Định luật bảo toàn khối lượng là một trong những nguyên lý quan trọng trong khoa học tự nhiên, đặc biệt là trong hóa học. Được Antoine Lavoisier đưa ra lần đầu tiên vào thế kỷ 18, định lý này cho rằng trong một phản ứng hóa học thì tổng khối lượng của các chất tham gia vào phản ứng luôn bằng tổng khối lượng của các sản phẩm sinh ra. Có nghĩa là khối lượng của các chất trước với sau phản ứng không thay đổi miễn là không có chất nào bị mất đi hay sinh ra ngoài phản ứng đó.
Với tính chất cơ bản và dễ hiểu nên định lý bảo toàn khối lượng đã giúp các nhà khoa học với kỹ sư hóa học trong việc tính toán thiết kế các phản ứng hóa học. Định lý này cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc hiểu với kiểm soát các quá trình hóa học trong đời sống hằng ngày.
Trong bài viết này chúng ta sẽ đi sâu vào các bài tập áp dụng định lý bảo toàn khối lượng giúp bạn hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của định lý này trong các tình huống thực tế.
Định Luật Bảo Toàn Khối Lượng Là Gì
Định lý bảo toàn khối lượng, theo Antoine Lavoisier, phát biểu rằng “Khối lượng của các chất tham gia vào một phản ứng hóa học là không thay đổi.” Điều này có nghĩa là, khi một phản ứng hóa học xảy ra, tổng khối lượng của các chất tham gia vào phản ứng (các chất phản ứng) phải bằng tổng khối lượng của các sản phẩm sinh ra.
Điều này giúp chúng ta giải thích tại sao các phép tính hóa học lại cần phải tuân theo quy luật này. Dù cho các phân tử trong chất có thể thay đổi cách liên kết hoặc chuyển thành các chất khác, nhưng tổng khối lượng của hệ thống luôn được bảo toàn.
Một ví dụ đơn giản là khi đốt cháy một mẩu gỗ, nếu chúng ta chỉ xét khối lượng của gỗ và oxy tham gia vào phản ứng, so sánh với khối lượng của các sản phẩm (khói, khí CO2 và H2O), chúng ta sẽ thấy rằng tổng khối lượng của gỗ và oxy trước phản ứng bằng tổng khối lượng của các sản phẩm sau phản ứng.
Các Bài Tập Áp Dụng Định Luật Bảo Toàn Khối Lượng
Bài Tập 1 Tính Khối Lượng Sản Phẩm Của Phản Ứng
Đề bài: Trong một phản ứng cháy hoàn toàn, 10g metan (CH4) phản ứng với 40g oxy (O2). Hãy tính khối lượng của sản phẩm sinh ra trong phản ứng. Biết rằng phản ứng cháy hoàn toàn của metan là
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Giải
Dựa trên định lý bảo toàn khối lượng, tổng khối lượng của các chất tham gia phản ứng sẽ bằng tổng khối lượng của các sản phẩm.
Tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng là
10g (CH4) + 40g (O2) = 50g.
Vậy, tổng khối lượng sản phẩm là 50g. Trong phản ứng này, sản phẩm bao gồm carbon dioxide (CO2) và nước (H2O). Dựa vào phương trình phản ứng, ta có thể tính được tỷ lệ khối lượng giữa các chất tham gia và sản phẩm.
Bài Tập 2 Tính Tỷ Lệ Khối Lượng Giữa Các Chất
Đề bài Trong phản ứng giữa 5g kali (K) và 3g nước (H2O), kali phản ứng với nước tạo ra kali hydroxide (KOH) và khí hydro (H2) theo phương trình phản ứng sau:
2K + 2H2O → 2KOH + H2
Hãy tính khối lượng của các sản phẩm tạo thành.
Giải
Tổng khối lượng của các chất tham gia phản ứng là
5g (K) + 3g (H2O) = 8g.
Theo định lý bảo toàn khối lượng, tổng khối lượng sản phẩm cũng sẽ là 8g. Trong phản ứng này, các sản phẩm là KOH và H2. Ta có thể tính được khối lượng của từng sản phẩm bằng cách tính toán số mol của các chất tham gia phản ứng.
Bài Tập 3 Xác Định Khối Lượng Chất Còn Lại
Đề bài: Khi 10g đồng (Cu) phản ứng với 10g oxit đồng(II) (CuO), sản phẩm của phản ứng là đồng và khí oxy. Viết phương trình phản ứng hóa học và tính khối lượng đồng thu được.
Giải
Phương trình phản ứng hóa học là
CuO + Cu → Cu2O.
Tổng khối lượng chất tham gia phản ứng là
10g (Cu) + 10g (CuO) = 20g.
Khối lượng của các sản phẩm cũng phải bằng 20g. Tuy nhiên, trong phản ứng này, đồng (Cu) là sản phẩm chính. Dựa vào phương trình phản ứng và định lý bảo toàn khối lượng, chúng ta có thể tính được khối lượng đồng thu được.
Bài Tập 4 Phản Ứng Giữa Axit và Bazo
Đề bài: Khi cho 10g axit hydrochloric (HCl) phản ứng với 20g natri hydroxide (NaOH), sản phẩm tạo thành là muối natri chloride (NaCl) và nước (H2O). Viết phương trình hóa học và tính khối lượng sản phẩm thu được.
Giải
Phương trình phản ứng hóa học là
HCl + NaOH → NaCl + H2O.
Tổng khối lượng chất tham gia phản ứng là
10g (HCl) + 20g (NaOH) = 30g.
Theo định lý bảo toàn khối lượng, khối lượng sản phẩm thu được cũng sẽ là 30g. Các sản phẩm là NaCl và H2O. Dựa vào phương trình phản ứng, ta có thể tính khối lượng của NaCl và H2O, thấy rằng tổng khối lượng không thay đổi.
Bài Tập 5 Phản Ứng Giữa Cacbon và Oxy
Đề bài: 15g cacbon (C) phản ứng với 40g oxy (O2) để tạo thành 55g carbon dioxide (CO2). Viết phương trình phản ứng hóa học và kiểm tra sự đúng đắn của định lý bảo toàn khối lượng.
Giải
Phương trình phản ứng là
C + O2 → CO2.
Tổng khối lượng chất tham gia phản ứng là
15g (C) + 40g (O2) = 55g.
Khối lượng sản phẩm là 55g, hoàn toàn khớp với định lý bảo toàn khối lượng. Đây là một minh chứng rõ ràng cho định lý này, cho thấy sự bảo toàn khối lượng trong một phản ứng hóa học.
Định lý bảo toàn khối lượng là một trong những nguyên lý cơ bản quan trọng trong hóa học. Áp dụng định lý này vào các bài tập không chỉ giúp củng cố kiến thức còn giúp các học sinh, sinh viên phát triển khả năng tư duy khoa học cùng kỹ năng giải quyết vấn đề.
Các bài tập về bảo toàn khối lượng là những bài tập rất thiết thực giúp hiểu rõ hơn về cách thức phản ứng hóa học diễn ra đồng thời cũng cung cấp nền tảng vững chắc cho tính toán cũng như phân tích các phản ứng trong thực tế. Hãy luôn nhớ rằng trong bất kỳ phản ứng hóa học nào thì tổng khối lượng của các chất tham gia phản ứng với sản phẩm luôn được bảo toàn. Điều này là yếu tố quyết định cho các phép tính cùng lý thuyết hóa học