần và dung dịch đục dần lên.

Giai đoạn hai, khi CO2 vừa đủ để phản ứng hết với Ca(OH)2 theo tỉ lệ 1:1, lượng kết tủa đạt giá trị lớn nhất.

Giai đoạn ba, nếu tiếp tục dẫn CO2 dư, CaCO3 bắt đầu bị hòa tan dần thành Ca(HCO3)2 tan trong nước, khiến kết tủa giảm dần và có thể biến mất hoàn toàn nếu CO2 đủ dư. Hiểu rõ ba giai đoạn này giúp học sinh giải thích chính xác đồ thị biểu diễn khối lượng kết tủa theo thể tích CO2 dẫn vào, một dạng bài thường gặp ở các lớp học cao hơn.

Xét tỉ lệ mol trong phản ứng CO2 + Ca(OH)2

Đặt T là tỉ lệ số mol CO₂ tham gia phản ứng trên số mol Ca(OH)₂ ban đầu, với n(Ca(OH)₂) > 0. Các quan hệ dưới đây dùng cho bài toán phổ thông: dung dịch ban đầu chỉ chứa Ca(OH)₂, phản ứng hoàn toàn và bỏ qua cân bằng hòa tan:

\[T = \dfrac{n_{CO_2}}{n_{Ca(OH)_2}}\]

Bảng sản phẩm và lượng kết tủa: Gọi a = n(CO₂), b = n(Ca(OH)₂) ban đầu (mol), T = a/b.

Xét tỉ lệ mol là nội dung mở rộng so với yêu cầu nhận biết cơ bản ở lớp 8, thường xuất hiện ở các lớp học cao hơn.

Khối lượng kết tủa được tính bằng m(CaCO₃) = 100 × n(CaCO₃) (gam), với M(CaCO₃) = 100 g/mol. Nếu a = 0 thì không có kết tủa mới tạo thành. Trên đồ thị theo lượng CO₂, kết tủa tăng đến a = b rồi giảm về 0 tại a = 2b theo mô hình trên.

Nhận biết khí CO2 bằng nước vôi trong

Cách tiến hành: dẫn khí cần nhận biết qua dung dịch nước vôi trong. Nếu xuất hiện kết tủa trắng, đó có thể là dấu hiệu của khí CO2 trong hệ chất phù hợp.

Hiện tượng kết tủa trắng không khẳng định tuyệt đối chỉ có CO₂: SO₂ cũng có thể tạo kết tủa với Ca(OH)₂. Cần căn cứ tập khí trong đề bài và thêm phép thử nếu có chất gây nhiễu.

Ở mức mở rộng, có thể phân biệt CO₂ và SO₂ bằng dung dịch nước bromine hoặc thuốc tím loãng trong điều kiện thích hợp: SO₂ có tính khử làm mất màu, còn CO₂ không có tính chất tương tự. Đây là nội dung liên hệ, không phải yêu cầu thực hành của Bài 10 KHTN 8.

Trong thực tế, nước vôi trong để lâu ngoài không khí cũng xuất hiện lớp váng trắng mỏng trên bề mặt, do hấp thụ một phần CO2 có sẵn trong không khí.

Vì vậy, nước vôi trong cần được đậy kín và kiểm tra độ trong trước khi dùng để tránh ảnh hưởng đến kết quả nhận biết.

Các phản ứng liên quan đến CO2, CaCO3 và CaO

CO2, CaCO3 và CaO còn xuất hiện trong một số phản ứng khác thường gặp trong chương trình.

\[CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + CO_2\uparrow + H_2O\]

\[CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\]

\[CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2\]

\[CaO + CO_2 \rightarrow CaCO_3\]

Các phản ứng trên thể hiện mối liên hệ giữa oxide, base và muối của calcium. Lưu ý: CaO + CO₂ là phản ứng của vôi sống; CO₂ + Ca(OH)₂ là phản ứng với nước vôi trong, không viết nhầm thành Ca + CO₂.

Phản ứng nung CaCO3 thành CaO và CO2 là cơ sở của công nghiệp sản xuất vôi: đá vôi được nung ở nhiệt độ cao trong lò nung để tạo ra vôi sống CaO, sau đó CaO được tôi với nước để tạo vôi tôi Ca(OH)2 dùng trong xây dựng, xử lý nước thải và khử chua đất trồng. Ngược lại, phản ứng CaO + CO2 → CaCO3 giải thích vì sao vôi sống để lâu ngoài không khí sẽ dần chuyển thành CaCO3, làm giảm chất lượng vôi nếu không được bảo quản kín.

Bài tập CO2 + Ca(OH)2 có đáp án

Các bài tập sau luyện viết phương trình, xét chất dư và tính kết tủa. Phần tỉ lệ mol là vận dụng mở rộng. Dùng M(CaCO₃) = 100 g/mol; thể tích khí đều đo ở 25°C, 1 bar, với Vₘ = 24,79 L/mol. [1]

Dạng 1: viết phương trình và giải thích hiện tượng

Đề bài: Một học sinh cho rằng “sục CO₂ vào nước vôi trong càng lâu thì kết tủa càng nhiều”. Nhận định này đúng hay sai? Giải thích bằng phương trình hóa học.

Lời giải: Nhận định sai. Ban đầu CO₂ tạo CaCO₃, làm nước vôi trong vẩn đục:

\[CO_2+Ca(OH)_2\rightarrow CaCO_3\downarrow+H_2O\]

Khi tiếp tục dẫn đủ CO₂, kết tủa tan dần do chuyển thành muối tan:

\[CaCO_3+CO_2+H_2O\rightarrow Ca(HCO_3)_2\]

Dạng 2: tính lượng CaCO₃ khi nước vôi trong dư

Đề bài: Hấp thụ hoàn toàn 29,748 mL CO₂ vào 250 mL dung dịch Ca(OH)₂ 0,008 M. Tính khối lượng kết tủa.

Lời giải: Đổi 29,748 mL = 0,029748 L; 250 mL = 0,250 L.

\[n_{CO_2}=\dfrac{0{,}029748}{24{,}79}=0{,}0012\text{ mol}\]

\[n_{Ca(OH)_2}=0{,}250\times0{,}008=0{,}002\text{ mol}\]

T = 0,0012/0,002 = 0,6 < 1, nên Ca(OH)₂ dư. Theo phương trình tạo CaCO₃, n(CaCO₃) = n(CO₂) = 0,0012 mol.

\[m_{CaCO_3}=0{,}0012\times100=0{,}12\text{ g}\]

Dạng 3: xác định lượng CO₂ dư theo phương trình

Đề bài: Dẫn 123,95 mL CO₂ vào 200 mL dung dịch Ca(OH)₂ 0,010 M. Theo mô hình phản ứng hoàn toàn, bỏ qua CO₂ hòa tan vật lý, tính lượng CO₂ vượt quá lượng cần chuyển toàn bộ Ca(OH)₂ thành Ca(HCO₃)₂ và thể tích khí tương ứng.

Lời giải:

\[n_{CO_2}=\dfrac{0{,}12395}{24{,}79}=0{,}005\text{ mol}\]

\[n_{Ca(OH)_2}=0{,}200\times0{,}010=0{,}002\text{ mol}\]

T = 0,005/0,002 = 2,5 > 2. Theo phương trình 2CO₂ + Ca(OH)₂ → Ca(HCO₃)₂, lượng CO₂ cần là 2 × 0,002 = 0,004 mol.

\[n_{CO_2\text{ dư}}=0{,}005-0{,}004=0{,}001\text{ mol}\]

\[V_{CO_2\text{ dư}}=0{,}001\times24{,}79=0{,}02479\text{ L}\]

Thể tích quy đổi là 24,79 mL. Theo mô hình, không còn kết tủa; muối calcium trong dung dịch là Ca(HCO₃)₂.

Dạng 4: tìm hai lượng CO₂ cho cùng khối lượng kết tủa

Đề bài: Hai thí nghiệm độc lập đều dùng 300 mL dung dịch Ca(OH)₂ 0,010 M. Mỗi thí nghiệm cho CO₂ phản ứng hoàn toàn và thu được 0,18 gam CaCO₃ sau phản ứng. Tính hai thể tích CO₂ có thể dùng, tương ứng giai đoạn kết tủa tăng và giai đoạn kết tủa tan một phần.

Lời giải: b = 0,300 × 0,010 = 0,003 mol; n(CaCO₃) = 0,18/100 = 0,0018 mol. Vì 0,0018 < 0,003, có hai trường hợp.

Trường hợp 1 – Ca(OH)₂ dư: a = n(CaCO₃) = 0,0018 mol.

\[V_1=0{,}0018\times24{,}79=0{,}044622\text{ L}\]

Trường hợp 2 – kết tủa đã tan một phần: n(CaCO₃) = 2b − a, nên:

\[a=2\times0{,}003-0{,}0018=0{,}0042\text{ mol}\]

\[V_2=0{,}0042\times24{,}79=0{,}104118\text{ L}\]

Vậy hai thể tích là 44,622 mL hoặc 104,118 mL. Kiểm tra: a₁ < b và b < a₂ < 2b, phù hợp hai trường hợp đã xét.

Dạng 5: nhận biết khí bằng nước vôi trong

Đề bài: Ba mẫu khí A, B, C lần lượt thuộc tập CO₂, O₂, N₂. A làm nước vôi trong dư vẩn đục; B không làm đục nước vôi trong nhưng làm que đóm còn tàn đỏ bùng cháy; C không có hai hiện tượng trên. Xác định từng khí.

Lời giải: A là CO₂, vì phản ứng với Ca(OH)₂ tạo CaCO₃ trắng. B là O₂, có khả năng duy trì sự cháy. C là N₂, xác định bằng phương pháp loại trừ trong tập ba khí đã cho; không dùng riêng dấu hiệu “không làm đục nước vôi trong” để kết luận N₂.

Lưu ý khi giải bài tập CO₂ + Ca(OH)₂

• Xét tỉ lệ mol trước khi dùng n(CaCO₃) = n(CO₂); quan hệ này chỉ dùng trong giai đoạn CO₂ chưa vượt quá Ca(OH)₂ theo tỉ lệ 1 : 1.

• Phân biệt CO₂ dư so với phương trình tạo CaCO₃ và CO₂ dư so với phương trình tạo Ca(HCO₃)₂.

• Đổi thể tích về lít khi dùng n = V/24,79 hoặc n = CₘV; luôn kiểm tra điều kiện nhiệt độ, áp suất.

• Không dùng công thức cho dung dịch chỉ chứa Ca(OH)₂ nếu đề có thêm NaOH hoặc base khác mà chưa xét lại cân bằng lượng chất.

Phản ứng CO2 + Ca(OH)2 tạo kết tủa trắng CaCO₃ và nước, làm nước vôi trong vẩn đục. Khi tiếp tục dẫn đủ CO₂, kết tủa tan dần tạo Ca(HCO₃)₂ tan trong nước. Đây là phản ứng minh họa tính chất oxide acid tác dụng với dung dịch base.

Để giải bài tập chính xác, học sinh cần viết đúng phương trình, xét tỉ lệ mol CO₂/Ca(OH)₂ và kiểm tra điều kiện đề bài để xác định sản phẩm, chất dư và lượng kết tủa. Học sinh có thể củng cố kiến thức qua các chuyên đề Khoa học tự nhiên 8 tại ZIM Academy.