Định luật bảo toàn khối lượng

Phát biểu định luật

Định luật bảo toàn khối lượng được phát biểu như sau:

Định luật được nhà hóa học Pháp Antoine Lavoisier phát biểu năm 1789 (và độc lập với ông là Mikhail Lomonosov ở Nga năm 1748). Đây là một trong những định luật quan trọng nhất của hóa học, đặt nền móng cho hóa học hiện đại.

Biểu thức của định luật

Giả sử phản ứng tổng quát: A + B → C + D. Gọi m_A, m_B, m_C, m_D lần lượt là khối lượng các chất tương ứng đã phản ứng/tạo thành. Theo định luật:

Tổng quát với n chất phản ứng và k chất sản phẩm:

Σ m_{tham gia} = Σ m_{sản phẩm}

Giải thích bằng nguyên tử

Lý do định luật đúng nằm ở bản chất của phản ứng hóa học. Trong mọi phản ứng:

• Các liên kết hóa học bị phá vỡ và hình thành lại.
• Các nguyên tử không tự nhiên sinh ra hay biến mất — chúng chỉ được "tổ hợp" lại trong các phân tử mới.
• Vì số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế bằng nhau, và mỗi nguyên tử có khối lượng cố định, nên tổng khối lượng cũng phải bằng nhau.

Đây cũng là cơ sở của việc cân bằng phương trình hóa học: ta đặt các hệ số sao cho số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế bằng nhau.

Ý nghĩa của định luật

1. Cơ sở để cân bằng phương trình: Mọi phương trình hóa học phải tuân theo định luật, dẫn đến việc cân bằng.
2. Cơ sở để tính theo phương trình hóa học: Biết khối lượng (hoặc số mol) của một chất, có thể tính khối lượng các chất khác.
3. Cơ sở của phân tích định lượng: Trong phòng thí nghiệm, ta xác định thành phần chất bằng cách cân khối lượng.
4. Phát triển hóa học hiện đại: Trước Lavoisier, người ta tin có "phlogiston" — một chất bay hơi khi cháy. Định luật bác bỏ giả thuyết này và mở đường cho lý thuyết oxi hóa.

Áp dụng vào bài tập

Ví dụ 1: Tính khối lượng chất chưa biết

Cho 28 g sắt phản ứng vừa đủ với 16 g lưu huỳnh tạo thành sắt(II) sunfua FeS. Tính khối lượng FeS thu được.

Giải: Phản ứng Fe + S → FeS. Theo định luật bảo toàn khối lượng:

m_Fe + m_S = m_FeS → 28 + 16 = 44 g.

Ví dụ 2: Tính khối lượng chất khí thoát ra

Đốt cháy 4 g khí mê-tan (CH₄) trong 16 g oxi, thu được nước và khí cacbonic CO₂ với khối lượng 11 g. Tính khối lượng nước tạo thành.

Giải: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

m_CH₄ + m_O₂ = m_CO₂ + m_H₂O

4 + 16 = 11 + m_H₂O → m_H₂O = 9 g.

Ví dụ 3: Nhận biết phản ứng có khí thoát ra

Cho mẩu kẽm vào dung dịch HCl. Khối lượng cốc giảm 0.2 g. Hỏi đó là do hiện tượng gì?

Giải: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Phản ứng tạo khí H₂ bay ra khỏi cốc nên khối lượng cốc giảm. Giảm 0.2 g chính là khối lượng H₂ bay ra.

Định luật và phản ứng hạt nhân (kiến thức mở rộng)

Trong phản ứng hạt nhân (vỡ hạt nhân uranium, tổng hợp hidro thành heli ở Mặt Trời...), khối lượng có thể chuyển thành năng lượng theo công thức nổi tiếng của Einstein:

E = mc²

Tuy nhiên đây là phản ứng giữa các hạt nhân nguyên tử, không phải phản ứng hóa học thông thường. Định luật bảo toàn khối lượng vẫn đúng cho mọi phản ứng hóa học ở mức năng lượng bình thường.

Bài tập tự luyện

1. Đốt cháy 6 g cacbon trong oxi thu được 22 g khí CO₂. Tính khối lượng oxi đã phản ứng. (Đáp án: 16 g)
2. Cho 11.2 g Fe phản ứng vừa đủ với HCl thấy có 0.4 g H₂ bay ra. Khối lượng FeCl₂ trong dung dịch? (HCl đã dùng = 14.6 g). (Đáp án: 11.2 + 14.6 − 0.4 = 25.4 g)
3. Đốt 23 g rượu etylic (C₂H₅OH) trong oxi vừa đủ thu được 44 g CO₂ và 27 g H₂O. Khối lượng oxi đã dùng? (Đáp án: 48 g)

Bài liên quan