Cách dự đoán sản phẩm và cân bằng phương trình hóa học
Học cách viết đúng sản phẩm phản ứng, cân bằng phương trình bằng hệ số và kiểm tra sự bảo toàn nguyên tử. Có ví dụ minh họa, lỗi thường gặp và bài tập kiểu HSC.
Một dải magie cháy trong oxi và chất rắn còn lại nặng hơn lượng magie ban đầu. Điều đó có vẻ mâu thuẫn với định luật bảo toàn khối lượng. Khối lượng tăng thêm đến từ đâu?
Hãy dự đoán điều gì hẳn đã xảy ra trước khi đọc tiếp. Các nguyên tử magie có bằng cách nào đó trở nên nặng hơn, hay có chất khác đã kết hợp với chúng?
Oxi trong không khí đã kết hợp với magie. Các nguyên tử được sắp xếp lại để tạo thành một chất mới là magie oxit. Không có nguyên tử nào phải tự xuất hiện từ hư không. Phương trình cân bằng là cách chúng ta theo dõi sự sắp xếp lại đó:
\[ \ce{2Mg(s) + O2(g) -> 2MgO(s)} \]
Ở mỗi vế có hai nguyên tử magie và hai nguyên tử oxi được biểu diễn. Các chất đã thay đổi, nhưng số nguyên tử của mỗi nguyên tố thì không.
Đó mới là nhiệm vụ thực sự của một phương trình cân bằng. Nó không chỉ làm cho các con số “trông đúng”. Nó cho biết những chất nào phản ứng, những sản phẩm nào được tạo thành và các nguyên tử được bảo toàn như thế nào.
01Một phương trình cân bằng thực sự nói lên điều gì
Hãy tưởng tượng bạn có thể phóng to đủ mức để quan sát một phản ứng theo từng hạt. Các liên kết sẽ bị phá vỡ, các nguyên tử sẽ đổi đối tác và các hạt mới sẽ hình thành. Bản thân các nguyên tử vẫn còn nguyên.
Ví dụ:
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
Trước phản ứng, phương trình biểu diễn bốn nguyên tử hiđro và hai nguyên tử oxi. Sau phản ứng, vẫn bốn nguyên tử hiđro và hai nguyên tử oxi đó được sắp xếp thành hai phân tử nước.
Điều này cho bạn mô hình tư duy quan trọng nhất khi cân bằng:
Bạn được phép thay đổi số lượng hạt tham gia. Bạn không được phép thay đổi bản chất của từng hạt.
Sự khác biệt đó là lý do hệ số và chỉ số dưới có vai trò hoàn toàn khác nhau.
| Đặc điểm | Ví dụ | Điều nó làm thay đổi |
|---|---|---|
| Hệ số | \(\ce{2H2O}\) | Số lượng hạt nước |
| Chỉ số dưới | \(\ce{H2O}\) | Thành phần của mỗi hạt nước |
| Ký hiệu trạng thái | \(\ce{H2O(l)}\) | Trạng thái vật lý, không phải số nguyên tử |
Một hệ số nhân với toàn bộ công thức. Trong \(\ce{3H2O}\), có \(3 \times 2 = 6\) nguyên tử hiđro và \(3 \times 1 = 3\) nguyên tử oxi.
Chỉ số dưới là một phần trong định danh của chất. Đổi \(\ce{H2O}\) thành \(\ce{H2O2}\) không phải là “cân bằng nước”. Việc đó biến nước thành hiđro peoxit.
Một phép so sánh hơi ngộ nghĩnh có thể giúp ích ở đây. Giả sử mỗi phân tử \(\ce{H2O}\) là một nhóm cố định gồm ba người: hai hiđro và một oxi. Nếu cần thêm nguyên tử hiđro, bạn có thể mời thêm cả một nhóm. Bạn không thể âm thầm biến một nhóm thành hai hiđro và hai oxi mà không tạo ra một chất khác.
Phép so sánh này có giới hạn vì các nguyên tử thực ra không phải là những con người nằm trong các nhóm cố định vĩnh viễn. Liên kết hóa học có thể bị phá vỡ và hình thành lại. Nhưng khi viết phương trình hóa học, mỗi công thức hóa học vẫn phải mô tả đúng chất tương ứng.
02Dự đoán sản phẩm phải được thực hiện trước khi cân bằng
Xét phản ứng chưa hoàn chỉnh sau:
\[ \ce{HCl + NaOH -> ?} \]
Bạn đã có thể cân bằng nó chưa?
Chưa thể làm đúng được. Trước tiên, bạn cần biết sản phẩm là gì.
Axit clohiđric phản ứng với natri hiđroxit là một phản ứng trung hòa axit-bazơ. Sản phẩm là natri clorua và nước:
\[ \ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O} \]
Chỉ sau khi đã có các công thức đúng, bạn mới nên kiểm tra số nguyên tử. Trong trường hợp này, phương trình đã cân bằng theo tỉ lệ \(1:1:1:1\).
Sự khác biệt này rất dễ bị bỏ qua:
Dự đoán sản phẩm là một bài toán hóa học. Cân bằng là một bài toán kiểm kê nguyên tử.
Việc cân bằng không thể sửa được một công thức sản phẩm sai.
Một số dạng sản phẩm hữu ích là:
| Dạng phản ứng | Sản phẩm điển hình |
|---|---|
| Kim loại + oxi | Oxit kim loại |
| Phản ứng tổng hợp | Một hợp chất được tạo thành từ các chất phản ứng đơn giản hơn |
| Phản ứng cháy hoàn toàn của hiđrocacbon | Cacbon đioxit + nước |
| Axit + bazơ | Muối + nước |
| Axit + cacbonat | Muối + nước + cacbon đioxit |
| Hai hợp chất ion trong dung dịch | Có thể tạo kết tủa + các ion còn lại trong dung dịch |
Những dạng này giúp bạn xác định chất nào có thể được tạo thành, nhưng công thức thực tế vẫn phụ thuộc vào các chất tham gia. Ví dụ, khi dự đoán phản ứng axit-cacbonat, bạn cần xác định đúng muối trước khi cân bằng. Hướng dẫn về phản ứng axit-cacbonat trình bày quy trình đó chi tiết hơn.
03Một cách đáng tin cậy để cân bằng phương trình
Sau khi công thức của chất phản ứng và sản phẩm đã đúng, hãy dùng trình tự sau:
- Viết đúng công thức trước. Không thay đổi chỉ số dưới trong quá trình cân bằng.
- Đếm từng nguyên tố ở cả hai vế. Tính cả các hệ số đã có.
- Chọn một nguyên tố chưa cân bằng và chỉ điều chỉnh hệ số. Thường sẽ hữu ích nếu bắt đầu với một nguyên tố chỉ xuất hiện trong một chất ở mỗi vế.
- Đếm lại sau mỗi lần thay đổi. Một hệ số có thể ảnh hưởng đến nhiều nguyên tố cùng lúc.
- Để các nguyên tố như hiđro và oxi đến sau nếu chúng xuất hiện trong nhiều chất. Đây là một chiến lược hữu ích, không phải quy tắc tuyệt đối.
- Kết thúc với các hệ số nguyên nhỏ nhất và kiểm tra lại từng nguyên tố.
Bạn không cần cân bằng một cách cứng nhắc từ trái sang phải. Trên thực tế, làm như vậy một cách máy móc thường tạo thêm công việc không cần thiết.
04Ví dụ có lời giải: Nhôm phản ứng với oxi
Cân bằng phương trình nhôm phản ứng với oxi tạo thành nhôm oxit:
\[ \ce{Al + O2 -> Al2O3} \]
Bước 1
Nhôm đơn chất là \(\ce{Al}\), oxi đơn chất tồn tại dưới dạng phân tử hai nguyên tử \(\ce{O2}\), và nhôm oxit là \(\ce{Al2O3}\).
Ở giai đoạn này:
- vế trái: 1 Al và 2 O
- vế phải: 2 Al và 3 O
Cả hai nguyên tố đều chưa cân bằng.
Bước 2
Chúng ta cần một số nguyên tử oxi có thể tạo được từ cả các nhóm 2 và các nhóm 3. Số nhỏ nhất phù hợp là 6.
Đặt hệ số 3 trước \(\ce{O2}\):
\[ \ce{Al + 3O2 -> Al2O3} \]
Vế trái lúc này có 6 nguyên tử oxi.
Đặt hệ số 2 trước \(\ce{Al2O3}\):
\[ \ce{Al + 3O2 -> 2Al2O3} \]
Vế phải lúc này cũng có \(2 \times 3 = 6\) nguyên tử oxi.
Bước 3
Hai đơn vị \(\ce{Al2O3}\) chứa:
\[ 2 \times 2 = 4 \]
nguyên tử nhôm.
Vì vậy, đặt hệ số 4 trước \(\ce{Al}\):
\[ \boxed{\ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3}} \]
Bước 4
| Nguyên tố | Chất phản ứng | Sản phẩm |
|---|---|---|
| Al | 4 | 4 |
| O | 6 | 6 |
Phương trình đã cân bằng.
Các hệ số cho biết bốn nguyên tử nhôm phản ứng theo cùng tỉ lệ hạt với ba phân tử oxi để tạo thành hai đơn vị công thức nhôm oxit. Ở cấp độ vĩ mô, chính các hệ số đó trở thành tỉ lệ mol.
05Ion đa nguyên tử đôi khi có thể giúp bạn bớt công việc
Bây giờ xét:
\[ \ce{CaCO3 + HNO3 -> Ca(NO3)2 + H2O + CO2} \]
Bạn có thể đếm riêng từng nguyên tử nitơ và oxi ngay từ đầu. Cách đó vẫn đúng, nhưng có một cách dễ hơn để nhìn thấy một phần cấu trúc của phương trình.
Ion nitrat, \(\ce{NO3^-}\), xuất hiện nguyên vẹn trong \(\ce{HNO3}\) và \(\ce{Ca(NO3)2}\). Khi một ion đa nguyên tử không thay đổi trong suốt phương trình, bạn thường có thể xem nó như một nhóm duy nhất khi cân bằng.
Đây chỉ là một cách rút gọn để đếm. Nó không có nghĩa là các ion được gắn với nhau vĩnh viễn hoặc không có thay đổi nào xảy ra ở cấp độ vi mô.
Ví dụ có lời giải: Canxi cacbonat phản ứng với axit nitric
Cân bằng:
\[ \ce{CaCO3 + HNO3 -> Ca(NO3)2 + H2O + CO2} \]
Bước 1
Có một nguyên tử canxi ở mỗi vế, vì vậy canxi đã cân bằng.
Bước 2
Sản phẩm \(\ce{Ca(NO3)2}\) chứa hai nhóm nitrat. Chất phản ứng \(\ce{HNO3}\) chứa một nhóm nitrat trong mỗi đơn vị công thức.
Vì vậy, ta cần hệ số 2 trước axit nitric:
\[ \ce{CaCO3 + 2HNO3 -> Ca(NO3)2 + H2O + CO2} \]
Bước 3
Hai hạt \(\ce{HNO3}\) cung cấp hai nguyên tử hiđro. Một \(\ce{H2O}\) chứa hai nguyên tử hiđro, nên hiđro đã cân bằng.
Bước 4
Có một nguyên tử cacbon trong \(\ce{CaCO3}\) và một trong \(\ce{CO2}\). Cacbon đã cân bằng.
Bước 5
Các chất phản ứng chứa:
\[ 3 + 2(3) = 9 \text{ nguyên tử O} \]
Các sản phẩm chứa:
\[ 6 + 1 + 2 = 9 \text{ nguyên tử O} \]
Vì vậy, phương trình cân bằng là:
\[ \boxed{\ce{CaCO3 + 2HNO3 -> Ca(NO3)2 + H2O + CO2}} \]
Tỉ lệ hệ số là \(1:2:1:1:1\).
Về mặt hóa học, phương trình này cho chúng ta biết nhiều hơn số lượng nguyên tử. Cacbonat phản ứng với axit cuối cùng tạo ra cacbon đioxit và nước, vì vậy nếu dừng lại ở một “sản phẩm axit cacbonic” giả định thì sẽ không phản ánh điều thực sự quan sát được.
06Vì sao thay đổi chỉ số dưới là lỗi cân bằng nghiêm trọng nhất
Giả sử ai đó viết:
\[ \ce{H2 + O2 -> H2O} \]
Họ nhận thấy bên trái có hai nguyên tử oxi nhưng bên phải chỉ có một. Vì vậy, họ đổi sản phẩm thành:
\[ \ce{H2 + O2 -> H2O2} \]
Bây giờ số nguyên tử có vẻ đã cân bằng. Phương trình có đúng không?
Không.
Phương trình lúc này nói rằng hiđro phản ứng với oxi tạo thành hiđro peoxit. Sản phẩm ban đầu là nước. Học sinh đã thay đổi phản ứng thay vì cân bằng nó.
Cách làm đúng là thay đổi hệ số:
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
Bây giờ mỗi vế đều có bốn nguyên tử H và hai nguyên tử O, trong khi sản phẩm vẫn là nước.
Một quy tắc ra quyết định hữu ích là:
Nếu bạn thấy mình đang sửa một chỉ số dưới trong lúc cân bằng, hãy dừng lại và tự hỏi liệu bạn có đang thay đổi định danh của một chất hay không.
Thông thường là có.
07Hãy nhớ các phân tử đơn chất
Một lỗi phổ biến khác xảy ra ngay cả trước khi bắt đầu cân bằng. Một số nguyên tố tồn tại dưới dạng phân tử hai nguyên tử khi ở dạng đơn chất.
Ví dụ, oxi đơn chất được viết là \(\ce{O2}\), không phải \(\ce{O}\), và clo đơn chất là \(\ce{Cl2}\), không phải \(\ce{Cl}\).
Điều đó quan trọng trong các phương trình như:
\[ \ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl} \]
Viết \(\ce{Na + Cl -> NaCl}\) tình cờ cho số nguyên tử bằng nhau, nhưng sẽ không biểu diễn đúng clo đơn chất trong điều kiện thông thường.
Các đơn chất hai nguyên tử quen thuộc mà bạn cần nhận biết là \(\ce{H2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{F2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{Br2}\) và \(\ce{I2}\).
08Ký hiệu trạng thái truyền đạt nhiều hơn sự bảo toàn nguyên tử
Một phương trình ký hiệu đầy đủ cũng có thể bao gồm trạng thái vật lý:
- \(\ce{(s)}\): rắn
- \(\ce{(l)}\): lỏng
- \(\ce{(g)}\): khí
- \(\ce{(aq)}\): hòa tan trong nước
Ví dụ:
\[ \ce{AgNO3(aq) + NaCl(aq) -> AgCl(s) + NaNO3(aq)} \]
Tất cả các hệ số đều bằng 1, nên phương trình đã cân bằng. Nhưng các ký hiệu trạng thái cho thấy quan sát quan trọng: bạc clorua rắn được tạo thành từ hai dung dịch nước.
Thông tin đó đặc biệt hữu ích khi bạn chuyển từ phương trình phân tử sang phương trình ion rút gọn. Hướng dẫn về phản ứng kết tủa và phương trình ion rút gọn trình bày bước tiếp theo đó.
09Có thể tạm thời sử dụng phân số
Xét phản ứng cháy hoàn toàn của etan:
\[ \ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O} \]
Bắt đầu với cacbon:
\[ \ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + H2O} \]
Sau đó đến hiđro:
\[ \ce{C2H6 + O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
Các sản phẩm lúc này chứa \(4 + 3 = 7\) nguyên tử oxi. Điều đó đòi hỏi \(\frac{7}{2}\) phân tử oxi:
\[ \ce{C2H6 + 7/2O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]
Phân số hữu ích trong quá trình làm bài vì nó duy trì đúng tỉ lệ nguyên tử. Đối với phương trình cuối cùng theo quy ước, hãy nhân mọi hệ số với 2:
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}} \]
Bạn không hề thay đổi bản chất hóa học. Cả hai phương trình đều mô tả cùng một quan hệ tỉ lệ. Phương trình thứ hai chỉ biểu diễn quan hệ đó bằng các hệ số nguyên nhỏ nhất.
Để luyện tập thêm với dạng phản ứng cụ thể này, xem phản ứng cháy: sản phẩm và phương trình.
10Kiểm tra cân bằng cuối cùng giúp phát hiện hầu hết lỗi
Trước khi chấp nhận một phương trình, hãy đặt ba câu hỏi riêng biệt.
Các chất có đúng không?
Kiểm tra công thức của chất phản ứng và sản phẩm trước khi quan tâm đến hệ số.
Các nguyên tử có được bảo toàn không?
Đếm mọi nguyên tố ở cả hai vế, bao gồm cả hệ số.
Các hệ số có ở tỉ lệ số nguyên đơn giản nhất không?
Ví dụ,
\[ \ce{4H2 + 2O2 -> 4H2O} \]
đã cân bằng, nhưng tất cả các hệ số đều có thừa số chung là 2. Dạng đơn giản nhất là:
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
Bước kiểm tra cuối cùng này quan trọng vì một phương trình hoàn toàn cân bằng vẫn có thể mô tả sai phản ứng nếu ngay từ đầu các công thức đã sai.
11Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Magie phản ứng với axit clohiđric tạo thành magie clorua và khí hiđro.
Hãy viết và cân bằng phương trình ký hiệu.
Lời giải 1
Phương trình cân bằng là:
\[ \boxed{\ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2}} \]
Magie clorua có công thức \(\ce{MgCl2}\), vì vậy cần hai nguyên tử clo ở phía chất phản ứng. Đặt hệ số 2 trước \(\ce{HCl}\) cung cấp hai nguyên tử clo đó và đồng thời tạo ra hai nguyên tử hiđro:
\[ \ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2} \]
Số nguyên tử là:
| Nguyên tố | Chất phản ứng | Sản phẩm |
|---|---|---|
| Mg | 1 | 1 |
| H | 2 | 2 |
| Cl | 2 | 2 |
Điểm mấu chốt là hệ số phải được đặt trước \(\ce{HCl}\). Đổi công thức của nó thành một dạng như \(\ce{H2Cl}\) sẽ tạo ra một chất khác.
Câu hỏi 2
Kim loại canxi phản ứng với khí oxi tạo thành canxi oxit.
Hãy dự đoán công thức sản phẩm và viết phương trình cân bằng.
Lời giải 2
Sản phẩm là canxi oxit, \(\ce{CaO}\), và phương trình cân bằng là:
\[ \boxed{\ce{2Ca + O2 -> 2CaO}} \]
Canxi tạo ion \(\mathrm{Ca}^{2+}\) và oxit là \(\mathrm{O}^{2-}\), cho công thức trung hòa \(\ce{CaO}\).
Oxi đơn chất phải được viết là \(\ce{O2}\). Một phân tử \(\ce{O2}\) cung cấp hai nguyên tử oxi, vì vậy tạo thành hai đơn vị công thức canxi oxit:
\[ \ce{2Ca + O2 -> 2CaO} \]
Điều này cũng đòi hỏi hai nguyên tử canxi.
Một lỗi dễ mắc là viết \(\ce{CaO2}\) chỉ vì oxi ban đầu ở dạng \(\ce{O2}\). Phân tử \(\ce{O2}\) không còn nguyên vẹn trong sản phẩm. Các nguyên tử của nó được sắp xếp lại.
Câu hỏi 3
Axit photphoric, \(\ce{H3PO4}\), phản ứng hoàn toàn với kali hiđroxit, \(\ce{KOH}\), tạo thành kali photphat, \(\ce{K3PO4}\), và nước.
Hãy cân bằng phương trình và giải thích một đặc điểm giúp phương pháp của bạn hiệu quả hơn.
Lời giải 3
Phương trình cân bằng là:
\[ \boxed{\ce{H3PO4 + 3KOH -> K3PO4 + 3H2O}} \]
Bắt đầu với nhóm photphat, \(\ce{PO4}\). Một nhóm photphat xuất hiện trong \(\ce{H3PO4}\) và một nhóm trong \(\ce{K3PO4}\), vì vậy nhóm này đã cân bằng.
Sản phẩm \(\ce{K3PO4}\) chứa ba nguyên tử kali. Vì vậy, ta cần ba đơn vị kali hiđroxit:
\[ \ce{H3PO4 + 3KOH -> K3PO4 + H2O} \]
Lúc này có sáu nguyên tử hiđro ở bên trái:
\[ 3 + 3(1) = 6 \]
Ba phân tử nước chứa sáu nguyên tử hiđro, vì vậy:
\[ \ce{H3PO4 + 3KOH -> K3PO4 + 3H2O} \]
Kiểm tra oxi cho:
\[ 4 + 3 = 7 \text{ nguyên tử O ở vế trái} \]
và
\[ 4 + 3 = 7 \text{ nguyên tử O ở vế phải} \]
Xem \(\ce{PO4}\) như một nhóm không thay đổi giúp việc cân bằng nhanh hơn. Cách rút gọn này dùng được ở đây vì nhóm photphat xuất hiện nguyên vẹn ở cả hai vế.
Câu hỏi 4
Một học sinh đang cố cân bằng phản ứng tạo thành nước và viết:
\[ \ce{H2 + O2 -> H2O} \]
Học sinh đó thay \(\ce{H2O}\) bằng \(\ce{H2O2}\) và lập luận rằng phương trình mới đã cân bằng vì cả hai vế lúc này đều chứa hai nguyên tử hiđro và hai nguyên tử oxi.
Hãy giải thích chính xác điều gì sai trong lập luận này, sau đó đưa ra phương trình cân bằng đúng.
Lời giải 4
Số nguyên tử trong cách làm của học sinh đã cân bằng, nhưng phương trình sai về mặt hóa học vì việc đổi \(\ce{H2O}\) thành \(\ce{H2O2}\) làm thay đổi sản phẩm từ nước thành hiđro peoxit.
Chỉ số dưới là một phần của công thức của một chất. Không thể điều chỉnh nó chỉ để làm cho số nguyên tử bằng nhau.
Cách làm đúng là giữ nguyên công thức \(\ce{H2O}\) và thay đổi hệ số:
\[ \boxed{\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}} \]
Vế chất phản ứng chứa:
\[ 2(2) = 4 \text{ nguyên tử H} \]
và
\[ 2 \text{ nguyên tử O} \]
Vế sản phẩm chứa:
\[ 2(2) = 4 \text{ nguyên tử H} \]
và
\[ 2(1) = 2 \text{ nguyên tử O} \]
Vì vậy, các nguyên tử được bảo toàn mà không làm thay đổi định danh của nước.
Điểm dễ mắc bẫy là “cùng số nguyên tử” là điều kiện cần để một phương trình đúng, nhưng chưa đủ. Các công thức cũng phải biểu diễn đúng các chất phản ứng và sản phẩm thực tế.
Câu hỏi 5
Nhôm sunfat trong dung dịch phản ứng với bari nitrat trong dung dịch. Bari sunfat không tan được tạo thành, còn nhôm nitrat vẫn hòa tan.
Hãy viết phương trình ký hiệu cân bằng, bao gồm các ký hiệu trạng thái. Sau đó giải thích vì sao đếm các nhóm sunfat và nitrat như những đơn vị riêng sẽ hiệu quả hơn so với việc ngay lập tức đếm từng nguyên tử oxi.
Lời giải 5
Phương trình cân bằng là:
\[ \boxed{\ce{Al2(SO4)3(aq) + 3Ba(NO3)2(aq) -> 3BaSO4(s) + 2Al(NO3)3(aq)}} \]
Bắt đầu với các công thức suy ra từ các ion.
Nhôm sunfat chứa hai ion nhôm và ba ion sunfat:
\[ \ce{Al2(SO4)3} \]
Bari nitrat là:
\[ \ce{Ba(NO3)2} \]
Các sản phẩm là \(\ce{BaSO4}\) và \(\ce{Al(NO3)3}\).
Có ba nhóm sunfat ở bên trái, vì vậy đặt hệ số 3 trước bari sunfat:
\[ \ce{Al2(SO4)3 + Ba(NO3)2 -> 3BaSO4 + Al(NO3)3} \]
Điều đó đòi hỏi ba nguyên tử bari, vì vậy đặt hệ số 3 trước bari nitrat:
\[ \ce{Al2(SO4)3 + 3Ba(NO3)2 -> 3BaSO4 + Al(NO3)3} \]
Có hai nguyên tử nhôm ở bên trái, vì vậy đặt hệ số 2 trước nhôm nitrat:
\[ \ce{Al2(SO4)3 + 3Ba(NO3)2 -> 3BaSO4 + 2Al(NO3)3} \]
Bây giờ kiểm tra nitrat. Vế trái chứa:
\[ 3 \times 2 = 6 \text{ nhóm nitrat} \]
Vế phải chứa:
\[ 2 \times 3 = 6 \text{ nhóm nitrat} \]
Mọi thứ đã cân bằng.
Đếm sunfat và nitrat như các nhóm nguyên vẹn là cách hiệu quả vì thành phần của cả hai nhóm đều không thay đổi giữa chất phản ứng và sản phẩm. Việc đếm riêng từng nguyên tử nitơ và oxi vẫn cho kết quả đúng, nhưng sẽ che khuất cấu trúc đơn giản của sự sắp xếp lại và tạo thêm cơ hội xảy ra lỗi tính toán.
Các ký hiệu trạng thái cũng truyền đạt quan sát thực nghiệm: \(\ce{BaSO4(s)}\) là kết tủa hình thành từ hai dung dịch nước.
Câu hỏi 6
Một học sinh cân bằng phản ứng giữa natri cacbonat và axit clohiđric như sau:
\[ \ce{Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + H2CO3} \]
Học sinh chỉ ra rằng mọi nguyên tố đều được bảo toàn và kết luận rằng phương trình vì thế phải là một mô tả đầy đủ của phản ứng quan sát được.
Hãy giải thích vì sao chỉ riêng sự bảo toàn nguyên tử là chưa đủ trong trường hợp này, và viết phương trình biểu diễn các sản phẩm thực sự quan sát được trong phản ứng axit-cacbonat.
Lời giải 6
Phương trình của học sinh bảo toàn nguyên tử, nhưng không đưa ra các sản phẩm quan sát được cuối cùng của phản ứng axit-cacbonat.
Trong dung dịch axit, cacbonat cuối cùng tạo thành cacbon đioxit và nước. Phương trình tổng quát là:
\[ \boxed{\ce{Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + H2O + CO2}} \]
Kiểm tra các nguyên tử.
Ở vế chất phản ứng:
\[ \ce{Na}: 2,\quad \ce{H}: 2,\quad \ce{C}: 1,\quad \ce{O}: 3,\quad \ce{Cl}: 2 \]
Ở vế sản phẩm:
\[ \ce{Na}: 2,\quad \ce{H}: 2,\quad \ce{C}: 1,\quad \ce{O}: 1 + 2 = 3,\quad \ce{Cl}: 2 \]
Vì vậy, phương trình cuối cùng cũng đã cân bằng.
Vấn đề sâu hơn là cân bằng kiểm tra sự bảo toàn, chứ không kiểm tra tính đúng đắn của sản phẩm. Có thể có nhiều phương trình giả định khác nhau cùng bảo toàn một tập hợp nguyên tử. Hóa học mới quyết định sản phẩm nào thực sự được tạo thành.
Đó là lý do thứ tự đúng là trước tiên xác định phản ứng và sản phẩm, sau đó mới cân bằng phương trình.
12Phương trình cân bằng cho phép bạn làm gì tiếp theo
Sau khi một phương trình được cân bằng, các hệ số của nó không còn chỉ là những con số dùng để ghi sổ. Chúng trở thành các tỉ lệ định lượng.
Từ
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
bạn có thể đọc được rằng 2 mol \(\ce{H2}\) phản ứng với 1 mol \(\ce{O2}\) để tạo thành 2 mol \(\ce{H2O}\), với giả định rằng phản ứng diễn ra đúng như phương trình biểu diễn.
Mối liên hệ giữa sự bảo toàn nguyên tử và tỉ lệ mol chính là điều làm cho các phương trình cân bằng trở nên hữu ích trong tính toán hóa học. Những phương trình này cũng trở thành điểm khởi đầu để xác định ion khán, viết phương trình ion rút gọn, so sánh hiệu suất lý thuyết và hiệu suất thực tế, cũng như xác định chất phản ứng nào sẽ hết trước.
Vì vậy, câu hỏi hữu ích tiếp theo không còn chỉ là: “Phương trình đã cân bằng chưa?” mà là: “Tỉ lệ cân bằng này cho phép tôi tính được điều gì về phản ứng?”