Chương 2: Bảo toàn khối lượng và năng lượng

Trở về Mục lục cuốn sách

Khi bạn có thể đo lường thứ đang được đề cập đến, thì tức là bạn đã biết đôi chút về nó. Nhưng khi bạn không thể đo lường nó, hoặc không thể diễn đạt bằng con số, thì kiến thức của bạn bị thiếu hụt và chưa thỏa đáng. Có thể đó là khởi đầu của kiến thức, nhưng tư tưởng của bạn chưa thể nói là đạt đến cấp độ của khoa học.
William Thomson, Lord Kelvin (1891)

Các khái niệm cơ bản

  1. Khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, và mol.
  2. Phân tích hóa học. Thành phần phần trăm và công thức thức nghiệm.
  3. Phương trình hóa học. Cân bằng phương trình và sự bảo toàn khối lượng.
  4. Tính các sản phẩm tạo thành sau phản ứng.
  5. Dung môi với vai trò thuốc thử hóa học. Chất tan và dung môi. Nồng độ mol và nồng độ molan. Trung hòa axit–bazơ và phép phân tích thể tích. Axit yếu và mạnh. Điểm tương đương, khối lượng tương đương, và chuẩn độ.
  6. Nhiệt của phản ứng. Sự bảo toàn năng lương. Sự tương đương giữa nhiệt, công, và năng lượng. Enthalpy. Các phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt. Định luật Hess. Nhiệt của phản ứng đốt cháy và nhiệt tạo thành.
  7. Các định luật bảo toàn.

Khái niệm nguyên tử khởi nguồn từ những triết gia Hy Lạp. Đê-mô-crit (470–360? TCN) đã đưa ra giả thuyết rằng mọi vật chất đều được hợp thành từ những nguyên tử riêng lẻ, không thể phá hủy được, rằng những loại nguyên tử khác nhau thì có cấu trúc và biểu hiện khác nhau, và rằng những thuộc tính quan sát được của các chất có được là do cách săp xếp của từng nguyên tử riêng rẽ và cách kết hợp với nguyên tử khác. Những giả thuyết của ông chính là một phiên bản sơ khai của nội dung đã trình bày trong Chương 1. Thết thì tại sao những người Hy Lạp cổ đại không dùng giả thuyết của Đê-mô-crit và tiếp tục phát triển năng lượng nguyên tử? Tại sao phải sau 2000 năm thì khoa học hiện đại mới bắt đầu phát triển?

Câu trả lời là, chủ yếu vì người Hy Lạp không nghĩ về nguyên tử một cách định lượng, và họ không phải các nhà thưc nghiệm. Khoa học của họ thời bấy giờ là những lý giải triết học về vũ trụ, thay vì một công cụ thực dụng để cải biến thế giới xung quanh. Nguồn nhân công rẻ mạt khiến họ phải lo phát triển khoa học kĩ thuật. Nhà khoa học Hy Lạp, Heron xứ Alexandria đã phát minh ra một vài cơ chế hoạt động của hơi nước mà lẽ ra đã có thể chế tạo nên động cơ, nhưng rồi đã chỉ sử dụng chúng như thứ đồ chơi và chỉ để khám phá.

Lý thuyết của Đê-mô-crit thật khô khan vì nó không dẫn đến dự đoán định lượng nào cho phép kiểm định được. Lý thuyết này đã không thể phát triển ra ngoài phạm vi những khái niệm trừu tượng vì nó không không nhận được phản hồi từ những thí nghiệm thành công lẫn thất bại trong thực tế để thách thức và cải thiện. Một lý thuyết khoa học, muốn hữu ích, phải có tính định lượng. Nó phải dự đoán: “Nếu tôi làm điều này, thì điều kia sẽ xảy ra, và ở một chừng mực nào đó tôi có thể tính trước.” Một dự đoán như vậy có thể kiểm tra được. Nó có thể được thấy là đúng đắn, do đó khiến ta vững tin hơn vào giả thuyết phía sau; hoặc quan trọng hơn là điều thường gặp: dự đoán là sai, buộc ta phải rà soát lại và cải thiện lý thuyết. Những lý thuyết khoa học lớn mạnh nhờ liên tục phá bỏ và xây dựng lại. Một lý thuyết dự đoán thứ mà không thể kiểm tra được, thì cũng đồng nghĩa với nó không truyền đạt thông tin gì, vì vậy mà vô dụng.

Tầm quan trọng của phép đo chính xác khối lượng trong các phản ứng hóa học vượt ngoài tầm với của các triết gia Hy Lạp. Nó cũng vượt quá tầm các nhà giả kim, luyện kim, và bào chế dược thời trung cổ ở Châu Âu. Nhà hóa học người Pháp là Antoine Lavoisier (1743–1794) là người đầu tiên nhận thấy rằng khối lượng là đại lượng cơ bản được bảo toàn trong quá trình xảy ra phản ứng. Tổng khối lượng của tất cả những sản phẩm hóa học tạo nên phải bằng đúng tổng khối lượng của các chất ban đầu. Với nguyên lý này Lavoisier đã phá hủy thuyết phlogiston về nhiệt, vốn đã tồn tại lâu dài, bằng cách cho thấy rằng khi một chất bị đốt cháy, nó kết hợp với nguyên tố khác, oxy, thay vì phân hủy cho ra một chất huyền bí chung có tên là phlogiston. Nguyên lý của bảo toàn khối lượng là mấu chốt của tất cả ngành hóa học. Không chỉ có tổng khối lượng được bảo toàn; số lượng từng lại nguyên tử cũng phải bằng nhau trước và sau phản ứng, bất kể những nguyên tử này có kết hợp và sắp xếp lại thành từng phân tử ra sao.

Năng lượng cũng phải được bảo toàn trong các phản ứng hóa học. Đối với nhà hóa học, điều ày nghĩa là nhiệt lượng được hấp thụ hoặc phát ra từ phản ứng hóa học (nhiệt phản ứng) phải như nhau bất kể phản ứng đó được tiến hành ra sao—theo một bước hay nhiều bước. Chẳng hạn, nhiệt phát ra khi khí hydro và gra-phit (than chì, một dạng của các-bon) bị đốt cháy phải đúng bằng lượng nhiệt phá ra khi hydro và cacbon được dùng để tạo nên xăng, và sau đó đốt lượng xăng này với vai trò nhiên liệu cho động cơ xe hơi. Nếu lượng nhiệt phát ra trong hai cách tiến hành phản ứng là không bằng nhau, thì cái phẳn ứng hiệu quả hơn có thể diễn ra theo chiều xuôi và hpharn ứng kém hiệu quả thì theo chiều ngược. Kết quả sẽ là một cỗ máy nhiệt với chu kì khép kín không cần nhiên liệu mà lại cho ra lượng nhiệt vô tận. Mọi loại mô hình chuyển động vĩnh viễn sẽ thất bại khi mô hình đó mang tính định lượng về nhiệt, năng lượng, và công. Đây là cơ sở của nhiệt động học, vốn sẽ được trình bày sâu trong các Chương 14–16.

Ở chương này ta sẽ xét đến các hệ quả, về hóa học, của hai nguyên lý:

  1. Các nguyên tử không được tạo ra hay phá hủy trong quá trình phản ứng hóa học (bảo toàn khối lượng).
  2. Nhiệt của phản ứng có tính cộng. Nếu hai phản ứng có thể cộng lại để tạo ra một phản ứng thứ ba, thì nhiệt của phản ứng thứ ba này sẽ bằng tổng nhiệt của hai phản ứng đầu (bảo toàn năng lượng).

Cả hai nguyên lý này thoạt nhìn đều có vẻ hiển nhiên, nhưng đó là những công cụ rất mạnh để giải thích các động thái hóa học.

1-1 Khối lượng nguyên tử, khối lượng phân tử, và mol

Ngay từ khi các nhà hóa học nhận thấy rằng khối lượng—chứ không phải thể tích, mật độ, hay một đại lượng nào đo được khác—là thuộc tính cơ bản được bảo toàn trong phản ứng hóa học, họ đã cố gắng thiết lập một thang đo chính xác cho khối lượng nguyên tử của mọi nguyên tố. Thành quả của quá trình nghiên cứu nhiều năm là bảng khối lượng nguyên tử tự nhiên ở bìa sau cuốn sách này. Như ta đã thấy ở Chương 1, khối lượng phân tử của các hợp chất phân tử và khối lượng công thức của những hợp chất phi phân tử (như các muối) được tính bằng cách cộng lại các khối lượng nguyên tử của toàn bộ nguyên tử cấu thành.

Giữ vai trò trung tâm trong mọi tính toán hóa hojclaf khái niệm mol. Như đã định nghĩa trong Chương 1, một mol của chất bất kì là lượng chứa số hạt chất dó bằng với số nguyên tử trong đúng 12 g cacbon-12. Như vậy một mol của một chất là đại lượng tính theo gam so cho bằng với con số khối lượng phân tử được biểu diễn theo amu. Số các hạt có trong một mol được gọi là số Avogadro:

N = 6,022  ×  1023 hạt mol-1

Mol là một cách để tính với nguyên tử hoặc phân tử theo từng nhóm với số lượng 6,022  ×  1023. Các khói lượng phân tử của H2, O2, và H2O đã được tính ra trong Chương 1. Nếu ta biết rằng hai phân tử khí hydro, H2, phản ứng với một phân tử khí oxy, O2, để tạo ra hai phân tử nước, H2O, thì ta có thể dự tính được rằng 2 mol H2, hay 4,032 g, sẽ phản ứng với 1 mol O2, hay 31,999 g, để cho ra 2 mol nước, hay 36,031 g (Hình 2-1). Phép cộng kiểm tra, 4,032 + 31,999 = 36,031, khẳng định sự bảo toàn khối lượng trong quá trình phản ứng. Nhà hóa học đo những lượng chất theo gam, bằng cách cân chúng. So sẽ có ý nghĩa hơn nếu chuyển đổi những lượng chất này từ gam sang mol, vì khi đó ta đang làm việc với những tỉ lệ tương đối của số các nguyên tử, vốn được nhân lên với cùng một hệ số bằng N.

Hình 2-1 Hai phân tử khí hydro kết hợp với một phân tử khí oxy để tạo ra hai phân tử nước. Nguyên lý Avogadro cho ta biết rằng các thể tính bằng nhau của những khí khác nhau đều chứa cùng số phân tử, tại một nhiệt độ và áp suất xác định. Vì vậy hai thể tích khí H2 sẽ kết hợp với một thể tích khí O2, để tạo ra hai thể tích hơi nước, và hai mol H2 sẽ kết hợp với một mol O2 để tạo nên hai mol hơi nước. Nguồn: (Dickerson và Geis, Chemistry, Matter, and the Universe.)

2-2 Phân tích hóa học: Thành phần phần trăm và công thức thực nghiệm

Phân tích hóa học bao gồm việc phá vỡ một hóa chất thành những nguyên tố rồi đo lượng tương đối của từng loại nguyên tố có mặt; việc đo đạc có thể theo số gam trong từng 100 g hợp chất ban đầu, hoặc theo phần trăm khối lượng. Một cách làm điều này, trong trường hợp hóa chất là hydrocacbon (hợp chất chỉ gồm cacbon và hydro), là đốt cháy một lượng chất đã biết trong khí oxy, rồi đo lấy lượng CO2 (cacbon đi-ô-xit) và H2O được tạo thành.

Ví dụ 1

Khi 25,00 g của một hydrocacbon chưa biết rõ được đốt cháy, có 68,58 g CO2 và 56,15 g H2O được tạo thành. Hỏi mẫu hợp chất ban đầu có chứa bao nhiêu gam cacbon và hydro?

Lời giải. Khối lượng nguyên tử của cacbon là 12,011 g mol-1, còn khối lượng phân tử của CO2 là 44,010 g mol-1. Trước tiên, ta đi tính phần trăm của cacbon trong cacbon đi-ô-xit:

\frac{12,011}{44,010}  × 100 = 27,29% cacbon

Nếu có 27,29% của CO2 là cacbon, thì lượng cacbon có trong 68,58 g CO2 sẽ là

27,29%  ×  68,58 g = 18,72 g cacbon

Với cách tính toán tương tự đối với hydro trong nước, ta được

\frac{2 \times 1,008}{18,015}  × 100 = 11,19% hydro

11,19%  ×  56,15 g = 6,283 g hydro

Kiểm tra lại: 18,72 g + 6,283 g = 25,00 g

Ví dụ 2

Có bao nhiêu gam cacbon và hydro trong từng 100 g mẫu của hydrocacbon ở Ví dụ 1?

Lời giải.

× 18,72 g cacbon = 74,88 g cacbon trong mỗi 100 g mẫu

× 6,283 g hydro = 25,13 g hydro trong mỗi 100 g mẫu

Ví dụ 3

Thành phần phần trăm khối lượng của hydrocacbon trong Ví dụ 1 như thế nào?

Lời giải.

× 100% = 74,88% cacbon

 $ × 100% = 25,13% hydro

Một khi đã biết thành phần phần trăm khối lượng, ta có thể dùng khối lượng nguyên tử để tính ra số nguyên tử tương đối của từng loại [nguyên tố] trong hợp chất.

Ví dụ 4

Hãy tính số tương đối các nguyên tử cacbon và hydro trong hợp chất ở Ví dụ 3.

Lời giải. Cách làm dễ nhất là ta xét 100 g chất, như vậy các con số thành phần phần trăm của từng nguyên tố trở thành số gam của nguyên tố đó. Trước hết, ta cần chia các lượng cacbon và hydro cho khối lượng nguyên tử tương ứng:

= 6,234 mol cacbon

= 24,92 mol hydro

Đây là những số mol tương đối của cacbon và hydro, và đây cũng chính là chỗ mà khái niệm mol trở nên hữu ích. Các con số này phải đồng thời là số tương đối các nguyên tử cacbon và hydro. Ứng với mỗi 6,234 nguyên tử cacbon trong hợp chất hydrocacbon chưa biết, có 24,92 nguyên tử hydro. Nếu đi tìm một thừa số chung cho hai con số nói trên, ta sẽ thấy rằng chúng theo tỉ lệ 1:4. Cùng chia hai số này cho số nhỏ hơn là 6,234, ta thấy được rằng ứng với mỗi nguyên tử cacbon, sẽ có 24,92/6,234 = 3.997 hay 4 nguyên tử hydro.

Ví dụ 5

Một chất lỏng thường gặp có chứa 11,19% hydro và 88,81% oxy tính theo khối lượng. Hỏi số tương đối các nguyên tử hydro và oxy là bao nhiêu?

Lời giải. Lại xét 100,0 g chất này, ta tính được số mol của từng nguyên tố:

= 11,10 mol hydro

= 5,551 mol oxy

Đem chia cả hai số cho số nhỏ hơn để tìm thừa số chung, ta thấy được mỗi nguyên tử oxy ứng với hai nguyên tử hydro.

Ví dụ 6

Một dung môi thường gặp trong phòng thí nghiệm, một hydrocacbon, được hợp thành từ 92,26% cacbon và 7,74% hydro. Số tương đối các nguyên tử cacbon và hydro trong chất này bằng bao nhiêu?

Lời giải Phương pháp làm giống hệt như ở Ví dụ 5. Kết quả là một nguyên tử cacbon tương ứng với một nguyên tử hydro.

Một phép phân tích nguyên tử bản thân nó thì chưa đủ để giúp quyết định được công thức phân tử đúng của một hợp chất. Công thức của mê-tan là CH4, phù hợp với kết quả tính được ở Ví dụ 4. Nhưng các kết quả phân tích cũng phù hợp với các phân tử C2H8, C3H12, hay C4H16 nếu chúng tồn tại. Chất được xét đến ở Ví dụ 5 có thể là nước, H2O, nhưng cũng có thể là H4Ohoặc một bội số nào đó cao hơn. Nếu bạn nhận thấy một cách đúng đắn rằng chỉ có CH4 và H2O mới có ý nghĩa về mặt hóa học, thì bạn đã dùng đến những thông tin hóa học mới mà không thể hiện ở bản thân dữ liệu phân tích. Hầu hết các nhà hóa học đều sẽ cho rằng phân tử trong Ví dụ 6 là benzen, C6H6. Nhưng nó cũng có thể là axetylen, C2H2 (chỉ trừ hai điều: axetylen ở thể khí dưới nhiệt độ bình thường, và hydrocacbon chưa biết, như đã nói, là một dung môi thí nghiệm thông thường, mà từ đó ta loại bỏ axetylen) hoặc bất kì một trong năm loại phân tử hydrocacbon kém thông dụng như liệt kê trên Hình 2-2.

Hình 2-2 Bảy loại phân tử khác nhau cùng với công thức thực nghiệm CH. Một phép phân tích nguyên tố đơn giản không thẻ giúp phân biệt chúng. Với khối lượng phân tử gần đúng, ta có thể phân biết được C2H2, C4H4, và C6H6, nhưng vẫn cần biết thêm thông tin mới nhận diện được loại phân tử C6H6 cụ thể có mặt.

Một công thức hóa học cho ta số tương đối của từng loại nguyên tử, dưới dạng số nguyên và không có thừa số chung nào, được gọi là công thức thực nghiệm của chất đó. Chính công thức thực nghiệm này mới là kết quả của phép phân tích nguyên tố của chất, chứ không phải công thức phân tử. Bản thân công thức phân tử thì giống như công thức thực nghiệm, hoặc là mọt bội số của nó. Công thức thực nghiệm giống như công thức phân tử trong trường hợp của mê-tan, CH4, và của nước, H2O; còn với axetylen và benzen, chúng có cùng công thức thực nghiệm là CH, nhưng với công thức phân tử lần lượt là C2H2 và C6H6.

Thường xảy ra trường hợp mà một phép đo vật lý đơn giản nào đó có thể cho ra kết quả gần đúng sơ lược về khối lượng phân tử của một chất. Các phép đo mật độ khí (Chương 3), độ giảm điểm đóng băng, và áp suất thẩm thấu (Chương 17) sẽ giúp ích. Nếu có một cách xấp xỉ khối lượng phân tử như vậy, thì có thể kết hợp nó với công thức thực nghiệm để tìm ra công thức phân tử đúng.

Ví dụ 7

Glucozơ có chứa 40,00% cacbon, 6,71% hydro và 53,29% oxy theo khối lượng. Công thức thực nghiệm và công thức phân tử của nó là gì?

Lời giải Xét 100,0 g glucozơ, trước hết ta tính số mol của từng nguyên tố:

= 3,330 mol cacbon

= 6,66 mol hydro

= 3,331 mol oxy

Rõ ràng kết quả cho thấy về tỉ lệ mol, một cacbon ứng với hai hydro và một oxy, vì vậy công thức kinh nghiệm là CH2O. Với thông tin hiện có ta không cách nào biết được công thức phân tử chính là công thức này hoặc bội số của công thức này.

Ví dụ 8

 Từ những thứ nghiệm khác ta biết được rằng glucozơ có khối lượng phân tử khoảng 175 g mol-1. Hãy dùng thông tin này và kết quả của Ví dụ 7 để tìm công thức phân tử và khối lượng phân tử chính xác của glucozơ.

Lời giải Khối lượng tương ứng với công thức thực nghiệm là

 12,011 + (2 × 1,008) + 15,999 = 30,026 g mol-1

Khối lượng phân tử gần đúng bằng khoảng sáu lần giá trị này, vì vậy khối lượng phân tử chính xác sẽ là 6  ×  30,026 g mol-1 = 180,16 g mol-1, và công thức phân tử là C6H12O6.

2-3 Phương trình hóa học

Khi đốt cháy khí propan, C3H6, trong oxy, ta thu được sản phẩm là cacbon đi-ôxit và nước. Điều này có thể được biểu diễn theo một phương trình hóa học:

C3H8 + O2  →  CO2 + H2O           (2-1)

Nếu hóa học không phải là một khoa học định lượng, thì cách biểu diễn phản ứng này, trong đó đề cập đến cả chất tham gia và sản phẩm, là đủ. Nhưng ta trông đợi nhiều hơn từ một phương trình hóa học. Cần bao nhiêu phân tử oxy cho từng phân tử propan, và có bao nhiêu phân tử cacbon đi-ôxit và nước được tạo thành? Phương trình 2-1 là một phương trình không cân bằng. Khi ta thêm vào các hệ số (đặt bên trái của công thức) để cho biết có bao nhiêu phân tử từng loại tham gia phản ứng, thì khi đó sẽ có số nguyên tử từng loại bằng nhau ở hai vế phương trình, bởi vì phân tử không được tạo nên cũng như phá hủy trong phản ứng hóa học. Kết quả sẽ là một phương trình cân bằng.

Để cân bằng phương trình 2-1, trước hết ta lưu ý rằng 3 nguyên tử cacbon ở vế trái sẽ dẫn đến sản phẩm là 3 phân tử CO2, mỗi phân tử này cần 2 nguyên tử oxy, như vậy tổng cộng là 6 nguyên tử oxy. Tương tự, 8 nguyên tử hydro trong propan sẽ tạo ra 4 phân tử nước, và cần 4 nguyên tử oxy nữa. Như vậy 10 nguyên tử oxy ở vế phải sẽ phải lấy từ 5 phân tử O2. Do đó, các hệ số đúng cho bốn chất trong phương trình 2-1 sẽ là 1, 5, 3, và 4:

C3H8 + 5O2  →  3CO2 + 4H2O              (2-2)

Từng vế của phương trình cân bằng này có chứ 3 nguyên tử cacbon, 8 nguyên tử hydro, và 10 nguyên tử oxy.

Ví dụ 9

Trinitrotoluen (TNT), C7H5N3O6, kết hợp mãnh liệt với oxy để tạo thành CO2, nước, và N2. Hãy viết một phương trình hóa học cân bằng cho phản ứng nổ này.

Lời giải. Phương trình không cân bằng là

C7H5N3O6 + O2  →  CO2 + H2O + N2

Vì số các nguyên tử hydro và ni-tơ ở vế trái đều là lẻ, còn ở bên vế phải lại là chẵn; nên sẽ dễ cân bằng phương trình hơn với hai phân tử TNT:

2C7H5N3O6 + O2  →  CO2 + H2O + N2

Mười bốn nguyên tử cacbon, 10 hydro, và 6 ni-tơ sẽ cho ra 14 phân tử cacbon đi-oxit, 5 nước và 3 ni-tơ:

2C7H5N3O6 + O2  →  14CO2 + 5H2O + 3N2

Bây giờ tất cả những nguyên tử, trừ oxy, đều cân bằng trên hai vế phương trình. Trong số 33 oxy ở vế phải, có 12 nguyên tử được vế trái cung cấp từ 2 phân tử TNT ban đầu, còn 21 phải được cung cấp bởi 10½O2. Như vậy phương trình cân bằng là:

2C7H5N3O6 + 10½O2  →  14CO2 + 5H2O + 3N2

Ví dụ 9 đã cho kết quả là một phương trình trong đó hệ số của oxy là một hỗn số. Có thể loại bỏ điều này bằng cách nhân các hệ số ở cả hai vế với 2:

4C7H5N3O6 + 21O2  →  28CO2 + 10H2O + 6N2       (2-3)

nhưng điều này là không cần thiết, vì không có lý do gì buộc các hệ số đều là số nguyên. Thậm chí, đúng đắn hơn là phải chỉnh lại để trong phương trình chỉ có một phân tử TNT:

C7H5N3O6 + 5¼O2  →  7CO2 + 2½H2O + 1½N2      (2-4)

Một phương trình hóa học được cân bằng, như (2-3), có nhiều lớp ý nghĩa. Ý nghĩa đơn giản nhất là, nó miêu tả những hóa chất ban đầu và sản phẩm. Nó chũng cho ta biết số lượng từ loại nguyên tử tham gia phản ứng cũng như được tạo thành. Từng loại nguyên tử riêng biệt được bảo toàn qua phản ứng. Phương trình 2-3 cũng phát biểu rằng cứ 4 phân tử TNT sẽ cần 21 phân tử oxy, và sản phẩm tạo thành là 28 phân tử CO2, và 6 phân tử N2. Với việc nâng cao thang bậc phản ứng lên 6,022  ×  1023 lần, từ cấp độ phân tử lên mol, thì 4 mol TNT phản ứng với 21 mol O2 để tạo thành 28 mol CO2, 10 mol H2O, và 6 mol N2. Các khối lượng phân tử gồm có

C7H5N3O6 227,13 g mol-1
O2 31,999 g mol-1
CO2 44,010 g mol-1
H2O 18,015 g mol-1
N2 28,013 g mol-1

Vì vậy phương trình 2-3 cũng cho ta biết rằng 4  ×  227,13 g = 908,52 g TNT cần đến 21  ×  31,999 g = 671,98 g oxy để phản ứng hết. Nó cũng cho biết rằng các sản phẩm sẽ bao gồm 28  ×  44,010 g = 1232,3 g CO2, 10  ×  18,015 g H2O, và 6  ×  28,013 g = 168,08 g N2. Ta có thể kiểm tra lại rằng thật sự khối lượng được bảo toàn:

Chất tham gia Sản phẩm
908,52 g TNT 1232,3 g CO2
671,98 g O2 180,15 g H2O
               .  168,08 g N2
1580,5 g Tổng cộng 1580,5 g Tổng cộng

Điều mà phương trình hóa học cân bằng không cho ta biết là cơ chế ở cấp độ phân tử, hay chuỗi các sự kiện theo đó mà phản ứng cảy ra. Phương tình 2-3 không nên được hiểu theo nghĩa 4 phân tử TNT phải đồng thời va chạm với 21 phân tử oxy. Ngay cả các va chạm liên quan đến 3 hạt đã là cực hiếm so với va chạm hai hạt, nên loại va chạm đó có thể bỏ qua trong hầu hết những phản ứng hóa học. Một dãy phức hợp gồm các bước riêng rẽ có thể xảy ra, miễn là phản ứng tổng hợp được miêu tả đúng đắn bằng phương trình 2-3 hoặc 2-4.

Các chất tham gia và phản ứng không nhất thiết phải là phân tử:

CaCO3 + 2HCl  →  CaCl2 + CO2 + H2O      (2-5)

Phương trình 2-5 miêu tả phản ứng của CaCO3, canxi cacbonat (đá vôi), với HCl, axit hydroclorua (clohydric), để tạo ra dung dịch canxi clorua, CaCl2, và cacbon đi-oxit. Phương trình được cân bằng, vì số từng loại nguyên tử trên hai vế bằng nhau. Ý nghĩa theo mol rất rõ ràng: 1 mol hay 100,09 g canxi cacbonat cần có 2 mol hay 72,92 g axit clohydric để phản ứng hoàn toàn, và các sản phẩm sẽ gồm có 1 mol từng chất: canxi clorua (110,99 g mol-1), cacbon đi-oxit (44,01 g mol-1), và nước (18,02 g mol-1). Bạn có thể kiểm tra, qua những con số này, để thấy rằng khối lượng được bảo toàn trong phản ứng. Cách diễn giải theo phân tử thì khó hơn, vì canxi cacbonat là một muối chứ không phải là hợp chất phân tử. Phương trình 2-5 không nên được hiểu theo nghĩa một phân tử canxi cacbonat phản ứng với hai phân tử HCl. Mặc dù HCl vẫn tồn tại dưới dạng những phân tử riêng biệt ở thể khí, nhưng trong dung dịch thì các phân tử này phân li thành các ion H+ và Cl. Một cách viết gần đúng thích hợp hơn cho những gì đang thực sự diễn ra ở cấp độ phân tử là

CaCO3(r) + 2H+(dd)  →  Ca2+(dd) + CO2(k) + H2O(l)         (2-6)

Những chữ cái trong cặp ngoặc đơn mô tả dùng để chỉ trạng thái vật lý của từng chất (r, chất rắn; dd, ion hydrat hóa trong dung dịch nước; k, chất khí; l, chất lỏng). Phương trình này phát biểu rằng canxi cacbonat rắn phản ứng với hai proton hydrat hóa (ion hydro) trong dung dịch nước để tạo nên ion canxi hydrat hóa, khí cacbon đi-oxit, và nước lỏng. Các ion clorua vẫn tồn tại nguyên dưới dạng ion clorua hydrat hóa trong dung dịch từ trước đến sau phản ứng; vì vậy chúng được lược bớt khỏi phương trình. Phương trình 2-5, cũng như các phương trình hóa học cân bằng khác, hữu ích nhất trong việc miêu tả các lượng chất liên quan, thay vì cơ chế phân tử của phản ứng. Còn phương trình 2-6, dù là cách diễn tả rõ ràng hơn về những gì đang xảy ra ở cáp độ nguyên tử và ion, lại kém hữu dụng trong việc theo dõi những lượng chất liên quan.

Ví dụ 10

Natri kim lại phản ứng với nước để tạo ra khí hydro và dung dịch natri hydroxit (một hỗn hợp gồm các ion Na+ và OH). Hãy viết (a) một phương trình cân bằng cho phản ứng tổng hợp, và (b) một phương trình diễn tả một cách chính xác hơn các nguyên tử hoặc ion thực sự góp mặt.

Lời giải. Phương trình cân bằng là

Na + H2O  → ½H2 + NaOH

hay

2Na + 2H2O  →  H2 + 2NaOH

Một cách diễn đạt rõ ràng hơn những chất đang thực sự có mặt là

2Na(r) + 2H2O(l)  →  H2(k) + 2Na+(dd) + 2OH(dd)

2-4 Tính toán các lượng thành phẩm sau phản ứng

Những phương trình hóa học cân bằng được dùng chủ yếu là để tính lượng sản phẩm tạo thành dự kiến từ một phản ứng, và để xác định rằng liệu có chất tham gia nào vẫn còn dư trong khi các chất tham gia kia đã phản ứng hết.

Ví dụ 11

Phương trình 2-5 cho thấy một kiểu phản ứng chung trong đó bất kì muối cacbonat hoặc bicacbonat nào cũng phân hủy thành CO2 khi có mặt axit. Natri bicacbonat (NaHCO3) là nhiên liệu hoạt tính để tạo khí CO2 giúp cho bột làm bánh được nở xốp khi nướng. Hãy viết một phương trình cân bằng cho phản ứng giữa natri bicacbonat với một axit (H+). Hỏi cần bao nhiêu gam NaHCO3 để tạo ra 2,80 mol cacbon đi-oxit? Có bao nhiêu gam nước được tạo ra đồng thời?

Lời giải. Phương trình cân bằng cho phản ứng là

NaHCO3 + H+  →  Na+ + H2O + CO2

Một mol CO2 được tạo thành ứng với mỗi mol NaHCO3 đã phản ứng; do đó 2,80 mol NaHCO3 sẽ cho ra 2,80 mol CO2.

2,80 mol NaHCO3  ×  84,01 g mol-1 NaHCO3 = 235 g NaHCO3

Tương tự, cũng có 2,80 mol hay 50,4 g nước được tạo thành.

Ví dụ 12

Có bao nhiêu gam bạc sunfua (Ag2S) có thể được tạo thành từ phản ứng 2Ag + S  →  Ag2S, nếu như ban đầu có 10,00 g bạc (Ag) và 1,00 g lưu huỳnh (S)? Liệu có chất tham gia nào còn dư không, và nếu có, thì dư bao nhiêu?

Lời giải

Phản ứng: 2Ag + S  →  Ag2S

Khối lượng: 215,7 g + 32,06 g = 247,8 g

Lượng lưu huỳnh cần để phản ứng với 10,00 g bạc là

\frac {\text{32,06 g S}} {\text{ 215,7 g Ag }} × 10,00 g Ag = 1,486 g S

Nhưng nếu ta chỉ có 1,00 g lưu huỳnh thì lượng bạc sẽ không phản ứng hết. Bây giờ lật lại bài toán, lượng bạc cần để phản ứng hết với 1,00 g lưu huỳnh là

\frac {\text{215,07 g Ag}} {\text{32,06 g S}}  × 1,00 g S = 6,73 g Ag

Vì vậy sẽ còn 10,00 – 6,73 = 3,2 g bạc dư lại. Lượng bạc sunfua tạo thành sẽ là

\frac {\text{215,07 g Ag}_2 \text{S}} {\text{32,06 g S}}  × 1,00 g S = 7,73 g Ag2S

Lưu ý rằng Ví dụ 12 vừa được giải theo một cách khác: Trước hết tổng khối lượng của tất cả những chất tham gia và sản phẩm được viết dưới phương trình cân bằng, sau đó tỉ số của những khối lượng này được tính ra để đi tìm đáp số. Bài toán cũng có thể được giải bằng cách dùng mol, và cách chọn tùy thuộc vào sự tiện dụng.

Lời giải khác. Trước hết ta đi tính số mol của bạc và của lưu huỳnh:

\frac {\text{10,00 g Ag}} {\text{107,9 g mol}^{-1}} = 0,0927 mol Ag

\frac {\text{1,00 g S}} {\text{32,06 g mol}^{-1}} = 0,0312 mol S

Vì cứ mỗi mol lưu huỳnh cần đến 2 mol bạc mà hiện tại số mol bạc nhiều hơn hai lần số mol lưu huỳnh, nên phải có một lượng bạc còn dư sau khi toàn bộ lưu huỳnh phản ứng hết. Lượng 0,0312 mol lưu huỳnh sẽ kết hợp với 0,0624 mol bạc, và tạo ra 0,0312 mol Ag2S. Còn dư lại 0,0927 — 0,0624 = 0,0303 mol bạc. Chuyển những con số này về gam, ta có

0,0303 mol Ag × 107,9 g mol-1 = 3,27 g Ag còn dư
0,0312 mol Ag2S  ×  247,8 g mol-1 = 7,73 g Ag2S tạo ra

Ta thu được kết quả giống như ở lời giải thứ nhất. Cách tính theo mol chậm nhưng chắc hơn. Cách dùng tỉ số tuy nhanh hơn, nhưng dễ bị sai nếu bạn không chắc chắn việc mình đang làm. Hãy dùng cách tính theo mol đến khi bạn đã thành thạo các phép tính hóa học.

2-5 Dung dịch với vai trò tác nhân hóa học

Dung dịch là phương tiện thuận lợi cho những phản ứng hóa học. Việc chất lỏng được hòa trộn nhanh chóng có nghĩa là các chát tiềm năng cho phản ứng được tiếp cận nhau thường xuyên hơn, vì vậy sự va chạm và phản ứng hóa học có thể diễn ra nhanh hơn nhiều so với trường hợp ở dạng tinh thể rắn. Hơn nữa, với cùng số phân tử thì thể lỏng sẽ chiếm ít chỗ hơn so với thể khí, vì vậy những phân tử của chất tham gia phản ứng trong một dung dịch thì có nhiều khả năng tiếp cận nhau hơn. Nước là một dung môi đặc biệt có lợi cho phản ứng hóa học vì các phân tử của nó đều phân cực. Phân tử H2O, và các ion H+ và OH mà nước sẽ phân ly một phần, có thể giúp phân cực những liên kết thành các phân tử khác, những liên kết yếu hơn, và thúc đẩy sự tấn công của hóa chất. Chẳng phải tình cờ mà sự sống đã tiến hóa trong lòng đại dương thay vì trên cạn hoặc trên không trung. Nếu sự sống mà buộc phải tiến hóa bằng những phản ứng của tinh thể rắn, thì lịch sử 4,5 tỷ năm của Trái đất tới giờ có thể cũng chỉ đủ thời gian cho hoạt động sống mới bắt đầu.

Các đơn vị đo nồng độ: nồng độ mol và nồng độ molan

Trong dung dịch gồm có một chất lỏng và một chất khí hoặc rắn, thì thành phần lỏng được gọi là dung môi, và thành phần kia gọi là chất tan. Nếu như dung dịch được tạo thành bởi hai chất lỏng, thì sự phân định này sẽ không rõ ràng nữa, nhưng chất lỏng nào có mặt nhiều hơn thì thường được coi là dung môi. Cách thông dụng nhất để biểu diễn dung môi trong dung dịch là nồng độ mol, hay số mol chất tan có trong một lít dung dịch.[^1] Kí hiệu M được đọc thành “mol trong mỗi lít dung dịch”, như ở 1,5M NaCl. Ký hiệu c được dùng để chỉ nồng độ tính theo mol trên lít, cũng như cách đặt kí hiệu hóa học vào giữa cặp ngoặc vuông [H], mặc dù đôi khi cặp ngoặc vuông còn được dùng để chỉ nồng độ theo một đơn vị bất kì. Do vậy biểu thức cNaCl có thể đọc thành “nồng độ natri clorua tính theo mol trong một lít dung dịch”. Đây không phải là dung dịch thu được bằng cách thêm 1 mol NaCl vào một lít nước, vì như vậy thì tổng thể tích sau khi khuấy trộn sẽ là hơn 1 lít một chút. Các ion natri và clorua vẫn chiếm chỗ, ngay cả khi chúng hòa tan trong nước. Quá trình đúng để pha chế dung dịch 1.0M sẽ là đem hòa tan lượng muối vào trong gần một lít nước, sau đó từ từ thêm ít nước một, đồng thời khuấy đề, đến khi tổng thể tích đạt tới 1 lít.

Đối với nhiều loại muối, ta có thể coi như thể tích có tính cộng, tức là thể tích của một dung dịch sẽ bằng với thể tích ban đầu của dung môi coojgn với thể tích các tinh thể rắn được hòa tan.

[^1] Đơn vị SI đo chiều dài là mét (m), và được chia thành 10 decimet (dm) hoặc 100 centimet (cm). Đơn vị của thể tích là mét khối (m3). Trong nghiệp vụ thí nghiệm, mét khối quá lớn không dùng được, vì vậy lít hay được dùng hơn; trong hệ SI đơn vị này được định nghĩa là 1 dm3, và đơn vị mililit (mL), vốn bằng 2 cm3 (còn được ghi là cc). Nói chặt chẽ thì lít là đơn vị xuất phát từ ngoài hệ SI, nhưng nó quá tiện dụng và có liên hệ mật thiết với thí nghiệm hóa học, đến nỗi không thể bỏ đi được. Trước đây, các nhà khoa học thường dùng mililit cho thể tích chất lỏng, và centimet khối cho thể tích chất rắn. Do vậy, thể tích của một dung dịch natri clorua sẽ được đo bằng mililit, nhưng khối lượng riêng của đá muối (các tinh thể natri clorua) thì lại được ghi theo gam trên centimet khối, hay g cm-3. Trong chương này, ta sẽ chỉ dùng mililit, nhưng sau đó có thê rtuwj do dùng centimet khối mỗi khi thấy thích hợp. Hãy nhớ rằng 1 m3 = 1000 lít, 1 lít = 1000 mL, và 1 mL = 1 cm3. Để tìm hiểu thêm về hệ SI, hãy đọc Phụ lục 1.

Ví dụ 13

Nếu 264 g amoni sulfat, (NH4)2SO4, được hòa tan trong 1,000 lít nước, thì thể tích gần đúng cuối cùng và nồng độ mol cuối cùng của dung dịch sẽ là bao nhiêu? Coi như thể tích có tính cộng. Nồng độ của tinh thể (NH4)2SO4 là 1,76 g mL-1. [^2]

[^2] Khối lượng riêng (mật độ) được định nghĩa bằng tỉ số giữa khối lượng của một chất với thể tích của nó.

Lời giải Thể tích của amoni sunfat rắn được thêm vào là

\frac{264 g}{1,76 g . mL^{-1}} = 150 mL hay 0,150 lít

Thể tích dung dịch cuối cùng sẽ là 1,000 + 0,150 = 1,150 lít. Số mol chất tan là

\frac{264 g}{132 g mol^{-1}} = 2,00 mol amoni sulfat

Do đó nồng độ mol là

\frac{2,00 mol}{1,150 lit} = 1,74 mol lit-1, hay 1,74M (NH4)2SO4

Sự xấp xỉ trong tính cộng thể tích phải được áp dụng một cách cẩn thận. Trong ví dụ này, nồng độ mol đúng của dung dịch là 1,80M, vì vậy phép xấp xỉ này chỉ sai có 3,3%. Nhưng đối với những chất lỏng mà các phân tử có tương tác mạnh, chẳng hạn etyl ancol với nước, thì tổng thể tích có thể thu lại sau khi hòa trộn vì lực hấp dẫn phân tử. Tính cộng thể tích chỉ có thể dùng để tính nồng độ mol một cách sơ bộ.

Một đại lượng khác để chỉ nồng độ, nồng độ molan, dựa trên lượng dung môi được dùng thay vì dung dịch thu được. Nồng độ molan của một chất tan là số mol của chất tan có trong 1 kg dung môi (chứ không phải dung dịch). Khối lượng riêng của nước là 1,00 g mL-1, vì vậy 1 kg nước chiếm một thể tích bằng 1 lít. Do đó dung dịch amoni sulfat ở Ví dụ 13 là một dung dịch 2,00 molan, vì nó được tạo thành từ 2,00 mol chất tan trong một kg (1 lít) nước. Đối với các chất tan khác không phải là nước, ta phải dùng đến khối lượng riêng của chất lỏng để chuyển đổi từ kg thành lít.

Ví dụ 14

Hãy xét 5,00 g axit axetic, C2H4O2, được hòa toàn trong 1 lít etanol. Tính nồng độ molan của dung dịch thu được. Khối lượng riêng của etanol là 0,789 g mL-1. Có thể tính được nồng độ mol từ thông tin hiện có không?

Lời giải Khối lượng phân tử của axit axetic là 60,05 g mol-1, vì vậy số mol là

\frac{5,00 g}{60,05 g mol^{-1}} = 0,0833 mol axit axetic

Số kilogam chất tan được dùng là

1,000 lít  ×  0,789 kg lit-1 = 0,789 kg etanol

Lưu ý rằng 1 g mL-1 cũng giống như 1 kg lit-1, vì 1 kilogam bằng 1000 g và 1 lít bằng 1000 mL. Do đó nồng độ molan bằng

\frac{0,0833 mol chat tan}{0,789 kg dung moi} = 0,106 mol kg-1

Như vậy dung dịch này 0,106 molan. Nồng độ mol không thể tính được vì ta không biết cả thể tích axit axetic lẫn việc liệu thể tích có tính cộng hay không khi axit axetic tan trong etanol.

Kí hiệu m được dùng để chỉ nồng độ molan. Ta có thể viết kết quả của Ví dụ 14 như sau m~axit axetic~ = 0,106 mol kg-1

Bài toán pha loãng

Nếu ta pha loãng một dung dịch (thêm dung môi) thì số mol chất tan vẫn không đổi. Nếu c là nồng độ mol (không phải nồng độ molan) của dung dịch và V là thể tích tính bằng lít, thì số mol chất tan sẽ là

    c(mol lit-1) × V(lit) = cV(mol)

Nếu ta dùng chỉ số 1 để biểu diễn một dung dịch trước khi bị pha loãng bằng lượng dung môi thêm vào, và chỉ số 2 cho dung dịch đã pha loãng, thì

Số mol chất tan = c1V1 = c2V2

Ví dụ 15

Cần pha loãng 5,00 mL dung dịch HCl 6,00M đến thể tích bao nhiêu để được dung dịch 0,100M?

Lời giải

V_2 = \frac{c_1}{c_2} \times V_1 = \frac{6,00M}{0,100M} \times 5,00 mL = 300 mL

Điều này không có nghĩa rằng phải thêm vào 300 mL nước, mà là tổng thể tích của dung dịch phải đạt được tới 300 mL.

Ví dụ 16

Nếu 175 mL của dung dịch 2,00M được pha loãng thành 1,00 lít, thì nồng độ mol sẽ là bao nhiêu?

Lời giải

c_2 = \frac{V_1}{V_2} \times c_1 = \frac{175 mL}{1000 mL} \times 2,00M = 0,350M

Trung hòa axit–bazơ

Có lẽ định nghĩa quen thuộc nhất cho axit và bazơ là của nhà vật lý và hóa học người Thụy Điển, Svante Arrhenius (1859–1927): Axit là chất làm tăng nồng độ ion hydro, [H+], khi được cho vào trong nước, và bazơ là chất làm tăng nồng độ ion hydroxit, [OH], khi được cho vào trong nước. Một số loại axit và bazơ thông dụng được liệt kê trong các Bảng 2-1 và 2-2. Mười một axit đầu tiên trong Bảng 2-1, từ HF đến HNO3, đều phân ly trong dung dịch nước để nhả ra một proton hay ion hydro:

HNO3 → H+(dd) + NO3-(dd)
axit nitric …………… ion nitrat

Bảng 2-1: Các axit thông dụng

HF Flohydric
HCl Clohydric
HCl Hypoclorơ
HClO2 Clorơ
HClO3 Cloric
HCO4 Percloric
HBr Bromhydric
HBrO3 Bromic
HI Iothydric
HNO2 Nitrơ
HNO3 Nitric
H2CO3 Cacbonic
H2SO3 Sunfurơ
H2SO4 Sunfuric
H3PO2 Hypophotphorơ
H3PO3 Photphorơ
H3PO4 Photphoric
H3BO3 Boric
HCOOH Fomic, xem hình vẽ công thức hóa học
CH3COOH Axetic, xem hình vẽ công thức hóa học

Bảng 2-2: Các bazơ thông dụng

LiOH Liti hydroxit
NaOH Natri hydroxit
KOH Kali hydroxit
Mg(OH)2 Magie hydroxit
Ca(OH)2 Canxi hydroxit
Ba(OH)2 Bari hydroxit
NH3 Amoni

Chữ viết tắt (dd) là cách nhắc nhở rằng các ion đều được hydrat hóa, nhưng không thực sự cần thiết vì mỗi ion trong dung dịch nước đều được hydrat hóa, và từ nay trở về sau ta sẽ bỏ qua cách viết này. Hãy nhớ rằng các phân tử nước luôn có mặt, bao quanh từng ion và giúp ổn định nó trong dung dịch.

Các axit cacbonic, sunfurơ và sunfuric đều nhả ra hai proton theo hai giai đoạn riêng biệt, và axit chứa ba phốtpho thì nhả ra 3 proton:

H2CO3 H+ + HCO3 2H+ + CO32−
axit
cacbonic
ion
bicacbonat
ion
cacbonat
H2SO4 H+ + HSO4 2H+ + SO42−
axit
sunfuric
ion
bisunfat
ion
sunfat
H3PO4 H+ + H2PO4 2H+ + HPO42− 3H+ + PO43−
axit
photphoric
ion dihydro
photphat
ion monohydro
photphat
ion
photphat

Axit cacbonic được xếp vào loại axit yếu vì sự mất đi proton ở nó là không triệt để; các chất có mặt trong dung dịch nước là một hỗn hợp các ion cacbonat và bicacbonat và một lượng nhỏ axit không bị phân ly. Trái lại, axit sunfuric là một axit mạnh vì trong dung dịch nước, axit này hoàn toàn mất đi H+ thứ nhất trong số hai ion trên. (Cân bằng phân ly của axit sẽ được xét đến kĩ hơn ở Chương 5.) Các axit nitric và clohydric là những axit mạnh, và axit photphoric là axit yếu thường gặp. Những axit hữu cơ như fomic và axetic đều nhả một proton từ nhóm cacboxyl —COOH của chúng:

CH3—COOH  →  CH3—COO + H+
axit axetic             ion axetat

Người ta thường dùng kí hiệu HAc cho axit axetic và Ac cho ion axetat.

Các bazơ hydroxit như natri hydroxit và magie hydroxit đều tan trong nước và nhả ra ion hydroxit:

NaOH  →  Na+ + OH
Mg(OH)2  →  Mg2+ + 2OH

Các ion hydroxit đều có sẵn trong NaOH rắn, cũng như ion clorua có trong NaCl. Amonia, NH3, cũng là một bazơ, nhưng nó không có sẵn ion hydroxit. Trái lại, nó tạo ra chúng bằng cách phản ứng với phân tử nước:

NH3 + H2O  →  NH4+ + OH
amonia            ion amoni   ion hydroxit

Đôi khi amonia dược viết dưới dạng hydroxit amoni, NH4OH, để làm cho giống như các bazơ hydroxit kim loại (chẳng hạn natri hydroxit, NaOH). Nhưng điều này là không đúng; không có chất nào là amoni hydroxit; chỉ có chất amoni.

Axit và bazơ rất hữu ích vì các ion H+ và OH mà chúng tạo ra có thể tấn công những phân tử trong dung dịch và dẫn đến những biến đổi hóa học, mà nếu thiếu hai ion này, thì rất khó hoặc rất chậm xảy ra. Khi axit và bazơ phản ứng với nhau, các ion H+ và OH kết hợp lại để tạo thành phân tử nước. Đây được gọi là phản ứng trung hòa:

H+ + OH  →  H2O

Sản phẩm tạo ra còn lại của phản ứng trung hòa axit-bazo là một muối. Các dễ nhất để xác định xem hiện có bao nhiêu axit hoặc bazơ là tính ra xem cần bao nhiêu axit hoặc bazơ, với nồng độ biết trước, để trung hòa nó một cách hoàn toàn. Đây là quá trình chuẩn độ axit-bazo. Một đương lượng (đ.l) của một axit là lượng axit sẽ nhả ra một mol proton hay H+ trong phản ứng trung hòa một bazơ, và 1 đlg của một bazơ là lượng bazơ đó sẽ nhả ra 1 mol ion OH. Sự trung hòa hoàn toàn xảy ra khi axit và bazơ tham gia phản ứng có số đương lượng bằng nhau. Với những axit mà mỗi phân tử nhả ra một proton, như HCl và HNO3 thì đương lượng cũng bằng số mol, và 1 đương lượng gam cũng bằng khối lượng phân tử tính bằng gam. Nhưng vì H2SO4 có khả năng nhả ra 2 ion H+, nên 1 mol H2SO4 tương đương với 2 đlg, và đương lượng gam của axit sunfuric trong phản ứng trung hòa axit–bazo thì bằng một nửa khối lượng phân tử. Đương lượng gam của axit photphoric, H3PO4, hay lượng chất sẽ cho ra 2 mol ion H+, thì bằng một phần ba khối lượng nguyên tử của nó. Tương tự, số mol và số đương lượng đều như nhau đối với các chất NaOH, KOH, và NH3, nhưng khối lượng tương đương của Ca(OH)2 thì bằng một nửa khối lượng phân tử của nó.

Ta có thể thấy được công dụng của khái niệm đương lượng qua việc xét phản ứng trung hòa axit photphoric bằng magie hydroxit:

2H3PO4 + 3Mg(OH)2 Mg3(PO4)2 + 6H2O
Khối lượng ng.tử: 98,0 g 58,3 g 262,9 g 18,0 g
Đương lượng gam: 32,7 g 29,2 g

Một mol hay 98,0 g axit photphoric sẽ không trung hòa được 1 mol hay 58,3 g magie hydroxit, nhưng 1 đlg hay 32,7 g axit photphoric sẽ trung hòa được 1 đlg hay 29,2 g magie hydroxit. Đây cũng là kết quả thu được từ việc giải theo phương trình cân bằng trên. Vì 2 mol axit phản ứng với 3 mol bazo như đã chỉ ra, nên 2  ×  98,0 = 196 g axit photphoric sẽ trung hòa được 3  ×  58,3 = 175 g magie hydroxit. Những con số này sẽ bằng những con số tính theo đương lượng, sau khi tất cả được nhân lên 6 lần.

Ví dụ 17

Hãy áp dụng đương lượng để tính số gam axit nitric, HNO3, cần để trung hòa 100,0 g bari hydroxit, Ba(OH)2.

Lời giải Khối lượng phân tử HNO3 là 63,01 g mol-1; của Ba(OH)2, 171,34 g mol-1. Các đương lượng gam tương ứng là 63,01/1 = 63,01 g đ.l-1 với NO3, và 171,34/2 = 85,67 g đ.l-1 với Ba(OH)2. Số đương lượng bari hydroxit là

\frac{100,0\,g}{85,67\,g dl^{-1}} = 1,167 đương lượng Ba(OH)2

Số đương lượng axit nitric cần thiết cũng bằng như vậy:

1,167 đương lượng  ×  63,01 g đ.l-1 = 73,53 g axit nitric

Lời giải khác Ví dụ này cũng giải được bằng cách áp dụng phương trình hóa học đã cân bằng.

Phương trình cân bằng là

2HNO3 + Ba(OH)2  →  Ba(NO3)2 + 2H2O

Số mol bari hydroxit cho ta biết rằng cần số mol axit nitric nhiều gấp đôi so với con số trên: 1,167 mol HNO3. Tính theo gam thì bằng

1,167 mol  ×  63,01 g mol-1 = 73,53 g axit nitric

Cách dùng đương lượng giúp cho tránh được việc dùng phương trình cân bằng của phản ứng.

Nồng độ chuẩn của một dung dịch, kí hiệu bởi N, là số đương lượng chất tan trong mỗi lít dung dịch. Một dung dịch photphoric 1,00M ứng với 3,00N, còn một dung dịch Ca(OH)2 0,010M tương ứng với 0,020N.

Ví dụ 18

Nếu 4,00 g natri hydroxit được hòa tan vào trong nước và thể tích được nâng lên thành 500 mL, hãy tính nồng độ mol và nồng độ chuẩn của dung dịch.

Lời giải Vì khối lượng phân tử của NaOH là 40,0 g mol-1,

\frac{4,00 g}{40,0 g . mol^{-1}} = 0,100 mol NaOH

\frac{0,100 mol NaOH}{0,500 lit dung dich} = 0,200 mol lit-1, hay 0,200M NaOH

Vì 1 mol NaOH nhả ra 1 mol ion OH, nên nồng độ mol và nồng độ chuẩn là như nhau. Dung dịch là 0,200N.

Ví dụ 19

Nếu 10,0 g axit sunfuric (H2SO4) được hòa trộn từ từ với đủ nước để đạt tới thể tích cuối cùng là 750 mL, thì nồng độ mol và nồng độ chuẩn của dung dịch thu được là bao nhiêu?

Lời giải

\frac{10,0 g}{98,1 g . mol^{-1}} = 0,102 mol axit sunfuric

\frac{0,102 mol}{0,750 lit} = 0,136M

Vì mỗi mol axit sunfuric đóng góp 2 đương lượng, nên dung dịch là 2  ×  0,136 = 0,272 chuẩn độ axit sunfuric, hay 0,272N H2SO4.

Chuẩn độ axit–bazơ

Các nhà hóa học thường dùng cách chuẩn độ để so sánh nồng độ tương đối của các đương lượng hóa học trong nồng độ axit–bazơ (Hình 2-3). Khi có đủ dung dịch axit từ một ống nhỏ giọt (xem hình) được thêm vào để trung hòa bazơ trong mẫu cần phân tích, thì số đương lượng của axit và bazơ tham gia phải bằng nhau. Điểm trung hòa được gọi là điểm tương đương. Một chất chỉ thị axit–bazơ như quỳ tím hoặc phenolphtalein có thể được dùng để xác định điểm tương đương. Từ thể tích dung dịch axit được dùng và nồng độ chuẩn của nó, ta có thể tính số đương lượng của bazơ trong mẫu chưa biết. Nếu NANB là các nồng độ chuẩn của dung dịch axit và bazơ, còn VAVB là các thể tích của từng chất tại điểm trung hòa, thì

Số đương lượng = NAVA = NBVB

Hình 2-3 [Lúc bắt đầu chuẩn độ … Tại điểm tương đương]
Chuẩn độ axit–bazơ. Dung dịch trong lọ có chứa một số chưa biết đương lượng bazơ (hoặc axit). Ống nhỏ giọt được kiểm định để hiển thị thể tích đến số 0,001 cm3 gần nhất. Ống này được đổ đầy dung dịch axit (hoặc bazơ) mạnh với nồng độ biết trước. Từng giọt được nhỏ từ ống đến khi một giọt, hoặc một phần của giọt làm đổi hẳn màu sắc của chất chỉ thị. (Một biểu hiện cho thấy đã đạt đến điểm tương đương là sự xuất hiện—và biến mất khi khuấy đều—màu sắc mà chất chỉ thị giống như định trước khi vượt quá điểm trung hòa.) Tại điểm trung hòa, tổng lượng axit (hoặc bazơ) đọc trên ống nhỏ giọt được ghi lại. Số đương lượng axit và bazơ phải bằng nhau ở điểm trung hòa.

Ví dụ 20

Nếu 25,00 mL axit photphoric (H3PO4) chỉ vừa đủ để trung hòa 30,25 mL dung dịch natri hydoxit thì tỉ số giữa các nồng độ chuẩn của hai dung dịch này bằng bao nhiêu? Tỉ số các nồng độ mol bằng bao nhiêu?

Lời giải

\frac{N_A}{N_B} = \frac{V_A}{V_B} = \frac{30,25 mL}{25,00 mL} = 1,210

Vì nồng độ chuẩn của axit trên bằng ba lần nồng độ mol của nó, và nồng độ chuẩn của bazơ trên bằng nồng độ mol của nó nên tỉ số nồng độ mol là

\frac{c_A}{c_B} = \frac{N_A / 3}{N_B} = 0,403

Ví dụ 21

Trong một phép chuẩn độ, 25,00 mL một dung dịch canxi hydroxit, Ca(OH)2, cần 10,81 mL HCl 0,100N mới trung hòa được. Hãy tính (a) nồng độ chuẩn của dung dịch Ca(OH)2, (b) nồng độ mol, và (c) số gam Ca(OH)2 có mặt trong mẫu.

Lời giải Nồng độ chuẩn của dung dịch Ca(OH)2

N_B = \frac{V_A}{V_B} \times N_A = \frac{10,81 mL}{25,00 mL}  ×  0,100N = 0,0432N

Vì 1 mol canxi hydroxit cho ra 2 đương lượng OH nên nồng độ mol bằng một nửa nồng độ chuẩn, hay 0,0216M Ca(OH)2. Số mol Ca(OH)2

0,0216 mol lit-1  ×  0,02500 lít = 0,000541 mol

Vì khối lượng phân tử của Ca(OH)2 bằng 74,1 g mol-1, nên khối lượng có mặt là

0,000541 mol  ×  74,1 g mol-1 = 0,0401 g Ca(OH)2

Ví dụ 22

Một nhà hóa học hữu cơ thực hiện tổng hợp một axit mới. Ông hòa tan 0,500 g vào trong một thể tích nước thích hợp và phát hiện rằng phải cần đến 15,73 mL NaOH 0,437N để trung hòa. Đương lượng gam của hợp chất mới là axit này bằng bao nhiêu? Nếu biết rằng axit này chứa ba nhóm —COOH ion hóa, thì khối lượng phân tử của nó bằng bao nhiêu?

Lời giải Số đương lượng bazơ là

0,01573 lít  ×  0,437 đ.l lit-1 = 0,00687 lít

Đương lượng gam được tính theo

    \frac {0,500 g}{0,00687 d.l} = 72,8 g đ.l-1

Nếu như đương lượng gam của axit là 72,8 g, và mỗi mol cho ra 3 đương lượng, thì khối lượng phân tử là 3  ×  72,8 g = 218 g.

2-6 Nhiệt của phản ứng: Bảo toàn năng lượng

Đến bây giờ, nội dung của chương này dành để trình bày  hệ quả của bảo toàn khối lượng, mà chưa nói gì về năng lượng. Nhưng một nguyên lý quan trọng, đó là nhiệt của phản ứng có tính cộng, và năng lượng được bảo toàn trong một quá trình, bất kể quá trình đó được tiến hành theo một bước hay nhiều bước. Nhiện và công đều là các dạng của năng lượng, và được đo bằng cùng loại đơn vị. Nếu bạn thực hiện công lên một vật hoặc một nhóm vật, bạn có thể làm tăng mức năng lượng hoặc làm hệ vật đó nóng lên, tùy theo cách thực hiện công đó như thế nào. Việc nâng một vật nặng là sự chuyển đổi công thành thế năng, còn ma sát là sự chuyển hóa công thành nhiệt. Ngược lại, năng lượng có thể chuyển đổi trở lại thành công khi một vật nặng rơi xuống, hoặc nhiệt chuyển đổi thành công ở một động cơ xe hơi. Trong số ba thứ này—nhiệt, công, và năng lượng—nhà hóa học thường quan tâm đến nhiệt hơn: lượng nhiệt có thể được hấp thụ hoặc tỏa ra khi một phản ứng hóa học được tiến hành.

Theo định luật Newton về chuyển động, lực tác dụng lên một vật thì bằng tích của khối lượng vật với gia tốc:

Lực = khối lượng × gia tốc
F = m × a

Lực cần để tác dụng lên một khối lượng 1,00 kg để truyền cho nó gia tốc 1 m trên giây trong mỗi giây (1 m s-2) được định nghĩa là một lực bằng 1 newton (N). Như vậy 1 N = 1 kg m s-2. (Các đơn vị của hệ SI đều dựa trên chiều dài tính bằng mét và khối lượng tính bằng kilogam.)

Ví dụ 23

Khi một vận động viên vung một quả bóng chày nặng 5,00 ounce (oz) theo một cung tròn có chu vi 5,00 m để tăng tốc nó từ 0 lên đến 90 dặm/giờ, thì gia tốc trung bình được truyền cho quả bóng là bao nhiêu, và lực trung bình tác dụng lên quả bóng chày trong động tác vung bằng bao nhiêu?

Lời giải. Coi như gia tốc của quả bóng không thay đổi từ khi bắt đầu vung tay đến lúc tay buông quả bóng. Với vận tốc  ban đầu bằng không thì v = ats = ½at², trong đó v là vận tốc còn a là gia tốc, t là thời gian, và s là quãng đường. Sau khi triệt tiêu thời gian khỏi hai biểu thức trên ta được a = /2s. Nếu v = 40,2 m s-1 (90 dặm/giờ) và s = 5,00 m thì

a = \frac {(40,2)^2} {2 \times 5,00} = 162 m s-2

Vì khối lượng (m) bằng 0,142 kg (5,00 oz), nên lực trung bình tác dụng lên quả bóng trong quá trình vung tay là

F = m × a = 0,142 × 162 kg m s-2 = 23,0 N

Công thực hiện lên vật thì bằng tích của lực tác dụng lên nó dọc theo hướng chuyển động, và quãng đường mà lực tác dụng theo:

Công = lực × quãng đường
W = F × s

Công thực hiện khi lực 1 N tác dụng lên một vật dọc theo quãng đường 1 m được định nghĩa bằng 1 jun (joule, J). Như vậy 1 J = 1 N m = 1 kg m2 s-2. Đối với một vật được ném, toàn bộ công được chuyển hóa thành động năng (năng lượng chuyển động); với những trường hợp khác, một phần công có thể chuyển hóa thành nhiệt.

Ví dụ 24

Có bao nhiêu công được thực hiện lên quả bóng chày được ném ở Ví dụ 23? Động năng của quả bóng bằng bao nhiêu khi nó rời khỏi tay người ném?

Lời giải. Công thực hiện lên quả bóng chày là

W = F × s = 23,0 N × 5,00 m = 115 N m hay 115 J

Kết quả là trái bóng có động năng bằng 115 J.

Để kiểm tra lại kết quả nói trên, ta có thể tính trực tiếp động năng:

E = ½mv² = ½ × 0,142 × (40,2)² kg m2 s-2 = 115 J

trong đó E là năng lượng.

Ưu điểm của jun trong vai trò đơn vị đo nhiệt là nó cho thấy ngay mối liên hệ rõ ràng giữa nhiệt, công, và năng lượng. Một đơn vị cũ dùng để tính năng lượng xuất phát từ phép đo nhiệt, đó là calo. Một calo (cal) được định nghĩa là lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ của 1 g nước nguyên chất thêm 1ºC (chính xác ra là từ 14,5ºC lên 15,5ºC). Định nghĩa này không có sự liên hệ hiển nhiên với công, và thực ra calo được định nghĩa từ thế kỉ 19, trước khi người ta nhận thấy rằng nhiên và công là hai dạng của cùng một thứ: năng lượng. Trong sách này ta chỉ dùng jun, nhưng bạn cần biết đến calo vì nhiều tài liệu trước đây đều dùng đơn vị này. Một calo gấp khoảng bốn lần một jun: 1 cal = 4,184 J. Nhiệt phản ứng của các lượng chất tính theo mol thì điển hình vào khoảng một vài kilojun (kJ) hoặc kilocalo (kcal), trong đó 1 kJ = 1000 J và 1kcal = 1000 cal.

Xét một ví dụ minh họa cho nhiệt phản ứng và nguyên lý cộng nhiệt, đó là sự phân hủy của hydro peroxit, H2O2. Khi một dung dịch nước chứa hydro peroxit phản ứng để tạo thành khí oxy và nước lỏng thì có nhiệt tỏa ra. Lượng nhiệt này sẽ biến đổi tùy thuộc vào nhiệt độ tiến hành phản ứng; nhưng ở 25ºC, nhiệt độ được coi là “nhiệt độ phòng” tiêu chuẩn để đo đạc và thống kê, mỗi mol H2O2 bị phân hủy sẽ tạo ra 94,7 kJ nhiệt. (Nếu năng lượng này được tận dụng triệt để hoàn toàn, thì sẽ đủ để truyền gia tốc cho 823 quả bóng chày như ở Ví dụ 24.)

Fig2-4

Hình 2-4 Sơ đồ biểu diễn một nhiệt lượng kế bom được dùng để đo nhiệt đốt cháy. Mẫu sau khi đem cân được cho vào trong một hộp đựng, và sau đó đặt vào trong quả bom. Mẫu được đốt hoàn toàn trong oxy dưới áp suất. Mẫu được phát tia lửa điện bằng một cuộn dây sắt phát sáng khi được nung nóng. Nhiệt lượng kế được cách nhiệt bằng một lớp bọc, và có thể trang bị cùng một máy điều hòa nhiệt đặc biệt (không minh họa). Nhiệt độ của chất lỏng bên trong nhiệt lượng kế được đo bằng nhiệt độ. Từ sự thay đổi nhiệt độ, có thể tính được nhiệt phản ứng.

Lượng nhiệt trong một phản ứng hóa học thực hiện ở áp suất không đổi (hoặc ít nhất là với điều kiện áp suất sau cùng được đưa về giá trị ban đầu) thì được gọi là sự thay đổi enthalpy của hệ phản ứng, ΔH (đọc là “đen-ta H“). Như ta sẽ thấy ở Chương 14, sự thay đổi năng lượng, ΔE, tương ứng với nhiệt của phản ứng nếu phản ứng được thực hiện trong thể tích không đổi, như trong nhiệt lượng kế bom (bomb calorimeter) trên Hình 2-4. Enthalpy có thể được coi là năng lượng được “hiệu chỉnh”, theo nghĩa hiệu chỉnh bất kì công nào mà các hóa chất có thể thực hiện trong việc đẩy không khí xung quanh khi chúng giãn nở. Giữa  ΔH và ΔE có sự khác biệt tuy nhỏ nhưng rất ý nghĩa, song ở chương này thì chưa quan trọng đối với chúng ta. Nếu nhiệt được tỏa ra trong phản ứng, thì enthalpy của hệ hóa chất phản ứng sẽ giảm xuống; mức độ thay đổi enthalpy, ΔH, sẽ âm. Một phản ứng như vậy được gọi là tỏa nhiệt. Còn trong phản ứng thu nhiệt thì nhiệt được hấp thụ và enthalpy của hỗn hợp phản ứng sẽ tăng lên. Đối với phản ứng hydro peroxit, ta có thể viết

H2O2(dd) → H2O(l) + ½O2(k)           ΔH = –94,7 kJ       (2-8)

Lượng nhiệt này được tỏa ra khi 1 mol hydro peroxit phân hủy thành 1 mol nước và ½ mol khí oxy, tức là với cùng số mol như ghi ở phương trình cân bằng. Nếu tất cả các hệ số phản ứng đều được tăng gấp đôi, thì nhiệt của phản ứng cũng phải được gấp đôi, vì khi đó nó chỉ phản ứng nhiều bằng hai lần so với trước:

2H2O2(dd) → 2H2O(l) + O2(k)           ΔH = –189,4 kJ       (2-9)

Bây giờ “một mol của phản ứng như đã viết” thì có nghĩa là 2 mol hydro peroxit phân hủy thành 2 mol nước và 1 mol oxy, vì các hệ số trong phương trình đều tăng gấp đôi.

Nhiệt lượng của một phản ứng cũng phụ thuộc vào thể vật lý của chất tham gia cũng như sản phẩm. Nếu hydro peroxit được phân hủy để tạo thành khí oxi và hơi nước thay vì nước lỏng, thì một phần của lượng nhiệt 94,7 kJ này sẽ được tách ra dành cho việc làm bay hơi H2O:

H2O(l) → H2O(k)            ΔH = +44,0 kJ       (2-10)

và sẽ có ít nhiệt hơn được phát ra khi  phân hủy hydro peroxit:

H2O2(dd) → H2O(l) + ½O2(k)           ΔH = –50,7 kJ       (2-11)

Ở đây có một giả thiết quan trọng được ẩn đi: đó là nhiệt của các phản ứng thì có tính cộng (Hình 2-5). Phương trình 2-8 cộng với phương trình 2-10 cho ta phương trình 2-11, và vì vậy ta đã coi rằng nhiệt của phản ứng thứ ba thì bằng tổng của nhiệt hai phản ứng đầu:

ΔH = –94,7 + 44,0 kJ = –50,7 kJ

Fig2-5

Hình 25. Thay đổi enthalpy của phản ứng H2O2(dd) → H2O(k) + ½O2(k) có thể nhận được mà không phải đo thẳng sự thay đổi enthalpy của phẳn ứng, mà bằng cách cộng ΔH của hai phản ứng

H2O2(dd) → H2O(l) + ½O2(k)           ΔH = –94,7 kJ

H2O(l) → H2O(k)            ΔH = +44,0 kJ

Tính cộng của nhiệt phản ứng được suy diễn trực tiếp từ định luật thứ nhất về nhiệt động học (Chương 14): Sự thay đổi về năng lượng hoặc enthalpy giữa hai trạng thái chỉ phụ thuộc vào bản chất của hai trạng thái này chứ không phụ thuộc vào quá trình biến đổi diễn ra như thế nào. Một tập hợp các hóa chất ở một trạng thái cho trước thì có một năng lượng nhất định và một enthalpy nhất định, mà hai đại lượng này không hề phụ thuộc vào cách thức để đưa các hóa chất đó về trạng thái nêu trên. (Nghĩa là những diễn biến trong quá khứ của hóa chất đã dẫn đến năng lượng và enthalpy của nó, nhưng ta không cần biết đến quá khứ này để tính EH.) Vì vậy sự khác biệt về enthalpy của chất tham gia và sản phẩm, hay nhiệt của phản ứng, có thể chỉ phụ thuộc vào bản chất của các trạng thái khởi đầu và trạng thái cuối, chứ không phụ thuộc vào cách thức cụ thể tiến hành phản ứng. Đôi khi đây được gọi là định luật Hess về phép cộng nhiệt, vốn là tên gọi trân trọng dành cho hệ quả trực tiếp từ nguyên lý thứ nhất về nhiệt động học.

Tính cộng của nhiêt phản ứng giúp loại bỏ được nhiều thí nghiệm dư thừa trong nhiệt hóa học (hóa học chuyên sâu về nhiệt và năng lượng). Ta không cần phải đo đạc và thống kê sự thay đổi enthalpy của từng phản ứng hóa học quan sát được. Chẳng hạn, nếu biết được nhiệt hóa hơi của nước lỏng (phương trình 2-10) và nhiệt phân hủy của hydro peroxit thành nước lỏng (phương trình 2-8) thì ta không cần phải đo nhiệt phân hủy của hydro peroxit thành hơi nước; kết quả có thể tính trước được. Nếu như một phản ứng nào đó rất khó thực hiện, thì vẫn có thể có một loạt những phản ứng đơn giản hơn mà tổng của chúng là phản ứng cần xét. Sau khi tiến hành hực hiện xong các phản ứng riêng lẻ, thì ta có thể cộng những độ thay đổi enthalpy theo cách giống như với phương trình hóa học để tìm ra nhiệt của phản ứng khó đo đạc.

Giả sử có người đề xuất một sơ đồ tạo ra kim cương bằng cách oxy hóa mê-tan:

CH4(k) + O2(k) → C(kc) + 2H2O(l)

[Kí hiệu (s) không đủ dùng để chỉ cacbon, vì ta cần phân biệt kim cương (kc) với than chì/graphit (gr).] Bạn cần phải tìm ra xem liệu phản ứng có tỏa nhiên không, vốn là điều phải được cho phép trong chuỗi phản ứng. Phép tổng hợp trên chưa từng được tiến hành (và có thể sẽ không bao giờ), nhưng bạn vẫn có thể trả lời thắc mắc của người bạn qua kiến thức về nhiệt của những phản ứng đơn giản hơn. Nhiệt đốt cháy của một chất chứa C, H, O, N là lượng nhiệt, ứng với mỗi mol của chất đó, của phản ứng đủ với oxy để tạo nên CO2, N2, và H2O lỏng. Nhiệt đốt cháy dễ dàng đo được, và là một trong những loại nhiệt phản ứng đầu tiên được tiến hành đo đạc thống kê một cách có hệ thống. Các bảng liệt kê đầy đủ về nhiệt đốt cháy có trong những cuốn sách như CRC Handbook of Chemistry and Physics và Lange’s Handbook of Chemistry. Các nhiệt đốt cháy của metan và kim cương là:

CH4 (k) + 2O2 (k) → CO2 (k) + 2H2O (l) H = −890 kJ (2-12)
C(kc) + O2(k) → CO2 (k) H = −395 kJ (2-13)

Phản ứng tổng hợp nên kim cương như ước muốn có thể hình thành bằng cách lấy phương trình thứ nhất trừ đi phương trình thứ hai, hoặc bằng cách cộng phương trình thứ nhất với phương trình đảo ngược của phương trình thứ hai, và nhiệt phản ứng được tính ra theo cùng cách làm như trên:

CH4 (k) + 2O2 (k) → CO2 (k) + 2H2O (l) H = −890 kJ (2-12)
CO2 (k) → C(kc) + O2(k) H = +395 kJ (2-14)
CH4 (k) + O2 (k) → C(kc) + 2H2O (l) H = −495 kJ (2-15)

Lưu ý rằng khi một phản ứng được đảo ngược và tiến hành theo chiều ngược lại thì nhiệt phản ứng đổi dấu, vì một quá trình phát ra 395 kJ theo chiều thuận sẽ phải hấp thụ 395 kJ theo chiều nghịch.

Nhiệt tạo thành

Do tính cộng của các nhiệt phản ứng, nên người ta không nhất thiết phải thống kê tất cả các nhiệt, mà chỉ những nhiệt của một tập hợp tối thiểu các phản ứng, để từ đó suy ra các nhiệt còn lại. Tập hợp các nhiệt được các nhà khoa học và kĩ sư chấp nhận bao gồm các nhiệt tạo thành của các hợp chất từ những nguyên tố tinh khiết ở trạng thái chuẩn. Đối với chất rắn và chất lỏng thì trạng thái chuẩn này là dạng thù hình của nguyên tố thường gặp nhất ở 25°C hoặc 298 K và 1 atmotphe (atm) áp suất bên ngoài. Đối với chất khí thì trạng thái chuẩn được định nghĩa tương tự nhưng với 1 atm áp suất riêng phần. Trạng thái chuẩn đối với kết quả đo đạc nhiệt động học của cacbon, đó là graphit (gr), chứ không phải kim cương (kc). Các nhiệt thành tạo của tất cả hợp chất tham gia trong quá trình tổng hợp kim cương gồm có:

C (gr) + H2 (k) → CH4 (k) H = −74.8 kJ …. (2-16)
.              C(gr) → C (kc) H = +1.9 kJ …. (2-17)
H2 (k) + ½O2 (k) → H2O (l) H = −285.8 kJ …. (2-18)

Ở Phụ lục 2 có liệt kê một bảng nhiệt tạo thành của các hợp chất từ những nguyên tố tinh khiết của chúng. Trong bảng này, chỉ số 298 là đẻ chỉ nhiệt độ (298 K), còn chỉ số không (0) để biểu thị rằng các chất tham gia và sản phẩm của phản ứng đều ở trạng thái chuẩn của chúng.

Để minh họa cho cách tìm nhiệt phản ứng tổng quát từ các nhiệt tạo thành, ta hãy xét lại sự tổng hợp kim cương ở phương trình 2-15. Phản ứng này có thể nhận được bằng cách cộng phương trình 2-17 với hai lần phương trình 2-18 và phương trình đảo ngược của 2-16:

.                C(gr) → C (kc) H =     +1.9 kJ …. (2-17)
2H2 (k) + O2 (k) → H2O (l) H = −571.6 kJ 2× (2-18)
.            CH4 (k) → C (gr) + H2 (k) H =   +74.8 kJ   − (2-16)
CH4 (k) + O2 (k) → C(kc) + 2H2O (l) H = −494.9 kJ …. (2-15)

Nhiệt của phản ứng được tính theo cách giống hệt:

ΔH = (+1,9) + 2(–285,8) – (–74,8) = –494,9 kJ

Bạn thấy đấy, việc không theo dõi dấu và các hệ số có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng. Cách làm chắc chắn nhất là viết ra từng phương trình, với nhiệt phản ứng của nó, sao cho tổng các phương trình riêng lẻ sẽ tạo nên phản ứng mong muốn. Nếu tất cả những hệ số của một phương trình đều được nhân lên với một số n bất kì, thì nhiệt tạo thành cũng phải được nhân với n, và nếu một phương trình tạo thành được đảo ngược và thực hiện theo chiều nghịch, thì cũng cần phải đảo dấu của ΔH. Nếu từng phương trình riêng lẻ được cộng lại để cho phản ứng mong muốn, thì các nhiệt riêng rẽ khi cộng lại sẽ cho ra nhiệt của phản ứng mong muốn đó.

Một cách làm tắt tiện lợi là hình dung nhiệt tạo thành một hợp chất như thể nó là enthalpy của chính hợp chất đó. (Chú ý: Điều này chỉ có thể được vì nhiệt tạo thành của các nguyên tố thì bằng không, theo định nghĩa.) Khi đó nhiệt của một phản ứng thì bằng tổng các nhiệt tạo thành của các sản phẩm, trừ đi các nhiệt tạo thành các chất tham gia phản ứng, khi đã nhân từng nhiệt với hệ số của chát đó trong phương trình cân bằng.

Ví dụ 25

Tính nhiệt tiêu chuẩn của phản ứng trong đó oxit ferric bị khử bằng cacbon, tạo thành sắt và cacbon monoxit trong lò đốt?

Lời giải. Phản ứng như dưới đây, với nhiệt tạo thành tiêu chuẩn tính theo mol được ghi dưới từng hợp chất:

Fe2O3(r) + 3C(gr) 2Fe(r) + 3CO(k)
H (kJ mol−1) −822,1 0,0 0,0 −110,5

Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của bản thân từng nguyên tố thì đều bằng 0 theo định nghĩa. Với phản ứng trên,

ΔH =2 (0,0) + 3(–110,5) – (–822,1) – 3(0,0) = +490,6 kJ

Những kết quả này thống nhất với thực tế là cần nhiều nhiệt để khử quặng sắt thành sắt. Tuy vậy, nên lưu ý rằng 490,6 kJ là lượng nhiệt hiệu quả (đã trừ sau) được hấp thụ nếu phản ứng diễn ra ở 298 K, chứ không phải nhiệt độ 1800 K trong lò nung. Song đáp số này cũng là luowjgn nhiệt được hấp thụ nếu như ferric oxit và cacbon được nung nóng từ 298 K lên tới 1800 K, được cho phép phản ứng, và sản phẩm thu được làm nguội về nhiệt độ phòng. Mức độ thay đổi enthalpy hay nhiệt của một phản ứng thì chỉ phụ thuộc vào các trạng thái đầu và cuối của những chất có mặt, chứ không phuộc vào việc liệu nhiệt độ có được giữ nguyên hay được điều chỉnh theo các định mức trong lò. Điều quan trọng duy nhất chỉ là cuối cùng thì nhiệt độ lại được đưa về 298 K.

Xét một ví dụ khác minh họa cho nguyên lý này; lượng nhiệt (trừ hao) khi nước được tạo thành từ hydro và oxy sẽ không khác nhau trong các trường hợp nếu hỗn hợp H2 và O2 ở 298 K phát nổ dữ dội và nước tạo ra được làm nguội về 298 K, hay nếu cùng hỗn hợp này phản ứng từ từ với sự có mặt của platin nghiền nhỏ làm chất xúc tác, và nhiệt độ không tăng. Như vậy xét về nhiệt phản ứng, khi ta nói các con số là đúng với quá trình diễn ra “dưới áp suất 1 atm và nhiệt độ 298 K”, thì ta chỉ yêu cầu rằng các tham gia khởi đầu phản ứng ở điều kiện này, và những sản phẩm thu được cũng vậy. Đó là lý do tại sao các bảng giá trị nhiệt tạo thành dưới điều kiện tiêu chuẩn (Phụ lục 2) lại hữu ích.

Ví dụ 26

Nhiệt đốt cháy của benzen lỏng bằn bao nhiêu?

Lời giải. Phương trình cân bằng, cùng với các nhiệt tạo thành của các chất, là

2C6H6(l) + 15O2(k) 12CO2(k) + 6H2O(l)
H (kJ mol−1) +49,0 0,0 −393,5 −285,8

Đối với phản ứng trên, với 2 mol benzen, nhiệt sẽ là

H = 12(−393,5) + 6(−285,8) – 2(+49,0) – 15(0,0) = −6540 kJ

Vì vậy nhiệt đốt cháy của mỗi mol benzen lỏng thì bằng một nửa của lượng nói trên, tức là –3270 kJ mol-1.

2-7 Các nguyên lý bảo toàn

Dường như có một điều thật lạ. Các nhà khoa học, vốn có lẽ quan tâm đến những thay đổi mà vật chất trải qua, lại dành thật nhiều thời gian tìm kiếm các định luật bảo toàn; các định luật này cho ta biết cái gì không thay đổi. Ai cũng biết rằng mọi vật đều thay đổi; các mùa nối tiếp nhau trong năm, sinh vật lớn lên rồi chết đi, núi đồi bị xói lở và phân hủy thành đất đá. Những quan sát như vậy chưa phải là khoa học. Ở xã hội nguyên thủy, các tu sĩ có quyền lực nhất không phải là những triết gia quan sát thấy  mùa xuân chuyển sang hè cuối cùng rồi vào đông, mà là những người khéo léo nhận thấy được rằng bao giờ mùa xuân cũng quay trở lại, và tính được khi nào điều đó xảy đến. Kiến thức như vậy mới có ích đối với bộ lạc.

Kha học thực sự bắt đầu khi con người hiểu được sự hạn chế của những thay đổi ngẫu nhiên. Một hòn đá được kém lên không trung không bay cao mãi; rút cuộc nó phải rơi xuống vì động năng của nó chỉ có hạn. Một bình xăng không thể giúp ô tô chạy mãi vì hóa năng của nhiên liệu là có hạn. Một nhà máy hóa chất không thể sản xuất ra sản phẩm vượt quá nguyên liệu đưa vào, vì khối lượng chỉ có hạn. Công cuộc tìm kiếm sự thay đổi diễn ra trong vũ trụ là tìm kiếm những giới hạn mà ta có thể dự đoán được rằng những thay đổi đó được gói gọn. Từ đó, con người có thể dự đoán được điều gì sẽ xảy ra, và bắt kiến thức này phục vụ lợi ích của mình. Nếu chẳng may có bị tàu hỏa đuổi đằng sau thì còn đỡ nguy hơn là bị một tay đua xe máy điên rồ phóng theo, vì ta biết rằng tàu chỉ chạy trong khuôn khổ đường ray và dùng kiến thức này để thoát thân.

Hai nguyên lý bảo toàn đầu tiên được phát hiện trong khoa học là bảo toàn khối lượng và năng lượng. Trong vật lý về chuyển động, thông thường động lượng cũng được bảo toàn. Trong phản ứng hạt nhân, khối lượng và năng lượng có thể chuyển hóa qua lại, song tổng của chúng phải phông đổi. năng lượng hạt nhân chỉ đực tạo nên khi khối lượng mất đi, theo hệ thức Einstein, Emc2, trong đó E là năng lượng, m là khói lượng, còn c2 là bình phương của tốc độ ánh sáng. Điện lượng cũng được bảo toàn trong các phản ứng hạt nhân. Khi một hạt nhân cacbon-14 phân rã thành nitơ-14, sẽ có một electron được phát ra (đây được gọi là phóng xạ beta):

614C → 714N + −10e.

Các hệ sô cho ta biết về số khối hay tổng số các hạt nặng—proton và neutron—và số này như nhau ở cacbon-14 cũng như nitơ-14. Đây là một ví dụ về bảo toàn các hạt nặng, gắn với bảo toàn khối lượng. Các chỉ số dưới cho ta biết điện lượng của các hạt, và điện lượng này có thể tăng từ +6 lên +7 chỉ khi nếu một điện tích âm thoát vào môi trường xung quanh. Trong phóng xạ beta, điện lượng –1 này được electron mang theo. Tổng điện lượng được bảo toàn.

Có cả những đại lượng kỳ bí hơn được bảo toàn hoặc gần như bảo toàn trong phản ứng hạt nhân và phản ứng hạt cơ bản; các đại lượng này là tính chẵn lẻsố lạ, và duyên. Sở dĩ thấy lạ vì ta chưa từng nghe đến chúng trước khi được biết rằng chúng cần phải được bảo toàn. Khói lượng và năng lượng thì đều quen thuộc trước khi ta nhận ra chúng cần được bảo toàn. Nhưng ai đã từng nghe đến cái duyên của hạt cơ bản trước khi nguyên lý bảo toàn cho nó được thiết lập? Trong khi tưởng như một sự đảo lộn trật tự logic,  người ta đã nhận thấy rằng các hạt dường như được phân loại riêng, và những quy tắc nhất quán về việc những hạt trong cùng một loại có tương tác với nhau thế nào. Một thuộc tính mới được phát hiện mà theo đó, nếu thuộc tính này được bảo toàn trong quá trình phản ứng giữa các hạt, thì hành vi quan sát thấy sẽ được lý giải.

Fig2-6

Hình 2-6. Hai loại điện tích được phát hiện vào đầu thế kỉ 18. Đũa thủy tinh cọ vào lụa tạo ra một loại điện tích (a), đũa cao su cứng cọ vào len tạo ra loại điện tích kia (b). Khi điện tích này được truyền vào quả cầu bấc (c), sự đẩy nhau giữa các điện tích cùng loại (d) và hút nhau giữa các điện tích khác loại (e) được cho thấy từ hiện tượng quả cầu bị lệch đi.

Tuy vậy, điều này cũng không khác lắm so với cách mà điện lượng tĩnh được phát hiện (Hình 2-6). Vào thế kỉ 18, các nhà khoa học thực nghiệm đã quan sát thấy rằng khi họ cọ mạnh đũa thủy tinh vào lụa, thì cây đũa sẽ tích lũy một điện lượng mà có thể được truyền phần nào cho một quả cầu bấc nhẹ được treo trên sợi chỉ. Sau khi quả cầu nhận điện tích từ đũa thủy tinh, nó bị đẩy khỏi đũa. Trái lại, họ cũng phát hiện thấy nếu cọ một đũa cao su cứng (ebonite) vào len, cây đũa này sẽ hút quả cầu bấc mà trước đó vừa bị nhiễm điện do chạm vào đũa thủy tinh. Để lý giải hiện tượng này, các nhà khoa học đã giả thiết rằng có hai loại điện tích khác nhau, và những điện tích cùng lại thì đẩy nhau, còn khác loại thì hút nhau. Benjamin Franklin đã gắn hai thuật ngữ cho chúng: điện tích dươngâm. Ở thời của Franklin bấy giờ, điện tích cũng không kém phần bí hiểm như duyênđộ lạ bây giờ.

Ý tưởng đằng sau tất cả những nguyên lý bảo toàn trên chỉ là một: Khi ta biết rằng điều nào đó không thể xảy ra, thì sẽ càng có khả năng tiên đoán được điều sẽ xảy ra. Bảo toàn khối lượng và bảo toàn năng lượng là hai nguyên lý quan trọng nhất đối với nhà hóa học, và tất cả những phép tính trong chương này đều là hệ quả từ chúng.

Tóm tắt

Đối với nhà hóa học, bảo toàn khối lượng đồng nghĩa với việc bảo toàn tổng số từng loại nguyên tử trong quá trình một phản ứng hóa học. Số lượng nguyên tử, từng loại một, có trong sản phẩm phản ứng phải đúng bằng trong các chất tham gia. Nhà hóa học  đếm số phân tử bằng cách cân hóa chất, rồi quy đổi số gam thành số mol. Một mol chất bất kì đều chứa cùng một số hạt, N = 6,022 × 1023; đó là lượng tính theo gam có giá trị bằng khối lượng của chất tính theo đơn vị khối lượng nguyên tử. Để thu được số mol của một mẫu, chỉ cần lấy khối lượngtính theo gam đem chia cho khối lượng phân tử chủa chất tính theo gam trên mol.

Phép phân tích nguyên tố cho một chất sẽ giúp ta tìm được tỉ lệ phần trăm theo khối lượng của từng nguyên tố, hay là số gam của từng nguyên tố trong 100 g chất được xét đến. Đem chia từng số gam nói trên cho khối lượng nguyên tử của từng nguyên tố một, ta sẽ thu được những số biểu diễn số lượng tương đối của từng loại nguyên tử. Công thức đơn giản nhất để biểu thị số tương đối của từng loại nguyên tử được gọi là công thức thực nghiệm. Nếu hợp chất là một muối, thì nó không có phân tử riêng lẻ, mặc dù công thức thực nghiệm được coi như là một công thức phân tử được viết trong các phương trình hóa học. Nếu hợp chất được tạo thành từ các phân tử, thì công thức phân tử đúng và khối lượng phân tử có thể giống nhau hoặc bằng những bội số của công thức thực nghiệm và khối lượng theo công thức. Thông tin thu được từ phân tích nguyên tố đủ đê ta xác định công thức phân tử dúng, nhưng nêu có một giá trị xấp xỉ cho khối lượng phân tử được biết từ một phép đo khác, thì ta có thể dùng nó để chọn bội số thích hợp cho công thức thực nghiệm, từ đó tìm ra công thức phân tử đúng.

Một phương trình hóa học cân bằng khi công thức phân tử đúng hoặc công thức thực nghiệm đúng được viết cho từng chất tham gia và sản phẩm, và khi từng loại nguyên tử ở vế trái phương trình bằng đúng số nguyên tử loại đó ở vế phải. Những hệ số của chất tham gia và sản phẩm không nhất thiết phải là các số nguyên, nhưng đôi khi là số nguyên vẫn có tiện lợi. Nếu tất cả các hệ số ở hai vế một phương trình cân bằng cùng được nhân hoặc chia cho một số, thì phương trình vẫn cân bằng.

Một phương trình hóa học cân bằng thì thể hiện lượng tương đối giữa các chất tham gia và sản phẩm trong phản ứng. Ở cấp độ nguyên tử, phương trình biểu diễn số lượng tương đối các nguyên tử và phân tử tham gia. Tuy nhiên, phuong trình cân bằng không cho ta biết về cơ chế diễn ra phản ứng. Một quá trình có thể diễn ra theo một bước hoặc một loạt các bước liên tiếp, mà cả hai đều có thể có dùng dạng phương trình hóa học. Từ phép tính dựa trên phương trình hóa học cân bằng, ta có thể chọn đúng lượng tương đối các chất tham gia, tiên đoán được lượng sản phẩm tạo thành nếu phản ứng diễn ra hoàn toàn, và quyết định xem, giữa các lượng chất tham gia cho trước, liệu còn chất nào dư lại sau phản ứng hay không.

Các phản ứng hóa học được tiến hành đặc biệt thuận lợi trong dung dịch vì chất lỏng có thể dễ dàng được đo lường, thao tác, và hòa trộn. Nồng độ mol của một chất tham gia hoặc sản phẩm, c, là số mol trong mỗi lít dung dịch. Kí hiệu M được dùng làm đơn vị của nồng độ mol, viết tắt cho mol trên lít. Trái lại, nồng độ molanm, là số mol có trong mỗi kilogam dung môi. Nếu dung môi là nước, với khối lượng riêng bằng 1 g mL-1, thì nồng độ molan tương ứng với số gam có trong mỗi lít dung dịch; nhưng ngay cả như vậy vẫn khác với nồng độ mol, vì nói chung tổng thể tích sẽ thay đổi một chút khi chất tan và dung môi trộn lẫn. Với các dung dịch loãng thì thể tích tăng không đáng kể khi cho chất tan vào, và khi đó nồng độ mol và molan trong dung dịch nước coi như tương đương với nhau. Khi tính các nồng độ trong quá trình hòa loãng, cần nhớ rằng việc thêm dung môi vào không làm thay đổi số mol của chất tan:

Số mol chất tan = cV = không đổi

Theo định nghĩa kinh điển của Arrhenius thì axit là chất mà khi ta thêm vào nước, sẽ làm tăng nồng độ ion hydro, [H+], còn bazơ là chất mà khi ta thêm vào nước, sẽ làm tăng nồng độ ion hydroxit, [OH]. Một mol axit có thể nhả ra 1, 2, hoặc 3 mol H+ khi phân ly hoàn toàn. Đương lượng của axit là một lượng chất có khả năng giải phóng 1 mol H+ nếu axit phân ly hoàn toàn, vì vậy đương lượng của một axit như H3PO4 thì bằng 1/3 khối lượng phân tử của nó. Tương tự, nếu 1 mol bazơ nào đó, như  Ca(OH)2, có khả năng tạo ra 2 mol OH trong dung dịch, thì đương lượng sẽ bằng một nửa khối lượng phân tử của bazơ này.

Mặc dù về nguyên lý, một axit có khả năng tạo ra 1 hay nhiều mol  H+ ứng với từng mol axit, nhưng mức độ phân ly thực tế có thể sẽ nhỏ hơn vì axit giữ chặt các ion hydro. Những axit không thể phân ly hoàn toàn trong nước được gọi là các axit yếu, còn những axit mạnh thì phân ly hoàn toàn. Việc phân ly một phần không ảnh hưởng đến định nghĩa đương lượng. Axit cacbonic, H2CO3, vẫn có đương lượng bằng một nửa khối lượng nguyên tử của nó, dù rằng trong nước nguyên chất nó chi phân ly một phần. Nếu một phần H+ của axit cacbonic được dùng hết qua việc kết hợp với OH của một bazơ, thì sẽ có thêm H+ nữa phân ly đến khi chỉ còn lại CO­32−

Phản ứng của H+ từ một axit với OH từ một bazo được gọi là sự trung hòa:

H+ + OH → H2O

Một đương lượng (đ.l, equiv) của một axit sẽ kết hợp với, và làm trung hòa, 1 đ.l. bazơ. Lượng axit trong một mẫu chưa biết có thể đo được bằng cách tìm ra xem cần bao nhiêu dung dịch bazơ với nồng độ biết trước để trung hòa axit đó. Quá trình này được gọi là chuẩn độ, và là một quy trình phân tích thông dụng. Nồng độ chuẩnN, của một dung dịch axit hoặc bazơ là số đương lượng có trong một lít dung dịch. Với axit mà khi phân ly hoàn toàn, mỗi phân tử nhả ra 3 proton, thì nồng độ chuẩn sẽ gấp ba lần nồng độ mol, vì đơng lượng của nó chỉ bằng một phần ba khối lượng phân tử. Tích giữa nồng độ chuẩn (N) với thể tích (V) là số đương lượng axit-bazơ, và tại điểm trung hòa thì con số này của axit và bazơ phải như nhau:

NAVA = NBVB

Trong quá trình tiến hành phản ứng ở một thể tích không đổi, lượng nhiệt tỏa ra là độ đo mức giảm năng lượng, E của hệ hóa chất phản ứng. Nếu phản ứng xảy ra trong điều kiện áp suất không đổi thay vì thể tích không đổi, thì lượng nhiêt tỏa ra tương ứng với độ giảm một đại lượng hơi khác, đó là enthalpy, H. Nếu nhiệt được phát ra, thì sự thay đổi enthalpy, ∆H, sẽ âm, và phản ứng được gọi là toả nhiệt. Còn nếu nhiệt được hấp thụ, thì ∆H sẽ dương, và phản ứng là thu nhiệt.

Nhiệt và công là các dạng khác nhau của năng lượng. Nếu một khối lượng (m) 1 kg được truyền cho gia tốc (a) bằng 1 m s−2, thì lực cần dùng là 1 newton (N):

F = m × a = 1 N = 1 kg m s−2

Nếu tác dụng một lực như vậy lên một vật suốt quãng đường s dài 1 m, thì công (W) thực hiện lên vật là 1 jun (J):

W = F × s = 1 J = 1 N m = 1 kg m2 s−2

Để hiểu rõ hơn, một quả bóng chày được ném ra với tốc độ 90 dặm/giờ sẽ có năng lượng bằng 115 J. Đơn vị trước đây dùng để đo nhiệt, calo (cal), thì gấp khoảng 4 lần: 1 cal = 4,184 J.

Định luật thứ nhất về nhiệt động học phát biểu rằng sự thay đổi năng lượng hoặc enthalpy giữa hai trạng thái thì chỉ phụ thuộc vào bản chất của hai trạng thái đó, chứ không phụ thuộc vào thay đổi này được thực hiện như thế nào. Vì vậy nhiệt của một phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào tổng thể phản ứng, chứ không phụ thuộc vào việc liệu nó được thực hiện theo một hay nhiều bước. Điều này có nghĩa rằng nhiệt phản ứng thì có tính cộng: nếu phản ứng A cộng với phản ứng B tạo thành phản ứng C, thì nhiệt của phản ứng C được tính bằng cách cộng các nhiệt của hai phản ứng A và B. Điều này dẫn đến sự tiết kiệm lớn trong việc lập bbarng thống kê các nhiệt phản ứng: Ta chỉ cần đo lấy nhiệt phản ứng của một tập hợp những phản ứng, mà từ đó tất cả những phản ứng khác có thể suy ra được. Tập hợp được chọn này gồm có những phản ứng tạo thành tất cả những hợp chất từ nguyên tố của chúng ở trạng thái chuẩn. Trạng thái chuẩn của một chất lỏng hoặc chất rắn là dạng thường gặp nhất của chất đó ở 298 K, dưới áp suất ngài bằng 1 atm. Một định nghĩa tương tự được dùng cho chất khí, chỉ khác là 1 atm áp suất riêng phần. Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của một loạt các hợp chất từ những nguyên tố của chúng được thống kê trong bảng ở Phụ lục 2.

Ta có thể dùng những giá trị nhiệt tạo thành này như thể chúng là các enthalpy tuyệt đối của các chất tương ứng. Nhiệt phản ứng của một phương trình hóa học cân bằng là tổng các nhiệt tạo thành của tất cả những phân tử sản phẩm trừ đi nhiệt tạo thành các chất tham gia. Dĩ nhiên cần phải chú ý thấy rằng từng con số nhiệt tạo thành phải được nhân với các hệ số của từng chất ghi trong phương trình cân bằng.

Những câu hỏi tự học

  1. Tại sao biểu thức chứa lượng các chất tham gia và phản ứng tính theo mol lại liên hệ rõ ràng với phương trình hóa học cân bằng, hơn là biểu thức chứa lượng chất tính theo gam?
  2. Bằng cách nào mà nguyên lý bảo toàn khối lượng cho phản ứng hóa học lại không chỉ giới hạn trong phạm vi bảo toàn tổng khối lượng trước vào sau phản ứng?
  3. Công thức kinh nghiệm của một chất là gì? Làm cách nào tìm được công thức kinh nghiệm từ kết quả phân tích nguyên tố biểu diễn bằng phần trăm khối lượng?
  4. Công thức kinh nghiệm có liên hệ thế nào với công thức phân tử? Có thể xác định được công thức phân tử bằng phép phân tích nguyên tố không?
  5. Bằng cách nào mà công thức kinh nghiệm có thể biến một khối lượng phân tử không chính xác thành khối lượng phân tử chính xác?
  6. Chữ “cân bằng” của một phương trình hóa học cân bằng nghĩa là gì? Một phương trình như vậy minh họa cho bảo toàn khối lượng như thế nào?
  7. Liệu một phương trình cân bằng có hệ số là phân số, như 3½ H2O được không? Liệu một phương trình chứa những nửa phân tử có ý nghĩa không?
  8. Bằng cách nào mà một phương trình cân bằng giúp ích cho việc dự đoán lượng sản phẩm? Bằng cách nào mà dùng nó để tính các lượng tương đối những chất tham gia phản ứng?
  9. Sự khác nhau giữa những đơn vị đo nồng độ dung dịch: nồng độ mol và nồng độ molan.
  10. Trong dung dịch nước loãng, nồng độ mol và nồng độ molan tiệm cận gần bằng nhau. Tại sao? Tại sao điều này chỉ đúng với dung dịch nước?
  11. Nồng độ chuẩn là gì? Nó liên quan đến nồng độ mol hay nồng độ molan hơn? Với loại phản ứng hóa học nào thì nồng độ chuẩn chuẩn là đơn vị hữu ích?
  12. Những định nghĩa của axit và bazơ của Arrhenius là gì?
  13. Axit mạnh và yếu khác nhau thế nào?
  14. Với những kiểu axit nào thì khối lượng phân tử và đương lượng gam bằng nhau? Tại sao khối lượng phân tử luôn là một bội số nguyên của đương lượng gam?
  15. Sự trung hòa là gì? Sản phẩm của phản ứng trung hòa là gì?
  16. Sự chuẩn độ là gì? Nó được dùng trong phân tích hóa học như thế nào? Những thông tin nào có thể thu được từ sự chuẩn độ axit–bazơ?
  17. Đương lượng axit–bazơ có ích trong tính toán chuẩn độ như thế nào? Có mối quan hệ thế nào giữa các đương lượng của axit và bazo tại điểm tương đương của chuẩn độ, hay tại điểm trung hòa?
  18. Các đơn vị đo nhiệt, công, hoặc năng lượng trong hệ SI là gì? Nó có liên hệ thế nào tới lực tác dụng lên một vật?
  19. Nếu gia tốc được cho bởi phương trình a = v2/2s, như trong Ví dụ 23, hãy chứng minh rằng động năng của chuyển động là E = ½mv2, nếu như năng lượng này chỉ là công được tác dụng lên vật để khiến nó từ đứng yên trở nên chuyển động.
  20. Điểm khác biệt giữa năng lượng, E, và enthalpy, H, là gì? Theo điều kiện nào, nhiệt phản ứng sẽ đúng bằng thay đổi sự thay đổi năng lượng? Khi nào thì bằng sự thay đổi enthalpy?
  21. Tại sao ta phải chỉ định trạng thái của các chất tham gia và sản phẩm phản ứng khi tính nhiệt của một phản ứng?
  22. Định luật thứ nhất về nhiệt động học phát biểu gì về E và H liên quan đến nhiệt phản ứng? Làm sao ta có thể dựa trên điều đó, để suy luận rằng nhiệt phản ứng thì có tính cộng? Tính cộng này nghĩa là gì?
  23. Theo cách hiểu nào thì tính cộng của nhiệt phản ứng là một quy tắc giúp ta đỡ phải tính toán nhiều?
  24. Tại sao các nhiệt tạo thành lại đặc biệt thích hợp cho việc lập bảng thống kê? Bằng cách nào ta có thể tìm được tất cả nhiệt phản ứng khác chỉ dựa trên nhiệt tạo thành này?
  25. Tại sao có thể chấp nhận việc xem nhiệt tạo thành từ nguyên tố như thể đó là các enthalpy của hợp chất, khi tính toán nhiệt phản ứng? Điều gì xảy ra với các nguyên tố ở vế trái các phương trình nhiệt thành tạo?  Điều này đã minh họa nguyên lý bảo toàn khối lượng ra sao?
  26. Yêu cầu về “áp suất không đổi và 298 K” có nghĩa gì khi cần áp dụng bảng nhiệt tạo thành chuẩn, như ở Phụ lục 2? Tại soa những bảng như vậy lại dùng được đối với cả những phản ứng không duy trì ở nhiệt độ 298 K?

Bài toán

Thành phần phần trăm

  1. Phần trăm về khối lượng của từng nguyên tố trong K2Cr2O7 bằng bao nhiêu? Khối lượng phân tử của nó bằng bao nhiêu?
  2. Hemoglobin, chất có nhiệm vụ vận chuyển O2 trong máu, có chứa 0,328% sắt tính theo khối lượng. Phân tử khổng lồ hemoglobin có khối lượng phân tử xấp xỉ 68000. Có bao nhiêu nguyên tử sắt có trong một phân tử hemoglobin?

Công thức kinh nghiệm

  1. Thành phần của xi măng Portland có chứa 52,7% canxi (Ca), 12,3% silic (Si), và 35,0% oxy (O). Công thức thực nghiệm của nó là gì?
  2. Một loại phân bón thông dụng có chứa 59,96% oxy, 5,04% hydro, và 35,00% ni-tơ. Số tương đối các nguyên tử oxy, hydro, và ni-tơ trong chất này là bao nhiêu? Giả sửa rằng công thức thực nghiệm và công thức hóa học chứa cùng số nguyên tử oxy, hydro, và ni-tơ, hãy thử gọi tên hợp chất này.

Công thức phân tử

  1. Khối lượng phân tử của một oxit phốt-pho (P) xấp xỉ bằng 280 amu. Phép phân tích nguyên tố cho biết hợp chất này chứa 43,6% phốt-pho tính theo khối lượng. Hãy xác định công thức phân tử và khối lượng phân tử chính xác của oxit.
  2. Khi 5,00 g một chất hydrocacbon chưa biết, trong đó chỉ chứa những nguyên tử cacbon và hydro, được đốt làm nguyên liệu, thì có 14,65 g cacbon đi-oxit, CO2, được tạo ra. Công thức kinh nghiệm của hydrocacbon này là gì? Nếu có thí nghiệm khác cho kết quả xấp xỉ khối lượng phân tử hydrocacbon này vào khoảng 25 đến 35 g mol-1, thì khối lượng phân tử thực bằng bao nhiêu và công thức phân tử là gì? Hãy viết một phường trình hóa học cân bằng biểu diễn sự đốt cháy hydrocacbon này.

Tính toán khối lượng nguyên tử

  1. Một kim loại, M, hình thành nên oxit có công thức M2O3, trong đó chứa 68,4% kim loại tính theo khối lượng. Hãy tìm khối lượng nguyên tử của M.
  2. Khi 5,00 g nguyên tố A phản ứng hoàn toàn với 15,0 g nguyên tố B thì hợp chất AB được hình thành. Khi 3,00 g nguyên tố A phản ứng với 18,0 g nguyên tố C, thì tạo nên hợp chất AC2. Khối lượng nguyên tử của nguyên tố B bằng 60,0. Hãy tính các khối lượng nguyên tử của nguyên tố A và C.

Phương trình cân bằng

  1. Sau đây là phương trình hóa học cân bằng:
    Zn + H2SO4 →  H2 + ZnSO4
    Phát biểu ý nghĩa định lượng của phương trình trên. Ý nghĩa về khối lượng tương đối của các hợp chất có mặt là gì? Nói phương trình được cân bằng có ý nghĩa gì?
  1. Hãy cân bằng những phương trình sau:
  1. Fe2O3 + Al  →  Fe + Al2O3
  2. Na2SO3 + HCl  →  NaCl + SO2 + H2O
  3. Mg3N2 + H2O  →  Mg(OH)2 + NH3
  4. Pb + PbO2 + H2SO4  →  PbSO4 + H2O

Hãy diễn đạt từng phương trình theo sự xuất hiện và tiêu biến các mol chất tham gia và sản phẩm.

  1. Hãy viết một phương trình cân bằng cho từng phản ứng sau: (a) phản ứng giữa natri với nước để tạo thành hydro và natri hydroxit; (b) phản ứng giữa canxi hydroxit với cacbon đi-oxit để tạo thành canxi cacbonat và nước; (c) phản ứng giữa cacbon monoxit với hydro để tạo thành metan và nước; (d) phản ứng giữa nhôm nitrat với amoni hydroxit để tạo thành nhôm hydroxit và amoni nitrat.
  2. Hãy các viết phương trình cân bằng với từng phản ứng sau: (a) phản ứng giữa nhôm với hydro clorua để tạo thành nhôm clorua và hydro; (b) phản ứng giữa amoni với oxy để tạo thành nitric oxit (NO) và nước; (c) phản ứng giữa kẽm với phốt-pho để tạo thành kẽm phốt-phua, Zn3P2; (d) phản ứng giữa axit nitric với kẽm hydroxit để tạo thành kẽm nitrat và nước.

Sản phẩm phản ứng

  1. Đốt cháy cacbon trong không khí để tạo nên cacbon đi-oxit. Khối lượng cacbon thu được khi đốt cháy 100 g cacbon là bao nhiêu?
  2. Khí gây cười, N2O, gây nên chứng cuồng loạn (hysteria) và bất tỉnh khi hít phải. Nó được tạo thành từ amoni nitrat theo phản ứng

NH4NO3  →  H2O + N2O

Hãy cân bằng phương trình, rồi tính khối lượng N2O tạo thành từ 7,50 g amoni nitrat.

  1. Kali đi-cromat, K2Cr2O7, phản ứng với axit oxalic, H2C2O4, và axit sunfuric, H2SO4, theo phương trình phản ứng sau:

3H2C2O4 + K2Cr2O7 + 5H2SO4  →  2KHSO4 + Cr2(SO4)3 + 6CO2 + 7H2O

  1. Liệu phương trình đã cân bằng chưa? Nếu chưa, hãy cân bằng nó. (b) Nếu 450 mL dung dịch kali đi-cromat 0,200M phản ứng với lượng dư các axit oxalic và sunfuric thì có bao nhiêu mol CO2 được tạo thành? (c) Bao nhiêu gam?
  1. Natri sunfua phản ứng với axit sunfuric để tạo thành natri sunfat và hydro sunfua. Giả thiết rằng lượng axit sunfuric dư được dùng để phản ứng với 10,0 g natri sunfua và tính:
  1. Số mol natri sunfua được dùng
  2. Số mol hydro sunfua được giải phóng
  3. Số gam hydro sunfua được giải phóng
  1. Canxi phốt-phua, Ca3P2, phản ứng với nước để tạo nên khí phốtphin (PH3) và canxi hydroxit. Hãy viết một phương trình cân bằng cho quá trình này. Hỏi bao nhiêu gam PH3 được tạo ra từ 1,75 g canxi phốt-phua?
  2. Các clorua kim loại phản ứng với bạc nitrat trong dung dịch nước để tạo thành bạc clorua không tan và nitrat kim loại tương ứng. Hãy viết một phương trình cân bằng cho phản ứng giữa FeCl2 và AgNO3. Nếu 5,00 g FeCl2 phản ứng với AgNO3 dư, sẽ có bao nhiêu gam AgCl tạo thành? Bao nhiêu gam AgCl được tạo thành từ 2,00 g FeCl2 và 3,25 g AgNO3?
  3. Có bao nhiêu mol XeF6 có thể tạo thành từ 0,0320 g xenon và 0,0304 g flo? Bao nhiêu gam XeF6 sẽ được tạo thành? Có chất tham gia nào còn dư không, và nếu có, thì dư bao nhiêu?
  4. Sự lên men của đường, C6H12O6, tạo thành etyl ancol và cacbon đi-oxit. Có bao nhiêu gam CO2 được tạo thành với vai trò sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất 454 g (1 pound) etyl ancol (C2H5OH) ?
    1. Một mol khí propan, C3H8, được đốt cháy với 5 mol O2 theo phản ứng

C3H8 + 5O2  →  3CO2 + 4H2O

Liệu có chất tham gia nào còn dư sau phản ứng không? Nếu có, thì đó là chất gì, và dư bao nhiêu gam?

b. Bây giờ, một gam khí propan được đốt cháy với 5 g O2. Liệu có chất tham gia nào còn dư sau phản ứng không? Nếu có, thì đó là chất gì, và dư bao nhiêu gam?

  1. Khi bạc kim loại và lưu huỳnh bột được nung nóng cùng nhau, thì Ag2S rắn, màu đen, sẽ được hình thành. Một hỗn hợp có chứa 1,73 g Ag và 0,540 g S được nung nóng để phản ứng. Liệu có kim loại nào ban đầu vẫn còn dư trong khi kim loại kia hoàn toàn chuyển hóa thành Ag2S không? Đó là kim loại gì, và còn dư bao nhiêu gam?

Nồng độ mol

Kali perclorat, KClO4, có độ hòa tan vào khoảng 7,5 g lit-1 dung dịch trong nước ở 0°C. Nồng độ mol của dung dịch bão hòa ở 0°C bằng bao nhiêu?
Một lượng 50,0 mL ê-te, C4H10O, vốn có khối lượng riêng bằng 0,714 g mL-1, được hòa tan vào etyl ancol đủ để được 100 mL dung dịch. Hãy tính nồng độ mol của ê-te trong dung dịch.

Nồng độ mol, nồng độ molan, nồng độ chuẩn

  1. Một dung dịch axit sunfuric được chuẩn bị từ 95,94 g H2O và 10,66 g H2SO4. Thể tích dung dịch thu được là 100,00 mL. Hãy tính nồng độ molan, nồng độ mol, nồng độ chuẩn, và khối lượng riêng của dung dịch.

Nồng độ mol và nồng độ chuẩn

  1. Có bao nhiêu gam chất tan cần dùng để chuẩn bị các dung dịch sau: (a) 2 lít axit sunfuric 2,5M; (b) 0,5 lít H3PO4 (giả thiết rằng quá trình phân ly tạo nên các ion HPO42-, và ràng dung dịch được dùng trong các phản ứng trung hòa axit–bazo); và (c) 1,0 lít dung dịch natri hydroxit để chuẩn độ, từng mililit một, bằng HCl 0,5N?

Pha loãng

  1. Có bao nhiêu mililit nước cần được thêm vào 200 mL HNO3 5,00M để tạo nên dung dịch HNO3 2,00M?
  2. Cần thể tích dung dịch axit sunfuric 1,53M bằng bao nhiêu để khi pha loãng vào nước thì thu được 25 mL axit sunfuric 0,0500M?
  3. Khi 25,0 mL H2SO4 0,400M và 50,0 mL H2SO4 0,850M được trộn lẫn, thì dung dịch sau cùng thu được có nồng độ mol axit sunfuric bằng bao nhiêu?
  4. Hãy tính thể tích của (a) 2,10M KOH cần để tạo ra 500 mL KOH 0,0100M; (b) axit sunfuric 18M cần để tạo ra 2,0 lít H2SO4 0,100M; (c) dung dịch được tạo nên do pha loãng 2,0 mL HNO3 6N để thu được HNO3 0,01N.

Nồng độ

  1. Tính số nồng độ mol và nồng độ chuẩn của một dung dịch có chứa 0,0156 g Ba(OH)2 trong 245 mL dung dịch.
  2. Natri cacbonat, Na2CO3, tan trong nước và tạo nên ion cacbonat, CO32-, mỗi ion như vậy có thể nhận hai proton để hình thành nên axit cacbonic, H2CO3. Số đương lượng của bazo trong từng mol natri cacbonat bằng bao nhiêu? Nồng độ chuẩn của một dung dịch tạo bởi việc cho 1,35 g natri cacbonat vào đủ nước để được 50,0 mL dung dịch?
  3. Khối lượng riêng của axit nitric 65% là 1,40 g mL-1. Cần bao nhiêu mililit axit nitric để chuẩn bị 500 mL dung dịch 0,50N?
  4. Cần thêm bao nhiêu nước vào 100,0 mL axit clohydric đậm đặc để tạo ra dung dịch 0,1000N? Axit clohydric đậm đặc có chứa HCl 37,00% khối lượng và có khối lượng riêng bằng 1,190 g mL-1.

Phản ứng trung hòa

  1. Hãy viết một phương trình cân bằng cho phản ứng của magie hydroxit với H3PO4 để tạo ra Mg3(PO4)2 và nước.

Trung hòa

  1. Các thể tích bằng nhau của Ba(OH)2 0,050M và HCl 0,040M cho tác dụng. Hãy tính nồng độ mol của của từng ion có mặt sau phản ứng.
  2. Tính thể tích của H2SO4 0,200M để trung hòa 20,0 mL NaOH 0,120N?
  3. Tính khối lượng bằng gam của Mg(OH)2 cần để phản ứng với 20,0 mL H3PO4 0,103N và biến đổi hoàn toàn thành PO43-.

Chuẩn độ

  1. Cần bao nhiêu thể tích dung dịch HCl 0,2N để chuẩn độ 20 mL dung dịch NaOH 0,35N?
  2. Nếu hòa toan 0,350 g canxi hydroxit vào nước, thì cần bao nhiêu mililit HCl 0,100M để chuẩn độ dung dịch về trung hòa?
  3. Cần một thể tích 35,8 mL natri hydroxit 0,100M để chuẩn độ 20,0 mL dung dịch axit sunfuric. Hỏi nồng độ chuẩn và nồng độ mol của dung dịch axit sunfuric này?
  4. Tính số gam axit lysergic, C15H15N2COOH trong dung dịch ứng với 8,6 mL NaOH 0,10M để chuẩn độ về điểm tương đương. (Mỗi phân tử axit lysergic chỉ có một H phản ứng với NaOH.)

Nhận biết axit

  1. Một sinh viên nhận được mẫu axit chưa biết, là một trong ba loại: axit axetic (CH3COOH), pyruvic (CH3COCOOH), hoặc propionic (CH3CH2COOH). Người đó chuẩn bị một dung dịch axit này bằng cách hòa tan 0,100 g axit vào 50,0 mL nước. Sau đó chuẩn độ dung dịch về điểm cuối bằng 11,3 mL NaOH 0,100M. Hãy nhận biết axit này. (Chỉ có một H trong mỗi phân tử axit phản ứng với NaOH.)

Nồng độ mol của dung dịch NH4Cl

  1. Một bazơ mạnh sẽ phản ứng với muối amoni để giải phóng amoni. Ngoài việc giúp định tính NH4+, phản ứng này còn có thể được dùng để xác định nồng độ mol của dung dịch NH4Cl. Thêm 50,0 mL NaOH 0,500M vào 20,0 mL dung dịch NH4Cl. Khí amoniac bị đẩy thoát ra bằng cách đốt nóng dung dịch. Dung dịch còn alji được chuẩn độ đến điểm cuối bằng 15,0 mL HCl 0,500M. Hãy viết các phương trình cân bằng đối với những phản ứng đã xảy ra, đồng thời tính nồng độ mol của dung dịch NH4Cl. Khối lượng NH3 đã thoát ra bằng bao nhiêu?

Chuẩn độ axit fomic

  1. Axit fomic, HCOOH, có thể được tạo ra bằng cách chưng cất kiến. Hỏi khối lượng axit fomic bằng bao nhiêu khi hòa tan trong 4,32 mL dung dịch nước sẽ cần đến 3,72 mL NaOH 0,0173N để trung hòa hoàn toàn? Coi như chỉ một nguyên tử H trong axit fomic phân ly.

Chuẩn độ axit oxalic

  1. Axit oxalic, (COOH)2, là thành phần tương đối độc của lá đại hoàng (R. rhabarbarum). Hãy tính thể tích NaOH 0,114N cần để phản ứng hoàn toàn với 0,273 g axit này nếu khối lượng tương đương của axit oxalic bằng 45,0 g. Nếu khối lượng tương đương này là đúng, thì điều này cho thấy gì về số nguyên tử hydro phân ly trong mỗi phân tử axit?

Nồng độ dung dịch bazơ

  1. Khối lượng phân tử của kali axit phthalat (HOOC—C6H4—COOK, viết tắt KHP) bằng 204,2. Nếu như 1,673 g KHP được hòa tan trong 80 mL nước, và dung dịch này cần 34,50 mL một dung dịch NaOH để làm cho chất chỉ thị phenolphtalein chuyển màu hồng nhạt, thì nồng độ mol của dung dịch NaOH nêu trên bằng bao nhiêu?
  2. Khi chuẩn độ HCl 0,15M bằng dung dịch magie hydroxit chưa biết nồng độ, thì cần 35,0 mL axit để trung hòa 25,0 mL bazơ. Hãy tính nồng độ mol của bazơ này.

Đương lượng axit

  1. Khi hòa tan vào nước, một mẫu 0,375 g của một axit yếu cần đến 28,8 mL natri hydroxit 0,1250M để khiến phenolphthalein chuyển màu hồng nhạt. Hỏi đương lượng của axit này bằng bao nhiêu?
  2. Một người hòa tan 0,300 g một axit chưa biết vào trong nước. Họ phát hiện rằng cần 14,60 mL NaOH 0,426N để trung hòa axit này. Hỏi đương lượng của axit này bằng bao nhiêu?

Nhận dạng qua chuẩn độ

  1. Khi trung hòa một mẫu 0,162 g của một axit chưa biết, cần 12,7 mL dung dịch NaOH 0,0943M. Đương lượng của axit này bằng bao nhiêu? Biết rằng axit là một trong hai loại: CH3—C6H4—COOH hoặc CH­3—CH2—C6H4—COOH. Hỏi nhiều khả năng là loại nào?
  2. Trong một thí nghiệm, lượng ammoniac trong 0,250 g một hợp chất Cu(NH3)xSO4, được trung hòa bởi 21,85 mL HCl 0,201N khi chuẩn độ tới điểm cuối. (a) Tỉ lệ phần trăm tính theo khối lượng của NH3 trong hợp chất bằng bao nhiêu? (b) Giá trị của chỉ số x trong công thức trên bằng bao nhiêu?

Công và năng lượng trọng trường

  1. Trên mặt đát, ở vĩ độ 40 Bắc, gia tốc trọng trường (g) hướng xuống có độ lớn bằng 9,806 m s-2. Khi đó người nặng 8 kg sẽ tác dụng lực lên sàn bằng bao nhiêu? Cần bao nhiêu công để đưa người từ tầng một lên tầng hai, nêu như khoảng cách giữa hai tầng này bằng 3,00 m. Nếu tất cả nhiệt từ metan đốt cháy được chuyển hóa thành công để nâng người này lên (cho dù điều này không thực hiện được về mặt nhiệt động học) thì cần đốt bao nhiêu gam metan để cung cấp đủ năng lượng đưa người này lên tầng hai? (Xem phương trình 2-12.)

Công và năng lượng

  1. Khi phanh ô tô được xiết thì động năng của xe được chuyển hóa thành nhiệt năng tại má phanh và trống quay. Cần bao nhiêu năng lượng để buộc một xe hơi 1200 kg từ vận tốc ban đầu 30 m s-1 dừng lại? Nếu như nhiệt đốt cháy của heptan, C7H16, một trong những thành phần chính của xăng, là 4800 kJ mol-1, và nếu sự chuyển hóa từ nhiệt sang công là hoàn toàn (vốn không thể xảy ra), thì cần bao nhiêu mol và bao nhiêu gam heptan để tăng tốc cho xe từ đứng yên lên 30 m s-1?

Sự thay đổi enthalpy và dạng của phương trình phản ứng

  1. Hãy tính độ thay đổi enthalpy hay nhiệt của các phản ứng sau tại 298 K bằng cách dùng số liệu ở Phụ lục 2:a) 2HI(k) → H2(k) + I2(r)

    b) HI(k) → ½H2(k) + ½I2(r)

    c) 2HI(k) → H2(k) + I2(h)

    d) H2(k) + I2(r) → 2HI(k)

    e) 2HI(k) → H2(k) + 2I(h)

    f) 2HI(k) → 2H(k) + 2I(h)

    g) 3HI(k) → H2(k) + I2(r) + HI(k)

    Tính nhiệt thăng hoa của I2 (để chuyển từ thể rắn sang thể hơi).

Phản ứng thu nhiệt và tỏa nhiệt

  1. Liệu phản ứng chuyển hóa rutile khoáng chất, TiO2, thành Ti3O5 ngoài khí trời là phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt? Nhiệt của phản ứng tại 298 K bằng bao nhiêu? Hãy viết một phương trình cân bằng.
  2. Lưu huỳnh có hai dạng tinh thể, hình thoi (rhombic) và lăng trụ dài (monoclinic). Vói số liệu ở Phụ lục 2, hãy tính nhiệt chuyển hóa từ dạng hình thoi sang lăng trụ. Nhiệt tạo thành của SO2(k) từ O2(k) và S lăng trụ ở 298 K bằng bao nhiêu?
  3. Một chu trình nhiệt hóa được xem xét cho việc sản xuất năng lượng hydro (H2O → H2 + ½O2) gồm có ba phản ứng sau.2H2O(l) + SO2(k) + I2(r) → H2SO4(dd) + 2HI(k)

    H2SO4(dd) → H2O(l) + SO2(k) + ½O2(k)

    2HI(k) → H2(k) + I2(r)

    Từ số liệu cho ở Phụ lục 2 (nhiệt tạo thành H2SO4(dd) = −907,5 kJ mol−1), hãy tính nhiệt phản ứng của từng phương trình trên. Dùng định luật Hess để tính nhiệt phản ứng cho quá trình phân tách nước.

Nhiệt phản ứng

  1. Tính hiệt của phản ứng tạo thành natri cacbonat từ Na2O và khí cacbonic tại 298 K.
  2. Nitơ triclorua, NCl3, là một loại dầu màu vàng, không bền, phát nổ ở 95°C và giải phóng N2, Cl2, cùng 230 kJ mol−1 nhiệt. Hãy viết một phương trình cân bằng cho phản ứng này, bao gồm cả ΔH. Hãy tính lượng nhiệt giải phóng bởi sự phân tách 10,0 g NCl3 tại 95°C.
  3. Tính nhiệt của phản ứng sau tại 298 K; biết ΔH0 của PbO2 là −276,6 kJ.

    4Al(r) + 3PbO2(r) → 3PbS(r) + 2Al2O3(r)

    Dấu của đáp số bạn tìm được cho ta biết điều gì?

  4. Nitơ điôxit, NO2, là một trong những chất ô nhiễm khí quyển do xe hơi thải ra. Nó được hình thành khi nhiệt độ cao trong động cơ đốt trong khiến cho N2 và O2 trong khí quyển kết hợp để tạo thành NO, và sau đó chất này phản ứng tiếp với O2 để tạo thành NO2. Cuối cùng chất ô nhiễm này được chuyển hóa thành HNO3. Một phương trình được đề xuất cho sự chuyển hóa này ở 298 K là

    O3 + 2NO2(k) + H2(h) → 2HNO3(dd) + O2(k)

    Hãy tính mức độ thay đổi enthalpy của phản ứng chuyển hóa này. Số liệu cần thiết có thể được tra ở Phụ lục 2.

Nhiệt đốt cháy

  1. Nhiệt đốt cháy CH3OH(l) thành khí cacbonic và nước lỏng ở 298 K là 715 kJ mol−1; còn đối với axit fomic, HCOOH(l), là 261 kJ mol−1. Hãy tính nhiệt của phản ứng tại 298 K

    CH3OH(l) + O2(k) → HCOOH(l) + H2O(l)

  2. Một quả bom đốt cháy có chứa 5,40 g nhôm kim loại và 15,97 g Fe2O3 được đặt trong một nhiệt lượng kế nước đá, trong đó ban đầu có 8,000 kg đá và 8,000 kg nước lỏng. Phản ứng

    2Al(r) + Fe2O3(r) → Al2O3(r) + 2Fe(r)

    được khởi phát bằng cách điều khiển từ xa. Quan sát thấy nhiệt lượng kế còn chứa 7,746 kg đá và 8,254 kg nước. Nhiệt nóng chảy của đá là 335 J g−1. Tính mức độ thay đổi enthalpy của phản ứng tại 0°C.

Đáp số

1. 26,58% K; 35,35% Cr; 38,07% O; 294,29 g mol-1

3. Ca­3SiO5

5. P4O10 ; 283,88 g mol−1 hay amu ph.tử−1

7. 51,9 amu ng.tử−1

9. Kẽm phản ứng với axit sunfuric để tạo ra hydro và kẽm sunfat. 65,37 g Zn và 98,08 g H2SO4 tạo ra 2,02 g H2 và 161,43 g ZnSO4. Số các nguyên tử từng nguyên tố ở hai vế phương trình thì bằng nhau.

11. a) Na + H2O → NaOH + ½H­2

b) Ca(OH)2 + CO2 → CaCO­3 + H2O

c) CO + 3H2 → CH4 + H2O

d) Al(NO3)3 + 3NH3 + 3H2O → Al(OH)­3 + 3NH4NO3

13. 366 g CO2

15. (a) Có, cân bằng; (b) 0,540 mol CO2; 23,8 g CO2 

17. Ca­3P2 + 6H2O → 3Ca(OH)2 + 2PH­3 ; 0,653 g PH­3

19.  0,244 millimol XeF6, XeF6, ; 2,6 mg F2, còn lại không đuợc dùng đến.

21. Không có chất tham gia nào còn dư; (b) 1,37 g Ocòn  dư.

23.  0,054 mol lít−1

25. Nồng độ molan = 1,133 mol kg−1; Nồng độ mol = 1,087 mol lít−1; Nồng độ chuẩn = 2,174 đ.l lít−1; Khối lượng riêng = 1,066 g mL−1,

27. Thêm 300 mL nước

29.  0,700M H2SO4

31.  0,000372 mol l−1, 0,000744 đl lít−1

33.  17,3 mL dung dịch axit nitric

35.  3Mg(OH)2 + 2H3PO4 → Mg3(PO4)2 + 6H2O

37.  6,0 mL H2SO4

39.  35 mL HCl

41.  0,179 đ.l lít−1 và 0,0895mol lít−1 

43. Axit pyruvic, CH­3COCOOH

45.  2,96 mg axit fomic

47.  0,237M NaOH

49.  104 g đ.l−1

51.  135,3 g đ.l−1; CH3—C6H4—COOH 

53.  785 newton; 2,35 kilojun; 42,4 mg metan 

55.  (a)−52 kJ; (b) −26 kJ; (c) +10 kJ; (d) +52 kJ; (e) +161 kJ; (f) +597 kJ; (g) −52 kJ. 

57.  +0,30 kJ mol−1; −297,2 kJ mol−1

59.  −321 kJ mol−1 

61.  −2510 kJ; Tỏa nhiệt. 

63.  −457 kJ 

Tài liệu đọc thêm

S. W. Benson, Chemical Calculations, Wiley, New York, 1971, 3rd ed.

L. K. Nash, Stoichiometry, Addison-Wesley, Reading, Mass., 1966.

M. J. Sienko, Chemistry Problems, Benjamin/Cummings, Menlo Park, Calif., 1972, 2nd ed.
Các Chương từ 2 đến 5 đặc biệt liên quan đến nội dung đang học

R. C. Weast, Ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, Chemical Rubber Co., Cleveland.
Có ấn bản mới hàng năm. Nhiều khả năng là cuốn sổ tay tra cứu số liệu hóa học thường dùng nhất.

E. I. Peters, Problem Solving for Chemistry, Saunders, Philadelphia, 1976, 2nd ed.

G. G. Long and F. C. Hentz, Jr. Problem Exercises for General Chemistry, Wiley, New York, 1978.

J. L. Rosenberg, College Chemistry, Shaum’s Outline Series, McGraw-Hill, New York, 1980, 6th ed.

3 phản hồi

Filed under Nguyên lý hóa học

3 responses to “Chương 2: Bảo toàn khối lượng và năng lượng

  1. Pingback: Những nguyên lý hóa học | Blog của Chiến

  2. Pingback: Phụ lục 2: Enthalpy tiêu chuẩn và năng lượng tự do Gibbs cùng entropy chuẩn theo định luật III tại 298 K | Blog của Chiến

  3. Pingback: Chương 5: Cân bằng dung dịch: Axit và Bazơ | Blog của Chiến

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s