Phương trình hóa học cân bằng là gì?
Phương trình hóa học là một công thức được viết bằng nguyên tử. Định luật bảo toàn khối lượng nói rằng nguyên tử không được tạo ra hay mất đi trong phản ứng, nên vế trái và vế phải phải tính đúng cùng các nguyên tử — và cân bằng là việc ghi chép thực thi điều đó. Các số lớn đứng trước mỗi công thức (hệ số) là các núm vặn mà bạn chỉnh cho đến khi số lượng mỗi nguyên tố khớp: sắt bị gỉ cần 4 Fe + 3 O2 = 2 Fe2O3, không phải 1 + 1 = 1. Cân bằng thuần túy là đại số, đó là lý do trang này có thể làm bằng khử Gauss rồi đếm lại mọi nguyên tố để cho thấy Vế trái = Vế phải. Hệ số phân số là hợp lệ trong nhiệt hóa học (trên mỗi mol phản ứng); các công thức phòng thí nghiệm khử mẫu số bằng cách nhân lên.
Quy tắc duy nhất cần nhớ: hệ số đếm mol, không phải từng phân tử riêng lẻ. 2H2 + O2 = 2H2O đọc là “2 mol hydro cộng 1 mol oxy cho 2 mol nước” — đó cũng là lý do 10 g H2 và 32 g O2 không phải là cùng một lượng phản ứng.
Hóa lượng: cầu nối mol
Bạn không thể cân mol; bạn cân gram. Mọi bài toán hóa lượng đều là cùng một phép chuyển ba bước: gram → mol (chia cho khối lượng mol), mol của chất này → mol của chất kia (nhân với tỷ lệ hệ số), mol → gram (nhân với khối lượng mol còn lại). Bước giữa là nơi phương trình đã cân bằng phát huy tác dụng. Với mẫu ở trên, 10 g H2 là 4,960 mol; phương trình 2H2 + O2 = 2H2O khi đó cho biết 2,480 mol O2 (79,4 g) bị tiêu thụ cùng lúc, và tạo thành tối đa 4,960 mol H2O (89,4 g). Khối lượng mol lấy thẳng từ bảng tuần hoàn — trang Khối lượng mol là công cụ dành riêng cho bước này.
Chất phản ứng hạn chế: logic kẹp bánh
Với hai chất phản ứng, một trong chúng hết trước và phản ứng dừng ở đó — chất phản ứng hạn chế quyết định mọi thứ, còn chất kia ở mức dư. Phép so sánh là số mol chia cho hệ số: thương nào nhỏ hơn thì hết trước. Mẫu cho thấy một điểm ngược trực giác: 32 g O2 nặng gấp ba lần 10 g H2, nhưng O2 là chất hạn chế (1,000 mol ÷ 1 thắng 4,960 mol ÷ 2), nên hiệu suất lý thuyết chỉ là 36,03 g H2O và 2,96 mol H2 còn dư không dùng đến. Chỉ khối lượng không bao giờ giải quyết được câu hỏi — hệ số trong phương trình phải được đưa vào so sánh.
Hiệu suất lý thuyết, thực tế và phần trăm
Hiệu suất lý thuyết là lượng mà chất phản ứng hạn chế cho phép nếu mọi phân tử đều hợp tác; hiệu suất thực tế là lượng bạn thực sự tách được; phần trăm hiệu suất = thực tế/lý thuyết × 100%. Kết quả 85 g trên 100 g của mẫu được đánh giá “Tốt/Trung bình” — các quá trình tổng hợp thực tế mất hiệu suất do phản ứng phụ, tách chưa hoàn toàn, sản phẩm bám trên dụng cụ, và cân bằng không chịu hoàn tất. Phần trăm hiệu suất trên 100% là dấu hiệu cảnh báo sản phẩm ẩm hoặc nhiễm bẩn, không phải phép màu.
Các loại phản ứng nhìn lướt qua
Bảng phân loại đọc hình dạng của phương trình đã cân bằng: hai thứ kết hợp thành một là tổng hợp, một thứ tách thành nhiều là phân hủy, một nguyên tố thay thế vào hợp chất là thế đơn, hai hợp chất trao đổi đối tác là thế kép. Đốt bất cứ thứ gì bằng O2 để tạo CO2 và H2O là đốt cháy, và bất kỳ phản ứng nào chuyển electron giữa các chất đều còn là oxi hóa khử — các loại có thể chồng lên nhau (mẫu 2H2 + O2 = 2H2O vừa là tổng hợp, vừa là đốt cháy, vừa là oxi hóa khử cùng lúc). Việc ghi chép oxi hóa khử có trang riêng: Oxi hóa khử & điện hóa.
Những hiểu lầm phổ biến
- Cân bằng bằng cách thay đổi chỉ số dưới. H2O và H2O2 là các chất khác nhau; bạn chỉ được điều chỉnh các hệ số đứng trước.
- Khối lượng nhỏ hơn là chất phản ứng hạn chế. Mẫu là phản ví dụ: 32 g O2 nặng hơn 10 g H2 nhưng vẫn là chất hạn chế. Hãy so sánh số mol trên hệ số, không so gram thô.
- Phương trình đã cân bằng không có nghĩa là phản ứng sẽ xảy ra. Cân bằng không nói gì về tốc độ (động học) hay mức độ phản ứng đi xa (cân bằng) — xem Cân bằng hóa học.
- Hiệu suất trên 100% nghĩa là có nhiều sản phẩm hơn mức có thể. Nó có nghĩa là sản phẩm đo được chứa nước hoặc tạp chất; phản ứng không vi phạm định luật nào.
Công cụ liên quan: Khối lượng mol (cầu nối gram–mol mà trang này phụ thuộc vào), Cân bằng hóa học (phản ứng thực sự đi xa đến đâu), và Oxi hóa khử & điện hóa (các phản ứng chuyển electron).
