Bài học

Hiệu suất phản ứng

Em sẽ làm được gì?

Sau bài học, em hiểu vì sao phản ứng thực tế ít khi đạt 100%, và tính được hiệu suất phản ứng cũng như lượng sản phẩm thực tế khi biết hiệu suất.

Cần nhớ trước

Tính khối lượng và thể tích sản phẩm theo PTHH (Bài 1–3 của khóa này).

Theo tính toán lý thuyết, nung 100 g đá vôi phải thu được 56 g vôi sống. Nhưng khi cân thực tế trong phòng thí nghiệm, kết quả chỉ được 49 g. Đá vôi "biến đi đâu"? Một phần chưa kịp phân hủy hoàn toàn, một phần thất thoát ra ngoài trong lúc thao tác, dụng cụ giữ lại một ít. Con số đo mức "đạt được so với lý thuyết" được gọi là hiệu suất phản ứng — một khái niệm quan trọng vì trong công nghiệp, hiệu suất càng cao thì càng tiết kiệm nguyên liệu và giảm chi phí sản xuất.

Theo tính toán lý thuyết, nung 100 g đá vôi phải thu được 56 g vôi sống. Nhưng khi cân thực tế trong phòng thí nghiệm, kết quả chỉ được 49 g. Đá vôi "biến đi đâu"? Một phần chưa kịp phân hủy hoàn toàn, một phần thất thoát ra ngoài trong lúc thao tác, dụng cụ giữ lại một ít. Con số đo mức "đạt được so với lý thuyết" được gọi là **hiệu suất phản ứng** — một khái niệm quan trọng vì trong công nghiệp, hiệu suất càng cao thì càng tiết kiệm nguyên liệu và giảm chi phí sản xuất.

Lượng lý thuyết và lượng thực tế

Lượng lý thuyết là lượng sản phẩm tính được từ PTHH, giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn.
Lượng thực tế là lượng sản phẩm thật sự thu được khi làm thí nghiệm.

Vì có thất thoát và phản ứng chưa hết, lượng thực tế thường nhỏ hơn lượng lý thuyết. Hiệu suất cho biết ta đạt được bao nhiêu phần trăm so với lý thuyết:

$H = \dfrac{\text{lượng thực tế}}{\text{lượng lý thuyết}} \times 100\%$

Có thể tính theo khối lượng, theo số mol hoặc theo thể tích — miễn là cùng một chất và cùng đơn vị ở tử và mẫu. Vì lượng thực tế không thể lớn hơn lượng lý thuyết (định luật bảo toàn khối lượng không cho phép "sinh thêm" chất), hiệu suất luôn nằm trong khoảng $0\% < H \le 100\%$ .

- **Lượng lý thuyết** là lượng sản phẩm tính được từ PTHH, **giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn**. - **Lượng thực tế** là lượng sản phẩm **thật sự thu được** khi làm thí nghiệm. Vì có thất thoát và phản ứng chưa hết, lượng thực tế thường **nhỏ hơn** lượng lý thuyết. Hiệu suất cho biết ta đạt được bao nhiêu phần trăm so với lý thuyết: $$H = \dfrac{\text{lượng thực tế}}{\text{lượng lý thuyết}} \times 100\%$$ Có thể tính theo khối lượng, theo số mol hoặc theo thể tích — miễn là **cùng một chất** và **cùng đơn vị** ở tử và mẫu. Vì lượng thực tế không thể lớn hơn lượng lý thuyết (định luật bảo toàn khối lượng không cho phép "sinh thêm" chất), hiệu suất luôn nằm trong khoảng $0\% < H \le 100\%$.

Hiệu suất phản ứng (H)Tỉ lệ phần trăm giữa lượng sản phẩm thực tế thu được và lượng sản phẩm lý thuyết tính theo PTHH:

H = \dfrac{\text{thực tế}}{\text{lý thuyết}} \times 100\%

.Tỉ lệ phần trăm giữa lượng sản phẩm thực tế thu được và lượng sản phẩm lý thuyết tính theo PTHH: $H = \dfrac{\text{thực tế}}{\text{lý thuyết}} \times 100\%$.

Thực tế 49 g so với lý thuyết 56 g → hiệu suất = 49/56 × 100% = 87,5%.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Tính hiệu suất theo khối lượng

1
Nung 100 g $CaCO_3$ ( $M=100$ ), thực tế thu được 49 g $CaO$ ( $M=56$ ). Tính hiệu suất phản ứng.
Nung 100 g $CaCO_3$ ($M=100$), thực tế thu được 49 g $CaO$ ($M=56$). Tính hiệu suất phản ứng.
2
$n_{CaCO_3} = 100/100 = 1$ mol → $n_{CaO} = 1$ mol (tỉ lệ 1:1) → $m$ lý thuyết $= 1 \times 56 = 56$ g.
$n_{CaCO_3} = 100/100 = 1$ mol → $n_{CaO} = 1$ mol (tỉ lệ 1:1) → $m$ lý thuyết $= 1 \times 56 = 56$ g.
3
$H = \dfrac{49}{56} \times 100\% = 87,5\%$ .
$H = \dfrac{49}{56} \times 100\% = 87,5\%$.
4
Phản ứng đạt hiệu suất 87,5%, nghĩa là còn khoảng 12,5% đá vôi chưa kịp chuyển hết thành vôi sống hoặc bị thất thoát.

Điều thú vị là hiệu suất áp dụng như nhau cho mọi sản phẩm của cùng một phản ứng — vì tất cả sản phẩm đều sinh ra từ cùng một lượng chất phản ứng thực tế đã chuyển hóa. Ví dụ sau dùng chính hiệu suất tính được từ một sản phẩm để suy ra lượng thực tế của sản phẩm còn lại.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Dùng hiệu suất đã biết để suy ra sản phẩm còn lại

1
Nung 40 g $CaCO_3$ ( $M=100$ ), thực tế thu được 20,16 g $CaO$ ( $M=56$ ). Tính hiệu suất phản ứng và khối lượng khí $CO_2$ thực tế thoát ra ( $M_{CO_2}=44$ ).
Nung 40 g $CaCO_3$ ($M=100$), thực tế thu được 20,16 g $CaO$ ($M=56$). Tính hiệu suất phản ứng và khối lượng khí $CO_2$ thực tế thoát ra ($M_{CO_2}=44$).
2
$n_{CaCO_3} = 40/100 = 0,4$ mol → $n_{CaO}$ lý thuyết $= 0,4$ mol → $m$ lý thuyết $= 0,4 \times 56 = 22,4$ g.
$n_{CaCO_3} = 40/100 = 0,4$ mol → $n_{CaO}$ lý thuyết $= 0,4$ mol → $m$ lý thuyết $= 0,4 \times 56 = 22,4$ g.
3
$H = \dfrac{20,16}{22,4} \times 100\% = 90\%$ .
$H = \dfrac{20,16}{22,4} \times 100\% = 90\%$.
4
$n_{CO_2}$ lý thuyết $= 0,4$ mol (tỉ lệ 1:1 với $CaCO_3$ ) → $m$ lý thuyết $= 0,4 \times 44 = 17,6$ g.
$n_{CO_2}$ lý thuyết $= 0,4$ mol (tỉ lệ 1:1 với $CaCO_3$) → $m$ lý thuyết $= 0,4 \times 44 = 17,6$ g.
5
$m_{CO_2}$ thực tế $= 17,6 \times 90\% = 17,6 \times 0,9 = 15,84$ g.
$m_{CO_2}$ thực tế $= 17,6 \times 90\% = 17,6 \times 0,9 = 15,84$ g.
6
Hiệu suất phản ứng là 90%, và khí $CO_2$ thực tế thoát ra là 15,84 g — dù đề không cho trực tiếp số liệu này.
Hiệu suất phản ứng là 90%, và khí $CO_2$ thực tế thoát ra là 15,84 g — dù đề không cho trực tiếp số liệu này.

Có một dạng hỏi ngược lại: đề cho biết hiệu suất và lượng sản phẩm thực tế mong muốn, rồi hỏi cần bao nhiêu nguyên liệu ban đầu. Đây là bài toán các xưởng sản xuất thực sự phải giải trước khi nhập nguyên liệu, vì họ luôn biết trước hiệu suất trung bình của dây chuyền.

Ví dụ

Ví dụ 3 — Biết hiệu suất và lượng cần thu, tìm lượng nguyên liệu ban đầu

1
Một xưởng cần thu 44,8 g $CaO$ thực tế, biết hiệu suất phản ứng nung đá vôi đạt 80%. Tính khối lượng $CaCO_3$ cần dùng. ( $M_{CaCO_3}=100$ , $M_{CaO}=56$ )
Một xưởng cần thu 44,8 g $CaO$ **thực tế**, biết hiệu suất phản ứng nung đá vôi đạt 80%. Tính khối lượng $CaCO_3$ cần dùng. ($M_{CaCO_3}=100$, $M_{CaO}=56$)
2
Vì $H = \dfrac{\text{thực tế}}{\text{lý thuyết}}$ , ta có lượng lý thuyết $= \dfrac{\text{thực tế}}{H} = \dfrac{44,8}{0,8} = 56$ g $CaO$ .
Vì $H = \dfrac{\text{thực tế}}{\text{lý thuyết}}$, ta có lượng lý thuyết $= \dfrac{\text{thực tế}}{H} = \dfrac{44,8}{0,8} = 56$ g $CaO$.
3
$n_{CaO}$ lý thuyết $= \dfrac{56}{56} = 1$ mol.
$n_{CaO}$ lý thuyết $= \dfrac{56}{56} = 1$ mol.
4
$CaCO_3 : CaO = 1 : 1 \Rightarrow n_{CaCO_3} = 1$ mol.
$CaCO_3 : CaO = 1 : 1 \Rightarrow n_{CaCO_3} = 1$ mol.
5
$m_{CaCO_3} = 1 \times 100 = 100$ g.
$m_{CaCO_3} = 1 \times 100 = 100$ g.
6
Xưởng cần dùng 100 g $CaCO_3$ để, với hiệu suất 80%, thu được đúng 44,8 g $CaO$ thực tế — nhiều hơn hẳn con số tính "ngây thơ" nếu quên chia cho hiệu suất.
Xưởng cần dùng 100 g $CaCO_3$ để, với hiệu suất 80%, thu được đúng 44,8 g $CaO$ thực tế — nhiều hơn hẳn con số tính "ngây thơ" nếu quên chia cho hiệu suất.

Ba ví dụ trên cho thấy hiệu suất có thể xuất hiện theo ba chiều khác nhau: tính hiệu suất khi biết cả lượng lý thuyết và lượng thực tế; dùng hiệu suất đã biết để suy ra lượng thực tế của một sản phẩm khác; hoặc dùng hiệu suất để suy ngược ra lượng nguyên liệu ban đầu cần chuẩn bị. Cả ba đều dùng chung một công thức, chỉ khác đại lượng nào là ẩn số.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Lỗi thường gặp

Đừng đảo tử/mẫu: hiệu suất là thực tế chia lý thuyết, nên luôn $\le 100\%$ . Nếu tính ra lớn hơn 100% thì chắc chắn đã lật ngược phân số hoặc nhầm lượng lý thuyết — không có phản ứng nào tạo ra nhiều sản phẩm hơn mức lý thuyết cho phép.

Đừng đảo tử/mẫu: hiệu suất là **thực tế chia lý thuyết**, nên luôn $\le 100\%$. Nếu tính ra lớn hơn 100% thì chắc chắn đã lật ngược phân số hoặc nhầm lượng lý thuyết — không có phản ứng nào tạo ra nhiều sản phẩm hơn mức lý thuyết cho phép.

Ghi nhớ

Tóm tắt: $H = \dfrac{\text{thực tế}}{\text{lý thuyết}} \times 100\%$ . Biết $H$ , lượng thực tế $=$ lượng lý thuyết $\times H$ . Hiệu suất áp dụng như nhau cho mọi sản phẩm của cùng một phản ứng, và luôn từ 0% đến 100%.

**Tóm tắt:** $H = \dfrac{\text{thực tế}}{\text{lý thuyết}} \times 100\%$. Biết $H$, lượng thực tế $=$ lượng lý thuyết $\times H$. Hiệu suất áp dụng như nhau cho mọi sản phẩm của cùng một phản ứng, và luôn từ 0% đến 100%.

Bắc cầu sang bài sau: Em đã có đủ công cụ tính toán. Bài tiếp theo điểm lại các lỗi hay gặp khi tính theo PTHH và luyện kỹ năng phát hiện, sửa lỗi trong bài giải.