Em có bao giờ tự hỏi vì sao nhà máy phân đạm không bao giờ thu được đúng lượng amoniac như tính trên giấy? Trên lý thuyết, cứ 1 mol khí nitrogen N₂ gặp 3 mol khí hydrogen H₂ là sẽ cho ra 2 mol amoniac NH₃, gọn gàng và đẹp đẽ như một phép cộng. Nhưng trong thực tế, phản ứng tổng hợp amoniac là phản ứng thuận nghịch, nó không bao giờ đi đến cùng. Một phần N₂ và H₂ cứ ở lại trong bình, không chịu kết hợp, thế nên lượng NH₃ thu được lúc nào cũng ít hơn lượng tính theo phương trình. Người ta gọi tỉ lệ giữa lượng thu được thực tế và lượng tính theo lý thuyết là hiệu suất phản ứng, và đây chính là con số mà mọi nhà máy phân bón đều phải tính toán từng ngày.
Bài viết này sẽ cùng em đi từ đầu đến cuối của dạng bài hiệu suất tổng hợp NH₃: hiệu suất là gì, công thức tính ra sao, bốn ví dụ tính từng bước với đủ các dạng số liệu, năm lỗi sai mà học sinh hay mắc nhất, năm câu trắc nghiệm tự luyện có giải thích cặn kẽ, rồi phần giải đáp thắc mắc và kết luận. Em chỉ cần đọc chậm, tính theo từng bước và nhớ một nguyên tắc vàng: hiệu suất luôn tính theo chất phản ứng hết, và không bao giờ vượt quá 100%.
Hiệu suất tổng hợp NH₃ là gì? Công thức tính chuẩn SGK
Phản ứng tổng hợp amoniac được viết như sau: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Dấu hai mũi tên ngược chiều nhau cho thấy đây là phản ứng thuận nghịch: N₂ và H₂ kết hợp thành NH₃, đồng thời NH₃ cũng phân hủy trở lại thành N₂ và H₂. Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng, trong hệ vẫn còn cả N₂, H₂ và NH₃ cùng tồn tại. Vì vậy, dù em cho đúng tỉ lệ 1 mol N₂ với 3 mol H₂ thì cũng không bao giờ thu được đủ 2 mol NH₃. Lượng NH₃ thực tế thu được luôn nhỏ hơn lượng tính theo phương trình, và tỉ số giữa hai lượng đó chính là hiệu suất.
Công thức tính hiệu suất tổng hợp NH₃ như sau: H% = n(NH₃ thực tế) ÷ n(NH₃ lí thuyết) × 100%. Trong đó, n(NH₃ thực tế) là số mol NH₃ thu được trong thực tế, còn n(NH₃ lí thuyết) là số mol NH₃ tính theo phương trình hóa học, giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn. Công thức này cũng có thể viết theo khối lượng: H% = m(NH₃ thực tế) ÷ m(NH₃ lí thuyết) × 100%, vì khối lượng và số mol tỉ lệ thuận với nhau qua cùng một khối lượng mol M = 17 g/mol. Em dùng dạng nào cũng được, miễn là tử số và mẫu số cùng đơn vị.
Muốn tính được n(NH₃ lí thuyết), em phải xác định xem chất nào là chất phản ứng hết. Theo phương trình, 1 mol N₂ cần đúng 3 mol H₂. Nếu đề cho 1 mol N₂ và 3 mol H₂ thì hai chất vừa đủ, tính theo chất nào cũng ra cùng một kết quả: 2 mol NH₃. Nếu đề cho 1 mol N₂ nhưng chỉ có 2 mol H₂ thì H₂ là chất thiếu, phản ứng chỉ tạo được tối đa 2 ÷ 3 × 2 = 1,33 mol NH₃, và em phải tính hiệu suất theo H₂. Ngược lại, nếu N₂ dư mà H₂ vừa đủ thì tính theo H₂. Nguyên tắc này giống hệt cách em đã học ở bài công thức tính hiệu suất phản ứng nói chung, chỉ khác là ở đây chất sản phẩm cụ thể là NH₃. Nếu em muốn luyện tính nhẩm nhanh các phép chia mol trong bài này thì máy tính Casio online sẽ giúp em kiểm tra lại kết quả trong vài giây.
Một điểm nữa cần nhớ: hiệu suất là một con số không có đơn vị, luôn nằm trong khoảng từ 0% đến 100%. Nếu em tính ra hiệu suất lớn hơn 100% thì chắc chắn đã tính sai ở đâu đó, có thể là nhầm tử số với mẫu số, hoặc nhầm số mol lí thuyết. Trong công nghiệp, người ta tăng hiệu suất bằng cách dùng xúc tác sắt, giữ nhiệt độ khoảng 450 °C, áp suất khoảng 200 atm và tách NH₃ ra khỏi hỗn hợp ngay khi nó sinh ra để cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận. Nhưng dù có làm tốt đến đâu, hiệu suất một lần đi qua lò phản ứng cũng chỉ đạt khoảng 15% đến 20%, phần khí chưa phản ứng được đưa trở lại lò để dùng tiếp. Con số 50% trong ví dụ đầu tiên của bài này là số liệu của một bài tập trong sách, không phải con số của nhà máy thật, nhưng cách tính thì hoàn toàn giống nhau.
Ví dụ 1: Cho 1 mol N₂ tác dụng với 3 mol H₂, thu được 1 mol NH₃
Đây là ví dụ gốc mà em cần nắm chắc nhất, vì mọi ví dụ sau đều chỉ là biến thể của nó. Đề bài cho 1 mol N₂ tác dụng với 3 mol H₂, thu được 1 mol NH₃. Yêu cầu tính hiệu suất của phản ứng tổng hợp NH₃.
Bước 1: Viết phương trình hóa học: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Theo phương trình, tỉ lệ mol N₂ : H₂ : NH₃ là 1 : 3 : 2. Bước 2: Kiểm tra tỉ lệ ban đầu. Đề cho 1 mol N₂ và 3 mol H₂, đúng tỉ lệ 1 : 3 nên hai chất vừa đủ, không chất nào dư. Bước 3: Tính số mol NH₃ lí thuyết. Cứ 1 mol N₂ phản ứng hoàn toàn thì tạo ra 2 mol NH₃, vậy n(NH₃ lí thuyết) = 1 × 2 = 2 mol. Bước 4: Áp dụng công thức hiệu suất. H% = n(NH₃ thực tế) ÷ n(NH₃ lí thuyết) × 100% = 1 ÷ 2 × 100% = 50%. Đáp số: hiệu suất của phản ứng là 50%, tính theo N₂.
Em hãy để ý cách trình bày bốn bước này: viết phương trình, kiểm tra chất hết, tính lượng lí thuyết, rồi mới thay số vào công thức hiệu suất. Nếu em bỏ qua bước kiểm tra chất hết thì rất dễ tính sai khi đề cho số liệu lệch tỉ lệ. Ví dụ này cũng cho thấy một điều quan trọng: hiệu suất 50% nghĩa là một nửa lượng N₂ đã chuyển thành NH₃, một nửa còn lại vẫn ở dạng N₂ và H₂ trong hỗn hợp sau phản ứng. Cụ thể, sau phản ứng còn lại 0,5 mol N₂ và 1,5 mol H₂ chưa phản ứng, vì 1 mol NH₃ được tạo ra đã tiêu thụ 0,5 mol N₂ và 1,5 mol H₂. Em có thể tự kiểm tra: 0,5 + 0,5 = 1 mol N₂ ban đầu, 1,5 + 1,5 = 3 mol H₂ ban đầu, khớp hoàn toàn.
Ví dụ 2: Cho 2 mol N₂ tác dụng với 6 mol H₂, thu được 2,4 mol NH₃
Ví dụ này tăng gấp đôi lượng chất ban đầu để em thấy hiệu suất không phụ thuộc vào việc đề cho bao nhiêu mol, mà chỉ phụ thuộc vào tỉ lệ giữa thực tế và lí thuyết. Đề bài: cho 2 mol N₂ tác dụng với 6 mol H₂, sau phản ứng thu được 2,4 mol NH₃. Tính hiệu suất.
Bước 1: Phương trình N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, tỉ lệ 1 : 3 : 2. Bước 2: Kiểm tra tỉ lệ ban đầu: 2 mol N₂ cần 2 × 3 = 6 mol H₂, đề cho đúng 6 mol H₂ nên hai chất vừa đủ. Bước 3: Tính số mol NH₃ lí thuyết: 2 mol N₂ phản ứng hoàn toàn tạo ra 2 × 2 = 4 mol NH₃. Bước 4: H% = 2,4 ÷ 4 × 100% = 60%. Đáp số: hiệu suất là 60%.
Em hãy so sánh ví dụ 2 với ví dụ 1: lượng chất ban đầu gấp đôi, lượng NH₃ thực tế cũng nhiều hơn, nhưng hiệu suất chỉ là 60% chứ không phải 50% nữa, vì 2,4 mol là 60% của 4 mol. Điều này nhắc em rằng không được lấy số mol thực tế chia cho số mol chất ban đầu, mà phải chia cho số mol lí thuyết của chính sản phẩm. Một lỗi rất hay gặp là lấy 2,4 ÷ 2 = 120% rồi kết luận hiệu suất 120%, hoàn toàn sai vì đã chia cho số mol N₂ thay vì số mol NH₃ lí thuyết.
Ví dụ 3: Cho 28 gam N₂ tác dụng với H₂ dư, thu được 25,5 gam NH₃
Ví dụ này đổi dạng số liệu từ mol sang gam, là dạng đề kiểm tra hay ra nhất. Đề bài: cho 28 gam N₂ tác dụng với lượng dư H₂, sau phản ứng thu được 25,5 gam NH₃. Tính hiệu suất của phản ứng.
Bước 1: Đổi khối lượng N₂ ra số mol. Khối lượng mol của N₂ là 28 g/mol, vậy n(N₂) = 28 ÷ 28 = 1 mol. Vì H₂ dư nên N₂ là chất phản ứng hết, tính theo N₂. Bước 2: Tính số mol NH₃ lí thuyết. Theo phương trình, 1 mol N₂ tạo tối đa 2 mol NH₃, vậy n(NH₃ lí thuyết) = 2 mol, tương ứng với khối lượng lí thuyết m(NH₃ lí thuyết) = 2 × 17 = 34 gam. Bước 3: Đổi khối lượng NH₃ thực tế ra số mol: n(NH₃ thực tế) = 25,5 ÷ 17 = 1,5 mol. Bước 4: H% = 1,5 ÷ 2 × 100% = 75%. Em cũng có thể tính theo khối lượng: H% = 25,5 ÷ 34 × 100% = 75%, kết quả giống hệt nhau. Đáp số: hiệu suất là 75%.
Ví dụ này dạy em hai điều. Thứ nhất, khi đề cho H₂ dư thì em không cần quan tâm H₂ có bao nhiêu, cứ tính theo N₂ là xong. Thứ hai, tính theo mol hay theo khối lượng đều cho cùng một đáp số, vì khối lượng mol 17 g/mol là hệ số chung. Em nên chọn cách nào mà mình tính nhẩm dễ hơn: nếu số liệu chia hết cho 17 thì tính theo khối lượng rất nhanh, còn nếu số liệu lẻ thì tính theo mol rồi mới đổi sang gam ở bước cuối.
Ví dụ 4: Muốn thu được 34 gam NH₃ với hiệu suất 80% thì cần bao nhiêu gam N₂?
Ví dụ này là bài toán ngược: đề cho hiệu suất và lượng sản phẩm muốn thu, hỏi ngược lại lượng chất ban đầu cần dùng. Đây là dạng bài mà nhà máy phân bón phải tính mỗi ngày để chuẩn bị nguyên liệu. Đề bài: muốn thu được 34 gam NH₃ với hiệu suất phản ứng là 80%, cần dùng bao nhiêu gam N₂? Giả sử H₂ luôn đủ.
Bước 1: Đổi khối lượng NH₃ muốn thu ra số mol: n(NH₃ thực tế) = 34 ÷ 17 = 2 mol. Bước 2: Từ công thức hiệu suất, suy ra số mol NH₃ lí thuyết cần đạt được: n(NH₃ lí thuyết) = n(NH₃ thực tế) ÷ H% = 2 ÷ 0,8 = 2,5 mol. Nghĩa là nếu phản ứng xảy ra hoàn toàn thì phải tạo ra được 2,5 mol NH₃, nhưng vì hiệu suất chỉ có 80% nên thực tế chỉ thu được 2 mol. Bước 3: Tính số mol N₂ cần dùng. Theo phương trình, cứ 2 mol NH₃ cần 1 mol N₂, vậy 2,5 mol NH₃ cần 2,5 ÷ 2 = 1,25 mol N₂. Bước 4: Đổi ra khối lượng: m(N₂) = 1,25 × 28 = 35 gam. Đáp số: cần 35 gam N₂.
Em hãy kiểm tra lại cho chắc: 35 gam N₂ là 1,25 mol, phản ứng hoàn toàn cho 2,5 mol NH₃, hiệu suất 80% thì thu được 2,5 × 0,8 = 2 mol NH₃, đúng bằng 34 gam. Khớp hoàn toàn. Dạng bài toán ngược này hay khiến học sinh lúng túng ở bước 2, vì nhiều em lấy 2 × 0,8 = 1,6 mol thay vì lấy 2 ÷ 0,8 = 2,5 mol. Em nhớ quy tắc: lượng lí thuyết luôn lớn hơn lượng thực tế, nên khi tìm lượng lí thuyết từ lượng thực tế thì phải chia cho hiệu suất, không phải nhân.
5 lỗi sai thường gặp khi tính hiệu suất tổng hợp NH₃
Lỗi 1: Lấy số mol NH₃ thực tế chia cho số mol N₂ ban đầu. Nhiều em thấy đề cho 1 mol N₂ và thu được 1 mol NH₃ thì tính ngay 1 ÷ 1 = 100%, mà quên rằng 1 mol N₂ tạo ra được tối đa 2 mol NH₃ chứ không phải 1 mol. Cách tránh: luôn viết phương trình và tính số mol NH₃ lí thuyết trước, rồi mới chia cho số đó.
Lỗi 2: Quên kiểm tra chất phản ứng hết khi hai chất cho lệch tỉ lệ. Đề cho 1 mol N₂ và 2 mol H₂ thì H₂ mới là chất thiếu, lượng NH₃ lí thuyết chỉ là 2 ÷ 3 × 2 = 1,33 mol, không phải 2 mol. Cách tránh: so sánh tỉ lệ mol ban đầu với tỉ lệ 1 : 3 của phương trình trước khi tính.
Lỗi 3: Tính ra hiệu suất lớn hơn 100% mà vẫn ghi đáp án. Hiệu suất là tỉ lệ giữa phần thu được và phần tối đa có thể thu, nên không bao giờ vượt quá 100%. Cách tránh: cứ thấy kết quả trên 100% thì dừng lại kiểm tra ngay, thường là do đã nhầm tử số với mẫu số hoặc nhầm số mol của chất này với chất khác.
Lỗi 4: Nhầm lẫn giữa khối lượng và số mol khi thay số vào công thức. Ví dụ đề cho 28 gam N₂ và 25,5 gam NH₃, có em tính 25,5 ÷ 28 = 91% mà không đổi ra mol. Cách tránh: nếu tính theo khối lượng thì cả tử và mẫu đều phải là khối lượng của cùng một chất NH₃, tức là 25,5 ÷ 34, còn nếu tính theo mol thì cả hai đều là số mol NH₃.
Lỗi 5: Làm bài toán ngược thì nhân với hiệu suất thay vì chia. Muốn thu 2 mol NH₃ với hiệu suất 80% thì lượng lí thuyết phải là 2 ÷ 0,8 = 2,5 mol, không phải 2 × 0,8 = 1,6 mol. Cách tránh: nhớ rằng lượng lí thuyết luôn lớn hơn lượng thực tế, nên phép tính tìm lượng lí thuyết phải cho ra số lớn hơn, tức là phép chia.
Bài tập tự luyện: 5 câu trắc nghiệm hiệu suất tổng hợp NH₃
Câu 1: Cho 1 mol N₂ tác dụng với 3 mol H₂, sau phản ứng thu được 0,8 mol NH₃. Hiệu suất của phản ứng là bao nhiêu?
A. 40%
B. 80%
C. 26,7%
D. 60%
Câu 2: Cho 2 mol N₂ tác dụng với lượng dư H₂, hiệu suất phản ứng đạt 75%. Số mol NH₃ thu được là bao nhiêu?
A. 1,5 mol
B. 3 mol
C. 4 mol
D. 2,25 mol
Câu 3: Cho 5,6 gam N₂ tác dụng với lượng dư H₂, sau phản ứng thu được 3,4 gam NH₃. Hiệu suất của phản ứng là bao nhiêu?
A. 25%
B. 50%
C. 100%
D. 75%
Câu 4: Phát biểu nào sau đây là SAI về hiệu suất phản ứng tổng hợp NH₃?
A. Hiệu suất bằng số mol NH₃ thực tế chia cho số mol NH₃ lí thuyết nhân 100%
B. Hiệu suất có thể lớn hơn 100% nếu dùng xúc tác tốt
C. Hiệu suất được tính theo chất phản ứng hết
D. Hiệu suất càng cao thì lượng NH₃ thu được càng nhiều
Câu 5: Muốn thu được 17 gam NH₃ với hiệu suất 50%, cần dùng bao nhiêu gam N₂? Giả sử H₂ luôn đủ.
A. 14 gam
B. 28 gam
C. 56 gam
D. 7 gam
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | A | B | B | B | B |
Câu 1 — Đáp án A. 1 mol N₂ tạo tối đa 2 mol NH₃ theo phương trình N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, vậy hiệu suất bằng 0,8 ÷ 2 × 100% = 40%. Đáp án B sai vì 80% là kết quả của phép tính 0,8 ÷ 1, tức là đã chia cho số mol N₂ thay vì số mol NH₃ lí thuyết. Đáp án C sai vì 26,7% là 0,8 ÷ 3, chia cho số mol H₂, hoàn toàn không liên quan. Đáp án D sai vì 60% là 1,2 ÷ 2, không phải số liệu của đề bài.
Câu 2 — Đáp án B. 2 mol N₂ phản ứng hoàn toàn tạo ra 2 × 2 = 4 mol NH₃ lí thuyết, hiệu suất 75% nên thực tế thu được 4 × 0,75 = 3 mol. Đáp án A sai vì 1,5 mol là 2 × 0,75, tức là đã nhân hiệu suất với số mol N₂ thay vì số mol NH₃ lí thuyết. Đáp án C sai vì 4 mol là lượng lí thuyết, chưa nhân hiệu suất. Đáp án D sai vì 2,25 mol là 3 × 0,75, nhân hiệu suất hai lần.
Câu 3 — Đáp án B. Khối lượng mol N₂ là 28 g/mol nên 5,6 gam N₂ là 0,2 mol, tạo tối đa 0,4 mol NH₃, tương ứng 0,4 × 17 = 6,8 gam lí thuyết. Hiệu suất bằng 3,4 ÷ 6,8 × 100% = 50%. Đáp án A sai vì 25% là 3,4 ÷ 13,6, chia cho khối lượng NH₃ ứng với 0,8 mol. Đáp án C sai vì hiệu suất không thể đạt 100% khi lượng thực tế chỉ bằng một nửa lượng lí thuyết. Đáp án D sai vì 75% không khớp với bất kì phép tính đúng nào từ số liệu đã cho.
Câu 4 — Đáp án B. Hiệu suất không bao giờ vượt quá 100%, dù xúc tác có tốt đến đâu, vì lượng thực tế không thể lớn hơn lượng tối đa tính theo phương trình. Đáp án A đúng vì đó chính là định nghĩa của hiệu suất. Đáp án C đúng vì hiệu suất luôn tính theo chất phản ứng hết. Đáp án D đúng vì với cùng lượng chất ban đầu, hiệu suất càng cao thì lượng NH₃ thu được càng nhiều.
Câu 5 — Đáp án B. 17 gam NH₃ là 1 mol, hiệu suất 50% nên lượng lí thuyết cần đạt là 1 ÷ 0,5 = 2 mol NH₃, tương ứng với 1 mol N₂, tức là 28 gam. Đáp án A sai vì 14 gam là 0,5 mol N₂, chỉ tạo được tối đa 1 mol NH₃, chưa tính hiệu suất. Đáp án C sai vì 56 gam là 2 mol N₂, gấp đôi lượng cần thiết. Đáp án D sai vì 7 gam là 0,25 mol N₂, quá ít so với yêu cầu.
Câu hỏi thường gặp về hiệu suất tổng hợp NH₃
Câu hỏi 1: Vì sao hiệu suất tổng hợp NH₃ trong công nghiệp chỉ khoảng 15% đến 20% mỗi lần đi qua lò phản ứng? Vì phản ứng N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ là phản ứng thuận nghịch và ở nhiệt độ cao, cân bằng không chuyển dịch hoàn toàn về phía tạo NH₃. Nhà máy khắc phục bằng cách tách NH₃ ra khỏi hỗn hợp rồi đưa khí N₂ và H₂ chưa phản ứng trở lại lò, nên hiệu suất chung sau nhiều vòng tuần hoàn rất cao.
Câu hỏi 2: Hiệu suất tính theo N₂ và tính theo H₂ có khác nhau không? Khi hai chất cho đúng tỉ lệ 1 : 3 thì tính theo chất nào cũng cho cùng một kết quả. Khi lệch tỉ lệ thì phải tính theo chất phản ứng hết, tức là chất thiếu, vì chất đó quyết định lượng NH₃ tối đa có thể tạo ra.
Câu hỏi 3: Có thể tính hiệu suất theo thể tích khí không? Có, vì ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, thể tích khí tỉ lệ thuận với số mol. Nhưng em phải nhớ đổi cả tử số và mẫu số về cùng một đơn vị thể tích, và chỉ áp dụng được khi cả hai đều là chất khí.
Câu hỏi 4: Hiệu suất 0% nghĩa là gì? Nghĩa là phản ứng gần như không xảy ra, không thu được NH₃. Trong thực tế, phản ứng tổng hợp NH₃ luôn xảy ra ở một mức độ nào đó khi có xúc tác và điều kiện thích hợp, nên hiệu suất 0% chỉ mang ý nghĩa lý thuyết.
Câu hỏi 5: Làm thế nào để tăng hiệu suất tổng hợp NH₃? Dùng xúc tác sắt để phản ứng xảy ra nhanh hơn, tăng áp suất để cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm số mol khí, giữ nhiệt độ vừa phải khoảng 450 °C, và tách NH₃ ra khỏi hỗn hợp ngay khi nó được tạo thành. Đây cũng là nguyên tắc vận dụng nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier mà em đã học.
Kết luận
Hiệu suất tổng hợp NH₃ chỉ gói gọn trong một công thức ngắn: H% = n(NH₃ thực tế) ÷ n(NH₃ lí thuyết) × 100%. Nhưng để dùng đúng công thức này, em cần nhớ ba điều: viết đúng phương trình N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ với tỉ lệ 1 : 3 : 2, xác định đúng chất phản ứng hết trước khi tính lượng lí thuyết, và luôn kiểm tra xem đáp số có nằm trong khoảng từ 0% đến 100% hay không. Bốn ví dụ trong bài đã đi qua đủ các dạng: số mol vừa đủ, số mol gấp đôi, số liệu khối lượng với H₂ dư, và bài toán ngược tìm lượng nguyên liệu. Năm câu trắc nghiệm vừa rồi là cách tốt nhất để em tự kiểm tra xem mình đã nắm chắc chưa. Nếu em làm đúng cả năm câu thì dạng bài này trong đề kiểm tra đã nằm trong tay em rồi. Hẹn gặp em ở bài tiếp theo về cách lập công thức phân tử của hợp chất hữu cơ, nơi em sẽ dùng chính kĩ năng tính mol vừa luyện để tìm ra công thức của một chất chỉ từ phần trăm khối lượng các nguyên tố.