Trong lĩnh vực hóa học việc hiểu áp dụng đúng định luật đương lượng giúp ta giải quyết nhiều bài toán phân tích hay chuẩn độ hay chuyển đổi nồng độ nhanh gọn mà không cần quá nhiều bước cân bằng phức tạp. Định luật đương lượng ra đời từ thế kỷ 19 có vai trò nền tảng trước khi khái niệm mol được phát triển rộng rãi. Đến nay dù mol được sử dụng phổ biến phép tính đương lượng vẫn giữ vai trò quan trọng trong hóa sinh, xét nghiệm với phân tích dung dịch điện giải. Bài viết này sẽ giải thích khái niệm đương lượng cùng cách xác định với ứng dụng thực tế cùng những lưu ý cần biết.
Khái niệm đương lượng trong hóa học
Đương lượng là một cách biểu diễn khối lượng của chất thể hiện khả năng tham gia phản ứng tương đương với một đơn vị chuẩn. Chuẩn ở đây thường là hydro, oxy, điện tích một electron hay một proton. Ví dụ khi một nguyên tố hoặc hợp chất phản ứng hay thay thế lượng hydro nhất định trong phản ứng cơ bản như axit bazơ hoặc oxi hóa khử, khối lượng tương ứng đó gọi là một đương lượng gam. Định luật đương lượng nhấn mạnh rằng các chất phản ứng luôn kết hợp với nhau theo số đương lượng bằng nhau chứ không phải theo mol nếu chỉ dựa vào tính chất của từng phản ứng đơn giản.
Cách xác định đương lượng của nguyên tố và hợp chất
Với nguyên tố hóa học có hóa trị, đương lượng được tính bằng công thức đương lượng gam bằng khối lượng mol chia cho hóa trị. Khối lượng mol là con số tổng các nguyên tử nhẹ nhất trong công thức hóa học. Hóa trị thể hiện số liên kết mà nguyên tố mang trong phản ứng. Ví dụ nguyên tố sắt với khối lượng mol gần 56 và hóa trị 2 sẽ có đương lượng là 28 gam. Mỗi 28 gam sắt tương đương về khả năng phản ứng với một đơn vị chuẩn như 1,008 gam hydro hay 8 gam oxy.
Với hợp chất, cách tính tương tự là lấy khối lượng mol hợp chất chia cho tổng hóa trị trao đổi trong phản ứng. Ví dụ axit sunfuric H₂SO₄ có tổng hóa trị trao đổi hai proton là 2, khối lượng mol là 98 gam nên đương lượng của nó là 49 gam. Nghĩa là mỗi 49 gam axit có thể trung hòa được 49 gam hydroxide một phần tương đương.
Định luật đương lượng cùng ý nghĩa hóa học
Định luật phát biểu rằng trong phản ứng hóa học, số đương lượng của chất A tham gia luôn bằng số đương lượng của chất B. Nếu mA và mB là khối lượng của hai chất thì tỷ lệ đương lượng thể hiện mA/E_A bằng mB/E_B. Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để chuẩn độ axit bazơ, tính hàm lượng chất trong dung dịch chuyển đổi nhanh giữa chất phản ứng khi biết đương lượng tương ứng mà không cần cân bằng phương trình chi tiết.
Trong phân tích chuẩn độ, nồng độ đương lượng (đơn vị N) được dùng thay thế molarity trong nhiều trường hợp. Ví dụ 0.1N dung dịch axit có nghĩa mỗi lít dung dịch có 0.1 đương lượng gam axit tức đủ để phản ứng với nhau đương lượng tương ứng của base. Công thức chuẩn độ như thể tích chất này nhân nồng độ đương lượng bằng thể tích chất kia nhân nồng độ đương lượng của chất kia giúp nhanh tính mà không cần cân bằng phức tạp.
Ứng dụng trong đời sống nghiên cứu
Trong kỹ thuật phân tích hóa học, phương pháp định lượng bằng thể tích hay khối lượng luôn đi kèm với khái niệm đương lượng. Chuẩn độ axit bazơ có thể dùng trong dược phẩm để xác định độ tinh khiết của thuốc, trong môi trường để đo độ pH khử độ chai bẩn.
Trong hóa sinh và xét nghiệm, thông số ion điện giải như Na+, Cl-, HCO₃- được tính theo đơn vị miliequivalent (mEq). Miliequivalent là đại lượng đương lượng tính theo miligram nên phù hợp cho cơ thể người. Ví dụ natri có valence một, mỗi miligram natri là một miliequivalent, còn calcium valence hai thì 1 mol calcium tương đương 2 mEq. Rất quan trọng khi điều trị truyền dịch xác định nồng độ chất điện giải của bệnh nhân.
Trong công nghiệp thực phẩm phương pháp này dùng để định lượng chất bảo quản axit acetic, axit citric trong đồ uống xác định độ cứng của nước giúp nhà sản xuất điều chỉnh quy trình đảm bảo an toàn thực phẩm
Ưu điểm hạn chế của định luật đương lượng
Ưu điểm đầu tiên là tốc độ với đơn giản. Người sử dụng không cần cân bằng phức tạp phản ứng chỉ cần đương lượng đã biết là có thể tính nhanh khối lượng hay thể tích dung dịch cần dùng. Rất hữu ích trong phòng thí nghiệm phân tích, nơi cần tính nhanh chính xác với cả lặp lại nhiều lần.
Tuy nhiên, đương lượng chỉ áp dụng khi xác định đúng hóa trị phản ứng chuyển hoàn toàn. Nếu phản ứng xảy ra phụ sinh hay các sản phẩm phụ xuất hiện, cách tính này sẽ cho kết quả sai lệch. Hơn nữa với các phản ứng phức tạp với chuỗi không đơn giản, việc tính theo mol trở nên phù hợp linh hoạt hơn. Ngày nay mol nhập vai trò chính trong hóa học còn đương lượng chỉ còn ứng dụng đặc thù.
Điểm khác biệt giữa đương lượng và mol
Hai đại lượng này tuy có mối liên hệ nhưng không hoàn toàn giống nhau. Mol đo số hạt (Avogadro) trong một chất bất kể hóa trị. Trong khi đó đương lượng quan tâm đến khả năng phản ứng hay trao đổi electron hoặc proton. Mol phù hợp với lý thuyết cùng cơ chế phản ứng, đương lượng phù hợp hơn với tính toán nhanh ứng dụng thực tiễn như xét nghiệm hay chuẩn độ hay phân tích điện giải.
Khi nào nên chọn đương lượng
Khi phản ứng là axit bazơ hoặc oxi hóa khử đơn giản, khi xét nghiệm dung dịch điện giải trong sinh y học, khi chuẩn độ nhiều mẫu liên tiếp cần tính nhanh thì người ta sẽ dùng đương lượng. Khi phân tích lý thuyết phản ứng cân bằng phản ứng hay nghiên cứu sản xuất quy mô lớn, mol vẫn là lựa chọn chính.
Định luật đương lượng là một công cụ quan trọng trong hóa học cổ điển. Giúp đơn giản hóa nhiều bài toán thực tế từ chuẩn độ axit bazơ với phân tích điện giải rồi cả xét nghiệm sinh hóa đến sản xuất thực phẩm với công nghiệp. Dù mol hiện nay được sử dụng nhiều hơn đương lượng vẫn giữ vai trò ứng dụng đặc biệt trong các lĩnh vực cần tính nhanh, ổn định liên tục.