Cân bằng phương trình hoá học | Cách làm và bài tập lớp 8

Cân bằng phương trình hoá học là đặt hệ số thích hợp trước công thức để số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế bằng nhau. Học sinh chỉ được thay đổi hệ số, không sửa chỉ số trong công thức đã viết đúng, vì việc đổi chỉ số có thể làm thay đổi chất đang xét.

Bám sát Bài 5 – Khoa học tự nhiên 8, bộ Kết nối tri thức, bài viết trình bày cơ sở bảo toàn số nguyên tử và các bước lập phương trình hoá học: viết sơ đồ phản ứng, cân bằng hệ số và hoàn thiện phương trình. Nội dung hướng dẫn cách cân bằng phương trình hoá học lớp 8 theo nhóm phản ứng, phân biệt hệ số với chỉ số, kèm bảng phương trình thường gặp và bài tập cân bằng phương trình hoá học từ cơ bản đến nâng cao có đáp án.

Cân bằng phương trình hoá học là gì? Cơ sở theo định luật bảo toàn khối lượng

Cân bằng phương trình hoá học là đặt hệ số trước công thức để số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế bằng nhau. Sơ đồ phản ứng nêu các chất tham gia và sản phẩm, có thể chưa cân bằng; phương trình hoàn chỉnh có hệ số thích hợp. Hệ số nhân với toàn bộ công thức phía sau, còn chỉ số cho biết thành phần nguyên tử trong một phân tử hoặc đơn vị công thức. Hệ số và chỉ số bằng 1 thường không viết. [1]

Phương trình hoá học là cách biểu diễn ngắn gọn một phản ứng hoá học bằng công thức hoá học, trong đó chất tham gia được viết ở vế trái, sản phẩm được viết ở vế phải, ngăn cách bởi dấu mũi tên.

Trong một phản ứng hoá học, chỉ có liên kết giữa các nguyên tử thay đổi, còn số nguyên tử của mỗi nguyên tố trước và sau phản ứng được giữ nguyên. Theo định luật bảo toàn khối lượng, tổng khối lượng các chất tham gia bằng tổng khối lượng các chất sản phẩm. Đây chính là cơ sở để cân bằng phương trình hoá học: số nguyên tử của từng nguyên tố ở hai vế phải bằng nhau.

Ví dụ, sơ đồ phản ứng giữa khí hydrogen và khí oxygen được viết là \(H_2 + O_2 \rightarrow H_2O\). Vì số nguyên tử oxygen ở hai vế chưa bằng nhau, cần đặt hệ số 2 trước \(H_2O\) và \(H_2\) để cân bằng, thu được phương trình hoàn chỉnh sau.

\(2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O\)

Phương trình này cho biết cứ 2 phân tử hydrogen phản ứng với 1 phân tử oxygen sẽ tạo ra 2 phân tử nước.

Lưu ý: chỉ được thay đổi hệ số đặt trước công thức hoá học, tuyệt đối không được thay đổi chỉ số bên trong công thức khi cân bằng phương trình, vì làm vậy sẽ biến chất ban đầu thành một chất khác.

Các bước cân bằng phương trình hoá học theo KHTN 8

Bài 5: Định luật bảo toàn khối lượng và phương trình hoá học – Khoa học tự nhiên 8, bộ Kết nối tri thức, trình bày ba bước lập phương trình; cân bằng hệ số là bước thứ hai. [1] Ví dụ dưới đây minh hoạ phản ứng giữa nhôm (aluminium) và khí oxygen.

1. Viết sơ đồ phản ứng: viết công thức hoá học của chất tham gia và sản phẩm, chưa cần hệ số.

   \(Al + O_2 \rightarrow Al_2O_3\)

2. Cân bằng số nguyên tử của mỗi nguyên tố: đếm số nguyên tử từng nguyên tố ở hai vế. Vế phải có 2 nguyên tử \(Al\) và 3 nguyên tử O trong \(Al_2O_3\), trong khi mỗi phân tử \(O_2\) ở vế trái chỉ có 2 nguyên tử O. Để cân bằng oxygen, đặt hệ số 2 trước \(Al_2O_3\) và hệ số 3 trước \(O_2\), sau đó cân bằng tiếp nhôm bằng hệ số 4 trước Al.

3. Viết phương trình hoá học hoàn chỉnh: viết lại phương trình với đầy đủ hệ số, ghi điều kiện phản ứng nếu có.

   \(4Al + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Al_2O_3\)

Hệ số viết ngang hàng trước công thức, không thay đổi chỉ số trong công thức đã đúng. Sau khi cân bằng, rút gọn các hệ số về bộ số nguyên dương tối giản: chẳng hạn 4 : 2 : 4 phải rút thành 2 : 1 : 2.

Trong một số trường hợp, khi cân bằng xuất hiện hệ số là phân số, cần nhân toàn bộ phương trình với mẫu số chung nhỏ nhất để đưa về hệ số nguyên. Ví dụ, với sơ đồ \(P + O_2 \rightarrow P_2O_5\), cân bằng O trước cho hệ số tạm thời của O2 là 5/2, sau đó nhân cả phương trình với 2 để được phương trình hoàn chỉnh.

\(4P + 5O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2P_2O_5\)

Thứ tự cân bằng phụ thuộc sơ đồ, không có quy tắc bắt buộc luôn cân bằng oxygen trước hoặc sau. Với phản ứng đốt cháy hydrocarbon, thường cân bằng C, H rồi O; với oxide đơn giản, có thể dùng bội chung nhỏ nhất của số nguyên tử O để đặt hệ số trước.

Cách cân bằng phương trình hoá học theo từng nhóm phản ứng

Dưới đây là ba nhóm phản ứng để luyện cách đặt hệ số và một cách xử lý nhóm nguyên tử. Đây là cách sắp xếp bài tập, không phải danh mục phân loại bắt buộc của Bài 5. Một số phản ứng thuộc phần kiến thức học tiếp trong KHTN 8–9; khi luyện cân bằng, sản phẩm đã được cho sẵn.

Phản ứng của kim loại, phi kim với oxygen

Với kim loại hoặc phi kim tác dụng với oxygen, nên cân bằng nguyên tố oxygen trước, sau đó cân bằng nguyên tố kim loại hoặc phi kim còn lại.

Ví dụ, sơ đồ \(Fe + O_2 \rightarrow Fe_3O_4\) có 4 nguyên tử \(O\) trong \(Fe_3O_4\) nên cần hệ số 2 trước \(O_2\) để có 4 nguyên tử O ở vế trái. Tiếp tục cân bằng Fe bằng hệ số 3, thu được phương trình sau.

\(3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} Fe_3O_4\)

Với sơ đồ \(Ca+O_2\rightarrow CaO\), đặt hệ số 2 trước CaO để có hai nguyên tử O ở vế phải, rồi đặt hệ số 2 trước Ca.

\(2Ca+O_2\xrightarrow{t^\circ}2CaO\)

Phản ứng giữa kim loại với acid hoặc dung dịch muối

Với phản ứng giữa kim loại và acid, hoặc kim loại và dung dịch muối, nên cân bằng nguyên tố kim loại trước, sau đó cân bằng gốc acid hoặc nhóm nguyên tử, cuối cùng mới cân bằng nguyên tố hydrogen.

Ví dụ, sơ đồ \(Al + HCl \rightarrow AlCl_3 + H_2\) có 3 nguyên tử \(Cl\) trong \(AlCl_3\) ở vế phải. Đặt hệ số 2 trước \(Al\) và 6 trước \(HCl\) và hệ số 2 trước AlCl3 để cân bằng Al và Cl; khi đó vế trái có 6 nguyên tử H nên cần hệ số 3 trước H2.

\(2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow\)

Với phản ứng giữa kim loại và dung dịch muối, sơ đồ \(Cu + AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + Ag\) cần cân bằng nhóm \(NO_3\) trước: vế phải có 2 nhóm \(NO_3\) trong \(Cu(NO_3)_2\) nên đặt hệ số 2 trước AgNO3, kéo theo hệ số 2 trước Ag.

\(Cu + 2AgNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2Ag\)

Phản ứng trao đổi giữa các hợp chất

Phản ứng trao đổi thường xảy ra giữa hai hợp chất, trong đó các nguyên tố hoặc nhóm nguyên tử đổi chỗ cho nhau. Với dạng này, nếu nhóm nguyên tử không đổi ở cả hai vế, có thể giữ nguyên nhóm như một đơn vị và cân bằng lần lượt từng nhóm hoặc từng nguyên tố.

Sơ đồ \(BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 + NaCl\) đã cân bằng Ba và nhóm \(SO_4\), chỉ còn Cl và Na chưa cân bằng. Đặt hệ số 2 trước NaCl để cân bằng cả Na và Cl.

\[BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl\]

Với sơ đồ \(Na_2CO_3 + Ba(OH)_2 \rightarrow BaCO_3 + NaOH\), nhóm \(CO_3\) và nguyên tố Ba đã cân bằng, chỉ cần đặt hệ số 2 trước NaOH để cân bằng Na và nhóm OH.

\[Na_2CO_3 + Ba(OH)_2 \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2NaOH\]

Với phản ứng giữa muối carbonate và acid, sơ đồ \(CaCO_3 + HCl \rightarrow CaCl_2 + CO_2 + H_2O\) cần đặt hệ số 2 trước HCl để cân bằng Cl, đồng thời đủ H và O ở vế phải.

\[CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + CO_2\uparrow + H_2O\]

Cách cân bằng khi có nhóm nguyên tử

Khi một nhóm nguyên tử như \(SO_4\), OH hoặc NO3 xuất hiện nguyên vẹn ở cả hai vế của phương trình, có thể cân bằng cả nhóm như một đơn vị duy nhất thay vì cân bằng từng nguyên tử bên trong nhóm. Cách làm này giúp rút ngắn đáng kể các bước cân bằng đối với phản ứng trao đổi giữa các hợp chất.

Phương pháp chẵn – lẻ và đại số cho phương trình khó

Chẵn – lẻ: Với O2 và oxide có số nguyên tử O lẻ, có thể đặt hệ số chẵn trước oxide, rồi cân bằng các chất còn lại. Đây là cách chọn hệ số thuận tiện, không phải quy tắc áp dụng cho mọi phương trình.

Đại số (mở rộng): Đặt a, b, c, d làm hệ số trong \(aC_2H_6+bO_2\rightarrow cCO_2+dH_2O\). Bảo toàn C, H, O lần lượt cho c = 2a; d = 3a; 2b = 2c + d = 7a. Chọn a = 2, được b = 7, c = 4, d = 6:

\(2C_2H_6+7O_2\xrightarrow{t^\circ}4CO_2+6H_2O\). Đây là phản ứng đốt cháy hoàn toàn ethane khi oxygen đủ, dùng để luyện phương pháp mở rộng.

Phân biệt lập công thức theo hoá trị và cân bằng phương trình

Lập công thức theo hoá trị dùng để xác định chỉ số trong công thức của hợp chất; cân bằng phương trình dùng để xác định hệ số trước các công thức đã đúng. “Cân bằng hoá trị” không phải tên thay thế cho thao tác cân bằng phương trình hoá học.

Ví dụ, aluminium có hoá trị III, oxygen có hoá trị II. Với công thức AlxOy, quy tắc hoá trị cho 3x = 2y; chọn cặp số nguyên dương tối giản x = 2, y = 3, được Al2O3. Khi đã viết đúng chất này, chỉ điều chỉnh hệ số phản ứng: \(4Al+3O_2\xrightarrow{t^\circ}2Al_2O_3\).

Không cần thêm điều kiện “x khác y” khi lập công thức chung AxBy; quan hệ giữa x và y do hoá trị quyết định. Cũng cần phân biệt cân bằng phương trình với cân bằng hoá học – khái niệm về trạng thái của phản ứng thuận nghịch được học ở lớp trên.

Bảng phương trình hoá học lớp 8 thường gặp

Bảng dưới đây tổng hợp một số phương trình hoá học thường gặp trong chương trình lớp 8, sắp xếp theo chất tham gia và dạng phản ứng, giúp học sinh ôn tập nhanh thay vì học thuộc lòng từng phương trình riêng lẻ.

Hệ số trong bảng là kết quả sau khi cân bằng, không phải dữ kiện cần học thuộc riêng. Khi làm bài, cần đếm lại số nguyên tử và chỉ giữ nguyên nhóm nguyên tử nếu nhóm đó không bị biến đổi. Các phản ứng có muối trong bảng được xét trong dung dịch; phản ứng kim loại giải phóng H2 ở đây dùng HCl, không suy rộng cho mọi acid.

Bài tập cân bằng phương trình hoá học lớp 8 có đáp án

Các bài dưới đây được biên soạn lại để luyện từ cơ bản đến nâng cao. Sản phẩm đã được cho sẵn; nhiệm vụ là chọn hệ số nguyên dương tối giản và kiểm tra số nguyên tử, không dự đoán sản phẩm chỉ bằng việc cân bằng.

Dạng 1: Cân bằng phương trình cơ bản

Đề bài: Hoàn thành các sơ đồ sau; các phản ứng với oxygen được thực hiện khi đun nóng.

a) \(Cu+O_2\rightarrow{} CuO\).

b) \(Ca+O_2\rightarrow{} CaO\).

c) \(MgCO_3\rightarrow{} MgO+CO_2\).

d) \(Fe(OH)_3\rightarrow{} Fe_2O_3+H_2O\).

Đáp án và cách kiểm tra:

a) \(2Cu+O_2\xrightarrow{t^\circ}2CuO\). Cu: 2–2; O: 2–2.

b) \(2Ca+O_2\xrightarrow{t^\circ}2CaO\). Ca: 2–2; O: 2–2.

c) \(MgCO_3\xrightarrow{t^\circ}MgO+CO_2\). Hệ số đều bằng 1; Mg, C và O đã bảo toàn. Phản ứng nhiệt phân cần đun nóng.

d) \(2Fe(OH)_3\xrightarrow{t^\circ}Fe_2O_3+3H_2O\). Đếm toàn bộ nhóm OH: hai Fe(OH)3 có 6 O và 6 H; Fe2O3 cùng ba H2O chứa đúng số nguyên tử đó.

Dạng 2: Cân bằng khi có nhóm nguyên tử

Đề bài: Các phản ứng sau diễn ra trong dung dịch; với aluminium sulfate, dung dịch kiềm dùng vừa đủ để tạo kết tủa hydroxide. Chỉ giữ nguyên nhóm khi nhóm đó xuất hiện nguyên vẹn ở hai vế.

a) \(FeCl_3+NaOH\rightarrow{} Fe(OH)_3+NaCl\).

b) \(Al_2(SO_4)_3+KOH\rightarrow{} Al(OH)_3+K_2SO_4\).

c) \(CuSO_4+KOH\rightarrow{} Cu(OH)_2+K_2SO_4\).

d) \(Na_2CO_3+HCl\rightarrow{} NaCl+CO_2+H_2O\).

Đáp án và cách kiểm tra:

a) \(FeCl_3+3NaOH\rightarrow{} Fe(OH)_3+3NaCl\). Giữ nhóm OH để đặt hệ số 3 trước NaOH; sau đó cân bằng NaCl.

b) \(Al_2(SO_4)_3+6KOH\rightarrow2Al(OH)_3+3K_2SO_4\). Giữ nhóm sulfate; hai Al cần hai Al(OH)3 và sáu nhóm OH.

c) \(CuSO_4+2KOH\rightarrow{} Cu(OH)_2+K_2SO_4\). Hai nhóm OH trong Cu(OH)2 cần hai KOH.

d) \(Na_2CO_3+2HCl\rightarrow2NaCl+CO_2+H_2O\). Nhóm carbonate bị chuyển thành CO2 và H2O nên không cân bằng CO3 như nhóm nguyên vẹn.

Dạng 3: Bài tập cân bằng nâng cao

Đề bài: Cân bằng các sơ đồ sau; phản ứng cháy có oxygen đủ và các phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ thích hợp.

a) \(C_3H_8+O_2\rightarrow{} CO_2+H_2O\).

b) \(Fe_2O_3+CO\rightarrow{} Fe+CO_2\).

c) \(C_2H_4+O_2\rightarrow{} CO_2+H_2O\).

Đáp án và cách kiểm tra:

a) \(C_3H_8+5O_2\xrightarrow{t^\circ}3CO_2+4H_2O\). Cân bằng C, rồi H, cuối cùng O: 3CO2 và 4H2O có tổng cộng 10 O.

b) \(Fe_2O_3+3CO\xrightarrow{t^\circ}2Fe+3CO_2\). Ba O của Fe2O3 cùng ba CO tạo ba CO2; cân bằng Fe bằng hệ số 2.

c) \(C_2H_4+3O_2\xrightarrow{t^\circ}2CO_2+2H_2O\). Hai CO2 và hai H2O có tổng cộng 6 O, cần ba O2.

Dạng 4: Đọc hệ số và vận dụng bảo toàn khối lượng

Bài 1: Cân bằng sơ đồ \(CaCl_2+Na_2CO_3\rightarrow CaCO_3+NaCl\) trong dung dịch, rồi xác định tỉ lệ số mol các chất đã phản ứng và tạo thành.

Lời giải: \(CaCl_2+Na_2CO_3\rightarrow CaCO_3\downarrow+2NaCl\). Tỉ lệ số mol CaCl2 : Na2CO3 : CaCO3 : NaCl = 1 : 1 : 1 : 2. Với hợp chất ion, dùng “đơn vị công thức” hoặc số mol sẽ rõ hơn cách gọi chung là phân tử.

Bài 2: Đốt cháy hoàn toàn 3,6 g Mg, thu được 6,0 g MgO. Viết phương trình và tính khối lượng oxygen đã phản ứng.

Lời giải: \(2Mg+O_2\xrightarrow{t^\circ}2MgO\). Theo bảo toàn khối lượng, mO₂ = 6,0 − 3,6 = 2,4 g.

Bài 3: Dung dịch chứa 8,0 g NaOH phản ứng vừa đủ với dung dịch chứa 7,3 g HCl, tạo 11,7 g NaCl và nước. Tính khối lượng nước do phản ứng tạo thành, không tính nước dung môi ban đầu.

Lời giải: \(NaOH+HCl\rightarrow NaCl+H_2O\). Khối lượng nước tạo thành = 8,0 + 7,3 − 11,7 = 3,6 g. Khối lượng HCl và NaOH trong đề là khối lượng chất tan, không phải toàn bộ dung dịch.

Những lỗi thường gặp và chiến thuật kiểm tra

• Sửa chỉ số thay vì hệ số: kiểm tra công thức đúng trước khi đặt hệ số; cân bằng không sửa được công thức hoặc sản phẩm đã viết sai.

• Giữ nhóm nguyên tử đã bị biến đổi: chỉ giữ nguyên nhóm nếu nhóm còn nguyên vẹn ở cả hai vế.

• Quên nhân hệ số với toàn bộ công thức: chẳng hạn 2Fe(OH)3 có 2 Fe, 6 O và 6 H.

• Hệ số chưa tối giản: chia cả bộ hệ số cho ước chung lớn nhất và đếm lại từng nguyên tố.

• Nhầm cân bằng với kiểm tra phản ứng có xảy ra: một sơ đồ bảo toàn nguyên tử chưa đủ chứng minh phản ứng thực tế xảy ra; vẫn phải xét chất và điều kiện phản ứng.

Cân bằng phương trình hoá học là đặt hệ số thích hợp để số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế bằng nhau. Ba bước lập phương trình gồm viết đúng sơ đồ phản ứng, cân bằng hệ số và hoàn thiện phương trình kèm điều kiện phản ứng nếu có.

Khi giải bài tập cân bằng phương trình hoá học lớp 8, học sinh chỉ thay đổi hệ số, giữ nguyên chỉ số trong công thức đã đúng và kiểm tra bộ hệ số nguyên tối giản. Người học có thể củng cố kiến thức và luyện tập thêm tại chuyên mục KHTN 8 của ZIM Academy.