Thể tích mol chất khí là thể tích chiếm bởi 1 mol khí: ở điều kiện chuẩn 25 °C và 1 bar mà sách giáo khoa theo chương trình phổ thông 2018 dùng, giá trị là 24,79 L; ở điều kiện tiêu chuẩn cũ 0 °C và 1 atm, giá trị là 22,4 L. Từ đó, số mol khí bằng thể tích chia cho thể tích mol ở đúng điều kiện đề cho.
Hai con số tồn tại song song vì tài liệu cũ, đề thi cũ và nhiều nguồn trên mạng vẫn dùng 22,4 L, còn sách mới dùng 24,79 L. Nhầm quy ước làm đáp số lệch khoảng mười phần trăm. Bài này giải thích vì sao mọi chất khí cùng điều kiện có cùng thể tích mol, cách dùng đúng từng con số, tỉ khối chất khí và khối lượng mol trung bình, kèm câu lệnh để AI không tự áp con số sai.
Vì sao mọi chất khí cùng điều kiện có cùng thể tích mol
Năm 1811, Avogadro đưa ra giả thuyết: ở cùng nhiệt độ và áp suất, những thể tích bằng nhau của mọi chất khí chứa cùng số phân tử. Ngày nay điều này được gọi là định luật Avogadro. Hệ quả trực tiếp là 1 mol khí nào cũng chiếm cùng một thể tích, miễn là cùng điều kiện, dù đó là khí hiđro rất nhẹ hay khí cacbonic nặng hơn nhiều.
Lý do nằm ở chỗ trong chất khí, các phân tử ở rất xa nhau so với kích thước của chính chúng. Thể tích khí chủ yếu là khoảng trống giữa các phân tử, và khoảng trống đó phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất chứ gần như không phụ thuộc phân tử to hay nhỏ. Đây là gần đúng của mô hình khí lý tưởng, đủ chính xác cho bài tập phổ thông.
Với chất lỏng và chất rắn thì khác hẳn: các hạt xếp sát nhau, thể tích phụ thuộc kích thước và cách xếp của hạt. Một mol nước lỏng chỉ chiếm khoảng 18 mL, một mol nước ở dạng hơi ở cùng áp suất thì chiếm hàng chục lít. Vì vậy công thức đổi thể tích ra mol bằng 24,79 hay 22,4 chỉ dùng cho chất khí, không bao giờ dùng cho nước lỏng hay dung dịch.
Hai quy ước điều kiện và con số đi kèm
Khi đọc đề, việc đầu tiên là xác định đề theo quy ước nào. Bảng dưới đặt hai quy ước cạnh nhau, kèm ví dụ đổi lít ra mol đã kiểm.
| Điều kiện chuẩn (đkc) | Điều kiện tiêu chuẩn (đktc) | |
|---|---|---|
| Nhiệt độ, áp suất | 25 °C (298,15 K), 1 bar | 0 °C (273,15 K), 1 atm |
| Thể tích 1 mol khí | 24,79 L | 22,4 L (chính xác hơn là 22,41 L) |
| Hay gặp ở | Sách giáo khoa theo chương trình phổ thông 2018 | Sách và đề thi trước đó, nhiều tài liệu trên mạng |
| Ví dụ đổi lít ra mol | 4,958 L CO2 : 24,79 = 0,2 mol | 3,36 L CO2 : 22,4 = 0,15 mol |
| Ví dụ đổi mol ra lít | 0,3 mol H2 × 24,79 = 7,437 L | 0,5 mol O2 × 22,4 = 11,2 L |
Nếu đề ghi "đkc" hoặc "điều kiện chuẩn", dùng 24,79. Nếu ghi "đktc" hoặc "điều kiện tiêu chuẩn", dùng 22,4. Nếu không ghi gì mà cho số như 3,36, 4,48, 6,72 lít, rất có thể đề dùng 22,4 vì đó là bội số đẹp của 22,4; nếu cho số như 2,479, 4,958, 7,437 lít, đề dùng 24,79. Dấu hiệu này giúp kiểm nhanh, nhưng vẫn nên hỏi giáo viên khi đề thật sự không ghi.
Bạn sẽ thấy các con số đẹp ở cột trái không "tròn" như cột phải. Đó là lý do nhiều học sinh thấy đáp số theo đkc lẻ hơn; đừng vì vậy mà nghĩ mình tính sai.
Vì sao 22,4 thành 24,79: tính từ phương trình trạng thái
Ở lớp 10, bạn sẽ gặp phương trình trạng thái khí lý tưởng pV = nRT, với R là hằng số khí. Dùng R = 0,082 L·atm/(mol·K) và 1 mol khí ở 273 K, 1 atm, thể tích là 0,082 × 273, khoảng 22,4 L. Tăng nhiệt độ lên 298 K thì thể tích tăng theo tỉ lệ thuận, và hạ áp suất từ 1 atm xuống 1 bar, nhỏ hơn một chút, thì thể tích tăng thêm, ra khoảng 24,79 L.
Như vậy hai con số không mâu thuẫn mà chỉ là cùng một quy luật ở hai điều kiện khác nhau. Hiểu điều này giúp bạn xử lý cả những đề cho điều kiện khác hẳn, ví dụ 27 °C và 1 atm: V = 0,082 × 300 : 1, khoảng 24,6 L cho mỗi mol. Không cần học thuộc thêm con số nào, chỉ cần đổi nhiệt độ ra kelvin bằng cách cộng 273 và dùng đúng đơn vị của R.
Lỗi hay gặp nhất khi dùng pV = nRT là để nhiệt độ ở độ C. Thay 27 thay vì 300 làm thể tích nhỏ đi hơn mười lần. Lỗi thứ hai là dùng R theo đơn vị này nhưng áp suất theo đơn vị khác; khi áp suất cho bằng atm, dùng R = 0,082, và thể tích ra lít.
Tỉ lệ thể tích trong phản ứng giữa các chất khí
Vì cùng điều kiện thì thể tích tỉ lệ với số mol, nên trong phản ứng giữa các chất khí, tỉ lệ thể tích bằng tỉ lệ hệ số. Phương trình 2H2 + O2 → 2H2O cho biết 2 thể tích hiđro phản ứng với 1 thể tích oxi. Đốt 10 L hiđro cần 5 L oxi đo ở cùng điều kiện, không cần đổi qua mol.
Phím tắt này chỉ đúng với các chất ở thể khí và đo cùng nhiệt độ, áp suất. Nếu sau phản ứng làm lạnh về nhiệt độ phòng, nước ngưng tụ thành lỏng và không còn tính vào thể tích khí. Nhiều đề lớp 10 dựa đúng vào chi tiết này để hỏi thể tích khí còn lại sau phản ứng.
Ví dụ: trộn 10 L hiđro với 8 L oxi rồi đốt cháy hoàn toàn, đưa về điều kiện ban đầu để nước ngưng tụ. Hiđro có 10 : 2 = 5, oxi có 8 : 1 = 8, nên hiđro hết, oxi phản ứng 5 L và dư 3 L. Khí còn lại là 3 L oxi. Bài này kết hợp tỉ lệ thể tích với cách xác định chất hết, và cho thấy thể tích khí là một cách "đếm mol" trực tiếp.
Tỉ khối chất khí và khối lượng mol trung bình
Tỉ khối của khí A so với khí B, viết d(A/B), bằng M(A) : M(B). So với không khí, người ta lấy khối lượng mol trung bình của không khí khoảng 29 g/mol, nên d(A/kk) = M(A) : 29. Tỉ khối lớn hơn 1 nghĩa là khí A nặng hơn khí B.
| Khí | M (g/mol) | Tỉ khối so với không khí | Ý nghĩa thực tế |
|---|---|---|---|
| CO2 | 44 | 44 : 29, khoảng 1,52 | Nặng hơn không khí, dồn xuống chỗ trũng như hầm, giếng |
| CH4 | 16 | 16 : 29, khoảng 0,55 | Nhẹ hơn không khí, bay lên cao |
| He | 4 | 4 : 29, khoảng 0,14 | Rất nhẹ, dùng bơm bóng bay vì không cháy |
| H2 | 2 | 2 : 29, khoảng 0,07 | Nhẹ nhất nhưng dễ cháy nổ, không dùng bơm bóng bay cho trẻ |
Với hỗn hợp khí, khối lượng mol trung bình bằng tổng khối lượng chia tổng số mol, và tỉ khối của hỗn hợp tính theo khối lượng mol trung bình đó. Ví dụ hỗn hợp CO2 và O2 có tỉ khối so với H2 bằng 19, tức khối lượng mol trung bình là 38 g/mol. Gọi x là phần mol CO2: 44x + 32(1 − x) = 38, giải ra x = 0,5. Hỗn hợp gồm 50 phần trăm CO2 và 50 phần trăm O2 theo số mol, cũng là theo thể tích.
Ý cuối của dòng CO2 là lý do không xuống giếng sâu hay hầm kín lâu ngày không thông gió khi chưa có biện pháp an toàn: khí nặng hơn không khí có thể tích tụ ở đáy và làm thiếu oxi.
Năm lỗi hay gặp ở bài có chất khí
Dùng thể tích mol cho chất không phải khí. Học sinh đôi khi lấy thể tích dung dịch axit chia cho 24,79 để ra số mol axit. Với dung dịch, số mol bằng nồng độ mol nhân thể tích, không liên quan gì tới thể tích mol khí.
Lẫn đkc với đktc giữa chừng lời giải. Đầu bài đổi lít ra mol bằng 24,79, cuối bài đổi mol ra lít lại nhân 22,4 vì quen tay. Đáp số lệch khoảng mười phần trăm mà nhìn qua vẫn tưởng hợp lý. Viết quy ước ra một dòng riêng ở đầu bài sẽ tự nhắc mình.
Quên rằng nước ngưng tụ. Khi đề nói đưa về nhiệt độ phòng sau khi đốt, hơi nước thành lỏng và không còn trong thể tích khí. Tính cả nước vào là thừa thể tích.
Coi tỉ khối là khối lượng mol. Đề cho tỉ khối so với hiđro bằng 22 thì khối lượng mol là 22 × 2 = 44 g/mol, không phải 22. Quên nhân với khối lượng mol khí so sánh là lỗi rất phổ biến.
Đổi mL khí sang lít sai. Đề cho 224 mL khí ở đktc tức 0,224 L, ứng với 0,01 mol. Quên đổi đơn vị thì số mol lớn gấp nghìn lần, kéo theo khối lượng chất rắn cỡ kilôgam trong một ống nghiệm, một con số đủ để biết mình sai.
Dặn AI dùng đúng quy ước khi luyện bài thể tích khí
Nhiều mô hình AI học từ lượng lớn tài liệu cũ nên mặc định dùng 22,4 L. Câu lệnh nên nói rõ quy ước ngay từ đầu:
- "Mình học theo sách giáo khoa chương trình 2018, điều kiện chuẩn là 25 °C, 1 bar, thể tích mol khí 24,79 L. Ra 5 bài đổi giữa thể tích khí và số mol theo quy ước này, chưa có đáp án."
- "Giải thích vì sao sách mới dùng 24,79 L còn sách cũ dùng 22,4 L, cho học sinh lớp 10, không quá 150 chữ."
- "Đề này không ghi điều kiện. Hỏi mình những dấu hiệu nào trong số liệu giúp đoán đề đang dùng quy ước nào."
- "Mình tính ra 2,24 L nhưng đáp án là 2,479 L. Gợi ý chỗ lệch, không giải lại."
Khi AI đưa lời giải có con số 22,4 mà đề của bạn là đkc, đó không phải lỗi nhỏ: mọi đáp số liên quan đến khí đều lệch theo. Đọc lướt lời giải tìm con số thể tích mol trước tiên. Ảnh đề gửi lên chatbot cũng cần che tên học sinh và tên trường.
Câu hỏi thường gặp
Đề không ghi đkc hay đktc thì dùng con số nào?
Xem quy ước của sách đang học: chương trình 2018 dùng điều kiện chuẩn 24,79 L. Có thể nhìn số liệu trong đề: bội số đẹp của 22,4 như 4,48 hay 6,72 lít gợi ý đề cũ. Khi vẫn không chắc, ghi rõ quy ước bạn dùng ở đầu lời giải.
Thể tích mol 24,79 L có dùng cho hơi nước không?
Chỉ dùng khi nước ở thể hơi trong điều kiện đó và được coi như khí lý tưởng. Ở 25 °C và 1 bar, nước chủ yếu ở thể lỏng, nên không dùng 24,79 L cho nước. Đề thường nói rõ nước đã ngưng tụ hay còn ở thể hơi.
Tỉ khối có đơn vị không?
Không. Tỉ khối là tỉ số hai khối lượng mol nên không có đơn vị. Viết d(CO2/kk) xấp xỉ 1,52, không ghi gam hay g/mol. Khi đề cho tỉ khối, nhân với khối lượng mol của khí so sánh để ra khối lượng mol của khí cần tìm.
Vì sao khối lượng mol của không khí là 29?
Không khí chủ yếu gồm khoảng 78 phần trăm nitơ và 21 phần trăm oxi theo thể tích, cùng một ít khí khác. Khối lượng mol trung bình tính theo thành phần đó vào khoảng 29 g/mol, và sách phổ thông làm tròn thành 29.
Có phải khí nào cũng tuân theo đúng 24,79 L/mol không?
Không hoàn toàn. Đó là giá trị cho khí lý tưởng. Khí thật lệch một chút, nhất là ở áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp. Ở bài tập phổ thông, coi mọi khí là lý tưởng và dùng đúng con số đề hoặc sách quy định.
Tỉ lệ thể tích có thay được tỉ lệ mol khi một chất là chất rắn không?
Không. Tỉ lệ thể tích chỉ thay tỉ lệ mol giữa các chất khí đo cùng điều kiện. Với chất rắn hay dung dịch tham gia phản ứng, phải đổi tất cả ra mol rồi tính theo hệ số như bình thường.