Mol và Phép tính hóa học (Stoichiometry): Đơn vị đếm của Hóa học

Mol là gì?

Mol chỉ là một đơn vị đếm — giống như một tá (12) hoặc một gross (144), nhưng lớn hơn rất nhiều lần. Cụ thể, 1 mol = 6.022 × 10²³ đơn vị (nguyên tử, phân tử, ion, đơn vị công thức — tùy vào thứ mà các em đếm). Con số này được gọi là số Avogadro.

Vì sao lại chọn một con số khổng lồ như vậy? Vì các nguyên tử vô cùng nhỏ. Mol được chọn sao cho 1 mol nguyên tử carbon-12 nặng đúng 12 g — làm cầu nối giữa thế giới cấp độ nguyên tử (amu) và thế giới cấp độ phòng thí nghiệm (gram).

Vì thế đối với bất kỳ nguyên tố nào, khối lượng nguyên tử ghi trên bảng tuần hoàn đồng thời cũng chính là khối lượng mol của nguyên tố đó (đơn vị g/mol).

Ba cây cầu chuyển đổi mol cơ bản

Ví dụ: 36.0 g nước là bao nhiêu mol?

Khối lượng mol của H₂O = 2(1.0) + 16.0 = 18.0 g/mol. Do đó 36.0 g ÷ 18.0 g/mol = 2.00 mol. ✓

Stoichiometry — bài toán công thức nấu ăn

Một phương trình hóa học đã cân bằng chính là một công thức nấu ăn. Các hệ số là tỉ lệ mol. Chúng cho các em biết chính xác cần bao nhiêu mỗi nguyên liệu để tạo ra bao nhiêu sản phẩm.

Ví dụ: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Tỉ lệ này được đọc như sau:

• 2 mol H₂ phản ứng với 1 mol O₂
• 2 mol H₂ tạo ra 2 mol H₂O
• 1 mol O₂ tạo ra 2 mol H₂O

Để chuyển từ chất này sang chất kia:

mol của A × (hệ số của B / hệ số của A) = mol của B

Stoichiometry khối lượng-khối lượng — chuỗi tính đầy đủ

Đây là dạng bài toán CBE quen thuộc: cho gram của một chất, tìm gram của chất khác. Chiến lược như sau:

1. gram của A → mol của A (chia cho khối lượng mol của A)
2. mol của A → mol của B (nhân với tỉ lệ mol từ phương trình cân bằng)
3. mol của B → gram của B (nhân với khối lượng mol của B)

Ví dụ: Từ 4.0 g H₂ sẽ tạo ra bao nhiêu gram nước?

4.0 g H₂ ÷ 2.0 g/mol = 2.0 mol H₂
2.0 mol H₂ × (2 mol H₂O / 2 mol H₂) = 2.0 mol H₂O
2.0 mol H₂O × 18.0 g/mol = 36 g H₂O. ✓

Chất giới hạn — nguyên liệu tạo ra "nút thắt cổ chai"

Khi trộn hai chất phản ứng, thông thường sẽ có MỘT chất hết trước — gọi là chất giới hạn (limiting reagent). Chất còn lại nằm ở trạng thái DƯ. Xác định chất giới hạn giúp các em biết lượng sản phẩm tối đa có thể tạo ra.

Cách làm: hãy tính xem cần bao nhiêu B để phản ứng hết với toàn bộ A. Nếu thực tế B NHIỀU HƠN mức cần → A là chất giới hạn. Nếu B ÍT HƠN → B là chất giới hạn.

Ví dụ: 3.0 mol H₂ + 1.0 mol O₂ → ? (Phương trình: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O)

3.0 mol H₂ cần 1.5 mol O₂. Nhưng chỉ có 1.0 mol O₂ → O₂ là chất giới hạn. H₂O tối đa = 1.0 × (2/1) = 2.0 mol = 36 g.

Hiệu suất phần trăm — thực tế so với lý thuyết

Hiệu suất lý thuyết là lượng sản phẩm tối đa có thể thu được từ một phản ứng hoàn hảo. Hiệu suất thực tế là lượng các em đo được. Phản ứng thật không bao giờ đạt 100% — có phản ứng phụ, thất thoát trong khi chuyển hóa, và sự chuyển hóa không hoàn toàn.

Hiệu suất phần trăm = (thực tế ÷ lý thuyết) × 100%

Hiệu suất phòng thí nghiệm điển hình: 70–95%. Nếu hiệu suất vượt 100%, tức là sản phẩm bị ẩm, lẫn tạp chất hoặc chứa phụ phẩm — không phải là kết quả "thắng lợi", mà là dấu hiệu của phép đo sai.

Công thức thực nghiệm và công thức phân tử

Công thức thực nghiệm là tỉ lệ số nguyên đơn giản nhất của các nguyên tử (CH₂O đối với glucose). Công thức phân tử là tỉ lệ thực tế (C₆H₁₂O₆ đối với glucose — gấp 6 lần công thức thực nghiệm).

Cách tìm công thức thực nghiệm từ thành phần phần trăm:

1. Giả sử có 100 g — đổi mỗi phần trăm thành gram.
2. Đổi gram của mỗi nguyên tố sang mol.
3. Chia tất cả cho giá trị mol NHỎ NHẤT.
4. Nếu kết quả không phải số nguyên, nhân với một số nguyên nhỏ (×2, ×3) để khử phân số.

Tự kiểm tra

Luyện tập với câu hỏi phong cách CBE

• Bài toán chuyển đổi mol - khối lượng
• Bài toán chất giới hạn và hiệu suất phần trăm