Lý thuyết trọng tâm

I. Phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch

1. Phản ứng một chiều

Định nghĩa: Phản ứng một chiều là phản ứng trong đó các chất sản phẩm không phản ứng được với nhau để tạo thành các chất đầu trong cùng điều kiện.

Cách biểu diễn: Phương trình hóa học của phản ứng một chiều được biểu diễn bằng một mũi tên chỉ chiều phản ứng.

Ví dụ:

$$\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

$$\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$$

2. Phản ứng thuận nghịch

Định nghĩa: Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo hai chiều ngược nhau trong cùng điều kiện.

Cách biểu diễn: Phương trình hóa học của phản ứng thuận nghịch được biểu diễn bằng hai nửa mũi tên ngược chiều nhau ($\rightleftharpoons$).

• Chiều thuận: từ trái sang phải
• Chiều nghịch: từ phải sang trái

Ví dụ:

$$\text{H}_2(g) + \text{I}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{HI}(g)$$

$$\text{Cl}_2(g) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{HCl}(aq) + \text{HClO}(aq)$$

Ví dụ thực tiễn: Quá trình hình thành hang động và thạch nhũ:

$$\text{CaCO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Ca(HCO}_3\text{)}_2$$

• Phản ứng thuận: Nước chứa $\text{CO}_2$ bào mòn đá vôi tạo $\text{Ca(HCO}_3\text{)}_2$ → hình thành hang động
• Phản ứng nghịch: $\text{Ca(HCO}_3\text{)}_2$ phân hủy tạo $\text{CaCO}_3$ → hình thành thạch nhũ

II. Cân bằng hoá học

1. Trạng thái cân bằng

Định nghĩa: Trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch là trạng thái tại đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.

$$v_{thuận} = v_{nghịch}$$

Đặc điểm của cân bằng hóa học:

• Cân bằng hóa học là một cân bằng động: các chất vẫn liên tục phản ứng với nhau nhưng với tốc độ bằng nhau.
• Ở trạng thái cân bằng, nồng độ các chất không thay đổi.

2. Hằng số cân bằng

a) Biểu thức hằng số cân bằng

Xét phản ứng thuận nghịch tổng quát:

$$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$$

Ở trạng thái cân bằng, hằng số cân bằng ($K_C$) được xác định theo biểu thức:

$$\boxed{K_C = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}}$$

Trong đó:

• $[A], [B], [C], [D]$: nồng độ mol của các chất ở trạng thái cân bằng (mol/L)
• $a, b, c, d$: hệ số tỉ lượng của các chất trong phương trình hóa học

Lưu ý quan trọng: Đối với phản ứng có chất rắn tham gia, không biểu diễn nồng độ của chất rắn trong biểu thức hằng số cân bằng.

Ví dụ:

$$\text{C}(s) + \text{CO}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{CO}(g) \quad \Rightarrow \quad K_C = \frac{[\text{CO}]^2}{[\text{CO}_2]}$$

b) Ý nghĩa của hằng số cân bằng

• Hằng số cân bằng $K_C$ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng.
• $K_C$ càng lớn → phản ứng thuận càng chiếm ưu thế (tạo nhiều sản phẩm).
• $K_C$ càng nhỏ → phản ứng nghịch càng chiếm ưu thế (tạo ít sản phẩm).

III. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng hóa học

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

2. Ảnh hưởng của nồng độ

3. Ảnh hưởng của áp suất

Lưu ý: Nếu tổng số mol khí ở hai vế của phương trình bằng nhau thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng.

4. Vai trò của chất xúc tác

• Chất xúc tác giúp hệ phản ứng nhanh đạt đến trạng thái cân bằng.
• Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau nên không làm chuyển dịch cân bằng.

IV. Nguyên lí chuyển dịch cân bằng le chatelier

Phát biểu: Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng, khi chịu một tác động bên ngoài làm thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.

Ứng dụng trong công nghiệp:

Ví dụ: Tổng hợp ammonia

$$\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g) \quad \Delta_rH^\circ_{298} = -91{,}8 \text{ kJ}$$

• Áp suất cao (~200 bar): Tăng áp suất → cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm số mol khí → chiều thuận → tạo nhiều $\text{NH}_3$.
• Nhiệt độ vừa phải (~450°C): Phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt độ thấp có lợi cho chiều thuận, nhưng cần nhiệt độ đủ cao để tốc độ phản ứng không quá chậm.
• Chất xúc tác (bột Fe): Giúp phản ứng nhanh đạt cân bằng.

Phương pháp giải các dạng bài tập

Phần này tập trung vào các dạng bài tập tính toán xoay quanh hằng số cân bằng $K_C$, kèm một dạng vận dụng nguyên lí Le Chatelier ở cuối.

Công thức trọng tâm. Với phản ứng thuận nghịch:

$$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$$

$$K_C = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$$

Ba nguyên tắc phải nhớ trước khi làm bài:

Dạng 1: Viết biểu thức hằng số cân bằng

Phương pháp giải

Bước 1: Kiểm tra phương trình đã cân bằng chưa. Hệ số tỉ lượng chính là số mũ trong biểu thức nên nếu phương trình sai hệ số thì biểu thức sai theo.

Bước 2: Loại bỏ các chất rắn $(s)$ khỏi biểu thức.

Bước 3: Viết biểu thức: tử số là tích nồng độ các sản phẩm, mẫu số là tích nồng độ các chất đầu, mỗi nồng độ mang số mũ bằng hệ số tỉ lượng của nó.

$$K_C = \frac{\text{tích nồng độ sản phẩm}}{\text{tích nồng độ chất đầu}}$$

Ví dụ mẫu

Viết biểu thức $K_C$ cho các phản ứng sau:

a) $\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)$

b) $\text{CaCO}_3(s) \rightleftharpoons \text{CaO}(s) + \text{CO}_2(g)$

c) $\text{C}(s) + \text{CO}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{CO}(g)$

Lời giải

Câu a. Cả ba chất đều ở thể khí nên đều có mặt trong biểu thức:

$$K_C = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2]\cdot[\text{H}_2]^3}$$

Câu b. $\text{CaCO}_3$ và $\text{CaO}$ đều là chất rắn nên bị loại, chỉ còn $\text{CO}_2$ ở tử số:

$$K_C = [\text{CO}_2]$$

Câu c. Loại chất rắn $\text{C}$:

$$K_C = \frac{[\text{CO}]^2}{[\text{CO}_2]}$$

Lỗi hay gặp: Quên số mũ hoặc lấy số mũ sai. Số mũ của $[\text{H}_2]$ ở câu a là $3$, không phải $1$; số mũ của $[\text{NH}_3]$ là $2$, không phải $1$.

Dạng 2: Tính $K_C$ khi đề cho nồng độ ở trạng thái cân bằng

Phương pháp giải

Đây là dạng cơ bản nhất, đề đã cho sẵn nồng độ cân bằng nên chỉ cần thay số.

Bước 1: Viết biểu thức $K_C$ (theo Dạng 1).

Bước 2: Kiểm tra đơn vị. Nếu đề cho số mol và thể tích bình, phải đổi sang nồng độ: $C = \dfrac{n}{V}$.

Bước 3: Thay các giá trị nồng độ cân bằng vào và tính.

Lưu ý: $K_C$ là một số, khi làm bài phổ thông không cần ghi đơn vị cho $K_C$.

Ví dụ mẫu 1

Đề bài: Cho phản ứng $\text{H}_2(g) + \text{I}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{HI}(g)$ thực hiện trong bình kín ở $445\ ^\circ\text{C}$. Ở trạng thái cân bằng: $[\text{H}_2] = 0{,}02$ M; $[\text{I}_2] = 0{,}02$ M; $[\text{HI}] = 0{,}16$ M. Tính $K_C$ ở nhiệt độ này.

Lời giải

$$K_C = \frac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2]\cdot[\text{I}_2]} = \frac{(0{,}16)^2}{0{,}02 \times 0{,}02} = \frac{0{,}0256}{0{,}0004} = 64$$

Kết luận: $K_C = 64$. Giá trị này khá lớn nên ở trạng thái cân bằng, sản phẩm $\text{HI}$ chiếm ưu thế.

Ví dụ mẫu 2

Đề bài: Cho phản ứng $\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)$. Ở nhiệt độ $t\ ^\circ\text{C}$, trạng thái cân bằng có: $[\text{N}_2] = 0{,}45$ M; $[\text{H}_2] = 0{,}14$ M; $[\text{NH}_3] = 0{,}62$ M. Tính $K_C$.

Lời giải

$$K_C = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2]\cdot[\text{H}_2]^3} = \frac{(0{,}62)^2}{0{,}45 \times (0{,}14)^3}$$

Tính riêng tử số và mẫu số:

$$(0{,}62)^2 = 0{,}3844 \qquad 0{,}45 \times (0{,}14)^3 = 0{,}45 \times 0{,}002744 = 0{,}0012348$$

$$K_C = \frac{0{,}3844}{0{,}0012348} \approx 311{,}3$$

Kết luận: $K_C \approx 311{,}3$.

Dạng 3: Tính $K_C$ từ lượng chất ban đầu (lập bảng ba dòng)

Phương pháp giải

Đây là dạng tính toán quan trọng nhất của bài. Đề cho lượng chất ban đầu và một dữ kiện về trạng thái cân bằng, yêu cầu tính $K_C$.

Bước 1: Đổi tất cả về nồng độ mol/L bằng cách chia cho thể tích bình.

Bước 2: Lập bảng ba dòng theo phương trình phản ứng:

Bước 3: Dùng dữ kiện đề cho để tìm $x$. Chú ý lượng phản ứng của các chất tỉ lệ với hệ số trong phương trình.

Bước 4: Điền nồng độ cân bằng vào biểu thức $K_C$ và tính.

Sai lầm hay gặp: Trừ cùng một lượng cho mọi chất. Nếu $\text{N}_2$ phản ứng $0{,}25$ M thì $\text{H}_2$ phản ứng $3 \times 0{,}25 = 0{,}75$ M và $\text{NH}_3$ tạo thành $2\times 0{,}25 = 0{,}5$ M, do hệ số là $1 : 3 : 2$.

Ví dụ mẫu 1

Đề bài: Cho $1$ mol $\text{H}_2$ và $1$ mol $\text{I}_2$ vào một bình kín dung tích $1$ L rồi nung nóng đến $445\ ^\circ\text{C}$. Khi hệ đạt trạng thái cân bằng, trong bình còn lại $0{,}2$ mol $\text{H}_2$. Tính $K_C$ của phản ứng ở nhiệt độ này.

Lời giải

Bước 1. Đổi về nồng độ

Vì $V = 1$ L nên trị số nồng độ bằng trị số số mol:

$$[\text{H}_2]_0 = [\text{I}_2]_0 = 1\ \text{M}$$

Bước 2 và 3. Lập bảng ba dòng

Lượng $\text{H}_2$ đã phản ứng: $x = 1 – 0{,}2 = 0{,}8$ M.

Theo phương trình $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$, tỉ lệ là $1 : 1 : 2$:

Bước 4. Tính $K_C$

$$K_C = \frac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2]\cdot[\text{I}_2]} = \frac{(1{,}6)^2}{0{,}2 \times 0{,}2} = \frac{2{,}56}{0{,}04} = 64$$

Kết luận: $K_C = 64$, phù hợp với kết quả ở Dạng 2 vì cùng phản ứng và cùng nhiệt độ $445\ ^\circ\text{C}$.

Ví dụ mẫu 2

Đề bài: Cho $0{,}2$ mol $\text{PCl}_5$ vào một bình kín dung tích $2$ L và nung đến nhiệt độ $T$. Khi đạt cân bằng, có $25\%$ lượng $\text{PCl}_5$ bị phân li theo phản ứng:

$$\text{PCl}_5(g) \rightleftharpoons \text{PCl}_3(g) + \text{Cl}_2(g)$$

Tính $K_C$ của phản ứng ở nhiệt độ $T$.

Lời giải

Bước 1. Đổi về nồng độ

$$[\text{PCl}_5]_0 = \frac{n}{V} = \frac{0{,}2}{2} = 0{,}1\ \text{M}$$

Bước 2. Tính lượng đã phản ứng

$$x = 25\% \times 0{,}1 = 0{,}025\ \text{M}$$

Bước 3. Lập bảng ba dòng

Bước 4. Tính $K_C$

$$K_C = \frac{[\text{PCl}_3]\cdot[\text{Cl}_2]}{[\text{PCl}_5]} = \frac{0{,}025 \times 0{,}025}{0{,}075} = \frac{6{,}25\times 10^{-4}}{0{,}075} \approx 8{,}33\times 10^{-3}$$

Kết luận: $K_C \approx 8{,}33\times 10^{-3}$. Giá trị rất nhỏ cho thấy ở nhiệt độ $T$, $\text{PCl}_5$ phân li rất ít.

Nhận xét: Bài này có hai bẫy. Thứ nhất, phải chia cho $V = 2$ L chứ không dùng thẳng số mol. Thứ hai, $25\%$ là phần trăm của lượng ban đầu, không phải của lượng còn lại.

Dạng 4: Tính nồng độ ở trạng thái cân bằng khi biết $K_C$

Phương pháp giải

Đây là bài toán ngược của Dạng 3.

Trường hợp 1 — đề cho nồng độ cân bằng của tất cả các chất trừ một chất. Thay vào biểu thức $K_C$ rồi giải trực tiếp cho ẩn còn lại.

Trường hợp 2 — đề cho nồng độ ban đầu và $K_C$.

Bước 1: Lập bảng ba dòng với ẩn $x$ là lượng đã phản ứng.

Bước 2: Thay nồng độ cân bằng theo $x$ vào biểu thức $K_C$.

Bước 3: Giải phương trình tìm $x$. Ở mức lớp 11, phương trình thường đưa được về dạng bậc nhất bằng cách khai căn hai vế (khi cả tử và mẫu đều là bình phương).

Bước 4: Thay $x$ trở lại bảng để tính nồng độ cân bằng của từng chất. Kiểm tra: mọi nồng độ phải dương, nên $x$ phải nhỏ hơn nồng độ ban đầu của chất hết trước.

Ví dụ mẫu 1

Đề bài: Ở nhiệt độ $T$, phản ứng $\text{N}_2\text{O}_4(g) \rightleftharpoons 2\text{NO}_2(g)$ có $K_C = 0{,}36$. Biết ở trạng thái cân bằng $[\text{N}_2\text{O}_4] = 0{,}25$ M. Tính nồng độ $\text{NO}_2$ ở trạng thái cân bằng.

Lời giải

Biểu thức hằng số cân bằng:

$$K_C = \frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]}$$

Suy ra:

$$[\text{NO}_2]^2 = K_C \cdot [\text{N}_2\text{O}_4] = 0{,}36 \times 0{,}25 = 0{,}09$$

$$[\text{NO}_2] = \sqrt{0{,}09} = 0{,}3\ \text{M}$$

Kết luận: $[\text{NO}_2] = 0{,}3$ M.

Ví dụ mẫu 2

Đề bài: Ở $445\ ^\circ\text{C}$, phản ứng $\text{H}_2(g) + \text{I}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{HI}(g)$ có $K_C = 64$. Cho vào bình kín $0{,}1$ mol $\text{H}_2$ và $0{,}1$ mol $\text{I}_2$, thể tích bình là $1$ L. Tính nồng độ các chất khi hệ đạt trạng thái cân bằng.

Lời giải

Bước 1. Lập bảng ba dòng

Gọi $x$ (M) là nồng độ $\text{H}_2$ đã phản ứng.

Bước 2. Thay vào biểu thức $K_C$

$$K_C = \frac{(2x)^2}{(0{,}1-x)(0{,}1-x)} = \frac{4x^2}{(0{,}1-x)^2} = 64$$

Bước 3. Khai căn hai vế

Vì $0 < x < 0{,}1$ nên $0{,}1 – x > 0$, khai căn hai vế ta được:

$$\frac{2x}{0{,}1-x} = 8$$

$$2x = 8,(0{,}1 – x) = 0{,}8 – 8x$$

$$10x = 0{,}8 \Rightarrow x = 0{,}08\ \text{M}$$

Bước 4. Tính nồng độ cân bằng

$$[\text{H}_2] = [\text{I}_2] = 0{,}1 – 0{,}08 = 0{,}02\ \text{M} \qquad [\text{HI}] = 2 \times 0{,}08 = 0{,}16\ \text{M}$$

Kiểm tra lại:

$$K_C = \frac{(0{,}16)^2}{0{,}02\times 0{,}02} = 64 \quad \checkmark$$

Kết luận: $[\text{H}_2] = [\text{I}_2] = 0{,}02$ M và $[\text{HI}] = 0{,}16$ M.

Dạng 5: Xác định chiều chuyển dịch cân bằng

Phương pháp giải

Áp dụng nguyên lí Le Chatelier: khi chịu tác động từ bên ngoài, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động đó.

Ba trường hợp đặc biệt phải nhớ:

1. Nếu tổng số mol khí hai vế bằng nhau thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng.
2. Khi đếm số mol khí, chỉ đếm chất khí $(g)$, bỏ qua chất rắn và chất lỏng.
3. Thay đổi lượng chất rắn không làm chuyển dịch cân bằng, vì chất rắn không có mặt trong biểu thức $K_C$.

Ví dụ mẫu 1

Đề bài: Cho cân bằng tổng hợp ammonia trong công nghiệp:

$$\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}3(g) \qquad \Delta_r H^\circ{298} = -91{,}8\ \text{kJ}$$

Cân bằng chuyển dịch theo chiều nào khi:

a) Tăng nhiệt độ của hệ?

b) Tăng áp suất chung của hệ?

c) Liên tục lấy $\text{NH}_3$ ra khỏi hệ?

d) Thêm bột sắt làm chất xúc tác?

Lời giải

Câu a. $\Delta_r H^\circ_{298} = -91{,}8\ \text{kJ} < 0$ nên chiều thuận toả nhiệt, chiều nghịch thu nhiệt. Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt, tức chiều nghịch.

Câu b. Đếm số mol khí hai vế: vế trái có $1 + 3 = 4$ mol khí, vế phải có $2$ mol khí. Khi tăng áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol khí, tức về phía vế phải, là chiều thuận.

Câu c. $\text{NH}_3$ là sản phẩm. Lấy bớt $\text{NH}_3$ tức là giảm nồng độ của nó, cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo thêm $\text{NH}_3$, tức chiều thuận.

Câu d. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và nghịch với số lần như nhau nên không làm chuyển dịch cân bằng, chỉ giúp hệ nhanh đạt tới trạng thái cân bằng hơn.

Liên hệ thực tiễn: Kết quả câu a và b giải thích điều kiện sản xuất ammonia trong công nghiệp: dùng áp suất cao (khoảng $200$ bar) để đẩy cân bằng theo chiều thuận, dùng xúc tác bột Fe để rút ngắn thời gian đạt cân bằng, còn nhiệt độ phải chọn vừa phải (khoảng $450\ ^\circ\text{C}$). Nhiệt độ thấp có lợi cho chiều thuận nhưng lại làm tốc độ phản ứng quá chậm, nên phải chấp nhận một giá trị dung hoà giữa hiệu suất và tốc độ.

Ví dụ mẫu 2

Đề bài: Trong cơ thể người, hemoglobin (Hb) kết hợp với oxygen theo cân bằng:

$$\text{Hb} + \text{O}_2 \rightleftharpoons \text{HbO}_2$$

Giải thích vì sao khi lên núi cao, nhiều người bị đau đầu, chóng mặt.

Lời giải

Khi lên núi cao, áp suất khí quyển giảm nên áp suất riêng phần của $\text{O}_2$ giảm, dẫn đến nồng độ $\text{O}_2$ trong máu giảm.

$\text{O}_2$ nằm ở vế trái của cân bằng. Theo nguyên lí Le Chatelier, khi giảm nồng độ $\text{O}_2$, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nồng độ $\text{O}_2$, tức chiều nghịch.

Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm lượng $\text{HbO}_2$ trong máu giảm, nên hemoglobin vận chuyển được ít oxygen hơn tới các cơ quan, đặc biệt là não. Não thiếu oxygen gây ra hiện tượng đau đầu, chóng mặt.

Mở rộng: Cũng theo nguyên lí trên, muốn tăng lượng $\text{HbO}_2$ thì cần tăng nồng độ $\text{O}_2$, chẳng hạn bằng cách hít thở sâu ở nơi thoáng khí hoặc dùng bình oxygen hỗ trợ.

Bảng tra nhanh: chọn phương pháp theo dữ kiện đề bài

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ