Chào các em học sinh thân mến! Cô là giáo viên Hóa học của các em đây. Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập Hóa học thú vị liên quan đến quá trình lên men và sản xuất rượu etylic. Bài tập này đòi hỏi chúng ta phải kết hợp kiến thức về phản ứng hóa học, tính toán khối lượng mol, hiệu suất phản ứng và kiến thức về dung dịch.

Chúng ta hãy cùng nhau xem xét đề bài nhé:

Tính khối lượng tinh bột cần dùng trong quá trình lên men để tạo thành 18,75 lít rượu etylic (ancol etylic) 46° (biết hiệu suất của cả quá trình là 72% và khối lượng riêng của rượu etylic nguyên chất là 0,8g/ml)

Để giải bài tập này, chúng ta sẽ đi qua từng bước một, đảm bảo sự rõ ràng và logic.

Bước 1: Tính khối lượng rượu etylic nguyên chất có trong dung dịch 18,75 lít rượu 46°.

Rượu 46° có nghĩa là trong 100 ml dung dịch rượu thì có 46 ml rượu etylic nguyên chất.

Vậy, trong 18,75 lít dung dịch rượu, thể tích rượu etylic nguyên chất là:
Thể tích rượu nguyên chất = 18,75 lít 46% = 18,75 0,46 lít

Đổi đơn vị thể tích từ lít sang mililít để tiện cho việc tính khối lượng, vì khối lượng riêng cho ở đơn vị g/ml:
18,75 lít = 18,75 * 1000 ml = 18750 ml

Vậy, thể tích rượu etylic nguyên chất là:
Thể tích rượu nguyên chất = 18750 ml * 0,46 = 8625 ml

Bây giờ, chúng ta sử dụng khối lượng riêng của rượu etylic nguyên chất (0,8g/ml) để tính khối lượng rượu etylic nguyên chất:
Khối lượng rượu nguyên chất = Thể tích rượu nguyên chất * Khối lượng riêng rượu nguyên chất
Khối lượng rượu nguyên chất = 8625 ml * 0,8 g/ml = 6900 g

Bước 2: Viết phương trình hóa học của quá trình lên men tinh bột thành rượu etylic.

Quá trình lên men tinh bột thành rượu etylic bao gồm hai giai đoạn chính:
Giai đoạn 1: Tinh bột bị thủy phân thành glucozơ. Phản ứng này thường được thực hiện dưới tác dụng của enzim amilaza.
(C6H10O5)n + nH2O –(enzim)–> nC6H12O6

Giai đoạn 2: Glucozơ bị lên men thành rượu etylic dưới tác dụng của enzim zymaza có trong nấm men.
C6H12O6 –(men)–> 2C2H5OH + 2CO2

Tuy nhiên, trong bài tập này, chúng ta có thể xem xét cả quá trình từ tinh bột đến rượu etylic là một quá trình có thể quy đổi tương đương. Để tính toán, chúng ta thường gộp hai giai đoạn này lại hoặc tập trung vào giai đoạn chuyển hóa cuối cùng từ glucozơ.

Nếu xét trực tiếp từ tinh bột, để đơn giản hóa bài toán và phù hợp với cách tính toán phổ biến trong chương trình, chúng ta có thể xem xét mối quan hệ mol trực tiếp giữa một mắt xích tinh bột (C6H10O5) và rượu etylic (C2H5OH). Tuy nhiên, cách làm chính xác hơn và phù hợp với sách giáo khoa là xét qua trung gian là glucozơ.

Phương trình từ glucozơ ta có:
C6H12O6 –> 2C2H5OH + 2CO2

Từ phương trình này, ta thấy tỉ lệ mol giữa glucozơ và rượu etylic là 1:2.

Nếu xét mắt xích tinh bột (C6H10O5) là đơn vị cơ bản, thì nó sẽ thủy phân ra một phân tử glucozơ (C6H12O6). Do đó, ta có thể viết một phương trình quy đổi gần đúng hoặc suy luận từ phương trình của glucozơ:
(C6H10O5)n –(lên men)–> nC6H12O6 –(lên men)–> 2nC2H5OH + 2nCO2

Từ đó, ta có thể rút ra tỉ lệ mol giữa một mắt xích tinh bột (C6H10O5) và rượu etylic (C2H5OH) là 1:2.

Bước 3: Tính số mol rượu etylic nguyên chất đã thu được.

Khối lượng mol của rượu etylic (C2H5OH) là:
M(C2H5OH) = 2 12 + 5 1 + 16 + 1 = 44 + 5 + 16 + 1 = 66 g/mol

Số mol rượu etylic nguyên chất đã thu được là:
n(C2H5OH) = Khối lượng rượu nguyên chất / M(C2H5OH)
n(C2H5OH) = 6900 g / 66 g/mol

Tính toán kết quả:
n(C2H5OH) = 104,5454… mol (Để giữ độ chính xác, chúng ta sẽ giữ nguyên số này hoặc sử dụng dạng phân số nếu có thể. Tuy nhiên, với yêu cầu tính toán thông thường, ta có thể làm tròn sau cùng hoặc sử dụng các giá trị trung gian. Ở đây, ta để dạng số thập phân với vài chữ số sau dấu phẩy).

Bước 4: Tính số mol rượu etylic nguyên chất cần có theo lý thuyết (hiệu suất 100%).

Đề bài cho biết hiệu suất của cả quá trình là 72%. Điều này có nghĩa là lượng rượu etylic thu được thực tế chỉ bằng 72% so với lượng lý thuyết có thể tạo ra.

Số mol rượu etylic theo lý thuyết sẽ là:
n(C2H5OH) lý thuyết = n(C2H5OH) thực tế / Hiệu suất
n(C2H5OH) lý thuyết = 104,5454… mol / 0,72

Tính toán kết quả:
n(C2H5OH) lý thuyết = 145,1993… mol

Bước 5: Tính số mol tinh bột cần dùng theo lý thuyết.

Dựa vào phương trình quy đổi từ tinh bột (C6H10O5) đến rượu etylic (C2H5OH), ta có tỉ lệ mol là 1:2.
(C6H10O5) –> 2C2H5OH

Điều này có nghĩa là để tạo ra 2 mol C2H5OH, chúng ta cần 1 mol (C6H10O5) (tức là một mắt xích tinh bột).

Vậy, số mol tinh bột (C6H10O5) cần dùng theo lý thuyết là:
n(C6H10O5) lý thuyết = n(C2H5OH) lý thuyết / 2
n(C6H10O5) lý thuyết = 145,1993… mol / 2
n(C6H10O5) lý thuyết = 72,5996… mol

Bước 6: Tính khối lượng tinh bột cần dùng.

Khối lượng mol của mắt xích tinh bột (C6H10O5) là:
M(C6H10O5) = 6 12 + 10 1 + 5 * 16 = 72 + 10 + 80 = 162 g/mol

Khối lượng tinh bột cần dùng theo lý thuyết là:
Khối lượng tinh bột lý thuyết = n(C6H10O5) lý thuyết * M(C6H10O5)
Khối lượng tinh bột lý thuyết = 72,5996… mol * 162 g/mol

Tính toán kết quả:
Khối lượng tinh bột lý thuyết = 11761,1352… g

Vì hiệu suất cả quá trình là 72%, nên khối lượng tinh bột cần dùng thực tế sẽ lớn hơn khối lượng lý thuyết. Tuy nhiên, cách tính hiệu suất thường áp dụng cho sản phẩm, tức là lượng chất tham gia sẽ được tính dựa trên lượng sản phẩm thu được với hiệu suất đó.
Tức là, chúng ta đã tính được lượng tinh bột cần để tạo ra lượng rượu lý thuyết.
Nếu đề bài hỏi “khối lượng tinh bột cần dùng trong quá trình lên men“, thì chúng ta đã tính đúng.
Nếu đề bài hiểu theo hướng ngược lại là “với một lượng tinh bột X thì thu được Y sản phẩm với hiệu suất Z”, thì cách tính sẽ khác.
Tuy nhiên, cách diễn đạt “tính khối lượng tinh bột cần dùng … để tạo thành …” cho thấy chúng ta đang đi từ sản phẩm để tìm nguyên liệu, và hiệu suất đã được áp dụng để tính ngược lại lượng nguyên liệu cần thiết.

Vậy, khối lượng tinh bột cần dùng là:
Khối lượng tinh bột cần dùng = Khối lượng tinh bột lý thuyết (đã tính ở Bước 5)
Khối lượng tinh bột cần dùng = 11761,1352… g

Để làm tròn kết quả cho đẹp và phù hợp với các bài tập trong sách giáo khoa, chúng ta có thể làm tròn đến một chữ số thập phân hoặc làm tròn hợp lý.
Xem xét lại các bước tính toán để có một con số chính xác hơn.

Chúng ta có thể tính lại số mol rượu etylic:
n(C2H5OH) thực tế = 6900 / 66 = 104.5454… mol

n(C2H5OH) lý thuyết = 104.5454… / 0.72 = 145.1993… mol

n(C6H10O5) lý thuyết = 145.1993… / 2 = 72.5996… mol

Khối lượng tinh bột cần dùng = 72.5996… * 162 = 11761.1352… g

Nếu chúng ta làm tròn sớm hơn, kết quả có thể thay đổi một chút.

Hãy thử làm tròn số mol rượu thực tế thành 104.55 mol cho dễ tính:
n(C2H5OH) lý thuyết = 104.55 / 0.72 = 145.2083… mol
n(C6H10O5) lý thuyết = 145.2083… / 2 = 72.6041… mol
Khối lượng tinh bột = 72.6041… * 162 = 11761.87… g

Để có kết quả chính xác nhất, chúng ta nên giữ nguyên các giá trị thập phân càng nhiều càng tốt hoặc sử dụng phân số.

Một cách tiếp cận khác là sử dụng quy đổi trực tiếp khối lượng:
Từ phương trình: (C6H10O5) –> 2C2H5OH
M(C6H10O5) = 162 g/mol
M(C2H5OH) = 46 g/mol (Lưu ý, đây là khối lượng mol của C2H5OH, không phải 46 độ!)

Theo phương trình: 162 gam (C6H10O5) tạo ra 2 * 46 = 92 gam (C2H5OH)
Tuy nhiên, đây là theo lý thuyết 100%.

Ta có: 6900 gam C2H5OH đã thu được.
Số mol C2H5OH đã thu được là 6900/46 = 145.65 mol. (Lỗi nhỏ trong suy luận, M(C2H5OH) là 46g/mol, M(C2H5OH) = 2*12 + 5*1 + 16 + 1 = 46g/mol. Cô xin lỗi, cô đã nhầm M(C2H5OH) ở trên là 66g/mol. M(C2H5OH) = 46 g/mol. Đây là một sai sót nghiêm trọng. Chúng ta cần sửa lại).

SỬA LẠI TỪ BƯỚC 3:

Bước 3: Tính số mol rượu etylic nguyên chất đã thu được.

Khối lượng mol của rượu etylic (C2H5OH) là:
M(C2H5OH) = 2 12 + 5 1 + 16 + 1 = 24 + 5 + 16 + 1 = 46 g/mol

Số mol rượu etylic nguyên chất đã thu được là:
n(C2H5OH) = Khối lượng rượu nguyên chất / M(C2H5OH)
n(C2H5OH) = 6900 g / 46 g/mol

Tính toán kết quả:
n(C2H5OH) = 150 mol

Bước 4: Tính số mol rượu etylic nguyên chất cần có theo lý thuyết (hiệu suất 100%).

Số mol rượu etylic theo lý thuyết sẽ là:
n(C2H5OH) lý thuyết = n(C2H5OH) thực tế / Hiệu suất
n(C2H5OH) lý thuyết = 150 mol / 0,72

Tính toán kết quả:
n(C2H5OH) lý thuyết = 208,3333… mol

Bước 5: Tính số mol tinh bột cần dùng theo lý thuyết.

Dựa vào phương trình quy đổi từ tinh bột (C6H10O5) đến rượu etylic (C2H5OH), ta có tỉ lệ mol là 1:2.
(C6H10O5) –> 2C2H5OH

Vậy, số mol tinh bột (C6H10O5) cần dùng theo lý thuyết là:
n(C6H10O5) lý thuyết = n(C2H5OH) lý thuyết / 2
n(C6H10O5) lý thuyết = 208,3333… mol / 2
n(C6H10O5) lý thuyết = 104,1666… mol

Bước 6: Tính khối lượng tinh bột cần dùng.

Khối lượng mol của mắt xích tinh bột (C6H10O5) là:
M(C6H10O5) = 6 12 + 10 1 + 5 * 16 = 72 + 10 + 80 = 162 g/mol

Khối lượng tinh bột cần dùng theo lý thuyết là:
Khối lượng tinh bột cần dùng = n(C6H10O5) lý thuyết * M(C6H10O5)
Khối lượng tinh bột cần dùng = 104,1666… mol * 162 g/mol

Tính toán kết quả:
Khối lượng tinh bột cần dùng = 16875 g

Kết quả này hợp lý hơn và có thể được biểu diễn dưới dạng 16,875 kg.

Vậy, khối lượng tinh bột cần dùng trong quá trình lên men để tạo thành 18,75 lít rượu etylic 46° với hiệu suất 72% là 16875 gam.

Các em thấy đấy, một sai sót nhỏ trong việc tính khối lượng mol cũng có thể dẫn đến kết quả hoàn toàn khác biệt. Vì vậy, khi giải bài tập, chúng ta cần hết sức cẩn thận và kiểm tra lại từng bước.

Cảm ơn các em đã chú ý lắng nghe. Nếu có bất kỳ câu hỏi nào, các em cứ mạnh dạn hỏi cô nhé!