Đang tải bài học…

AP Chemistry

phương trình hóa học

chemical equation

Còn gọi: phương trình phản ứng

Phương trình hóa học là cách biểu diễn một phản ứng bằng công thức của chất phản ứng và sản phẩm, kèm hệ số làm cân bằng số nguyên tử mỗi nguyên tố.

Khi mô tả một phản ứng, nhà hóa học viết nó dưới dạng ký hiệu với chất ban đầu bên trái, chất tạo thành bên phải và mũi tên chỉ chiều biến đổi. Cách viết đó gọi là phương trình hóa học, có dạng $a\mathrm{A} + b\mathrm{B} \rightarrow c\mathrm{C} + d\mathrm{D}$ , trong đó $\mathrm{A}$ , $\mathrm{B}$ là chất phản ứng (reactant), $\mathrm{C}$ , $\mathrm{D}$ là sản phẩm (product), còn $a$ , $b$ , $c$ , $d$ là hệ số tỉ lượng (stoichiometric coefficients).

Tuy nhiên, phương trình chỉ hợp lệ khi đã cân bằng, nghĩa là mỗi nguyên tố có cùng số nguyên tử ở hai vế. Yêu cầu này là hệ quả của định luật bảo toàn khối lượng, vì nguyên tử không sinh ra hay mất đi mà chỉ sắp xếp lại. Chẳng hạn, phản ứng cháy của metan: $\mathrm{CH_4(g)} + 2\,\mathrm{O_2(g)} \rightarrow \mathrm{CO_2(g)} + 2\,\mathrm{H_2O(g)}$ , với bốn nguyên tử H và bốn nguyên tử O ở mỗi vế.

Phương trình còn có ký hiệu trạng thái $(s)$ , $(l)$ , $(g)$ , $(aq)$ cho biết chất đó là rắn, lỏng, khí hay tan trong nước. Điều dễ nhầm nhất là phân biệt hệ số với chỉ số dưới, vì chỉ số thuộc về công thức chất và không được sửa, còn hệ số đứng trước thì được điều chỉnh. Nhờ vậy, hệ số cho ta tỉ lệ mol giữa các chất, trở thành cầu nối để tính khối lượng, thể tích hay nồng độ.

Hơn nữa, khi phản ứng xảy ra trong dung dịch, người ta lược bỏ các ion không thay đổi để thu được phương trình ion rút gọn (net ionic equation), làm nổi bật phần biến đổi thật sự.

Ký hiệu

• $a\mathrm{A} + b\mathrm{B} \rightarrow c\mathrm{C} + d\mathrm{D}$
•ký hiệu trạng thái $(s)$ , $(l)$ , $(g)$ , $(aq)$
•mũi tên hai chiều $\rightleftharpoons$ cho phản ứng thuận nghịch

Trực giác: Giống công thức nấu ăn viết tắt: vế trái là nguyên liệu, vế phải là món ăn, còn hệ số là số phần mỗi thứ sao cho không thừa không thiếu miếng nào.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1615 (dạng sơ khai) — cuối thập niên 1840 (dạng viết thẳng có dấu bằng)Jean BeguinJöns Jacob BerzeliusGeorge FownesWilhelm Ostwald

Hay hiểu sai

Đảo chiều phương trình thì nghịch đảo K, chứ không đổi dấu K.

Quên nhân entropy chuẩn với hệ số tỉ lượng là lỗi mất điểm phổ biến nhất.

Cân bằng phương trình bằng cách sửa chỉ số dưới là sai hoàn toàn.

Mũi tên hai chiều không có nghĩa là hai vế có nồng độ bằng nhau.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Lưu huỳnh đioxit bị oxi hóa thành lưu huỳnh trioxit trong giai đoạn then chốt của quá trình sản xuất axit sunfuric. Phản ứng được biểu diễn bằng phương trình hóa học

2\,\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\,\text{SO}_3(g)

với

\Delta S^\circ = -187\ \text{J}/(\text{mol}_{rxn}\cdot\text{K})

ở 298 K. Bảng entropy chuẩn (standard entropy) cho biết

S^\circ(\text{O}_2, g) = 205\ \text{J}/(\text{mol}\cdot\text{K})

và

S^\circ(\text{SO}_3, g) = 257\ \text{J}/(\text{mol}\cdot\text{K})

, còn giá trị của

\text{SO}_2(g)

bị bỏ trống.

aTính $S^\circ$ của $\text{SO}_2(g)$ theo đơn vị $\text{J}/(\text{mol}\cdot\text{K})$ .
bChỉ dựa vào phương trình hóa học, hãy giải thích tại sao $\Delta S^\circ$ của phản ứng mang dấu âm.

1Bước 1: Trước hết phải đọc đúng thông tin mà phương trình hóa học cung cấp. Các hệ số tỉ lượng (stoichiometric coefficients) 2, 1 và 2 không chỉ dùng để cân bằng nguyên tử mà còn là hệ số nhân cho mọi đại lượng nhiệt động tính theo mol phản ứng. Ký hiệu trạng thái

(g)

đi kèm mỗi chất cho biết cả ba chất đều ở thể khí, chi tiết này sẽ dùng lại ở ý (b).

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyPhản ứng hóa học · bài “Biểu diễn phản ứng” — khoá AP Chemistry

Cần trướccông thức hóa học (sắp có)định luật bảo toàn khối lượng

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

phương trình cân bằng (balanced equation)balanced equation

Khác nhau ở đâuPhương trình hóa học là cách biểu diễn bất kì phản ứng nào, chưa cần cân bằng. Phương trình cân bằng là phương trình đã thỏa mãn định luật bảo toàn khối lượng với hệ số nguyên tối giản.

Hay nhầm khikhi đề yêu cầu 'viết phương trình' mà học sinh chỉ ghi công thức mà chưa cân bằng hệ số

phương trình ion rút gọn (net ionic equation)net ionic equation

Khác nhau ở đâuPhương trình hóa học viết đầy đủ công thức phân tử của mọi chất. Phương trình ion rút gọn chỉ giữ lại các ion thực sự tham gia phản ứng, loại bỏ ion khán giả.

Hay nhầm khikhi đề hỏi phương trình của phản ứng trong dung dịch điện li mà học sinh không biết có cần viết dạng ion không

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 13, 18, 25.

Dạng sơ khai của phương trình hóa học được nhà hóa học người Pháp Jean Beguin phác ra năm 1615, còn ký hiệu công thức hiện đại thì bắt nguồn từ hệ ký hiệu nguyên tử do Jöns Jacob Berzelius đưa ra năm 1814; cách viết thành một dòng thẳng có dấu bằng chỉ phổ biến từ cuối thập niên 1840.

Trước khi có dòng chữ quen thuộc mà học sinh ngày nay viết trên giấy thi, các nhà hóa học mô tả phản ứng bằng những sơ đồ ái lực (affinity diagram) rườm rà, trong đó tên các chất được in đầy đủ và nối với nhau bằng các nhánh. Một ví dụ như vậy còn thấy trong tập sách sơ đồ hóa học của Lee năm 1833, và kiểu trình bày này vẫn tồn tại đến tận thập niên 1860. Khi hệ ký hiệu nguyên tử của Berzelius lan rộng, tên chất viết bằng chữ dần được thay bằng công thức thành phần, và phản ứng co lại thành một dòng gọn gàng đủ để in trong sách giáo khoa.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên "phương trình" nghe có vẻ vay mượn từ đại số, và đúng là như vậy: nó đến từ dấu bằng được đặt giữa hai vế. Cuối thập niên 1840, người ta bắt đầu viết phản ứng thành một dòng thẳng với dấu "=" ngăn cách chất phản ứng (reactants) với sản phẩm (products); cách viết này xuất hiện trong bản in năm 1847 cuốn giáo trình nhập môn của George Fownes, ban đầu chỉ như phần bổ sung cho các sơ đồ vốn đang thông dụng. Có ý kiến cho rằng bước chuyển từ sơ đồ sang dòng phương trình phản ánh một thay đổi trọng tâm: từ chỗ nhấn mạnh sự chênh lệch của các lực ái lực kiểu Newton, hóa học quay sang nhấn mạnh sự bảo toàn khối lượng nguyên tử và đương lượng theo tinh thần Dalton. Nói cách khác, dấu bằng không phải là trang trí mà là một tuyên bố: hai vế phải cân nhau, và đó chính là lý do ngày nay ta phải "cân bằng" phương trình. Về sau, khi khái niệm cân bằng hóa học đòi hỏi một ký hiệu riêng, năm 1894 Ostwald đề nghị thay dấu bằng bằng một chữ "z" nằm ngang để chỉ phản ứng thuận nghịch — tổ tiên của cặp mũi tên hai chiều mà đề thi vẫn dùng.

Mẹo phòng thi

Luôn viết trạng thái vật lý của mỗi chất trong ngoặc đơn.

Khi ghép các phương trình, hãy viết ra từng bước biến đổi trước khi tính số.

Chú ý đơn vị $\text{mol}_{rxn}$ khi làm bài nhiệt động.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

2Bước 2: Áp dụng công thức tính biến thiên entropy chuẩn:

\Delta S^\circ = \sum n_p S^\circ_p - \sum n_r S^\circ_r

Trong đó

n_p

n_r

là hệ số của sản phẩm và chất phản ứng lấy trực tiếp từ phương trình, còn

S^\circ

là entropy mol chuẩn của từng chất. Nói cách khác, entropy của phản ứng bằng tổng entropy bên phải trừ tổng entropy bên trái, mỗi số hạng đã nhân với hệ số của nó.

3Bước 3: Đặt

x = S^\circ(\text{SO}_2)

rồi thay số vào:

-187 = 2(257) - \left[2x + 205\right]

Vế phải bằng

514 - 2x - 205 = 309 - 2x

. Do đó

309 - 2x = -187

, suy ra

2x = 496

và

x = 248\ \text{J}/(\text{mol}\cdot\text{K})

. Kiểm tra ngược lại:

2(257) - [2(248) + 205] = 514 - 701 = -187

, đúng với dữ kiện đề cho.

4Bước 4: Với ý (b), hãy đếm số mol khí ở hai vế của phương trình hóa học: bên trái có

2 + 1 = 3

mol khí, bên phải chỉ còn 2 mol khí. Số phân tử khí giảm nghĩa là số cách sắp xếp vị trí và chuyển động của các hạt giảm theo, nên độ mất trật tự của hệ nhỏ đi. Vì vậy

\Delta S^\circ

phải mang dấu âm, phù hợp với giá trị

-187\ \text{J}/(\text{mol}_{rxn}\cdot\text{K})

Entropy mol chuẩn của $\text{SO}_2(g)$ là $248\ \text{J}/(\text{mol}\cdot\text{K})$ . Dấu âm của $\Delta S^\circ$ được giải thích ngay từ phương trình hóa học: phản ứng chuyển 3 mol khí thành 2 mol khí, tức làm giảm số hạt khí nên entropy của hệ giảm.

2Ví dụ 2/2

Trong phòng thí nghiệm, học sinh khảo sát dung dịch natri xianua và được cung cấp hai phương trình hóa học sau ở 298 K:

\text{HCN}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftarrows \text{H}_3\text{O}^+(aq) + \text{CN}^-(aq)

với

K_a = 6{,}2\times10^{-10}

, và

\text{H}_2\text{O}(l) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftarrows \text{H}_3\text{O}^+(aq) + \text{OH}^-(aq)

với

K_w = 1{,}0\times10^{-14}

. NaCN là muối tan hoàn toàn trong nước.

aViết phương trình hóa học cho phản ứng của ion $\text{CN}^-$ với nước và tính hằng số phân li bazơ (base ionization constant) $K_b$ của $\text{CN}^-$ .
bTính pH của dung dịch NaCN $0{,}10\ M$ ở 298 K.

1Bước 1: Ion

\text{CN}^-

là bazơ liên hợp của axit yếu HCN, nên trong nước nó nhận proton từ phân tử nước. Phương trình hóa học của quá trình đó là

\text{CN}^-(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftarrows \text{HCN}(aq) + \text{OH}^-(aq)

Chính vì phản ứng này sinh ra

\text{OH}^-

mà dung dịch NaCN có tính bazơ chứ không trung tính.

2Bước 2: Phương trình vừa viết không phải tự nhiên mà có: nó là tổng của phương trình thứ nhất viết theo chiều nghịch với phương trình tự ion hóa của nước. Khi đảo chiều một phương trình thì hằng số cân bằng nghịch đảo, nên chiều nghịch của phản ứng HCN ứng với

1/K_a

; khi cộng hai phương trình thì các hằng số nhân với nhau. Do đó

K_b = \frac{K_w}{K_a} = \frac{1{,}0\times10^{-14}}{6{,}2\times10^{-10}} = 1{,}6\times10^{-5}

Giá trị này lớn hơn

K_a

rất nhiều, xác nhận

\text{CN}^-

là bazơ tương đối mạnh so với HCN.

3Bước 3: Lập bảng nồng độ theo phương trình ở Bước 1: ban đầu

[\text{CN}^-] = 0{,}10\ M

, khi cân bằng

[\text{CN}^-] = 0{,}10 - x

còn

[\text{HCN}] = [\text{OH}^-] = x

. Biểu thức hằng số cân bằng là

K_b = \frac{[\text{HCN}][\text{OH}^-]}{[\text{CN}^-]} = \frac{x^2}{0{,}10 - x} = 1{,}6\times10^{-5}

Nước là dung môi tinh khiết nên không xuất hiện trong biểu thức này.

4Bước 4: Vì

K_b

rất nhỏ, có thể xấp xỉ

0{,}10 - x \approx 0{,}10

, khi đó

x^2 = 1{,}6\times10^{-6}

và

x = 1{,}3\times10^{-3}\ M

. Kiểm tra:

x

chỉ chiếm khoảng

1{,}3\%

của

0{,}10\ M

nên phép xấp xỉ chấp nhận được. Suy ra

\text{pOH} = -\log(1{,}3\times10^{-3}) = 2{,}90

và

\text{pH} = 14{,}00 - 2{,}90 = 11{,}10

Ion $\text{CN}^-$ phản ứng với nước theo phương trình $\text{CN}^-(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftarrows \text{HCN}(aq) + \text{OH}^-(aq)$ với $K_b = 1{,}6\times10^{-5}$ , và dung dịch NaCN $0{,}10\ M$ có pH khoảng $11{,}10$ . Kết quả này cho thấy giá trị của việc biết cách đảo chiều và cộng các phương trình hóa học: chỉ từ $K_a$ và $K_w$ đã cho, ta suy ra được hằng số của một phản ứng hoàn toàn khác mà đề không cung cấp trực tiếp.

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.