Bài học

NaOH, Na2CO3 và điều chế kim loại kiềm

Mục tiêu và kiến thức nền

Sau bài học, em nêu được tính chất và ứng dụng của NaOH, Na2CO3, viết được phương trình điện phân nóng chảy để điều chế kim loại kiềm, và giải thích được vì sao không thể điều chế kim loại kiềm bằng những phương pháp thông thường khác.

Bài học nối tiếp trực tiếp bài trước: em đã biết kim loại kiềm có tính khử rất mạnh. Em cũng đã học ở Course 6 rằng điện phân nóng chảy NaCl tạo ra Na ở catot và Cl2 ở anot, và ở Course 1 rằng NaOH là thành phần chính trong phản ứng xà phòng hóa chất béo. Bài này gom hai mảnh kiến thức đó lại: NaOH đến từ đâu, và vì sao phải điều chế kim loại kiềm bằng điện phân chứ không phải cách nào khác.

Khởi động

NaOH có mặt trong xà phòng, giấy, tơ nhân tạo, lọc dầu — gần như mọi ngành công nghiệp hóa chất đều cần đến nó. Một nhà máy sản xuất NaOH quy mô lớn lấy nguyên liệu từ đâu, và bản thân kim loại Na dùng để làm gì trong quy trình đó?

Sodium hydroxide (NaOH)

NaOH là chất rắn màu trắng, dễ tan trong nước và tỏa nhiệt mạnh khi tan, hút ẩm mạnh (dễ chảy rữa khi để trong không khí), có tính ăn mòn cao — dung dịch NaOH đặc gây bỏng da nghiêm trọng nên phải hết sức cẩn trọng khi thao tác. NaOH là base mạnh, làm quỳ tím hóa xanh, phản ứng với acid, oxide acid và nhiều muối. Về ứng dụng, NaOH là nguyên liệu không thể thiếu để sản xuất xà phòng và chất tẩy rửa (Course 1), sản xuất giấy, tơ nhân tạo (visco), và dùng trong công nghiệp lọc dầu để trung hòa các sản phẩm phụ có tính acid.

Một phản ứng đáng chú ý của NaOH là với khí $CO_2$ , vì sản phẩm phụ thuộc vào tỉ lệ số mol. Nếu NaOH dư, sản phẩm là muối trung hòa: $CO_2 + 2NaOH \to Na_2CO_3 + H_2O$ . Nếu $CO_2$ dư, sản phẩm là muối acid: $CO_2 + NaOH \to NaHCO_3$ . Khi tỉ lệ mol $CO_2 : NaOH$ nằm giữa 1 và 2, cả hai muối cùng tồn tại trong dung dịch.

Một phản ứng đáng chú ý của NaOH là với khí $CO_2$, vì sản phẩm phụ thuộc vào tỉ lệ số mol. Nếu NaOH dư, sản phẩm là muối trung hòa: $CO_2 + 2NaOH \to Na_2CO_3 + H_2O$. Nếu $CO_2$ dư, sản phẩm là muối acid: $CO_2 + NaOH \to NaHCO_3$. Khi tỉ lệ mol $CO_2 : NaOH$ nằm giữa 1 và 2, cả hai muối cùng tồn tại trong dung dịch.

Sodium carbonate (Na2CO3) — soda

Na2CO3, quen gọi là soda, là muối tan tốt trong nước, dung dịch có tính base yếu (thủy phân nhẹ do gốc $CO_3^{2-}$ ). Đây là nguyên liệu quan trọng để sản xuất thủy tinh, xà phòng, chất tẩy rửa, và dùng trong công nghiệp dệt nhuộm, xử lí nước. Giống mọi muối carbonate tan, Na2CO3 phản ứng với acid mạnh giải phóng khí $CO_2$ : $Na_2CO_3 + 2HCl \to 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$ .

Na2CO3, quen gọi là soda, là muối tan tốt trong nước, dung dịch có tính base yếu (thủy phân nhẹ do gốc $CO_3^{2-}$). Đây là nguyên liệu quan trọng để sản xuất thủy tinh, xà phòng, chất tẩy rửa, và dùng trong công nghiệp dệt nhuộm, xử lí nước. Giống mọi muối carbonate tan, Na2CO3 phản ứng với acid mạnh giải phóng khí $CO_2$: $Na_2CO_3 + 2HCl \to 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$.

Điều chế kim loại kiềm — vì sao phải điện phân nóng chảy

Ở Course 7, em đã học ba phương pháp điều chế kim loại: nhiệt luyện (dùng chất khử như CO, H2, Al khử oxide), thủy luyện (dùng kim loại mạnh hơn đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối), và điện phân. Với kim loại kiềm, chỉ còn duy nhất một lựa chọn: điện phân nóng chảy. Lý do nằm ở chính tính khử cực mạnh của chúng — không tồn tại chất khử thông thường nào đủ mạnh để khử ion $M^+$ về kim loại M, nên nhiệt luyện và thủy luyện đều bất khả thi. Phương pháp công nghiệp là điện phân nóng chảy muối halide, phổ biến nhất là NaCl: $2NaCl \xrightarrow{\text{điện phân nóng chảy}} 2Na + Cl_2\uparrow$ . Tại catot, ion $Na^+$ nhận electron bị khử thành Na; tại anot, ion $Cl^-$ nhường electron bị oxi hóa thành $Cl_2$ .

Ở Course 7, em đã học ba phương pháp điều chế kim loại: nhiệt luyện (dùng chất khử như CO, H2, Al khử oxide), thủy luyện (dùng kim loại mạnh hơn đẩy kim loại yếu hơn ra khỏi dung dịch muối), và điện phân. Với kim loại kiềm, chỉ còn duy nhất một lựa chọn: điện phân nóng chảy. Lý do nằm ở chính tính khử cực mạnh của chúng — không tồn tại chất khử thông thường nào đủ mạnh để khử ion $M^+$ về kim loại M, nên nhiệt luyện và thủy luyện đều bất khả thi. Phương pháp công nghiệp là điện phân nóng chảy muối halide, phổ biến nhất là NaCl: $2NaCl \xrightarrow{\text{điện phân nóng chảy}} 2Na + Cl_2\uparrow$. Tại catot, ion $Na^+$ nhận electron bị khử thành Na; tại anot, ion $Cl^-$ nhường electron bị oxi hóa thành $Cl_2$.

Điện phân nóng chảy là phương pháp duy nhất điều chế được kim loại kiềm do tính khử của chúng quá mạnh.

Ví dụ

Xác định sản phẩm điện phân nóng chảy NaCl

1
Viết phương trình điện phân nóng chảy NaCl và xác định chất thu được ở mỗi điện cực.
2
Trong NaCl nóng chảy có các ion $Na^+$ và $Cl^-$ chuyển động tự do. Tại catot (cực âm), ion $Na^+$ nhận electron: $Na^+ + 1e \to Na$ . Tại anot (cực dương), ion $Cl^-$ nhường electron: $2Cl^- \to Cl_2 + 2e$ .
Trong NaCl nóng chảy có các ion $Na^+$ và $Cl^-$ chuyển động tự do. Tại catot (cực âm), ion $Na^+$ nhận electron: $Na^+ + 1e \to Na$. Tại anot (cực dương), ion $Cl^-$ nhường electron: $2Cl^- \to Cl_2 + 2e$.
3
Cộng hai quá trình theo đúng tỉ lệ electron trao đổi, ta có phương trình tổng: $2NaCl \xrightarrow{\text{đpnc}} 2Na + Cl_2\uparrow$ .
Cộng hai quá trình theo đúng tỉ lệ electron trao đổi, ta có phương trình tổng: $2NaCl \xrightarrow{\text{đpnc}} 2Na + Cl_2\uparrow$.
4
Vậy catot thu được kim loại Na, anot thu được khí $Cl_2$ — đây chính là phương pháp công nghiệp duy nhất để điều chế kim loại natri.
Vậy catot thu được kim loại Na, anot thu được khí $Cl_2$ — đây chính là phương pháp công nghiệp duy nhất để điều chế kim loại natri.

Ví dụ

Tính lượng khí CO2 phản ứng với Na2CO3 (dạng thi)

1
Cho 21,2 gam Na2CO3 tác dụng hết với dung dịch HCl dư. Tính thể tích khí thoát ra (đkc).
2
$M_{Na_2CO_3} = 23 \times 2 + 12 + 16 \times 3 = 106$ g/mol. $n_{Na_2CO_3} = \dfrac{21{,}2}{106} = 0{,}2$ mol.
$M_{Na_2CO_3} = 23 \times 2 + 12 + 16 \times 3 = 106$ g/mol. $n_{Na_2CO_3} = \dfrac{21{,}2}{106} = 0{,}2$ mol.
3
PTHH: $Na_2CO_3 + 2HCl \to 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$ . Theo PT, $n_{CO_2} = n_{Na_2CO_3} = 0{,}2$ mol (HCl dư nên Na2CO3 phản ứng hết).
PTHH: $Na_2CO_3 + 2HCl \to 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$. Theo PT, $n_{CO_2} = n_{Na_2CO_3} = 0{,}2$ mol (HCl dư nên Na2CO3 phản ứng hết).
4
$V_{CO_2} = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958$ lít. Vậy thể tích khí $CO_2$ thoát ra là 4,958 lít.
$V_{CO_2} = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958$ lít. Vậy thể tích khí $CO_2$ thoát ra là 4,958 lít.

Ví dụ

Sản phẩm của NaOH khi hấp thụ CO2 theo tỉ lệ khác nhau

1
Cho 100 ml dung dịch NaOH 1M hấp thụ khí $CO_2$ . Viết phương trình cho hai trường hợp: (a) NaOH dư so với $CO_2$ ; (b) $CO_2$ dư so với NaOH.
Cho 100 ml dung dịch NaOH 1M hấp thụ khí $CO_2$. Viết phương trình cho hai trường hợp: (a) NaOH dư so với $CO_2$; (b) $CO_2$ dư so với NaOH.
2
Khi lượng $CO_2$ đưa vào ít hơn một nửa số mol NaOH, sản phẩm là muối trung hòa: $CO_2 + 2NaOH \to Na_2CO_3 + H_2O$ . Đây là trường hợp NaOH "đủ dùng" để trung hòa cả hai nấc của $H_2CO_3$ .
Khi lượng $CO_2$ đưa vào ít hơn một nửa số mol NaOH, sản phẩm là muối trung hòa: $CO_2 + 2NaOH \to Na_2CO_3 + H_2O$. Đây là trường hợp NaOH "đủ dùng" để trung hòa cả hai nấc của $H_2CO_3$.
3
Khi lượng $CO_2$ đưa vào bằng hoặc nhiều hơn số mol NaOH, sản phẩm là muối acid: $CO_2 + NaOH \to NaHCO_3$ . Lúc này mỗi phân tử NaOH chỉ đủ trung hòa một nấc acid.
Khi lượng $CO_2$ đưa vào bằng hoặc nhiều hơn số mol NaOH, sản phẩm là muối acid: $CO_2 + NaOH \to NaHCO_3$. Lúc này mỗi phân tử NaOH chỉ đủ trung hòa một nấc acid.
4
Vậy cùng một dung dịch NaOH 0,1 mol, sản phẩm hấp thụ $CO_2$ phụ thuộc hoàn toàn vào tỉ lệ mol $CO_2 : NaOH$ đưa vào — đây là điểm học sinh hay bỏ sót khi làm bài tập CO2 tác dụng dung dịch kiềm.
Vậy cùng một dung dịch NaOH 0,1 mol, sản phẩm hấp thụ $CO_2$ phụ thuộc hoàn toàn vào tỉ lệ mol $CO_2 : NaOH$ đưa vào — đây là điểm học sinh hay bỏ sót khi làm bài tập CO2 tác dụng dung dịch kiềm.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất là nhầm điện phân nóng chảy với điện phân dung dịch. Nếu điện phân dung dịch NaCl (có màng ngăn, như Course 6 đã học), sản phẩm là NaOH, $H_2$ và $Cl_2$ — không hề thu được kim loại Na, vì trong dung dịch nước phân tử $H_2O$ dễ bị khử ở catot hơn ion $Na^+$ . Chỉ khi điện phân NaCl ở trạng thái nóng chảy (không có nước), ion $Na^+$ mới bị khử thành kim loại Na.

Sai lầm phổ biến nhất là nhầm điện phân nóng chảy với điện phân dung dịch. Nếu điện phân dung dịch NaCl (có màng ngăn, như Course 6 đã học), sản phẩm là NaOH, $H_2$ và $Cl_2$ — không hề thu được kim loại Na, vì trong dung dịch nước phân tử $H_2O$ dễ bị khử ở catot hơn ion $Na^+$. Chỉ khi điện phân NaCl ở trạng thái nóng chảy (không có nước), ion $Na^+$ mới bị khử thành kim loại Na.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

NaOH là base mạnh, ăn mòn, nguyên liệu cho xà phòng, giấy, tơ nhân tạo, và sản phẩm của nó với $CO_2$ phụ thuộc tỉ lệ mol. Na2CO3 là nguyên liệu sản xuất thủy tinh. Kim loại kiềm chỉ điều chế được bằng điện phân nóng chảy muối halide, vì tính khử của chúng quá mạnh để dùng nhiệt luyện, thủy luyện, hay cả điện phân dung dịch.

Cầu nối

Chương tiếp theo chuyển sang nhóm IIA — kim loại kiềm thổ. Em sẽ thấy nhiều điểm tương đồng với kim loại kiềm, nhưng cũng có những khác biệt quan trọng quyết định vai trò của Ca trong ngành xây dựng.