Bài học

Nhận diện nấc suy luận trong bài cân bằng hoá học

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được bài chuẩn và bài HSG trên cùng chủ đề cân bằng hoá học, đồng thời gọi tên nấc suy luận thêm.

Kiến thức cần có

Cần biểu thức hằng số cân bằng $K_c=\dfrac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$ cho phản ứng $aA+bB\rightleftharpoons cC+dD$ , và cách đọc bảng nồng độ ban đầu – biến đổi – cân bằng.

Cần biểu thức hằng số cân bằng $K_c=\dfrac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$ cho phản ứng $aA+bB\rightleftharpoons cC+dD$, và cách đọc bảng nồng độ ban đầu – biến đổi – cân bằng.

Mở rộng dành cho HSG. YCCĐ Hóa học 11 yêu cầu học sinh viết biểu thức Kc/Kp và tính giá trị khi đã có sẵn nồng độ cân bằng, mô tả chuyển dịch cân bằng theo nguyên lý Le Chatelier ở mức định tính, viết phương trình phản ứng của nitrogen và sulfur với một sản phẩm khử duy nhất, gọi tên và viết phương trình cộng/thế của hydrocarbon theo quy tắc Markovnikov, và nhận biết một vài chất quen thuộc bằng một thuốc thử đơn lẻ. Khóa readiness này không đưa thêm khái niệm mới. Phần mở rộng nằm ở việc giải ngược nồng độ cân bằng bằng ICE table khi đề chỉ cho nồng độ đầu và Kc, giải thích sản phẩm chính bằng độ bền carbocation kể cả khi có chuyển vị hydride, cân bằng electron khi phản ứng sinh hai sản phẩm khử đồng thời, và thiết kế một chuỗi nhận biết dùng ít thuốc thử nhất. Tiền đề là Foundation Course 1 (Cân bằng hóa học), Course 3 (Nitrogen và hợp chất của nitrogen), Course 6 (Hydrocarbon) và phần oxi hoá – khử của Hóa học lớp 10.

**Mở rộng dành cho HSG.** YCCĐ Hóa học 11 yêu cầu học sinh viết biểu thức Kc/Kp và tính giá trị khi đã có sẵn nồng độ cân bằng, mô tả chuyển dịch cân bằng theo nguyên lý Le Chatelier ở mức định tính, viết phương trình phản ứng của nitrogen và sulfur với một sản phẩm khử duy nhất, gọi tên và viết phương trình cộng/thế của hydrocarbon theo quy tắc Markovnikov, và nhận biết một vài chất quen thuộc bằng một thuốc thử đơn lẻ. Khóa readiness này không đưa thêm khái niệm mới. Phần mở rộng nằm ở việc giải ngược nồng độ cân bằng bằng ICE table khi đề chỉ cho nồng độ đầu và Kc, giải thích sản phẩm chính bằng độ bền carbocation kể cả khi có chuyển vị hydride, cân bằng electron khi phản ứng sinh hai sản phẩm khử đồng thời, và thiết kế một chuỗi nhận biết dùng ít thuốc thử nhất. Tiền đề là Foundation Course 1 (Cân bằng hóa học), Course 3 (Nitrogen và hợp chất của nitrogen), Course 6 (Hydrocarbon) và phần oxi hoá – khử của Hóa học lớp 10.

Câu hỏi mở đầu

Hai đề cùng hỏi nồng độ lúc cân bằng của một phản ứng thuận nghịch; vì sao đề sau không thể tính ngay dù đã cho sẵn hằng số Kc?

Từ bài chuẩn tới quyết định HSG

Bài chuẩn thường cho đủ dữ kiện trực tiếp: nồng độ lúc cân bằng đã tách sẵn, một sản phẩm khử duy nhất, hoặc quy tắc Markovnikov áp dụng thẳng không cần lí giải thêm. Bài HSG cùng chủ đề có thể chỉ cho nồng độ đầu cùng Kc rồi giấu nồng độ cân bằng, để phản ứng sinh đồng thời hai sản phẩm khử, hoặc bắt học sinh giải thích sản phẩm chính bằng độ bền carbocation thay vì chỉ nêu quy tắc. Không phải cứ đề dài là khó. Dấu hiệu HSG nằm ở quyết định mô hình: chọn ẩn nào, dùng công cụ định lượng hay lập luận cấu trúc electron, và có cần thêm một bước kiểm nghiệm trước khi kết luận.

Bài chuẩn cho sẵn nồng độ lúc cân bằng của mọi chất, học sinh chỉ cần thay số vào biểu thức Kc. Bài HSG giữ nguyên biểu thức đó nhưng đảo vai trò của các đại lượng: nồng độ đầu và Kc đã biết, còn nồng độ lúc cân bằng lại là ẩn cần giải ngược qua một bảng ICE (Initial – Change – Equilibrium). Nấc HSG nằm ở việc dựng đúng bảng ICE và giải phương trình sinh ra từ đó, không phải ở việc nhớ thêm công thức mới.

Biểu thức Kc giữ nguyên; thứ tự ẩn và biết bị đảo lại qua bảng ICE.

Đào sâu cách chọn mô hình

Checklist nhận diện gồm bốn câu: đề cho nồng độ đầu hay nồng độ cân bằng; có bao nhiêu ẩn thật sự độc lập sau khi đặt biến đổi x; hệ số các chất tham gia có bằng nhau để dùng được mẹo lấy căn hay không; và nghiệm x tìm được có nằm trong khoảng hợp lệ hay không. Một bài chỉ có một ẩn x vẫn có thể là bài chuẩn nếu phương trình bậc nhất; ngược lại một bài có Kc là số chính phương và hệ số bằng nhau có thể rút gọn về bậc nhất bằng mẹo căn bậc hai, dù bản chất vẫn là phương trình bậc hai.

Điều kiện $0<x<$ nồng độ đầu nhỏ nhất trong số các chất tham gia luôn phải kiểm sau khi giải. Một nghiệm x âm hoặc lớn hơn nồng độ đầu nghĩa là mô hình sai dấu biến đổi hoặc đọc nhầm chiều phản ứng, không phải lỗi tính toán ngẫu nhiên.

"Nồng độ ban đầu" là nồng độ trước khi phản ứng xảy ra, còn "nồng độ lúc cân bằng" là giá trị sau khi hệ đã đạt trạng thái ổn định; hai đại lượng này gần như luôn khác nhau khi phản ứng có xảy ra thật. Nhầm hai đại lượng này với nhau là lỗi khiến biểu thức Kc viết sai ngay từ dòng đầu.

Chọn phương pháp

Năm nhóm công cụ readiness: cân bằng & ICE table khi đề có mũi tên thuận nghịch cùng Kc/Kp; chuỗi oxi hoá – khử khi số oxi hoá thay đổi, kể cả khi có nhiều sản phẩm khử; cấu trúc – cơ chế khi câu hỏi cần so sánh độ bền, tính acid/base hoặc chọn sản phẩm chính; chuỗi nhận biết khi đề cho nhiều lọ mất nhãn; trình bày & tự chấm áp dụng cho cả bốn nhóm trên. Trước khi tính, viết một dòng lí do chọn nhóm công cụ; nếu đề không có mũi tên ⇌ và không cho Kc, đừng gán vào nhóm cân bằng chỉ vì có chữ "hỗn hợp khí".

Năm nhóm công cụ readiness: **cân bằng & ICE table** khi đề có mũi tên thuận nghịch cùng Kc/Kp; **chuỗi oxi hoá – khử** khi số oxi hoá thay đổi, kể cả khi có nhiều sản phẩm khử; **cấu trúc – cơ chế** khi câu hỏi cần so sánh độ bền, tính acid/base hoặc chọn sản phẩm chính; **chuỗi nhận biết** khi đề cho nhiều lọ mất nhãn; **trình bày & tự chấm** áp dụng cho cả bốn nhóm trên. Trước khi tính, viết một dòng lí do chọn nhóm công cụ; nếu đề không có mũi tên ⇌ và không cho Kc, đừng gán vào nhóm cân bằng chỉ vì có chữ "hỗn hợp khí".

Chuẩn Hướng dẫn giải

Trong Hướng dẫn giải, nêu rõ ẩn kèm ý nghĩa và điều kiện (nồng độ không âm, đúng khoảng phần trăm phân li), lập từng phương trình hoặc quá trình electron kèm nguồn dữ kiện, giải rồi thử lại vào biểu thức gốc. Với phản ứng oxi hoá – khử, ghi rõ quá trình nhường – nhận electron trước khi cân bằng hệ số hoặc kết luận khối lượng. Mỗi phần kết bằng "Vậy …" nêu đúng đại lượng đề hỏi, kèm đơn vị và làm tròn đúng yêu cầu đề bài.

Trong **Hướng dẫn giải**, nêu rõ ẩn kèm ý nghĩa và điều kiện (nồng độ không âm, đúng khoảng phần trăm phân li), lập từng phương trình hoặc quá trình electron kèm nguồn dữ kiện, giải rồi thử lại vào biểu thức gốc. Với phản ứng oxi hoá – khử, ghi rõ quá trình nhường – nhận electron trước khi cân bằng hệ số hoặc kết luận khối lượng. Mỗi phần kết bằng "Vậy …" nêu đúng đại lượng đề hỏi, kèm đơn vị và làm tròn đúng yêu cầu đề bài.

Error-log

Error-log của khóa gồm: quên kiểm điều kiện nồng độ không âm sau khi giải ICE table; nhầm số electron nhận của từng sản phẩm khử khi có hai khí cùng lúc; chỉ nêu quy tắc Markovnikov mà không lí giải bằng độ bền carbocation khi đề đòi hỏi; nhầm cụm "hỗn hợp khí" với dấu hiệu cân bằng khi phản ứng thực chất một chiều; và chọn thứ tự thuốc thử chưa tối ưu trong chuỗi nhận biết. Khi sai, khoanh dòng đầu mất căn cứ, ghi nguyên tắc sửa, rồi làm một biến thể với số khác.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Bài chuẩn cho sẵn nồng độ cân bằng

1
Ở một nhiệt độ, phản ứng $N_2(k)+3H_2(k)\rightleftharpoons2NH_3(k)$ đạt cân bằng với $[N_2]=0{,}5M$ , $[H_2]=1{,}0M$ , $[NH_3]=2{,}0M$ . Tính $K_c$ .
Ở một nhiệt độ, phản ứng $N_2(k)+3H_2(k)\rightleftharpoons2NH_3(k)$ đạt cân bằng với $[N_2]=0{,}5M$, $[H_2]=1{,}0M$, $[NH_3]=2{,}0M$. Tính $K_c$.
2
Cả ba nồng độ lúc cân bằng đã cho sẵn, chỉ cần thay trực tiếp vào biểu thức Kc.
3
Thay ba nồng độ đã cho vào biểu thức hằng số cân bằng theo đúng số mũ bằng hệ số phản ứng.
4
Áp dụng $K_c=\dfrac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$ , ta có $K_c=\dfrac{2{,}0^2}{0{,}5\times1{,}0^3}=\dfrac{4}{0{,}5}=8$ . Vậy $K_c=8$ .
Áp dụng $K_c=\dfrac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}$, ta có $K_c=\dfrac{2{,}0^2}{0{,}5\times1{,}0^3}=\dfrac{4}{0{,}5}=8$. Vậy $K_c=8$.
5
Số mũ mỗi nồng độ khớp đúng hệ số cân bằng của chất đó; đơn vị mol/L đồng nhất giữa ba chất.
6
Nếu đổi $[H_2]$ thành 2,0M mà giữ nguyên hai nồng độ còn lại, Kc mới sẽ nhỏ hơn 8 lần vì H2 có số mũ 3.
Nếu đổi $[H_2]$ thành 2,0M mà giữ nguyên hai nồng độ còn lại, Kc mới sẽ nhỏ hơn 8 lần vì H2 có số mũ 3.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Bài HSG giấu nồng độ lúc cân bằng

1
Ở một nhiệt độ, phản ứng $H_2(k)+Br_2(k)\rightleftharpoons2HBr(k)$ có $K_c=64$ . Trộn 0,10M $H_2$ với 0,10M $Br_2$ vào một bình kín. Tính nồng độ các chất lúc cân bằng.
Ở một nhiệt độ, phản ứng $H_2(k)+Br_2(k)\rightleftharpoons2HBr(k)$ có $K_c=64$. Trộn 0,10M $H_2$ với 0,10M $Br_2$ vào một bình kín. Tính nồng độ các chất lúc cân bằng.
2
Đề chỉ cho nồng độ đầu và Kc; nồng độ lúc cân bằng phải giải ngược qua bảng ICE, không có sẵn để thay số.
3
Đặt x là nồng độ H2 và Br2 đã phản ứng; vì hai chất đầu có nồng độ và hệ số bằng nhau nên có thể lấy căn bậc hai để đưa phương trình bậc hai về bậc nhất.
4
Dựng ICE: $[H_2]=[Br_2]=0{,}10-x$ , $[HBr]=2x$ , với $0<x<0{,}10$ . Thay vào Kc: $K_c=\dfrac{(2x)^2}{(0{,}10-x)^2}=64$ . Vì hai vế đều là bình phương và $0{,}10-x>0$ , lấy căn bậc hai dương hai vế: $\dfrac{2x}{0{,}10-x}=8$ , suy ra $2x=8(0{,}10-x)=0{,}8-8x$ , tức $10x=0{,}8$ , nên $x=0{,}08$ . Vậy $[H_2]=[Br_2]=0{,}10-0{,}08=0{,}02M$ và $[HBr]=2\times0{,}08=0{,}16M$ .
Dựng ICE: $[H_2]=[Br_2]=0{,}10-x$, $[HBr]=2x$, với $0<x<0{,}10$. Thay vào Kc: $K_c=\dfrac{(2x)^2}{(0{,}10-x)^2}=64$. Vì hai vế đều là bình phương và $0{,}10-x>0$, lấy căn bậc hai dương hai vế: $\dfrac{2x}{0{,}10-x}=8$, suy ra $2x=8(0{,}10-x)=0{,}8-8x$, tức $10x=0{,}8$, nên $x=0{,}08$. Vậy $[H_2]=[Br_2]=0{,}10-0{,}08=0{,}02M$ và $[HBr]=2\times0{,}08=0{,}16M$.
5
Thay lại: $\dfrac{0{,}16^2}{0{,}02\times0{,}02}=\dfrac{0{,}0256}{0{,}0004}=64$ , đúng Kc đề cho; $x=0{,}08$ nằm trong khoảng $(0;0{,}10)$ nên hợp lệ.
Thay lại: $\dfrac{0{,}16^2}{0{,}02\times0{,}02}=\dfrac{0{,}0256}{0{,}0004}=64$, đúng Kc đề cho; $x=0{,}08$ nằm trong khoảng $(0;0{,}10)$ nên hợp lệ.
6
Nếu Kc đổi thành 36, mẹo căn bậc hai vẫn dùng được vì 36 là số chính phương, nhưng x sẽ nhỏ hơn vì phản ứng thuận kém hơn.

Luyện tập có hướng dẫn

Tự luyện và challenge checkpoint

Lỗi thường gặp

Không nhầm nồng độ ban đầu với nồng độ lúc cân bằng; không quên kiểm 0<x<nồng độ đầu nhỏ nhất; không tự ý bỏ nghiệm âm mà không giải thích bằng lí do nồng độ không thể âm.

Chốt bài: Em đã phân biệt được bài chuẩn và bài HSG trên cùng chủ đề cân bằng hoá học, đồng thời gọi tên nấc suy luận thêm. Bài sau chuyển sang phản ứng cộng hydrocacbon, nơi bài chuẩn chỉ cần quy tắc Markovnikov còn bài HSG cần lí giải bằng độ bền carbocation.