Tỉ khối của chất khí: Công thức, phương pháp và ứng dụng 

Tỉ khối của chất khí là một khái niệm cơ bản trong hóa học và vật lý, cung cấp thông tin cần thiết để hiểu về mật độ và hành vi của các khí khác nhau. Bài viết này, yeuhoahoc.edu.vn sẽ cùng các bạn khám phá sâu về ý nghĩa và ứng dụng của tỉ khối trong  khoa học và thực tiễn.

Khái niệm về tỉ khối của chất khí 

Tỉ khối của chất khí là đại lượng so sánh khối lượng của một lượng khí A với khối lượng của một lượng khí B (hoặc không khí) có cùng thể tích ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. Nói cách khác, tỉ khối của chất khí cho ta biết khí A nặng hay nhẹ hơn khí B (hoặc không khí) bao nhiêu lần.

$\mathrm{Ví} \mathrm{dụ}: \mathrm{Tỉ} \mathrm{khối} \mathrm{của} \mathrm{khí} {\mathrm{CO}}_2 \mathrm{đối} \mathrm{với} \mathrm{khí} {\mathrm{H}}_2 \mathrm{là} 22, \mathrm{nghĩa} \mathrm{là} \mathrm{khí} {\mathrm{CO}}_2 \mathrm{nặng} \mathrm{hơn} \mathrm{khí} {\mathrm{H}}_2 22 \mathrm{lần}.$

Công thức tính toán tỉ khối của chất khí

Tỉ khối của khí A đối với khí B:

$\frac{{\mathrm{d}}_{\mathrm{A}} }{B}= \frac{{\mathrm{M}}_{\mathrm{A} }}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{B}}}$

Tỉ khối của khí A đối với không khí:

$\frac{{\mathrm{d}}_{\mathrm{A}}}{\mathrm{kk}} = \frac{{\mathrm{M}}_{\mathrm{A}} }{{\mathrm{M}}_{\mathrm{kk}}(=29) }$

Trong đó:

$$\begin{gathered} \frac{{\mathrm{d}}_{\mathrm{A}}}{\mathrm{B}}: \mathrm{Tỉ} \mathrm{khối} \mathrm{của} \mathrm{khí} \mathrm{A} \mathrm{đối} \mathrm{với} \mathrm{khí} \mathrm{B} \\ \frac{{\mathrm{d}}_{\mathrm{A}}}{\mathrm{kk}}: \mathrm{Tỉ} \mathrm{khối} \mathrm{của} \mathrm{khí} \mathrm{A} \mathrm{đối} \mathrm{với} \mathrm{không} \mathrm{khí} \\ \mathrm{MA}: \mathrm{Khối} \mathrm{lượng} \mathrm{mol} \mathrm{của} \mathrm{khí} \mathrm{A} (\mathrm{g}/\mathrm{mol}) \\ \mathrm{MB}: \mathrm{Khối} \mathrm{lượng} \mathrm{mol} \mathrm{của} \mathrm{khí} \mathrm{B} (\mathrm{g}/\mathrm{mol}) \\ {\mathrm{M}}_{\mathrm{kk}}: \mathrm{Khối} \mathrm{lượng} \mathrm{mol} \mathrm{trung} \mathrm{bình} \mathrm{của} \mathrm{không} \mathrm{khí} (\approx 29 \mathrm{g}/\mathrm{mol}) \end{gathered}$$

So sánh tỉ khối với các đại lượng hóa học khác

• Khối lượng mol: Khối lượng mol là khối lượng của 1 mol chất đó. Tỉ khối có mối quan hệ trực tiếp với khối lượng mol: khí nào có khối lượng mol lớn hơn sẽ có tỉ khối lớn hơn.
• Thể tích mol: Thể tích mol là thể tích chiếm bởi 1 mol chất khí ở điều kiện chuẩn (25°C và 1 atm). Tỉ khối không liên quan trực tiếp đến thể tích mol. Tuy nhiên, ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, các khí có tỉ khối bằng nhau có thể tích mol bằng nhau.

Ví dụ:

$\mathrm{Tính} \mathrm{tỉ} \mathrm{khối} \mathrm{của} \mathrm{khí} {\mathrm{CO}}_2 \mathrm{đối} \mathrm{với} \mathrm{khí} {\mathrm{H}}_2.$

Giải:

$$\begin{gathered} \mathrm{MA}\left({\mathrm{CO}}_2\right) = 44 \mathrm{g}/\mathrm{mol} {\mathrm{M}}_{\mathrm{H}2} = 2 \mathrm{g}/\mathrm{mol} \\ \frac{{\mathrm{d}}_{\mathrm{A}}}{{\mathrm{H}}_2} = \frac{\mathrm{MA} }{{\mathrm{M}}_{{\mathrm{H}}_2}} =\frac{ 44 \mathrm{g}/\mathrm{mol} }{ 2 \mathrm{g}/\mathrm{mol}} = 22 \\ \mathrm{Vậy}, \mathrm{khí} {\mathrm{CO}}_2 \mathrm{nặng} \mathrm{hơn} \mathrm{khí} {\mathrm{H}}_2 22 \mathrm{lần}. \end{gathered}$$

Phương pháp xác định tỉ khối của chất khí

Phương pháp cân bằng thể tích khí

Giải thích:

• Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: hai khí ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất và thể tích bằng nhau sẽ có cùng số mol.
• Ta cân hai bình chứa hai khí A và B có cùng thể tích ở cùng điều kiện. Sau đó, cân hai bình sau khi đã cho hai khí khuếch tán lẫn nhau.
• Tỉ khối của khí A đối với khí B được xác định bằng tỉ số giữa khối lượng của khí A và khối lượng của khí B.

Ưu điểm:

• Đơn giản, dễ thực hiện.
• Không cần dụng cụ thí nghiệm phức tạp.

Nhược điểm:

• Độ chính xác không cao.
• Chỉ áp dụng được cho các khí không tác dụng với nhau.

Ví dụ:

$\mathrm{Xác} \mathrm{định} \mathrm{tỉ} \mathrm{khối} \mathrm{của} \mathrm{khí} {\mathrm{CO}}_2 \mathrm{đối} \mathrm{với} \mathrm{khí} {\mathrm{O}}_2.$

Thí nghiệm:

• Cân hai bình thủy tinh có cùng dung tích, nút kín.
• Bơm vào bình 1 một lượng khí CO2 và bơm vào bình 2 một lượng khí O2 có cùng thể tích.
• Cân hai bình và ghi lại khối lượng.
• Mở nút hai bình để hai khí khuếch tán lẫn nhau.
• Đậy nút hai bình và cân lại.

Tính toán:

$$\begin{gathered} \mathrm{Khối} \mathrm{lượng} \mathrm{khí} {\mathrm{CO}}_2 = (\mathrm{m}1 + \mathrm{m}3) – \mathrm{m}1 \\ \mathrm{Khối} \mathrm{lượng} \mathrm{khí} {\mathrm{O}}_2 = (\mathrm{m}2 + \mathrm{m}3) – \mathrm{m}2 \\ \mathrm{Tỉ} \mathrm{khối} \frac{{\mathrm{CO}}_2}{{\mathrm{O}}_2} = \frac{(\mathrm{Khối} \mathrm{lượng} \mathrm{khí} {\mathrm{CO}}_2) }{(\mathrm{Khối} \mathrm{lượng} \mathrm{khí} {\mathrm{O}}_2)} \end{gathered}$$

Phương pháp khuếch tán

Giải thích:

• Phương pháp này dựa trên tốc độ khuếch tán của các khí khác nhau.
• Khí có tốc độ khuếch tán lớn hơn sẽ khuếch tán qua một lỗ nhỏ nhanh hơn khí có tốc độ khuếch tán nhỏ hơn.
• Tỉ khối của hai khí được xác định bằng tỉ số giữa thời gian khuếch tán của hai khí qua cùng một lỗ nhỏ.

Ưu điểm:

• Độ chính xác cao hơn phương pháp cân bằng thể tích khí.

Nhược điểm:

• Cần dụng cụ thí nghiệm chuyên dụng.
• Khó thực hiện hơn phương pháp cân bằng thể tích khí.

Ví dụ:

Xác định tỉ khối của khí NH3 đối với khí Cl2.

Thí nghiệm:

• Sử dụng bộ thí nghiệm khuếch tán khí.
• Cho khí NH3 vào một bình và khí Cl2 vào bình khác.
• Mở van cho hai khí khuếch tán qua cùng một lỗ nhỏ.
• Đo thời gian cần thiết để mỗi khí khuếch tán hết qua lỗ nhỏ.

Tính toán:

• Tỉ khối NH3/Cl2 = (Thời gian khuếch tán Cl2) / (Thời gian khuếch tán NH3)

Phương pháp thể tích kế

Giải thích:

Phương pháp thể tích kế sử dụng một dụng cụ gọi là thể tích kế để đo thể tích của hai khí trong cùng điều kiện về nhiệt độ, áp suất. Sau đó, sử dụng tỉ lệ thể tích để xác định tỉ khối của hai khí.

Ưu điểm:

• Đơn giản, dễ thực hiện.
• Không cần dụng cụ phức tạp.
• Độ chính xác cao nếu thao tác cẩn thận.

Nhược điểm:

• Yêu cầu kỹ năng thí nghiệm tốt.
• Kết quả có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ, áp suất.

Ví dụ:

Xác định tỉ khối của khí CO2 đối với khí O2.

Thí nghiệm:

1. Đưa thể tích kế về trạng thái cân bằng.
2. Cho khí CO2 vào thể tích kế đến một thể tích xác định (V1).
3. Ghi chép lại áp suất (P1) và nhiệt độ (T1).
4. Thao tác tương tự với khí O2, cho khí O2 vào thể tích kế đến cùng thể tích V1.
5. Ghi chép lại áp suất (P2) và nhiệt độ (T2).

Tính toán:

dA/O2 = (P1 * T2) / (P2 * T1)

Phương pháp cân

Giải thích:

Phương pháp cân sử dụng cân điện tử để đo khối lượng của hai khí trong cùng điều kiện về nhiệt độ, áp suất. Sau đó, sử dụng tỉ lệ khối lượng để xác định tỉ khối của hai khí.

Ưu điểm:

• Độ chính xác cao.
• Ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ, áp suất.

Nhược điểm:

• Cần dụng cụ chuyên dụng (cân điện tử).
• Thao tác phức tạp hơn so với phương pháp thể tích kế.

Ví dụ:

Xác định tỉ khối của khí N2 đối với khí H2.

Thí nghiệm:

1. Dùng bơm chân không để hút hết khí trong bình thủy tinh.
2. Nối bình thủy tinh với cân điện tử.
3. Cho khí N2 vào bình thủy tinh đến một khối lượng xác định (m1).
4. Ghi chép lại nhiệt độ (T1) và áp suất (P1).
5. Thao tác tương tự với khí H2, cho khí H2 vào bình thủy tinh đến cùng khối lượng m1.
6. Ghi chép lại nhiệt độ (T2) và áp suất (P2).

Tính toán:

$\frac{{\mathrm{d}}_{\mathrm{A}} }{{\mathrm{H}}_2}=\frac{ {\mathrm{m}}_1 * {\mathrm{P}}_2 }{{\mathrm{m}}_2 * {\mathrm{P}}_1}$

Ứng dụng của tỉ khối trong hóa học

Xác định thành phần của hỗn hợp khí:

• Bằng cách xác định tỉ khối của hỗn hợp khí so với một khí chuẩn (thường là không khí), ta có thể xác định được thành phần phần trăm theo khối lượng của các khí trong hỗn hợp.
• Ví dụ: Xác định thành phần của hỗn hợp khí gồm CO2 và N2.

So sánh độ nặng nhẹ của các chất khí:

• Tỉ khối cho ta biết một chất khí nặng hơn hay nhẹ hơn chất khí khác bao nhiêu lần.
• Ví dụ: Khí CO2 nặng hơn khí H2 22 lần.

Xác định vị trí của khí trong bảng tuần hoàn:

• Nhìn chung, các nguyên tố cùng nhóm trong bảng tuần hoàn có tỉ khối gần giống nhau.
• Ví dụ: Các khí thuộc nhóm halogen (F2, Cl2, Br2, I2) đều có tỉ khối cao hơn so với các khí thuộc nhóm khác.

Ứng dụng trong công nghiệp hóa chất:

• Tỉ khối được sử dụng để kiểm soát chất lượng sản phẩm khí, theo dõi quá trình sản xuất, điều chỉnh điều kiện vận hành thiết bị.
• Ví dụ: Trong sản xuất khí amoniac (NH3), tỉ khối của khí thu được được so sánh với giá trị lý thuyết để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Một số lưu ý khi sử dụng tỉ khối

1. Tầm quan trọng của việc xác định chính xác điều kiện thí nghiệm:

Độ chính xác của kết quả đo tỉ khối phụ thuộc rất lớn vào việc xác định chính xác điều kiện thí nghiệm, bao gồm:

• Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến thể tích và khối lượng của khí. Do vậy, cần đo nhiệt độ chính xác tại thời điểm đo tỉ khối.
• Áp suất: Áp suất cũng ảnh hưởng đến thể tích và khối lượng của khí. Do vậy, cần đo áp suất chính xác tại thời điểm đo tỉ khối.
• Độ ẩm: Độ ẩm cao có thể ảnh hưởng đến khối lượng của khí. Do vậy, cần sử dụng khí đã được làm khô trước khi đo tỉ khối.

2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến tỉ khối:

• Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, thể tích khí tăng và khối lượng khí giảm, dẫn đến tỉ khối giảm.
• Áp suất: Khi áp suất tăng, thể tích khí giảm và khối lượng khí tăng, dẫn đến tỉ khối tăng.
• Độ ẩm: Độ ẩm cao làm tăng khối lượng khí, dẫn đến tỉ khối tăng.

3. Mẹo để đảm bảo độ chính xác khi đo tỉ khối:

• Sử dụng dụng cụ thí nghiệm sạch, khô ráo.
• Tiến hành thí nghiệm ở điều kiện nhiệt độ, áp suất ổn định.
• Sử dụng khí đã được làm khô.
• Lặp lại thí nghiệm nhiều lần để kiểm tra độ chính xác của kết quả.

Như đã thảo luận, tỷ khối chất khí không chỉ là một thông số lý thuyết mà còn có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ y tế đến công nghiệp. Hiểu biết này không chỉ giúp chúng ta tối ưu hóa các quá trình công nghiệp mà còn hỗ trợ trong các nghiên cứu khoa học.