Mối quan hệ khối lượng trong phản ứng hóa học: Hướng dẫn Hóa học HSC

Bạn nung 2,50 g magiê trong một chén nung hở. Sau khi phản ứng xảy ra, chất rắn màu trắng còn lại có khối lượng khoảng 4,15 g.

Khối lượng tăng thêm đến từ đâu?

Một câu trả lời dễ nghĩ đến là đã có điều gì đó sai, vì phản ứng hóa học không thể tạo ra khối lượng. Dự đoán hợp lý hơn là magiê đã nhận thêm vật chất từ bên ngoài chén nung. Và đúng là như vậy: oxy từ không khí đã trở thành một phần của sản phẩm rắn.

Quan sát này đi thẳng vào cốt lõi của việc đo khối lượng trong các phản ứng hóa học. Định luật bảo toàn khối lượng vẫn đúng, nhưng bạn phải xác định thật rõ những gì nằm bên trong hệ mà bạn đang đo.

01Bắt đầu với ranh giới hệ

Hãy hình dung bạn vẽ một chiếc hộp vô hình bao quanh mọi thứ có khối lượng mà bạn đang đo.

Nếu chiếc hộp hoàn toàn kín, vật chất không thể đi vào hoặc đi ra. Đối với một phản ứng hóa học thông thường:

\[ m_{\text{chất phản ứng}} = m_{\text{sản phẩm}} \]

trong đó \(m\) là khối lượng, thường được đo bằng gam (g).

Các nguyên tử không biến mất hay tự xuất hiện. Chúng được sắp xếp lại thành những tổ hợp khác nhau.

Nhưng nhiều phản ứng trong phòng thí nghiệm diễn ra trong cốc, bình hoặc chén nung hở. Khi đó, vật chất có thể đi qua ranh giới tưởng tượng của bạn.

Điều này có thể làm cho khối lượng đo được:

• gần như không đổi
• giảm vì vật chất rời khỏi hệ, thường dưới dạng khí
• tăng vì vật chất đi vào hệ, chẳng hạn như oxy từ không khí

Vì vậy, “số chỉ trên cân đã thay đổi” và “khối lượng không được bảo toàn” không phải là cùng một phát biểu.

Due to technical limitations, this figure may display incorrectly or contain inaccuracies. Please check key details against your course materials.

Một mô hình tư duy hữu ích

Hãy hình dung bình phản ứng giống như một bữa tiệc trong nhà.

Nếu tất cả cửa ra vào và cửa sổ đều khóa, những người bên trong có thể đổi phòng, đổi chỗ ngồi hoặc lập thành những nhóm xã hội mới cực kỳ gượng gạo, nhưng tổng số người trong nhà vẫn không đổi.

Mở cửa trước ra thì số người bên trong có thể thay đổi.

Trong mô hình bảo toàn, các nguyên tử cũng tương tự. Phản ứng sắp xếp lại chúng, còn một hệ hở cho phép một số nguyên tử đi qua ranh giới hệ.

Phép so sánh này có giới hạn vì các nguyên tử trong phản ứng hóa học được bảo toàn theo phương trình phản ứng đã cân bằng, trong khi khách dự tiệc có thể tự đưa ra những quyết định đáng ngờ. Phần hữu ích của phép so sánh đơn giản chỉ là ranh giới.

02Một chiếc cân thực sự cho bạn biết điều gì

Cân không biết chất nào là chất phản ứng hay sản phẩm. Nó chỉ đo khối lượng hiện đang đặt trên cân.

Giả sử bạn đặt một bình kín chứa hai chất phản ứng lên cân. Số chỉ ban đầu bao gồm:

• bình
• cả hai chất phản ứng
• không khí hoặc khí bị giữ bên trong bình

Sau phản ứng, những gì cân đang đo bao gồm:

• cùng chiếc bình đó
• tất cả sản phẩm
• bất kỳ chất phản ứng nào chưa phản ứng hết
• bất kỳ khí nào vẫn bị giữ bên trong

Nếu không có gì đi vào hoặc đi ra, tổng khối lượng đo được phải giữ nguyên trong phạm vi độ không đảm bảo của thí nghiệm.

Bây giờ hãy tháo nút và để một sản phẩm khí thoát ra. Cân không còn đo phần khí đó nữa, nên số chỉ giảm xuống.

Khối lượng không biến mất. Hệ mà bạn đang đo đã thay đổi.

03Vì sao phương trình cân bằng dự đoán được mối quan hệ khối lượng

Xét phản ứng của magiê với oxy:

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

Phương trình được cân bằng vì ở mỗi vế đều có hai nguyên tử magiê và hai nguyên tử oxy.

Các hệ số cho chúng ta tỉ lệ hạt, và do đó là tỉ lệ mol:

\[ 2\text{ mol Mg} : 1\text{ mol O}_2 : 2\text{ mol MgO} \]

Chúng không cho chúng ta tỉ lệ khối lượng theo gam.

Đây là một trong những sai lầm dễ mắc nhất trong các bài toán hóa lượng. Phương trình không nói rằng 2 g magiê phản ứng với 1 g oxy.

Tại sao không? Vì nguyên tử magiê và phân tử oxy không có cùng khối lượng.

Để chuyển mối quan hệ theo mol thành mối quan hệ theo khối lượng, chúng ta cần khối lượng mol.

Nhắc lại:

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

trong đó:

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

Đối với magiê:

\[ M(\ce{Mg}) = 24.31\text{ g mol}^{-1} \]

Đối với khí oxy:

\[ M(\ce{O2}) = 32.00\text{ g mol}^{-1} \]

Đối với magie oxit:

\[ M(\ce{MgO}) = 40.31\text{ g mol}^{-1} \]

Do đó, phương trình cân bằng biểu diễn:

\[ 2(24.31)\text{ g Mg} + 32.00\text{ g O}_2 \rightarrow 2(40.31)\text{ g MgO} \]

hay:

\[ 48.62\text{ g} + 32.00\text{ g} \rightarrow 80.62\text{ g} \]

Tổng khối lượng ở hai vế là như nhau.

Đó là định luật bảo toàn khối lượng được biểu diễn bằng định lượng.

05Khối lượng giảm có thể cho biết lượng khí đã tạo thành

Bây giờ hãy xét tình huống ngược lại.

Natri cacbonat phản ứng với axit clohiđric:

\[ \ce{Na2CO3(aq) + 2HCl(aq) -> 2NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g)} \]

Giả sử phản ứng diễn ra trong một bình hở. Cacbon đioxit có thể thoát ra.

Hãy dự đoán điều gì xảy ra với số chỉ trên cân.

Nó giảm.

Nhưng cần nói chính xác lý do. Bản thân phản ứng không phá hủy khối lượng. Đơn giản là cân không còn đỡ các phân tử cacbon đioxit đã thoát ra ngoài phòng.

Nếu cacbon đioxit là vật chất đáng kể duy nhất thoát ra, độ giảm của khối lượng đo được có thể dùng để ước tính khối lượng cacbon đioxit được tạo thành.

Chữ “nếu” đó rất quan trọng. Việc làm đổ, bay hơi hoặc các giọt chất lỏng bị cuốn ra ngoài cùng dòng khí đều sẽ làm giả định này không còn đúng.

07Quy tắc ra quyết định: sự thay đổi khối lượng có ý nghĩa gì?

Khi thấy dữ liệu khối lượng trước và sau phản ứng, đừng lập tức tìm một công thức để áp dụng. Trước tiên, hãy xác định vật chất nào đã đi qua ranh giới hệ.

Thói quen quan trọng là:

xác định hệ trước, rồi mới diễn giải khối lượng.

08Đo chất rắn và chất lỏng đúng cách

Phép tính chỉ hữu ích khi các phép đo làm cơ sở cho nó đáng tin cậy.

Đối với chất rắn, bạn có thể đo khối lượng bình chứa trước, rồi đo khối lượng bình chứa cộng với chất rắn:

\[ m_{\text{chất rắn}} = m_{\text{bình chứa + chất rắn}} - m_{\text{bình chứa}} \]

Cách tương tự cũng áp dụng cho chất lỏng:

\[ m_{\text{chất lỏng}} = m_{\text{bình chứa + chất lỏng}} - m_{\text{bình chứa}} \]

Cách này thường tốt hơn việc cố chuyển chất sang nơi khác sau khi cân, vì một phần chất có thể còn bám lại trong bình chứa ban đầu.

Khi đo trước và sau phản ứng, hãy cố giữ mọi yếu tố khác ngoài bản thân phản ứng ở trạng thái nhất quán:

• sử dụng cùng một chiếc cân
• sử dụng cùng một bình phản ứng
• tránh làm mất chất trong quá trình chuyển
• giữ mặt ngoài của bình khô
• để dụng cụ nóng nguội trước khi thực hiện các phép so sánh chính xác
• tránh bắn tóe
• sử dụng hệ kín khi cần giữ lại sản phẩm khí
• lặp lại phép đo khi thích hợp

Số chỉ trên cân thay đổi 0,01 g không tự động có ý nghĩa về mặt hóa học nếu độ không đảm bảo của thí nghiệm cũng có độ lớn tương tự.

09Ngộ nhận dễ mắc nhất: “khối lượng chất phản ứng bằng khối lượng sản phẩm nhìn thấy được”

Phát biểu đó chưa đầy đủ.

Giả sử canxi cacbonat được nung mạnh:

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

Nếu bắt đầu với 10,0 g canxi cacbonat, canxi oxit còn lại trong chén nung sẽ có khối lượng nhỏ hơn 10,0 g.

Định luật bảo toàn khối lượng có bị phá vỡ không?

Không. Một số nguyên tử ban đầu hiện nằm trong khí cacbon đioxit, đã rời khỏi chén nung.

Phép so sánh đúng là:

\[ m(\ce{CaCO3}) = m(\ce{CaO}) + m(\ce{CO2}) \]

chứ không phải:

\[ m(\ce{CaCO3}) = m(\ce{CaO}) \]

Sự bảo toàn áp dụng cho tất cả sản phẩm, kể cả những sản phẩm không nhìn thấy được.

Sai lầm ngược lại xảy ra khi một kim loại bị oxy hóa. Chất rắn cuối cùng có thể nặng hơn kim loại ban đầu vì oxy đã đi vào từ bên ngoài mẫu ban đầu được đo.

10Tỉ lệ khối lượng xuất phát từ tỉ lệ mol, không trực tiếp từ các hệ số

Xét:

\[ \ce{2Al(s) + 3Cl2(g) -> 2AlCl3(s)} \]

Các hệ số cho ta mối quan hệ theo mol:

\[ 2\text{ mol Al} : 3\text{ mol Cl}_2 : 2\text{ mol AlCl}_3 \]

Chúng không cho ta:

\[ 2\text{ g Al} : 3\text{ g Cl}_2 \]

Để có được mối quan hệ khối lượng, hãy chuyển đổi lượng của từng chất bằng khối lượng mol của nó.

Điều này cho bạn một phương pháp ba giai đoạn đáng tin cậy cho hầu hết mọi bài toán hóa lượng khối lượng-khối lượng:

\[ \boxed{\text{khối lượng} \rightarrow \text{mol} \rightarrow \text{tỉ lệ mol} \rightarrow \text{khối lượng}} \]

Đừng bỏ qua phần ở giữa.

Phương trình cân bằng biểu diễn bằng mol. Cân của bạn biểu diễn bằng gam. Khối lượng mol giúp chuyển đổi giữa hai cách mô tả này.

11Khi khối lượng thực nghiệm và khối lượng lý thuyết không khớp

Các phép đo thực tế không phải lúc nào cũng đúng chính xác bằng giá trị lý thuyết.

Giả sử phép tính hóa lượng dự đoán tạo thành 4,14 g magie oxit, nhưng thí nghiệm cho kết quả 3,93 g.

“Định luật bảo toàn khối lượng đã không đúng” không phải là một lời giải thích tốt.

Trước tiên, bạn sẽ kiểm tra xem liệu:

• một phần magiê chưa phản ứng
• một phần sản phẩm rắn bị thất thoát trong khi nung
• vật chất bị mất trong quá trình thao tác
• chất phản ứng chứa tạp chất
• các phép đo bằng cân có độ không đảm bảo đáng kể

Bây giờ giả sử khối lượng đo được lại cao hơn dự đoán một cách bất ngờ. Những khả năng khác sẽ trở nên phù hợp:

• sản phẩm bị nhiễm bẩn
• sản phẩm hoặc bình chứa bị ướt
• một chất khác từ môi trường xung quanh cũng đã phản ứng
• chất phản ứng ban đầu không tinh khiết

Chiều của sai lệch rất quan trọng. Phân tích thí nghiệm tốt không chỉ liệt kê ngẫu nhiên các nguồn sai số. Nó xem xét liệu mỗi vấn đề được đề xuất sẽ làm kết quả đo được quá cao, quá thấp hay đơn giản là biến thiên nhiều hơn.

12Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Hai dung dịch có khối lượng 12,40 g và 8,60 g được trộn bên trong một bình kín. Một chất kết tủa hình thành, nhưng không có vật chất nào có thể đi vào hoặc rời khỏi bình.

Bỏ qua độ không đảm bảo khi đo, khối lượng của các chất bên trong sau phản ứng phải là bao nhiêu?

Lời giải 1

Các chất bên trong phải có tổng khối lượng là 21,00 g.

Vì hệ kín, tổng khối lượng trước và sau phản ứng hóa học được bảo toàn.

\[ m_{\text{ban đầu}} = 12.40 + 8.60 = 21.00\text{ g} \]

Do đó:

\[ m_{\text{cuối}} = 21.00\text{ g} \]

Việc tạo thành chất kết tủa rắn làm thay đổi cách các nguyên tử được sắp xếp, nhưng không loại bỏ vật chất khỏi hệ kín.

Câu hỏi 2

Một mẫu đồng 3,18 g được nung trong không khí và tạo thành 3,98 g oxit đồng.

Hãy tính khối lượng oxy được đưa vào chất rắn và giải thích vì sao chất rắn đo được trở nên nặng hơn.

Lời giải 2

Đồng đã kết hợp với 0,80 g oxy, nên chất rắn trở nên nặng hơn vì oxy từ không khí đã đi vào mẫu đang được đo.

Độ tăng khối lượng của chất rắn là:

\[ m(\ce{O}) = 3.98 - 3.18 = 0.80\text{ g} \]

Phép đo ban đầu chỉ bao gồm mẫu đồng. Trong khi nung, oxy từ khí quyển xung quanh phản ứng với đồng và trở thành một phần của oxit đồng rắn.

Điều này không mâu thuẫn với định luật bảo toàn khối lượng. Sai lầm là coi riêng lượng đồng ban đầu như một hệ kín trong khi vật chất thực sự đang đi vào hệ.

Câu hỏi 3

Canxi cacbonat tinh khiết phân hủy khi nung:

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

Một học sinh nung mạnh 5,00 g canxi cacbonat trong chén nung hở cho đến khi quá trình phân hủy hoàn tất.

Hãy tính khối lượng canxi oxit còn lại theo lý thuyết và độ giảm khối lượng của các chất trong chén nung.

Sử dụng:

\[ M(\ce{CaCO3}) = 100.09\text{ g mol}^{-1} \]

\[ M(\ce{CaO}) = 56.08\text{ g mol}^{-1} \]

\[ M(\ce{CO2}) = 44.01\text{ g mol}^{-1} \]

Lời giải 3

Khối lượng canxi oxit theo lý thuyết là 2,80 g, và khối lượng các chất trong chén nung phải giảm 2,20 g.

Trước tiên, chuyển canxi cacbonat thành số mol:

\[ n(\ce{CaCO3}) = \frac{5.00}{100.09} = 0.04996\text{ mol} \]

Phương trình cho tỉ lệ mol \(1:1\) giữa canxi cacbonat và canxi oxit:

\[ n(\ce{CaO}) = 0.04996\text{ mol} \]

Bây giờ tính khối lượng của nó:

\[ m(\ce{CaO}) = nM = 0.04996 \times 56.08 = 2.80\text{ g} \]

Do đó, độ giảm khối lượng dự kiến là:

\[ \Delta m = 5.00 - 2.80 = 2.20\text{ g} \]

Phần khối lượng đo được bị mất này tương ứng với cacbon đioxit rời khỏi chén nung hở.

Ta có thể kiểm tra:

\[ m(\ce{CO2}) = 0.04996 \times 44.01 = 2.20\text{ g} \]

Vì vậy, mối quan hệ khối lượng đầy đủ xấp xỉ là:

\[ 5.00\text{ g }\ce{CaCO3} \rightarrow 2.80\text{ g }\ce{CaO} + 2.20\text{ g }\ce{CO2} \]

Số chỉ trên cân giảm vì cân không còn đo cacbon đioxit sau khi khí này thoát ra.

Câu hỏi 4

Một phản ứng trong bình hở tạo ra một chất khí. Các phép tính hóa lượng dự đoán tạo thành 0,92 g khí.

Khối lượng của bình và các chất bên trong chỉ giảm 0,66 g. Không có chất nào bị đổ ra ngoài, sự bay hơi là không đáng kể và khí là chất duy nhất có thể đi qua ranh giới hệ.

Một học sinh cho rằng 0,26 g vật chất đã bị phá hủy vì khối lượng khí dự đoán và độ giảm khối lượng đo được khác nhau.

Hãy đánh giá kết luận này.

Lời giải 4

Kết luận này không đúng. Dữ liệu cho thấy khoảng 0,26 g khí vẫn còn nằm trong hệ được đo chứ không bị phá hủy.

Phản ứng tạo ra:

\[ m_{\text{khí tạo thành}} = 0.92\text{ g} \]

nhưng chỉ có:

\[ m_{\text{khí thoát ra}} = 0.66\text{ g} \]

đã đi qua ranh giới hệ.

Do đó, lượng khí còn lại trong bình là:

\[ m_{\text{khí còn lại}} = 0.92 - 0.66 = 0.26\text{ g} \]

Ví dụ, khí có thể vẫn chiếm không gian phía trên chất lỏng hoặc vẫn hòa tan trong chất lỏng.

Sai lầm dễ mắc là giả sử rằng toàn bộ khí được tạo thành đều phải thoát ra ngay lập tức. Sự tạo thành khí và sự thoát ra của khí đó khỏi hệ được đo là hai sự kiện khác nhau.

Định luật bảo toàn khối lượng hoàn toàn phù hợp với các kết quả này.

Câu hỏi 5

Một học sinh cho một cacbonat phản ứng với axit dư bên trong một chai kín. Các chất phản ứng ban đầu có tổng khối lượng 25,00 g, và phản ứng tạo ra 2,20 g cacbon đioxit.

Học sinh dự đoán rằng các chất bên trong sẽ có khối lượng cuối là 22,80 g vì:

\[ 25.00 - 2.20 = 22.80\text{ g} \]

Dự đoán này có đúng không? Điều gì sẽ xảy ra với khối lượng đo được nếu sau đó chai được mở và đúng 2,20 g cacbon đioxit thoát ra, không có vật chất nào khác bị mất?

Lời giải 5

Chai kín vẫn phải chứa 25,00 g vật chất. Sau khi chai được mở và 2,20 g cacbon đioxit thoát ra, khối lượng đo được của các chất bên trong sẽ giảm xuống 22,80 g.

Khi chai vẫn kín, cacbon đioxit là một sản phẩm, nhưng nó chưa rời khỏi hệ.

Do đó:

\[ m_{\text{cuối, kín}} = 25.00\text{ g} \]

Phép trừ của học sinh đã sai khi coi “khí được tạo thành” tương đương với “khối lượng bị mất khỏi hệ”.

Khi chai được mở và 2,20 g cacbon đioxit thực sự đi qua ranh giới hệ:

\[ m_{\text{cuối, hở}} = 25.00 - 2.20 = 22.80\text{ g} \]

Phản ứng đã xảy ra trước khi chai được mở, nhưng số chỉ trên cân chỉ thay đổi khi vật chất thực sự rời khỏi hệ đang được đo.

Câu hỏi 6

Một kim loại \(X\) có khối lượng mol là \(40.0\text{ g mol}^{-1}\). Một mẫu 2,00 g được nung trong không khí cho đến khi tạo thành 2,80 g một oxit tinh khiết.

Hãy dùng dữ liệu khối lượng để xác định công thức đơn giản nhất của oxit. Sau đó giải thích vì sao chỉ so sánh khối lượng theo gam của kim loại và oxy là chưa đủ để xác định công thức.

Lời giải 6

Công thức đơn giản nhất của oxit là \(\ce{XO}\), vì kim loại và oxy có tỉ lệ mol xấp xỉ \(1:1\).

Trước tiên, tìm khối lượng oxy nhận thêm từ không khí:

\[ m(\ce{O}) = 2.80 - 2.00 = 0.80\text{ g} \]

Bây giờ chuyển khối lượng của mỗi nguyên tố thành số mol.

Đối với kim loại \(X\):

\[ n(X) = \frac{2.00}{40.0} = 0.0500\text{ mol} \]

Đối với các nguyên tử oxy:

\[ n(\ce{O}) = \frac{0.80}{16.00} = 0.0500\text{ mol} \]

Do đó, tỉ lệ mol là:

\[ X:\ce{O} = 0.0500:0.0500 = 1:1 \]

Vì vậy, công thức đơn giản nhất là:

\[ \ce{XO} \]

Tỉ lệ khối lượng 2,00 g so với 0,80 g không thể được đọc trực tiếp như một tỉ lệ số hạt vì các nguyên tử của \(X\) và oxy có khối lượng khác nhau. Công thức hóa học mô tả số lượng hạt, vì vậy các khối lượng đo được trước tiên phải được chuyển thành mol.

Đây là ý tưởng lớn hơn đằng sau các mối quan hệ khối lượng trong phản ứng. Cân cho bạn số gam, còn một phương trình hóa học cân bằng mô tả các hạt thông qua tỉ lệ mol. Khi bạn có thể chuyển đổi thành thạo giữa hai cách mô tả này, bước tiếp theo là các bài toán hóa lượng đầy đủ: dùng lượng đo được của một chất để dự đoán cần bao nhiêu chất phản ứng khác hoặc có thể tạo thành bao nhiêu sản phẩm.