Tính theo phương trình hoá học

Làm 1 cái bánh mì kẹp cần 2 lát bánh mì và 1 quả trứng. Muốn làm 6 cái thì cần 12 lát: bạn vừa nhân theo tỉ lệ của công thức. Phương trình hoá học cũng là một "công thức nấu ăn" như thế, chỉ khác là ta đếm bằng mol.

1. Bốn bước tính theo phương trình hoá học

1. Đổi dữ kiện ra số mol: n = m : M (khối lượng), n = V : 24,79 (thể tích khí ở 25 °C, 1 bar).
2. Viết phương trình hoá học (đã cân bằng).
3. Dựa vào hệ số để tìm số mol chất cần tính.
4. Đổi số mol ra thứ đề hỏi: m = n · M, hoặc V = n · 24,79.

Mẹo: n(cần tìm) = n(đã biết) × hệ số chất cần tìm : hệ số chất đã biết.

Ví dụ 1 (mol → mol). N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Muốn thu được 6 mol NH₃ thì cần bao nhiêu mol H₂?
Cứ 3 mol H₂ tạo ra 2 mol NH₃, nên n(H₂) = 6 · 3 : 2 = 9 mol.

Ví dụ 2 (gam → gam). Hoà tan hết 5,4 g nhôm trong dung dịch hydrochloric acid. Tính khối lượng muối aluminium chloride tạo thành.

1. n(Al) = 5,4 : 27 = 0,2 mol.
2. 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂
3. 2 Al tạo ra 2 AlCl₃ (tỉ lệ 1 : 1), nên n(AlCl₃) = 0,2 mol.
4. m(AlCl₃) = 0,2 · 133,5 = 26,7 g.

2. Bài có chất khí

Chỉ khác ở bước 4: ở 25 °C và 1 bar, 1 mol khí bất kì chiếm 24,79 L, nên V = n · 24,79.

Ví dụ 1. Vẫn 5,4 g nhôm ở trên: khí hydrogen thoát ra chiếm bao nhiêu lít?
2 Al tạo ra 3 H₂, nên n(H₂) = 0,2 · 3 : 2 = 0,3 mol; V = 0,3 · 24,79 = 7,437 L.

Ví dụ 2 (đi ngược). Muốn có 7,437 L khí oxygen từ phản ứng 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ thì cần bao nhiêu gam hydrogen peroxide?
n(O₂) = 7,437 : 24,79 = 0,3 mol; n(H₂O₂) = 0,3 · 2 = 0,6 mol; m = 0,6 · 34 = 20,4 g.

Chất khí rất khó đặt lên cân. Nhờ phương trình, ta tính được lượng khí chỉ từ khối lượng chất rắn đã dùng.

3. Hiệu suất phản ứng

Các phép tính ở trên giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn. Thực tế ít khi được như vậy: phản ứng chưa kịp xảy ra hết, có phản ứng phụ, hoặc chất bị thất thoát.

Ví dụ đời thường. Trộn bột đủ cho 12 cái bánh quy nhưng 3 cái bị cháy, chỉ còn 9 cái ăn được: 9 : 12 = 75%.

Hiệu suất phản ứng:

H = (lượng sản phẩm thực tế : lượng sản phẩm lí thuyết) × 100%

("lượng" có thể là khối lượng hoặc số mol; lí thuyết = tính theo phương trình.)

Ví dụ. Theo phương trình, nhà máy phải thu được 34 tấn ammonia, thực tế chỉ thu được 8,5 tấn. H = 8,5 : 34 · 100% = 25%.

Khi H < 100%:

• sản phẩm thực tế ít hơn lí thuyết;
• nguyên liệu cần dùng nhiều hơn lí thuyết.

Mẹo: tìm sản phẩm thì nhân H, tìm nguyên liệu thì chia H.

Bảng tóm tắt

Lỗi hay gặp

• Đổi thẳng gam ra gam theo hệ số (bỏ qua mol). Hệ số là tỉ lệ số mol, không phải tỉ lệ khối lượng.
• Quên cân bằng phương trình trước khi lấy tỉ lệ.
• Dùng 22,4 thay cho 24,79 (22,4 L là ở điều kiện cũ 0 °C, 1 atm).
• Áp dụng V = n · 24,79 cho chất lỏng, chất rắn (ví dụ nước ở 25 °C là chất lỏng).
• Hiệu suất nhân, chia ngược chiều: tìm nguyên liệu mà lại nhân H thì ra ít hơn lí thuyết, vô lí.
• Tính H mà quên tính lượng lí thuyết theo phương trình trước.

Bài tập theo dạng

Dạng 1: Tính số mol, khối lượng

Cách làm: đi đúng 4 bước, đổi gì cũng đi qua mol.

Cho 11,2 g sắt tác dụng hết với khí chlorine, tạo thành iron(III) chloride.

a) Cần bao nhiêu mol khí chlorine? b) Thu được bao nhiêu gam muối?

Dạng 2: Bài có chất khí

Cách làm: lít chia 24,79 ra mol; mol nhân 24,79 ra lít (khí ở 25 °C, 1 bar).

a) Thả 4,6 g natri vào nước, thu được sodium hydroxide và khí hydrogen. Tính thể tích khí hydrogen.

b) Phân huỷ hydrogen peroxide: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂. Muốn có 7,437 L khí oxygen thì cần bao nhiêu gam hydrogen peroxide?

Dạng 3: Hiệu suất

Cách làm: tính lượng lí thuyết theo phương trình trước, rồi mới so với thực tế.

a) Nung 6,5 g kẽm với lưu huỳnh dư, thu được 7,76 g zinc sulfide. Tính hiệu suất.

b) Điện phân aluminium oxide: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂. Muốn thu 5,4 tấn nhôm với hiệu suất 85% thì cần bao nhiêu tấn aluminium oxide?

c) Từ 2,8 tấn khí nitơ, với hiệu suất 25%, nhà máy thu được bao nhiêu tấn ammonia? (N₂ + 3H₂ → 2NH₃)

Chuyện bên lề: người tin rằng hoá học là toán học

Cuối thế kỉ XVIII, chiếc cân đã vào phòng thí nghiệm, nhưng thợ nấu xà phòng hay thợ nhuộm vẫn pha hoá chất theo kinh nghiệm: cần bao nhiêu chất này để phản ứng hết với chất kia, không ai tính trước được.

Nhà hoá học Đức Jeremias Benjamin Richter (1762–1807) nghĩ khác. Ông học cả triết lẫn toán, và luận án tiến sĩ của ông có tên "Về việc dùng toán học trong hoá học". Năm 1792, ông đặt cho phép tính lượng chất một cái tên ghép từ hai chữ Hy Lạp: stoicheion (nguyên tố) và metron (phép đo), ngày nay tiếng Anh gọi là stoichiometry. Ông tin rằng các chất luôn phản ứng với nhau theo những tỉ lệ cố định, tính được bằng con số. Ông đã đúng: các tỉ lệ ấy chính là hệ số trong phương trình hoá học.

Ngày nay: nhà máy phân bón, luyện kim, dược phẩm đều dùng đúng phép tính này để biết cần mua bao nhiêu nguyên liệu. Hiệu suất cao hơn vài phần trăm có thể tiết kiệm hàng nghìn tấn nguyên liệu mỗi năm.

Trò chơi ở nhà (5 phút): bếp trưởng tí hon

Chọn một công thức đơn giản, ví dụ: 1 cốc nước chanh = 2 thìa đường + 1 quả chanh + 1 cốc nước.

1. Một bạn ra đề: "Có 10 thìa đường, 3 quả chanh, nước thoải mái. Pha được nhiều nhất mấy cốc?" (3 cốc, vì chanh hết trước.)
2. Bạn kia ra đề ngược: "Muốn pha 8 cốc cần bao nhiêu thìa đường?"
3. Thêm "hiệu suất": cứ 4 cốc thì bị đổ 1 cốc. Muốn có 6 cốc để uống thì phải pha mấy cốc? (8 cốc: nguyên liệu phải chia cho hiệu suất 75%.)