Tỉ lệ mol số nguyên từ dữ liệu thực nghiệm | HSC Chemistry

Tìm hiểu cách dữ liệu thực nghiệm có thể cho thấy các tỉ lệ mol số nguyên đơn giản bằng chất giới hạn, điểm chuyển tiếp, phép đo khí và độ không đảm bảo.

Giả sử bạn cho một lượng magie cố định phản ứng với axit clohidric và thu khí hiđro. Ban đầu, thêm nhiều axit hơn sẽ tạo ra nhiều hiđro hơn. Sau đó, một điều lạ xảy ra: bạn thêm nhiều axit hơn nữa, nhưng thể tích hiđro cuối cùng hầu như không thay đổi.

Sự chuyển đổi từ “nhiều axit hơn tạo ra nhiều sản phẩm hơn” sang “thêm axit không còn tác dụng” có thể cho biết tỉ lệ mol của phản ứng.

Trước khi xem lời giải thích, hãy thử dự đoán. Nếu 2.00 mmol magie cần đúng hai mol axit clohidric cho mỗi mol magie, thì cần bao nhiêu axit clohidric trước khi việc thêm nhiều hơn trở nên vô ích?

Đáp án phải là 4.00 mmol. Thí nghiệm dưới đây cho thấy có thể tìm ra con số đó từ các phép đo thay vì giả định nó từ một phương trình đã cân bằng.

01Làm cho tỉ lệ mol tự bộc lộ

Hãy hình dung một bình tam giác chứa một lượng magie đã được đo. Bình được đậy kín. Một lỗ cho phép thêm axit clohidric vào, còn một ống dẫn khí từ bình nối với một xilanh khí.

Quá trình diễn ra đơn giản:

  1. Axit clohidric đi vào bình.
  2. Axit tiếp xúc với magie.
  3. Khí hiđro được tạo thành.
  4. Khí đi qua ống dẫn.
  5. Khí đẩy pít-tông của xilanh khí ra ngoài.
  6. Thể tích khí cuối cùng được ghi lại sau khi phản ứng kết thúc.

Mỗi lần thử sử dụng cùng một lượng magie, nhưng lượng axit clohidric khác nhau.

Bình tam giác kín chứa magie, với axit clohidric được thêm vào qua một cổng; khí hiđro đi qua ống dẫn khí vào xilanh khí.
Khí hiđro tạo ra khi Mg phản ứng với HCl được thu vào xilanh khí, cho phép so sánh lượng khí với số mol magie đã sử dụng.

Mục tiêu không chỉ là quan sát bọt khí. Ta muốn tìm lượng axit tại đó magie chuyển từ trạng thái không có đủ axit để phản ứng sang trạng thái có nhiều axit hơn mức nó có thể sử dụng.

Giả sử mỗi lần thử đều chứa 0.0486 g magie. Dùng khối lượng mol \(24.3\ \text{g mol}^{-1}\),

\[
n(\ce{Mg})=\frac{m}{M}
=\frac{0.0486\ \text{g}}{24.3\ \text{g mol}^{-1}}
=2.00\times10^{-3}\ \text{mol}
\]

Vậy mỗi bình chứa \(2.00\ \text{mmol}\) magie.

Ở đây, \(n\) là lượng chất tính bằng mol, \(m\) là khối lượng tính bằng gam, và \(M\) là khối lượng mol tính bằng \(\text{g mol}^{-1}\).

Bây giờ dùng axit clohidric \(0.200\ \text{mol L}^{-1}\) và tăng thể tích của nó qua từng lần thử.

Dữ liệu dưới đây là một bộ dữ liệu giảng dạy được xây dựng với độ phân tán phép đo thực tế. Đây không phải là báo cáo của một lần tiến hành thí nghiệm cụ thể.

Thể tích HClLượng HClThể tích \(\ce{H2}\) cuối cùng
5.0 mL1.00 mmol12.0 mL
10.0 mL2.00 mmol24.5 mL
15.0 mL3.00 mmol36.7 mL
20.0 mL4.00 mmol48.8 mL
25.0 mL5.00 mmol49.1 mL
30.0 mL6.00 mmol48.9 mL

Cho đến khoảng \(4.00\ \text{mmol}\) HCl, thêm nhiều axit hơn sẽ tạo ra nhiều hiđro hơn. Vượt qua điểm này, thể tích khí ổn định ở khoảng \(49\ \text{mL}\).

Chỗ đổi hướng trong dữ liệu chính là phần quan trọng.

Đồ thị thể tích hiđro cuối cùng theo lượng HCl, tăng gần tuyến tính đến điểm chuyển tiếp tại 4.00 mmol HCl rồi giữ không đổi trên một vùng ổn định nằm ngang.
Sự chuyển đổi từ đoạn tăng tuyến tính sang vùng ổn định xác định điểm chuyển tiếp tỉ lượng tại 4.00 mmol HCl.

02Vì sao vùng ổn định cho biết tỉ lệ

Bắt đầu với lần thử đầu tiên. Có rất nhiều magie nhưng chỉ có \(1.00\ \text{mmol}\) HCl. Axit hết trước.

Các nhà hóa học gọi chất phản ứng hết trước là chất giới hạn. Khi chất này đã bị tiêu thụ hoàn toàn, không thể tạo thêm sản phẩm.

Thêm HCl thì nhiều magie hơn có thể phản ứng, vì vậy thể tích hiđro tăng lên.

Cuối cùng, ở khoảng \(4.00\ \text{mmol}\) HCl, có đủ axit để phản ứng với toàn bộ \(2.00\ \text{mmol}\) magie. Vượt qua điểm này, magie trở thành chất giới hạn. Thêm nhiều axit hơn nữa không thể tạo thêm hiđro vì không còn magie để phản ứng.

Do đó, lượng chất tại điểm chuyển đổi này xấp xỉ

\[
n(\ce{HCl}):n(\ce{Mg})
=4.00:2.00
=2:1
\]

Thí nghiệm ủng hộ tỉ lệ mol axit clohidric : magie là \(2:1\).

Ví dụ có lời giải: suy ra tỉ lệ phản ứng từ điểm chuyển tiếp

Một học sinh cho 0.0486 g magie phản ứng với các thể tích khác nhau của HCl \(0.200\ \text{mol L}^{-1}\). Thể tích hiđro cuối cùng ngừng tăng khi sử dụng khoảng 20.0 mL axit. Hãy xác định tỉ lệ mol thực nghiệm HCl : Mg.

Bước 1

\[
n(\ce{Mg})
=\frac{m}{M}
=\frac{0.0486}{24.3}
=2.00\times10^{-3}\ \text{mol}
\]

Vậy có \(2.00\ \text{mmol}\) Mg.

Bước 2

Đối với một dung dịch,

\[
n=cV
\]

trong đó \(n\) là lượng chất tính bằng mol, \(c\) là nồng độ tính bằng \(\text{mol L}^{-1}\), và \(V\) là thể tích tính bằng lít.

\[
n(\ce{HCl})
=(0.200\ \text{mol L}^{-1})(0.0200\ \text{L})
=4.00\times10^{-3}\ \text{mol}
\]

Vậy tại điểm chuyển tiếp có \(4.00\ \text{mmol}\) HCl.

Bước 3

\[
\ce{HCl}:\ce{Mg}
=4.00:2.00
=2:1
\]

Bước 4

Dữ liệu cho thấy cứ mỗi một mol Mg phản ứng thì cần hai mol HCl.

Phương trình phân tử đã cân bằng phù hợp với kết quả này:

\[
\ce{Mg(s) + 2HCl(aq) -> MgCl2(aq) + H2(g)}
\]

Hệ số 2 đứng trước HCl không chỉ là một con số được thêm vào để cân bằng phương trình. Nó mô tả một mối quan hệ tỉ lượng được xác định bằng phép đo.

03Vì sao tỉ lệ lại là các số nguyên?

Ở cấp độ hạt, magie không phản ứng với một lượng ion hiđro liên tục và mơ hồ nào đó.

Phương trình ion rút gọn hữu ích là

\[
\ce{Mg(s) + 2H+(aq) -> Mg^2+(aq) + H2(g)}
\]

Một nguyên tử magie trở thành một ion \(\mathrm{Mg}^{2+}\) bằng cách nhường hai electron:

\[
\ce{Mg -> Mg^2+ + 2e^-}
\]

Hai ion hiđro nhận hai electron đó và tạo thành một phân tử hiđro:

\[
\ce{2H+ + 2e^- -> H2}
\]

Vì vậy, mỗi sự kiện phản ứng cần một nguyên tử Mg và hai ion \(\mathrm{H}^{+}\). Số lượng hạt là rời rạc.

Một cách hình dung hơi ngớ ngẩn là coi đây như một quy định đặt nhóm cực kỳ nghiêm ngặt, yêu cầu hai ion hiđro cho mỗi nguyên tử magie. Nếu một nguyên tử magie chỉ có một ion hiđro sẵn có, nhóm cần thiết không thể được hoàn thành. Các ion hiđro dư cũng trở nên vô ích khi mọi nguyên tử magie đã phản ứng hết.

Phép so sánh này có giới hạn vì các hạt không cố ý tạo thành những nhóm nhỏ. Quá trình thực tế liên quan đến va chạm và sự chuyển electron. Điều còn hữu ích từ phép so sánh này là quy tắc đếm.

Một mol đơn giản là cách mở rộng quy tắc đếm ở cấp độ hạt lên một số lượng hạt khổng lồ. Nếu tỉ lệ hạt là \(2:1\), thì tỉ lệ mol cũng là \(2:1\).

Điều này không có nghĩa là các phản ứng chỉ có thể sử dụng số mol nguyên.

Ví dụ,

\[
0.00340\ \text{mol Mg}
\]

sẽ cần

\[
0.00680\ \text{mol HCl}
\]

để duy trì cùng tỉ lệ \(2:1\).

Các lượng chất riêng lẻ là số thập phân. Chính tỉ lệ giữa chúng mới rút gọn thành các số nguyên nhỏ.

04Thể tích khí có hợp lý không?

Vùng ổn định nằm quanh \(49\ \text{mL}\) hiđro. Ta có thể kiểm tra xem đó có phải là một giá trị hợp lý hay không.

Từ phương trình,

\[
\ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2}
\]

một mol Mg tạo ra một mol \(\ce{H2}\). Do đó, \(2.00\ \text{mmol}\) Mg có thể tạo ra nhiều nhất \(2.00\ \text{mmol}\) \(\ce{H2}\).

Để kiểm tra gần đúng, giả sử khí có tính chất lí tưởng ở \(25^\circ\text{C}\) và \(100\ \text{kPa}\).

Dùng

\[
PV=nRT
\]

trong đó \(P\) là áp suất, \(V\) là thể tích khí, \(n\) là lượng khí, \(R=8.314\ \text{L kPa mol}^{-1}\text{K}^{-1}\), và \(T\) là nhiệt độ tính bằng kelvin,

\[
V
=\frac{nRT}{P}
=\frac{(2.00\times10^{-3})(8.314)(298)}{100}
=0.0496\ \text{L}
=49.6\ \text{mL}
\]

Giá trị này gần với vùng ổn định đo được.

Ta không nên mong đợi sự trùng khớp hoàn hảo. Khí có thể thoát ra ngoài, nhiệt độ và áp suất có thể hơi khác nhau, và các phép đo thực nghiệm có độ không đảm bảo. Bằng chứng hữu ích nằm ở sự kết hợp giữa lượng khí tạo ra gần đúng và sự thay đổi rõ ràng trong hành vi gần \(4.00\ \text{mmol}\) HCl.

05Một thí nghiệm khác: tìm tỉ lệ từ giá trị cực đại

Vùng ổn định không phải là cách duy nhất để làm lộ ra tỉ lệ phản ứng.

Giả sử hai dung dịch A và B phản ứng tạo thành một sản phẩm không tan. Bạn chuẩn bị một loạt hỗn hợp trong khi giữ tổng thể tích dung dịch không đổi.

Ban đầu, tăng tỉ lệ A tạo ra nhiều kết tủa hơn vì A là chất giới hạn. Cuối cùng, hỗn hợp đạt đến tỉ lệ tỉ lượng. Vượt qua điểm này, B trở thành chất giới hạn, vì vậy tăng A đồng nghĩa với giảm lượng B và khối lượng kết tủa giảm xuống.

Kết quả là một đỉnh cực đại.

Hỗn hợp tại đỉnh cho biết tỉ lệ mol phản ứng, với điều kiện phản ứng xảy ra đủ hoàn toàn và phương pháp đo là phù hợp.

Có một bẫy cần lưu ý: tỉ lệ thể tích không tự động bằng tỉ lệ mol.

Bạn cần dùng

\[
n=cV
\]

trừ khi hai dung dịch có cùng nồng độ.

Ví dụ có lời giải: khi tỉ lệ thể tích gây hiểu nhầm

Dung dịch A và B tạo thành một sản phẩm rắn. Trong mỗi lần thử, tổng thể tích của chúng là 45.0 mL. Khối lượng kết tủa lớn nhất thu được khi dùng 18.0 mL A \(0.200\ \text{mol L}^{-1}\) và 27.0 mL B \(0.100\ \text{mol L}^{-1}\). Hãy xác định tỉ lệ mol thực nghiệm đơn giản nhất A:B.

Bước 1

\[
n(\mathrm{A})
=cV
=(0.200)(0.0180)
=3.60\times10^{-3}\ \text{mol}
\]

Vậy \(n(\mathrm{A})=3.60\ \text{mmol}\).

Bước 2

\[
n(\mathrm{B})
=(0.100)(0.0270)
=2.70\times10^{-3}\ \text{mol}
\]

Vậy \(n(\mathrm{B})=2.70\ \text{mmol}\).

Bước 3

\[
\mathrm{A:B}
=3.60:2.70
\]

Chia cả hai giá trị cho \(2.70\):

\[
\mathrm{A:B}
=1.333\ldots:1
\]

Nhân cả hai phần với 3:

\[
\mathrm{A:B}=4:3
\]

Bước 4

Dữ liệu ủng hộ một phản ứng cần bốn mol A cho mỗi ba mol B.

Lưu ý rằng tỉ lệ thể tích là

\[
18.0:27.0=2:3
\]

hoàn toàn khác. Nồng độ của hai dung dịch khác nhau, vì vậy nếu chỉ so sánh thể tích thì sẽ dẫn đến kết luận sai.

06Tìm tỉ lệ số nguyên từ dữ liệu không hoàn hảo

Kết quả thực nghiệm thực tế hiếm khi cho bạn những con số như đúng \(2.000:1.000\).

Giả sử một thí nghiệm cho

\[
1.48:1.00
\]

Giá trị này gần với

\[
1.50:1.00=3:2
\]

Nếu độ không đảm bảo của các phép đo khiến \(1.50:1.00\) là một giá trị hợp lý, thì \(3:2\) có thể là tỉ lệ đơn giản được dữ liệu ủng hộ tốt nhất.

Nhưng đừng biến việc này thành trò “ép mọi số thập phân về một phân số đẹp”.

Nếu các phép đo cẩn thận liên tục cho một giá trị như

\[
1.27:1.00
\]

bạn không thể đơn giản tuyên bố \(5:4\) chỉ vì \(1.25\) tình cờ ở gần đó. Bạn cần xem xét độ không đảm bảo của phép đo, sai số hệ thống, phản ứng không hoàn toàn, phản ứng phụ, và liệu mô hình phản ứng của bạn có thực sự đúng hay không.

Một quy trình hợp lý là:

BướcCần làm gìVì sao
1Chuyển tất cả đại lượng đo được sang molTỉ lượng hóa học so sánh lượng hạt, không phải khối lượng hoặc thể tích thô
2Xác định điểm tỉ lượngTìm vùng ổn định, cực đại, điểm kết thúc hoặc sự thay đổi hành vi khác
3Chia mỗi lượng mol cho giá trị nhỏ nhấtViệc này chuẩn hóa tỉ lệ
4So sánh với các số nguyên đơn giảnCác giá trị như \(1.50:1\) trở thành \(3:2\)
5Kiểm tra độ không đảm bảoKhông giả vờ rằng dữ liệu nhiễu là chính xác tuyệt đối
6Kiểm tra các định luật bảo toàn hóa họcPhương trình đề xuất phải bảo toàn nguyên tử và điện tích

07Những yếu tố thí nghiệm đơn giản không thể kiểm soát

Thí nghiệm magie đầu tiên có một điểm yếu quan trọng. Ta đã ngầm giả định rằng thể tích khí cuối cùng thực sự đo tổng mức độ phản ứng.

Có một số yếu tố có thể làm sai lệch giả định này.

Khí có thể thoát ra ngoài

Nếu hiđro thoát ra trước khi đến xilanh khí, thể tích đo được sẽ quá thấp.

Dụng cụ kín khí giúp giảm sai số này. Việc chỉ bắt đầu phản ứng sau khi hệ thống đã được đậy kín cũng rất quan trọng.

Phản ứng có thể chưa kết thúc

Giả sử một học sinh ghi thể tích hiđro đúng 30 giây sau khi thêm axit.

Khi đó, đây không còn đơn thuần là một thí nghiệm về tỉ lượng hóa học.

Nồng độ axit cao hơn có thể làm tăng tốc độ phản ứng. Một lần thử chứa ít axit hơn có thể chỉ đơn giản là phản ứng chậm hơn tại thời điểm 30 giây. Học sinh có thể nhầm ảnh hưởng của tốc độ phản ứng với ảnh hưởng của tỉ lệ mol.

Điều cần so sánh là lượng khí cuối cùng sau khi mỗi phản ứng đã đạt đến hoàn tất, không phải lượng khí tạo ra sau một khoảng thời gian tùy ý giống nhau.

Thể tích khí phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

Cùng một số mol khí sẽ chiếm các thể tích khác nhau ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau.

Vì vậy, các lần thử nên được so sánh trong những điều kiện tương tự, hoặc thể tích khí nên được hiệu chỉnh bằng một hệ thức khí phù hợp.

Các bước thay đổi trong thí nghiệm có thể quá lớn

Nếu các lượng axit duy nhất được thử là 2 mmol, 4 mmol và 6 mmol, dữ liệu có thể cho thấy điểm chuyển tiếp nằm “đâu đó gần 4 mmol”, nhưng không xác định được nó thật chính xác.

Một khảo sát tốt hơn sẽ dùng các phép đo với bước lớn trước, sau đó lặp lại thí nghiệm với các bước nhỏ hơn quanh vùng chuyển tiếp nghi ngờ.

Ví dụ, sau khi xác định sự thay đổi gần \(4.0\ \text{mmol}\), một loạt phép thử thứ hai có thể khảo sát \(3.6\), \(3.8\), \(4.0\), \(4.2\), và \(4.4\ \text{mmol}\).

Lặp lại các phép đo này sẽ giúp xác định liệu một kết quả bất thường có thực sự đáng tin hay chỉ là độ phân tán thực nghiệm.

08Bằng chứng thực sự chứng minh điều gì

Ta rất dễ nói rằng:

Thí nghiệm chứng minh rằng tất cả các hóa chất phản ứng theo tỉ lệ mol số nguyên.

Khẳng định đó quá rộng.

Một phát biểu tốt hơn là:

Đối với một phản ứng hóa học được xác định rõ và biểu diễn bằng một phương trình cân bằng, các hệ số tỉ lượng chỉ ra số lượng tương đối của các hạt phản ứng, và do đó là số mol tương đối. Các hệ số này có thể được biểu diễn dưới dạng một tỉ lệ số nguyên đơn giản.

Dữ liệu magie ủng hộ tỉ lệ tỉ lượng axit : magie là \(2:1\) đối với phản ứng đang được nghiên cứu.

Điều này không có nghĩa là mỗi cốc phản ứng ban đầu phải chứa đúng tỉ lệ đó. Bạn có thể chủ động thêm axit dư. Nó cũng không có nghĩa là mọi hạt trong một hệ thuận nghịch cuối cùng đều phải bị tiêu thụ.

Tỉ lệ mô tả mối quan hệ phản ứng.

09Từ tỉ lệ thực nghiệm đến phương trình

Dữ liệu thực nghiệm có thể cho biết rằng cần hai mol axit cho mỗi mol magie, nhưng chỉ riêng tỉ lệ mol không thể xác định mọi sản phẩm.

Ta vẫn cần kiến thức hóa học.

Đối với magie phản ứng với axit clohidric, khí quan sát được có thể được xác định là hiđro, và magie tạo thành các ion \(\mathrm{Mg}^{2+}\). Phương trình ion rút gọn là

\[
\ce{Mg(s) + 2H+(aq) -> Mg^2+(aq) + H2(g)}
\]

Kiểm tra những đại lượng được bảo toàn:

Đại lượngVế tráiVế phải
Nguyên tử Mg11
Nguyên tử H22
Điện tích tổng\(+2\)\(+2\)

Các ion clorua không tham gia vào biến đổi thực. Đưa các ion khán giả này trở lại cho

\[
\ce{Mg(s) + 2HCl(aq) -> MgCl2(aq) + H2(g)}
\]

Do đó, tỉ lệ thực nghiệm \(2:1\) và phương trình cân bằng đang mô tả cùng một câu chuyện theo hai cách khác nhau.

10Câu hỏi và lời giải

Câu 1

Một mẫu kim loại Z có lượng \(1.50\ \text{mmol}\) được cho phản ứng với lượng axit HX tăng dần. Lượng khí cuối cùng ngừng tăng sau khi đã thêm \(3.00\ \text{mmol}\) HX.

Giả sử điểm chuyển tiếp biểu thị phản ứng tỉ lượng hoàn toàn, hãy xác định tỉ lệ mol HX:Z.

Lời giải 1

Tỉ lệ mol HX:Z là \(2:1\).

Tại điểm chuyển tiếp,

\[
n(\mathrm{HX}):n(\mathrm{Z})
=3.00\ \text{mmol}:1.50\ \text{mmol}
\]

Chia cả hai giá trị cho \(1.50\ \text{mmol}\):

\[
\mathrm{HX:Z}=2.00:1.00=2:1
\]

Điều này có nghĩa là phản ứng cần hai mol HX cho mỗi mol Z.

Điểm quan trọng là tỉ lệ được xác định từ lượng các chất tại thời điểm chuyển đổi giữa HX là chất giới hạn và Z là chất giới hạn.

Câu 2

Dung dịch P và Q có cùng nồng độ, \(0.120\ \text{mol L}^{-1}\). Trong mỗi lần thử, tổng thể tích của chúng là 50.0 mL.

Lượng sản phẩm lớn nhất thu được khi trộn 20.0 mL P với 30.0 mL Q.

Hãy xác định tỉ lệ mol đơn giản nhất P:Q.

Lời giải 2

Tỉ lệ mol P:Q là \(2:3\).

Vì hai dung dịch có cùng nồng độ, tỉ lệ mol của chúng bằng tỉ lệ thể tích.

Ta vẫn có thể kiểm chứng điều này bằng \(n=cV\).

Đối với P,

\[
n(\mathrm{P})
=(0.120)(0.0200)
=2.40\times10^{-3}\ \text{mol}
\]

Đối với Q,

\[
n(\mathrm{Q})
=(0.120)(0.0300)
=3.60\times10^{-3}\ \text{mol}
\]

Do đó,

\[
\mathrm{P:Q}
=2.40:3.60
=2:3
\]

Đỉnh cực đại cho thấy các chất phản ứng có mặt theo tỉ lệ tỉ lượng tại thành phần hỗn hợp này.

Câu 3

Một thí nghiệm biến thiên liên tục sử dụng dung dịch A \(0.250\ \text{mol L}^{-1}\) và dung dịch B \(0.100\ \text{mol L}^{-1}\).

Lượng sản phẩm lớn nhất thu được khi trộn 12.0 mL A với 30.0 mL B.

Một học sinh cho rằng tỉ lệ phản ứng là \(12:30=2:5\).

Hãy xác định tỉ lệ mol thực tế A:B và giải thích sai lầm của học sinh.

Lời giải 3

Tỉ lệ mol thực tế A:B là \(1:1\), không phải \(2:5\).

Đối với A,

\[
n(\mathrm{A})
=cV
=(0.250)(0.0120)
=3.00\times10^{-3}\ \text{mol}
\]

Đối với B,

\[
n(\mathrm{B})
=(0.100)(0.0300)
=3.00\times10^{-3}\ \text{mol}
\]

Do đó,

\[
\mathrm{A:B}
=3.00:3.00
=1:1
\]

Kết quả \(2:5\) của học sinh so sánh thể tích, chứ không phải lượng chất tính bằng mol.

Tỉ lệ thể tích chỉ bằng tỉ lệ mol của các dung dịch khi nồng độ của chúng bằng nhau. Ở đây, dung dịch A đậm đặc gấp 2.5 lần dung dịch B, vì vậy một thể tích A nhỏ hơn có thể chứa cùng số mol.

Câu 4

Một thí nghiệm ước tính rằng cần \(4.44\pm0.12\ \text{mmol}\) chất phản ứng X cho \(3.00\ \text{mmol}\) chất phản ứng Y.

Một học sinh nói: “Tỉ lệ là 1.48:1, vì vậy phản ứng này không có tỉ lệ mol số nguyên đơn giản.”

Hãy đánh giá nhận định này.

Lời giải 4

Nhận định này không được dữ liệu ủng hộ. Các phép đo phù hợp với tỉ lệ mol \(3:2\).

Tỉ lệ thực nghiệm là

\[
\mathrm{X:Y}
=\frac{4.44}{3.00}:1
=1.48:1
\]

Tỉ lệ \(3:2\) là

\[
\frac{3}{2}:1
=1.50:1
\]

Lượng X đo được là \(4.44\pm0.12\ \text{mmol}\), cho khoảng giá trị có thể từ

\[
4.32\ \text{mmol}
\]

đến

\[
4.56\ \text{mmol}
\]

Đối với tỉ lệ chính xác \(3:2\) với \(3.00\ \text{mmol}\) Y, lượng X dự kiến sẽ là

\[
n(\mathrm{X})
=\frac{3}{2}(3.00\ \text{mmol})
=4.50\ \text{mmol}
\]

Giá trị \(4.50\ \text{mmol}\) nằm trong độ không đảm bảo thực nghiệm.

Do đó, kết quả phù hợp với \(3:2\). Chúng không xác lập tỉ lệ này với độ chắc chắn tuyệt đối, nhưng chắc chắn cũng không bác bỏ tỉ lượng số nguyên đơn giản chỉ vì tỉ lệ đo được là \(1.48:1\).

Cái bẫy ở đây là coi các phép đo thực nghiệm như những con số chính xác tuyệt đối.

Câu 5

Một học sinh lặp lại thí nghiệm magie và axit clohidric, sử dụng cùng một lượng magie trong mỗi lần thử.

Thay vì chờ mỗi phản ứng kết thúc, học sinh ghi lại thể tích hiđro đúng 30 giây sau khi thêm axit. Đồ thị tiếp tục tăng đến khoảng \(5.0\ \text{mmol}\) HCl, nên học sinh kết luận rằng \(2.00\ \text{mmol}\) Mg phản ứng với \(5.0\ \text{mmol}\) HCl theo tỉ lệ \(2.5:1\).

Kết luận này có hợp lệ không?

Lời giải 5

Không. Thí nghiệm không thể xác định đáng tin cậy tỉ lệ tỉ lượng vì nó đã trộn lẫn tốc độ phản ứng với lượng sản phẩm tổng cộng.

Một phép đo đúng sau 30 giây cho biết lượng hiđro đã hình thành tính đến thời điểm đó, chứ không nhất thiết là lượng có thể hình thành khi phản ứng hoàn tất.

Tăng lượng hoặc nồng độ axit có thể làm tăng tần suất các va chạm hiệu quả trên bề mặt magie. Vì vậy, phản ứng có thể diễn ra nhanh hơn trong những lần thử chứa nhiều axit hơn.

Một lần thử với ít axit hơn vẫn có thể cuối cùng tạo ra đầy đủ lượng hiđro theo tỉ lượng, nhưng chưa đạt được lượng đó trong khoảng đo 30 giây.

Điều này sẽ khiến thể tích khí của lần thử đó có vẻ thấp một cách giả tạo và có thể làm điểm chuyển tiếp biểu kiến dịch về phía lượng HCl lớn hơn.

Để xác định tỉ lệ mol, học sinh nên so sánh lượng hiđro cuối cùng sau khi mỗi lần thử đã kết thúc, đồng thời kiểm soát các biến quan trọng khác.

Sai lầm dễ mắc là giả định rằng thời gian phản ứng bằng nhau đồng nghĩa với mức độ hoàn tất phản ứng bằng nhau.

Câu 6

Một phản ứng thuận nghịch được biểu diễn bởi

\[
\ce{2A(g) + B(g) <=> 2C(g)}
\]

Một hỗn hợp được chuẩn bị với A và B theo tỉ lệ mol tỉ lượng \(2:1\). Ở trạng thái cân bằng, các phép đo cho thấy cả A và B vẫn còn tồn tại.

Một học sinh kết luận rằng phương trình không thể thực sự mô tả tỉ lệ phản ứng \(2:1\) vì các chất phản ứng không bị tiêu thụ hoàn toàn.

Hãy giải thích vì sao kết luận này không đúng.

Lời giải 6

Tỉ lệ tỉ lượng \(2:1\) vẫn đúng. Một tỉ lệ tỉ lượng không đòi hỏi các chất phải bị tiêu thụ hoàn toàn trong một phản ứng thuận nghịch.

Phương trình

\[
\ce{2A + B <=> 2C}
\]

có nghĩa là bất cứ khi nào phản ứng thuận tiến triển một đơn vị phản ứng, hai mol A được tiêu thụ cho mỗi một mol B được tiêu thụ.

Ví dụ, nếu phản ứng thuận có mức độ tiến triển thực \(0.30\ \text{mol}\), thì các biến thiên là

\[
\Delta n(\mathrm{A})=-2(0.30)=-0.60\ \text{mol}
\]

\[
\Delta n(\mathrm{B})=-1(0.30)=-0.30\ \text{mol}
\]

và

\[
\Delta n(\mathrm{C})=+2(0.30)=+0.60\ \text{mol}
\]

Lượng A và B bị tiêu thụ vẫn theo tỉ lệ

\[
0.60:0.30=2:1
\]

Ở trạng thái cân bằng, phản ứng thuận và phản ứng nghịch tiếp tục diễn ra với tốc độ bằng nhau. Do đó, không có yêu cầu rằng một trong hai chất phản ứng phải được sử dụng hết hoàn toàn.

Các hệ số số nguyên mô tả những biến thiên tương đối do phản ứng gây ra, chứ không phải lượng chất cuối cùng bắt buộc phải còn lại trong bình.

Khi đã biết tỉ lệ mol số nguyên của một phản ứng, câu hỏi hữu ích tiếp theo thường không phải là “tỉ lệ là bao nhiêu?” mà là chất phản ứng nào sẽ hết trước với những lượng thực tế đã được cung cấp? Đó là bài toán chất giới hạn. Chính các hệ số mà bạn rút ra từ dữ liệu thực nghiệm trở thành những con số dùng để so sánh nhằm dự đoán chất phản ứng dư và hiệu suất lý thuyết.