Thí nghiệm hoá học 11
Chọn một mô phỏng để xem hiện tượng diễn ra — kéo, thả, đổi điều kiện và quan sát kết quả thay đổi.
Cân bằng hóa học N₂O₄ ⇌ 2NO₂
Thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất và quan sát chiều chuyển dịch cân bằng (nguyên lí Le Chatelier), kèm màu N₂O₄ không màu ⇌ NO₂ nâu đỏ.
Ảnh hưởng của nhiệt độ — N₂O₄ ⇌ 2NO₂ (thí nghiệm cổ điển)
Kéo ống nghiệm khí NO₂/N₂O₄ giữa cốc nước đá, nhiệt độ phòng và nước nóng để quan sát màu nhạt ⇌ nâu đậm: đun nóng làm cân bằng dịch theo chiều thuận (thu nhiệt) tạo thêm NO₂, làm lạnh dịch theo chiều nghịch tạo thêm N₂O₄ (nguyên lí Le Chatelier).
Cân bằng tổng hợp ammonia — N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (Haber–Bosch)
Thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất và quan sát chiều chuyển dịch cân bằng của phản ứng tổng hợp ammonia (toả nhiệt, 4 mol khí → 2 mol khí): tăng áp suất và hạ nhiệt độ đều làm cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo thêm NH₃ (nguyên lí Le Chatelier).
Sự điện li của nước — H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻
Các phân tử H₂O chuyển động trong nước, một số ít điện li thành H⁺ và OH⁻ rồi tái hợp. Thêm acid/base hoặc đun nóng để quan sát cân bằng điện li chuyển dịch (hiệu ứng ion chung).
Thang pH và chất chỉ thị màu
Thêm từng giọt acid/base mạnh vào cốc và quan sát pH thay đổi, chất chỉ thị (quỳ tím, phenolphthalein, methyl da cam) đổi màu đúng khoảng chuyển màu thật, cùng tỉ lệ ion H⁺/OH⁻ trong dung dịch.
Thủy phân muối — vì sao dung dịch muối không luôn trung tính?
Chạm vào cốc muối (Na₂CO₃, NH₄Cl, AlCl₃, NaCl) để hòa tan, nhúng giấy quỳ vạn năng và đọc pH: muối của acid/base yếu bị thủy phân làm dung dịch nghiêng về acid hoặc base, còn muối của acid–base mạnh thì trung tính.
Chuẩn độ acid–base
Nhỏ từng giọt NaOH từ burette xuống bình chứa HCl + phenolphthalein: dung dịch không màu chuyển hồng nhạt bền tại điểm tương đương — xác định nồng độ NaOH từ V·C = V·C, nhỏ quá tay sẽ thấy màu hồng đậm dần vì base dư.
N₂ trơ hay hoạt động? — Tổng hợp NH₃ (Haber–Bosch)
Vì sao N₂ kém hoạt động ở nhiệt độ thường? Bật xúc tác Fe, tăng nhiệt độ và áp suất để quan sát N₂ + 3H₂ chuyển thành NH₃ — và thấy vì sao quá nóng lại làm NH₃ phân hủy ngược lại.
Mô hình phân tử 3D — Nitrogen N₂
Xoay mô hình liên kết ba N≡N: ba cặp electron dùng chung tạo liên kết cực bền, giải thích vì sao nitơ trơ ở điều kiện thường.
Đài phun ammonia — NH₃ tan trong nước
Bấm nút bắt đầu: khí NH₃ trong bình tan cực nhanh làm áp suất giảm mạnh, nước bị hút ngược lên tạo đài phun và chuyển hồng (phenolphthalein) do dung dịch tạo thành có tính base.
Phản ứng khói trắng — nhận biết NH₃ bằng HCl đặc
Kéo đũa tẩm HCl đặc lại gần đũa tẩm dd NH₃ đặc: khí NH₃ và khí HCl gặp nhau giữa không khí, phản ứng ngay ở thể khí tạo vô số hạt NH₄Cl rắn siêu mịn — khói trắng. Đổi sang đũa tẩm nước để thấy không có NH₃ thì không có khói.
Mô hình phân tử 3D — NH₃ & NH₄⁺
So sánh hình học: NH₃ chóp tam giác (còn cặp electron tự do) nhận thêm H⁺ thành NH₄⁺ tứ diện đều — trực quan hoá vì sao ammonia có tính base.
NO tác dụng với O₂ — khí không màu hoá nâu đỏ
Khí NO không màu trộn với O₂ trong bình, mở van khí hoặc bơm thêm NO để quan sát phản ứng 2NO + O₂ → 2NO₂ diễn ra và màu khí chuyển dần sang nâu đỏ đặc trưng của NO₂.
Cu tác dụng HNO₃ loãng và đặc — NO không màu vs NO₂ nâu đỏ
Thả đồng vào HNO₃ loãng và đặc để so sánh khí thoát ra: acid loãng cho NO không màu (chỉ hoá nâu khi gặp không khí ở miệng ống), acid đặc cho NO₂ nâu đỏ ngay lập tức — cả hai đều tạo dung dịch Cu²⁺ xanh lam.
Chu trình mưa acid — SO₂/NOₓ và độ pH
Kéo cường độ phát thải từ ống khói: SO₂/NOₓ bị oxi hoá thành H₂SO₄/HNO₃ rồi rơi xuống làm pH vũng nước mưa giảm dần — dưới 5,6 là mưa acid, dưới 4,5 bắt đầu gây hại rõ rệt cho cây cối và công trình đá/kim loại.
SO₂ — Tính khử và tính oxi hoá
Sục khí SO₂ vào nước bromine (SO₂ là chất khử, mất màu nâu đỏ) hoặc dung dịch H₂S (SO₂ là chất oxi hoá, kết tủa lưu huỳnh vàng đục) — đổi giữa hai chế độ để so sánh vai trò oxi hoá-khử kép của SO₂.
Mô hình phân tử 3D — S₈ & SO₂
Vòng lưu huỳnh S₈ gấp khúc dạng vương miện và phân tử SO₂ gấp khúc (góc O=S=O ≈119°) — hai kiểu hình học đặc trưng của lưu huỳnh.
Sắt tác dụng với lưu huỳnh
Trộn bột sắt với bột lưu huỳnh rồi đốt nóng đáy ống nghiệm — phản ứng toả nhiệt tự lan truyền dù đã bỏ đèn ra, tạo hợp chất mới FeS xám đen. Thử nam châm trước/sau để chứng minh đã có chất mới.
H₂SO₄ đặc than hóa đường
Đổ H₂SO₄ đặc vào đường và quan sát phản ứng hút nước toả nhiệt mạnh: đường hoá đen, khí CO₂/SO₂ sinh ra đẩy trụ than xốp trào lên — an toàn để trình chiếu thay cho thí nghiệm thật nguy hiểm.
Khử nước sucrose — góc nhìn phân tử
Nhìn ở cấp độ phân tử: H₂SO₄ đặc rút toàn bộ H và O khỏi khung sucrose (vòng glucose + fructose) thành đúng 11 phân tử H₂O, để lại 12 nguyên tử carbon; sau đó một phần carbon phản ứng với acid nóng sinh khí CO₂/SO₂.
Nhận biết ion SO₄²⁻ bằng ion Ba²⁺
Nhỏ vài giọt BaCl₂ vào dung dịch Na₂SO₄: kết tủa trắng BaSO₄ xuất hiện ngay lập tức và không tan kể cả khi thêm acid — phép thử đặc trưng, dứt khoát cho ion sulfate.
Định tính nguyên tố C, H trong hợp chất hữu cơ
Chọn mẫu chất rồi đốt cháy: khí sinh ra đi qua CuSO₄ khan (chuyển xanh nếu có hơi nước → có H) và nước vôi trong (hoá đục nếu có CO₂ → có C). Mẫu đối chứng vô cơ không làm đổi màu ống nào.
Mô hình phân tử 3D — Lai hóa sp/sp²/sp³
Xoay ba mô hình ball-and-stick dựng từ quy tắc lai hóa: CH₄ tứ diện (sp³), C₂H₄ phẳng nối đôi (sp²) và C₂H₂ thẳng nối ba (sp) — so sánh trực tiếp ba kiểu hình học phân tử.
Đồng phân mạch carbon — Butane & Isobutane (C₄H₁₀)
Cùng công thức phân tử C₄H₁₀ nhưng khác cách sắp xếp mạch carbon: n-butane mạch thẳng và isobutane (2-methylpropane) mạch nhánh — xoay, so sánh hai mô hình để thấy rõ khái niệm đồng phân cấu tạo.
Mất màu nước brom — Alkene & Alkyne
Nhỏ từng giọt nước brom vào alkene hoặc alkyne: liên kết đôi/ba tham gia phản ứng cộng ngay ở nhiệt độ thường, màu nâu đỏ nhạt dần rồi mất hẳn — dấu hiệu nhận biết hydrocarbon không no.
Mô hình phân tử 3D — Mạch alkane
Xoay mạch carbon zig-zag của propane và pentane: quan sát dãy đồng đẳng và hình học sp³ (~109,5°) đặc trưng của alkane.
Phản ứng thế halogen — Hexane + nước bromine
Hai lớp hexane/nước brom không phản ứng dù lắc mạnh ở nhiệt độ thường; chỉ khi đun nóng (~50°C) hoặc chiếu sáng thì màu vàng của brom mới nhạt dần — khác hẳn alkene mất màu tức thời (Bài 16), alkane cần được "kích hoạt".
Mô hình phân tử 3D — Đồng phân cis–trans
But-2-ene: nối đôi C=C khoá sự quay tạo hai đồng phân hình học — cis (hai nhóm –CH₃ cùng phía) và trans (khác phía nối đôi).
Mô hình phân tử 3D — Benzene
Xoay vòng benzene C₆H₆ phẳng sáu cạnh đều với hệ electron π liên hợp — nền tảng cho tính chất đặc trưng của hydrocarbon thơm.
Thế vs cộng — Benzene KHÔNG mất màu nước brom
Nhỏ nước brom vào benzene ở nhiệt độ thường (không xúc tác Fe): vòng thơm bền vững không tham gia phản ứng cộng, màu nâu đỏ giữ nguyên — phép thử phân biệt arene với alkene/alkyne (Bài 16).
Thủy phân dẫn xuất halogen — nhận biết bằng AgNO₃
Đun R–X với NaOH, trung hoà base dư rồi nhỏ AgNO₃: R–X + OH⁻ → R–OH + X⁻, ion X⁻ tạo kết tủa AgX — so sánh màu kết tủa AgCl trắng, AgBr vàng nhạt, AgI vàng đậm theo từng halogen.
Mô hình phân tử 3D — Ethanol & Glycerol
So sánh vị trí và số nhóm –OH: ethanol một nhóm hydroxyl và glycerol ba nhóm hydroxyl liền kề (poly-alcohol).
Oxi hoá ethanol bằng CuO
Dây đồng nung đỏ hoá đen (2Cu + O₂ → 2CuO), nhúng vào ethanol: CuO oxi hoá ethanol thành acetaldehyde và bị khử trở lại thành Cu đỏ sáng — lặp lại chu trình đen–đỏ minh hoạ CuO là chất oxi hoá tái sinh được.
Phản ứng đặc trưng của Phenol — nước brom & FeCl₃
Nhỏ nước brom vào phenol: kết tủa trắng 2,4,6-tribromophenol xuất hiện ngay ở nhiệt độ thường (vòng benzene bị –OH hoạt hoá mạnh). Đổi sang FeCl₃: dung dịch chuyển tím đặc trưng — phép thử nhận biết nhóm –OH phenol.
Mô hình phân tử 3D — Nhóm carbonyl
Formaldehyde và acetone: nhóm carbonyl C=O phẳng (carbon sp², góc ~120°) — trung tâm phản ứng của aldehyde và ketone.
Phản ứng tráng bạc — thuốc thử Tollens
Đun nhẹ aldehyde với thuốc thử Tollens ([Ag(NH₃)₂]OH) trong nồi cách thủy: aldehyde khử Ag⁺ thành bạc kim loại tráng gương lên thành ống, còn ketone không phản ứng — dùng để phân biệt aldehyde với ketone.
Oxi hoá aldehyde bằng Cu(OH)₂
CuSO₄ + NaOH tạo kết tủa Cu(OH)₂ xanh lam; thêm CH₃CHO rồi đun nóng, kết tủa chuyển dần sang đỏ gạch Cu₂O — ketone thử tương tự thì không đổi màu, phép thử thứ hai phân biệt aldehyde với ketone.
Mô hình phân tử 3D — Nhóm –COOH
Acetic acid CH₃COOH: nhóm carboxyl gồm carbonyl C=O kề nhóm hydroxyl –OH — cơ sở giải thích tính acid của carboxylic acid.
Phản ứng ester hóa — điều chế ethyl acetate
CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O, xúc tác H₂SO₄ đặc: đổi nồng độ chất đầu/sản phẩm để quan sát cân bằng thuận nghịch dịch chuyển — thay đổi áp suất không có tác dụng vì cả hai vế đều là chất lỏng.
Chưng cất tách rượu khỏi hỗn hợp rượu – nước
Đun nóng hỗn hợp rượu – nước và quan sát rượu (sôi thấp hơn) bay hơi trước, ngưng tụ qua ống sinh hàn rồi nhỏ xuống bình hứng; đun quá nóng sẽ kéo theo cả nước, làm giảm độ tinh khiết.
Chiết — tách β-carotene từ nước ép cà rốt
Lắc nước ép cà rốt với hexane trong phễu chiết: hai lớp không trộn lẫn tách ra, lớp hexane (nhẹ hơn, nổi trên) nhuộm màu cam vì hoà tan β-carotene — mở khoá cho lớp nước phía dưới chảy ra, giữ lại dịch chiết màu cam.
Kết tinh — tinh chế đường đỏ thành đường trắng
Hoà tan đường đỏ vào nước nóng, thêm than hoạt tính khử màu rồi lọc lấy dung dịch trong suốt; cô bớt nước và để nguội, đường trắng kết tinh dạng tinh thể rắn ở đáy cốc.
Sắc kí cột — tách hỗn hợp màu theo pha tĩnh/pha động
Hỗn hợp màu trên đầu cột silica gel tách thành các vạch màu riêng biệt khi dung môi (pha động) chảy liên tục qua cột (pha tĩnh) — mỗi vạch di chuyển với tốc độ khác nhau và thu được ở từng phân đoạn.