Sự sắp xếp lại các nguyên tử trong phản ứng: Hướng dẫn Hóa học HSC

Một phản ứng dường như làm được điều bất khả thi. Khí hiđro và khí oxi có thể biến mất, và nước xuất hiện thay vào đó. Nếu các chất đã thay đổi, vậy điều gì đã xảy ra với những nguyên tử tạo nên các chất khí ban đầu?

Trước khi đọc tiếp, hãy đưa ra một dự đoán. Trong phản ứng giữa hiđro và oxi, liệu một nguyên tử oxi có thể đơn giản biến mất vì nó không còn là một phần của phân tử oxi hay không?

Không. Trong một phản ứng hóa học thông thường, các nguyên tử vẫn tồn tại. Điều thay đổi là nguyên tử nào liên kết với nguyên tử nào. Các nguyên tử hiđro vốn liên kết với các nguyên tử hiđro có thể cuối cùng liên kết với các nguyên tử oxi. Các chất thay đổi vì cách sắp xếp của các nguyên tử thay đổi.

Chính ý tưởng này giải thích cả việc vì sao phản ứng tạo ra các chất mới lẫn vì sao phương trình hóa học phải được cân bằng.

01Hãy hình dung phản ứng như một sự sắp xếp lại

Hãy tưởng tượng bốn học sinh ngồi ở hai bàn. Trong giờ ăn trưa, không ai đi vào hoặc rời khỏi phòng, nhưng mọi người đổi chỗ ngồi và tạo thành các nhóm mới.

Con người giống như các nguyên tử. Các nhóm tại bàn giống như các phân tử.

Một phản ứng hóa học cũng tương tự: các nguyên tử có mặt trước phản ứng được tổ chức lại thành những tổ hợp khác sau phản ứng. Tuy nhiên, phép so sánh này có giới hạn. Các nguyên tử không tự chọn đối tác mới. Liên kết hóa học được chi phối bởi các tương tác liên quan đến electron và năng lượng.

Xét sự tạo thành nước:

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]

Trước phản ứng, các nguyên tử hiđro được sắp xếp thành các phân tử \(\ce{H2}\), còn các nguyên tử oxi được sắp xếp thành các phân tử \(\ce{O2}\).

Sau phản ứng, chính những nguyên tử đó được sắp xếp thành các phân tử \(\ce{H2O}\).

Hãy đếm chúng.

Các phân tử đã thay đổi. Số nguyên tử của mỗi nguyên tố thì không.

Đó là mô hình cốt lõi.

02Thực sự có những gì được bảo toàn?

Trong một phản ứng hóa học thông thường, các nguyên tử được sắp xếp lại chứ không được tạo ra, phá hủy hay biến đổi thành nguyên tử của nguyên tố khác.

Một nguyên tử cacbon đi vào phản ứng vẫn là nguyên tử cacbon. Một nguyên tử oxi vẫn là nguyên tử oxi.

Ở cấp độ HSC, điều này có nghĩa là bạn nên dự đoán rằng:

• số nguyên tử của mỗi nguyên tố là như nhau trước và sau phản ứng
• tổng khối lượng của một hệ phản ứng kín không đổi
• các chất có mặt trước và sau phản ứng có thể thay đổi hoàn toàn

Điểm cuối cùng rất đáng chú ý. Bảo toàn không có nghĩa là không có gì thay đổi. Nó có nghĩa là một số đại lượng vẫn không đổi trong khi cách sắp xếp thay đổi.

Mô hình ban đầu này có phần đơn giản hóa. Ở mức độ chi tiết hơn, các phản ứng hóa học liên quan đến những thay đổi trong cách sắp xếp electron và các liên kết hóa học. Hạt nhân nguyên tử không thay đổi trong một phản ứng hóa học thông thường, đó là lý do mỗi nguyên tử vẫn giữ nguyên bản chất nguyên tố của mình.

Phản ứng hạt nhân thì khác. Chúng có thể biến nguyên tố này thành nguyên tố khác, nhưng đó không phải là điều xảy ra trong các phương trình hóa học HSC thông thường.

03Vì sao phương trình hóa học phải được cân bằng

Xét phương trình sau:

\[ \ce{H2 + O2 -> H2O} \]

Nó có vẻ hợp lý nếu bạn chỉ đọc tên các chất: hiđro phản ứng với oxi tạo thành nước.

Nhưng hãy đếm các nguyên tử.

Ở vế trái:

• 2 nguyên tử hiđro
• 2 nguyên tử oxi

Ở vế phải:

• 2 nguyên tử hiđro
• 1 nguyên tử oxi

Một nguyên tử oxi dường như đã biến mất.

Phản ứng hóa học không sai. Phương trình chưa hoàn chỉnh với tư cách là một mô hình của phản ứng.

Ta sửa điều này bằng các hệ số:

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]

Một hệ số cho biết có bao nhiêu hạt, hoặc bao nhiêu mol hạt, tham gia.

Vì vậy, \(2\ce{H2}\) có nghĩa là hai phân tử hiđro trong mô hình hạt, hoặc hai mol phân tử hiđro trong một phép tính ở quy mô vĩ mô.

Bây giờ số nguyên tử đã khớp nhau.

Có thể thay đổi hệ số. Không thể thay đổi chỉ số dưới.

Đây là một trong những quy tắc ra quyết định quan trọng nhất khi cân bằng phương trình.

Giả sử bạn cố sửa

\[ \ce{H2 + O2 -> H2O} \]

bằng cách đổi công thức của nước thành \(\ce{H2O2}\).

Bạn chắc chắn sẽ có hai nguyên tử oxi ở vế phải, nhưng khi đó bạn không còn mô tả nước nữa. \(\ce{H2O2}\) là hiđro peroxit, một chất khác.

Một chỉ số dưới là một phần trong bản sắc hóa học của chất.

Một hệ số làm thay đổi lượng của chất đó.

Ví dụ:

• \(\ce{H2O}\) có nghĩa là nước
• \(\ce{2H2O}\) có nghĩa là hai phân tử nước, hoặc hai mol nước
• \(\ce{H2O2}\) có nghĩa là hiđro peroxit

Khi cân bằng một phương trình, chỉ thay đổi các hệ số.

04Một cách đáng tin cậy để theo dõi sự sắp xếp lại

Khi một phương trình trở nên phức tạp, đừng cố làm cho nó “trông có vẻ cân bằng”. Hãy đếm nguyên tử một cách có hệ thống.

Sử dụng quy trình sau:

1. Trước tiên, viết đúng các công thức hóa học.
2. Đếm từng nguyên tố ở cả hai vế.
3. Chọn một nguyên tố có số lượng dễ điều chỉnh nhất.
4. Thay đổi hệ số, không thay đổi chỉ số dưới.
5. Đếm lại mọi nguyên tố.
6. Nếu có thể, rút gọn các hệ số về tỉ lệ số nguyên nhỏ nhất.

Mục tiêu không chỉ là thỏa mãn một quy tắc toán học. Mỗi hệ số phải biểu diễn một sự sắp xếp lại khả thi, trong đó mọi nguyên tử đều có thể được xác định là đã đi đâu.

05Số phân tử không nhất thiết phải được bảo toàn

Đây là một dự đoán khá dễ mắc phải: nếu các nguyên tử được bảo toàn, có lẽ số phân tử cũng phải giữ nguyên.

Hãy xem lại:

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]

Ở phía chất phản ứng có ba phân tử trong mô hình hạt: hai phân tử \(\ce{H2}\) và một phân tử \(\ce{O2}\).

Ở phía sản phẩm chỉ có hai phân tử \(\ce{H2O}\).

Vì vậy, số phân tử đã thay đổi từ 3 xuống 2.

Điều này hoàn toàn được phép.

Trong mô hình này, nguyên tử là những thành phần được bảo toàn. Phân tử là cách sắp xếp của những thành phần đó, vì vậy các phân tử có thể bị tách ra, được hình thành và thay đổi về số lượng.

Điều này giống như tách ba cặp đôi thành hai nhóm bạn lớn hơn. Số nhóm có thể thay đổi dù không ai bí ẩn biến mất khỏi căn phòng. Phép so sánh này có giới hạn vì các phân tử có cấu trúc hóa học cố định chứ không có sở thích xã hội, nhưng ý tưởng về việc theo dõi số lượng vẫn hữu ích.

06Bảo toàn nguyên tử dẫn đến bảo toàn khối lượng

Nguyên tử có khối lượng. Nếu cùng những nguyên tử đó có mặt trước và sau phản ứng, tổng khối lượng của một hệ kín sẽ giữ nguyên.

Giả sử 12.0 g cacbon phản ứng hoàn toàn với 32.0 g oxi trong một bình kín để tạo thành cacbon đioxit.

Phản ứng là

\[ \ce{C + O2 -> CO2} \]

Tổng khối lượng chất phản ứng là

\[ m_{\text{chất phản ứng}} = 12.0\text{ g} + 32.0\text{ g} = 44.0\text{ g} \]

Vì vậy, tổng khối lượng sản phẩm cũng phải là 44.0 g.

Điều này không có nghĩa là mỗi chất phản ứng có cùng khối lượng với mỗi sản phẩm. Nó có nghĩa là khối lượng của toàn bộ hệ kín được bảo toàn.

Vì sao “hệ kín” lại quan trọng

Hãy tưởng tượng nung một muối cacbonat trong một ống nghiệm mở và thấy rằng chất rắn sau đó có khối lượng nhỏ hơn.

Khối lượng có bị phá hủy không?

Không nhất thiết. Một sản phẩm ở thể khí có thể đã thoát ra môi trường xung quanh.

Nếu “hệ” của bạn chỉ gồm ống nghiệm và chất rắn còn lại, vật chất đã rời khỏi hệ đó. Nếu bạn có thể giữ lại và đo tất cả các chất phản ứng và sản phẩm, bao gồm cả khí, cân bằng khối lượng sẽ được khôi phục.

Vì vậy, khi các khối lượng thực nghiệm dường như không khớp, hãy đặt một câu hỏi hữu ích hơn câu “Định luật bảo toàn có bị vi phạm không?”

Hãy hỏi: Chính xác thì chúng ta đã đưa những gì vào bên trong ranh giới của hệ?

07Một sự sắp xếp lại khó hơn: phản ứng cháy

Việc cân bằng trở nên hữu ích hơn khi nhiều nguyên tố được sắp xếp lại cùng lúc.

Xét phản ứng cháy hoàn toàn của etan:

\[ \ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O} \]

Trước khi thay đổi các hệ số, hãy xác định mỗi nguyên tố có thể đi đâu.

• Cacbon trong \(\ce{C2H6}\) đi vào \(\ce{CO2}\).
• Hiđro trong \(\ce{C2H6}\) đi vào \(\ce{H2O}\).
• Oxi từ \(\ce{O2}\) được phân bố vào cả hai sản phẩm.

Điều này gợi ý một chiến lược hữu ích: cân bằng cacbon và hiđro trước, rồi cân bằng oxi.

08Quan niệm sai gây ra nhiều lỗi cân bằng nhất

Học sinh thường coi việc cân bằng như một câu đố, trong đó có thể đặt các con số ở bất cứ đâu cho đến khi hai vế “khớp” nhau.

Cách làm đó gây ra vấn đề vì công thức hóa học không phải là các ký hiệu kế toán có thể tùy ý điều chỉnh.

Xét:

\[ \ce{N2 + H2 -> NH3} \]

Bạn có thể nhận thấy có hai nguyên tử nitơ ở vế trái và nghĩ rằng: “Mình sẽ đổi \(\ce{NH3}\) thành \(\ce{N2H3}\).”

Điều đó không cân bằng phản ứng. Nó tạo ra một chất khác.

Thay vào đó, hãy giữ nguyên công thức \(\ce{NH3}\) và thay đổi số lượng hạt có mặt:

\[ \ce{N2 + 3H2 -> 2NH3} \]

Bây giờ có:

• 2 nguyên tử N ở mỗi vế
• 6 nguyên tử H ở mỗi vế

Một câu hỏi kiểm tra hữu ích là:

Mình đang thay đổi số lượng hạt có mặt, hay đang thay đổi bản thân mỗi hạt là gì?

Nếu bạn đang cân bằng một phương trình, bạn được phép thay đổi điều thứ nhất, không được thay đổi điều thứ hai.

09Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một mô hình hạt ban đầu có ba phân tử \(\ce{H2}\) và hai phân tử \(\ce{O2}\). Hai phân tử \(\ce{H2O}\) được tạo thành.

Sau khi hai phân tử nước đó được tạo thành, còn lại bao nhiêu phân tử \(\ce{H2}\) và \(\ce{O2}\)?

Lời giải 1

Còn lại hai phân tử \(\ce{H2}\) và một phân tử \(\ce{O2}\).

Việc tạo thành hai phân tử nước tuân theo sự sắp xếp lại

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]

Vì vậy, phản ứng sử dụng hai phân tử \(\ce{H2}\) và một phân tử \(\ce{O2}\).

Lượng ban đầu:

\[ 3\ce{H2} \quad \text{và} \quad 2\ce{O2} \]

Sau một lần phản ứng:

\[ 3 - 2 = 1\ce{H2} \]

và

\[ 2 - 1 = 1\ce{O2} \]

Vì vậy, lượng còn lại đúng thực ra là một phân tử \(\ce{H2}\) và một phân tử \(\ce{O2}\).

Điểm quan trọng là hai phân tử nước chứa bốn nguyên tử H và hai nguyên tử O. Những nguyên tử đó phải đến từ hai phân tử hiđro và một phân tử oxi. Chỉ đơn giản so sánh “ba phân tử trước phản ứng” với “hai phân tử được tạo thành” sẽ bỏ qua số nguyên tử cần thiết.

Câu hỏi 2

Cân bằng phương trình sau bằng các hệ số nguyên nhỏ nhất:

\[ \ce{Al + Cl2 -> AlCl3} \]

Giải thích vì sao đổi \(\ce{AlCl3}\) thành \(\ce{AlCl2}\) không phải là một cách hợp lệ để cân bằng phương trình.

Lời giải 2

Phương trình cân bằng là \(\ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}\), và chỉ số dưới trong \(\ce{AlCl3}\) không thể thay đổi vì làm như vậy sẽ thay đổi chính chất đó.

Mỗi đơn vị công thức \(\ce{AlCl3}\) chứa ba nguyên tử clo, trong khi clo tham gia dưới dạng các cặp trong \(\ce{Cl2}\).

Số nhỏ nhất chia hết cho cả 2 và 3 là 6, vì vậy hãy bố trí để có sáu nguyên tử clo ở mỗi vế.

Ba phân tử \(\ce{Cl2}\) chứa

\[ 3 \times 2 = 6 \]

nguyên tử Cl.

Hai đơn vị công thức \(\ce{AlCl3}\) chứa

\[ 2 \times 3 = 6 \]

nguyên tử Cl.

Ta có

\[ \ce{Al + 3Cl2 -> 2AlCl3} \]

Bây giờ có hai nguyên tử Al ở vế phải, vì vậy đặt hệ số 2 trước Al:

\[ \ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3} \]

Đổi \(\ce{AlCl3}\) thành \(\ce{AlCl2}\) sẽ làm thay đổi công thức và do đó làm thay đổi bản sắc hóa học của hợp chất. Cân bằng là thay đổi hệ số, không phải chỉ số dưới.

Câu hỏi 3

Một học sinh viết:

\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2} \]

Học sinh đó nói: “Phương trình không thể đúng vì trước phản ứng có ba phân tử nhưng sau phản ứng chỉ có hai phân tử. Vật chất đã biến mất.”

Lập luận của học sinh có đúng không? Hãy giải thích bằng cả số nguyên tử và số phân tử.

Lời giải 3

Không. Phương trình bảo toàn nguyên tử mặc dù không bảo toàn số phân tử.

Ở phía chất phản ứng:

• \(2\ce{CO}\) chứa 2 nguyên tử C và 2 nguyên tử O
• \(\ce{O2}\) chứa thêm 2 nguyên tử O

Tổng số nguyên tử của chất phản ứng:

• C: 2
• O: 4

Ở phía sản phẩm, \(2\ce{CO2}\) chứa:

• C: 2
• O: 4

Mọi nguyên tử đều được tính đến.

Số phân tử thay đổi từ ba phân tử chất phản ứng thành hai phân tử sản phẩm, nhưng số phân tử không bắt buộc phải giữ nguyên. Các phân tử là những cách sắp xếp của nguyên tử, và một phản ứng có thể làm thay đổi số lượng của những cách sắp xếp đó.

Quan niệm sai của học sinh là coi chính các phân tử là những đơn vị được bảo toàn. Trong một phản ứng hóa học thông thường, số nguyên tử của mỗi nguyên tố mới là đại lượng phải được bảo toàn.

Câu hỏi 4

Một bình phản ứng kín có tổng khối lượng 86.35 g trước phản ứng. Sau phản ứng, một học sinh đo được 61.20 g chất lỏng và 25.15 g chất rắn bên trong bình.

Một học sinh khác khẳng định rằng chắc chắn cũng phải có khí được tạo thành vì “hầu hết các phản ứng hóa học đều tạo ra một ít khí”.

Hãy sử dụng các phép đo để đánh giá nhận định này.

Lời giải 4

Các số liệu khối lượng không cung cấp bằng chứng rằng còn có một lượng khí có khối lượng đo được, vì phần chất lỏng và chất rắn đã đo đã chiếm toàn bộ khối lượng ban đầu.

Khối lượng ban đầu là

\[ m_{\text{ban đầu}} = 86.35\text{ g} \]

Khối lượng cuối cùng đo được là

\[ m_{\text{cuối}} = 61.20\text{ g} + 25.15\text{ g} = 86.35\text{ g} \]

Do đó

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

và không có khối lượng nào chưa được tính đến.

Khí chỉ có thể hiện diện nếu một số phép đo đã nêu đã gián tiếp bao gồm nó, hoặc nếu một thành phần được đo khác đã bị diễn giải sai. Chỉ riêng dữ liệu khối lượng đã cho không đòi hỏi phải có sản phẩm khí.

Cái bẫy ở đây là giả định rằng một loại sản phẩm cụ thể phải tồn tại chỉ vì nó nghe có vẻ phổ biến trong hóa học. Định luật bảo toàn cho chúng ta biết liệu các sản phẩm được đề xuất có thể giải thích toàn bộ vật chất có mặt hay không, nhưng nó không cho chúng ta biết rằng mọi phản ứng đều phải tạo ra khí.

Câu hỏi 5

Một học sinh đề xuất phản ứng ở cấp độ hạt như sau:

\[ \ce{2AB2 + B2 -> 2AB3} \]

Ở đây \(A\) và \(B\) biểu diễn hai nguyên tố khác nhau.

Một học sinh khác nói rằng mô hình này là không thể vì mỗi hạt sản phẩm chứa nhiều nguyên tử hơn mỗi hạt \(\ce{AB2}\) ban đầu.

Hãy xác định xem sự sắp xếp lại được đề xuất có khả thi hay không và giải thích sai sót trong lập luận của học sinh thứ hai.

Lời giải 5

Sự sắp xếp lại được đề xuất là khả thi vì tổng số nguyên tử \(A\) và \(B\) được bảo toàn.

Hãy đếm các nguyên tử ở vế trái.

Từ \(2\ce{AB2}\):

• \(A: 2\)
• \(B: 4\)

Từ \(\ce{B2}\):

• \(B: 2\)

Vì vậy, tổng số nguyên tử chất phản ứng là:

\[ A = 2, \qquad B = 6 \]

Bây giờ hãy đếm các sản phẩm.

Từ \(2\ce{AB3}\):

\[ A = 2, \qquad B = 6 \]

Các số lượng khớp nhau hoàn toàn.

Học sinh thứ hai chỉ so sánh từng hạt sản phẩm với một hạt \(\ce{AB2}\) và bỏ qua chất phản ứng \(\ce{B2}\) bổ sung. Các hạt sản phẩm có thể chứa nhiều nguyên tử hơn một hạt phản ứng cụ thể nếu các nguyên tử từ một chất phản ứng khác kết hợp với chúng.

Phép so sánh đúng là giữa tất cả nguyên tử trong tất cả chất phản ứng và tất cả nguyên tử trong tất cả sản phẩm.

Câu hỏi 6

Một kim loại phản ứng với một chất khí trong một bình mở. Sản phẩm rắn có khối lượng lớn hơn mảnh kim loại ban đầu.

Một học sinh kết luận: “Điều này vi phạm định luật bảo toàn khối lượng vì sản phẩm nặng hơn chất rắn ban đầu.”

Hãy giải thích vì sao không thể rút ra kết luận này. Sau đó, nêu phép đo bổ sung nào sẽ cho phép kiểm tra đúng định luật bảo toàn khối lượng.

Lời giải 6

Khối lượng sản phẩm lớn hơn không vi phạm định luật bảo toàn khối lượng vì các nguyên tử từ chất phản ứng ở thể khí đã trở thành một phần của sản phẩm rắn.

Phép so sánh của học sinh đã bỏ sót một trong các chất phản ứng.

Nếu một kim loại \(M\) phản ứng với oxi, một phương trình đơn giản hóa có thể có dạng

\[ \ce{M + O2 -> metal\ oxide} \]

Chất rắn cuối cùng chứa các nguyên tử kim loại ban đầu cộng với các nguyên tử oxi đến từ chất khí xung quanh. Vì vậy, khối lượng của nó có thể lớn hơn khối lượng kim loại ban đầu.

Ví dụ, nếu 10.0 g kim loại kết hợp với 2.5 g oxi, oxit tạo thành có thể có khối lượng

\[ m_{\text{sản phẩm}} = 10.0\text{ g} + 2.5\text{ g} = 12.5\text{ g} \]

Không có khối lượng nào được tạo ra. Phần tăng thêm 2.5 g đến từ vật chất không được đưa vào phép đo ban đầu của học sinh.

Một phép kiểm tra đúng định luật bảo toàn cần tổng khối lượng của mọi chất phản ứng trước phản ứng và mọi sản phẩm sau phản ứng, lý tưởng nhất là sử dụng một hệ kín để vật chất không thể đi vào hoặc thoát ra.

Đây là bài học sâu hơn đằng sau các phương trình cân bằng. Chúng không chỉ là một bài tập về ký hiệu. Chúng là những mô hình ở cấp độ hạt cho biết mọi nguyên tử đã đi đâu. Khi mô hình đó đã vững chắc, nó trở thành nền tảng cho tỉ lệ mol, các phép tính theo phương trình hóa học, chất giới hạn và các dự đoán định lượng về lượng sản phẩm mà một phản ứng thực sự có thể tạo ra.