Chào các em, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập hóa học rất thú vị liên quan đến việc điều chế khí oxi từ hai hóa chất quen thuộc là thuốc tím và kali clorat. Bài tập này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về phản ứng hóa học và cách tính toán hiệu quả trong hóa học.

Chúng ta sẽ đi vào từng phần của bài tập nhé.

Phần A: Viết phương trình hóa học điều chế oxi từ thuốc tím và từ kali clorat.

Trước hết, chúng ta cần nhớ lại công thức hóa học của các chất tham gia và sản phẩm.

1. Điều chế oxi từ thuốc tím (Kali permanganat):
Thuốc tím có công thức hóa học là KMnO₄. Khi nung nóng, thuốc tím sẽ phân hủy sinh ra khí oxi (O₂) và một oxit kim loại cùng với một muối khác. Trong chương trình lớp 8, chúng ta học rằng khi KMnO₄ bị phân hủy nhiệt, nó tạo ra Mangan(IV) oxit (MnO₂), Kali permanganat (K₂MnO₄) và khí oxi. Tuy nhiên, K₂MnO₄ không bền và sẽ tiếp tục phân hủy sinh ra MnO₂ và K₂O. Do đó, sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy hoàn toàn KMnO₄ là MnO₂, K₂O và O₂.
Tuy nhiên, sách giáo khoa Hóa học lớp 8 giới thiệu phản ứng phân hủy KMnO₄ có mặt MnO₂ làm xúc tác và chỉ tạo ra K₂MnO₄, MnO₂ và O₂. Thực tế, ở nhiệt độ cao, KMnO₄ phân hủy theo các giai đoạn. Nếu có MnO₂ làm xúc tác, phản ứng thường được biểu diễn đơn giản hóa là:
KMnO₄ \(\xrightarrow{t^0, MnO_2}\) K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂
Để cân bằng phương trình này, chúng ta cần có hệ số. Chúng ta thấy rằng Kali ở vế trái là 1, ở vế phải là 2. Vậy ta thêm 2 vào trước KMnO₄:
2KMnO₄ \(\xrightarrow{t^0, MnO_2}\) K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂
Bây giờ đếm số nguyên tử oxi: Vế trái có 2 * 4 = 8 nguyên tử oxi. Vế phải có 4 + 2 + 2 = 8 nguyên tử oxi. Số nguyên tử Mangan ở hai vế đều là 2. Phương trình đã cân bằng.
Vậy phương trình hóa học là:
2KMnO₄ \(\xrightarrow{t^0, MnO_2}\) K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

2. Điều chế oxi từ kali clorat (KClO₃):
Kali clorat có công thức hóa học là KClO₃. Theo đề bài, khi nung nóng KClO₃ có mặt MnO₂ làm xúc tác, nó sẽ phân hủy sinh ra khí oxi (O₂) và một hợp chất khác. Hợp chất còn lại là kali clorua (KCl).
Ta viết sơ đồ phản ứng:
KClO₃ \(\xrightarrow{t^0, MnO_2}\) KCl + O₂
Bây giờ chúng ta cân bằng phương trình này.
Đếm nguyên tử:
Vế trái: K: 1, Cl: 1, O: 3
Vế phải: K: 1, Cl: 1, O: 2
Số nguyên tử oxi ở hai vế chưa bằng nhau. Ta thấy oxi ở vế trái là 3, ở vế phải là 2. Bội chung nhỏ nhất của 3 và 2 là 6. Ta sẽ cố gắng tạo ra 6 nguyên tử oxi ở mỗi vế.
Để có 6 nguyên tử oxi ở vế trái, ta nhân KClO₃ với 2:
2KClO₃ \(\xrightarrow{t^0, MnO_2}\) KCl + O₂
Lúc này, số nguyên tử K là 2, Cl là 2, O là 6.
Để có 6 nguyên tử oxi ở vế phải, ta nhân O₂ với 3:
2KClO₃ \(\xrightarrow{t^0, MnO_2}\) KCl + 3O₂
Bây giờ, số nguyên tử K và Cl ở vế trái là 2, nhưng ở vế phải mới là 1. Ta thêm 2 vào trước KCl:
2KClO₃ \(\xrightarrow{t^0, MnO_2}\) 2KCl + 3O₂
Kiểm tra lại:
Vế trái: K: 2, Cl: 2, O: 6
Vế phải: K: 2, Cl: 2, O: 6
Phương trình đã cân bằng.
Vậy phương trình hóa học là:
2KClO₃ \(\xrightarrow{t^0, MnO_2}\) 2KCl + 3O₂

Phần B: Nếu muốn thu được cùng một lượng khí oxi thì dùng hóa chất nào sẽ tiết kiệm được hóa chất hơn? Giải thích.

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần so sánh lượng hóa chất ban đầu (KMnO₄ và KClO₃) cần dùng để thu được cùng một lượng khí oxi. Chúng ta sẽ sử dụng số mol để so sánh.

Giả sử chúng ta muốn thu được 1 mol khí oxi (O₂). Chúng ta sẽ tính xem cần bao nhiêu mol KMnO₄ và bao nhiêu mol KClO₃.

1. Từ thuốc tím (KMnO₄):
Phương trình: 2KMnO₄ \(\xrightarrow{t^0, MnO_2}\) K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂
Theo phương trình, cứ 2 mol KMnO₄ phân hủy sẽ thu được 1 mol O₂.
Vậy, để thu được 1 mol O₂, ta cần 2 mol KMnO₄.

2. Từ kali clorat (KClO₃):
Phương trình: 2KClO₃ \(\xrightarrow{t^0, MnO_2}\) 2KCl + 3O₂
Theo phương trình, cứ 2 mol KClO₃ phân hủy sẽ thu được 3 mol O₂.
Vậy, để thu được 1 mol O₂, ta cần số mol KClO₃ là:
Số mol KClO₃ = (2 mol KClO₃) / (3 mol O₂) * (1 mol O₂) = 2/3 mol KClO₃.

Bây giờ chúng ta so sánh số mol hóa chất ban đầu:
– Để thu được 1 mol O₂, cần 2 mol KMnO₄.
– Để thu được 1 mol O₂, cần 2/3 mol KClO₃.

Vì 2/3 < 2, nên ta cần ít mol KClO₃ hơn so với KMnO₄ để thu được cùng một lượng khí oxi.

Để hiểu rõ hơn về sự tiết kiệm, chúng ta có thể tính khối lượng mol của các chất:
– Khối lượng mol của KMnO₄ (M_KMnO4) = 39 + 55 + 4*16 = 134 (g/mol)
– Khối lượng mol của KClO₃ (M_KClO3) = 39 + 35.5 + 3*16 = 118.5 (g/mol)

Nếu thu được 1 mol O₂ (tương đương 32 gam O₂):
– Khối lượng KMnO₄ cần dùng = 2 mol * 134 g/mol = 268 gam.
– Khối lượng KClO₃ cần dùng = (2/3) mol * 118.5 g/mol = 79 gam.

Rõ ràng, 79 gam KClO₃ ít hơn nhiều so với 268 gam KMnO₄.

Kết luận:

Nếu muốn thu được cùng một lượng khí oxi, dùng kali clorat (KClO₃) sẽ tiết kiệm được hóa chất hơn.

Giải thích:

Dựa vào tỉ lệ mol trong phương trình hóa học:
– Để tạo ra 1 mol O₂, cần 2 mol KMnO₄.
– Để tạo ra 1 mol O₂, chỉ cần 2/3 mol KClO₃.

Vì lượng mol KClO₃ cần dùng ít hơn so với KMnO₄ để cùng sinh ra một lượng oxi, nên KClO₃ tiết kiệm hóa chất hơn. Khi tính toán theo khối lượng, ta cũng thấy khối lượng KClO₃ cần dùng nhỏ hơn đáng kể so với KMnO₄.

Đó là toàn bộ bài tập hôm nay. Các em về nhà ôn tập kỹ lại các bước cân bằng phương trình và cách tính toán theo phương trình hóa học nhé.