Bài học

Vận dụng tổng hợp Kc và chuyển dịch cân bằng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải được một bài toán tổng hợp kết hợp tính $K_C$ , hiệu suất phản ứng và dự đoán chiều chuyển dịch cân bằng trong cùng một tình huống — đúng dạng bài mà một đề kiểm tra học kì thường ra, thay vì mỗi kĩ năng chỉ xuất hiện riêng lẻ như ở các bài trước.

Sau bài này, em giải được một bài toán tổng hợp kết hợp tính $K_C$, hiệu suất phản ứng và dự đoán chiều chuyển dịch cân bằng trong cùng một tình huống — đúng dạng bài mà một đề kiểm tra học kì thường ra, thay vì mỗi kĩ năng chỉ xuất hiện riêng lẻ như ở các bài trước.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này không giới thiệu kiến thức mới, mà kết nối lại toàn bộ bốn chương: phản ứng thuận nghịch và cân bằng động (Chương 1), hằng số cân bằng $K_C$ và hiệu suất (Chương 2), nguyên lí Le Chatelier và ảnh hưởng nồng độ (Chương 3), ảnh hưởng áp suất, nhiệt độ và xúc tác (Chương 4). Một đề thi thực tế hiếm khi hỏi riêng lẻ từng ý — nó thường ghép nhiều yêu cầu vào cùng một câu hỏi lớn.

Khởi động

Một câu hỏi thi học kì thường có dạng: cho một phản ứng thuận nghịch, một bảng số liệu, rồi hỏi liên tiếp nhiều ý — tính $K_C$ , tính hiệu suất, rồi dự đoán chuyển dịch khi thay đổi điều kiện. Nếu chỉ luyện từng kĩ năng riêng lẻ, em có tự tin nối được các ý đó thành một bài giải hoàn chỉnh không?

Một câu hỏi thi học kì thường có dạng: cho một phản ứng thuận nghịch, một bảng số liệu, rồi hỏi liên tiếp nhiều ý — tính $K_C$, tính hiệu suất, rồi dự đoán chuyển dịch khi thay đổi điều kiện. Nếu chỉ luyện từng kĩ năng riêng lẻ, em có tự tin nối được các ý đó thành một bài giải hoàn chỉnh không?

Kiến thức trọng tâm

Một mẹo quan trọng khi đọc đề tổng hợp: luôn xác định rõ đề đang hỏi về điều gì — tính toán một giá trị cụ thể (cần dùng $K_C$ và bảng biến thiên) hay chỉ dự đoán một chiều chuyển dịch (chỉ cần nguyên lí Le Chatelier, không cần giải phương trình). Nhầm lẫn hai loại yêu cầu này — ví dụ cố giải phương trình cho một câu chỉ hỏi chiều chuyển dịch — là nguyên nhân phổ biến khiến bài làm dài dòng và dễ sai sót không cần thiết trong phòng thi.

Với một bài toán tổng hợp về cân bằng hoá học, cách tiếp cận hiệu quả là đi theo đúng trình tự các chương đã học: trước tiên xác nhận phản ứng là thuận nghịch và xác định các chất có mặt trong hệ (Chương 1); tiếp theo viết biểu thức $K_C$ và lập bảng biến thiên nồng độ để tính toán (Chương 2); sau đó, nếu đề bài hỏi về một thay đổi điều kiện (thêm chất, đổi áp suất, đổi nhiệt độ), áp dụng đúng ba bước của nguyên lí Le Chatelier để xác định chiều chuyển dịch (Chương 3 và 4). Một mẹo quan trọng khi đọc đề tổng hợp: **luôn xác định rõ đề đang hỏi về điều gì** — tính toán một giá trị cụ thể (cần dùng $K_C$ và bảng biến thiên) hay chỉ dự đoán một chiều chuyển dịch (chỉ cần nguyên lí Le Chatelier, không cần giải phương trình). Nhầm lẫn hai loại yêu cầu này — ví dụ cố giải phương trình cho một câu chỉ hỏi chiều chuyển dịch — là nguyên nhân phổ biến khiến bài làm dài dòng và dễ sai sót không cần thiết trong phòng thi.

Nồng độ

N_2

H_2

trước và sau khi phản ứng

N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3

đạt cân bằngNồng độ $N_2$, $H_2$ trước và sau khi phản ứng $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ đạt cân bằng

Ví dụ

Bài toán tổng hợp: tính Kc, hiệu suất và dự đoán chuyển dịch cân bằng

1
Trong bình kín thể tích 1 lít, ở nhiệt độ $T$ , cho $1$ mol $N_2$ và $3$ mol $H_2$ phản ứng theo $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ . Khi đạt cân bằng, nồng độ $N_2$ còn lại là $0{,}6$ mol/L. (a) Tính $K_C$ . (b) Tính hiệu suất chuyển hoá $N_2$ . (c) Nếu sau đó nén bình để giảm thể tích xuống còn một nửa (giữ nguyên nhiệt độ), cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nào?
Trong bình kín thể tích 1 lít, ở nhiệt độ $T$, cho $1$ mol $N_2$ và $3$ mol $H_2$ phản ứng theo $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$. Khi đạt cân bằng, nồng độ $N_2$ còn lại là $0{,}6$ mol/L. (a) Tính $K_C$. (b) Tính hiệu suất chuyển hoá $N_2$. (c) Nếu sau đó nén bình để giảm thể tích xuống còn một nửa (giữ nguyên nhiệt độ), cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nào?
2
Nồng độ ban đầu: $[N_2] = 1$ ; $[H_2] = 3$ mol/L. Vì $[N_2]$ giảm còn $0{,}6$ mol/L, độ biến thiên $x = 1 - 0{,}6 = 0{,}4$ mol/L. Theo tỉ lệ hệ số $1:3:2$ : $[H_2]$ giảm $3x = 1{,}2$ mol/L, $[NH_3]$ tăng $2x = 0{,}8$ mol/L. Tại cân bằng: $[N_2] = 0{,}6$ ; $[H_2] = 3 - 1{,}2 = 1{,}8$ ; $[NH_3] = 0{,}8$ mol/L.
Nồng độ ban đầu: $[N_2] = 1$; $[H_2] = 3$ mol/L. Vì $[N_2]$ giảm còn $0{,}6$ mol/L, độ biến thiên $x = 1 - 0{,}6 = 0{,}4$ mol/L. Theo tỉ lệ hệ số $1:3:2$: $[H_2]$ giảm $3x = 1{,}2$ mol/L, $[NH_3]$ tăng $2x = 0{,}8$ mol/L. Tại cân bằng: $[N_2] = 0{,}6$; $[H_2] = 3 - 1{,}2 = 1{,}8$; $[NH_3] = 0{,}8$ mol/L.
3
$K_C = \dfrac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3} = \dfrac{0{,}8^2}{0{,}6 \times 1{,}8^3} = \dfrac{0{,}64}{0{,}6 \times 5{,}832} = \dfrac{0{,}64}{3{,}4992} \approx 0{,}183$ Vậy $K_C \approx 0{,}18$ tại nhiệt độ $T$ .
$$K_C = \dfrac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3} = \dfrac{0{,}8^2}{0{,}6 \times 1{,}8^3} = \dfrac{0{,}64}{0{,}6 \times 5{,}832} = \dfrac{0{,}64}{3{,}4992} \approx 0{,}183$$ Vậy $K_C \approx 0{,}18$ tại nhiệt độ $T$.
4
$H\% = \dfrac{x}{[N_2]_{bd}} \times 100\% = \dfrac{0{,}4}{1} \times 100\% = 40\%$ Vậy $40\%$ lượng $N_2$ ban đầu đã chuyển hoá thành $NH_3$ .
$$H\% = \dfrac{x}{[N_2]_{bd}} \times 100\% = \dfrac{0{,}4}{1} \times 100\% = 40\%$$ Vậy $40\%$ lượng $N_2$ ban đầu đã chuyển hoá thành $NH_3$.
5
Giảm thể tích bình làm tăng áp suất chung. Xét $\Delta n = 2 - (1+3) = -2 < 0$ : chiều thuận là chiều giảm số mol khí. Theo nguyên lí Le Chatelier, tăng áp suất làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận — sinh thêm $NH_3$ , hiệu suất chuyển hoá $N_2$ sẽ tăng lên so với trước khi nén.
Giảm thể tích bình làm tăng áp suất chung. Xét $\Delta n = 2 - (1+3) = -2 < 0$: chiều thuận là chiều giảm số mol khí. Theo nguyên lí Le Chatelier, tăng áp suất làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận — sinh thêm $NH_3$, hiệu suất chuyển hoá $N_2$ sẽ tăng lên so với trước khi nén.

Ví dụ

Bài toán tổng hợp thứ hai: đề tổng hợp với thay đổi nồng độ và nhiệt độ

1
Cho cân bằng $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ , $\Delta H < 0$ . Ở một nhiệt độ xác định, hệ đang ở trạng thái cân bằng. Xét lần lượt hai thay đổi độc lập với nhau: (a) bơm thêm khí $SO_2$ vào bình (thể tích, nhiệt độ không đổi); (b) tăng nhiệt độ của hệ (thể tích, các nồng độ ban đầu không đổi). Với mỗi thay đổi, cho biết cân bằng chuyển dịch theo chiều nào, và hiệu suất chuyển hoá $SO_2$ ban đầu (tính trên toàn bộ $SO_2$ có mặt lúc đó) thay đổi ra sao.
Cho cân bằng $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$, $\Delta H < 0$. Ở một nhiệt độ xác định, hệ đang ở trạng thái cân bằng. Xét lần lượt hai thay đổi độc lập với nhau: (a) bơm thêm khí $SO_2$ vào bình (thể tích, nhiệt độ không đổi); (b) tăng nhiệt độ của hệ (thể tích, các nồng độ ban đầu không đổi). Với mỗi thay đổi, cho biết cân bằng chuyển dịch theo chiều nào, và hiệu suất chuyển hoá $SO_2$ ban đầu (tính trên toàn bộ $SO_2$ có mặt lúc đó) thay đổi ra sao.
2
Bơm thêm $SO_2$ (chất phản ứng) làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều tiêu thụ bớt $SO_2$ vừa thêm). Vì có thêm chất phản ứng, phản ứng thuận có thêm nguyên liệu để tiến triển hơn.
Bơm thêm $SO_2$ (chất phản ứng) làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều tiêu thụ bớt $SO_2$ vừa thêm). Vì có thêm chất phản ứng, phản ứng thuận có thêm nguyên liệu để tiến triển hơn.
3
Vì $\Delta H < 0$ (chiều thuận toả nhiệt), tăng nhiệt độ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều thu nhiệt) — hiệu suất chuyển hoá $SO_2$ giảm so với ở nhiệt độ ban đầu.
Vì $\Delta H < 0$ (chiều thuận toả nhiệt), tăng nhiệt độ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều thu nhiệt) — hiệu suất chuyển hoá $SO_2$ giảm so với ở nhiệt độ ban đầu.
4
Vậy hai thay đổi cho hai kết quả trái ngược nhau về hiệu suất: thêm $SO_2$ (một chất phản ứng) và tăng nhiệt độ đều tác động lên cùng cân bằng nhưng theo hai cơ chế khác nhau — một cái đẩy cân bằng theo chiều thuận (nồng độ), một cái đẩy theo chiều nghịch (nhiệt độ, vì phản ứng toả nhiệt). Đây là lí do vì sao trong công nghiệp thực tế, các nhà thiết kế quy trình phải cân nhắc đồng thời nhiều yếu tố, không chỉ tối ưu riêng từng yếu tố một cách độc lập.
Vậy hai thay đổi cho hai kết quả trái ngược nhau về hiệu suất: thêm $SO_2$ (một chất phản ứng) và tăng nhiệt độ đều tác động lên cùng cân bằng nhưng theo hai cơ chế khác nhau — một cái đẩy cân bằng theo chiều thuận (nồng độ), một cái đẩy theo chiều nghịch (nhiệt độ, vì phản ứng toả nhiệt). Đây là lí do vì sao trong công nghiệp thực tế, các nhà thiết kế quy trình phải cân nhắc đồng thời nhiều yếu tố, không chỉ tối ưu riêng từng yếu tố một cách độc lập.

Sai lầm thường gặp

Trong bài toán tổng hợp, sai lầm phổ biến nhất là quên đổi đơn vị (số mol sang nồng độ mol/lít) trước khi lập bảng biến thiên, hoặc nhầm lẫn giữa nồng độ ban đầu và nồng độ tại cân bằng khi tính hiệu suất — hiệu suất luôn tính trên nồng độ ban đầu, còn giá trị $K_C$ luôn dùng nồng độ tại cân bằng.

Trong bài toán tổng hợp, sai lầm phổ biến nhất là quên đổi đơn vị (số mol sang nồng độ mol/lít) trước khi lập bảng biến thiên, hoặc nhầm lẫn giữa nồng độ *ban đầu* và nồng độ *tại cân bằng* khi tính hiệu suất — hiệu suất luôn tính trên nồng độ **ban đầu**, còn giá trị $K_C$ luôn dùng nồng độ **tại cân bằng**.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Giải bài toán tổng hợp về cân bằng theo trình tự: xác nhận phản ứng thuận nghịch → viết biểu thức $K_C$ , lập bảng biến thiên để tính toán → áp dụng nguyên lí Le Chatelier nếu đề hỏi về thay đổi điều kiện. Luôn phân biệt nồng độ ban đầu (dùng tính hiệu suất) với nồng độ tại cân bằng (dùng tính $K_C$ ).

Giải bài toán tổng hợp về cân bằng theo trình tự: xác nhận phản ứng thuận nghịch → viết biểu thức $K_C$, lập bảng biến thiên để tính toán → áp dụng nguyên lí Le Chatelier nếu đề hỏi về thay đổi điều kiện. Luôn phân biệt nồng độ ban đầu (dùng tính hiệu suất) với nồng độ tại cân bằng (dùng tính $K_C$).

Bài cuối cùng của khoá học tổng kết toàn bộ nội dung trong một đề ôn tập mang tính tổng hợp cao hơn nữa, mô phỏng đúng cấu trúc một đề kiểm tra cuối chương thực tế.