Định luật bảo toàn khối lượng và phương trình hoá học

Đốt một tờ giấy, chỉ còn nhúm tro nhẹ tênh. Đốt một cuộn bùi nhùi thép, cân lại thấy nặng hơn. Khối lượng biến đi đâu, và ở đâu sinh ra? Câu trả lời: không có gì mất đi, cũng không có gì tự sinh ra.

1. Định luật bảo toàn khối lượng

Trong một phản ứng hoá học, tổng khối lượng các chất sản phẩm bằng tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng.

Vì sao? Phản ứng hoá học chỉ cắt liên kết cũ, nối liên kết mới. Số nguyên tử của mỗi nguyên tố trước và sau phản ứng vẫn y nguyên, nên khối lượng không đổi.

Ví dụ: khí hydrogen tác dụng với khí chlorine. Trước phản ứng có 2 nguyên tử H và 2 nguyên tử Cl (trong H₂ và Cl₂). Sau phản ứng vẫn 2 nguyên tử H và 2 nguyên tử Cl, chỉ là nằm trong 2 phân tử HCl.

Với phản ứng A + B → C + D:

m(A) + m(B) = m(C) + m(D)

Biết khối lượng của 3 chất thì tính được chất thứ 4 (tổng quát: phản ứng có n chất, biết n − 1 chất là tính được chất còn lại).

Ví dụ 1. Nung 8,4 g baking soda, thu được 5,3 g soda, 0,9 g nước và khí carbon dioxide.
m(CO₂) = 8,4 − 5,3 − 0,9 = 2,2 g.

Ví dụ 2 (bẫy). Nung 6,4 g dây đồng trong không khí, thu được 8 g chất rắn màu đen. Nặng thêm 1,6 g, định luật sai à? Không. Đồng đã kết hợp với khí oxygen trong không khí: 2Cu + O₂ → 2CuO. Phần nặng thêm chính là khối lượng oxygen: 8 − 6,4 = 1,6 g.

Còn tờ giấy cháy: phần "biến mất" đã thành khí carbon dioxide và hơi nước, bay vào không khí.

2. Lập phương trình hoá học: 3 bước

Phương trình hoá học ghi lại phản ứng bằng công thức hoá học, với hệ số thích hợp để số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế bằng nhau.

Ví dụ: phosphorus cháy trong khí oxygen tạo thành diphosphorus pentoxide.

Hai điều cần nhớ

1. Chỉ thêm hệ số ở phía trước công thức, không sửa chỉ số. Viết 5O₂ (5 phân tử oxygen), không viết O₁₀. Sửa chỉ số là đổi sang chất khác (H₂O là nước, H₂O₂ là nước oxy già!).
2. Nhóm nguyên tử đi nguyên vẹn từ vế này sang vế kia (OH, SO₄, NO₃, CO₃…) thì coi như một khối khi cân bằng.
   Ví dụ: 3KOH + FeCl₃ → Fe(OH)₃ + 3KCl (đếm "3 khối OH").

3. Ý nghĩa của phương trình hoá học

Phương trình cho biết các chất phản ứng với nhau theo tỉ lệ xác định.

Ví dụ 1. 4P + 5O₂ → 2P₂O₅: cứ 4 nguyên tử P phản ứng với 5 phân tử O₂, tạo ra 2 phân tử P₂O₅. Tỉ lệ 4 : 5 : 2 cũng là tỉ lệ số mol.

Ví dụ 2. N₂ + 3H₂ → 2NH₃: tỉ lệ số phân tử (số mol) là 1 : 3 : 2.
Bẫy: đây không phải tỉ lệ khối lượng. Muốn có tỉ lệ khối lượng phải nhân hệ số với khối lượng mol: 1·28 : 3·2 : 2·17 = 28 : 6 : 34, tức 28 g N₂ cần 6 g H₂, tạo ra 34 g NH₃.

Bảng tóm tắt

Lỗi hay gặp

• Quên chất khí. Than, giấy cháy xong "nhẹ đi" vì sản phẩm khí bay mất; kim loại nung "nặng thêm" vì lấy oxygen của không khí. Cộng cả chất khí vào thì hai vế luôn bằng nhau.
• Sửa chỉ số để cân bằng (Mg + O₂ → MgO₂). Sai: chỉ được thêm hệ số (2Mg + O₂ → 2MgO).
• Viết 6 O thay cho 3 O₂. Khí oxygen, hydrogen, chlorine, nitơ luôn viết dạng phân tử O₂, H₂, Cl₂, N₂.
• Cân bằng dở dang: mới cân một nguyên tố đã dừng. Luôn đếm lại tất cả nguyên tố ở hai vế.
• Nhầm tỉ lệ hệ số với tỉ lệ khối lượng. Tỉ lệ hệ số là tỉ lệ số mol (số phân tử).
• Các cụm từ trong đề: phản ứng hoàn toàn (ít nhất một chất phản ứng hết), vừa đủ (các chất tham gia đều hết, không chất nào dư).

Bài tập theo dạng

Dạng 1: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng

Cách làm: viết tổng khối lượng hai vế bằng nhau, thay số, tìm chất còn thiếu. Có chất khí thì nhớ tính cả nó.

a) Cho 13 g kẽm tác dụng vừa đủ với 14,6 g hydrochloric acid, thu được 27,2 g zinc chloride và khí hydrogen. Tính khối lượng khí hydrogen.

b) Đặt lên cân một cốc giấm nặng 150 g, thả vào 4,2 g baking soda. Sủi bọt xong, cân chỉ còn 152 g. Vì sao khối lượng giảm, giảm bao nhiêu?

c) Đốt cháy hết 3,1 g phosphorus trong khí oxygen, thu được 7,1 g diphosphorus pentoxide. Tính khối lượng oxygen đã phản ứng.

Dạng 2: Lập phương trình hoá học

Cách làm: đếm số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế, thêm hệ số cho bằng nhau; nhóm nguyên tử coi như một khối; đếm lại lần cuối.

a) Mg + O₂ ⇢ MgO

b) Fe₂O₃ + HCl ⇢ FeCl₃ + H₂O

c) AgNO₃ + CuCl₂ ⇢ AgCl + Cu(NO₃)₂

d) Al + Cl₂ ⇢ AlCl₃

Dạng 3: Tỉ lệ trong phương trình

Cách làm: tỉ lệ số mol = tỉ lệ hệ số; muốn ra khối lượng thì nhân thêm khối lượng mol.

Trong lò luyện gang: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

a) Tỉ lệ số phân tử các chất là bao nhiêu?

b) Từ 16 tấn Fe₂O₃, thu được tối đa bao nhiêu tấn sắt?

c) Có 0,5 mol Fe₂O₃ thì cần bao nhiêu mol CO, thu được bao nhiêu mol Fe?

Chuyện bên lề: chiếc cân đã thay đổi hoá học

Thế kỉ XVIII, đa số nhà hoá học tin vào thuyết phlogiston: vật cháy được vì nó nhả ra một chất vô hình tên là phlogiston. Rắc rối là kim loại nung xong lại nặng thêm, chẳng lẽ phlogiston có khối lượng âm?

Năm 1756, nhà bác học Nga Mikhail Lomonosov nung kim loại trong bình thuỷ tinh hàn kín và nhận thấy: nếu không khí bên ngoài không lọt vào thì khối lượng cả bình không đổi. Trước đó, năm 1748, ông đã viết trong thư gửi nhà toán học Euler rằng trong tự nhiên, lấy đi ở vật này bao nhiêu thì thêm vào vật khác bấy nhiêu.

Năm 1774, ở Pháp, Antoine Lavoisier làm thí nghiệm tương tự với thiếc. Cân cả bình trước và sau khi nung: bằng nhau. Khi mở bình, ông nghe tiếng không khí ùa vào: kim loại đã lấy mất một phần không khí trong bình. Từ đó ông chứng minh sự cháy là kết hợp với oxygen, và phát biểu rõ nguyên lí bảo toàn khối lượng trong cuốn sách giáo khoa hoá học hiện đại đầu tiên (1789).

Hai ông làm việc độc lập, và "vũ khí" của cả hai chỉ là một chiếc cân thật chính xác.

Ngày nay: mọi nhà máy hoá chất, từ phân đạm, xi măng tới luyện thép, đều dựa vào định luật này và tỉ lệ trong phương trình hoá học để tính nguyên liệu cần mua và sản phẩm thu được.

Trò chơi ở nhà (5 phút): chiếc túi không biết nói dối

Cần: 1 túi zip, 1 thìa baking soda, một ít giấm (để trong cốc nhỏ hoặc nắp chai), cân nhà bếp.

1. Cho baking soda vào túi zip. Đặt cốc giấm nhỏ đứng trong túi (chưa đổ). Kéo kín miệng túi, đặt lên cân, ghi số.
2. Nghiêng túi cho giấm đổ vào baking soda. Túi phồng lên vì khí carbon dioxide.
3. Đặt lại lên cân: số có đổi không? (Gần như không đổi, vì khí vẫn ở trong túi.)
4. Mở túi cho khí thoát ra, cân lại: giảm! Phần giảm chính là khối lượng khí.

Hỏi bạn: nếu ngay từ đầu không kéo kín túi thì cân sẽ chỉ thế nào? Vì sao?