PHẢN ỨNG HÓA HỌC, PHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC VÀ HÓA HỌC LƯỢNG PHÁP

5.1 CÁC CÂU CỦA HÓA HỌC

Từ xưa, hóa học là một ngôn ngữ. Để học tốt môn này phụ thuộc vào mức độ giỏi ngôn ngữ hóa học. Chương này trình bày phần còn lại của hầu hết những phần cơ bản của ngôn ngữ hóa học. Khi học, chúng ta  sẽ có được những công cụ cần thiết để diễn đạt, viết và vận dụng hóa học vào những môi trường và những lĩnh vực khác.

Những cuộc thảo luận về ngôn ngữ hóa học bắt đầu trước khi học về nguyên tố, nguyên tử bao gồm nguyên tố, và những kí hiệu được sử dụng để gọi tên chính thức những nguyên tố  này và nguyên tử của chúng. Nguyên tử của những nguyên tố kết hợp với nhau bằng nhiều sự liên kết khác loại để tạo thành hợp chất hóa học, gọi là công thức hóa học, bao gồm nhiều kí hiệu cho những loại nguyên tử trong hợp chất vàmũ dưới là những con số liên quan đến số nguyên tử của mỗi loại hợp chất. Trong ngôn ngữ hóa học, kí hiệu của các nguyên tố là chữ cái trong bảng chữ alphabet và công thức hóa học là những từ trong hóa học.

Phản ứng hóa học và phương trình hóa học: câu của ngôn ngữ hóa học

Sự hình thành, phân hủy và tương tác của hợp chất hóa học với 1 nguyên tố khác gọi là phản ứng hóa học. PƯHH có liên quan đến quá trình sản xuất hàng triệu kilogram các chất hóa học công nghiệp hàng năm, … hóa học phân tích thành phần và số lượng các chất có trong mẫu và bất kỳ sự vận hành nào có liên quan đến hóa học trong thực tiễn. Hiểu rộng hơn, hóa học là một ngành học của của những phản ứng hóa học được biểu diễn trên giấy dưới dạng các phương trình hóa học. Một phương trình hóa học là một câu, được tạo nên từ những từ ngữ gồm những công thức hóa học. Một câu được đặt cùng nhau theo một thứ tự có quy tắc, có thể hiểu bằng tất cả ngôn ngữ. Quy tắc của ngôn ngữ hóa học đặc biệt nghiêm ngặt. Một câukhông đầy đủ ngữ pháp, khi nói vẫn có thể diễn đạt được đủ ý nghĩa, nhưng chỉ một lỗi nhỏ trong phương trình hóa học có thể gây hiểu nhầm, thậm chí là vô nghĩa.

Lượng tính toán từ phương trình hóa học

Hóa học là 1 ngành khoa học về lượng, cách tính toán trong những khóa học hóa sơ cấp là điều rất quan trọng. Trong đó, cái quan trọng nhất chính là tính toán lượng những chất bị tác dụng hay được tạo ra trong phản ứng hóa học. Những tính toán như vậy được gọi là hóa học lượng pháp. Trong phản ứng hóa học, nhiệt thường được tỏa ra hoặc thu vào. Việc tính toán số lượng nhiệt có liên quan đến những phản ứng được đưa vào một nhánh của hóa học gọi là nhiệt hóa học.

5.2 CÁC THÔNG TIN TRONG MỘT PHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC

Phản ứng hóa học:

Phản ứng hóa học là một quá trình liên quan đến sự phá vỡ hay hình thành các liên kết hóa học và sự thay đổi thành phần hóa học của những chất tham gia phản ứng. Một phản ứng hóa học có thể liên quan đến sự kết hợp của hai nguyên tố để hình thành nên 1 hợp chất. Ví dụ, phản ứng của nguyên tố hydro và oxy để tạo ra phân tử nước. Sự dịch chuyển của dòng điện trong nước có thể tạo thành một hợp chất có thể phân hủy và tạo ra O, H. Khi gỗ cháy, xenlulose (1 hợp chất trong gỗ) phản ứng với O2 trong không khí để tạo thành 2 hợp chất là CO2 và H2O.Carbon dioxide sủi bọt khí trong dung dịch Calcium hydroxide, tạo ra calcium carbonate (1 dạng đá) và nước. Năng lượng có liên quan đến phản ứng hóa học, 1 vài phản ứng sản sinh ra năng lượng , những phản ứng đòi hỏi năng lượng mới có thể xảy ra.

Biểu diễn 1 phản ứng hóa học dưới dạng phương trình hóa học

Phương trình hóa học là một phương thức biểu diễn phản ứng hóa học. Nó cho biết cái gì phản ứng, cái gì sinh ra, mối quan hệ giữa về số lượng của mỗi chất. Bằng việc kiểm nghiệm mộtphương trình hóa học, những thông tin được cung cấp có thể được hiểu một cách rõ nhất. Ví dụ, xét về sự cháy của propane, một loại khí tách ra từ dầu hỏa, sử dụng rộng rãi cho sưởi ấm, nấu nướng, phơi hạt và việc ứng dụng trong quá trình đốt cháy nguyên liệu sạch thực sự cần trong lĩnh vực này khi ống dẫn khí không sử dụng được.Propane cháytác dụng với oxy trong không khí, phương trình hóa học của phản ứng như sau:

C3H8+  5O2                    3CO2+ 4H2O

Propan tác dụng với oxy tạo ra carbon dioxide và nước.

Có 2 tác chất phía bên trái phương trình – propane có công thức hóa học là C3H8 và oxy có công thức là O2

Có 2 sản phẩm bên phải phương trình – carbon dioxide có công thức hóa học là CO2, và nước có công thức là H2O

Đối với đơn vị nhỏ nhất có thể của phản ứng này, 1 phân tử propane phản ứng với 5 phân tử oxy tạo 3 phân tử CO2 và 4 phân tử H2O, ta biểu diễn bằng một chữ số khách quan đứng trước công thức hóa học.

Có 3 nguyên tử C cùng đứng bên trái của phương trình, tất cả có trong phân tử C3H8, và 3 nguyên tử C bên phải nằm trong phân tử CO2

Có 8 nguyên tử H trong tác chất, tất cả trong phân tử C3H8 và 8 nguyên tử H trong 4 phân tử nước sản phẩm

Có 10 nguyên tử O trong 5 phân tử O2phía bên trái của phương trình và 10 nguyên tử O phía bên phải. 10 nguyên tử O trong sản phẩm được biểu diễn trong 3 phân tử CO2 và 4 phân tử H2O

Giống phương trình toán học, bên trái phương trình phải tương đương với bên phải. Phương trình hóa học phải cân bằng các nguyên tử: Một phương trình hóa học được viết đúng khi tổng số nguyên tử cả hai phía của phương trình cân bằng nhau.

Như các bạn thấy, phương trình trên có 3 nguyên tử carbon, 8 nguyên tử hydrogen và 10 nguyên tử oxy ở cả 2 bên phương trình. Vì vậy, phương trình được cân bằng. Sự cân bằng trong phương trình hóa học là 1 sự vận hành vô cùng quan trọng, và sẽ được đề cập trong phần sau.

Những ký hiệu sử dụng trong cân bằng hóa học

Một vài kí hiệu được sử dụng trong cân bằng hóa học. Hai bên của cân bằng được chia ra bởi một mũi tên, → hoặc một mũi tên đôi ↔. Mũi tên đôi biểu hiện một phản ứng ngược lại, nghĩa là, một phản ứng có thể đi theo một trong hai hướng. Các dấu hiệu vật lý của các hợp chất cấu thành được cho bởi ký hiệu trong dấu ngoặc đơn theo ngay sau công thức: (s) thay cho một chất rắn, (l) thay cho chất lỏng, (g) thay cho khí, và (aq) thay cho vật chất tan trong dung dịch nước. Một mũi tên hướng lên(↑), ngay sau công thức của sản phẩm cho biết rằng sản phẩm được tạo ra như khí, (↓) biểu diễn sản phẩm là một chất kết tủa (sự tạo hình chất rắn từ một phản ứng trong dung dịch và sự lắng xuống đáy của bình). Có hai kí hiệu không được sử dụng rộng rãi trong sách này, nhưng chúng được bắt gặp trong vài nền văn hóa hóa học xưa. Ký hiệu ∆ nằm ở trên mũi tên cho ra sản phẩm từ chất phản ứng biểu diễn nhiệt cần cho phản ứng. Như một ví dụ sử dụng vài kí hiệu đã trình bày ở trên, xét phản ứng sau:

CaCO3(s) + H2SO4(aq)      ∆       CaSO4(s) + CO2(g) + H2O(l)       (5.2.2)

Phản ứng này biểu diễn chất rắn canxi cacbonat phản ứng với dung dịch axit sunfuric nóng được hòa tan trong nước để tạo ra chất chất rắn canxi sunphat, khí cacbondioxit và nước.

5.3 SỰ CÂN BẰNG HÓA HỌC:

Như đã biết trong phần trước, một cân bằng hóa học được viết đúng cách là có những con số cân bằng của nguyên tử trong mỗi nguyên tố ở hai bên của cân bằng. Làm cân bằng một cân bằng hóa học được hoàn thành bởi vị trí con số đứng trước mỗi công thức trong cân bằng hóa học. Tuy nhiên, những điều trên phải được ghi nhận:

“Chỉ những con số đứng trước công thức hóa học có thể thay đổi để cân bằng một cân bằng hóa học. Các công thức hóa học (chỉ số dưới) không thể thay đổi trong lúc cân bằng.”

Cân bằng được hoàn thành bởi việc xét một nguyên tố trong một thời gian và cân bằng bằng cách thay đổi những con số trước những công thức mà nó được chứa, sau đó lần lượt cân bằng những nguyên tố khác trong những công thức chứa trong phương trình.

Làm cân bằng cho phản ứng hidro sunfic với sunfur dioxit:

Như một ví dụ chỉ cách cân bằng hóa học, xét phản ứng của khí hidro sunfic (H2S) với sunfur dioxit (SO2­) để sinh ra nguyên tố lưu huỳnh (S) và nước (H2O). Phản ứng này là quá trình Claus cái mà tạo ra nhiều số lượng lớn nguyên tố lưu huỳnh được lấy ra từ chất ô nhiễm sunfur dioxit và từ chất độc hidro sunfic trong sự “lên men” khí tự nhiên. Những bước sử dụng cân bằng hóa học theo trên là:

1.     Viết đúng công thức của chất phản ứng và sản phẩm ở mỗi bên của cân bằng

  SO2+             H2S          →            S       +        H2O

Sunfur dioxit             hidro sunfic                sunfur            nước

Chất phản ứng         Sản phẩm

2.     Chọn một nguyên tố để cân bằng lúc đầu, thích hợp hơn là nguyên tố mà chứa trong một chất phản ứng và một sản phẩm. Trong trường hợp này, ôxi có thể được chọn. Có hai nguyên tử ôxi trong phân tử SO2 ở bên trái được cân bằng bởi vị trí số 2 đứng trước sản phẩm H2O.

SO2   +    H2S     →      S    +   2H2O

3.     Chọn một nguyên tố khác ở công thức nguyên tố phức tạp trong quá trình trước và cân bằng nó ở cả hai bên của cân bằng. Trong trường hợp này, hidro trong H2O có thể được cân bằng bởi vị trí số 2 trước H2S.

SO2   +    2H2S     →      S    +   2H2O

4.     Tiếp tục đến những nguyên tố còn lại. Lưu huỳnh vẫn chưa được xem xét. Có 3 nguyên tố lưu huỳnh ở bên trái, được chứa trong 1 phân tử SO2 và 2 phân tử H2S. Chúng ta đã xét những phân tử trong quá trình trước và nên tránh thay đổi những con số của mỗi phân tử đó. Tuy nhiên, lưu huỳnh có thể được cân bằng ở vị trí số 3 trước sản phẩm S

SO2   +    2H2S     →      3S    +   2H2O

5.     Kiểm tra những con số của mỗi loại nguyên tố ở mỗi bên phương trình, nếu thấy chúng cân bằng thì phương trình đã cân bằng. Trong trường hợp này, có 3 nguyên tố lưu huỳnh, 4 nguyên tố H, và 2 nguyên tố O ở mỗi bên đã được cân bằng.

Vài ví dụ khác cho sự cân bằng:

Hai ví dụ khác cho cân bằng được xét ở đây. Đầu tiên là sự đốt cháy trong không khí ẩm ướt của nhôm photphic, AlP, để cho ra nhôm oxit và axit photphoric, H3PO4. Phản ứng chưa được cân bằng:

AlP     +      O2       +      H2O    →       Al2O3     +      H3PO4

Những bước cân bằng phản ứng như sau, bắt đầu với Al:

2AlP     +      O2       +      H2O    →       Al2O3     +      H3PO4

Cân bằng P:

2AlP     +      O2       +      H2O    →       Al2O3     +      2H3PO4

Cân bằng H:

2AlP     +      O2       +      3H2O    →       Al2O3     +      2H3PO4

Cân bằng O:

2AlP     +      4O2       +      3H2O    →       Al2O3     +      2H3PO4         (5.3.1)

Kiểm tra mỗi nguyên tố cân bằng:

Chất phản ứng:                                                Sản phẩm:

2 Al trong 2 AlP                                    2Al trong 1 Al2O3

11O trong 4O2­ và 3H2O                         11 O trong 1 Al2O3  và 2 H3PO4

6 H trong 3H2O                                               6 H trong 2 H3PO4

Ví dụ thứ hai về cân bằng phương trình hóa học là minh họa về trimethylchlorosilane – một chất lỏng dễ cháy sử dụng sản xuất silicon tinh khiết cao cho việc ứng dụng tạo chất bán dẫn. Một tai nạn vận chuyển đã làm đổ hóa chất đó và cháy tạo thành carbon dioxit và bụi silic dioxit và axit clohidric. Phương trình chưa cân bằng là:

(CH3)3SiCl    +     O2                        CO2+    H2O   +    SiO2+   HCl

Si và Cl được cân bằng trước, sau đó là cân bằng H:

(CH3)3SiCl    +     O2                        CO2+    4H2O   +    SiO2+   HCl

Cân bằng C:

(CH3)3SiCl    +     O2                        3CO2+    4H2O   +    SiO2+   HCl

Cân bằng O:

(CH3)3SiCl    +     6O2                      3CO2+   4 H2O   +    SiO2+   HCl

Kiểm tra số lượng các nguyên tố trong sản phẩm và tác chất đã được cân bằng.

Một số trường hợp, sự tồn tại của loại phân tử 2 nguyên tử như O2 bắt buộc ta phải gấp đôi số lượng của các chất khác. Ví dụ, xét phương trình cháy của methane ( CH4 ) trong điều kiện thiếu oxi tạo ra khói độc carbon monoxit CO. Phương trình ban đầu là:

CH4+     O2                           CO    +    H2O

Cân bằng C và H:

CH4+     O2                           CO    +    2H2O

Nhận thấy có tổng 3 nguyên tử O ở bân phải, nên cần thêm vào nguyên tử O bên chất phản ứng để có tổng 3 O bên trái để O được cân bằng. Ta có thể đặt 3/2 O2 để được:

CH4+    3/2O2                       CO    +    2H2O

Tuy nhiên theo nguồn gốc hệ số của phương trình thường là số nguyên. Phân số sẽ được khử khi ta nhân với 2 để phản ứng đạt cân bằng:

2CH4+    3O2                        2CO    +    4H2O      

Tóm tắt các bước để cân bằng một phản ứng:

Dưới đây là sự tóm tắt các bước giúp cân bằng phản ứng, nhưng phải ghi nhớ rằng phương pháp  nào cũng có một giới hạn sử dụng. Cuối cùng, nó cũng là một nội dung đáng học hỏi và đánh giá tốt. Các bước như sau:

1.     Mô tả rõ ràng phương trình gồm các hợp chất, nguyên tố, và các ion tham gia phản ứng.

2.     Viết xuống một cách đúng đắn các công thức của chất phản ứng và sản phẩm.

3.     Kiểm tra phương trình ban đầu theo nhóm các nguyên tử, như ion SO4 , sau phản ứng vẫn còn nguyên. Cân bằng sẽ đơn giản khi xem xét các nhóm nguyên tố.

4.     Kiểm tra phương trình ban đầu theo các phân tử 2 nguyên tử, như là O2, một số trường hợp có thể cần gấp đôi số đứng trước các chất tham gia phản ứng.

5.     Chọn các nguyên tố mà chỉ tạo từ một chất phản ứng và một sản phẩm, và cân bằng các nguyên tố bằng cách đặt các số thích hợp trước tác chất và sản phẩm.

6.     Cân bằng các nguyên tố khác trong phương trình theo các bước như trên.

7.     Tiếp tục quá trình cân bằng, mỗi lần một nguyên tố cho đến hết.

8.     Kiểm tra chắc chắn rằng các sự bằng nhau của các số nguyên tử của các nguyên tố xuất hiện trong hai vế phương trình

5.4  PHẢN ỨNG CÓ XẢY RA HAY KHÔNG?

Có thể viết phương trình hóa học cho các phản ứng không xảy ra, hoặc đó chỉ xảy ra ở một mức độ hạn chế. Điều này có thể được minh họa bằng một vài ví dụ. Hãy xem xét những vấn đề phải đối mặt với phòng thí nghiệm của một kỹ thuật viên làm nghiên cứu về các ion kim loại là chất dinh dưỡng thực vật được lọc từ đất do nước. Các kỹ thuật viên đã được sử dụng bản phân tích hấp thụ nguyên tử, một phương pháp kĩ thuật nhạy cảm để xác định các ion kim loại trong dung dịch. Trong khi xác định nồng độ của ion kẽm, Zn2+,hòa tan trong nước lọc đất, các kỹ thuật viên không được biết đến dung dịch kẽm tiêu chuẩn được sử dụng để

để cung cấp nồng độ cô đặc của kẽm để hiệu chỉnh các công cụ, do đó, bài đọc của mình

sẽ cung cấp cho các giá trị được biết đến từ các giải pháp mẫu. Mỗi lít dung dịch tiêu chuẩn

có chính xác 1 mg kẽm ở dạng clorua kẽm hòa tan,ZnCl2. Các kỹ thuật viên lý luận rằng một dung dịch có thể được chuẩn bị bằng cách cân ra 100 mg kẽm kim loại tinh khiết, hòa tan nó trong dung dịch axit clohydric (HC1),pha loãng các dung dịch đến một khối lượng là 1000 ml (ml), và lần lượt làm loãng 10 ml trong dung dịch đến 1000 ml để cung cấp cho các dung dịch mong muốn có chứa 1 mg kẽm mỗi L. Sau khi suy nghĩ một chút, các kỹ thuật viên đã đưa ra phương trình để mô tả các phản ứng hóa học:

Zn (s) + 2HCl (dd)à H2 (g) + ZnCl (dd) (5.4.1)

Khi các mảnh 100-mg kẽm kim loại đã được thêm với một số acid hydrochloric trong một bình, bong bóng khí hydro được phát triển, các kẽm hòa tan như clorua kẽm, và các dung dịch tiêu chuẩn có chứa các nồng độ kẽm mong muốn bị hòa tan đã được chuẩn bị theo kế hoạch.

Sau cuộc nghiên cứu, các kỹ thuật bỏ dung dịch đồng tiêu chuẩn chứa 1mg / L đồng theo hình thức hòa tan đồng (II) clorua, CuCl2. Các thủ tục giống nhau đã được sử dụng để chuẩn bị các dung dịch kẽm tiêu chuẩn đã được thử, với một 100-mg đoạn dây điện bằng đồng thay thế cho các kim loại kẽm. Tuy nhiên, không có gì xảy ravới kim loại đồng khi nó đã được đặt trong axit Clohydric. Hầu như không làm nóng, khuấy hoặc chờ đợi có thể thuyết phục các dây đồng hòa tan. Các kỹ thuật viên đã viết phương trình hóa học,

Cu (s) + 2HCl (dd) H2 (g) + CuCl2 (dd) (5.4.2)

cho phản ứng tương tự với kẽm, nhưng kim loại đồng và acid hydrochloric chỉ đơn giản là không phản ứng với nhau. Mặc dù một phương trình hóa học chính đáng có thể được viết cho một phản ứng, nó không cho biết các phản ứng hóa học sẽ xảy ra, trên thực tếxảy ra. Xem xét liệu các phản ứng cụ thể diễn ra được xem xét trong lĩnh vực của nhiệt động lực học hóa học và cân bằng hóa học, bao phủ vào chương sau.

Hình 5.1 Một mảnh kim loại kẽm tiếp xúc               Một mảnh đồng( dây) đặt trong

với dung dịch acid clohydric  phản ứngdung dịch acid clohydric thì

nhanh chóng tạo ra khí hydro và đi sâu                khôngphản ứng.

vào dung dịch như ZnCl2.

5.5  MỘT PHẢN ỨNG XẢY RA NHANH NHƯ THẾ NÀO ?

Hãy xem xét một thìa đường ăn, đường mía, tiếp xúc với không khí. Đường mía có công thức hóa học C12H22O11, phản ứng với oxy trong không khí. Các phương trình sau đâycó thể được viết cho các phản ứng hóa học có thể xảy ra như sau:

                      C12H22O11(s) + 12O2 (g) à12CO2(g) + 11H2O (l)     (5.5.1)

 Phản ứng có thể có một cảm giác trực quan mà phản ứng này xảy ra từ việc nhìn thấy đường đốt trong lửa, hoặc từ khi biết rằng cơ thể con người "đốt cháy" đường để có được

năng lượng. Hơn nữa, nó thì đúng theo quan điểm của năng lượng, các nguyên tử được hiển thị trong phương trình trên được ổn định hơn khi tồn tại là 12 phân tử CO2 và 11phân tử của H2O, hơn là một phân tử của C12H22O11 và 12 phân tử O2. Nhưng  từ kinh nghiệm bất cứ ai cũng biết rằng một thìa đường có thể được tiếp xúc với  không khí khô trong một thời gian rất dài mà không có sự xuất hiện của bất kỳ thay đổi nhìn thấy được.

Hình 5.2: Đường tiếp xúc với không khí ở nhiệt độ phòng không phản ứng với oxy trong không khí ở tỷ lệ có thể nhìn thấy.

Câu trả lời cho câu hỏi nêu ra ở trên nằm trong tỷ lệ của phản ứng. đường mía, thực sự, có xu hướng phản ứng với O2 như trong phương trình hóa học trên. Nhưng tại nhiệt độ phòng, phản ứng thì quá chậm không đáng kể đáng kể. Tất nhiên, nếu đường bị ném vào một đám cháy đang bùng cháy trong lò sưởi, nó sẽ đốt cháy nhanh chóng. Đặc biệt protein được gọi là các enzyme bên trong tế bào sống có thể tạo ra phản ứng của đường và ôxy ở nhiệt độ cơ thể của khoảng 37°C, giúp cơ thể sử dụngnăng lượng từ phản ứng. chính Các enzym này  không được sử dụng trong phản ứng, mặc dù tốc độ nó lên rất nhiều, một chất có tác dụng theo cách như vậy được gọi là một chất xúc tác.

Một khác biệt quan trọng phải được thực hiện giữa các phản ứng, chẳng hạn như giữa đồng và acid hydrochloric sẽ không xảy ra trong bất kỳ hoàn cảnh nào, và những trường hợp khác  "muốn xảy ra," nhưng đó chỉ là quá chậm để có thể nhận thấy tại nhiệt độ trung bình hoặc khi không có các chất xúc tác. Loại  phản ứng thứ hai thường  diễn ra theo các điều kiện thích hợp hoặc với một chất xúc tác. Tốc độ của các phản ứng khá quan trọng trong hóa học.

5.6.PHÂN LOẠI CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC:

Những phản ứng hóa học có thể bao gồm nhiều quá trình khác nhau.Những phản ứng có thể gồm gồm sự lien kết những nguyên tố với nhau để tạo nên những hợp chất.Những phản ứng có thể xảy ra giữa những hợp chất, giữa hợp chất với nguyên tố hoặc những ion với nhau.Nhiều phản ứng gồm sự trao đổi electron, một số khác thì không có.Đưa ra một vài khả năng, cộng với những điều trên có thể giúp ta đưa ra danh mục các loại phản ứng hóa học theo nhiều cách khác nhau.

Một phản ứng kết hợp là một trong hai tác nhân lien kết với nhau để hình thành một sản phẩm độc lập.Một ví dụ của phản ứng cần cung cấp sự đốt cháy của nguyên tố Phốtpho như một giai đoạn trong sản xuất axit photphoric, một loại hóa chất công nghiệp được sử dụng rộng rãi và là thành phần trong phân bón.Phản ứng như sau:

P4+ 5O2                                            P4O10                                        (5.6.1)

Nguyên tố P gồm 4 nguyên tử P                 Tetraphosphorus de oxide

Đây là một ví dụ của nhiều phản ứng kết hợp với 2 nguyên tố kế hợp với nhau để hình thành nên một hợp chất.Đây là cách phân loại tổng quát, tuy nhiên có thể thêm vào sự kết hợp của hai hợp chất hoặc một hợp chất với một nguyên tố để hình thành một hợp chất khác.Ví dụ, P4O10 tạo ra từ phản ứng trên thì khi kết hợp với H2O sản xuất ra acid photphoric.

6H2O + P4O10                              4H3PO4                                        (5.6.2)

Acid photphoric

Một phản ứng phân hủy thì ngược lại với phản ứng kết hợp.Một ví dụ là của một phản ứng phân hủy là một hợp chất phân hủy để hình thành những nguyên tố tạo nên hợp chất đó; cung cấp cho việc sản xuất cacbon đen.Dạng nguyên liệu này là một cấu trúc thuần nhất  của cacbon tinh khiết C, và dùng để sản xuất lớp bánh xe cao su cũng như là một thành phần làm chất bột dẻo dùng để trám vào các tế bào điện khô.

Nó được tạo ra bằng cách đun nóng khí Mê-tan( khí thiên nhiên) đến nhiệt độ trong khoảng  1260oC-14250C  trong một cái lò đặc biệt.Lí do là đã xảy ra phản ứng sau:

CH4(k)                                C (r) + 2H2(k)                                      (5.6.3)

Sản phẩm cacbon đen thuần nhất tách biệt được thu lại trong một thiết bị đặc biệt gọi là một máy xoáy gia tốc, được mô tả trong hình 5.3 và sản phẩm khí hydro được tái chế như một nguyên liệu đưa vào lò rồi đun nóng  khí mê-tan.Minh họa từ phản ứng trên, ta thấy một phản ứng mà một hợp chất tách ra thành những nguyên tố thành phần tạo nên nó gọi là một phản ứng phân hủy.

Những phan rứng phân hủy cũng có thể gồm sự phân hủy một hợp chất chỉ cho ra một hợp chất khác và một nguyên tố hoặc hai hay nhiều hợp chất.Xét một ví dụ sau đây, ta đề cập tới phản ứng dùng sản xuất canxi oxit( CaO), tên gọi phổ biến  là vôi sống.

CaCO3(r)                       CaO (r) + CO2(k)                                           (5.6.4)

Đá vôi                            Vôi sống

Hạt carbon đen

Khí H2

Dòng khí chứa carbon

Hình 5.3 Máy thu gia tốc để thu các hạt carbon đen từ một dòng khí

Trong phản ứng trên, nhiệt độ cao đã phân hủy đá vôi(CaCO3) thành CaO và khí CO2.Đây là một phản ứng quan trọng bởi vôi sống, CaO, đứng thứ 2 chỉ sau acid sunfuric là chất có lượng sản xuất nhiều nhất mỗi năm.Nó được dùng để sản xuất xi-măng, xử lí nước và trong nhiều ứng dụng khác.

Những phản ứng thế chỗ hay thay thế xảy ra khi một thành phần của một hợp chất hóa học bị thay thế bởi một thành phần khác.Ví dụ như  kẽm (Zn) thế chỗ Hydro trong phản ứng 5.4.1.Một phản ứng thay thế kép hay phản ứng hoán vị xảy ra khi có một cách trao đổi cả 2 ion trong các hợp chất.Điều này xảy ra chovis dụ như một phản ứng giữa dung dịch acid sunfuric với dung dịch bari hydroxide.

H2SO4(dd) + Ba(OH)2                   BaSO4(r) + 2H2O(l)                        (5.6.5)

Để sản xuất chất rắn bari sunfat và nước.Phản ứng này cũng xếp thành 2 loại khác.Bởi vì nó bao gồm sự sự kết hợp của ion H+( từ H2SO4) và ion OH- ( từ Ba(OH)2) để tạo ra nước, nên có thể xem là phản ứngtrung hòa.Phản ứng trung hòa riêng biệt này cũng là một phản ứng kết tủa bởi vì hình thành chất rắn BaSO4.Như một chất rắn hình thành từ phản ứng phân hủy hai hợp chất hóa học thì gọi là một chất kết tủa.

Diễn biến của khí cũng có thể được sử dụng như là cơ sở để phân loại các phản ứng.Một ví dụ được cung cấp bởi các quá trình xử lý nước thải công nghiệp có chứa giải thể amoni clorua, NH4Cl. Hợpchất này gồmcó các ion amoni (NH4+), và ion clorua Cl- .Giá trị thương mại khí amoniac có thể sản phẩm được phục hồi từ các nước như vậy, bằng việc bổ sung canxi hydroxide:

Ca(OH)2(dd) +2NH4Cl(dd)2NH3(k) +H2O(l) + 2CaCl2(dd)               (5.6.6)

Kết quả là sự diễn biến của khí amoniac, NH3 có thể phục hồi.

5.7/THÔNG TIN VỀ SỐ LƯỢNG TỪ PHẢN ỨNG HÓA HỌC

Trước đây, cân bằng hoá học phần lớn được miêu tả bởi sự đặc thù của nguyên tử và phân tử. Dĩ nhiên, hóa học liên quan nhiều tới số lượng lớn. Ơ các cấp bậc khác nhau, kilogam, tấn, thậm chí là ngàn tấn là những đơn vị hay sử dụng. Nó thì dễ dàng cân lên với số lượng lớn, bởi vì các mối liên hệ về số lượng của các vật chất tồn tại thì giống nhau, chúng đều liên quan đến một vài nguyên tử và phân tử, hoặc các hạt cấu tạo của vật chất. Trước khi tiến tới việc thảo luận về cách tính toán số lượng trong cân bằng hóa học, sẽ tốt hơn khi quan tâm đến vài cách xác định trước đó.

Công thức tính khối lượng: Tổng khối lượng nguyên tử của tất cả các nguyên tử trong công thức của phân tử. Mặc dù khối lượng trung bình của nguyên tử và phân tử có thể xác định bằng đơn vị khối lượng nguyên tử (amu hoặc u), nhưng công thức tính thường được nhìn nhận một cách tương đối và không có đơn vị.

Khối lượng phân tử: Đặt X là công thức tính khối lượng, thì khối lượng phân tử của một nguyên tố hoặc hợp chất là X gram, đó là khối lượng tính bằng gram của 1mol nguyên tố hoặc phân tử.

Mol: là đơn vị cơ sở về số lượng của vật chất. Mỗi mol gồm 6,022.1023  nguyên tử (số Avogadro) của nguyên tố hoặc hợp chất.

Quá trình nung đá vôi

Để minh họa về vài thông tin số lượng có thể thu được từ phương trình hóa học, ta xét sự nung đá vôi tạo thành vôi sống cho chế hóa nước:

CaCO3 (s)       ð     CaO (s)      +     CO2 (g)

Hình 5.4 Quá trình nung canxi carbonat ở nhiệt độ cao

Các thông tin về số lượng trong phản ứng được tóm tắt như sau:

CaCO3 (s)             ð          CaO (s)          +             CO2 (g)

Xét về đơn vị công thức:

                   1 đơn vị ct                       1 đơn vị ct                    1 phân tử

                   1 ng.tử Ca ( M=40,1)     1 ng.tử Ca                     1 ng.tử C

1 ng.tử C (M=12,0)           1 ng.tử O                    2 ng.tử O

                   3 ng.tử O (M=16,0)

                   100,1u                           56,1u                                      44,0u

Xét theo mol:

                   1 mol                             1 mol                                      1 mol

                   100,1 g                           56,1 g                            44,0 g

Từ những số lượng ở trên, ta thấy rằng phương trình có thể được xem xét trong thuật ngữ nhỏ như là số nhỏ nhất của những phân tử và công thức hóa học. Trong trường hợp này nó bao gồm đơn giản là 1 công thức hóa học của CaCO3(s), 1 công thức hóa học của CaO(s), và 1 công thức hóa học của CO2. Nó gồm tổng của 1 nguyên tử Ca, 1 nguyên tử C, và 3 nguyên tử O. Từ 1 tỷ lệ nhỏ nó thì có thể mở rộng đến nhiều mol bằng cách phóng to theo tỷ lệ bởi 6.022x1023(số Avogadro), đưa đến kết quả 100.1 g của CaCO3, 56.1 g của CaO, và 44.0 g của CO2. Quả thật, những mối quan hệ về số lượng thì thích hợp với bất kỳ số lượng của chất nào và chúng cho phép sự tính toán khối lượng của vật liệu phản ứng và sản phẩm trong 1 phản ứng hóa học. Kế tiếp, nó được chỉ ra những cách tính toán được biễu diễn như thế nào.

5.8)HÓA HỌC LƯỢNG PHÁP LÀ GÌ VÀ TẠI SAO NÓ LẠI QUAN TRỌNG?

Hóa học lượng pháp là phép tính toán về số lượng các phản ứng và sản phẩm liên quan đến một phản ứng hóa học. Điều quan trọng của hóa học lượng pháp có thể đánh giá được bằng cách hình dung những hoạt động công nghiệp, đó là những quá trình thải hàng trăm hàng nghàn tấn chất hóa học mỗi ngày. Hoạt động kinh tế sản xuất nhiều chất hóa học là quá trình vượt mức giới hạn không cần thiết của chỉ một phần trăm hoặc của một phản ứng hóa học có thể đưa đến sự lãng phí, đó là những hoạt động không có lợi. Gía trị chính xác thu được trong phân tích hóa học, đó là điều cần thiết để biết trong khoảng thời gian (hay trong phạm vi) 1/1000, thường liên quan tới mức độ chính xác  cao của phép tính toán  thuộc hóa học lượng pháp.

Phép tính này căn cứ vào định luật bảo toàn khối lượng ,đó là những phát biểu như sau:

“Tổng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng sản phẩm.”

Vật chất được tạo nên và phá hủy đều bằng phản ứng hóa học.

Chìa khóa để thực hiện việc tính toán trong hóa học lượng pháp là: Quan hệ khối lượng (hoặc số phân tử số nguyên tử) của những phần trong một  phản ứng hóa học  điển hình không thay đổi, hay toàn bộ số lượng các chất tham gia phản ứng thay đổi không đáng kể.

Phương pháp  tỉ lệ phân tử của phép tính toán hóa học lượng pháp: Trong  một phản ứng hóa học, việc xác định tỉ lệ giữa số phân tử của một phản ứng điển hình hoặc sản phẩm và số phân tử của bất kì phản ứng nào  khác. Tỉ lệ này dễ thấy bằng cách xác định đơn giản hệ số trước mỗi loại phản ứng trong một phương trình hóa học. Thông thường, một phép tính hóa học lượng pháp cho biết khối lượng của hai chất tham gia phản ứng.Mục đích có thể tính toán cần bao nhiêu lượng chất này để phản ứng với một lượng chất khác.Hoặc khối lượng điển hình của một sản phẩm có thể yêu cầu. Điều đó cần thiết để tính toán số lượng của một chất phản ứng để cho tổng  sản phẩm chính xác.

Để thực hiện phương pháp tính toán hóa học lượng pháp liên quan đến chỉ hai chất phản ứng, điều đó cần thiết để biết số phân tử gam liên quan của mỗi chất và khối lượng của chúng. Đơn giản nhất của phép tính hóa học lượng chất là phương pháp tỉ lệ gam được định nghĩa  bên dưới:

Phương pháp phân tích tỉ lệ phân tử gam khi thực hiện phép tính hóa học lượng pháp căn cứ vào tỉ lệ không đổi về số lượng phân tử gam của các chất phản ứng khác nhau và toàn bộ khối lượng sản phẩm trong phản ứng.

Phương pháp phân tích phân tử gam đơn giản hóa nhất trong những phép tính toán hóa học lượng pháp.Nó có thể cho biết khối lượng liên quan đến những chất phản ứng trong một loạt các phản ứng. Nếu khối lượng riêng biệt của một chất phản ứng liên quan đến một phản ứng the sau bởi một hoặc nhiều phản ứng phụ thêm. Tổng sản phẩm trong phản ứng cuối cùng có  thể tính bằng phương pháp tỉ lệ phân tử gam. Minh họa cho phản ứng này ta sẽ xem xét một phản ứng điển hình đó là khí hidro và khí CO để tạo metan(CH4 ):

3H2          +    CO    →     CH4 +     H2O

                         3 Phân tử gam      1 Phân tử gam      1 Phân tử gam     1 phân tử gam

                             6g                   28g                           16g                     18g

Phản ứng này được gọi là phản ứng metan hóa và được sử dụng trong công nghiệp tổng hợp xăng, dầu và nhiên liệu cho việc  chế tạo, tổng hợp khí thiên nhiên không gây  ô nhiễm. Từ việc kiểm tra phương trình hóa học dễ dàng để có tỉ lệ số phân tử gam của bất kì chất phản ứng nào.

Tỉ lệ có thể tính toán số phân tử gam của bất kì chất phản ứng nào, nếu số phân tử gam của các chất khác đã biết. Ví dụ nếu đã biết 1 phân tử gam của hidro phản ứng, sẽ tính được số phân tử gam của metan tạo ra một cách đơn giản:

1.00 mol H2  *     =0,333 mol CH4

Việc tính toán khối lượng của một chất yêu cầu biến đổi giữa phân tử gam và khối lượng. Mục đích là biết được khối lượng của H2 yêu cầu tạo ra 4,00 mol CH4 .Bước đầu tiên là biển đổi khối lượng của CH4thành phân tử gam:

4g CH4 *   =0,250 mol CH4

Khối lượng phân tử của CH4 là  16,0g/mol.

Bước tiếp theo là nhân tỉ lệ phân tử gam của H2 với CH4:

0,250 mol CH4*  =0,750 mol H2

Bước cuôi cung nhân khối lượng mol của H2:

0,750 mol H2 *   =1,5g H2

Tất cả các bước trên có thể được thực hiện trong một phép tính :

4,00g CH4  * *  *  =1,50g H2

Một vài vấn đề sẽ được chỉ ra để minh họa phương pháp tỷ lệ mol. Tuy nhiên, đầu tiên nó thì hữu dụng để học những bước sau những cái được sử dụng để giải quyết 1 vấn đề…bằng phương pháp này:

1. Viết phương trình cân bằng hóa học cho những phản ứng liên quan.

2. Xác định tác chất và sản phẩm những chất mà khối lượng của chúng được biết (chất đã biết) và 1 chất mà khối lượng của nó đang được tính (chất cần tìm).

3. Tính số mol của chất đã biết từ khối lượng của nó.

4. Nhân số mol của chất đã biết với tỷ lệ mol của chất cần tìm để đạt được số mol của chất cần tìm.

5. Tính số gam của chất cần tìm bằng cách nhân khối lượng mol với số mol.

Để minh họa những bước này, xem xét sự tạo thành của ammonia, NH3, từ khí hydro và nitơ khí quyển. Phản ứng trong những từ là “Hydro cộng nitơ ra ammonia”

Gắn với công thức đúng:

H2       +    N2NH3

và phương trình được cân bằng bằng cách đặt hệ số đúng ở trước mỗi công thức:

            3H2       +    N2                        2NH3   (5.8.8)

Ví dụ1, tính số gam H2 cần để tổng hợp 4.25 g NH3 làm những bước sau:

1.Tính số mol NH3 (khối lượng mol là 17.0 g/mol)

Mol NH3  = (4,25g NH3  x  1 mol NH3) / 17,0g NH3 = 0,250 mol

2. Tính tỷ lệ mol của H2­ với NH3 từ việc xét phương trình 5.8.8.

Tỉ lệ  =  3/2

3. Tính số mol của H2.

Mol H2 = 0,250 x 3/2 = 0,375 mol

4. Tính khối lượng H2.

m (H2) = 0,375 mol x 2,00 g H2 / 1 mol H2 = 0,750 g

Một khi tất cả những bước đặc thù được hiểu, sẽ dễ liên kết tất cả chúng lại vào 1 phép tính duy nhất như sau:

4,25 g H2 x

Ví dụ 2 của một cách tính số lượng hóa học bằng phương pháp tỷ lệ mol, xét phản ứng của sắt(III) sulfat, Fe2 (SO4)3, với canxi hidroxit, Ca(OH)2. Phản ứng này được sử dụng trong xử lý vấn đề nước cho sự tạo thành của sắt(III) hidroxit, Fe(OH)3, lắng xuống trong nước kéo theo những chất bụi bẩn cùng với nó. Sắt(III) hidroxit làm di chuyển những vật chất lơ lửng (độ đục) từ nước. Ca(OH)2 (nước vôi trong) được thêm vào như 1 bazơ (nguồn cung cấp ion OH-) để phản ứng với sắt(III) sulfat. Phản ứng là:

Fe2­(SO4)3 (aq) + 3Ca(OH)2 (aq)          2Fe(OH)3 (s) + 3CaSO4 (s)  (5.8.10)

Cần khối lượng 1000 g sắt(III) sulfat dung để xử lý 1 thùng đầy nước. Khối lượng canxi hidroxit cần để phản ứng với sắt(III) sulfat là bao nhiêu? Các bước cần để giải quyết vấn đề trên là:

1.