Khí đóng vai trò quan trọng trong nhiều phản ứng hóa học khác nhau và việc hiểu biết về tỷ lệ hóa học khí là điều cần thiết để dự đoán kết quả của các phản ứng liên quan đến khí. Về bản chất, tỷ lệ hóa học liên quan đến việc tính toán chất phản ứng và sản phẩm trong các phản ứng hóa học. Trong bài học này, chúng ta sẽ tập trung vào tỷ lệ hóa học khí, liên quan đến mối quan hệ giữa thể tích, áp suất, nhiệt độ và số mol trong các phản ứng hóa học với các chất khí.
Khái niệm thể tích mol là cơ bản trong phép đo tỷ lệ khí. Nó được định nghĩa là thể tích chiếm bởi một mol khí. Ở nhiệt độ và áp suất chuẩn (STP), là 0°C (273,15 K) và áp suất 1 atm, một mol của bất kỳ khí lý tưởng nào chiếm 22,4 lít. Giả định này dựa trên Định luật khí lý tưởng:
\( PV = nRT \)Ở đâu:
Khi nói đến phản ứng hóa học liên quan đến khí, phép tính tỷ lệ hóa học trở nên phức tạp hơn một chút. Chìa khóa ở đây là chuyển đổi các lượng đã cho thành mol, vì phép tính tỷ lệ hóa học liên quan đến tỷ lệ mol giữa chất phản ứng và sản phẩm. Hãy xem xét quá trình đốt cháy mêtan (CH 4 ), một loại khí phổ biến, khi có oxy để tạo ra carbon dioxide và hơi nước:
\(\textrm{CH}_4 + 2\textrm{ồ}_2 \rightarrow \textrm{CO}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{ồ} \)Phương trình này cho chúng ta biết rằng 1 mol mêtan phản ứng với 2 mol oxy để tạo ra 1 mol cacbon dioxit và 2 mol hơi nước. Nếu cho thể tích mêtan ở STP, chúng ta có thể sử dụng thể tích mol để tìm số mol mêtan và sau đó áp dụng tỷ lệ mol để tìm thể tích của các khí khác có liên quan.
Giả sử chúng ta có 22,4 lít khí mêtan ở STP, tương đương với 1 mol mêtan. Sử dụng phép tính thành phần phản ứng, chúng ta có thể tính được thể tích oxy cần thiết và thể tích carbon dioxide và hơi nước tạo ra:
Thông thường trong các phản ứng liên quan đến khí, một chất phản ứng sẽ được tiêu thụ trước các chất khác, xác định mức độ của phản ứng. Chất phản ứng này được gọi là chất phản ứng giới hạn. Việc xác định chất phản ứng giới hạn là rất quan trọng để dự đoán chính xác lượng sản phẩm được tạo thành. Điều này có thể được thực hiện bằng cách tính toán số mol của từng chất phản ứng dựa trên thể tích của chúng và áp dụng các mối quan hệ tỷ lệ lượng của phản ứng.
Trong khi định luật khí lý tưởng \(PV = nRT\) rất quan trọng để hiểu hành vi của khí trong nhiều điều kiện khác nhau, nó cũng đóng vai trò then chốt trong phép tính tỷ lệ hóa học. Nó cho phép chuyển đổi giữa thể tích, áp suất, nhiệt độ và mol của khí, mở rộng khả năng giải quyết các bài toán tỷ lệ hóa học vượt ra ngoài điều kiện STP.
Ví dụ, nếu phản ứng diễn ra ở nhiệt độ hoặc áp suất khác với STP, thể tích khí liên quan vẫn có thể được tính bằng cách đầu tiên tìm số mol khí ở STP và sau đó áp dụng Định luật khí lý tưởng để tìm thể tích mới trong các điều kiện nhất định. Bước này rất cần thiết khi xử lý các tình huống thực tế mà phản ứng có thể không phải lúc nào cũng xảy ra trong điều kiện tiêu chuẩn.
Một ví dụ về tỷ lệ khí trong ứng dụng thực tế có thể thấy trong cơ chế triển khai túi khí trên xe. Việc túi khí phồng lên nhanh chóng là kết quả của phản ứng hóa học tạo ra một lượng khí lớn trong thời gian rất ngắn. Natri azide (NaN 3 ) thường được sử dụng, phân hủy để tạo ra khí nitơ (N 2 ) khi va chạm:
\(2\textrm{NaN}_3 \rightarrow 2\textrm{Na} + 3\textrm{N}_2\)Phản ứng này nhanh chóng tạo ra khí nitơ, làm phồng túi khí và giảm chấn động cho người ngồi trong xe. Ở đây, phép tính tỷ lệ được sử dụng để tính toán lượng natri azide chính xác cần thiết để tạo ra đủ khí nitơ để lấp đầy túi khí đến thể tích mong muốn trong mili giây.
Mặc dù chúng ta có thể không mô phỏng được phản ứng hóa học được sử dụng trong quá trình bơm hơi túi khí do lo ngại về an toàn, chúng ta có thể quan sát sự thay đổi thể tích khí trong các phản ứng đơn giản hơn. Ví dụ, phản ứng giữa giấm (axit axetic) và baking soda (natri bicacbonat) tạo ra khí carbon dioxide:
\(\textrm{CH}_3\textrm{COOH} + \textrm{NaHCO}_3 \rightarrow \textrm{CH}_3\textrm{COONa} + \textrm{H}_2\textrm{ồ} + \textrm{CO}_2\)Bằng cách tiến hành phản ứng này trong một hệ thống khép kín có gắn một quả bóng bay, chúng ta có thể quan sát trực quan khí được tạo ra làm phồng quả bóng bay. Thể tích khí được tạo ra sau đó có thể liên quan đến tỷ lệ thành phần của phản ứng, đưa ra một ví dụ hữu hình về tỷ lệ thành phần khí đang hoạt động.
Trong khi các nguyên tắc của phép đo tỷ lệ khí rất đơn giản, các ứng dụng thực tế có thể gây ra sự phức tạp. Các yếu tố như hành vi khí không lý tưởng trong một số điều kiện nhất định, độ tinh khiết của chất phản ứng và tốc độ phản ứng có thể ảnh hưởng đến kết quả. Những khía cạnh này cần được xem xét, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp, nơi độ chính xác là rất quan trọng.
Tỷ lệ hóa học khí cung cấp một công cụ mạnh mẽ để hiểu và dự đoán kết quả của các phản ứng hóa học liên quan đến khí. Bằng cách áp dụng các khái niệm như Định luật khí lý tưởng, thể tích mol và chất phản ứng giới hạn, chúng ta có thể tính toán thể tích khí tham gia vào các phản ứng trong nhiều điều kiện khác nhau. Cho dù trong các bối cảnh giáo dục, ứng dụng công nghiệp hay thậm chí trong các sản phẩm hàng ngày như túi khí, các nguyên tắc của tỷ lệ hóa học khí đều có ý nghĩa và ứng dụng rộng rãi.
