Tính theo phương trình hóa học | Các bước giải, công thức và bài tập

Đốt cháy hoàn toàn 6,2 gam phosphorus trong khí oxygen, làm thế nào để xác định khối lượng diphosphorus pentoxide tạo thành? Tính theo phương trình hóa học giúp học sinh dựa vào phương trình đã cân bằng và tỉ lệ số mol để tính lượng chất tham gia hoặc sản phẩm, từ đó xác định khối lượng và thể tích chất khí.

Bám sát Bài 6 – Khoa học tự nhiên 8, bộ Kết nối tri thức, bài viết hướng dẫn các bước tính theo phương trình hóa học, công thức chuyển đổi số mol, khối lượng, thể tích khí và cách tính hiệu suất phản ứng. Phần vận dụng mở rộng cách xác định chất dư, chất phản ứng hết, kèm ví dụ có lời giải và bài tập tính theo phương trình hóa học lớp 8 có đáp án từ cơ bản đến nâng cao.

Tính theo phương trình hóa học là gì?

Tính theo phương trình hóa học là cách dùng phương trình hóa học đã cân bằng và tỉ lệ số mol để xác định lượng chất tham gia hoặc sản phẩm từ lượng chất đã phản ứng hay đã tạo thành. Nếu đề cho lượng ban đầu của nhiều chất, cần xác định chất phản ứng hết trước khi tính sản phẩm. [1]

Cơ sở của dạng toán này là: trong một phương trình hóa học đã cân bằng, tỉ lệ số mol các chất đã phản ứng và sản phẩm tạo thành bằng tỉ lệ hệ số cân bằng đứng trước công thức hóa học của chúng. Ví dụ với phương trình \(2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}\), cứ 2 mol \(\text{H}_2\) phản ứng với 1 mol \(\text{O}_2\) tạo ra 2 mol \(\text{H}_2\text{O}\); nếu 4 mol \(\text{H}_2\) phản ứng hết thì cần 2 mol \(\text{O}_2\) và tạo ra 4 mol \(\text{H}_2\text{O}\) — tỉ lệ 2 : 1 : 2 áp dụng cho lượng đã phản ứng và tạo thành, không áp dụng trực tiếp cho lượng ban đầu nếu có chất dư.

Kiến thức nền cần dùng gồm công thức tính số mol, cách cân bằng phương trình và định luật bảo toàn khối lượng. Khi đề cho dung dịch, người học cần vận dụng thêm nồng độ dung dịch để xác định lượng chất tan tham gia phản ứng.

Các bước tính theo phương trình hóa học lớp 8

Dù đề bài hỏi về khối lượng, thể tích chất khí hay chất dư, người học có thể áp dụng quy trình chung gồm 4 bước; riêng bài có chất dư hoặc hiệu suất cần xử lý thêm điều kiện của đề:

Bước 1: Viết phương trình hóa học xảy ra và cân bằng đúng hệ số. Đây là bước quan trọng nhất — tỉ lệ mol dùng ở bước 3 chỉ đúng khi phương trình đã được cân bằng.

Bước 2: Đổi dữ kiện của chất đã biết (khối lượng, thể tích chất khí, nồng độ dung dịch...) về số mol, dùng công thức \(n = \dfrac{m}{M}\) khi m là khối lượng của chính chất đang xét, hoặc \(n = \dfrac{V}{24{,}79}\) với chất khí, đo ở 25 °C, 1 bar.

Trong công thức n = m/M: n tính bằng mol, m bằng g, M bằng g/mol. Nếu chất ở trong dung dịch, m phải là khối lượng chất tan, không phải khối lượng toàn bộ dung dịch. Khi biết nồng độ mol, dùng \(n=C_MV_{\mathrm{dd}}\) với CM tính bằng mol/L và Vdd tính bằng L.

Bước 3: Dựa vào tỉ lệ hệ số trong phương trình đã cân bằng, lập tỉ lệ để tìm số mol của chất cần tính.

Bước 4: Đổi số mol vừa tìm được thành khối lượng (\(m = n \times M\)), thể tích chất khí (\(V = n \times 24{,}79\)) hoặc đại lượng khác mà đề bài yêu cầu.

Ở bước 4, công thức thể tích nêu trên áp dụng cho khí ở 25 °C, 1 bar. Sau khi tính xong, nên dành vài giây kiểm tra lại đơn vị và ước lượng xem con số có hợp lý hay không.

Lỗi thường gặp và cách kiểm tra kết quả

• Chưa cân bằng phương trình đã lập tỉ lệ: dùng hệ số sai dẫn đến tỉ lệ mol sai ngay từ bước 3. Cách khắc phục là luôn cân bằng phương trình xong mới bắt đầu tính toán, không vừa viết vừa tính.

• Lập tỉ lệ theo khối lượng thay vì theo số mol: hệ số biểu thị tỉ lệ số mol, không phải tỉ lệ khối lượng. Riêng khi so sánh các chất khí ở cùng nhiệt độ và áp suất, tỉ lệ thể tích bằng tỉ lệ số mol. Cách khắc phục là luôn đổi dữ kiện ra số mol (bước 2) trước khi lập tỉ lệ ở bước 3.

• Tính sai khối lượng mol M: quên nhân chỉ số hoặc cộng thiếu nguyên tố trong công thức hóa học. Cách khắc phục là viết rõ phép tính M theo từng nguyên tố trước khi áp dụng công thức n = m/M.

• Dùng sai thể tích mol chất khí: nhầm lẫn giữa 24,79 L/mol (25 °C, 1 bar theo Kết nối tri thức) và 22,4 L/mol (đktc cũ). Cách khắc phục là đọc rõ nhiệt độ, áp suất của khí; chỉ dùng 24,79 L/mol khi khí ở 25 °C, 1 bar.

• Không xét chất phản ứng hết khi đề cho hai dữ kiện: mặc định cả hai chất đều phản ứng hết nên tính sai lượng sản phẩm. Khi biết lượng ban đầu của cả hai chất, cần so sánh tỉ số n/hệ số trước khi tính sản phẩm; hai dữ kiện về cùng một chất không tự tạo thành bài chất dư.

• Quên đổi mL sang L hoặc kg sang g: áp dụng trực tiếp đơn vị đề bài cho mà không đổi về gam hoặc lít. Cách khắc phục là kiểm tra đơn vị của từng đại lượng ngay sau khi đọc đề, đổi về đúng đơn vị công thức yêu cầu rồi mới tính.

• Làm tròn quá sớm: làm tròn số mol ngay từ bước 2 khiến kết quả cuối cùng bị sai lệch. Cách khắc phục là giữ nguyên số thập phân trong suốt quá trình tính, chỉ làm tròn ở bước kết luận cuối cùng.

Cách tính khối lượng và thể tích khí theo phương trình hóa học

Tính khối lượng chất tham gia hoặc sản phẩm

Khi đề bài cho khối lượng của một chất và yêu cầu tính khối lượng chất khác trong cùng phản ứng, học sinh thực hiện tuần tự theo 4 bước ở trên.

Trước tiên, đổi khối lượng chất đã biết ra số mol bằng công thức \(n = \dfrac{m}{M}\). Sau đó, dựa vào tỉ lệ hệ số cân bằng trong phương trình để suy ra số mol của chất cần tìm. Cuối cùng, đổi số mol đó thành khối lượng theo công thức \(m = n \times M\).

Ví dụ: Đốt cháy hoàn toàn 6,2 gam phosphorus (P) trong khí oxygen dư, thu được diphosphorus pentoxide (\(\text{P}_2\text{O}_5\)). Tính khối lượng \(\text{P}_2\text{O}_5\) tạo thành.

Phương trình: \(4\text{P} + 5\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} 2\text{P}_2\text{O}_5\). Có \(n_P = \dfrac{6{,}2}{31} = 0{,}2\) mol. Theo tỉ lệ hệ số, \(n_{P_2O_5} = n_P \times \dfrac{2}{4} = 0{,}1\) mol. Khối lượng \(\text{P}_2\text{O}_5\) tạo thành: \(m = 0{,}1 \times 142 = 14{,}2\) g.

Với phản ứng không có chất thoát ra khỏi hệ, học sinh có thể dùng định luật bảo toàn khối lượng (Bài 5) để kiểm tra chéo kết quả trước khi kết luận.

Tính thể tích chất khí

Khi chất cần tính là chất khí, thay vì dùng công thức khối lượng, học sinh dùng công thức liên hệ giữa số mol và thể tích chất khí ở điều kiện chuẩn 25 °C, 1 bar theo chương trình Kết nối tri thức: \(V = n \times 24{,}79\), trong đó V tính theo lít.

Nếu đề bài đã cho thể tích khí và cần đổi ra số mol, dùng công thức ngược: \(n = \dfrac{V}{24{,}79}\).

Ví dụ: Cho 4,8 gam magnesium (Mg) tác dụng vừa đủ với dung dịch sulfuric acid (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) loãng. Tính thể tích khí hydrogen (\(\text{H}_2\)) thu được, đo ở 25 °C, 1 bar.

Phương trình: \(\text{Mg} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{MgSO}_4 + \text{H}_2\uparrow\). Có \(n_{Mg} = \dfrac{4{,}8}{24} = 0{,}2\) mol. Vì tỉ lệ Mg : \(\text{H}_2\) = 1 : 1 nên \(n_{H_2} = 0{,}2\) mol. Thể tích khí \(\text{H}_2\) thu được: \(V = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958\) lít.

Lưu ý quan trọng: công thức \(V = n \times 24{,}79\) chỉ áp dụng cho chất khí ở đúng điều kiện 25 °C, 1 bar mà sách Kết nối tri thức quy ước; không dùng cho chất rắn, chất lỏng, và cũng không nhầm với con số 22,4 L/mol của điều kiện 0 °C, 1 atm. Khi đề nêu điều kiện khác, cần dùng thể tích mol phù hợp, không mặc định 24,79 L/mol. [1]

Khi đề cho thể tích khí và hỏi khối lượng

Ví dụ vận dụng ngược: Đốt cháy hoàn toàn carbon bằng oxygen dư, thu được 2,479 lít CO2 ở 25 °C, 1 bar. Tính khối lượng carbon đã phản ứng.

Phương trình: \(\mathrm{C}+\mathrm{O}_2\xrightarrow{t^\circ}\mathrm{CO}_2\). Số mol CO2: \(n_{\mathrm{CO}_2}=\dfrac{2{,}479}{24{,}79}=0{,}10\) mol. Theo tỉ lệ 1 : 1, nC = 0,10 mol; khối lượng carbon là mC = 0,10 × 12 = 1,2 g.

Tính chất dư và chất phản ứng hết (vận dụng mở rộng)

Một số bài toán cho sẵn lượng của cả hai chất tham gia. Trường hợp này, học sinh không thể giả định cả hai chất đều phản ứng hết — rất có thể một chất đã hết trước, chất còn lại dư ra một phần. Đây là phần vận dụng, cần tách khỏi quy trình 4 bước cơ bản để tránh nhầm lẫn.

Cách làm là thêm một bước so sánh trước khi tính sản phẩm:

• Đổi lượng của cả hai chất tham gia về số mol.

• Lập tỉ số n/hệ số cho từng chất.

• Với phản ứng được xét là xảy ra hoàn toàn, chất có tỉ số n/hệ số nhỏ hơn phản ứng hết; chất còn lại dư. Nếu các tỉ số bằng nhau, các chất phản ứng vừa đủ và đều hết.

• Tính lượng sản phẩm và lượng chất dư (nếu đề yêu cầu) đều phải dựa theo số mol của chất đã phản ứng hết, không dùng số mol ban đầu của chất dư.

Ví dụ: Cho 13 gam kẽm (Zn) tác dụng với dung dịch chứa 0,3 mol hydrochloric acid (HCl). Tính thể tích khí \(\text{H}_2\) thu được (đo ở 25 °C, 1 bar) và khối lượng chất dư sau phản ứng.

Phương trình: \(\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow\). Có \(n_{Zn} = \dfrac{13}{65} = 0{,}2\) mol; \(n_{HCl} = 0{,}3\) mol. So sánh tỉ lệ: \(\dfrac{n_{Zn}}{1} = 0{,}2\) trong khi \(\dfrac{n_{HCl}}{2} = 0{,}15\). Vì 0,15 < 0,2 nên HCl phản ứng hết, Zn còn dư.

Tính theo số mol HCl đã phản ứng hết: \(n_{H_2} = \dfrac{n_{HCl}}{2} = 0{,}15\) mol, suy ra \(V = 0{,}15 \times 24{,}79 = 3{,}7185\) lít. Số mol Zn đã phản ứng cũng bằng 0,15 mol, nên Zn còn dư 0,2 − 0,15 = 0,05 mol, tương ứng khối lượng dư \(m = 0{,}05 \times 65 = 3{,}25\) g.

Tính theo phương trình khi có hiệu suất phản ứng

Trong thực tế, lượng sản phẩm thu được có thể nhỏ hơn lượng tính theo lý thuyết do phản ứng chưa hoàn toàn, phản ứng phụ hoặc hao hụt khi thu sản phẩm. Hiệu suất phản ứng (H) cho biết tỉ lệ giữa lượng sản phẩm thực tế và lượng sản phẩm lý thuyết, tính theo phần trăm. [1]

Cách làm: trước tiên tính lượng sản phẩm theo lý thuyết bằng đúng 4 bước đã học (coi như phản ứng xảy ra hoàn toàn). Sau đó áp dụng công thức \(H = \dfrac{m_{\mathrm{TT}}}{m_{\mathrm{LT}}} \times 100\%\), trong đó mTT và mLT là khối lượng của cùng một sản phẩm, cùng đơn vị. Có thể thay khối lượng bằng số mol của cùng sản phẩm. Nếu H được ghi dưới dạng số phần trăm (chẳng hạn H = 85), thì mTT = mLT × H/100.

Ví dụ ngắn: Nung 20 gam calcium carbonate (\(\text{CaCO}_3\)) tinh khiết, hiệu suất phản ứng đạt 85%. Phương trình: \(\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow\). \(n_{CaCO_3} = \dfrac{20}{100} = 0{,}2\) mol, suy ra khối lượng CaO lý thuyết = 0,2 × 56 = 11,2 g. Khối lượng CaO thực tế thu được = 11,2 × 85% = 9,52 g.

Khi tính ngược: Nếu biết lượng sản phẩm thực tế, tính lượng sản phẩm lý thuyết bằng mLT = mTT × 100/H, sau đó suy ra lượng chất ban đầu theo phương trình. Ví dụ, để thu 6,72 g CaO với H = 80, cần lượng CaO lý thuyết là 8,4 g, tương ứng 0,15 mol; do đó cần 15 g CaCO3 tinh khiết. Hiệu suất không vượt quá 100% trong mô hình bài toán này.

Bài tập tính theo phương trình hóa học lớp 8 có đáp án

Dưới đây là 5 dạng bài tập tự luận tính theo phương trình hóa học KHTN 8, có đáp án và lời giải từ cơ bản đến vận dụng. Dạng chất dư là phần mở rộng. Dữ kiện được biên soạn cho phần luyện tập, không phải lời giải chép lại từ SGK. Dùng khối lượng mol nguyên tử làm tròn (g/mol): H = 1; C = 12; O = 16; Mg = 24; Al = 27; P = 31; S = 32; Cl = 35,5; Ca = 40; Fe = 56; Zn = 65. Các phản ứng được coi là xảy ra hoàn toàn, trừ bài có hiệu suất riêng.

Dạng 1 – Nhận biết và lập tỉ lệ

Đề bài: Cho phương trình \(2\text{Al} + 3\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 + 3\text{H}_2\). Trong dung dịch acid loãng, nếu có 0,4 mol Al phản ứng hết, tính số mol \(\text{H}_2\text{SO}_4\) cần dùng và số mol \(\text{H}_2\) sinh ra.

Lời giải:

Theo tỉ lệ hệ số 2 : 3 : 3, có \(n_{H_2SO_4} = n_{Al} \times \dfrac{3}{2} = 0{,}6\) mol và \(n_{H_2} = n_{Al} \times \dfrac{3}{2} = 0{,}6\) mol.

Đáp số: 0,6 mol mỗi chất.

Dạng 2 – Tính khối lượng

Đề bài: Cho 5,6 gam sắt (Fe) tác dụng vừa đủ với dung dịch HCl. Viết phương trình và tính khối lượng \(\text{FeCl}_2\) tạo thành.

Lời giải:

Phương trình: \(\text{Fe} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\uparrow\). \(n_{Fe} = \dfrac{5{,}6}{56} = 0{,}1\) mol → \(n_{FeCl_2} = 0{,}1\) mol → m = 0,1 × 127 = 12,7 g.

Đáp số: 12,7 g.

Dạng 3 – Tính thể tích khí

Đề bài: Cho 8,1 gam nhôm (Al) tác dụng hết với dung dịch HCl dư. Tính thể tích khí \(\text{H}_2\) thu được, đo ở 25 °C, 1 bar.

Lời giải:

Phương trình: \(2\text{Al} + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\uparrow\). \(n_{Al} = \dfrac{8{,}1}{27} = 0{,}3\) mol → \(n_{H_2} = n_{Al} \times \dfrac{3}{2} = 0{,}45\) mol → V = 0,45 × 24,79 = 11,1555 lít.

Đáp số: 11,1555 lít (xấp xỉ 11,16 lít nếu làm tròn đến hàng phần trăm).

Dạng 4 – Chất dư, chất phản ứng hết

Đề bài: Trộn 11,2 gam sắt (Fe) với dung dịch chứa 0,5 mol HCl. Tính thể tích khí \(\text{H}_2\) thu được (25 °C, 1 bar) và số mol chất dư.

Lời giải:

Phương trình: \(\text{Fe} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\uparrow\). \(n_{Fe} = \dfrac{11{,}2}{56} = 0{,}2\) mol. So sánh: \(\dfrac{0{,}2}{1} = 0{,}2\) và \(\dfrac{0{,}5}{2} = 0{,}25\) → Fe phản ứng hết, HCl dư. \(n_{H_2} = n_{Fe} = 0{,}2\) mol → V = 0,2 × 24,79 = 4,958 lít.

HCl đã phản ứng = 2 × 0,2 = 0,4 mol → HCl dư = 0,5 − 0,4 = 0,1 mol.

Đáp số: V = 4,958 lít; HCl dư 0,1 mol.

Dạng 5 – Tính hiệu suất từ lượng sản phẩm thực tế

Đề bài: Nung 30 g CaCO3 tinh khiết, thu được 13,44 g CaO thực tế. Tính hiệu suất phản ứng.

Lời giải:

Phương trình: \(\mathrm{CaCO}_3\xrightarrow{t^\circ}\mathrm{CaO}+\mathrm{CO}_2\uparrow\).

Số mol CaCO3: n = 30/100 = 0,30 mol. Theo phương trình, số mol CaO lý thuyết là 0,30 mol, tương ứng mLT = 0,30 × 56 = 16,8 g.

Hiệu suất: \(H=\dfrac{13{,}44}{16{,}8}\times100\%=80\%\).

Đáp số: 80%.

Tính theo phương trình hóa học gồm bốn bước: viết và cân bằng phương trình, đổi dữ kiện ra số mol, tính theo tỉ lệ hệ số và chuyển sang đại lượng cần tìm. Khi làm bài tập, người học cần kiểm tra điều kiện đo thể tích khí, xác định chất phản ứng hết và phân biệt lượng sản phẩm lý thuyết với thực tế nếu có hiệu suất.

Để củng cố kiến thức và luyện tập thêm, người học có thể tham khảo các chuyên đề KHTN 8 tại ZIM Academy.