Trong hóa học một trong những khái niệm cơ bản mà chúng ta cần phải hiểu rõ là sự thay đổi khối lượng của các chất tham gia vào các phản ứng hóa học. Một trong những lý thuyết quan trọng giúp chúng ta giải thích sự thay đổi này chính là định lý tăng giảm khối lượng. Đề cập đến sự thay đổi khối lượng của các chất khi chúng tham gia vào các phản ứng hóa học giúp chúng ta hiểu được nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi này. Cùng với đó hiểu rõ định lý này sẽ giúp chúng ta có thể kiểm soát các phản ứng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghiệp với các thí nghiệm nghiên cứu.
Trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về định lý tăng giảm khối lượng, các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi này, ứng dụng của nó trong thực tế.
Định Luật Tăng Giảm Khối Lượng Là Gì
Định lý tăng giảm khối lượng có thể được hiểu một cách đơn giản là sự thay đổi khối lượng của các chất tham gia vào phản ứng hóa học. Khối lượng của các chất này có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình phản ứng. Điều này không hoàn toàn đi ngược lại với định lý bảo toàn khối lượng, vì tổng khối lượng của hệ thống vẫn được bảo toàn, nhưng có thể thay đổi ở các yếu tố khác như khối lượng khí thoát ra ngoài hay sự hấp thụ chất từ môi trường xung quanh.
Trong thực tế sự thay đổi khối lượng này có thể đến từ một số nguyên nhân chẳng hạn như
-
Sự hấp thụ hay giải phóng khí trong các phản ứng hóa học.
-
Các chất tham gia phản ứng có thể thay đổi trạng thái (từ rắn sang lỏng hoặc khí) và làm thay đổi khối lượng của hệ thống.
-
Một số phản ứng có thể làm phát sinh các chất ngoài hệ thống ban đầu dẫn đến sự thay đổi khối lượng.
Các Trường Hợp Tăng Giảm Khối Lượng Trong Phản Ứng Hóa Học
1. Tăng Khối Lượng Khi Có Chất Tham Gia Phản Ứng
Một trong những trường hợp thường gặp trong các phản ứng hóa học là khối lượng của sản phẩm tạo thành có thể lớn hơn khối lượng của các chất tham gia phản ứng ban đầu. Điều này xảy ra khi các chất từ môi trường bên ngoài chẳng hạn như oxy trong không khí, tham gia vào phản ứng làm tăng khối lượng của sản phẩm.
Ví dụ trong phản ứng giữa sắt và oxy để tạo thành oxit sắt, khối lượng của oxit sắt sẽ lớn hơn khối lượng của sắt ban đầu, vì oxy trong không khí đã tham gia vào phản ứng làm tăng khối lượng của sản phẩm.
Phản ứng giữa sắt và oxy có thể được mô tả bằng phương trình hóa học
Sắt + Oxy → Oxit sắt
Tại đây sắt phản ứng với oxy từ không khí để tạo thành oxit sắt khiến khối lượng của sản phẩm thu được có sự gia tăng so với khối lượng ban đầu của sắt.
2. Giảm Khối Lượng Do Thoát Khí
Ngược lại trong một số phản ứng hóa học khối lượng của hệ thống có thể giảm đi khi một số chất chuyển từ trạng thái rắn hay lỏng thành khí thoát ra khỏi hệ thống. Là một hiện tượng phổ biến trong các phản ứng đốt cháy hoặc phân hủy.
Ví dụ khi một lượng nước bị đun nóng và chuyển thành hơi nước thì khối lượng của nước trong bình sẽ giảm đi. Sự thoát hơi này dẫn đến sự giảm khối lượng của nước trong bình, mặc dù tổng khối lượng của hệ thống vẫn được bảo toàn nếu tính cả hơi nước thoát ra ngoài.
Một ví dụ khác là khi đốt cháy các chất hữu cơ. Trong quá trình cháy các chất như carbon với hydrogen trong nguyên liệu sẽ phản ứng với oxy trong không khí để tạo thành khí carbon dioxide (CO2) với nước (H2O). Các khí này sẽ thoát ra ngoài dẫn đến sự giảm khối lượng của chất cháy ban đầu.
3. Thay Đổi Khối Lượng Do Phản Ứng Vận Tốc Cao
Trong một số phản ứng hóa học khối lượng của chất tham gia phản ứng có thể thay đổi nhanh chóng dưới tác động của nhiệt độ hay áp suất cao. Chẳng hạn khi các chất hóa học được xử lý dưới nhiệt độ cao thì các phân tử trong chúng sẽ chuyển động nhanh hơn tạo ra nhiều phản ứng. Có thể dẫn đến việc một số phân tử chuyển thành khí và thoát ra ngoài gây giảm khối lượng trong hệ thống.
Ví dụ trong các phản ứng phân hủy nhiệt, khi nhiệt độ tăng cao các phân tử của các chất ban đầu có thể bị phân hủy và tạo thành các sản phẩm khí, làm giảm khối lượng của chất tham gia phản ứng.
Ứng Dụng Của Định Luật Tăng Giảm Khối Lượng
1. Trong Các Phản Ứng Công Nghiệp
Trong công nghiệp định lý tăng giảm khối lượng có ứng dụng rất quan trọng đặc biệt trong các quy trình sản xuất hóa chất với năng lượng. Ví dụ trong quá trình sản xuất xi măng, phản ứng giữa canxi carbonate (CaCO3) cùng nhiệt tạo ra vôi sống (CaO) với khí carbon dioxide (CO2). Trong trường hợp này khối lượng của sản phẩm cuối cùng sẽ giảm đi do khí CO2 thoát ra ngoài trong quá trình phân hủy canxi carbonate.
Việc hiểu rõ sự thay đổi khối lượng trong các phản ứng này giúp các nhà khoa học và kỹ sư tối ưu hóa các quy trình sản xuất, điều chỉnh lượng nguyên liệu đầu vào kiểm soát chất lượng sản phẩm cuối cùng.
2. Trong Thí Nghiệm Hóa Học
Định lý này cũng có ứng dụng quan trọng trong các thí nghiệm hóa học. Khi thực hiện các thí nghiệm đốt cháy, phân hủy hoặc kết tủa, việc ghi nhận sự thay đổi khối lượng giúp các nhà hóa học hiểu rõ hơn về sự biến đổi của các chất trong phản ứng. Cũng giúp xác định các yếu tố tác động đến phản ứng chẳng hạn như nhiệt độ hay áp suất hay chất xúc tác từ đó có thể điều chỉnh các điều kiện sao cho đạt được kết quả mong muốn.
3. Trong Các Quá Trình Kiểm Soát Môi Trường
Định lý tăng giảm khối lượng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát các quá trình phát thải khí và chất thải trong các ngành công nghiệp. Các nhà quản lý môi trường có thể sử dụng nguyên lý này để tính toán lượng khí carbon dioxide và các chất khác được phát thải trong các phản ứng công nghiệp. Giúp kiểm soát ô nhiễm tối ưu hóa các quy trình sản xuất sao cho vừa hiệu quả vừa thân thiện với môi trường.
Định lý tăng giảm khối lượng là một khái niệm quan trọng trong hóa học. Giúp chúng ta hiểu được sự thay đổi khối lượng của các chất tham gia vào các phản ứng hóa học. Mặc dù sự thay đổi này có thể là sự gia tăng hay giảm đi nhưng điều quan trọng là chúng ta phải nhận thức được rằng sự thay đổi khối lượng trong các phản ứng này không vi phạm định lý bảo toàn khối lượng mà phản ánh sự tương tác của các chất trong phản ứng.