Phản ứng hoá hợp: Tạo ra liên kết mới

Phản ứng hóa hợp là quá trình trong đó hai hoặc nhiều chất tương tác với nhau để tạo ra một sản phẩm mới. Đây là một khái niệm cơ bản trong lĩnh vực hóa học, thường được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, y học và sinh học. Hãy cùng yeuhohoc.edu.vn khám phá phản ứng hoá hợp này qua nội dung bài viết dưới đây nhé

Định nghĩa phản ứng hoá hợp

Phản ứng hóa hợp là quá trình tạo ra các liên kết mới giữa các phân tử để tạo ra sản phẩm mới, thường đi kèm với sự giải phóng nhiệt và ánh sáng. Đây là một phần quan trọng của lĩnh vực hóa học, đóng vai trò then chốt trong việc sản xuất các hợp chất có ý nghĩa trong đời sống hàng ngày.

Đặc Điểm của Phản ứng Hóa Hợp

Tạo liên kết mới: Phản ứng hóa hợp là quá trình kết hợp các phân tử hoặc nguyên tử để tạo ra các liên kết mới và sản phẩm phản ứng.

Sự giải phóng nhiệt và ánh sáng: Trong nhiều trường hợp, phản ứng hóa hợp đi kèm với sự giải phóng nhiệt và ánh sáng, cho thấy sự thay đổi về năng lượng trong quá trình phản ứng.

Đa dạng ứng dụng: Phản ứng hóa hợp có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất hóa chất, dược phẩm đến ngành công nghiệp và nông nghiệp.

Phân biệt phản ứng hóa hợp với các loại phản ứng khác:

Phản ứng hóa hợp vs phản ứng phân tử: Trong phản ứng hóa hợp, các phân tử hoặc nguyên tử kết hợp để tạo ra sản phẩm mới, trong khi phản ứng phân tử là quá trình tách ra các phân tử thành các phân tử riêng lẻ.

Phản ứng hóa hợp vs phản ứng oxi hóa – khử: Trong phản ứng hóa hợp, không có sự thay đổi về số lượng điện tử, trong khi trong phản ứng oxi hóa – khử, có sự chuyển động của các điện tử giữa các chất.

Phân Loại

Phản ứng hóa hợp với sự biến đổi về số oxi hóa:

                      Đơn chất + Đơn chất → Hợp chất

Ví dụ:$\mathrm{S} + {\mathrm{O}}_2 \to {\mathrm{SO}}_2$ (lưu huỳnh và oxi tạo thành lưu huỳnh đioxit)

                      Phi kim + Phi kim → Hợp chất cộng hóa trị:

Ví dụ: ${\mathrm{Cl}}_2 + {\mathrm{H}}_2 \to 2\mathrm{HCl}$ (clo và hydro tạo thành axit clohydric)

Hợp chất cộng hóa trị được tạo ra từ sự phản ứng giữa một đơn chất và một hợp chất.

Ví dụ: $\mathrm{Mg} + 2\mathrm{HCl} \to {\mathrm{MgCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2$ (magiê và axit clohydric tạo thành magie clorua và hydro)

                      Hợp chất + Hợp chất → Hợp chất cộng hóa trị:

Ví dụ: $\mathrm{CO}2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{H}}_2{\mathrm{CO}}_3$ (cacbon đioxit và nước tạo thành axit cacbonic)

Phản ứng hóa hợp mà không có sự biến đổi về số oxi hóa.

                   Oxit bazơ + Oxit axit → Muối:

Ví dụ: $\mathrm{CaO} + {\mathrm{CO}}_2 \to {\mathrm{CaCO}}_3$ (canxi oxit và cacbon đioxit tạo thành canxi cacbonat)

                   Oxit bazơ + Nước → Bazơ:

Ví dụ: ${\mathrm{Na}}_2\mathrm{O} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to 2\mathrm{NaOH}$ (natri oxit và nước tạo thành natri hydroxit)

                     Oxit axit + Nước → Axit:

Ví dụ: ${\mathrm{SO}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_3$ (lưu huỳnh đioxit và nước tạo thành axit sunfurơ)

                     Oxit axit + Bazơ → Muối axit:

Ví dụ: ${\mathrm{SO}}_2 + 2\mathrm{NaOH} \to {\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SO}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ (lưu huỳnh đioxit và natri hydroxit tạo thành natri sunfit và nước)

                     Amoniac + Axit → Muối amoni:

Ví dụ: ${\mathrm{NH}}_3 + \mathrm{HCl} \to {\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl}$ (amoniac và axit clohydric tạo thành amoni clorua)

Ứng dụng của phản ứng hoá hợp

Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Sản xuất axit: Phản ứng hóa hợp đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các loại axit phổ biến như axit sulfuric (${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4$), axit nitric (${\mathrm{HNO}}_3$), axit clohydric (HCl),…

Sản xuất kim loại: Nhiều kim loại được sản xuất từ quặng bằng phương pháp phản ứng hóa hợp, ví dụ như sản xuất nhôm (Al) từ quặng bauxite, sản xuất sắt (Fe) từ quặng hematite.

Sản xuất khí đốt: Phản ứng hóa hợp được ứng dụng để tạo ra các loại khí đốt như khí hydro (${\mathrm{H}}_2$), khí methane (${\mathrm{CH}}_4$),…

Sản xuất phân bón: Phân bón hóa học như ure ($\mathrm{CO}{\left({\mathrm{NH}}_2\right)}_2$), amoniac nitrat (${\mathrm{NH}}_4{\mathrm{NO}}_3$), superphotphat kép ($\mathrm{Ca}{\left({\mathrm{H}}_2{\mathrm{PO}}_4\right)}_2.{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$) được sản xuất dựa trên phản ứng hóa hợp.

Sản xuất cao su: Cao su tổng hợp được tạo ra từ phản ứng trùng hợp của các monome như isoprene (${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_8$).

Ứng dụng trong đời sống

Hóa thực phẩm: Phản ứng hóa hợp được ứng dụng để tạo ra các chất phụ gia thực phẩm, bảo quản thực phẩm, lên men thực phẩm.

Dược phẩm: Nhiều loại thuốc được sản xuất dựa trên phản ứng hóa hợp, ví dụ như thuốc aspirin (${\mathrm{C}}_9{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_4$), thuốc paracetamol (${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_9{\mathrm{NO}}_2$).

Vật liệu xây dựng: Xi măng, một thành phần quan trọng trong xây dựng, được sản xuất từ phản ứng hóa hợp giữa đá vôi (${\mathrm{CaCO}}_3$) và đất sét.

Năng lượng: Phản ứng hóa hợp được ứng dụng trong sản xuất pin, nhiên liệu sinh học..

Cơ chế của phản ứng hoá hợp 

Giải thích cơ chế

Hai thuyết chính được sử dụng để giải thích cơ chế phản ứng hóa hợp:

Thuyết va chạm: Thuyết này cho rằng các phản ứng hóa học xảy ra khi các hạt cơ bản (nguyên tử, phân tử) va chạm với nhau. Để phản ứng xảy ra, va chạm phải đạt đủ năng lượng và hướng thích hợp.

Thuyết cấu hình electron: Thuyết này dựa trên sự tương tác giữa các electron của các nguyên tử tham gia phản ứng. Phản ứng chỉ xảy ra khi các electron được sắp xếp lại thành cấu hình bền vững hơn.

Ví dụ minh họa

Phản ứng giữa hydro (${\mathrm{H}}_2$) và oxy (${\mathrm{O}}_2$) tạo thành nước (${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$):

                               ${\mathrm{H}}_2 + {\mathrm{O}}_2 \to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Theo thuyết va chạm, các phân tử ${\mathrm{H}}_2$ và ${\mathrm{O}}_2$ va chạm với nhau. Nếu va chạm đủ năng lượng và hướng thích hợp, các liên kết H-H và O-O trong các phân tử ${\mathrm{H}}_2$ và ${\mathrm{O}}_2$ sẽ bị phá vỡ, đồng thời các electron được sắp xếp lại để tạo thành liên kết O-H trong phân tử ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Theo thuyết cấu hình electron, các electron trong phân tử hydro và oxy được sắp xếp lại để tạo thành cấu hình bền vững hơn trong phân tử ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Các dạng bài tập áp dụng của phản ứng hoá hợp 

Bài tập tính toán

Tính toán khối lượng chất tham gia hoặc sản phẩm:

Ví dụ: Cho 6,72 lít khí Cl2 (đktc) tác dụng với 5,6 gam Fe. Xác định khối lượng của muối sắt (III) clorua được tạo ra.

Lời giải:

$3{\mathrm{Cl}}_2 + 2\mathrm{Fe} \to 2{\mathrm{FeCl}}_3$

${\mathrm{n}}_{{\mathrm{Cl}}_2} = \frac{{\mathrm{V}}_{{\mathrm{Cl}}_2}}{22,4}$= $\frac{6,72}{22,4}$ = 0,3 mol

${\mathrm{n}}_{\mathrm{Fe}} = \frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{Fe}}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{Fe}}}= \frac{5,6}{56} = 0,1 \mathrm{mol}$

$\frac{{\mathrm{n}}_{{\mathrm{Cl}}_2}}{{\mathrm{n}}_{\mathrm{Fe}}} = \frac{0,3}{0,1}=3>\frac{2}{3}$

=> ${\mathrm{Cl}}_2$ dư, Fe hết

${\mathrm{n}}_{{\mathrm{FeCl}}_3} = 2*{\mathrm{n}}_{\mathrm{Fe}} = 2 * 0,1 = 0,2 \mathrm{mol}$

${\mathrm{m}}_{{\mathrm{FeCl}}_3} = {\mathrm{n}}_{{\mathrm{FeCl}}_3} * {\mathrm{M}}_{{\mathrm{FeCl}}_3} = 0,2 * 162,5 = 32,5 \mathrm{gam}$

Vậy, khối lượng muối sắt (III) clorua thu được là 32,5 gam.

Tính toán hiệu suất phản ứng:

Ví dụ: Cho 10 gam hỗn hợp gồm Mg và Al tác dụng với dung dịch HCl dư, thu được 11,2 lít khí H2 (đktc). Tính hiệu suất phản ứng.

Lời giải:

Mg + 2HCl → MgCl2 + H2

a                                      a

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2

a                                    $\frac{3}{2}$a

${\mathrm{n}}_{{\mathrm{H}}_{2 }}= \frac{{\mathrm{V}}_{{\mathrm{H}}_2}}{22,4} = \frac{11,2}{22,4} = 0,5 \mathrm{mol}$

Cho số mol của Mg là x và số mol của Al là y.

Lập hệ phương trình:

x + y = 0,5

24x + 27y = 10

Giải hệ phương trình:

x = 0,2

y = 0,1

${\mathrm{n}}_{{\mathrm{H}}_2}(\mathrm{lý} \mathrm{thuyết}) = {\mathrm{n}}_{\mathrm{Mg}} + 3{\mathrm{n}}_{\mathrm{Al}} = 0,2 + 3 * 0,1 = 0,5 \mathrm{mol}$

$\mathrm{H} = \frac{{\mathrm{n}}_{{\mathrm{H}}_2}(\mathrm{thực} \mathrm{tế})}{{\mathrm{n}}_{{\mathrm{H}}_2}(\mathrm{lý} \mathrm{thuyết})} ) * 100\% = \frac{0,5}{0,5} * 100\% = 100\%$

Vậy, hiệu suất phản ứng là 100%.

Bài tập lập phương trình hóa học

Lập phương trình hóa học cân bằng dựa vào thông tin về chất tham gia và sản phẩm.

Ví dụ: Lập phương trình hóa học cho phản ứng giữa Na và Cl2 tạo thành NaCl.

Lời giải:

$\mathrm{Na} + {\mathrm{Cl}}_2 \to \mathrm{NaCl}$

Bước 1: Thực hiện cân bằng số lượng nguyên tử của Na.

$2\mathrm{Na} + {\mathrm{Cl}}_2 \to 2\mathrm{NaCl}$

Bước 2: Cân bằng số nguyên tử Cl:

$2\mathrm{Na} + {\mathrm{Cl}}_2 \to 2\mathrm{NaCl}$

Phương trình hóa học cân bằng:

2Na + Cl2 → 2NaCl

Tạo phương trình hóa học dựa trên biểu đồ phản ứng.

Ví dụ: Lập phương trình hóa học cho sơ đồ phản ứng sau:

$\mathrm{Fe} + \mathrm{HCl} \to {\mathrm{FeCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2$

Lời giải:

Bước 1: Cân bằng số nguyên tử Fe:

$\mathrm{Fe} + \mathrm{HCl} \to {\mathrm{FeCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2$

Bước 2: Cân bằng số nguyên tử Cl:

$\mathrm{Fe} + 2 \mathrm{HCl} \to {\mathrm{FeCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2$

Bước 3: Cân bằng số lượng nguyên tử của hidro.

$\mathrm{Fe} + 2\mathrm{HCl} \to {\mathrm{FeCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2$

Phương trình hóa học cân bằng:

Fe + 2HCl → FeCl2  +  H2

Bài tập đề cập đến việc xác định thành phần của một hỗn hợp.

Dựa vào tính chất hóa học của các chất trong hỗn hợp, sử dụng phương pháp hóa học để xác định 

thành phần của hỗn hợp
Ví dụ: Xác định thành phần của hỗn hợp gồm NaCl và ${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CO}}_3$.
Lời giải:
Bước 1: Cho hỗn hợp tác dụng với dung dịch HCl loãng:

• NaCl không phản ứng.
• ${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CO}}_3$ phản ứng với HCl tạo thành khí ${\mathrm{CO}}_2$.

${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CO}}_3 + 2\mathrm{HCl} \to 2\mathrm{NaCl} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + {\mathrm{CO}}_2\uparrow$

Bước 2: Dẫn khí ${\mathrm{CO}}_2$ qua dung dịch nước vôi trong:

• Nước vôi trong bị đục hóa do tạo thành kết tủa ${\mathrm{CaCO}}_3$.

${\mathrm{CO}}_{2 }+ \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 \to {\mathrm{CaCO}}_3\downarrow + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Kết luận: Hỗn hợp ban đầu gồm NaCl và ${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CO}}_3.$

Dựa vào dữ kiện về khối lượng, thể tích, hoặc nồng độ mol của các chất trong hỗn hợp, giải hệ phương trình để xác định thành phần của hỗn hợp:

Ví dụ: Cho 10 gam hỗn hợp gồm Mg và Al tác dụng với dung dịch HCl dư, thu được 11,2 lít khí ${\mathrm{H}}_2$ (đktc). Tính thành phần phần trăm khối lượng của mỗi kim loại trong hỗn hợp ban đầu.

Lời giải:

$\mathrm{Mg} + 2\mathrm{HCl} \to {\mathrm{MgCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2$

$2\mathrm{Al} + 6\mathrm{HCl} \to 2{\mathrm{AlCl}}_3 + 3{\mathrm{H}}_2$

Bước 2: Gọi số mol của Mg và Al lần lượt là x và y.

Lập hệ phương trình:

x + y = 0,5

24x + 27y = 10

Giải hệ phương trình:

x = 0,2

y = 0,1

$\%{\mathrm{m}}_{\mathrm{Mg}} = \left(\frac{{\mathrm{m}}_{\mathrm{Mg}}}{{\mathrm{m}}_{\mathrm{hh}}}\right)* 100\% = \left(\frac{0,2 * 24}{10}\right) * 100\% = 48\%$

$\%{\mathrm{m}}_{\mathrm{Al}} = 100\% – \%{\mathrm{m}}_{\mathrm{Mg}} = 100\% – 48\% = 52\%$

Vậy, thành phần phần trăm khối lượng của Mg và Al trong hỗn hợp ban đầu lần lượt là 48% và 52%.

Bài tập ứng dụng

Giải bài tập liên quan đến ứng dụng của phản ứng hóa hợp trong sản xuất công nghiệp, đời sống.

Ví dụ:

Trong sản xuất công nghiệp:

• Sản xuất axit sulfuric:

$2{\mathrm{SO}}_2 + {\mathrm{O}}_2 \to 2{\mathrm{SO}}_3$

${\mathrm{SO}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4$

• Sản xuất vôi sống:

${\mathrm{CaCO}}_3 \to \mathrm{CaO} + {\mathrm{CO}}_2$

Trong đời sống:

• Nấu ăn: Khi nấu cơm, tinh bột trong gạo xảy ra phản ứng hóa hợp với oxi trong không khí tạo thành khí cacbonic và nước.

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6 + 6{\mathrm{O}}_2 \to 6{\mathrm{CO}}_2 + 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• Hô hấp: Khi ta thở, oxi trong không khí tác dụng với hemoglobin trong máu tạo thành hợp chất oxyhemoglobin.

$\mathrm{Hb} + {\mathrm{O}}_2 \to {\mathrm{HbO}}_2$

Lời giải:

Trong sản xuất công nghiệp:

• Sản xuất axit sulfuric:

• Phản ứng hóa hợp đóng vai trò quan trọng trong sản xuất axit sulfuric.
• Phản ứng đầu tiên là phản ứng oxi hóa khử, trong đó ${\mathrm{SO}}_2$đóng vai trò là chất khử và ${\mathrm{O}}_2$ đóng vai trò là chất oxy hóa.
• Phản ứng thứ hai là phản ứng hóa hợp giữa ${\mathrm{SO}}_3 \mathrm{và} {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ tạo thành axit sulfuric.

• Sản xuất vôi sống:

• Phản ứng hóa hợp xảy ra khi nung đá vôi (${\mathrm{CaCO}}_3$) ở nhiệt độ cao.
• Phản ứng này là phản ứng phân hủy, ${\mathrm{CaCO}}_3$ bị phân hủy thành CaO và ${\mathrm{CO}}_2$.

Trong đời sống:

Nấu ăn:

• Phản ứng hóa hợp xảy ra khi nấu cơm là phản ứng oxi hóa khử.

• Tinh bột trong gạo (${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$) là chất khử, oxi trong không khí (${\mathrm{O}}_2$) là chất oxy hóa:

Hô hấp:

• Phản ứng hóa hợp xảy ra khi ta thở là phản ứng cộng hợp.
• Hemoglobin (Hb) kết hợp với oxi (${\mathrm{O}}_2$) tạo thành hợp chất oxyhemoglobin (${\mathrm{HbO}}_2$).

Giải bài tập liên quan đến tính toán lượng chất cần thiết để sản xuất một sản phẩm nhất định.

Ví dụ:

Tính toán lượng khí ${\mathrm{H}}_2$ cần thiết để khử 16 gam ${\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3$thành Fe.

Lời giải:

${\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3 + 3{\mathrm{H}}_2 \to 2\mathrm{Fe} + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

0,143 mol     3*0,143 mol

Bước 2: Tính toán số mol của ${\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3$

${\mathrm{n}}_{{\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3} = \frac{{\mathrm{m}}_{{\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3}}{{\mathrm{M}}_{{\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3}} = \frac{16 }{112}= 0,143 \mathrm{mol}$

Bước 3: Tính toán số mol ${\mathrm{H}}_2$ theo tỉ lệ mol trong phương trình

${\mathrm{n}}_{{\mathrm{H}}_2} = 3{\mathrm{n}}_{{\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3 }= 3 * 0,143 = 0,429 \mathrm{mol}$

Bước 4: Tính toán thể tích khí ${\mathrm{H}}_2$ cần thiết

${\mathrm{V}}_{{\mathrm{H}}_2} = {\mathrm{n}}_{{\mathrm{H}}_2} * 22,4 = 0,429 * 22,4 = 9,5424 \mathrm{lít}$

Vậy, cần 9,5424 lít khí ${\mathrm{H}}_2$ để khử 16 gam ${\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3$ thành Fe.