Hiện nay khi thi tốt nghiệp trung học phổ thông hay thi tuyển vào đại học khối A, khối B còn thi môn hóa học và cách thi trắc nghiệm. Do đó các kiến thức cơ bản học sinh cần biết để vận dụng khi gặp các câu hỏi trắc nghiệm cụ thể. Trong các môn học, có lẽ môn hóa học là rất phong phú cho các câu hỏi trắc nghiệm, từ các kiến thức cơ bản, sơ đẳng nhất đến các kiến thức và các phép tính phức tạp. Điều này cho thấy để làm đúng các câu trắc nghiệm thì các kiến thức cơ bản của hóa học, người học cần phải nắm vững. Hơn nữa, khi học hóa học thì các khái niệm như nguyên tử, nguyên tố, khối lượng nguyên tử, mol, thù hình,...người học cần phải biết.
1. Nguyên tố hóa học<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
Nguyên tố hóa học là loại nguyên tử (thứ nguyên tử) mà các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học thì có cùng số thứ tự nguyên tử Z (bậc số nguyên tử, số hiệu, số điện tích hạt nhân). Theo thông tin mới nhất, thì hiện nay được biết có 117 nguyên tố học, tức được biết có 117 loại nguyên tử. Tuy nhiên các nguyên tố có Z > 92 là các nguyên tố hóa học nhân tạo, do con người bắn phá các nguyên tố có sẵn mà phát sinh ra nguyên tố mới.
Thí dụ: H2SO4 được tạo bởi 3 nguyên tố hóa học, đó là các nguyên tố hydrogen (loại nguyên tử hydrogen), nguyên tố lưu huỳnh (loại nguyên tử lưu huỳnh) và nguyên tố oxi (loại nguyên tử oxi)
2. Nguyên tử
Nguyên tử là phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học mà còn giữ được bản chất của nguyên tố đó.
Thí dụ: Phân tử H2SO4 được tạo bởi 3 nguyên tố hóa học (3 loại nguyên tử) và 7 nguyên tử (2 nguyên tử H, 1 nguyên tử S và 4 nguyên tử O)
Phân tử C12H22O11 gồm 3 nguyên tố hóa học (nguyên tố cacbon, nguyên tố hydrogen và nguyên tố oxi) và 45 nguyên tử (12 nguyên tử cacbon, 22 nguyên tử hydrogen và 11 nguyên tử oxi)
Như vậy, nguyên tố là loại nguyên tử, còn nguyên tử là phần nhỏ nhất của nguyên tố.
3. Phân tử
Phân tử là phần nhỏ nhất của một chất (chất nguyên chất) mà còn giữ được tính chất (tính chất hóa học) của chất đó.
Thí dụ: Phần nhỏ nhất của nước mà còn giữ được tính chất của nước là một phân tử nước (H2O). Phần nhỏ nhất của đường mà còn giữ được tính chất của đường (đường saccarozơ, saccharose, sucrose) là một phân tử đuờng (C12H22O11).
Phân tử có thể gồm một nguyên tử tạo nên, như: He, Ne, Na, Cu, Fe (phân tử đơn nguyên tử). Phân tử có thể gồm nhiều nguyên tử tạo nên, như: CH4, HCl, H2, O3, KMnO4 (phân tử đa nguyên tử)
4. Ion
Ion là tập hợp gồm một nguyên tử hay một số nguyên tử có mang điện tích.
Ion mang điện tích dương gọi là ion dương hay cation.
Ion mang điện tích âm gọi là ion âm hay anion.
Ion dương được tạo ra do một nguyên tử hay một số nguyên tử đã mất bớt điện tử.
Thí dụ: Na+; NH4+; Mg2+; Al3+; CH3NH3+; Fe2+; Fe3+
Ion âm được tạo ra do một nguyên tử hay một số nguyên tử đã nhận thêm điện tử vào.
Thí dụ: Cl-; <?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />OH-; SO42-; PO43-; CH3COO-
5. Đơn chất
Đơn chất là chất mà phân tử của nó gồm một nguyên tử hay các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học (cùng một loại nguyên tử). Thí dụ: Ne, Na, H2, O2, O3, P, P4, S, S8, Cu, Cl2, N2, C là các đơn chất
6. Hợp chất
Hợp chất là chất mà phân tử của nó gồm các nguyên tử của ít nhất hai nguyên tố hóa học tạo nên (ít nhất hai loại nguyên tử). Thí dụ: HCl, H2O, CH4, C2H6O, KMnO4, C6H12O6, C3H7NO2S là các hợp chất
7. Khối lượng nguyên tử (Nguyên tử khối, Nguyên tử lượng)
Khối lượng nguyên tử là khối lượng của nguyên tử đó được tính bằng đơn vị khối lượng nguyên tử. Đơn vị khối lượng nguyên tử hiện nay là đơn vị cacbon (đvC, u, amu, atomic mass unit)
1 đơn vị khối lượng nguyên tử = 1 đvklnt = 1 đvC = 1 u = 1 amu = 1/12 khối lượng của một nguyên tử 12C =1/(6,022.1023) gam = 1,66.10-24 gam
Thí dụ: H có khối lượng nguyên tử bằng 1 (hiểu là 1 đơn vị khối lượng nguyên tử, hay 1 đvC hay 1 u), nghĩa là 1 nguyên tử H có khối lượng bằng 1/12 khối lượng của một nguyên tử 12C hay một nguyên tử H có khối lượng bằng đơn vị gam là 1/(6,022.1023) gam = 1,66.10-24 gam
O có khối lượng nguyên tử bằng 16 đơn vị cacbon, hay một nguyên tử O có khối lượng gấp 16 lần so với 1/12 lần khối lượng của một nguyên tử 12C, hay một nguyên tử O có khối lượng tính bằng gam là 16.1/(6,022.1023) gam = 2,6569.10-23 gam
8. Khối lượng phân tử (Phân tử khối, Phân tử lượng)
Khối lượng phân tử là khối lượng của một phân tử được tính bằng đơn vị cacbon. Khối lượng phân tử bằng tổng khối lượng của các nguyên tử có trong phân tử.
Thí dụ: Khối lượng phân tử của nước (H2O) bằng: 2(1) + 1(16) = 18 (18 đvC; 18 u). Một phân tử H2O có khối lượng gấp 18 lần so với 1/12 khối lượng của một nguyên tử đồng vị 12C hay 1 phân tử H2O có khối lượng bằng 18/(6,022.1023) gam = 2,989.10-23 gam.
9. Khối lượng ion
Khối lượng ion là khối lượng của một ion tính bằng đơn vị cacbon. Do khối lượng của các điện tử mất đi (tao ion duơng) hay nhận vào (tạo ion âm) rất không đáng kể so với khối lượng nguyên tử nên khối lượng ion bằng tổng khối lượng của các nguyên tử tạo nên ion.
Thí dụ: Khối lượng của ion NH4+ bằng 1(14) + 4(1) = 18 (18 đvC; 18 u) hay 18/(6,022.1023) gam = 2,989.10-23 gam. Khối lượng của ion SO42- bằng 1(32) + 4(16) = 96 (96 đvC; 96 u) hay 96/(6,022.1023) gam = 1,594.10-22 gam
10. Mol
Mol của một chất là một lượng của chất đó mà trong đó có chứa số phần tử nhỏ nhất của chất đó, mà còn giữ được bản chất của chất đó, bằng với số nguyên tử 12C có chứa trong 12 gam 12C. Số nguyên tử 12Ccó chứa trong 12 gam 12C là 6,022.1023 (số Avogadro). Như vậy mol một chất là tập hợp gồm 6,022.1023 phần tử (đơn vị) nhỏ nhất của chất đó nhưng còn giữ được bản chất của chất đó.
Thí dụ: 1 mol H gồm 6,022.1023 nguyên tử H
1 mol H2 gồm 6,022.1023 phân tử H2
1 mol H+ gồm 6,022.1023 ion H+
1 mol điện tử gồm 6,022.1023 điện tử (electron)
2 mol OH- gồm 2x6,022.1023 ion OH-
Như vậy khái niệm mol giống như khái niệm chục hay tá trong sinh hoạt thường ngày. Một chục trứng gà là gồm 10 trứng gà. Một tá viết chì là gồm 12 cây viết chì. Tương tự, có thể nói, 1 mol trứng gà gồm 6,022.1023 cái trứng gà. Tổng quát 1 mol chất nào đó (phân tử, nguyên tử, ion,...) gồm 6,022.1023 đơn vị chất đó.
11. Khối lượng mol nguyên tử (Nguyên tử gam)
Khối lượng mol nguyên tử là khối lượng của một mol nguyên tử đó (khối lượng của 6,022.1023 nguyên tử). Trên nguyên tắc, khối lượng mol nguyên tử có thể tính bằng bất cứ đơn vị khối lượng nào, như đvC, gam, kg, tấn, ... Tuy nhiên trong thực tế, khối lượng mol nguyên tử hiểu là tính theo đơn vị gam. Vì lý do đó mà khối lượng mol nguyên tử còn được gọi là nguyên tử gam. Về hình thức, khối lượng mol nguyên tử (hay nguyên tử gam) là khối lượng được tính bằng đơn vị gam mà có số chỉ bằng với số chỉ khối lượng nguyên tử của nguyên tử đó. Về ý nghĩa, khối lượng mol nguyên tử là khối lượng tính bằng đơn vị gam của 1 mol nguyên tử hay của 6,022.1023 nguyên tử đó.
Do 1 nguyên tử 12C có khối lượng 12 đvC, còn 12 gam là khối lượng của 1 mol 12C, nên khi thay đvC bằng gam thì hiểu là đã nhân lên 6,022.1023 lần. Do đó khối lượng của 1 nguyên tử H là 1 đvC còn khối lượng của 1 mol H là 1 gam => khối lượng tính bằng gam của 1 nguyên tử H bằng 1/(6,022.1023) gam => 1 đvC = 1/(6,022.1023) gam = 1,66.10-24 gam.
Thí dụ: Nhôm (Al) có khối lượng nguyên tử là 27 đvC thì khối lượng mol nguyên tử của Al là 27 gam. Nghĩa là 1 mol Al hay 6,022.1023 nguyên tử Al có khối lượng 27 gam. Như vậy khối lượng của 1 nguyên tử Al tính theo đơn vị gam là 27/(6,022.1023) gam = 4,48356.10-23 gam
12. Khối lượng mol phân tử (Phân tử gam)
Khối lượng mol phân tử là khối lượng của 1 mol phân tử (hay của 6,022.1023 phân tử). Tổng quát khối lượng mol phân tử có thể tính bằng bất cứ đơn vị khối lượng nào cũng được, nhưng trong thực tế người ta dùng đơn vị gam. Như vậy khối lượng mol phân tử là khối lượng của 1 mol phân tử được tính bằng đơn vị gam (nên khối lượng mol phân tử còn được gọi là phân tử gam). Do đó, về hình thức khối lượng mol phân tử là khối lượng tính bằng đơn vị gam của một lượng phân tử mà có số chỉ bằng số chỉ khối lượng phân tử của phân tử đó. Về ý nghĩa, đây là khối lượng tính bằng gam của 1 mol phân tử hay của 6,022.1023 phân tử. (Từ đơn vị cacbon chuyển thành đơn vị gam thì đã tăng 6,022.1023 lần, nên khi thế đvC bằng đơn vị gam thì đó là khối lượng của 1 mol phân tử).
Thí dụ: H2O có khối lượng phân tử là 18 đvC => khối lượng mol phân tử của H2O là 18 gam. Tức 1 mol H2O (hay 6,022.1023 phân tử H2O) có khối lượng là 18 gam => khối lượng tính bằng gam của 1 phân tử H2O là 18/(6,022.1023) gam = 2,989.10-23 gam
Trong quá trình dạy học tôi hỏi 1 phân tử nước có khối lượng bao nhiêu đơn vị cacbon thì đa số các bạn học sinh trả lời đúng là 18 đơn vị cacbon, còn tôi hỏi tiếp 1 phân tử nước có khối lượng bao nhiêu gam thì cũng có nhiều bạn học sinh trả lời là 18 gam. Trả lời như vậy là đã sai 6,022.1023 lần (sai cả tỉ tỉ tỉ...lần)
Để tưởng tượng số Avogadro (6,022.1023) lớn như thế nào thì chúng ta làm thí nghiệm tưởng tượng như sau. Đem cân để lấy 18 gam nước, đây là khối lượng của 1 mol nước hay của 6,022.1023 phân tử nước (H2O). Lấy số phân tử H2O có trong 18 gam nước này đem rải đều khắp bề mặt trái đất (có diện tích khoảng năm trăm mười triệu cây số vuông, 510 000 000 km2 = 5,1.1018 cm2) thì bình quân mỗi cm2 bề mặt trái đất có chứa hơn một trăm ngàn phân tử H2O (6,022.1023 phân tử/5,1.1018 cm2 = 1,18.105 phân tử/cm2)
13. Khối lượng mol ion (Ion gam)
Khối lượng mol ion là khối lượng của một mol ion hay của 6,022.1023 ion. Tương tự khối lượng mol nguyên tử, khối lượng mol phân tử, khối lượng mol ion được tính bằng đơn vị gam. Như vậy khối lượng mol ion (hay ion gam) là khối lượng tính bằng đơn vị gam của 1 mol ion (hay của 6,022.1023 ion). Về hình thức, khối lượng mol ion bằng khối lượng tính bằng gam của một lượng ion mà có số chỉ bằng số chỉ khối lượng ion của ion đó. Đây chính là khối lượng tính bằng gam của 1 mol ion hay của 6,022.1023 ion.
Thí dụ: SO42- có khối lượng ion là 96 đvC => khối lượng mol ion của SO42- là 96 gam. Nghĩa là 1 mol ion SO42- (hay 6,022.1023 ion SO42-) có khối lượng là 96 gam => 1 ion SO42- có khối lượng tính bằng gam là 96/(6,022.1023) gam = 1,594.10-22 gam
14. Từ khối lượng tính số mol
Sau khi biết được khối lượng mol nguyên tử, khối lượng mol phân tử, khối lượng mol ion (nghĩa là biết được 1 mol nguyên tử, 1 mol phân tử, 1 mol ion có khối lượng bằng bao nhiêu gam), thì từ khối lượng tính bằng gam của một lượng nguyên tử, phân tử hay ion nào đó, chúng ta tính được dễ dàng trong khối lượng đó có bao nhiêu mol nguyên tử (phân tử hoặc ion). Chúng ta lấy khối lượng tính bằng gam của nguyên tử (phân tử hoặc ion) đem chia cho khối lượng của 1 mol nguyên tử (phân tử hoặc ion) thì sẽ biết được số mol nguyên tử (phân tử hoặc ion).
nA = mA/MA
nA: số mol A
mA: khối lượng của A (tính bằng đơn vị gam)
MA: khối lượng mol của A (nguyên tử gam hoặc phân tử gam hoặc ion gam, tùy theo A là nguyên tử hoặc phân tử hoặc ion)
Cách tính số mol kiểu này cũng giống như cách làm bài toán chia ở lớp cấp 1: Một cuốn tập có giá 3 000 đồng, như vậy với 15 000 đồng thì mua được bao nhiêu cuốn tập? 15 000 đ/(3 000 đ/cuốn) = 5 cuốn.
Thí dụ: Tính:
- Số mol Fe có trong 28 gam Fe
- Số mol CO2 có trong 11 gam CO2
- Số mol NH4+ có trong 27 gam NH4+
(Cho biết: Fe = 56; C = 12; O = 16; N = 14)
Khi đầu bài cho Fe = 56 thì hiểu là 1 nguyên tử Fe có khối lượng nhiều gấp 56 lần so với 1/12 khối lượng của 1 nguyên tử 12C nên không cần đơn vị (bao nhiêu lần nên không cần ghi). Nếu để đơn vị thì ghi là 56 đvC/nguyên tử (1 nguyên tử Fe có khối lượng 56 đvC) hay 56 gam/mol (1 mol Fe có khối lượng 56 gam). Chúng ta nên hiểu theo cách 56 gam/mol để cụ thể hóa và dễ tính toán tìm số mol hơn. Tương tự, C = 12 => 1 mol C có khối lượng là 12 gam; O = 16 => 1 mol O có khối lượng 16 gam; N = 14 => 1 mol N có khối lượng 14 gam.
nFe = 28g/(56g/mol) = 0,5 mol Fe
nCO2 = 11g/(44g/mol) = 0,25 mol CO2
nNH3 = 27g/(18g/mol) = 1,5 mol NH3
15. Định luật Avogadro (chỉ áp dụng cho chất khí hay hơi)
Trong cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất thì các thể tích khí hay hơi bằng nhau sẽ chứa số phân tử khí hay hơi bằng nhau (hay số mol bằng nhau)
Thí dụ: Ở 27,3ºC; 1atm thì 2,464 lít khí H2 có chứa 6,022.1022 phân tử H2 hay 0,1 mol H2
Ở 27,3ºC; 1atm thì 2,464 lít khí CH4 có chứa 6,022.1022 phân tử CH4 hay 0,1 mol CH4
Ở 27,3ºC; 1atm thì 2,464 lít hơi nước (H2O) có chứa 6,022.1022 phân tử H2O hay 0,1 mol H2O
Ở 27,3ºC; 1atm thì 2,464 lít khí heli (He) có chứa 6,022.1022 phân tử He hay 0,1 mol He
Chắc có bạn học sinh thắc mắc tại sao có phân tử khí hay hơi kích thước lớn nhỏ khác nhau, mà cùng thể tích lại chứa cùng số phân tử, hơi khó hiểu. Đáng lẽ phân tử có kích thước lớn thì số phân tử phải ít hơn, còn phân tử có kích thước nhỏ thì phải có số phân tử nhiều hơn chứ (trong cùng một thể tích bình chứa bằng nhau). Điều thắc mắc này đúng với chất lỏng hay chất rắn, vì khi ở dạng lỏng hay rắn thì các phân tử tiếp xúc nhau, nên nếu phân tử kích thước lớn thì chiếm thể tích lớn, còn phân tử kích thước nhỏ thì chiếm thể tích nhỏ, nên nếu hai thể tích bình chứa bằng nhau, bình chứa phân tử kích thước nhỏ sẽ chứa số phân tử nhiều hơn so với số phân tử có kích thước lớn. Tuy nhiên khi ở dạng khí thì các các phân tử ở cách xa nhau, khoảng cách giữa hai phân tử rất lớn so với kích thước của phân tử. Trong cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất, coi như khoảng cách trung bình giữa các phân tử khí bằng nhau, không phụ thuộc vào kích thuớc lớn hay nhỏ của phân tử, nên trong cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất, các thể tích khí bằng nhau sẽ chứa số phân tử bằng nhau. Giống như khi để tiếp xúc nhau thì khoảng cách giữa hai trái banh tennis sẽ nhỏ, còn khoảng cách hai trái banh dùng trong bóng đá sẽ lớn. Nhưng nếu đặt hai quá banh tennis mỗi trái đặt ở một góc sân xa nhau, tương tự đặt hai trái banh bóng đá, mỗi trái đặt ở mỗi góc sân xa nhau (cùng một sân), thì coi như khoảng cách giữa hai trái banh tennis và khoảng cách giữa hai trái banh bóng đá là bằng nhau.
Trong cách nói của tiếng Việt thì khi nói “khí” hiểu là bình thường (điều kiện thường, 25ºC, 1 atm) chất này hiện diện ở dạng khí, còn khi nói “hơi” thì hiểu là bình thường chất này có thể không ở dạng khí mà ở dạng lỏng hay rắn. Thí dụ người ta nói khí hydrogen, khí cacbonic (không nói hơi hydrogen, hơi cacbonic, vì ở điều kiện thường, hydrogen, cacbonic hiện diện ở dạng khí) trong khi người ta nói hơi nước, hơi thủy ngân (không nói khí nước, khí thủy ngân, vì bình thường nước cũng như thủy ngân hiện diện chủ yếu ở dạng lỏng). Tuy nhiên khi nói hơi, hiểu là lấy dạng khí của nó.
Hệ quả của định luật Avogadro
Trong cùng điều kiện về nhiệt độ và áp suất, 1 mol bất kỳ khí hay hơi nào củng đều chiếm thể tích bằng nhau. Đặc biệt ở điều kiện tiêu chuẩn (0ºC, 1atm) 1 mol bất kỳ khí, hơi hay hỗn hợp khí hơi nào cũng đều chiếm thể tích bằng nhau, bằng 22,4 lít hay 22 400 mL hay 22 400 cm3.
Thí dụ: Ở 27,3ºC; 1atm, thì 1 mol khí CH4 chiếm thể tích 24,64 lítHH
Ở 27,3ºC; 1atm, thì 1 mol khí H2 chiếm thể tích 24,64 lít
Ở 27,3ºC; 1atm, thì 1 mol hơi nước (H2O) chiếm thể tích 24,64 lít
Ở điều kiện tiêu chuẩn (0ºC, 1atm), 1 mol khí CH4, 1 mol khí H2, 1 mol hơi nước đều chiếm thể tích bằng nhau, đều bằng 22, 4 lít
16. Tính số mol của một chất khí khí hay hơi khi biết thể tích của nó ở điều kiện tiêu chuẩn
Cách tính số mol ở số (14) áp dụng cho mọi chất (nguyên tử, phân tử, ion, dạng rắn, dạng lỏng hay dạng khí) bằng cách lấy khối lượng của chất đó chia cho khối lượng của 1 mol chất đó sẽ được số mol chất đó. Ngoài ra, với chất khí hay hơi khi biết thể tích của khí hay hơi này ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc), để tính số mol của lượng thể tích đo ở đktc thì chúng ta lấy thể tích khí đem chia cho thể tích của 1 mol khí (ở đktc). Nếu thể tích tính bằng đơn vị lít thì lấy thể tích này đem chia cho 22,4 líl/mol, còn nếu thể tích khí tính bằng mL (hay cm3) thì lấy thể tích khí đem chia cho 22400 mL/mol (hay 22400 cm3/mol)
nA = VA(L)/22,4(L/mol)
nA = VA(mL)/22400(mL/mol)
nA: số mol khí (hay hơi) A
VA(L): thể tích khí A ở đktc tính bằng đơn vị lít
22,4(L/mol): thể tích của 1 mol khí ở đktc, tính bằng đơn vị lít
VA(mL): thể tích của khí A ở đktc, tính bằng đơn vị mL hay cm3
22400 (mL/mol): thể tích của 1 mol khí ở đktc tính bằng đơn vị mL hay cm3
Thí dụ: Tính:
- Số mol H2 có trong 44,8 lít H2 (đo ở đktc)
- Số mol H2O có trong 112 mL hơi nước (đktc)
- Số phân tử NH3 có trong 560 cm3 NH3 (đktc)
- Số gam C có trong 11,2 lít CO2 (đktc)
(Cho biết C = 12)
nH2 = 44,8L/(22,4L/mol) = 2 mol H2
nH2O = 112mL/(22400mL/mol) = 0,005 mol H2O
nNH3 = 560cm3/(22400cm3/mol) = 0,025 mol NH3
=> có 0,025 mol.(6,022.1023 phân tử/mol) = 1,5055.1022 phân tử NH3
nCO2 = 11,2L/(22,4L/mol) = 0,5 mol CO2
=> có 0,5 mol C (do 1 mol CO2 có chứa 1 mol C) => 0,5mol.(12g/mol) = 6 gam C
Chú ý: 1 L = 1 dm3 = 1 000 cm3 = 1 000 mL => 1 mL = 1 cm3
1 m3 = 1 000 dm3 = 1 000 L
17. Phương trình trạng thái khí lý tưởng
Khí lý tưởng là khí không có thể tích riêng (nghĩa là nếu dùng áp suất đủ lớn thì có thể nén một thể tích khí lý tưởng về trị số không (0), trong khi khí thật không thể về thể tích bằng 0 được, khi nén một thể tích khí thật ở áp suất thật cao thì các khí thật hóa lỏng rồi hóa rắn, có các phân tử ở sát bên nhau không có thể tích bằng 0). Khí lý tưởng cũng không có lực hút liên phân tử (lực Van der Waals), giữa các phân tử khí lý tưởng không có lực hút lẫn nhau, trong khi giữa các phân tử khí thật luôn luôn hiện diện lực hút giữa các phân tử với nhau. Do đó khí lý tưởng không có thật, tuy nhiên để đơn giản hóa phép tính, không sai số nhiều, thì người coi khí như là khí lý tưởng (ở áp suất không cao quá, nhiệt độ không thấp quá).
Ở phổ thông, coi tất cả các khí đều là khí lý tưởng, nên chúng ta có thể áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho mọi khí cũng như hơi để tính số mol khí hay hơi khi biết thể tích khí hay hơi đo ở điều kiện không tiêu chuẩn (nhiệt độ khác 0ºC hay áp suất khác 1atm)
pV = nRT
p: áp suất của khí, trên nguyên tắc có thể tính bằng bất cứ đơn vị áp suất nào cũng được, như: atm, mmHg (torr), cmHg, N/m2 (Pa, Pascal), dyn/cm2 (bari, barye), bar (1 bar = 106 bari ≈1atm)...
V: thể tích khí, trên nguyên tắc có thể tính bằng bất cứ đơn vị thể tích nào cũng được, như L (dm3), mL (cm3), m3,...
n: số mol khí (khí lý tưởng)
R: hằng số khí lý tưởng, R có nhiều trị số tùy theo đơn vị của áp suất p và của thể tích V. Tuy nhiên để giúp tính nhanh số mol chất khí và dễ nhớ thì ta nên thuộc lòng trị số của R = 22,4/273 (lít.atm.mol-1.K-1) ≈ 0,08205 lít.atm.mol-1.K-1. Khi đã dùng trị số R = 22,4/273 thì bắt buộc đơn vị áp suất p phải là atm, đơn vị của thể tích V phải là lít. Còn nhiệt độ T thì luôn luôn là nhiệt độ tuyệt đối K (Kenvil)
T: nhiệt độ của khí, bắt buộc phải dùng nhiệt độ K. Trong hầu hết bài toán hóa học, người ta cho nhiệt độ bách phân ºC (Celsius). Công thức đổi từ độ C sang độ K là:
T(K) = t(ºC) + 273
Sự liên hệ giữa các đơn vị áp suất và thể tích thường gặp để đổi đơn vị cho đúng:
1 atm = 760 mmHg = 76 cmHg =>
1 mmHg = 1/760 atm; 1 cmHg = 1/76 atm
1 L = 1 000 mL = 1 000 cm3 => 1 mL = 1 cm3 = 0,001 L
Để tìm trị số của R ta coi như có 1 mol khí lý tưởng ở đktc (0ºC; 1atm):
Từ pV = nRT =>
R = pV/(nT) = [1atm.22,4L]/[1mol.(0 + 273)K] = 22,4/273 vuidulich.vn-1.K-1
Khi thay trị số p, V (V của 1 mol khí) ở đktc theo các đơn vị áp suất, thể tích khác nhau, ta sẽ tính được R có các trị số khác nhau, tùy theo đơn vị của áp suất và thể tích đã dùng.
Thí dụ: Tính: - Số mol CO2 có trong 492,8 mL CO2 đo ở 27,3ºC; 1 atm
- Số mol của H2O có trong 168 cm3 hơi nước đo ở 136,5ºC; 836 mmHg
- Số phân tử CH4 có trong 0,5376 m3 metan (54,6ºC; 68,4 cmHg)
nCO2 = pV/RT = [1atm.0,4928L]/[(22,4/273)(L.atm.mol-1.K-1).(27,3 + 273)K] = 0,02 mol
nH2O = pV/RT = [1atm.0,168L]/[(22,4/273)(L.atm.mol-1.K-1).(136,5 + 273)K] = 0,005 mol
nCH4 = pV/RT = [(68,4/76)atm.537,6L]/[(22,4/273)(L.atm.mol-1.K-1).(54,6 + 273)K] = 18 mol
=> 18 mol.(6,022.1023 phân tử/mol) ≈ 1,084.1025 phân tử CH4
Tôi để đơn vị để thấy phải dùng đơn vị thích hợp, khi tính toán nhanh thì ta hiểu ngầm, không viết đơn vị trong phép toán, nhưng kết quả sau cùng phải để đơn vị (vì con số không có đơn vị thì không có ý nghĩa). Do bài viết đưa lên mạng nên các phép chia thường viết theo hàng ngang. Khi làm bài hay soạn lại thì nên viết số bị chia đặt ở trên còn số chia đặt bên dưới và có gạch (dạng phân số) để dễ theo dõi hơn.
Như vậy khi bài toán hóa học cho biết một luợng thể tích khí đo ở điều kiện không tiêu chuẩn, ta áp dụng công thức pV = nRT để tính số mol khí có trong lượng thể tích này như đã trình bày trên (từ bộ ba V, T, p ta tính được số mol khí n). Cách này có thể áp dụng trong hầu hết các trường hợp để tính số mol khí có khi biết thể tích khí đo ở điều kiện nhiệt độ, áp suất nào (kể cả đktc). Tuy nhiên, nếu không muốn dùng trị số R hay không nhớ cách đổi đơn vị áp suất, thể tích, thì ta có thể áp dụng công thức:
p2V2/T2 = p1V1/T1 hay pV/T = p0V0/T0
p2, p1: áp suất của khí ứng với sau và trước, dùng bất cứ đơn vị áp suất nào cũng được, nhưng phải đo cùng một đơn vị áp suất
V2, V1: thể tích của khí ứng với sau và trước, dùng bất cứ đơn vị thể tích nào cũng được, nhưng phải cùng đo cùng đơn vị thể tích
T2, T1: nhiệt độ khí ứng với sau và trước, bắt buộc phải dùng nhiệt độ tuyệt đối K (không được dùng nhiệt độ C, do đó phải đổi nhiệt độ C ra nhiệt độ K bằng cách dùng công thức: T = t + 273)
p0 = 1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg: áp suất ở đktc
T0 = 273K: nhiệt độ ở đktc
V0: thể tích khí ở đktc (V0 = 22,4 L = 22 400 mL nếu có 1 mol khí.
V0 = n.22,4L = n.22 400 mL nếu có n mol khí)
p, V, T: áp suất, thể tích, nhiệt độ của khí ở điều kiện bất kỳ (không tiêu chuẩn)
Các công thức được áp dụng trong trường hợp số mol khí n không đổi, n mol khí này có thể tích ở các nhiệt độ, áp suất khác nhau mà thôi.
Công thức p2V2/T2 = p1V1/T1 được dùng để tính thể tích khí V2 ở p2, T2 khi biết thể tích khí đó V1 ở p1, T1
Còn công thức pV/T = p0V0/T0 được dùng để tính thể tích khí đo ở đktc p0, T0, khi biết thể tích khí V ở ở điều kiện không tiêu chuẩn p, T. Từ V0 tính được, ta đổi ra số mol khí bằng cách dùng công thức:
n = V0(L)/22,4(L/mol) hay n = V0(mL)/22400(mL/mol)
Các công thức trên được suy ra từ công thức pV = nRT:
p2V2 = nRT2 => nR = p2V2/T2 (*) p1V1 = nRT1 => nR = p1V1/T1 (**)
So sánh (*), (**) =>
p2V2/T2 = p1V1/T1
Thí dụ: Có một lượng khí metan ở 30ºC, 760 mmHg có thể tích 3 m3. Ở nhiệt độ 90,6ºC, áp suất 570 mmHg thì thể tích lượng khí metan trên bằng bao nhiêu?
p2V2/T2 = p1V1/T1 => V2 = (p1V1/T1)(T2/p2)
V2 = [(760mmHg.3m3)/(30 + 273)K ][(90,6 + 273)K/570mmHg] = 4,8 L
Tính số mol H2 có trong 32 lít đo ở 27ºC, 912 mmHg:
p0V0/T0 = pV/T => V0 = (pV/T)(T0 /p0)
V0 = [(912mmHg.32L)/(27 + 273)K ][(0 + 273)K/760mmHg] =34,944 L
=> Số mol H2 = 34,944L/22,4(L/mol) = 1,56 mol H2
18. Tỉ khối hơi của chất A so với chất B
Tỉ khối là so sánh khối lượng, nghĩa là muốn biết chất nào nặng hơn, chất nào nhẹ hơn và nặng hay nhẹ hơn bao nhiêu lần. Tỉ khối hơi của chất A so với chất B nghĩa là muốn biết ở dạng hơi (hay khí) thì hơi A nặng hay nhẹ hơn hơi (khí) B bao nhiêu lần. Mà muốn so sánh khối lượng giữa A và B thì phải là lấy hai khối lượng của A và B của cùng một thể tích bằng nhau. Sau đó lấy khối lượng của A đem chia cho khối lượng của B (hai khối lượng của cùng thể tích, thể tích A bằng thể tích B), nếu kết quả phép chia > 1, tức là A nặng hơn B, còn nếu kết quả phép chia < 1, thì A nhẹ hơn B, còn nếu tỉ số khối lượng này bằng 1, tức là A, B nặng nhẹ bằng nhau.
Theo hệ quả của định luật Avogadro, trong cùng một điều kiện về nhiệt độ và áp suất thì 1 mol bất kỳ khí hay hơi nào cũng đều chiếm thể tích bằng nhau (nếu là điều kiện tiêu chuẩn thì 1 mol mọi khí đều chiếm thể tích bằng nhau là 22,4 lít). Mà 1 mol A có khối lượng là MA gam, còn 1 mol B có khối lượng là MB gam. Do đó tỉ khối hơi của A so với B, ký hiệu dA/B được tính như sau:
dA/B = MA/MB
MA, MB là khối lượng (gam) của 1 mol A, 1 mol B, khối lượng của cùng một thể tích bằng nhau (bằng 22,4 lít, nếu là đktc)
dA/B > 1 => hơi (khí) A nặng hơn hơi (khí) B
dA/B < 1 => hơi A nhẹ hơn hơi B
dA/B = 1 => hơi A và B nặng bằng nhau
Thí dụ: dCH4/H2 = MCH4/MH2 = 16/2 = 8
Như vậy, tỉ khối của khí metan so với khí hydrogen bằng 8. Nghĩa là khí metan nặng hơn khí hydrogen 8 lần. Hai thể tích bằng nhau của khí metan và khí hydrogen, khí hydrogen chiếm 1 phần khối lượng thì khí metan chiếm 8 phần khối lượng.
Trung bình 1 mol không khí có khối lượng 29 gam, nên tỉ khối hơi của chất A so với không khí được tính nhu sau:
dA/KK = MA/MKK = MA/29
Thí dụ: Tỉ khối của khí axetien (C2H2) so với không khí
dC2H2/KK = MC2H2/MKK = 26/29 = 0,896
=> axetilen nhẹ hơn không khí 0,896 lần
Axetilen nhẹ hơn không khí (nên được bơm làm bong bóng bay). Hai thể tích bằng nhau của không khí và axetilen, nếu không khí chiếm 1 phần khối lượng thì axetilen chiếm 0,896 phần khối lượng.
Với chất khí hay hơi, khi nói tỉ khối của nó hiểu là so sánh với không khí, nên ta áp dụng công thức
dA(khí) = dA/KK = MA/29 dhơi X = dX/KK = MX/29
Thí dụ: dH2 = dH2/KK = MH2/MKK = 2/29 dhơi nước = dH2O/KK = MH2O/MKK = 18/29 = 0,62
Hơi nước nhẹ hơn không khí. Hai thể tích bằng nhau của không khí và hơi nước, không khí chiếm 1 phần khối lượng thì hơi nước chiếm 0,62 phần khối lượng.
Khi nói tỉ khối hơi của A so với B thì A, B có thể không phải là dạng khí ở điều kiện thường (25ºC, 1atm) mà có thể là dạng lỏng hay dạng rắn, tuy nhiên ta lấy dạng hơi (khí) của nó để so sánh khối lượng với nhau.
Thí dụ:
dH2O /He = MH2O /MHe = 18 /4 = 4,5 => hơi nước nặng hơn khí heli 4,5 lần
dHg/CH4 = MHg/MCH4 = 200,6/16 = 12,5375 => hơi thủy nặng hơn khí metan 12,5375 lần
(nước và thủy ngân hiện diện dạng lỏng ở điều kiện thường, nhưng cách tính tỉ khối như thí dụ trên, ta lấy hơi nước, hơi thủy ngân để so sánh với khí heli, khí metan, chứ không phải lấy nước lỏng hay thủy ngân lỏng)
Khi đầu bài toán hóa học cho biết tỉ khối hơi của A so với B (thường chất B đã biết MB rồi, như H2, N2, He, CH4, không khí,..) nên từ dữ kiện này giúp ta tính được khối lượng phân tử của chất A.
dB/A = MA/MB => MA = dB/A.(MB)
Thí dụ: A là một chất hữu cơ có tỉ khối hơi so với hydrogen bằng 15
dA/H2 = MA/MH2 = MA/2 = 15 => MA = 15.2 = 30 (30 đvC, 30 u, 30 g/mol)
Từ dữ kiện tỉ khối hơi của hỗn hợp A so với B, giúp ta tính được khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp A
dhhA/B = MtbhhA/MB => MtbhhA = (dhhA/B).MB
Thí dụ: Tỉ khối hơi của hỗn hợp A gồm hai hydrogencacbon đồng đẳng liên tiếp so với heli bằng 6,45 (hỗn hợp hơi A nặng hơn khí heli 6,45 lần). Hãy cho biết công thức của mỗi chất trong hỗn hợp A.
(C = 12; H = 1; He = 4)
dhhA/He = MtbhhA/MHe = MtbhhA/4 = 6,45 => MtbhhA = 6,45.4 = 25,8
MtbhhA: khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp A
1 mol hỗn hợp A có khối lượng phân tử trung bình bằng 25,8 đvC (hay 1 mol hỗn hợp A có khối lượng 25,8 gam).
Mà ba hydrogencacbon có khối lượng phân tử nhỏ nhất được biết là: CH4 (M = 16); C2H2 (M = 26); C2H4 (M = 28). Hỗn hợp hydrogencacbon A có khối lượng phân tử trung bình bằng 25,6 như vậy trong hỗn hợp A phải có ít nhất một chất có M < MtbhhA= 25,8. Do đó trong hỗn hợp A phải có CH4 để có M = 16 < MtbhhA= 25,8. Và chất đồng đẳng kế tiếp phải là etan (C2H6, M = 30 > MtbhhA)
Tính chất của đại lượng trung bình là nằm trung gian giữa các đại lượng của các chất có trong hỗn hợp, nghĩa là đại lượng trung bình lớn hơn đại lượng nhỏ và nhỏ hơn đại lượng lớn của các chất có trong hỗn hợp. Để dễ hiểu, ta coi như số tiền trung bình của hai người, một người có 10 000 đồng, người kia có 20 000 đồng. Tổng số tiền của hai người là 10 000 đ + 20 000 đ = 30 000 đ. Như vậy số tiền trung bình của hai người này là: 30 000 đ/2 người = 15000 đ/người. Ta thấy:
10 000 đ < 15 000 đ < 20 000 đ
19. Tỉ khối của một chất rắn, chất lỏng hay dung dịch (lỏng)
Khi nói tỉ khối của một chất rắn, chất lỏng hay của một dung dịch (dung dịch lỏng) thì hiểu là so sánh khối lượng của chất rắn, chất lỏng hay dung dịch đó với nước (dạng lỏng) nhằm biết chất đó nặng hay nhẹ hơn nước bao nhiêu lần. Muốn vậy người ta lấy khối lượng của vật và khối lượng của nước (khối lượng của hai thể tích bằng nhau của vật và nước), đem so sánh, bên nào có khối lượng lớn hơn thì nặng hơn.
Tỉ khối hiểu là nặng hay nhẹ hơn bao nhiêu lần nên không có đơn vị. Còn khối lượng riêng là khối lượng của một vị thể tích, nên có đơn vị, như g/mL, kg/L, g/cm3, kg/vuidulich.vn nước dạng lỏng có khối lượng riêng 1g/mL (hay 1g/cm3 hay 1 kg/L, 1kg/dm3, nghĩa là 1 mL nước có khối lượng 1 gam hay 1 lít nước có khối lượng 1 kg), nên từ tỉ khối của chất rắn, chất lỏng hay dung dịch (không có đơn vị) ta thêm vào đơn vị g/mL hay g/cm3 thì sẽ có trị số khối lượng riêng của chất rắn, chất lỏng hay dung dịch đó.
Thí dụ: Kim loại đồng (Cu) có tỉ khối bằng 8,93 thì hiểu là hai thể tích bằng nhau của đồng (rắn) và nước (lỏng), nước chiếm 1 phần khối lượng thì đồng chiếm 8,93 phần khối lượng, hay đồng nặng hơn nước 8,93 lần. Do 1 mL nước có khối lượng 1 gam nên 1 mL đồng có khối lượng 8,93 gam. Như vậy đồng có khối lượng riêng là 8,93 g/mL (hay 8,93 g/cm3 hay 8,93 kg/dm3)
Thủy ngân (Hg, lỏng) có tỉ khối 13,55 thì hiểu là thủy ngân nặng hơn nước 13,55 lần. Hai thể tích bằng nhau của thủy ngân và nước, nước chiếm 1 phần khối lượng thì thủy ngân chiếm 13,55 phần khối lượng. Do nước có khối lượng riêng là 1 g.mL nên thủy ngân có khối lượng riêng là 13,55 g/mL
Etanol (Rượu etylic, C2H5OH, lỏng) có tỉ khối 0,79 (<1) thì hiểu là etanol nhẹ hơn nước. Hai thể tích bằng nhau của etanol và nước, nước chiếm 1 phần khối lượng thì etanol chiếm 0,79 phần khối lượng. Etanol có khối lượng riêng là 0,79 g/mL hay 0,79 g/cm3 hay 0,79 kg/L
Sau đây là tỉ khối của một số chất rắn, chất lỏng:
Br2(l) Au (vàng) I2(r) Fe (sắt) Pb (chì) Mg Ni P (trắng) Pt Ag Zn Na Ir Li
3,14 19,3 4,94 7,86 11,4 1,74 8,90 1,83 21,45 10,5 7,2 0,97 22,6 0,53
C6H6(benen, l) Axeton (l) Đietyl ete (l) Anilin(l) CH3COOH(l) Glixerin(l) n-Hexan(l) Toluen
0,879 0,791 0,714 1,022 1,049 1,26 0,659 0,867
Chú ý: - Tỉ khối của chất khí hay hơi là so sánh khối lượng khí, hơi với không khí
- Tỉ khối của chất rắn, chất lỏng là so sánh khối lượng chất rắn, chất lỏng với nước dạng lỏng
- Tỉ khối không có đơn vị, còn khối lượng riêng thì có đơn vị
- Với chất rắn, chất lỏng, khi biết tỉ khối, ta thêm đơn vị g/mL thì được trị số khối lượng riêng của chất rắn hay chất lỏng đó
- Còn với chất khí, từ tỉ khối của nó không thể thêm g/mL để có trị số khối lượng riêng đuợc. Mà ta phải tính, đặc biệt thể tích chất khí ảnh hưởng rất lớn bởi yếu tố nhiệt độ T, áp suất p, nên khối lượng riêng của chất khí phải cho biết rõ ở điều kiện nhiệt độ, áp suất nào.
Thí dụ: Hãy cho biết: Tỉ khối của khí hydrogen; Khối lượng riêng của khí hydrogen ở đktc; Khối lượng riêng của hydrogen ở 27,3ºC; 1,4 atm
(H = 1)
dH2 = dH2/KK = MH2/MKK = 2/29 = 0,06896
1 mol H2 có khối lượng 2 gam. 1 mol H2 ở đktc có thể tích 22,4 lít, do đó khối lượng riêng của H2 ở đktc là:
2g/22,4L = 0,08928 g/L
Để tính khối lượng riêng của H2 ở 27,3ºC; 1,4 atm chúng ta cần tìm thể tích của 1 mol H2 (cũng là 1 mol các khí khác) ở 27,3ºC; 1,4 atm có thể tích bằng bao nhiêu
V = nRT/p = [(1mol)(22,4/273)(L.atm.mol-1.K-1).(27,3 + 273)K]/1,4atm = 17,6 L
1 mol H2 có khối lượng 2 gam, 1 mol H2 ở 27,3ºC; 1,4 atm có thể tích 17,6 lít, do đó khối lượng riêng của H2 ở 27,3ºC; 1,4 atm là:
2g/17,6L = 0,1136 g/L
Nguồn: vuidulich.vn (30/10/07)
Về trang trước Email In trang
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>