Vì sao thí nghiệm thu khí đo được thể tích thấp hơn dự đoán
Tính toán hóa lượng dự đoán lượng khí mà phản ứng tạo ra, nhưng kết quả đo trong phòng thí nghiệm thường thấp hơn dự kiến. Tìm hiểu cách tính thể tích khí dự kiến, hiệu chỉnh nhiệt độ, áp suất và hơi nước, đồng thời xác định những nguyên nhân hợp lý gây ra sai lệch thực nghiệm.
Một học sinh cho 0.100 g magie phản ứng với axit clohiđric dư. Theo tính toán hóa lượng, thể tích khí thu được trên nước ở 25°C và 101.3 kPa vào khoảng 104 mL, nhưng ống đong chỉ cho số đọc 87 mL. Phản ứng đã tạo ra quá ít khí hiđro, hay một phần hiđro đã hình thành nhưng không đến được dụng cụ thu khí?
Chỉ riêng số đọc thể tích không thể phân biệt được hai khả năng này. Để xác định nguyên nhân của sự sai lệch, hãy theo dõi đường đi của khí từ chính phản ứng đến phép đo cuối cùng, đồng thời kiểm tra những gì có thể xảy ra ở từng giai đoạn.
Thể tích khí dự đoán so với thực tế
| Quy trình lý thuyết | Chất giới hạn → số mol H₂ theo lý thuyết. Dùng nhiệt độ và áp suất đã cho để dự đoán thể tích; khi thu khí trên nước, dùng P(H₂) = P(total) − p(H₂O). |
|---|---|
| Quy trình thực nghiệm | Phản ứng → chuyển khí → thu khí → đọc thể tích. Phản ứng: phản ứng không hoàn toàn khiến lượng H₂ tạo thành ít hơn. Chuyển khí và thu khí: rò rỉ, khí còn mắc kẹt hoặc sự hòa tan có thể làm giảm lượng khí thu được. Số đọc: nhiệt độ, áp suất, mực nước và mặt khum thực tế ảnh hưởng đến kết quả so sánh. |
01Theo dõi đường đi của khí trong bài thực hành
Hãy xét một thí nghiệm điển hình ở trường học, trong đó magie phản ứng với axit clohiđric và khí hiđro được thu bằng phương pháp đẩy nước.
Khí đi theo một lộ trình cụ thể:
- Một lượng magie có khối lượng đã được xác định được cho vào bình phản ứng.
- Axit clohiđric được thêm vào. Hiđro bắt đầu hình thành khi phản ứng diễn ra.
- Nút đậy và ống dẫn khí đưa khí ra khỏi bình phản ứng.
- Ống dẫn đưa khí vào một ống đong chứa đầy nước, được úp ngược trong máng nước.
- Hiđro đi vào ống đong đẩy nước ra ngoài, và vạch chia trên ống đong cho biết thể tích khí thu được.
Dụng cụ được thiết kế để chuyển khí từ bình phản ứng vào ống đong mà không làm thất thoát bất kỳ lượng khí nào.
Nếu mọi thứ hoạt động hoàn hảo, thí nghiệm sẽ cho kết quả như thế nào?
Nếu axit dư, magie tinh khiết, phản ứng diễn ra hoàn toàn và không có khí thoát ra ngoài, lượng hiđro tạo thành phải phù hợp với giá trị dự đoán theo phương trình hóa học. Khi đó, số đọc thể tích cũng phải phù hợp với thể tích dự đoán sau khi đã tính đến nhiệt độ, áp suất và hơi nước.
Tuy nhiên, hãy chú ý có bao nhiêu điều kiện phải được đáp ứng thì mới đạt được sự phù hợp đó.
Chỗ rò rỉ có thể khiến hiđro thoát ra ngoài. Phản ứng không hoàn toàn có thể tạo ra số mol khí ít hơn dự đoán. Khí có thể còn lại trong dụng cụ thay vì đến được nơi thu. Ngay cả khi lượng khí được tạo ra và thu lại đúng như dự kiến, thể tích cuối cùng vẫn có thể khác với giá trị dự đoán nếu nhiệt độ hoặc áp suất của khí khác với điều kiện giả định.
Thí nghiệm đầu tiên cho thấy có sự sai lệch. Nhiệm vụ tiếp theo là xác định giai đoạn nào của quá trình có thể giải thích sự sai lệch đó.
02Tính toán hóa lượng dự đoán số mol, không phải số đọc trên ống đong
Hãy bắt đầu với phương trình hóa học:
\[ \ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2} \]
Phương trình cho biết một mol magie tạo ra một mol hiđro, với điều kiện có đủ axit clohiđric và phản ứng diễn ra hoàn toàn.
Đối với magie tinh khiết phản ứng với axit dư,
\[ n(\ce{H2})_{\text{lý thuyết}}=n(\ce{Mg}) \]
Số mol magie có thể được tính từ khối lượng của nó:
\[ n=\frac{m}{M} \]
Ở đây, \(n\) là lượng chất tính bằng mol, \(m\) là khối lượng tính bằng gam và \(M\) là khối lượng mol tính bằng gam trên mol.
Đối với magie, \(M=24.3\ \text{g mol}^{-1}\).
- Mg
- HCl
- MgCl₂
- H₂
Phép tính này cho biết lượng hiđro theo lý thuyết. Tuy nhiên, nó chưa cho biết thể tích khí.
Đối với chất khí, thể tích phụ thuộc vào lượng khí, nhiệt độ và áp suất. Phương trình khí lý tưởng liên hệ các đại lượng này:
\[ PV=nRT \]
Biến đổi phương trình để tính thể tích, ta được:
\[ V=\frac{nRT}{P} \]
Trong phương trình này:
- \(V\) là thể tích khí tính bằng lít.
- \(n\) là lượng khí tính bằng mol.
- \(R\) là hằng số khí, \(8.31\ \text{kPa L mol}^{-1}\text{K}^{-1}\).
- \(T\) là nhiệt độ tuyệt đối tính bằng kelvin.
- \(P\) là áp suất khí tính bằng kilopascal.
Luôn đổi nhiệt độ sang kelvin bằng công thức \(T(\text{K})=T(°\text{C})+273\), đồng thời bảo đảm đơn vị áp suất phù hợp với giá trị của \(R\).
Ví dụ có lời giải: Dự đoán thể tích khí hiđro
Một mẫu magie tinh khiết có khối lượng 0.100 g phản ứng hoàn toàn với axit clohiđric dư. Hãy tính lượng hiđro theo lý thuyết và thể tích khí ở 25°C, 101.3 kPa. Sau đó, tính thể tích dự kiến nếu hiđro được thu trên nước ở cùng nhiệt độ, với mực nước bên trong và bên ngoài ống đong bằng nhau. Áp suất hơi nước ở 25°C là 3.17 kPa.
Bước 1
\[ \begin{aligned} n(\ce{Mg})&=\frac{m}{M}\\ &=\frac{0.100\ \text{g}}{24.3\ \text{g mol}^{-1}}\\ &=4.12\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
Bước 2
Phương trình cho biết tỉ lệ mol giữa magie và hiđro là 1:1. Do đó,
\[ n(\ce{H2})=4.12\times10^{-3}\ \text{mol} \]
Bước 3
Đổi nhiệt độ sang kelvin:
\[ T=25+273=298\ \text{K} \]
Thay vào phương trình khí lý tưởng:
\[ \begin{aligned} V&=\frac{nRT}{P}\\ &=\frac{(4.12\times10^{-3})(8.31)(298)} {101.3}\\ &=0.1007\ \text{L}\\ &\approx101\ \text{mL} \end{aligned} \]
Vậy thể tích hiđro khô theo lý thuyết xấp xỉ 101 mL.
Bước 4
Khí trong ống đong chứa cả hơi nước lẫn hiđro. Khi mực nước ở hai phía bằng nhau, áp suất tổng của hỗn hợp khí bằng áp suất khí quyển, nhưng một phần áp suất đó là do hơi nước tạo ra.
Do đó, áp suất của hiđro là:
\[ \begin{aligned} P_{\ce{H2}}&=P_{\text{atm}}-p_{\ce{H2O}}\\ &=101.3-3.17\\ &=98.13\ \text{kPa} \end{aligned} \]
Sử dụng áp suất này để tính thể tích khí ẩm dự kiến:
\[ \begin{aligned} V&=\frac{(4.12\times10^{-3})(8.31)(298)} {98.13}\\ &=0.1040\ \text{L}\\ &\approx104\ \text{mL} \end{aligned} \]
Khi hiđro được thu trên nước trong những điều kiện này, thể tích dự kiến xấp xỉ 104 mL, chứ không phải 101 mL.
Sự khác biệt xuất phát từ hiệu chỉnh hơi nước. Ở cùng nhiệt độ và áp suất tổng, hiđro trong hỗn hợp với hơi nước có áp suất riêng phần thấp hơn hiđro khô. Vì vậy, cần một thể tích lớn hơn để chứa cùng một lượng hiđro.
Điều này làm rõ một điểm quan trọng trong dự đoán: hơi nước khiến thể tích khí ẩm dự kiến lớn hơn, chứ không nhỏ hơn, thể tích khí khô tương ứng ở cùng áp suất tổng. Việc bỏ qua hiệu chỉnh này không thể giải thích tại sao thể tích đo được lại thấp hơn giá trị dự đoán cho khí khô.
Trong các phép tính liên quan đến hỗn hợp hiđro và hơi nước, phép hiệu chỉnh này giả định rằng khí không phải hơi nước có thể được xem là hiđro. Nếu có không khí ban đầu, cũng cần xem xét phần đóng góp của không khí khi diễn giải thành phần khí.
Hơi nước làm tăng thể tích khí thu được
| Hiđro khô | P_total = P_H₂ Áp suất hiđro bằng áp suất tổng; cùng một lượng khí chiếm thể tích nhỏ hơn. |
|---|---|
| Hiđro thu trên nước | P_total = P_H₂ + p_H₂O Hơi nước làm giảm áp suất riêng phần của hiđro; cùng một lượng khí chiếm thể tích lớn hơn. |
03Xác định nguyên nhân sai lệch từ cách bố trí thí nghiệm
Giả sử thể tích dự đoán là 104 mL nhưng chỉ thu được 87 mL. Lượng thiếu hụt là 17 mL.
Bạn có thể dễ dàng kết luận rằng đã mất 16% lượng hiđro rồi chuyển sang bước tiếp theo. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa thể tích lý thuyết và thể tích đo được không tự động cho biết điều gì đã xảy ra sai.
Hãy bắt đầu bằng các nguyên nhân có thể có và xem xét mỗi nguyên nhân sẽ để lại bằng chứng gì.
| Nguyên nhân có thể | Vì sao số đọc có thể thấp | Bằng chứng nào sẽ hữu ích |
|---|---|---|
| Rò rỉ khí | Hiđro thoát ra qua nút đậy lỏng, mối nối không kín hoặc ống dẫn bị hỏng thay vì đi vào dụng cụ thu. | Phát hiện gioăng hoặc mối nối không kín, hoặc một lần thử lại với các mối nối được cố định chắc chắn thu được nhiều khí hơn. |
| Phản ứng không hoàn toàn | Một phần lượng hiđro dự kiến không bao giờ được tạo ra vì phản ứng dừng lại quá sớm. | Còn magie chưa phản ứng, lượng axit không đủ hoặc điều kiện phản ứng khiến phản ứng không thể diễn ra hoàn toàn. |
| Magie không tinh khiết | Mẫu đã cân chứa vật chất không tạo ra hiđro, khiến phép tính đánh giá quá cao lượng magie thực sự tham gia phản ứng. | Độ tinh khiết hoặc tình trạng của mẫu cho thấy không phải toàn bộ khối lượng của mẫu là magie kim loại. |
| Mất khí trong quá trình chuyển | Hiđro thoát ra trước khi bắt đầu thu khí, bọt khí đi vòng qua dụng cụ thu hoặc khí còn lại trong thiết bị. | Quy trình có khoảng thời gian chờ trước khi bịt kín hoặc có giai đoạn khí có thể thoát ra thay vì được thu lại. |
| Khí hòa tan trong nước | Một phần hiđro đi vào nước thu khí thay vì tiếp tục tồn tại ở pha khí. | Một phép so sánh có kiểm soát với phương pháp tránh tiếp xúc trực tiếp với lượng nước thu khí lớn cho kết quả khác biệt. |
| Sai lệch về nhiệt độ hoặc áp suất | Thể tích khí thực tế khác với thể tích dự đoán vì phép tính sử dụng điều kiện không chính xác. | Nhiệt độ, áp suất hoặc mực nước đo được khác với các giá trị giả định. |
| Sai số đọc kết quả | Thể tích khí được đọc không chính xác hoặc thang chia quá thô để phân biệt một chênh lệch nhỏ. | Các lần đọc lặp lại không thống nhất hoặc đáy mặt khum không được đọc theo cùng một cách. |
Các nguyên nhân này không ảnh hưởng đến thí nghiệm theo cùng một cách. Một số nguyên nhân làm giảm lượng hiđro thu được, trong khi những nguyên nhân khác khiến phép so sánh với giá trị lý thuyết không chính xác.
Rò rỉ và phản ứng không hoàn toàn là hai vấn đề khác nhau
Rò rỉ có nghĩa là hiđro có thể đã được tạo ra nhưng thoát ra ngoài trước khi được đo.
Phản ứng không hoàn toàn có nghĩa là một phần lượng hiđro dự kiến ngay từ đầu đã không được tạo ra.
Sự phân biệt này rất quan trọng vì bằng chứng cần tìm và cách khắc phục trong mỗi trường hợp đều khác nhau.
Nếu vẫn còn magie sau phản ứng, hãy kiểm tra xem axit có phải là chất giới hạn hay phản ứng chưa kết thúc. Hãy tính lượng chất của cả hai chất phản ứng thay vì mặc định rằng axit đã dư.
Nếu không còn thấy magie bằng mắt thường, điều đó ủng hộ khả năng phản ứng đã hoàn toàn, nhưng không chứng minh rằng toàn bộ khối lượng ban đầu được cân là magie tinh khiết. Một mẫu không tinh khiết có thể tan hết mà vẫn không tạo ra lượng hiđro như dự đoán từ tổng khối lượng của mẫu.
Nếu dụng cụ chưa được bịt kín trước khi phản ứng bắt đầu, hiđro có thể thoát ra ngay lập tức. Magie phản ứng với axit clohiđric ngay khi hai chất tiếp xúc, vì vậy ngay cả một khoảng trì hoãn ngắn cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả. Một cách bố trí tốt hơn là chỉ bắt đầu phản ứng sau khi hệ thống thu khí đã được kết nối và đóng kín đúng cách, theo phương pháp được phòng thí nghiệm phê duyệt.
Hiđro dễ cháy. Không bao giờ dùng ngọn lửa để kiểm tra chỗ rò rỉ.
Hiđro có thể hòa tan trong nước không?
Có, một phần hiđro có thể hòa tan trong nước thu khí. Việc thu khí không phải lúc nào cũng tách biệt hoàn toàn pha khí khỏi pha lỏng.
Tuy nhiên, hiđro chỉ tan rất ít trong nước. Sự hòa tan là điều có thể xảy ra, nhưng không nên mặc nhiên cho rằng đây là nguyên nhân gây ra sai lệch lớn trong một bài thực hành thông thường ở trường học.
Bản chất của khí cũng rất quan trọng. Trong những điều kiện tương đương, sự hòa tan có ý nghĩa lớn hơn nhiều đối với các khí như amoniac và cacbon đioxit so với hiđro.
Một xilanh khí có thể giúp kiểm tra xem việc tiếp xúc trực tiếp với lượng nước thu khí lớn có góp phần gây ra sai lệch hay không. Tuy nhiên, việc thay ống đong bằng xilanh cũng có thể làm thay đổi đường đi của khí, thể tích chết và các chi tiết khác của thí nghiệm. Nếu xilanh cho số đọc cao hơn, điều đó là cơ sở để tiếp tục điều tra; bản thân kết quả ấy không chứng minh rằng sự hòa tan là nguyên nhân duy nhất.
Thể tích khí có thể đơn giản khác đi do điều kiện của khí không?
Có. Đây là lý do nhiệt độ và áp suất của khí phải được đo hoặc xác định bằng cách khác, thay vì chỉ giả định.
Theo phương trình khí lý tưởng,
\[ V=\frac{nRT}{P} \]
Với một lượng khí cố định, thể tích tăng khi nhiệt độ tuyệt đối tăng và giảm khi áp suất tăng.
Nếu khí lạnh hơn nhiệt độ được sử dụng trong dự đoán, thể tích đo được sẽ nhỏ hơn. Nếu áp suất khí cao hơn giá trị giả định, thể tích cũng sẽ nhỏ hơn.
- Khí khô ở 100 kPa
Mực nước trong ống đong thu khí cũng rất quan trọng. Khi mực nước bên trong và bên ngoài ống đong bằng nhau, áp suất khí bên trong xấp xỉ bằng áp suất khí quyển. Nếu hai mực nước khác nhau, áp suất khí bị giữ lại cũng khác áp suất khí quyển.
Ví dụ, nếu mực nước bên trong ống đong úp ngược thấp hơn mực nước bên ngoài, áp suất khí bên trong sẽ cao hơn áp suất khí quyển. Khi đó, nếu chỉ sử dụng áp suất khí quyển, thể tích dự kiến của một lượng khí cố định sẽ bị tính cao hơn thực tế.
Cuối cùng, hãy để khí đạt đến nhiệt độ tại thời điểm bạn định đo. Nếu đọc thể tích khi khí vẫn còn ấm hơn môi trường xung quanh, kết quả có thể khác với kết quả đo sau khi khí đã nguội.
04Hơi nước và các yếu tố khác có thể khiến kết quả sai lệch theo những hướng trái ngược nhau
Một chẩn đoán hữu ích không chỉ xem xét những yếu tố có thể làm số đọc quá thấp mà còn phải xem xét những yếu tố có thể làm số đọc quá cao.
| Yếu tố | Hướng ảnh hưởng có khả năng xảy ra |
|---|---|
| Hiđro thoát ra qua chỗ rò rỉ | Thể tích khí thu được giảm |
| Phản ứng dừng trước khi hoàn toàn | Lượng khí được tạo ra giảm |
| Hiđro hòa tan trong nước thu khí | Lượng khí ở pha khí được thu giảm |
| Khí lạnh hơn nhiệt độ giả định | Thể tích giảm |
| Áp suất khí cao hơn áp suất giả định | Thể tích giảm |
| Bỏ qua hơi nước trong phép tính lý thuyết | Thể tích khí ẩm dự đoán nhỏ hơn thực tế |
| Khí ấm hơn nhiệt độ giả định | Thể tích tăng |
| Khí không được tính đến bị đẩy vào dụng cụ thu | Có thể làm sai lệch số đọc hoặc cách diễn giải, tùy cách bố trí thí nghiệm |
Điểm cuối cùng cần được xem xét cẩn thận. Ban đầu, nhiều bình phản ứng và ống dẫn khí có chứa không khí. Vì vậy, lượng khí đầu tiên đi vào dụng cụ thu có thể chứa không khí thay vì hiđro tinh khiết.
Trong hệ thống thu khí bằng phương pháp đẩy nước, không khí ban đầu không tự động tạo ra sai số thể tích bổ sung: trong những điều kiện thích hợp với nhiệt độ và áp suất không đổi, thể tích khí bị đẩy ra vẫn có thể phản ánh lượng khí được tạo thành. Tuy nhiên, không được mặc nhiên coi hỗn hợp khí thu được là hiđro tinh khiết về mặt hóa học khi diễn giải thành phần của nó. Nếu quy trình chủ động loại bỏ phần khí ban đầu, một phần hiđro cũng có thể bị mất theo.
Đây là một ví dụ điển hình cho thấy cần diễn giải kết quả thí nghiệm dựa trên cách bố trí thực tế, thay vì chỉ dựa vào một danh sách chung về các sai số có thể xảy ra.
05Ví dụ có lời giải: Ước tính lượng hiđro tương ứng với số đọc thể tích
Một học sinh cho 0.100 g magie tinh khiết phản ứng với axit clohiđric dư. Khí được thu trên nước ở 24°C và áp suất khí quyển 100.8 kPa. Mực nước hai bên bằng nhau, và áp suất hơi nước là 2.98 kPa.
Thể tích khí đo được là 94.0 mL. Giả sử cách bố trí thí nghiệm đã tính đến ảnh hưởng của không khí ban đầu và thể tích chết, hãy ước tính phần trăm lượng hiđro theo lý thuyết được thể hiện qua phép đo.
Bước 1
Giả sử khí gồm hiđro và hơi nước,
\[ \begin{aligned} P_{\ce{H2}}&=P_{\text{atm}}-p_{\ce{H2O}}\\ &=100.8-2.98\\ &=97.82\ \text{kPa} \end{aligned} \]
Bước 2
Đổi thể tích sang lít:
\[ V=94.0\ \text{mL}=0.0940\ \text{L} \]
Nhiệt độ tính bằng kelvin là:
\[ T=24+273=297\ \text{K} \]
Biến đổi phương trình khí lý tưởng để tính lượng chất:
\[ n=\frac{PV}{RT} \]
Thay các giá trị đo được vào phương trình:
\[ \begin{aligned} n_{\text{khí thu được}} &=\frac{(97.82)(0.0940)}{(8.31)(297)}\\ &=3.73\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
Bước 3
Magie phải tạo ra một mol hiđro cho mỗi mol magie.
\[ \begin{aligned} n_{\text{lý thuyết}} &=\frac{0.100}{24.3}\\ &=4.12\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
Bước 4
\[ \begin{aligned} \text{Tỷ lệ thu khí biểu kiến} &=\frac{n_{\text{khí thu được}}}{n_{\text{lý thuyết}}} \times100\%\\ &=\frac{3.73\times10^{-3}}{4.12\times10^{-3}} \times100\%\\ &\approx90.5\% \end{aligned} \]
Theo các giả định đã nêu, số đọc tương ứng với khoảng 90.5% lượng hiđro theo lý thuyết.
Thể tích khí ẩm theo lý thuyết trong những điều kiện này vào khoảng 104 mL, so với thể tích đo được là 94.0 mL.
Đây là tỷ lệ thu khí biểu kiến. Nó không chứng minh rằng phản ứng hóa học đạt hiệu suất 90.5%. Sự thiếu hụt có thể bắt nguồn từ thất thoát khí, phản ứng không hoàn toàn, giả định không chính xác về mẫu hoặc vấn đề trong phép đo.
Sự phân biệt này rất quan trọng: lượng khí được tạo ra trong phản ứng và lượng khí thu được thành công không nhất thiết bằng nhau.
06Cách điều chỉnh thí nghiệm mà không phỏng đoán
Một người làm thí nghiệm tốt không nhìn thấy số đọc thấp rồi lập tức chọn một lời giải thích mà mình thích. Thay vào đó, họ điều chỉnh cách tiến hành để có thể kiểm tra những nguyên nhân cạnh tranh với nhau.
Xác định nguyên nhân thể tích khí thấp
- Tính chất giới hạn
Dùng tỉ lệ mol để tính lượng H₂ theo lý thuyết.
- Kiểm tra độ hoàn toàn của phản ứng và độ tinh khiết
Kiểm tra Mg chưa phản ứng và xác minh độ tinh khiết của mẫu.
- Kiểm tra quá trình chuyển khí
Kiểm tra độ kín, ống dẫn, khí bị giữ lại và thất thoát lúc bắt đầu.
- Hiệu chỉnh điều kiện đo
Tính đến nhiệt độ, áp suất khí, mực nước và hơi nước.
- Lặp lại hoặc so sánh các phương pháp thu khí
Mỗi lần chỉ thay đổi một yếu tố; lặp lại thí nghiệm để kiểm tra nguyên nhân nghi ngờ.
Hãy thực hiện theo trình tự sau.
Trước tiên, kiểm tra phép tính lý thuyết.
Tính lượng chất của từng chất phản ứng và xác định chất giới hạn. Đối với phản ứng giữa magie và axit clohiđric, cứ mỗi mol Mg cần hai mol HCl. Nếu axit là chất giới hạn, lượng hiđro theo lý thuyết phải được tính từ lượng axit, chứ không chỉ từ khối lượng magie.
Kiểm tra độ tinh khiết giả định của magie và xem phản ứng có khả năng diễn ra hoàn toàn hay không.
Thứ hai, kiểm tra xem khí có thể đã thoát ra ngoài hay không.
Kiểm tra nút đậy, ống dẫn và các mối nối. Xác định xem hệ thống thu khí đã sẵn sàng trước khi phản ứng bắt đầu hay chưa, và liệu khí có thể thoát ra trong lúc lắp ráp hoặc chuyển khí hay không.
Nếu cách bố trí đã điều chỉnh thu được nhiều khí hơn, điều đó ủng hộ giả thuyết rằng cách bố trí ban đầu làm thất thoát khí. Tuy nhiên, kết quả này không tự động định lượng được lượng khí thất thoát ở từng giai đoạn.
Thứ ba, hiệu chỉnh các điều kiện đo.
Ghi lại nhiệt độ khí, áp suất khí quyển và mực nước. Nếu khí được thu trên nước, hãy tính đến hơi nước. Nếu mực nước hai bên khác nhau, hãy tính đến chênh lệch áp suất khí thay vì giả định áp suất khí bằng áp suất khí quyển.
Sử dụng các điều kiện thực tế áp dụng cho phép đo, không sử dụng những giá trị thuận tiện lấy từ một ví dụ trong sách giáo khoa.
Thứ tư, so sánh các phương pháp thu khí một cách cẩn thận.
Xilanh khí có thể giúp kiểm tra sự thất thoát liên quan đến việc thu khí trên nước. Tuy nhiên, hãy giữ điều kiện phản ứng và các phần khác của quy trình càng nhất quán càng tốt.
Nếu bạn đồng thời thay đổi độ kín của hệ thống, điều kiện phản ứng và phương pháp thu khí, bạn sẽ không thể xác định thay đổi nào đã tạo ra sự cải thiện.
Cuối cùng, lặp lại thí nghiệm và xem xét độ không đảm bảo của phép đo.
Một sai lệch nhỏ có thể phù hợp với độ chính xác của ống đong hoặc sự biến thiên giữa các lần thử. Một mức thiếu hụt lớn và lặp lại nhất quán cần được điều tra thêm.
Câu hỏi quan trọng không chỉ là thể tích đo được có khác với giá trị dự đoán hay không. Điều cần xem xét là liệu chênh lệch có lớn hơn độ không đảm bảo dự kiến của phương pháp hay không, và bằng chứng hiện có có chỉ ra một nguyên nhân hợp lý hay không.
07Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Một mẫu magie tinh khiết có khối lượng 0.0486 g phản ứng hoàn toàn với axit clohiđric dư. Hiđro được thu trên nước ở 25°C và áp suất khí quyển 100.0 kPa. Mực nước hai bên bằng nhau, và áp suất hơi nước là 3.17 kPa.
Hãy tính thể tích khí ẩm theo lý thuyết được thu. Sử dụng \(M(\ce{Mg})=24.3\ \text{g mol}^{-1}\) và \(R=8.31\ \text{kPa L mol}^{-1}\text{K}^{-1}\).
Lời giải 1
Thể tích khí ẩm theo lý thuyết xấp xỉ 51.2 mL.
Trước tiên, tính số mol magie:
\[ \begin{aligned} n(\ce{Mg})&=\frac{0.0486}{24.3}\\ &=0.00200\ \text{mol} \end{aligned} \]
Phản ứng có tỉ lệ mol giữa magie và hiđro là 1:1. Do đó,
\[ n(\ce{H2})=0.00200\ \text{mol} \]
Vì khí được thu trên nước, áp suất của hiđro là:
\[ P_{\ce{H2}}=100.0-3.17=96.83\ \text{kPa} \]
Nhiệt độ là:
\[ T=25+273=298\ \text{K} \]
Sử dụng phương trình khí lý tưởng:
\[ \begin{aligned} V&=\frac{nRT}{P_{\ce{H2}}}\\ &=\frac{(0.00200)(8.31)(298)}{96.83}\\ &=0.0512\ \text{L}\\ &=51.2\ \text{mL} \end{aligned} \]
Thể tích dự kiến là khoảng 51.2 mL. Nếu sử dụng trực tiếp áp suất khí quyển làm áp suất của hiđro, thể tích khí ẩm dự kiến sẽ bị tính thấp hơn thực tế vì một phần áp suất tổng là do hơi nước tạo ra.
Câu hỏi 2
Một học sinh cho 0.120 g magie phản ứng với 10.0 mL dung dịch axit clohiđric có nồng độ 0.200 mol L⁻¹. Giả sử magie tinh khiết, phản ứng diễn ra đến mức tối đa mà lượng axit sẵn có cho phép, và hiđro được thu trên nước ở 25°C, áp suất khí quyển 100.0 kPa. Áp suất hơi nước là 3.17 kPa và mực nước hai bên bằng nhau.
Hãy tính thể tích khí ẩm tối đa theo lý thuyết. Giải thích tại sao việc tính lượng hiđro chỉ từ magie lại dẫn đến dự đoán không chính xác.
Lời giải 2
Thể tích khí ẩm tối đa theo lý thuyết là 25.6 mL, vì axit clohiđric là chất giới hạn.
Trước tiên, tính số mol magie:
\[ \begin{aligned} n(\ce{Mg})&=\frac{0.120}{24.3}\\ &=4.94\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
Tiếp theo, tính số mol axit clohiđric:
\[ \begin{aligned} n(\ce{HCl})&=cV\\ &=(0.200\ \text{mol L}^{-1})(0.0100\ \text{L})\\ &=2.00\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
Phương trình yêu cầu hai mol HCl cho mỗi mol hiđro. Do đó, lượng hiđro tối đa là:
\[ \begin{aligned} n(\ce{H2})_{\max} &=\frac{n(\ce{HCl})}{2}\\ &=\frac{2.00\times10^{-3}}{2}\\ &=1.00\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
Áp suất của hiđro là:
\[ P_{\ce{H2}}=100.0-3.17=96.83\ \text{kPa} \]
Ở 298 K,
\[ \begin{aligned} V&=\frac{nRT}{P_{\ce{H2}}}\\ &=\frac{(1.00\times10^{-3})(8.31)(298)}{96.83}\\ &=0.0256\ \text{L}\\ &=25.6\ \text{mL} \end{aligned} \]
Nếu chỉ tính từ magie, thể tích khí ẩm dự đoán sẽ vào khoảng 126 mL. Dự đoán đó giả định rằng có đủ axit để phản ứng với toàn bộ magie, nhưng điều này không đúng trong trường hợp trên.
Thể tích khí thu được nhỏ không nhất thiết cho thấy có rò rỉ hoặc thí nghiệm thất bại. Cần kiểm tra chất giới hạn trước khi điều tra sự thất thoát khí trong quá trình thu.
Câu hỏi 3
Ba lần thử lặp lại sử dụng cùng khối lượng magie, axit clohiđric dư và cùng điều kiện thu khí. Thể tích khí ẩm theo lý thuyết là 104 mL.
- Trong quy trình thứ nhất, axit tiếp xúc với magie trước khi bình được bịt kín. Thể tích khí thu được trung bình là 86 mL.
- Trong quy trình đã điều chỉnh, hệ thống được đóng kín trước khi axit tiếp xúc với magie. Thể tích khí thu được trung bình là 101 mL.
Trong cả hai quy trình, cuối phản ứng không còn thấy magie bằng mắt thường. Các điều kiện khác đã được lên kế hoạch đều không thay đổi.
Kết luận vững chắc nhất được các kết quả này hỗ trợ là gì? Chỉ dựa vào các kết quả đó, bạn không thể kết luận điều gì?
Lời giải 3
Các kết quả hỗ trợ mạnh mẽ kết luận rằng việc bắt đầu phản ứng trước khi đóng kín hệ thống gây ra sự thất thoát khí đáng kể trong giai đoạn khởi đầu. Tuy nhiên, chúng không chứng minh rằng mọi mililít khí bị thiếu đều có cùng một nguyên nhân.
Quy trình đã điều chỉnh làm tăng thể tích khí thu được trung bình một lượng:
\[ 101-86=15\ \text{mL} \]
Thay đổi chính đã được lên kế hoạch là việc hệ thống thu khí có được đóng kín trước khi phản ứng bắt đầu hay không. Hiđro có thể hình thành ngay khi axit tiếp xúc với magie, vì vậy quy trình ban đầu tạo cơ hội cho một phần khí thoát ra trước khi hệ thống sẵn sàng thu khí.
Mức tăng từ 86 mL lên 101 mL phù hợp với lời giải thích này.
Tuy nhiên, số đọc sau khi điều chỉnh vẫn thấp hơn 3 mL so với giá trị lý thuyết:
\[ 104-101=3\ \text{mL} \]
Chỉ dựa vào những kết quả này, không thể quy phần chênh lệch còn lại cho sự hòa tan, rò rỉ hoặc độ không đảm bảo của phép đo. Cần kiểm tra thêm để phân biệt những khả năng đó.
Bài học rút ra là hãy sử dụng một thay đổi có kiểm soát để xác định nguyên nhân có khả năng xảy ra, sau đó điều tra riêng mọi sai lệch còn lại.
Câu hỏi 4
Một phản ứng được dự đoán tạo ra 0.00400 mol khí. Khí được thu trên nước ở 20°C và áp suất khí quyển 100.0 kPa. Mực nước hai bên bằng nhau, và áp suất hơi nước là 2.34 kPa.
Một học sinh dự đoán thể tích là 97.4 mL bằng cách sử dụng trực tiếp áp suất khí quyển, sau đó đo được 96.0 mL. Học sinh đó cho rằng hơi nước giải thích được sự khác biệt.
Hãy tính thể tích khí ẩm theo lý thuyết chính xác và đánh giá nhận định của học sinh.
Lời giải 4
Thể tích khí ẩm theo lý thuyết chính xác xấp xỉ 99.7 mL, vì vậy hơi nước không giải thích được số đọc thấp. Bỏ qua hơi nước khiến thể tích dự đoán nhỏ hơn thực tế.
Nhiệt độ là:
\[ T=20+273=293\ \text{K} \]
Áp suất của khí không phải hơi nước là:
\[ P_{\text{khí khô}}=100.0-2.34=97.66\ \text{kPa} \]
Sử dụng phương trình khí lý tưởng:
\[ \begin{aligned} V&=\frac{nRT}{P_{\text{khí khô}}}\\ &=\frac{(0.00400)(8.31)(293)}{97.66}\\ &=0.0997\ \text{L}\\ &=99.7\ \text{mL} \end{aligned} \]
Dự đoán cho khí khô khi sử dụng áp suất 100.0 kPa xấp xỉ 97.4 mL. Khi trừ áp suất hơi nước, áp suất được sử dụng trong phép tính giảm xuống, làm thể tích dự đoán tăng lên 99.7 mL.
Do đó, thể tích đo được thấp hơn giá trị dự đoán chính xác một lượng khoảng:
\[ 99.7-96.0=3.7\ \text{mL} \]
Mức thiếu hụt này tương đương khoảng 3.7%.
Lập luận của học sinh đã nhầm chiều ảnh hưởng. Hơi nước chiếm một phần áp suất tổng; hiệu chỉnh để tính đến hơi nước làm tăng thể tích khí thu được dự kiến.
Câu hỏi 5
Một học sinh cho 0.100 g magie tinh khiết phản ứng hoàn toàn với axit clohiđric dư. Hiđro được thu trên nước ở 25°C và áp suất khí quyển 101.3 kPa. Áp suất hơi nước là 3.17 kPa.
Mực nước bên trong ống đong úp ngược thấp hơn mực nước bên ngoài 20 cm. Độ chênh lệch áp suất do chênh lệch độ cao này được cho là 2.0 kPa, khiến áp suất khí bị giữ lại cao hơn áp suất khí quyển 2.0 kPa.
Học sinh đo được 96.0 mL khí ẩm.
Một học sinh khác cho rằng số đọc thấp nhất thiết phải được giải thích bằng một phép tính lý thuyết không chính xác vì mực nước hai bên khác nhau. Một học sinh thứ ba cho rằng nên bỏ qua hơi nước vì áp suất khí đã cao hơn áp suất khí quyển.
Hãy tính thể tích khí ẩm theo lý thuyết sau khi hiệu chỉnh. Sau đó, giải thích thể tích đo được cho phép kết luận điều gì và không cho phép kết luận điều gì, với giả định khí chỉ chứa hiđro và hơi nước.
Lời giải 5
Thể tích khí ẩm theo lý thuyết sau khi hiệu chỉnh xấp xỉ 101.8 mL. Thể tích đo được 96.0 mL vẫn thấp hơn giá trị dự đoán khoảng 5.8 mL, vì vậy các hiệu chỉnh áp suất và hơi nước không loại bỏ hoàn toàn sự sai lệch.
Điểm mấu chốt là hai hiệu chỉnh này tác động theo những hướng trái ngược nhau.
Bước 1: Tính lượng hiđro theo lý thuyết.
\[ \begin{aligned} n(\ce{Mg})&=\frac{0.100}{24.3}\\ &=4.12\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
Tỉ lệ mol giữa magie và hiđro là 1:1, do đó:
\[ n(\ce{H2})=4.12\times10^{-3}\ \text{mol} \]
Bước 2: Hiệu chỉnh áp suất tổng của khí theo chênh lệch mực nước.
Vì mực nước bên trong ống đong thấp hơn mực nước bên ngoài, áp suất khí bị giữ lại cao hơn áp suất khí quyển.
\[ \begin{aligned} P_{\text{khí}}&=P_{\text{atm}}+2.0\\ &=101.3+2.0\\ &=103.3\ \text{kPa} \end{aligned} \]
Bước 3: Hiệu chỉnh hơi nước.
Khí chứa hơi nước, vì vậy áp suất do khí không phải hơi nước tạo ra là:
\[ \begin{aligned} P_{\text{khí khô}} &=P_{\text{khí}}-p_{\ce{H2O}}\\ &=103.3-3.17\\ &=100.13\ \text{kPa} \end{aligned} \]
Áp suất tổng cao hơn làm giảm thể tích dự kiến. Sau đó, việc trừ áp suất hơi nước làm tăng thể tích dự kiến so với phép tính sai lầm coi toàn bộ áp suất là áp suất của khí khô.
Không thể bỏ qua một trong hai hiệu chỉnh này.
Bước 4: Tính thể tích lý thuyết sau khi hiệu chỉnh.
Ở 25°C,
\[ T=25+273=298\ \text{K} \]
Do đó,
\[ \begin{aligned} V&=\frac{nRT}{P_{\text{khí khô}}}\\ &=\frac{(4.12\times10^{-3})(8.31)(298)} {100.13}\\ &=0.1018\ \text{L}\\ &=101.8\ \text{mL} \end{aligned} \]
Bước 5: So sánh giá trị dự đoán sau khi hiệu chỉnh với thể tích đo được.
\[ \begin{aligned} \text{Mức thiếu hụt}&=101.8-96.0\\ &=5.8\ \text{mL} \end{aligned} \]
Tính theo phần trăm của thể tích lý thuyết sau khi hiệu chỉnh,
\[ \begin{aligned} \text{Phần trăm thiếu hụt} &=\frac{5.8}{101.8}\times100\%\\ &\approx5.7\% \end{aligned} \]
Giá trị dự đoán sau khi hiệu chỉnh vẫn cao hơn thể tích đo được khoảng 5.7%.
Kết quả cho thấy sự chênh lệch mực nước và hơi nước giải thích được một phần khác biệt giữa dự đoán ban đầu và số đọc thực tế, nhưng không giải thích được toàn bộ sự khác biệt đó. Với các giả định đã nêu rằng magie phản ứng hoàn toàn và khí chỉ gồm hiđro cùng hơi nước, phần sai lệch còn lại cho thấy có thể tồn tại ảnh hưởng từ quá trình thu khí, chuyển khí hoặc đo lường, hoặc có một giả định chưa được tính đến.
Kết quả này không chứng minh rằng 5.7% lượng hiđro đã hòa tan trong nước, cũng không tự nó xác định được vị trí rò rỉ. Cần có thêm bằng chứng để kiểm chứng những lời giải thích đó.
Đây là quyết định hữu ích tiếp theo trong một bài thực hành thu khí: sau khi đã xác định chất giới hạn, điều kiện của khí và các hiệu chỉnh áp suất, hãy sử dụng những lần thử lặp lại và các thay đổi có kiểm soát để điều tra phần thiếu hụt còn lại. Chỉ khi đó, bạn mới có thể đưa ra nhận định có cơ sở về hiệu quả thu khí và xác định liệu hiệu suất tính được phản ánh bản chất hóa học của phản ứng hay những hạn chế của thí nghiệm.