1. Công thức tính hiệu suất phản ứng hóa học:
Hiệu suất phản ứng hóa học là tỷ lệ giữa lượng chất tham gia phản ứng thực tế và lượng chất tham gia phản ứng lý thuyết. Hiệu suất phản ứng hóa học được tính bằng công thức sau:
H = số mol pứ . 100% / số mol ban đầu
hoặc cũng có thể tính theo khối lượng:
H = khối lượng thu được thực tế . 100% / khối lượng thu được tính theo phương trình
Khối lượng thu được thực tế là khối lượng mà ta thu được sau khi kết thúc phản ứng. Khối lượng thu được tính theo phương trình là khối lượng mà dự đoán sẽ thu được nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn theo tỉ lệ mol của các chất trong phương trình phản ứng.
Để tính hiệu suất phản ứng, ta cần biết khối lượng mol của các chất trong phương trình phản ứng, và khối lượng của các chất thu được sau phản ứng. Ta có thể sử dụng công thức sau để tính khối lượng mol của một chất:
Khối lượng mol = Khối lượng / Khối lượng mol
Khối lượng mol của một chất là tích của số mol và khối lượng riêng của chất đó. Khối lượng riêng của một chất có thể được tra cứu trong bảng tuần hoàn hoặc trong sách giáo khoa.
Ví dụ:Tính hiệu suất phản ứng của quá trình điều chế khí oxi từ dung dịch nước oxit canxi (CaO) theo phương trình:
CaO + H2O -> Ca(OH)2 + O2
Biết rằng, khi cho 56 g CaO vào dung dịch nước, ta thu được 11,2 g O2.
Lời giải:
Ta có:
Khối lượng mol của CaO = 56 / (40 + 16) = 1 mol
Khối lượng mol của O2 = 11,2 / (16 x 2) = 0,35 mol
Theo tỉ lệ mol trong phương trình, ta có:
1 mol CaO -> 0,5 mol O2
0,35 mol O2 -> (0,35 / 0,5) mol CaO = 0,7 mol CaO
Vậy, lượng CaO tham gia phản ứng thực tế là:
0,7 x (40 + 16) = 39,2 g
Hiệu suất phản ứng là:
(39,2 / 56) x 100% = 70%
2. Công thức tính khối lượng chất tham gia khi có hiệu suất:
Công thức này cho phép ta xác định khối lượng của một chất nào đó cần dùng hoặc thu được trong một phản ứng hóa học nếu biết hiệu suất của phản ứng. Hiệu suất của phản ứng là tỷ lệ phần trăm giữa khối lượng chất sản phẩm thực tế thu được và khối lượng chất sản phẩm lý thuyết dựa trên phương trình hóa học cân bằng. Công thức tính khối lượng chất tham gia khi có hiệu suất có dạng như sau:
Khối lượng chất tham gia = (Khối lượng chất sản phẩm / Hiệu suất) x Hệ số đại số
Trong đó, hệ số đại số là tỷ số giữa hệ số của chất tham gia và hệ số của chất sản phẩm trong phương trình hóa học cân bằng. Hệ số đại số có thể là dương hoặc âm tùy thuộc vào vị trí của chất tham gia và chất sản phẩm trong phương trình. Nếu chất tham gia nằm bên trái, hệ số đại số sẽ là âm, ngược lại nếu chất tham gia nằm bên phải, hệ số đại số sẽ là dương.
Ví dụ:
Cho phản ứng hóa học sau:
2H2 + O2 -> 2H2O
Biết rằng khi cho 4 gam H2 phản ứng với O2 dư, thu được 7,2 gam H2O. Tính hiệu suất và khối lượng O2 đã phản ứng.
Ta có:
Hiệu suất = (Khối lượng H2O thực tế / Khối lượng H2O lý thuyết) x 100%
= (7,2 / (4 x 9/4)) x 100%
= 80%
Khối lượng O2 đã phản ứng = (Khối lượng H2O / Hiệu suất) x Hệ số đại số
= (7,2 / 0,8) x (1/2)
= 4,5 gam
3. Công thức tính khối lượng sản phẩm khi có hiệu suất:
Để áp dụng công thức này, ta cần biết hiệu suất của phản ứng hóa học, tức là tỷ lệ phần trăm giữa khối lượng sản phẩm thực tế thu được và khối lượng sản phẩm tính theo phương trình phản ứng. Hiệu suất của phản ứng hóa học thường nhỏ hơn 100% do nhiều nguyên nhân như sự chuyển hoá không hoàn toàn, sự mất mát sản phẩm trong quá trình thu hoạch, sự có mặt của các chất xúc tác hay các yếu tố nhiệt động lực học.
Giả sử ta có phản ứng hóa học: A + B → C
Theo phương trình phản ứng, ta có thể tính được khối lượng sản phẩm C theo số mol hoặc khối lượng của chất tham gia A và B. Tuy nhiên, khi có hiệu suất, khối lượng sản phẩm C sẽ thay đổi theo công thức sau:
mC = (mC tính theo phương trình x H) / 100
Trong đó:
– mC là khối lượng sản phẩm C khi có hiệu suất (g)
– mC tính theo phương trình là khối lượng sản phẩm C tính theo phương trình phản ứng (g)
– H là hiệu suất của phản ứng hóa học (%)
Ví dụ:
Nung 0,1 mol CaCO3 thu được 0,08 mol CaO. Tính hiệu suất và khối lượng CaO thu được.
Phương trình phản ứng: CaCO3 → CaO + CO2
Theo định luật bảo toàn nguyên tố, ta có:
nCaCO3 = nCaO = nCO2
Hiệu suất của phản ứng:
H = (nCaO thu được / nCaCO3 ban đầu) x 100% = (0,08 / 0,1) x 100% = 80%
Khối lượng CaO thu được:
mCaO = nCaO x M(CaO) = 0,08 x (40 + 16) = 4,48 (g)
Khối lượng CaO tính theo phương trình:
mCaO tính theo phương trình = nCaCO3 x M(CaO) = 0,1 x (40 + 16) = 5,6 (g)
Kiểm tra:
mCaO = (mCaO tính theo phương trình x H) / 100
4,48 = (5,6 x 80) / 100
Đúng.
4. Bài tập tính hiệu suất phản ứng hóa học:
Bài 1: Tính khối lượng Na và thể tích khí Cl2 cần dùng để điều chế 4,68 gam muối Clorua, nếu hiệu suất phản ứng là 80%.
Lời giải:
Để tính khối lượng Na và thể tích khí Cl2 cần dùng để điều chế 4,68 gam muối Clorua với hiệu suất phản ứng là 80%, ta cần biết phương trình phản ứng và các khối lượng mol tương ứng.
Phương trình phản ứng:
2Na + Cl2 -> 2NaCl
Theo phương trình trên, ta thấy rằng 2 mol Na phản ứng với 1 mol Cl2 để tạo ra 2 mol NaCl.
– Bước 1: Tính số mol muối Clorua cần điều chế:
Số mol NaCl = Khối lượng muối Clorua / Khối lượng mol muối Clorua
Số mol NaCl = 4,68 g / (22,99 g/mol + 35,45 g/mol)
Số mol NaCl = 0,1 mol
– Bước 2: Tính số mol Cl2 cần dùng:
Số mol Cl2 = Số mol NaCl / Hiệu suất phản ứng
Số mol Cl2 = 0,1 mol / 0,8
Số mol Cl2 = 0,125 mol
– Bước 3: Tính khối lượng Na cần dùng:
Khối lượng Na = Số mol Na x Khối lượng mol Na
Khối lượng Na = 2 x 0,125 mol x 22,99 g/mol
Khối lượng Na = 5,74875 g (khoảng 5,75 g)
– Bước 4: Tính thể tích khí Cl2 cần dùng (ở điều kiện tiêu chuẩn):
Thể tích Cl2 = Số mol Cl2 x Thể tích mol tiêu chuẩn
Thể tích Cl2 = 0,125 mol x 22,4 L/mol
Thể tích Cl2 = 2,8 L
Vậy, để điều chế 4,68 gam muối Clorua với hiệu suất phản ứng là 80%, cần sử dụng khoảng 5,75 gam Na và 2,8 L khí Cl2.
Bài 2: Cho hỗn hợp A gồm axit formic và axit axetic (tỉ lệ mol 1:1). Lấy 5,3 gam hỗn hợp A tác dụng với 5,75 gam C2H5OH (có xúc tác H2SO4đặc) thu được hỗn hợp este (hiệu suất của các phản ứng este hoá đều bằng 85%). Tính khối lượng hỗn hợp este thu được.
Lời giải:
Để giải bài tập này, ta cần áp dụng các công thức sau:
– Khối lượng mol của một chất = khối lượng của chất (gam) / khối lượng phân tử của chất (gam/mol)
– Phương trình phản ứng este hoá của axit formic và axit axetic với C2H5OH là:
HCOOH + C2H5OH -> HCOOC2H5 + H2O
CH3COOH + C2H5OH -> CH3COOC2H5 + H2O
– Hiệu suất của phản ứng este hoá = (khối lượng mol của este thu được / khối lượng mol của este lý thuyết) x 100%
Theo đề bài, ta có:
– Khối lượng mol của hỗn hợp A = 5,3 / [(46 + 60) / 2] = 0,1 mol
– Khối lượng mol của C2H5OH = 5,75 / 46 = 0,125 mol
– Do tỉ lệ mol của axit formic và axit axetic là 1:1, nên khối lượng mol của mỗi axit trong hỗn hợp A là 0,05 mol
– Do phản ứng este hoá là phản ứng đẳng phân tử, nên khối lượng mol của este thu được bằng khối lượng mol của axit tác dụng. Vì vậy, khối lượng mol của este lý thuyết là 0,1 mol
– Do hiệu suất của các phản ứng este hoá đều bằng 85%, nên khối lượng mol của este thu được là 0,1 x 85% = 0,085 mol
– Khối lượng phân tử của HCOOC2H5 là 74 gam/mol, khối lượng phân tử của CH3COOC2H5 là 88 gam/mol. Do đó, khối lượng của hỗn hợp este thu được là:
0,085 x [(74 + 88) / 2] = 6,885 gam
Bài 3: Cho 19,5 gam Zn phản ứng với 7 (lít) clo thì thu được 36,72 gam ZnCl2. Tính hiệu suất của phản ứng?
Lời giải:
Phương trình phản ứng:
Zn + Cl2 -> ZnCl2
Ta cần tìm số mol của các chất tham gia và sản phẩm. Ta có:
n(Zn) = m(Zn) / M(Zn) = 19,5 / 65 = 0,3 (mol)
n(Cl2) = V(Cl2) / 22,4 = 7 / 22,4 = 0,3125 (mol)
Theo phương trình phản ứng, ta có tỉ lệ mol giữa các chất như sau:
1 mol Zn + 1 mol Cl2 -> 1 mol ZnCl2
Do đó, ta có thể suy ra được số mol của ZnCl2 là:
n(ZnCl2) = min(n(Zn), n(Cl2)) = min(0,3; 0,3125) = 0,3 (mol)
Từ đó, ta có thể tính được khối lượng của ZnCl2 là:
m(ZnCl2) = n(ZnCl2).M(ZnCl2) = 0,3.136 = 40,8 (gam)
Hiệu suất của phản ứng là tỉ lệ giữa khối lượng thực tế và khối lượng lý thuyết của sản phẩm. Do đó, ta có:
Hiệu suất (%) = m(ZnCl2) thực tế / m(ZnCl2) lý thuyết.100
= 36,72 / 40,8.100
= 89,9 (%)
