📖 Bài 3: Mol và tỉ số khối chất khí - lớp 8

I – Mol

Khái niệm chi tiết: Mol là lượng chất có chứa $6,022 \times 10^{23}$ hạt vi ba (bao gồm nguyên tử hoặc phân tử) của chất đó.

• Hằng số Avogadro: Kí hiệu là $N$, có giá trị bằng $6,022 \times 10^{23}$ $\text{mol}^{-1}$.

• Giải thích trực quan: Con số $6,022 \times 10^{23}$ là cực kỳ lớn vì kích thước của các nguyên tử, phân tử vô cùng nhỏ bé. Để dễ hình dung, người ta dùng khái niệm "mol" giống như việc dùng từ "tá" để chỉ 12 chiếc bút hay "cặp" để chỉ 2 chiếc giày.

  • Ví dụ: 1 mol nguyên tử Sắt ($\text{Fe}$) chứa đúng $N$ nguyên tử $\text{Fe}$. 1 mol phân tử nước ($\text{H}_2\text{O}$) chứa đúng $N$ phân tử $\text{H}_2\text{O}$.

• Câu hỏi & Bài tập SGK:

  • CH1: Hãy cho biết số nguyên tử hoặc phân tử có trong mỗi lượng chất sau: $0,25\text{ mol}$ nguyên tử $\text{O}$; $1,15\text{ mol}$ phân tử $\text{CO}_2$.

    • Giải thích/Đáp án: * Số nguyên tử $\text{O} = 0,25 \times 6,022 \times 10^{23} = 1,5055 \times 10^{23}$ (nguyên tử).

      • Số phân tử $\text{CO}_2 = 1,15 \times 6,022 \times 10^{23} = 6,9253 \times 10^{23}$ (phân tử).

II – Khối lượng mol

• Khái niệm chi tiết: Khối lượng mol (kí hiệu là $M$) của một chất là khối lượng tính bằng gam của $N$ hạt vi ba của chất đó. Đơn vị của khối lượng mol là $\text{g/mol}$.

• Giải thích mối quan hệ: Trị số khối lượng mol ($M$) bằng đúng trị số khối lượng nguyên tử (NTK) hoặc khối lượng phân tử (PTK) tính theo đơn vị amu, nhưng hai khái niệm này khác nhau về đơn vị ($\text{g/mol}$ so với $\text{amu}$).

  • Ví dụ: Khối lượng phân tử của nước $\text{H}_2\text{O}$ là $18\text{ amu}$ $\implies$ Khối lượng mol ($M_{\text{H}_2\text{O}}$) là $18\text{ g/mol}$ (tức là $1\text{ mol}$ phân tử nước nặng đúng $18\text{ gam}$).

• Công thức chuyển đổi giữa khối lượng chất ($m$) và số mol ($n$):

  $$M = \frac{m}{n} \implies n = \frac{m}{M} \text{ (mol) và } m = n \times M \text{ (g)}$$

• Câu hỏi & Bài tập SGK:

  • CH2: Tính khối lượng mol của chất khí $\text{X}$, biết rằng $0,5\text{ mol}$ khí này có khối lượng là $22\text{ gam}$. Khí $\text{X}$ là khí nào trong các khí sau: $\text{O}_2, \text{CO}_2, \text{N}_2$?

    • Giải thích/Đáp án: Áp dụng công thức: $M_{\text{X}} = \frac{m}{n} = \frac{22}{0,5} = 44\text{ (g/mol)}$.

    • Tính PTK các khí đề bài cho: $M_{\text{O}_2} = 32\text{ g/mol}$; $M_{\text{CO}_2} = 12 + 16 \times 2 = 44\text{ g/mol}$; $M_{\text{N}_2} = 28\text{ g/mol}$.

    • Vậy khí $\text{X}$ là $\text{CO}_2$ (carbon dioxide).

III – Chuyển đổi giữa số mol chất và thể tích chất khí

• Khái niệm Thể tích mol: Thể tích mol của chất khí là thể tích chiếm bởi $1\text{ mol}$ phân tử của chất khí đó.

• Giải thích quy luật Avogadro: Ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, các chất khí khác nhau có thể tích mol bằng nhau.

  • Ở điều kiện chuẩn (đkc: nhiệt độ $25^\circ\text{C}$ và áp suất $1\text{ bar}$), $1\text{ mol}$ của bất kì chất khí nào cũng đều chiếm thể tích là $24,79\text{ lít}$.

• Công thức chuyển đổi giữa thể tích khí ở đkc ($V$) và số mol ($n$):

  $$V = n \times 24,79 \implies n = \frac{V}{24,79}$$

• Câu hỏi & Bài tập SGK:

  • CH3: Một hỗn hợp khí gồm $0,1\text{ mol}$ $\text{O}_2$ và $0,2\text{ mol}$ $\text{N}_2$ ở điều kiện chuẩn chiếm thể tích tổng cộng là bao nhiêu?

    • Giải thích/Đáp án: Tổng số mol khí trong hỗn hợp là: $n_{\text{hh}} = n_{\text{O}_2} + n_{\text{N}_2} = 0,1 + 0,2 = 0,3\text{ (mol)}$.

    • Thể tích hỗn hợp khí ở đkc là: $V_{\text{hh}} = n_{\text{hh}} \times 24,79 = 0,3 \times 24,79 = 7,437\text{ (lít)}$.

IV – Tỉ khối của chất khí

• 1. So sánh khí A với khí B: Để biết khí A nặng hay nhẹ hơn khí B bao nhiêu lần, ta so sánh khối lượng mol của chúng:

  $$d_{A/B} = \frac{M_A}{M_B}$$

  • Giải thích ý nghĩa: Nếu kết quả $d_{A/B} > 1$ thì khí A nặng hơn khí B; nếu $d_{A/B} < 1$ thì khí A nhẹ hơn khí B.

• 2. So sánh khí A với không khí: Coi không khí là một hỗn hợp gồm nhiều khí (chủ yếu là $\text{N}_2$ và $\text{O}_2$) và có khối lượng mol trung bình được quy ước xấp xỉ bằng $29\text{ g/mol}$.

  $$d_{A/\text{kk}} = \frac{M_A}{29}$$

• Ứng dụng thực tiễn (Thu khí vào bình):

  • Đặt ngửa bình: Áp dụng cho các khí nặng hơn không khí ($d_{A/\text{kk}} > 1$ hay $M_A > 29$, ví dụ: $\text{CO}_2, \text{O}_2, \text{Cl}_2$). Khi sục vào bình, khí này chìm xuống đáy và đẩy không khí nhẹ hơn ra ngoài.

  • Úp ngược bình: Áp dụng cho các khí nhẹ hơn không khí ($d_{A/\text{kk}} < 1$ hay $M_A < 29$, ví dụ: $\text{H}_2, \text{CH}_4, \text{NH}_3$). Khí nhẹ sẽ bay lên trên đáy bình úp và đẩy không khí nặng hơn xuống dưới thoát ra ngoài.

• Câu hỏi & Bài tập SGK:

  • CH4: Tại sao trong các hang sâu hoặc giếng bỏ hoang lâu ngày, khí carbon dioxide ($\text{CO}_2$) thường tích tụ ở đáy? Người ta cần làm gì trước khi xuống các giếng đó?

    • Giải thích/Đáp án: Khối lượng mol của $\text{CO}_2$ là $44\text{ g/mol}$. Tỉ khối với không khí: $d_{\text{CO}_2/\text{kk}} = \frac{44}{29} \approx 1,52 > 1$. Vì khí $\text{CO}_2$ nặng hơn không khí hơn 1,5 lần nên nó có xu hướng chìm xuống và tích tụ ở đáy giếng/hang sâu. Trước khi xuống, người ta cần thông gió (quạt, dùng cành cây lớn dập lên xuống để khuấy động không khí) hoặc thả một ngọn nến xuống trước để thử xem có đủ oxygen để duy trì sự sống hay không.

V – Em đã học

• Định nghĩa đầy đủ về hạt vi ba trong mol ($6,022 \times 10^{23}$ hạt).

• Các hằng số quan trọng: Hằng số Avogadro ($N$) và thể tích mol khí ở đkc ($24,79\text{ lít}$).

• Hệ thống 3 công thức gốc giúp tính toán xuyên suốt chương trình Hóa học phổ thông: tính số hạt, tính khối lượng ($m = n \times M$), tính thể tích khí ở đkc ($V = n \times 24,79$).

• Khái niệm tỉ khối và giá trị khối lượng mol trung bình của không khí ($M_{\text{kk}} = 29$).

VI – Em có thể

• Tự làm các bài tập tính toán chuyển đổi thành thạo giữa 3 đại lượng: Số mol $\leftrightarrow$ Khối lượng $\leftrightarrow$ Thể tích khí (ở đkc).

• Giải thích được các hiện tượng thực tế liên quan đến tỉ khối chất khí (như hiện tượng tích tụ khí độc trong lòng đất, bóng bay bơm khí hydrogen hoặc helium thì bay lên được còn thổi bằng hơi miệng thì rơi xuống).

• Biết thiết kế sơ đồ thực hành thu các chất khí phổ biến trong phòng thí nghiệm một cách chính xác dựa trên việc tính toán tỉ khối của chúng so với không khí.