Hiệu suất, độ tinh khiết và nồng độ: đọc chuỗi phản ứng như một cuốn sổ cái
Ghi sổ cái mol cho chuỗi phản ứng nhiều bước: nhân hiệu suất, áp độ tinh khiết đúng chỗ, đổi độ rượu và nồng độ giấm, tính ngược từ thành phẩm về nguyên…
Hóa học 9 · Tính toán hóa học nâng cao
Hiệu suất, độ tinh khiết và nồng độ: đọc chuỗi phản ứng như một cuốn sổ cái
Từ nhà máy nhựa PVC đến chum giấm ở nhà bếp, mọi bài toán nhiều bước đều trả lời cùng một câu hỏi: lượng chất đi vào là bao nhiêu, mỗi khâu hao hụt bao nhiêu, và cái em cầm trên tay cuối cùng nặng bao nhiêu.
90 phút Mức: khá – giỏi
Bạn sẽ học: phân biệt ba con số hay bị nhầm · nhân hiệu suất qua nhiều bước · tính ngược từ thành phẩm về nguyên liệu · chuyển khối lượng sang thể tích và độ rượu · kiểm tra kết quả có hợp lí không
1 Ba con số hay bị nhầm và cuốn sổ cái
Trước hết phải gọi đúng tên từng con số trong đề.
Hãy tưởng tượng một cuốn sổ cái của kế toán. Mỗi dòng ghi một khoản: nhận vào bao nhiêu, phí mất đi bao nhiêu, còn lại bao nhiêu. Một nhà máy hóa chất cũng vậy. Nguyên liệu vào cổng không nguyên chất, phản ứng không bao giờ chuyển hóa trọn vẹn, và sản phẩm bán ra thường được pha thêm phụ gia hoặc pha loãng thành dung dịch. Có ba con số xuất hiện trong đề bài và chúng rất hay bị lẫn với nhau.
Đại lượng · Câu hỏi nó trả lời · Đặt ở đâu trong bài
Hiệu suất H · Phản ứng làm ra được bao nhiêu so với mức tối đa theo phương trình? · Giữa bài, ở từng bước phản ứng
Độ tinh khiết P · Trong một mẫu, bao nhiêu phần là chất cần xét? · Đầu bài (nguyên liệu) hoặc cuối bài (thành phẩm)
Nồng độ phần trăm C\% · Trong một dung dịch, bao nhiêu phần khối lượng là chất tan? · Cuối bài, khi pha thành dung dịch
H=\dfrac{\text{lượng thực tế}}{\text{lượng lí thuyết}}\times 100\%P=\dfrac{m_{\text{chất nguyên chất}}}{m_{\text{mẫu}}}\times 100\%C\%=\dfrac{m_{\text{chất tan}}}{m_{\text{dung dịch}}}\times 100\%
Cả ba đều là những phân số nhỏ hơn hoặc bằng 1, nên nhìn thoáng qua ta dễ tưởng chúng có thể thay cho nhau. Không phải vậy. Hiệu suất nói về phản ứng , độ tinh khiết nói về mẫu chất rắn hoặc lỏng , nồng độ nói về dung dịch . Bài này dạy em cách đặt từng con số đúng chỗ bằng một sơ đồ duy nhất, rồi luyện cho đến khi thành phản xạ.
GV
Cô Lukato
Mẹo của cô: khi đọc đề, em cầm bút gạch chân mỗi con số kèm chữ đi sau nó. 75\% tinh bột là độ tinh khiết. 80\% hiệu suất là hiệu suất. 5\% acid theo khối lượng là nồng độ. Ghi nhãn xong mới tính.
Ghi nhớ
Đơn vị luôn đi cùng con số. Hiệu suất, độ tinh khiết, nồng độ phần trăm đều không có đơn vị , nhưng khối lượng có đơn vị (g, kg, tấn), thể tích có đơn vị (mL, L) và mol cũng vậy. Bài toán chuỗi hay hỏng vì trộn kg với g hoặc kmol với mol.
Nguyên tử khối dùng trong cả bài theo sách giáo khoa: \mathrm{H}=1, \mathrm{C}=12, \mathrm{O}=16, \mathrm{Na}=23, \mathrm{Cl}=35{,}5.
Bản đồ bài học
Mục · Nội dung · Bạn làm được gì
2 · Hiệu suất một bước · Tính hiệu suất, xử lí chất dư và chất thiếu
3 · Hiệu suất nhiều bước · Nhân hiệu suất dọc chuỗi, ghi sổ cái theo mol
4 · Độ tinh khiết và thành phẩm · Biết khi nào nhân, khi nào chia
5 · Nồng độ, khối lượng riêng, độ rượu · Đổi khối lượng sang thể tích đúng lúc
6 · Tính ngược · Từ lượng bán ra suy ngược ra nguyên liệu
7 · Chuẩn độ giấm · Kiểm tra nhãn trên chai giấm bằng dung dịch NaOH
8 · Chiến lược và kiểm tra hợp lí · Bốn câu hỏi tự vấn cuối mỗi bài
9–10 · Luyện tập và thách thức · Mười lăm bài có chấm điểm
Khởi động: ba câu hỏi nhanh
Trước khi học, em thử sức để biết mình đang ở đâu. Sai cũng không sao, phần giải thích sau mỗi câu sẽ chỉ ra điểm nhầm.
Một mẫu quặng nặng 200\ \mathrm{kg} chứa 60\% chất cần tách. Khối lượng chất cần tách là
Sai: 60 là phần trăm chứ không phải số kg. Em đã lấy con số 60\% làm khối lượng.
Sai: đây là 200:0{,}6. Phép chia chỉ dùng khi biết lượng chất nguyên chất và cần tìm cả mẫu.
Đúng: chất cần tách nằm trong mẫu nên lấy 200\times 0{,}6=120\ \mathrm{kg}.
Sai: đây là khối lượng tạp chất 200\times 0{,}4, tức là phần không cần.
Phản ứng tạo ra 8\ \mathrm{g} sản phẩm trong khi phương trình cho phép tối đa 10\ \mathrm{g}. Con số 80\% là
Sai: độ tinh khiết nói sản phẩm lẫn bao nhiêu tạp chất, đề không nói gì về tạp chất.
Đúng: 8:10=0{,}8, thực tế chia lí thuyết, đó là hiệu suất.
Sai: nồng độ chỉ có nghĩa với dung dịch, ở đây không có dung dịch nào.
Sai: đề không cho thông tin về tạp chất trong sản phẩm.
Một chai giấm ghi: acetic acid 5\%, khối lượng riêng 1{,}01\ \mathrm{g/mL}.
a) Trong 100\ \mathrm{g} giấm có 5\ \mathrm{g} acetic acid.
Đúng: 5\% theo khối lượng nghĩa là 5\ \mathrm{g} chất tan trong 100\ \mathrm{g} dung dịch.
b) Trong 100\ \mathrm{mL} giấm có đúng 5\ \mathrm{g} acetic acid.
Sai: 100\ \mathrm{mL} giấm nặng 101\ \mathrm{g} nên chứa 5{,}05\ \mathrm{g} acid. Khối lượng riêng làm thể tích và khối lượng lệch nhau.
c) Con số 5\% là hiệu suất lên men.
Sai: nhãn chai ghi thành phần dung dịch, không nói gì về hiệu suất quá trình làm ra nó.
d) Muốn biết khối lượng 1 lít giấm cần dùng khối lượng riêng.
Đúng: 1\ \mathrm{L}=1000\ \mathrm{mL} nặng 1000\times 1{,}01=1010\ \mathrm{g}.
2 Hiệu suất của một phản ứng
Lượng lí thuyết là trần, lượng thực tế luôn nằm dưới trần.
Nhìn phương trình hóa học, ta biết lượng sản phẩm tối đa có thể thu được, gọi là lượng lí thuyết . Ngoài đời, phản ứng có thể dừng lại ở trạng thái cân bằng (phản ứng thuận nghịch), có phản ứng phụ, có chất bay hơi hoặc dính lại trên thiết bị. Vì thế lượng thực tế thu được nhỏ hơn. Tỉ lệ giữa hai lượng đó là hiệu suất.
Ghi nhớ
H=\dfrac{\text{lượng sản phẩm thực tế}}{\text{lượng sản phẩm lí thuyết}}\times 100\%
Lượng có thể tính bằng gam hoặc bằng mol, miễn là cả tử và mẫu cùng đơn vị, cùng một chất. Vì H\le 100\% nên thực tế không bao giờ vượt lí thuyết .
Có hai cách nghĩ tương đương. Cách một: tính sản phẩm lí thuyết rồi nhân với H để ra sản phẩm thực. Cách hai: coi chỉ có H phần chất tham gia thật sự chuyển hóa, rồi dùng đúng phần đó đi tính. Hai cách cho cùng kết quả vì phản ứng có tỉ lệ mol cố định, nhưng cách một dễ kiểm soát hơn khi bài có nhiều bước.
Ví dụ 1: lên men glucose
Khi lên men, men rượu (enzyme trong nấm men) biến glucose thành ethanol (rượu etylic) và khí carbon dioxide:
\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}\overset{\text{men rượu}}{\longrightarrow}2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}}
Ví dụ 1 · Lên men 90\ \mathrm{g} glucose với hiệu suất 80\%
Đổi ra mol: n_{\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}}}=\dfrac{90}{180}=0{,}5\ \mathrm{mol}.
Mọi phép tính hóa học đều bắt đầu bằng mol, vì phương trình cho tỉ lệ theo mol.
Tỉ lệ 1:2 cho n_{\mathrm{C_{2}H_{5}OH}} lí thuyết =2\times 0{,}5=1\ \mathrm{mol}, nặng 1\times 46=46\ \mathrm{g}.
Đây là lượng ethanol nhiều nhất có thể có nếu phản ứng xảy ra trọn vẹn.
Nhân hiệu suất: m_{\text{thực}}=46\times 0{,}8=36{,}8\ \mathrm{g}.
Hiệu suất 80\% nghĩa là chỉ 80\% lượng lí thuyết thu được.
Đổi sang thể tích với khối lượng riêng 0{,}8\ \mathrm{g/mL}: V=\dfrac{36{,}8}{0{,}8}=46\ \mathrm{mL}.
Thể tích chỉ đổi ở bước cuối cùng, sau khi mọi phép tính khối lượng đã xong.
Bẫy thường gặp
Nhiều em thấy đề cho 80\% liền nhân với 90\ \mathrm{g} glucose rồi coi kết quả 72\ \mathrm{g} là khối lượng ethanol. Đó là hai chất khác nhau với khối lượng mol khác nhau, không thể lấy con số này thay cho con số kia. Muốn ra ethanol vẫn phải đổi qua mol và nhân tỉ lệ 1:2. Cách an toàn: quy về sản phẩm trước, rồi mới áp hiệu suất .
Khi có hai chất tham gia: tính theo chất thiếu
Nếu đề cho lượng của hai chất tham gia, ta phải xem chất nào hết trước. Chất hết trước gọi là chất thiếu (chất giới hạn). Chỉ chất thiếu mới quyết định lượng sản phẩm lí thuyết; chất còn lại dư ra. Hiệu suất phải tính theo lượng lí thuyết của chất thiếu.
\mathrm{C_{2}H_{4}+Cl_{2}\longrightarrow C_{2}H_{4}Cl_{2}}
Ví dụ 2 · 14\ \mathrm{g} ethylene và 21{,}3\ \mathrm{g} khí clo tạo 23{,}76\ \mathrm{g} 1,2-dichloroethane
Đổi ra mol: n_{\mathrm{C_{2}H_{4}}}=\dfrac{14}{28}=0{,}5\ \mathrm{mol}; n_{\mathrm{Cl_{2}}}=\dfrac{21{,}3}{71}=0{,}3\ \mathrm{mol}.
Phải có mol của cả hai chất mới so sánh được.
Phương trình tỉ lệ 1:1. Chất nào có mol nhỏ hơn thì hết trước: khí clo (0{,}3\lt 0{,}5). Ethylene dư 0{,}2\ \mathrm{mol}.
So sánh mol chia cho hệ số, không so sánh khối lượng.
Lí thuyết: 0{,}3\times 99=29{,}7\ \mathrm{g} \mathrm{C_{2}H_{4}Cl_{2}} (M=99).
Chất thiếu quyết định sản phẩm lí thuyết.
Hiệu suất: H=\dfrac{23{,}76}{29{,}7}\times 100\%=80\%.
Kiểm tra: H\le 100\%, hợp lí.
Bẫy thường gặp
Nếu em tính theo chất dư (ethylene), lí thuyết sẽ là 0{,}5\times 99=49{,}5\ \mathrm{g} và hiệu suất chỉ còn \dfrac{23{,}76}{49{,}5}=48\%. Kết quả ra thấp bất thường là dấu hiệu em đã chọn nhầm chất. Luôn so sánh mol chia hệ số trước khi tính .
Mẹo kiểm tra
Muốn kiểm tra hiệu suất nhanh: hiệu suất phải là số trong khoảng từ 0 đến 100. Nếu ra hơn 100, em đã nhầm chất thiếu hoặc nhầm đơn vị. Nếu ra rất thấp so với đề bài "ở điều kiện tối ưu", em cũng nên nghi ngờ.
GV
Cô Lukato
Em thử hình dung: nếu hiệu suất lên men là 100\% thì trong Ví dụ 1 sẽ thu được bao nhiêu ethanol? Đáp án 46\ \mathrm{g}. Nếu em tính ra một con số lớn hơn thế, chắc chắn có lỗi đâu đó.
Luyện tập tại chỗ
Bài 1 Mức 1 · Nhận biết
Lên men hoàn toàn 180\ \mathrm{g} glucose (theo phương trình ở Ví dụ 1) thu được 69\ \mathrm{g} ethanol. Tính hiệu suất phản ứng (đơn vị phần trăm, nhập số không kèm dấu %).
Gợi ý 1. Tính số mol glucose: 180:180.
Gợi ý 2. Từ tỉ lệ 1:2, lượng ethanol lí thuyết là bao nhiêu gam?
Gợi ý 3. Lấy thực tế chia lí thuyết rồi nhân 100.
Chính xác! Lí thuyết 2\times 46=92\ \mathrm{g}, thực tế 69\ \mathrm{g}, H=\dfrac{69}{92}=75\%.
Bạn đã lấy lí thuyết chia thực tế. Hiệu suất luôn là thực tế chia lí thuyết, nên không thể lớn hơn 100\%.
Giá trị đúng về bản chất, nhưng đề yêu cầu số phần trăm, tức nhập 75.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
n_{\mathrm{C_{6}H_{12}O_{6}}}=\dfrac{180}{180}=1\ \mathrm{mol}, sinh lí thuyết 2\ \mathrm{mol} ethanol =92\ \mathrm{g}. H=\dfrac{69}{92}\times 100\%=75\%.
Bài 2 Mức 2 · Vận dụng
Cho 5{,}6\ \mathrm{g} ethylene tác dụng với 21{,}3\ \mathrm{g} khí clo, thu được 17{,}82\ \mathrm{g} 1,2-dichloroethane. Tính hiệu suất phản ứng (đơn vị phần trăm).
Gợi ý 1. Đổi cả hai chất ra mol rồi so sánh.
Gợi ý 2. Tỉ lệ phản ứng là 1:1, chất nào có mol nhỏ hơn thì hết trước.
Gợi ý 3. Lí thuyết tính theo chất hết trước, rồi lấy thực tế chia lí thuyết.
Chính xác! Ethylene là chất thiếu (0{,}2\ \mathrm{mol}), lí thuyết 19{,}8\ \mathrm{g}, H=\dfrac{17{,}82}{19{,}8}=90\%.
Bạn đã tính theo khí clo, chất dư. Ở bài này ethylene mới là chất hết trước.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
n_{\mathrm{C_{2}H_{4}}}=\dfrac{5{,}6}{28}=0{,}2\ \mathrm{mol}; n_{\mathrm{Cl_{2}}}=\dfrac{21{,}3}{71}=0{,}3\ \mathrm{mol}. Ethylene hết trước nên lí thuyết là 0{,}2\times 99=19{,}8\ \mathrm{g}. H=\dfrac{17{,}82}{19{,}8}\times 100\%=90\%. Nếu tính theo clo (chất dư) sẽ ra 60\%, sai.
3 Hiệu suất của cả chuỗi: nhân chứ không cộng
Bước sau nhận phần còn lại của bước trước.
Nhà máy ít khi làm ra sản phẩm bằng một phản ứng duy nhất. Nhựa PVC (poly(vinyl chloride), nhựa làm ống nước) được điều chế qua ba bước nối tiếp, mỗi bước có hiệu suất riêng:
Bước · Phản ứng
1. Cộng clo · \mathrm{C_{2}H_{4}+Cl_{2}\longrightarrow C_{2}H_{4}Cl_{2}}
2. Tách HCl · \mathrm{C_{2}H_{4}Cl_{2}\overset{500^{\circ}C}{\longrightarrow}C_{2}H_{3}Cl+HCl}
3. Trùng hợp · n\,\mathrm{C_{2}H_{3}Cl\longrightarrow(-CH_{2}-CHCl-)_{n}}
Bước một cộng khí clo vào ethylene để có 1,2-dichloroethane. Bước hai đun nóng ở khoảng 500^{\circ}\mathrm{C} để tách phân tử hydrogen chloride (HCl), thu vinyl chloride. Bước ba nối rất nhiều phân tử vinyl chloride thành mạch dài PVC. Cả ba đều có tỉ lệ mol 1:1 nên chuỗi rất đẹp để tập ghi sổ cái.
Ghi nhớ
Hiệu suất chung của một chuỗi bằng tích các hiệu suất từng bước:
H_{\text{chung}}=H_{1}\times H_{2}\times H_{3}\times\cdots
Lí do: bước sau chỉ nhận được phần mà bước trước làm ra, và chính phần ấy lại bị hao hụt tiếp. Hao hụt nhân lên chứ không cộng lại.
Ví dụ 3: sổ cái của nhà máy PVC
Một nhà máy nhận 2{,}80 tấn ethylene. Hiệu suất ba bước lần lượt là 80\%, 75\%, 90\%. Tính khối lượng PVC thu được. Ta đổi ra kilomol (kmol, bằng 1000 mol) để cùng đơn vị với tấn: 1 tấn =10^{3} kg và khối lượng mol tính theo kg/kmol trùng với số g/mol.
Hình 1. Số mol còn lại sau từng bước của chuỗi điều chế PVC từ 2,80 tấn ethylene (100 kmol).
Ví dụ 3 · Từ 2{,}80 tấn ethylene đến PVC
Đổi ra kmol: n_{\mathrm{C_{2}H_{4}}}=\dfrac{2800}{28}=100\ \mathrm{kmol}.
Cột đầu tiên của sổ cái: 100 kmol.