Thuốc nổ TNT (trinitrotoluene) là một hợp chất hóa học có công thức C6H2(NO2)3CH…

Chào em! Với tư cách là một giáo viên Hóa học, thầy sẽ hướng dẫn em giải bài tập này một cách chi tiết và dễ hiểu nhất, đúng theo kiến thức chương trình lớp 11 nhé.

Bài toán này liên quan đến phản ứng điều chế thuốc nổ TNT từ Toluene và có xét đến hiệu suất phản ứng. Chúng ta sẽ áp dụng các kiến thức về tỉ lệ mol trong phản ứng hóa học và cách tính toán khi có hiệu suất.

Đầu tiên, chúng ta cùng xác định các thông tin quan trọng và các bước cần thực hiện để giải bài này.

Bước 1: Tính khối lượng mol của các chất.

Chúng ta cần xác định khối lượng mol (M) của Toluene và TNT dựa trên công thức hóa học và nguyên tử khối của các nguyên tố (C=12, H=1, N=14, O=16). Đây là bước cơ bản để chuyển đổi giữa khối lượng và số mol.

• Khối lượng mol của Toluene (${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{CH}}_3$ hay ${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_8$):
  
  $${\mathrm{M}}_{\mathrm{Toluene}}=7\times 12+8\times 1=84+8=92\mathrm{g}/\mathrm{mol}$$
• Khối lượng mol của TNT (trinitrotoluene, có công thức ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_2{\left({\mathrm{NO}}_2\right)}_3{\mathrm{CH}}_3$ hay ${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_5{\left({\mathrm{NO}}_2\right)}_3$):
  
  $${\mathrm{M}}_{\mathrm{TNT}}=7\times 12+5\times 1+3\times (14+2\times 16)=84+5+3\times (14+32)=89+3\times 46=89+138=227\mathrm{g}/\mathrm{mol}$$

Bước 2: Viết phương trình hóa học của phản ứng điều chế TNT và xác định tỉ lệ mol.

Phản ứng điều chế TNT từ Toluene là phản ứng nitro hóa, cụ thể là nitro hóa hoàn toàn Toluene để tạo thành trinitrotoluene. Đây là phản ứng thế vào vòng benzen của dẫn xuất benzen.

$${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{CH}}_3+3{\mathrm{HNO}}_3\stackrel{{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\text{đặc},{\mathrm{t}}^{\circ }}{\to }{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_2{\left({\mathrm{NO}}_2\right)}_3{\mathrm{CH}}_3+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

Từ phương trình trên, ta thấy rằng 1 mol Toluene tạo ra 1 mol TNT. Đây là tỉ lệ mol cơ bản để tính toán khối lượng chất phản ứng và sản phẩm.

Bước 3: Tính khối lượng toluene cần dùng theo lý thuyết (với hiệu suất 100%).

Đề bài cho biết tổng năng lượng giải phóng tương đương 36.000 tấn TNT, điều này có nghĩa là khối lượng TNT cần được điều chế là 36.000 tấn. Chúng ta sẽ sử dụng tỉ lệ mol đã xác định ở Bước 2 để tìm khối lượng toluene cần dùng nếu hiệu suất đạt 100%.

Ta có: ${\mathrm{n}}_{\mathrm{Toluene}}={\mathrm{n}}_{\mathrm{TNT}}$

Hay: $$\frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{Toluene}\text{(lý thuyết)}}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{Toluene}}}=\frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{TNT}\text{(thực tế)}}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{TNT}}}$$

Từ đó, khối lượng Toluene cần dùng theo lý thuyết là:

$${\mathrm{m}}_{\mathrm{Toluene}\text{(lý thuyết)}}=\frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{TNT}\text{(thực tế)}}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{TNT}}}\times {\mathrm{M}}_{\mathrm{Toluene}}$$

$${\mathrm{m}}_{\mathrm{Toluene}\text{(lý thuyết)}}=\frac{\mathrm{36,000}\mathrm{tấn}}{227g/\mathrm{mol}}\times 92g/\mathrm{mol}$$

$${\mathrm{m}}_{\mathrm{Toluene}\text{(lý thuyết)}}=\frac{\mathrm{3,312,000}}{227}\approx \mathrm{14,590.308}\mathrm{tấn}$$

(Lưu ý: Chúng ta giữ đơn vị tấn cho khối lượng và g/mol cho khối lượng mol. Khi chia khối lượng cho khối lượng mol rồi nhân với khối lượng mol khác, đơn vị g/mol sẽ triệt tiêu và khối lượng cuối cùng vẫn là tấn).

Bước 4: Tính khối lượng toluene thực tế cần dùng với hiệu suất 70%.

Vì hiệu suất phản ứng chỉ đạt 70%, có nghĩa là chỉ có 70% lượng Toluene ban đầu chuyển hóa thành TNT. Để thu được lượng TNT mong muốn, chúng ta phải dùng một lượng Toluene ban đầu lớn hơn so với tính toán lý thuyết (hiệu suất 100%).

Công thức tính khối lượng chất phản ứng khi biết hiệu suất là:

$${\mathrm{m}}_{\mathrm{Toluene}\text{(thực tế)}}=\frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{Toluene}\text{(lý thuyết)}}}{\mathrm{Hiệu\; suất}}$$

Thay số vào, ta có:

$${\mathrm{m}}_{\mathrm{Toluene}\text{(thực tế)}}=\frac{\mathrm{14,590.308}\mathrm{tấn}}{70\%}=\frac{\mathrm{14,590.308}}{0.7}\approx \mathrm{20,843.297}\mathrm{tấn}$$

Làm tròn đến một chữ số thập phân (để khớp với định dạng $\mathrm{a}843.3$ trong đề bài), ta được:

$${\mathrm{m}}_{\mathrm{Toluene}\text{(thực tế)}}\approx \mathrm{20,843.3}\mathrm{tấn}$$

Bước 5: Xác định giá trị của ‘a’.

Theo đề bài, khối lượng toluene cần dùng là $\mathrm{a}843.3$ tấn.

So sánh kết quả tính được ($\mathrm{20,843.3}$ tấn) với định dạng $\mathrm{a}843.3$ tấn, ta thấy chữ số ở hàng chục nghìn chính là giá trị của $\mathrm{a}$.

Vậy, $\mathrm{a}=2$.

Hy vọng phần hướng dẫn này giúp em hiểu rõ bài toán. Chúc em học tốt!