Cách giải bài tập về luật bảo toàn khối lượng

I. Lý thuyết 

1. - Định luật bảo toàn khối lượng: "Trong một phản ứng hóa học, tổng khối lượng của các sản phẩm bằng tổng khối lượng của các chất tham gia phản ứng".

Giải thích: Trong phản ứng hóa học diễn ra sự thay đổi liên kết giữa các nguyên tử. Sự thay đổi này chỉ liên quan đến electron, còn số nguyên tử mỗi nguyên tố giữ nguyên và khối lượng nguyên tử thì không đổi, vì vậy tổng khối lượng các chất được bảo toàn.

- Giả sử có phản ứng: A + B → C + D

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: m_A + m_B = m_C + m_D

Trong đó mA, mB, mC, mD là khối lượng mỗi chất.

Như vậy nếu biết khối lượng của 3 chất có thể tính được khối lượng của chất còn lại.

⇒ Hệ quả của định luật bảo toàn khối lượng:

Trong một phản ứng có n chất, nếu biết khối lượng của (n – 1) chất thì tính được khối lượng của chất còn lại.

2. Phạm vi sử dụng

Thường sử dụng phương pháp bảo toàn khối lượng trong các bài toán sau:

+ Biết tổng khối lượng chất ban đầu ( tham gia) tính khối lượng chất tạo thành sản phẩm hoặc ngược lại

+ Trong bài toán có n chất mà chúng ta biết khối lượng của (n-1) chất ta sẽ tính được khối lượng chất còn lại

+ Những bài toán ta không thể xác định được số mol do không biết được phân tử khối của các chất

II. Phương pháp bảo toàn khối lượng trong hóa học 

1. Phương pháp bảo toàn khối lượng:

m_{tham gia} = m_{sản phẩm}

Đối với bài toán sử dụng các chất dư sau phản ứng ta có:

m_{trước pư} = m_{sau pư}

Chú ý: Đối với các phản ứng tạo thành chất kết tủa, bay hơi, khối lượng dung dịch sẽ thay đổi sau phản ứng:

m_{dd sau phản ứng} = m_{dd trước phản ứng} + m_{chất tan} – m_{kết tủa} – m_{bay hơi}

m_{dung dịch muối} = m_{kim loại} + m_{dung dịch axit} – m_H2

2. Phương pháp tăng giảm khối lượng

    Dựa vào sự tăng giảm khối lượng khi chuyển từ 1 mol chất A thành 1 hoặc nhiều mol chất B (có thể qua nhiều giai đoạn trung gian) ta có thể tính được số mol của các chất và ngược lại.

    Ví dụ. Xét phản ứng: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

    Ta thấy: cứ 1 mol Fe (56 gam) tan ra thì có 1 mol Cu (64 gam) tạo thành, khối lượng thanh kim loại tăng 64 – 56 = 8 (gam). Như vậy nếu biết được khối lượng kim loại tăng thì có thể tính được số mol Fe phản ứng hoặc số mol CuSO₄ phản ứng,…

3. Phương pháp sơ đồ dường chéo

    Thường áp dụng trong các bai tập hỗn hợp 2 chất khí, pha trộn 2 dung dịch, hỗn hợp 2 muối khi biết nồng độ phần trăm của dung dịch (C%) hoặc phân tử khối trung bình (M).

    Ví dụ. tính tỉ lệ khối lượng của 2 dung dịch có nồng độ phần trăm tương ứng là C1, C2 cần lấy trộn vào nhau để được dung dịch có nồng độ C%.(C1 < C < C2)

Đối với bài toán có hỗn hợp 2 chất khử, biết phân tử khối trung bình cũng nên áp dụng phương pháp sơ đồ chéo để tính số mol từng khí.

4. Phương pháp nguyên tử khối trung bình

    Trong các bài tập có hai hay nhiều chất có cùng thành phần hóa học, phản ứng tương tự nhau có thể thay chúng bằng một chất có công thức chung, như vậy việc tính toán sẽ rút gọn được số ẩn.

– Khối lượng phân tử trung bình của một hỗn hợp là khối lượng của 1 mol hỗn hợp đó.

5. Phương pháp bảo toàn electron

    Phương pháp này áp dụng để giải các bài tập có nhiều quá trình oxi hóa khử xảy ra (nhiều phản ứng hoặc phản ứng tạo ra nhiều sản phẩm hoặc phản ứng qua nhiều giai đoạn). Chỉ cần viết các quá trình nhường, nhận electron của các nguyên tố trong các hợp chất. Lập phương trình tổng số mol electron nhường = tổng số mol electron nhận.

6. Phương pháp bảo toàn nguyên tố

    Trong các phản ứng hóa học số mol nguyên tử của các nguyên tố được bảo toàn trước và sau phản ứng.

    Ví dụ. xét phản ứng CO + oxit kim loại → kim loại + CO₂

    Bào toàn nguyên tử O: nCO = nCO₂ = nO trong các oxit

7. Phương pháp viết pt phản ứng dưới dạng rút gọn

    Khi giải các bài toán có phản ứng của dung dịch hỗn hợp nhiều chất (dung dịch gồm 2 axit, 2 bazo,…) để tránh viết nhiều phương trình phản ứng, đơn giản tính toán ta viết phương trình ion rút gọn.

III. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Cho 23,4 gam hỗn hợp hai ancol đơn chức, kế tiếp nhau trong dãy đồng đẳng tác dụng hết với 13,8 gam Na, thu được 36,75 gam chất rắn. Hai ancol đó là

A. C₂H₅OH và C₃H₇OH

B. C₃H₇OH và C₄H₉OH

C. C₃H₅OH và C₄H₇OH

D. CH₃OH và C₂H₅OH

Giải:

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, ta có:

m_{hh acol} + m_Na = m_c/rắn + m_H2

⇒ m_H2 = m_{hh acol} + m_Na – m_c/rắn = 23,4 + 13,8 – 36,75 = 0,45g

⇒ n_H2 = 0,45/2 = 0,225 mol

⇒ n_{hỗn hợp ancol} = 2 n_H2= 2.0,225 = 0,45(mol)

M−_ancol = 23,4/0,45 = 52 ⇒ 2 ancol là: C₂H₅OH và C₃H₇OH

⇒ Đáp án A

Chú ý: Với bài toán trên thường mắc các lỗi sai:

+ Ngộ nhận Na tham gia phản ứng hết từ nNa ⇒ n_H2 ⇒M−_ancol ⇒ Đáp án D

+ Ngộ nhận chất rắn chỉ gồm muối RONa, không tính Na dư và sử dụng phương pháp tăng giảm khối lượng giữa ancol và muối ⇒ Đáp án D

Ví dụ 2: Nhiệt phân hoàn toàn m gam hỗn hợp X gồm CaCO₃ và Na₂CO₃ thu được 11,6 gam chất rắn và 2,24 lít khí (đktc). Thành phần phần trăm khối lượng CaCO₃ trong X là

A. 6,25%.

B. 8,62%.

C. 50,2%

D. 62,5%.

Giải:

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:

m_X = m_c/rắn + mCO₂= 11,6 + 0,1.44 = 16g

Vậy phần trăm khối lượng của CaCO₃ trong hỗn hợp X là:

Chú ý: Với bài toán trên thường mắc các lỗi sai:

+ Na₂CO₃ không bị nhiệt phân nhưng lại viết phương trình nhiệt phân và tính số mol khí CO₂ được sinh ra từ nhiệt phân muối Na₂CO₃ và chất rắn gồm CaO; Na₂O

Ví dụ 3: Hòa tan hoàn toàn 3,9g kali vào 36,2 gam nước thu được dung dịch có nồng độ là:

A. 15,47%

B. 13,97%

C. 14,0%

D. 4,04%

Giải:

Chú ý:

Bài toán này thường mắc lỗi ở việc tính khối lượng dung dịch, quên không trừ đi khối lượng của khí H₂ bay đi

Ví dụ 4: X là một α-amonoaxit, phân tử chứa một nhóm –NH₂ và một nhóm –COOH. Cho 0,89g X phản ứng vừa đủ với HCl thu được 1,255g muối. Công thức cấu tạo của X là:

A. CH₂ = C(NH₂) – COOH

B. H₂N-CH = CH – COOH

C. CH₃ – CH(NH₂) – COOH

D. H₂N – CH₂ – CH₂ – COOH

Giải:

HOOC – R – NH₂ + HCl → HOOC – R – NH₃Cl

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng: mHCl = mmuối – maminoaxit = 0,365g

⇒ nHCl = naminoaxit = 0,01 mol

⇒ Maminoaxit = 0,89 : 0,01 = 89

X là α-amonoaxit ⇒ X là: CHm₃ – CH(NH₂) – COOH ⇒ Đáp án C

Với bài toán trên nếu không sử dụng định luật bảo toàn khối lượng quy ra số mol axit mà việc tính toán dựa trên tỉ lệ giữa muối và aminoaxit để tìm ra khối lượng phân tử của aminoaxit thì việc tính toán rất phứ tập

Ví dụ 5: Hỗn hợp X gồm Fe, FeO và Fe₂O₃. Cho một luồng CO đi qua ống sứ đựng m gam hỗn hợp X nung nóng. Sau khi kết thúc thí nghiệm thu được 64 gam chất rắn A trong ống sứ và 11,2 lít khí B (đktc) có tỉ khối so với H₂ là 20,4. Tính giá trị m.

A. 105,6 gam.

B. 35,2 gam.

C. 70,4 gam.

D. 140,8 gam.

Giải:

Khí B gồm: CO_dư ( x mol) và CO₂ (y mol)

n_B = x + y = 0,5 mol (1)

M_B = 20,4.2 = 40,8g ⇒ mB = 40,8.0,5 = 20,4g

⇒ 28x + 44y = 20,4g (2)

Từ (1)(2) ⇒ x = 0,1 mol; y = 0,4 mol

Ta có: n_CO pư = n_CO2 = 0,4 mol

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng:

m_X + m_CO = mA + m_CO2

⇒ mCO_X = mCO_A + mCO_CO2 – m_CO2 = 64 + 0,4.44 – 0,4.28 = 70,4g

⇒ Đáp án C

Nếu không sử dụng định luật bảo toàn khối lượng để quy ra số mol CO₂ và CO pư mà việc tính toán dựa trên đặt ẩn số mol của các oxit thì việc giải ra kết quả rất phức tạp và liên quan đến việc sử dụng toán học khá nhiều