Bảo toàn khối lượng trong phản ứng hóa học: Hóa học HSC

Một dải magie được cân, nung mạnh trong không khí, rồi cân lại. Chất rắn nặng hơn sau phản ứng.

Điều đó nghe có vẻ sai. Nếu các phản ứng hóa học tuân theo định luật bảo toàn khối lượng, thì phần khối lượng tăng thêm đến từ đâu?

Trước khi đọc tiếp, hãy đưa ra dự đoán. Cách giải thích nào hợp lý hơn?

• Phản ứng đã tạo ra khối lượng mới.
• Một chất nào đó từ môi trường xung quanh đã trở thành một phần của chất rắn.

Đáp án là ý thứ hai. Magie phản ứng với oxy trong không khí. Nếu bạn chỉ cân chất rắn có chứa magie, khối lượng đo được sẽ tăng vì oxy đã đi vào phần của hệ mà bạn đang đo.

Sự phân biệt này là chìa khóa để hiểu đúng về bảo toàn khối lượng. Bảo toàn khối lượng không có nghĩa là mọi vật bạn đặt lên cân đều phải giữ nguyên khối lượng. Đây là nguyên tắc yêu cầu phải tính đến toàn bộ vật chất tham gia vào phản ứng.

01Bắt đầu bằng cách xác định những gì nằm trong hệ của bạn

Hãy tưởng tượng bạn đặt một hộp cơm lên cân. Ai đó bí mật thả một quả táo vào trong. Số chỉ của cân tăng lên.

Không có khối lượng nào được tạo ra. Khối lượng đã đi vào hộp cơm.

Bây giờ hãy tưởng tượng ai đó lấy trộm quả táo khi bạn không để ý. Số chỉ của cân giảm xuống. Một lần nữa, không có khối lượng nào biến mất khỏi sự tồn tại. Nó đã rời khỏi hệ mà bạn chọn để đo.

Các thí nghiệm hóa học cũng hoạt động theo cách tương tự, ngoại trừ việc vật chất thoát ra hoặc đi vào thường là một chất khí vô hình.

Hệ là phần của vũ trụ mà bạn đang theo dõi. Môi trường xung quanh là mọi thứ nằm bên ngoài hệ.

Đối với một phản ứng hóa học, cân bằng khối lượng có thể được viết là:

\[ m_{\text{cuối}} = m_{\text{ban đầu}} + m_{\text{vào}} - m_{\text{ra}} \]

trong đó:

• \(m_{\text{cuối}}\) là khối lượng cuối cùng bên trong hệ
• \(m_{\text{ban đầu}}\) là khối lượng ban đầu bên trong hệ
• \(m_{\text{vào}}\) là khối lượng đi vào từ môi trường xung quanh
• \(m_{\text{ra}}\) là khối lượng rời khỏi hệ để đi ra môi trường xung quanh

Trong một hệ kín, vật chất không thể đi vào hoặc đi ra. Do đó \(m_{\text{vào}} = 0\) và \(m_{\text{ra}} = 0\), nên:

\[ m_{\text{cuối}} = m_{\text{ban đầu}} \]

Đây là dạng của định luật bảo toàn khối lượng mà bạn sẽ sử dụng thường xuyên nhất trong Hóa học HSC.

02Vì sao cân bằng phương trình thực chất là hạch toán khối lượng

Xét phản ứng giữa hiđro và oxy:

\[ \ce{2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(l)} \]

Một phương trình hóa học được cân bằng vì số nguyên tử của mỗi nguyên tố trước và sau phản ứng là như nhau.

Ở vế trái:

• 4 nguyên tử hiđro
• 2 nguyên tử oxy

Ở vế phải:

• 4 nguyên tử hiđro
• 2 nguyên tử oxy

Các nguyên tử đã được sắp xếp lại. Chúng không biến mất hay xuất hiện từ hư không.

Việc hạch toán nguyên tử đó trở thành hạch toán khối lượng khi chúng ta sử dụng khối lượng mol.

Sử dụng \(M(\ce{H2}) = 2.016\ \text{g mol}^{-1}\), \(M(\ce{O2}) = 32.00\ \text{g mol}^{-1}\), và \(M(\ce{H2O}) = 18.016\ \text{g mol}^{-1}\):

\[ \begin{aligned} \text{khối lượng chất phản ứng} &= 2(2.016) + 1(32.00)\\ &= 36.032\ \text{g} \end{aligned} \]

và

\[ \begin{aligned} \text{khối lượng sản phẩm} &= 2(18.016)\\ &= 36.032\ \text{g} \end{aligned} \]

Các hệ số không cho biết rằng khối lượng có tỉ lệ 2:1:2. Chúng cho biết tỉ lệ giữa lượng các chất phản ứng tính theo mol.

Khối lượng được đưa vào phép tính thông qua khối lượng mol.

03Phép tính theo tỉ lượng bạn cần biết

Ba đại lượng liên kết phần lớn các phép tính về bảo toàn khối lượng:

\[ n = \frac{m}{M} \]

trong đó:

• \(n\) là lượng chất tính bằng mol, đơn vị mol
• \(m\) là khối lượng, đơn vị g
• \(M\) là khối lượng mol, đơn vị \(\text{g mol}^{-1}\)

Một phương pháp đáng tin cậy là:

1. Viết và cân bằng phương trình hóa học.
2. Chuyển khối lượng đã biết sang số mol.
3. Sử dụng tỉ lệ mol từ phương trình.
4. Chuyển số mol cần tìm trở lại thành khối lượng.
5. Xác định xem có chất nào đã đi vào hoặc rời khỏi hệ được đo hay không.

Bước 5 thường là điều phân biệt một lời giải thích đúng về bảo toàn khối lượng với một phép tính không có ý nghĩa vật lý.

04Vì sao một bình hở có thể bị giảm khối lượng

Giả sử canxi cacbonat được nung nóng:

\[ \ce{CaCO3(s) -> CaO(s) + CO2(g)} \]

Nếu phản ứng xảy ra trong một chén nung hở, cacbon đioxit có thể thoát ra ngoài phòng.

Hãy dự đoán điều gì xảy ra với khối lượng ghi nhận được của chén nung và các chất bên trong. Khối lượng có giữ nguyên vì được bảo toàn không?

Không. Khối lượng đo được giảm vì \(\ce{CO2}\) rời khỏi hệ được đo.

Nếu bằng cách nào đó bạn thu được lượng cacbon đioxit thoát ra và tính nó vào phép đo cuối cùng, tổng khối lượng vẫn sẽ bằng khối lượng ban đầu.

05Vì sao một bình hở có thể tăng khối lượng

Giảm khối lượng không phải là cạm bẫy duy nhất.

Magie cháy trong oxy:

\[ \ce{2Mg(s) + O2(g) -> 2MgO(s)} \]

Nếu ban đầu bạn chỉ cân magie, magie oxit cuối cùng có thể có khối lượng lớn hơn.

Khối lượng tăng thêm đó đến từ đâu?

Oxy vốn đã có trong không khí xung quanh. Trong phản ứng, các nguyên tử oxy đi vào chất rắn được đo và trở thành một phần của magie oxit.

06Quan niệm sai phổ biến nhất: “Số chỉ của cân thay đổi, nên khối lượng không được bảo toàn”

Một chiếc cân chỉ đo phần vật chất còn nằm trong ranh giới vật lý mà bạn đã chọn.

Điều đó có nghĩa là một sự thay đổi khối lượng quan sát được thường là bằng chứng cho thấy vật chất đã đi qua ranh giới của hệ.

Có một giới hạn quan trọng đối với hàng cuối cùng. Bạn không thể tự động quy mọi sự không khớp cho “sai số thí nghiệm”. Phép tính theo tỉ lượng cho bạn một dự đoán cụ thể, vì vậy độ lớn và chiều của sự sai lệch có thể giúp bạn xác định điều gì có thể đã xảy ra.

Ví dụ, nếu một phản ứng đáng lẽ giải phóng \(0.50\ \text{g}\) khí nhưng khối lượng giảm đo được chỉ là \(0.30\ \text{g}\), một phần khí có thể vẫn còn bên trong dụng cụ, hoặc phản ứng có thể chưa xảy ra hoàn toàn.

Nếu khối lượng giảm đo được là \(0.80\ \text{g}\), chỉ riêng khí phản ứng thoát ra không thể giải thích điều đó. Cần xem xét thêm một nguyên nhân khác, chẳng hạn như dung môi bay hơi hoặc các giọt chất lỏng bị thất thoát.

07Hệ kín không có nghĩa là “không có gì xảy ra”

Hãy hình dung hai dung dịch ở bên trong một bình kín. Chúng phản ứng và tạo ra khí. Bạn có thể thấy bọt khí hình thành, áp suất có thể tăng, và các chất có mặt có thể thay đổi hoàn toàn.

Khối lượng của bình kín và mọi thứ bên trong có thay đổi không?

Ở mức HSC, không.

Khí vẫn ở bên trong bình. Nó đã thay đổi vị trí và dạng hóa học, nhưng không đi qua ranh giới của hệ.

Đó là lý do các hệ phản ứng kín rất hữu ích khi minh họa định luật bảo toàn khối lượng. Chúng ngăn sản phẩm khí vô hình âm thầm thoát ra giữa chừng trong thí nghiệm và khiến kết quả trở nên khó hiểu.

Ở đây còn có một điểm vật lý sâu hơn. Các phản ứng hóa học liên quan đến những thay đổi năng lượng rất nhỏ mà, thông qua \(E = mc^2\), tương ứng với những thay đổi khối lượng cực kỳ nhỏ. Những thay đổi này nhỏ hơn rất nhiều so với mức mà các phép đo hóa học thông thường ở HSC có thể phát hiện. Trong các phép tính theo tỉ lượng ở HSC, khối lượng được xem là được bảo toàn trong các phản ứng hóa học.

08Bảo toàn không có nghĩa là mọi chất phản ứng đều được dùng hết

Một sai lầm dễ mắc khác là cộng khối lượng của tất cả các chất phản ứng, tính khối lượng sản phẩm rồi giả định rằng mọi chất phản ứng đều đã biến mất.

Điều đó chỉ đúng nếu các chất phản ứng có mặt đúng theo tỉ lệ tỉ lượng cần thiết.

Nếu một chất phản ứng dư, một phần chất đó vẫn còn sau phản ứng. Bảo toàn khối lượng bao gồm cả các sản phẩm và mọi chất phản ứng còn dư.

Giả sử một bình kín chứa nhôm và oxy:

\[ \ce{4Al(s) + 3O2(g) -> 2Al2O3(s)} \]

Nếu có nhiều oxy hơn mức cần thiết, hệ cuối cùng sẽ chứa nhôm oxit cùng với lượng oxy chưa phản ứng. Bạn không thể biến toàn bộ oxy thành sản phẩm chỉ vì nó nằm trong bình.

Đây là điểm mà bảo toàn khối lượng kết nối trực tiếp với chất phản ứng giới hạn.

09Một quy tắc hữu ích để xử lý sự thay đổi khối lượng đo được

Khi một câu hỏi cho biết khối lượng thực nghiệm tăng hoặc giảm, đừng lập tức tìm một công thức để áp dụng.

Trước tiên hãy hỏi:

Chính xác thì thứ gì đã được cân trước và sau phản ứng?

Sau đó hãy hỏi:

Có vật chất nào có thể đã đi qua ranh giới đó không?

Chỉ sau khi trả lời những câu hỏi này, bạn mới nên diễn giải sự thay đổi khối lượng đo được.

Đối với một hệ hở:

\[ \text{độ thay đổi khối lượng đo được} = \text{khối lượng đi vào} - \text{khối lượng đi ra} \]

Đối với một hệ kín:

\[ \text{độ thay đổi tổng khối lượng đo được} \approx 0 \]

với điều kiện toàn bộ dụng cụ kín được đem cân và chỉ có các phản ứng hóa học thông thường xảy ra.

10Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một mẫu \(8.00\ \text{g}\) của một muối cacbonat được nung trong một bình hở. Sau khi nung, tổng khối lượng của bình và chất rắn đã giảm \(2.10\ \text{g}\).

Giả sử vật chất duy nhất rời khỏi hệ là cacbon đioxit, khối lượng chất rắn còn lại là bao nhiêu, và vì sao sự mất khối lượng này không vi phạm định luật bảo toàn khối lượng?

Lời giải 1

Chất rắn còn lại có khối lượng \(5.90\ \text{g}\), và định luật bảo toàn khối lượng không bị vi phạm vì \(2.10\ \text{g}\) bị thiếu đã rời khỏi hệ được đo dưới dạng cacbon đioxit.

Cân bằng khối lượng là:

\[ m_{\text{cuối}} = m_{\text{ban đầu}} - m_{\text{ra}} \]

Thay số:

\[ m_{\text{cuối}} = 8.00 - 2.10 = 5.90\ \text{g} \]

Bình phản ứng là hệ hở, vì vậy phép đo cuối cùng trên cân không bao gồm lượng \(\ce{CO2}\) đã thoát ra.

Nếu \(2.10\ \text{g}\) cacbon đioxit được thu lại và cân như một phần của hệ cuối cùng:

\[ 5.90 + 2.10 = 8.00\ \text{g} \]

Cạm bẫy thường gặp là cho rằng bảo toàn khối lượng đòi hỏi chất rắn phải giữ nguyên khối lượng. Thực ra, nguyên tắc này đòi hỏi toàn bộ vật chất phải được tính đến.

Câu hỏi 2

Hiđro peoxit phân hủy theo phương trình:

\[ \ce{2H2O2(aq) -> 2H2O(l) + O2(g)} \]

Một bình hở giảm \(0.320\ \text{g}\) trong phản ứng. Giả sử oxy là chất duy nhất rời khỏi bình.

Hãy tính:

a. lượng oxy được giải phóng tính bằng mol

b. lượng hiđro peoxit đã phân hủy

Lời giải 2

Phản ứng giải phóng \(0.0100\ \text{mol}\) \(\ce{O2}\), nghĩa là \(0.0200\ \text{mol}\) \(\ce{H2O2}\) đã phân hủy.

Đối với phần a, khối lượng giảm đo được chính là khối lượng của oxy thoát ra.

Sử dụng \(M(\ce{O2}) = 32.00\ \text{g mol}^{-1}\):

\[ n(\ce{O2}) = \frac{m}{M} = \frac{0.320}{32.00} = 0.0100\ \text{mol} \]

Đối với phần b, phương trình đã cân bằng cho:

\[ \ce{H2O2}:\ce{O2} = 2:1 \]

Do đó:

\[ n(\ce{H2O2}) = 2(0.0100) = 0.0200\ \text{mol} \]

Số chỉ của cân giảm vì oxy rời khỏi bình hở. Phép tính theo tỉ lượng cho phép chúng ta suy ngược từ lượng khối lượng giảm đo được để xác định lượng chất phản ứng đã phân hủy.

Giả định quan trọng là oxy là vật chất duy nhất rời khỏi bình. Nếu nước cũng bay hơi, thì không thể xem toàn bộ khối lượng giảm là khối lượng của oxy.

Câu hỏi 3

Magie phản ứng với oxy theo phương trình:

\[ \ce{2Mg(s) + O2(g) -> 2MgO(s)} \]

Một học sinh nung \(4.86\ \text{g}\) magie trong không khí. Sau phản ứng, chất rắn có khối lượng \(7.70\ \text{g}\).

Giả sử toàn bộ magie đã phản ứng, hãy xác định khối lượng magie oxit theo lý thuyết và quyết định xem kết quả đo được có thể chỉ được giải thích bằng việc magie phản ứng với oxy hay không.

Lời giải 3

Khối lượng magie oxit theo lý thuyết là khoảng \(8.06\ \text{g}\), vì vậy khối lượng cuối cùng \(7.70\ \text{g}\) không thể biểu thị sự chuyển hóa hoàn toàn của toàn bộ \(4.86\ \text{g}\) magie thành \(\ce{MgO}\) được giữ lại.

Trước tiên, tính lượng magie:

\[ n(\ce{Mg}) = \frac{4.86}{24.31} = 0.1999\ \text{mol} \]

Phương trình đã cân bằng cho tỉ lệ mol \(1:1\) giữa magie và magie oxit:

\[ n(\ce{MgO}) = 0.1999\ \text{mol} \]

Sử dụng \(M(\ce{MgO}) = 40.31\ \text{g mol}^{-1}\):

\[ m(\ce{MgO}) = 0.1999 \times 40.31 = 8.06\ \text{g} \]

Kết quả đo được thấp hơn:

\[ 8.06 - 7.70 = 0.36\ \text{g} \]

so với khối lượng theo lý thuyết.

Nếu toàn bộ magie ban đầu thực sự đã phản ứng tạo thành magie oxit và toàn bộ sản phẩm vẫn còn trong bình, chất rắn cuối cùng phải có khối lượng khoảng \(8.06\ \text{g}\).

Do đó, ít nhất một giả định phải sai. Các khả năng bao gồm sản phẩm rắn bị thất thoát khỏi bình hoặc hình thành các sản phẩm khác ngoài \(\ce{MgO}\) tinh khiết như đã giả định. Nếu bản thân nhận định rằng toàn bộ magie đã phản ứng vẫn chưa chắc chắn, thì cũng cần điều tra khả năng phản ứng chưa hoàn toàn.

Cạm bẫy là chỉ nhìn vào việc khối lượng tăng rồi tuyên bố rằng kết quả là đúng. Bảo toàn khối lượng cho biết chiều thay đổi tổng quát, nhưng phép tính theo tỉ lượng dự đoán độ lớn của sự thay đổi đó.

Câu hỏi 4

Một bình kín ban đầu chứa \(5.40\ \text{g}\) nhôm và \(4.00\ \text{g}\) khí oxy. Chúng phản ứng theo phương trình:

\[ \ce{4Al(s) + 3O2(g) -> 2Al2O3(s)} \]

Hãy xác định:

a. chất phản ứng giới hạn

b. khối lượng nhôm oxit được tạo thành

c. khối lượng chất phản ứng dư còn lại

d. tổng khối lượng cuối cùng bên trong bình kín

Lời giải 4

Nhôm là chất phản ứng giới hạn. Khoảng \(10.2\ \text{g}\) nhôm oxit không thể được tạo thành ở đây vì bình chỉ chứa tổng cộng \(9.40\ \text{g}\) vật chất. Khối lượng sản phẩm khoảng \(10.2\ \text{g}\) chỉ đúng nếu có đủ oxy được cung cấp, vì vậy chúng ta phải kiểm tra cẩn thận phép tính theo tỉ lượng trước khi chấp nhận kết quả đó.

Bắt đầu với số mol của từng chất phản ứng.

Đối với nhôm, sử dụng \(M(\ce{Al}) = 26.98\ \text{g mol}^{-1}\):

\[ n(\ce{Al}) = \frac{5.40}{26.98} = 0.200\ \text{mol} \]

Đối với oxy:

\[ n(\ce{O2}) = \frac{4.00}{32.00} = 0.125\ \text{mol} \]

Phản ứng yêu cầu:

\[ \ce{Al}:\ce{O2} = 4:3 \]

Để phản ứng với \(0.200\ \text{mol}\) nhôm, lượng oxy cần thiết sẽ là:

\[ n(\ce{O2,\text{cần}}) = 0.200 \times \frac{3}{4} = 0.150\ \text{mol} \]

Chỉ có \(0.125\ \text{mol}\) oxy. Vì vậy oxy, không phải nhôm, là chất phản ứng giới hạn.

Đây là lý do cần kiểm tra tỉ lệ tỉ lượng trước khi tính khối lượng sản phẩm.

Sử dụng oxy làm chất phản ứng giới hạn:

\[ n(\ce{Al2O3}) = 0.125 \times \frac{2}{3} = 0.0833\ \text{mol} \]

Sử dụng \(M(\ce{Al2O3}) \approx 101.96\ \text{g mol}^{-1}\):

\[ m(\ce{Al2O3}) = 0.0833 \times 101.96 \approx 8.50\ \text{g} \]

Vậy đáp án cho phần b xấp xỉ:

\[ \boxed{8.50\ \text{g }\ce{Al2O3}} \]

Bây giờ hãy tìm lượng nhôm đã phản ứng:

\[ n(\ce{Al,\text{đã phản ứng}}) = 0.125 \times \frac{4}{3} = 0.1667\ \text{mol} \]

Khối lượng của lượng nhôm này là:

\[ m(\ce{Al,\text{đã phản ứng}}) = 0.1667 \times 26.98 \approx 4.50\ \text{g} \]

Do đó, lượng nhôm còn lại là:

\[ m(\ce{Al,\text{còn lại}}) = 5.40 - 4.50 = 0.90\ \text{g} \]

Đối với phần d, bình được bịt kín. Không có gì đi vào hoặc đi ra, vì vậy tổng khối lượng cuối cùng phải bằng tổng khối lượng ban đầu:

\[ m_{\text{cuối,tổng}} = 5.40 + 4.00 = 9.40\ \text{g} \]

Chúng ta có thể xác nhận điều này bằng sản phẩm và chất phản ứng còn dư:

\[ 8.50 + 0.90 = 9.40\ \text{g} \]

Do đó, các kết luận đúng là:

• chất phản ứng giới hạn: \(\ce{O2}\)
• nhôm oxit được tạo thành: xấp xỉ \(8.50\ \text{g}\)
• nhôm còn lại: xấp xỉ \(0.90\ \text{g}\)
• tổng khối lượng cuối cùng: \(9.40\ \text{g}\)

Câu hỏi này cho thấy một phép kiểm tra an toàn hữu ích. Nếu khối lượng sản phẩm tính được lớn hơn tổng khối lượng có sẵn trong một hệ kín, hãy dừng lại. Hoặc vật chất đã đi vào từ bên ngoài, hoặc phép tính theo tỉ lượng đã sai.

11Ý tưởng này dẫn đến đâu tiếp theo

Bảo toàn khối lượng mang lại ý nghĩa vật lý cho phép tính theo tỉ lượng. Một phương trình đã cân bằng cho biết các nguyên tử được sắp xếp lại như thế nào, khối lượng mol biến sự sắp xếp đó thành các khối lượng có thể đo được, và ranh giới của hệ giải thích vì sao số chỉ của cân trong thí nghiệm có thể tăng, giảm hoặc giữ nguyên.

Bước hữu ích tiếp theo là các phép tính về chất phản ứng giới hạn và hiệu suất. Khi bạn có thể xác định mỗi gam vật chất đáng lẽ phải đi đâu, bạn có thể so sánh dự đoán lý thuyết với lượng thực tế thu được và xác định xem sự khác biệt đến từ phép tính theo tỉ lượng, phản ứng chưa hoàn toàn, thất thoát sản phẩm hay một quá trình thực nghiệm khác.