Bạn đã bao giờ làm bánh chưa? Bạn cân 200 gam bột, 100 gam đường, 50 gam bơ, trộn đều rồi cho vào lò nướng. Khi chiếc bánh ra lò, bạn đặt lên cân và thấy nó nặng đúng 350 gam, không hơn không kém — trừ phần nước bay hơi theo hơi nóng. Hóa học cũng có một chiếc cân như vậy, nhưng chính xác hơn nhiều: trong bất kì phản ứng hóa học nào, tổng khối lượng của các chất trước phản ứng luôn bằng tổng khối lượng của các chất sau phản ứng, không mất đi một miligam nào. Đó chính là định luật bảo toàn khối lượng, một trong những định luật quan trọng nhất của hóa học, và là chiếc chìa khóa giúp bạn tính được khối lượng của một chất mà đề bài không cho sẵn.
Trong bài viết này, bạn sẽ hiểu định luật bảo toàn khối lượng từ gốc: định luật phát biểu ra sao, vì sao khối lượng lại được bảo toàn, cách viết công thức tổng khối lượng và áp dụng nó để tìm khối lượng chất còn thiếu. Bạn sẽ tính 4 ví dụ từng bước, từ phản ứng đốt magie quen thuộc đến phản ứng tạo kết tủa, tránh 5 lỗi sai mà học sinh hay mắc nhất, rồi tự luyện 5 bài tập trắc nghiệm có đáp án giải thích cặn kẽ. Cuối bài là 5 câu hỏi thường gặp để bạn hiểu vì sao đốt củi mà cân lại nhẹ đi, và vì sao định luật này không áp dụng cho phản ứng hạt nhân.
Định luật bảo toàn khối lượng là gì? Công thức tổng khối lượng trước bằng sau phản ứng
Định luật bảo toàn khối lượng phát biểu như sau: trong một phản ứng hóa học, tổng khối lượng của các chất sản phẩm bằng tổng khối lượng của các chất tham gia phản ứng. Viết gọn bằng công thức: tổng khối lượng các chất phản ứng = tổng khối lượng các sản phẩm. Nếu phản ứng có hai chất tham gia A và B tạo ra hai sản phẩm C và D, công thức viết là m_A + m_B = m_C + m_D, trong đó m là khối lượng của từng chất, đơn vị thường dùng là gam (g) hoặc kilôgam (kg). Bạn hãy nhớ: định luật nói về TỔNG khối lượng, không phải khối lượng của từng chất riêng lẻ — khối lượng của từng chất thay đổi trong phản ứng, có chất giảm dần, có chất tăng dần, nhưng tổng của tất cả thì không đổi.
Vì sao khối lượng lại được bảo toàn? Vì trong phản ứng hóa học, các nguyên tử không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi. Chỉ có liên kết giữa các nguyên tử thay đổi: liên kết cũ bị phá vỡ, liên kết mới được tạo thành, các nguyên tử sắp xếp lại thành chất mới. Số nguyên tử của mỗi nguyên tố trước và sau phản ứng giữ nguyên, nên tổng khối lượng của tất cả các nguyên tử — tức tổng khối lượng các chất — cũng giữ nguyên. Bạn có thể hình dung các nguyên tử như những viên gạch lego: bạn tháo một ngôi nhà lego ra và lắp lại thành một chiếc xe, số viên gạch không đổi, chỉ có hình dạng thay đổi. Định luật này được nhà bác học người Nga M. V. Lomonosov tìm ra năm 1748 khi cân bình kín đựng bột kim loại trước và sau khi nung, và nhà hóa học người Pháp A. L. Lavoisier cũng chứng minh độc lập cùng thời điểm đó. Muốn tính khối lượng mol của từng chất trong phản ứng để kiểm chứng, bạn có thể ôn lại bài khối lượng mol và bài số mol, còn khi cần tính hiệu suất thực tế của phản ứng, bạn xem thêm bài hiệu suất phản ứng.
Cách dùng định luật để tính khối lượng chất còn thiếu chỉ có ba bước. Bước một, bạn viết công thức tổng khối lượng: cộng khối lượng của tất cả các chất tham gia ở một vế, cộng khối lượng của tất cả các sản phẩm ở vế còn lại, rồi đặt dấu bằng giữa hai vế. Bước hai, bạn thay các khối lượng đã biết vào, gọi khối lượng cần tìm là x. Bước ba, bạn giải phương trình một ẩn để tìm x. Một mẹo rất hay dùng: nếu trong phản ứng có n chất mà bạn đã biết khối lượng của (n − 1) chất thì luôn tính được khối lượng của chất còn lại. Bạn hãy nhớ thêm một điều kiện quan trọng: định luật chỉ đúng khi bạn tính đủ TẤT CẢ các chất, kể cả chất khí bay đi và chất còn dư. Nếu bạn bỏ quên một chất khí thoát ra ngoài, hai vế sẽ lệch nhau và bạn tưởng định luật sai, nhưng thực ra là bạn đếm thiếu. Bạn có thể kiểm chứng nhanh mọi phép cộng, trừ bằng máy tính Casio online trên ClassOn mỗi khi làm bài tập về nhà.
Bốn ví dụ tính khối lượng bằng định luật bảo toàn
Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Đốt 2,4 g magie trong 1,6 g oxi, thu được magie oxit. Tính khối lượng magie oxit tạo thành.
Bạn viết công thức tổng khối lượng: m_Mg + m_O₂ = m_MgO. Bạn thay số: 2,4 + 1,6 = m_MgO, nên m_MgO = 4,0 g. Bạn kiểm tra bằng số mol: số mol magie bằng 2,4 chia 24 bằng 0,1 mol, số mol oxi bằng 1,6 chia 32 bằng 0,05 mol, phương trình 2Mg + O₂ → 2MgO cho thấy 0,1 mol magie tạo ra 0,1 mol magie oxit, khối lượng magie oxit bằng 0,1 nhân 40 bằng 4,0 g — khớp. Bạn hãy để ý: magie oxit có khối lượng mol bằng 24 cộng 16 bằng 40 g/mol, và phản ứng này dùng vừa đủ cả hai chất, không chất nào dư.
Ví dụ 2 (phản ứng tạo kết tủa): Trộn dung dịch bari clorua và natri sunfat, thu được 23,3 g kết tủa bari sunfat. Biết khối lượng bari clorua đã phản ứng là 20,8 g và natri sunfat là 14,2 g, tính khối lượng natri clorua tạo thành.
Bạn viết công thức tổng khối lượng: m_BaCl₂ + m_Na₂SO₄ = m_BaSO₄ + m_NaCl. Bạn thay số: 20,8 + 14,2 = 23,3 + m_NaCl. Bạn tính tổng vế trái: 20,8 cộng 14,2 bằng 35,0 g. Bạn suy ra m_NaCl bằng 35,0 trừ 23,3 bằng 11,7 g. Bạn kiểm tra: tổng khối lượng sau phản ứng bằng 23,3 cộng 11,7 bằng 35,0 g, bằng đúng tổng khối lượng trước phản ứng — khớp. Bạn hãy để ý: bari sunfat là chất kết tủa trắng không tan, còn natri clorua tan trong nước nên bạn không nhìn thấy nó, nhưng khối lượng của nó vẫn phải tính vào tổng sau phản ứng.
Ví dụ 3 (chất khí tham gia phản ứng): Đốt cháy hoàn toàn 12 g cacbon trong khí oxi, thu được 44 g khí cacbon đioxit. Tính khối lượng oxi đã tham gia phản ứng.
Bạn viết công thức tổng khối lượng: m_C + m_O₂ = m_CO₂. Bạn thay số: 12 + m_O₂ = 44. Bạn suy ra m_O₂ bằng 44 trừ 12 bằng 32 g. Bạn kiểm tra bằng số mol: số mol cacbon bằng 12 chia 12 bằng 1 mol, số mol cacbon đioxit bằng 44 chia 44 bằng 1 mol, phương trình C + O₂ → CO₂ cho thấy cần đúng 1 mol oxi, khối lượng oxi bằng 1 nhân 32 bằng 32 g — khớp. Bạn hãy để ý: oxi là chất khí không nhìn thấy, nhiều bạn quên cộng nó vào vế trước phản ứng rồi kết luận khối lượng sau phản ứng lớn hơn trước — sai lầm nằm ở chỗ đếm thiếu chất khí, không phải định luật sai.
Ví dụ 4 (nung đá vôi): Nung 100 g đá vôi (canxi cacbonat) đến phản ứng hoàn toàn, thu được 56 g vôi sống (canxi oxit) và khí cacbon đioxit. Tính khối lượng khí cacbon đioxit thoát ra.
Bạn viết công thức tổng khối lượng: m_CaCO₃ = m_CaO + m_CO₂. Bạn thay số: 100 = 56 + m_CO₂. Bạn suy ra m_CO₂ bằng 100 trừ 56 bằng 44 g. Bạn kiểm tra bằng số mol: số mol đá vôi bằng 100 chia 100 bằng 1 mol, số mol vôi sống bằng 56 chia 56 bằng 1 mol, số mol khí cacbon đioxit bằng 44 chia 44 bằng 1 mol — khớp với phương trình CaCO₃ → CaO + CO₂. Bạn hãy để ý: khí cacbon đioxit bay đi khỏi lò nung, nếu bạn chỉ cân phần chất rắn còn lại là 56 g rồi nói khối lượng giảm đi thì bạn đã quên mất 44 g khí thoát ra; trong hệ kín, tổng khối lượng vẫn là 100 g.
Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh
Lỗi 1: Quên chất khí bay đi rồi kết luận khối lượng giảm.
Nhiều bạn đốt củi, cân tro còn lại thấy nhẹ hơn củi ban đầu rồi nói định luật bảo toàn khối lượng sai. Cách tránh: bạn hãy nhớ củi cháy tạo ra khí cacbon đioxit và hơi nước bay vào không khí, khối lượng của chúng phải cộng vào tổng sau phản ứng; nếu cân cả khí thoát ra thì tổng vẫn bằng khối lượng củi cộng oxi ban đầu.
Lỗi 2: Cộng khối lượng chất ban đầu thay vì khối lượng chất đã phản ứng.
Nhiều bạn cho 10 g chất A vào bình nhưng chỉ 6 g phản ứng, 4 g còn dư, rồi cộng cả 10 g vào vế trước phản ứng. Cách tránh: bạn hãy nhớ vế trước phản ứng chỉ tính khối lượng của các chất ĐÃ THAM GIA phản ứng; chất dư không phản ứng thì phải trừ ra, hoặc cộng cả chất dư vào cả hai vế thì hai vế vẫn bằng nhau.
Lỗi 3: Bỏ quên một sản phẩm trong tổng sau phản ứng.
Nhiều bạn tính khối lượng sản phẩm chính mà quên sản phẩm phụ, ví dụ quên nước tạo thành kèm theo. Cách tránh: bạn hãy nhớ viết phương trình hóa học đầy đủ trước, liệt kê TẤT CẢ các chất ở hai vế, rồi mới cộng khối lượng; thiếu một chất là hai vế lệch nhau ngay.
Lỗi 4: Áp dụng định luật cho hệ mở rồi nói định luật sai.
Nhiều bạn làm thí nghiệm trong cốc hở, khí thoát ra ngoài, cân thấy khối lượng giảm rồi nghi ngờ định luật. Cách tránh: bạn hãy nhớ định luật luôn đúng, nhưng khi đo đạc bạn phải tính đủ mọi chất ra vào hệ; muốn kiểm chứng chính xác thì làm thí nghiệm trong bình kín, cân cả bình trước và sau phản ứng.
Lỗi 5: Nhầm lẫn giữa khối lượng và số mol khi cộng.
Nhiều bạn cộng số mol của các chất lại với nhau rồi coi đó là tổng khối lượng, ví dụ 0,1 mol cộng 0,05 mol thành 0,15 rồi ghi đơn vị gam. Cách tránh: bạn hãy nhớ định luật bảo toàn khối lượng chỉ cộng KHỐI LƯỢNG (gam), không cộng số mol; muốn đổi số mol sang khối lượng thì nhân với khối lượng mol M, công thức m = n nhân M.
Năm bài tập tự luyện
Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ viết công thức tổng khối lượng trước, rồi mới thay số.
Câu 1: Đốt 2,4 g magie trong 1,6 g oxi, thu được magie oxit. Khối lượng magie oxit tạo thành là bao nhiêu?
A. 4,0 g
B. 3,0 g
C. 5,0 g
D. 2,0 g
Câu 2: Trộn 20,8 g bari clorua với 14,2 g natri sunfat, thu được 23,3 g kết tủa bari sunfat và natri clorua. Khối lượng natri clorua tạo thành là bao nhiêu?
A. 35,0 g
B. 11,7 g
C. 23,3 g
D. 20,8 g
Câu 3: Nung 50 g đá vôi đến phản ứng hoàn toàn, thu được 28 g vôi sống. Khối lượng khí cacbon đioxit thoát ra là bao nhiêu?
A. 28 g
B. 50 g
C. 22 g
D. 78 g
Câu 4: Phát biểu nào sau đây đúng về định luật bảo toàn khối lượng?
A. Tổng khối lượng các chất tăng lên sau phản ứng
B. Tổng khối lượng các chất giảm đi sau phản ứng
C. Tổng khối lượng các sản phẩm bằng tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng
D. Định luật chỉ đúng với phản ứng tỏa nhiệt
Câu 5: Đốt cháy hoàn toàn 3 g cacbon trong 8 g oxi, thu được khí cacbon đioxit. Khối lượng khí cacbon đioxit tạo thành là bao nhiêu?
A. 5 g
B. 8 g
C. 24 g
D. 11 g
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | A | B | C | C | D |
Giải thích Câu 1 — Đáp án A đúng: Theo định luật bảo toàn khối lượng, m_Mg + m_O₂ = m_MgO, tức 2,4 + 1,6 = 4,0 g. Đáp án B sai vì 3,0 g không có phép tính nào cho ra. Đáp án C sai vì 5,0 g là kết quả khi cộng nhầm thêm 1,0 g. Đáp án D sai vì 2,0 g nhỏ hơn cả khối lượng magie ban đầu, không thể là tổng sau phản ứng.
Giải thích Câu 2 — Đáp án B đúng: Tổng trước phản ứng bằng 20,8 + 14,2 = 35,0 g, nên khối lượng natri clorua bằng 35,0 − 23,3 = 11,7 g. Đáp án A sai vì 35,0 g là tổng khối lượng trước phản ứng, không phải khối lượng natri clorua. Đáp án C sai vì 23,3 g là khối lượng kết tủa bari sunfat. Đáp án D sai vì 20,8 g là khối lượng bari clorua ban đầu.
Giải thích Câu 3 — Đáp án C đúng: Theo định luật bảo toàn khối lượng, m_CaCO₃ = m_CaO + m_CO₂, tức 50 = 28 + m_CO₂, nên m_CO₂ = 22 g. Đáp án A sai vì 28 g là khối lượng vôi sống. Đáp án B sai vì 50 g là khối lượng đá vôi ban đầu. Đáp án D sai vì 78 g là kết quả khi cộng nhầm 50 với 28 thay vì trừ.
Giải thích Câu 4 — Đáp án C đúng: Định luật bảo toàn khối lượng phát biểu tổng khối lượng các sản phẩm bằng tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng. Đáp án A sai vì tổng khối lượng không tăng lên, nguyên tử không tự sinh ra. Đáp án B sai vì tổng khối lượng không giảm đi, nguyên tử không tự mất đi. Đáp án D sai vì định luật đúng với mọi phản ứng hóa học, cả tỏa nhiệt và thu nhiệt.
Giải thích Câu 5 — Đáp án D đúng: Theo định luật bảo toàn khối lượng, m_C + m_O₂ = m_CO₂, tức 3 + 8 = 11 g. Đáp án A sai vì 5 g là kết quả khi lấy 8 trừ 3, ngược với định luật. Đáp án B sai vì 8 g chỉ là khối lượng oxi. Đáp án C sai vì 24 g là kết quả khi nhân nhầm 3 với 8 thay vì cộng.
Câu hỏi thường gặp về định luật bảo toàn khối lượng
Hỏi: Vì sao khối lượng được bảo toàn trong phản ứng hóa học?
Đáp: Vì trong phản ứng hóa học chỉ có liên kết giữa các nguyên tử thay đổi, còn số nguyên tử của mỗi nguyên tố giữ nguyên. Nguyên tử không tự sinh ra và không tự mất đi, nên tổng khối lượng của tất cả các nguyên tử trước và sau phản ứng bằng nhau.
Hỏi: Đốt củi xong cân tro lại nhẹ hơn củi ban đầu, vậy định luật có sai không?
Đáp: Không sai. Khi đốt củi, phần lớn khối lượng biến thành khí cacbon đioxit và hơi nước bay vào không khí, tro chỉ là phần chất rắn còn lại. Nếu bạn thu gom cả khí thoát ra và cộng vào khối lượng tro thì tổng vẫn bằng khối lượng củi cộng với oxi đã cháy.
Hỏi: Định luật bảo toàn khối lượng có đúng với phản ứng hạt nhân không?
Đáp: Không. Trong phản ứng hạt nhân, một phần khối lượng chuyển thành năng lượng theo công thức E = m nhân c², nên tổng khối lượng các hạt sau phản ứng nhỏ hơn trước phản ứng. Định luật bảo toàn khối lượng chỉ đúng với phản ứng hóa học, nơi hạt nhân nguyên tử không thay đổi.
Hỏi: Ai là người đầu tiên phát hiện ra định luật bảo toàn khối lượng?
Đáp: Nhà bác học người Nga M. V. Lomonosov tìm ra định luật năm 1748 bằng thí nghiệm cân bình kín đựng bột kim loại trước và sau khi nung. Cùng thời điểm đó, nhà hóa học người Pháp A. L. Lavoisier cũng chứng minh độc lập bằng các thí nghiệm định lượng cẩn thận, nên định luật còn được gọi là định luật Lomonosov – Lavoisier.
Hỏi: Biết khối lượng của (n − 1) chất thì có tính được chất còn lại không?
Đáp: Có. Trong một phản ứng có n chất, nếu bạn biết khối lượng của (n − 1) chất thì luôn tính được khối lượng của chất còn lại bằng cách lấy tổng khối lượng một vế trừ đi các khối lượng đã biết ở vế còn lại. Đây chính là ứng dụng thực tế quan trọng nhất của định luật trong bài tập và trong sản xuất.
Kết luận
Định luật bảo toàn khối lượng chỉ gói gọn trong một câu: tổng khối lượng các sản phẩm bằng tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng. Bạn hãy nhớ ba điều: nguyên tử được bảo toàn nên khối lượng được bảo toàn; muốn dùng định luật thì phải đếm đủ tất cả các chất, kể cả chất khí bay đi và chất còn dư; và biết khối lượng của (n − 1) chất thì tính được chất còn lại. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã đủ tự tin để tính khối lượng trong mọi phản ứng hóa học ở lớp 8 — và cũng hiểu vì sao chiếc cân trong phòng thí nghiệm không bao giờ nói dối, chỉ có người cân quên đếm đủ mà thôi.