Định luật bảo toàn khối lượng và phương trình hóa học

I. Định luật bảo toàn khối lượng

1. Nội dung định luật bảo toàn khối lượng

Thí nghiệm: Chuẩn bị dung dịch barium chloride, sodium sulfate, cân điện tử, cốc thuỷ tinh. Trên mặt cân đặt 2 cốc, ghi tổng khối lượng 2 cốc.

Trên mặt cân đặt 2 cốc: cốc (1) đựng dung dịch barium chloride, cốc (2) đựng dung dịch sodium sulfate. Ghi tổng khối lượng 2 cốc.

Đổ cốc (1) vào cốc (2), lắc nhẹ để hai dung dịch trộn lẫn với nhau.

Quan sát thấy có một chất rắn màu trắng xuất hiện ở cốc (2).

Phản ứng xảy ra như sau:

Barium chloride + Sodium sulfate → Barium sulfate + Sodium chloride

Đặt 2 cốc trở lại mặt cân. Thấy tổng khối lượng của các chất trước phản ứng với tổng khối lượng các chất sau phản ứng bằng nhau.

Giải thích: Trong các phản ứng hoá học, chỉ có liên kết giữa các nguyên tử thay đổi, còn số nguyên tử của mỗi nguyên tố hoá học vẫn giữ nguyên, vì vậy tổng khối lượng của các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng của các sản phẩm.

Nội dung định luật:

2. Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng

Trong phản ứng: 

Barium chloride + Sodium sulfate → Barium sulfate + Sodium chloride

Theo định luật bảo toàn khối lượng:

m_{Barium chloride} + m_{Sodium sulfate} = m_{Barium sulfate} + m_{Sodium chloride}

Ví dụ 1: Biết khối lượng Barium chloride và Sodium sulfate đã phản ứng lần lượt là 20,8 gam và 14,2 gam, khối lượng của Barium sulfate tạo thành là 23,3 gam, ta sẽ xác định được khối lượng của Sodium chloride tạo thành?

Hướng dẫn

Theo định luật bảo toàn khối lượng:

m_{Barium chloride} + m_{Sodium sulfate} = m_{Barium sulfate} + m_{Sodium chloride}

⇒  m_{Sodium chloride} = m_{Barium chloride} + m_{Sodium sulfate} -  m_{Barium sulfate} = 20,8 + 14,2 - 23,3 = 11,7(gam).

Tổng quát: Nếu trong phản ứng có n chất, khi biết khối lượng đã tham gia và tạo thành của (n - 1) chất, ta sẽ xác định được khối lượng của chất còn lại.

Ví dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn 3,1 gam  Phosphor trong không khí (có khí oxygen), ta thu được 7,1 gam hợp chất Diphosphor pentoxide (P₂O₅).

a) Viết phương trình phản ứng bằng chữ.

b) Tính khối lượng oxygen đã tham gia phản ứng.

Hướng dẫn

a) Phương trình chữ:

Phosphor + Oxygen → Diphosphor pentoxide 

b) Theo định luật bảo toàn khối lượng:

m_Phosphor + m_Oxygen = m_{Diphosphor pentoxide} 

⇒ m_Oxygen  = m_{Diphosphor pentoxide} - m_Phosphor = 7,1 - 3,1 = 4 (gam)

II. Phương trình hóa học

1. Lập phương trình hóa học

Phản ứng hóa học giữa khí oxygen và khí hydrogen được biểu diễn bằng phương trình chữ như sau:

Khí hydrogen + khí oxygen → Nước

Thay tên các chất bằng công thức hóa học, được sơ đồ phản ứng:

H₂ + O₂ ----→ H₂O

Trong phản ứng hoá học, tổng số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong các chất tham gia phản ứng luôn bằng tổng số nguyên tử của nguyên tố đó trong các chất sản phẩm. Sau khi cân bằng, tổng số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế của sơ đồ phản ứng bằng nhau. 

Ta được phương trình hóa học:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Các bước lập phương trình hoá học:

Bước 1: Viết sơ đồ của phản ứng

Al + O₂ ----→ Al₂O₃

Bước 2: Cân bằng số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở 2 vế.

Số nguyên tử Al và O ở 2 vế đều không bằng nhau

O có số nguyên tử nhiều hơn nên ta bắt đầu từ nguyên tố này trước.

O₂ có 2 nguyên tử O còn Al₂O₃ có 3 nguyên tử O nên để cân bằng, ta đặt hệ số 2 trước Al₂O₃ và hệ số 3 trước O₂.

Al + 3O₂ ----→ 2Al₂O₃

Để cân bằng tiếp số nguyên tử Al ta cần đặt hệ số 4 trước Al ở vế trái

Bước 3: Viết phương trình hoá học của phản ứng

4Al + 3O₂  → 2Al₂O₃

Lưu ý:

• Hệ số viết ngang với kí hiệu của các chất.
• Không thay đổi các chỉ số trong các công thức hoá học đã viết đúng.
• Nếu trong công thức hoá học, các chất ở 2 vế có những nhóm nguyên tử giống nhau, ta coi nhóm nguyên tử này như một "nguyên tố để cân bằng".

Ví dụ: Cân bằng phản ứng: Al + HCl ----→ AlCl₃ + H₂

Hướng dẫn

Trước phản ứng có 1 nguyên tử H và 1 nguyên tử Cl trong phân tử HCl; sau phản ứng có 3 nguyên tử Cl trong AlCl₃; 2 nguyên tử H trong phân tử H₂, do đó ta lấy bội chung nhỏ nhất của 3 và 2 là 6, đặt trước HCl, được:

Al + 6HCl ---→ AlCl₃ + H₂

Để cân bằng số nguyên tử H ta đặt hệ số 3 trước H₂; để cân bằng số nguyên tử Cl ta đặt hệ số 2 trước AlCl₃, được:

Al + 6HCl ---→ 2AlCl₃ + 3H₂

Cuối cùng để cân bằng số nguyên tử Al ta thêm hệ số 2 trước Al ở vế trái. Phương trình hoá học của phản ứng được hoàn thiện như sau:

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

2. Ý nghĩa của phương trình hoá học

Phương trình hóa học cho biết trong phản ứng hóa học, lượng các chất tham gia phản ứng và các chất sản phẩm tuân theo 1 tỉ lệ xác định.

Ví dụ 1: Xét phương trình phản ứng:  3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄. 

Cứ 3 nguyên tử Fe phản ứng với 2 phân tử O₂, tạo ra 1 phân tử Fe₃O₄

Số nguyên tử Fe : số phân tử O₂ : Số phân tử Fe₃O₄ = 3:2:1

• Khi học về mol, ta biết được đó cũng là tỉ lệ mol:

Số mol Fe : số mol O₂ : số mol Fe₃O₄ = 3:2:1

Vậy tỉ lệ số mol của các chất đúng bằng tỉ lệ hệ số của chúng trong phương trình hóa học.

• Từ tỉ lệ số mol, ta xác định được tỉ lệ về khối lượng các chất.

Khối lượng Fe : Khối lượng O₂ : Khối lượng Fe₃O₄ = (56.3):(32.2):(232.1) = 168 : 64 : 232 = 21 : 8 : 29

Ví dụ 2: Giả thiết trong không khí, Iron tác dụng với oxygen tạo thành gỉ Iron (Fe₂O₃). Từ 5,6 gam Iron có thể tạo ra tối đa bao nhiêu gam gỉ iron?

Hướng dẫn

Phương trình hoá học: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

Ta có tỉ lệ:

Số mol Fe : Số mol O₂ : Số mol Fe₂O₃ = 4 : 3 : 2.

Từ tỉ lệ mol ta xác định được tỉ lệ khối lượng các chất:

Khối lượng Fe : Khối lượng O₂ : Khối lượng Fe₂O₃

= (56 . 4) : (32 . 3) : (160 . 2) = 7 : 3 : 10.

Vậy cứ 7 gam Fe phản ứng hết với 3 gam O₂ tạo ra 10 gam Fe₂O₃.

Do đó từ 5,6 gam Fe có thể tạo ra tối đa: