Phép đo lượng hóa học là một nhánh của hóa học liên quan đến mối quan hệ định lượng giữa các chất phản ứng và sản phẩm trong phản ứng hóa học. Biết phép cân bằng hóa học cho phép các nhà hóa học xác định lượng chất được tiêu thụ và tạo ra trong một phản ứng, điều này rất quan trọng đối với công việc trong phòng thí nghiệm và các ứng dụng công nghiệp.
Trong phép cân bằng hóa học, phương trình hóa học cung cấp công thức cho một phản ứng hóa học. Nó cho thấy chất phản ứng nào kết hợp và sản phẩm nào được hình thành, cùng với số lượng tương ứng của chúng. Xét phương trình đốt cháy khí metan:
\( \textrm{CH}_4 + 2\textrm{ồ}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{ồ} \)Phương trình này cho chúng ta biết rằng một phân tử metan ( \(\textrm{CH}_4\) ) phản ứng với hai phân tử oxy ( \(2\textrm{ồ}_2\) ) để tạo ra một phân tử carbon dioxide ( \(\textrm{CO}_2\) ) và hai phân tử nước ( \(2\textrm{H}_2\textrm{ồ}\) ).
Mol là đơn vị dùng trong hóa học để biểu thị lượng chất hóa học. Một mol chứa chính xác \(6.022 \times 10^{23}\) hạt của chất (số Avogadro). Sử dụng khái niệm mol, các nhà hóa học có thể liên hệ khối lượng của các chất với số lượng hạt hoặc số mol tham gia vào phản ứng.
Các số đứng trước công thức hóa học trong phương trình hóa học được gọi là hệ số cân bằng hóa học. Chúng chỉ ra tỷ lệ các chất phản ứng kết hợp và tạo thành sản phẩm. Trong ví dụ về quá trình đốt cháy khí mêtan, các hệ số cân bằng hóa học là 1 đối với khí mêtan, 2 đối với oxy, 1 đối với carbon dioxide và 2 đối với nước.
Để thực hiện các phép tính cân bằng hóa học, thông thường chúng ta cần chuyển đổi số mol sang gam hoặc ngược lại. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng khối lượng mol của chất đó, tức là khối lượng của một mol chất đó. Khối lượng mol của một hợp chất là tổng khối lượng mol của các thành phần của nó. Ví dụ:
Hãy tính khối lượng khí cacbonic tạo ra khi \(50.0\, \textrm{g}\) khí mêtan đốt cháy hoàn toàn trong oxy. Khối lượng mol của khí mêtan là \(16.04\, \textrm{g/mol}\) , và khối lượng mol của carbon dioxide là \(44.01\, \textrm{g/mol}\) .
Đầu tiên, chuyển đổi khối lượng metan thành mol:
\( \textrm{mol CH}_4 = \frac{50.0\, \textrm{g}}{16.04\, \textrm{g/mol}} \)Sử dụng các hệ số cân bằng hóa học từ phương trình cân bằng, chúng ta biết rằng 1 mol khí metan tạo ra 1 mol khí cacbonic, do đó số mol khí cacbonic tạo ra sẽ bằng số mol khí mêtan đã phản ứng.
Sau đó, chuyển đổi số mol carbon dioxide thành gam:
\( \textrm{khối lượng CO}_2 = \textrm{mol CO}_2 \times \textrm{khối lượng mol của CO}_2 \)Trong phản ứng hóa học, chất phản ứng hạn chế là chất được tiêu thụ hoàn toàn trước tiên và xác định lượng sản phẩm tối đa có thể được tạo thành. Hiệu suất lý thuyết là lượng sản phẩm tối đa được mong đợi từ một phản ứng, dựa trên lượng chất phản ứng giới hạn.
Để xác định chất phản ứng giới hạn, hãy so sánh tỷ lệ mol của chất phản ứng có sẵn với tỷ lệ mol theo yêu cầu của phương trình hóa học cân bằng. Chất phản ứng cung cấp lượng sản phẩm ít nhất theo tỷ lệ cân bằng hóa học là chất phản ứng giới hạn. Tính hiệu suất lý thuyết bao gồm việc sử dụng lượng chất phản ứng giới hạn và phép cân bằng hóa học của phản ứng.
Hãy xem xét phản ứng giữa khí nitơ ( \(\textrm{N}_2\) ) và khí hydro ( \(\textrm{H}_2\) ) để tạo ra amoniac ( \(\textrm{NH}_3\) ):
\( \textrm{N}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)Nếu chúng ta có 28 g \(\textrm{N}_2\) và 10 g \(\textrm{H}_2\) , đó là chất phản ứng giới hạn và hiệu suất lý thuyết của \(\textrm{NH}_3\) là bao nhiêu \(\textrm{NH}_3\) ?
Khối lượng mol của \(\textrm{N}_2 = 28.02\, \textrm{g/mol}\) ; Khối lượng mol của \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{g/mol}\)
Chuyển đổi gram sang nốt ruồi:
\( \textrm{mol của N}_2 = \frac{28\, \textrm{g}}{28.02\, \textrm{g/mol}} \) \( \textrm{mol của H}_2 = \frac{10\, \textrm{g}}{2.016\, \textrm{g/mol}} \)So sánh tỷ lệ mol có sẵn của \(\textrm{H}_2\) với \(\textrm{N}_2\) với tỷ lệ cân bằng hóa học từ phương trình. Chất phản ứng giới hạn xác định lượng \(\textrm{NH}_3\) tối đa có thể được tạo ra. Chuyển đổi số mol chất phản ứng giới hạn thành số mol \(\textrm{NH}_3\) bằng cách sử dụng các hệ số cân bằng hóa học, sau đó chuyển đổi thành gam nếu cần.
Các phép tính cân bằng hóa học không chỉ giới hạn ở các chất phản ứng và sản phẩm ở dạng nguyên chất; chúng cũng áp dụng cho các giải pháp. Trong dung dịch nước, nồng độ thường được biểu thị bằng nồng độ mol, tức là số mol chất tan trên một lít dung dịch ( \(M = \textrm{mol/L}\) ).
Khi thực hiện các phản ứng trong dung dịch, thể tích dung dịch và nồng độ mol của nó có thể được sử dụng để tìm số mol chất phản ứng hoặc sản phẩm tham gia. Điều này đặc biệt hữu ích trong các thí nghiệm chuẩn độ, trong đó dung dịch có nồng độ đã biết được sử dụng để xác định nồng độ của dung dịch chưa biết bằng cách trung hòa.
Giả sử chúng ta cần trung hòa 50,0 mL dung dịch HCl 1,0 M bằng dung dịch NaOH. Phản ứng như sau:
\( \textrm{HCl} + \textrm{NaOH} \rightarrow \textrm{NaCl} + \textrm{H}_2\textrm{ồ} \)Phép cân bằng hóa học của phản ứng cho chúng ta biết rằng một mol HCl phản ứng với một mol NaOH để tạo ra một mol NaCl và một mol nước. Đầu tiên xác định số mol HCl:
\( \textrm{mol HCl} = \textrm{Khối lượng (L)} \times \textrm{Độ mol (M)} \)Sau đó, dùng tỉ số cân bằng hóa học, tính thể tích dung dịch NaOH cần thiết để phản ứng hoàn toàn với dung dịch HCl. Ví dụ này chứng tỏ việc áp dụng phép cân bằng hóa học trong các dung dịch, trong đó nồng độ và thể tích của dung dịch xác định lượng chất phản ứng và sản phẩm.
Phép cân bằng hóa học là một khái niệm cơ bản trong hóa học cho phép phân tích định lượng chất phản ứng và sản phẩm trong phản ứng hóa học. Bằng cách hiểu mối quan hệ giữa lượng chất khác nhau tham gia phản ứng, các nhà hóa học có thể dự đoán hiệu suất sản phẩm, xác định các chất phản ứng hạn chế và tính toán lượng vật liệu cần thiết cho phản ứng. Dù xử lý các phản ứng ở dạng nguyên chất hay ở dạng dung dịch, các phép tính cân bằng hóa học đều cung cấp những hiểu biết có giá trị cho cả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và các quy trình hóa học công nghiệp. Các thành phần chính, bao gồm khái niệm mol, hệ số cân bằng hóa học và khả năng chuyển đổi giữa mol và gam hoặc xác định nồng độ trong dung dịch, đều cần thiết để thực hiện các phép tính này một cách chính xác. Thông qua thực hành và ứng dụng, người ta có thể nắm vững các phép tính cân bằng hóa học và áp dụng chúng vào nhiều vấn đề hóa học.
