Bài học

Đề ôn tập tổng hợp chương cân bằng hoá học

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em tự tin làm một đề ôn tập tổng hợp toàn bộ chương cân bằng hoá học — từ khái niệm phản ứng thuận nghịch, tính toán $K_C$ và hiệu suất, đến vận dụng nguyên lí Le Chatelier cho cả ba yếu tố nồng độ, áp suất, nhiệt độ — trong một cấu trúc gần với đề kiểm tra thật.

Kiến thức nền cần nhớ

Đây là bài ôn tập cuối khoá, không có kiến thức mới. Em cần huy động lại toàn bộ năm bài học trước: phản ứng thuận nghịch (Chương 1), trạng thái cân bằng động (Chương 1), hằng số cân bằng $K_C$ (Chương 2), nguyên lí Le Chatelier và ảnh hưởng nồng độ (Chương 3), ảnh hưởng áp suất, nhiệt độ, chất xúc tác (Chương 4), và kĩ năng giải bài toán tổng hợp (bài trước của chương này).

Khởi động

Một đề kiểm tra cuối chương thực sự hiếm khi hỏi tuần tự đúng theo thứ tự các bài đã học — nó thường trộn lẫn các câu hỏi để kiểm tra xem học sinh có thực sự hiểu bản chất, hay chỉ học thuộc theo trình tự bài giảng. Bài ôn tập này mô phỏng đúng kiểu trộn lẫn đó.

Kiến thức trọng tâm

Ôn lại bốn ý cốt lõi xuyên suốt cả chương, theo đúng mạch lô-gic đã xây dựng:

(1) Phản ứng thuận nghịch ( $\rightleftharpoons$ ) khác phản ứng một chiều ( $\rightarrow$ ) ở chỗ chất phản ứng không bao giờ mất hết; hệ tiến tới trạng thái cân bằng động khi $v_t = v_n \neq 0$ .

(2) Hằng số cân bằng $K_C = \dfrac{[\text{sản phẩm}]^{\text{hệ số}}}{[\text{chất phản ứng}]^{\text{hệ số}}}$ (bỏ chất rắn/lỏng nguyên chất) chỉ phụ thuộc nhiệt độ, và cho biết mức độ chuyển hoá của phản ứng.

(3) Nguyên lí Le Chatelier: hệ cân bằng chịu tác động sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt tác động đó — áp dụng cho nồng độ (chỉ chất trong biểu thức $K_C$ ), áp suất (chỉ khi $\Delta n \neq 0$ , dịch theo chiều giảm/tăng mol khí tương ứng khi tăng/giảm áp suất), và nhiệt độ (dịch theo chiều thu/toả nhiệt tương ứng khi tăng/giảm nhiệt độ — yếu tố duy nhất đổi $K_C$ ).

(4) Chất xúc tác không làm cân bằng chuyển dịch, chỉ giúp đạt cân bằng nhanh hơn — công nghiệp thực tế (như tổng hợp $NH_3$ ) luôn phải cân bằng giữa hiệu suất lí thuyết và tốc độ thực tế khi chọn điều kiện vận hành, không chỉ tối ưu một yếu tố riêng lẻ.

Ôn lại bốn ý cốt lõi xuyên suốt cả chương, theo đúng mạch lô-gic đã xây dựng: **(1)** Phản ứng thuận nghịch ($\rightleftharpoons$) khác phản ứng một chiều ($\rightarrow$) ở chỗ chất phản ứng không bao giờ mất hết; hệ tiến tới trạng thái cân bằng **động** khi $v_t = v_n \neq 0$. **(2)** Hằng số cân bằng $K_C = \dfrac{[\text{sản phẩm}]^{\text{hệ số}}}{[\text{chất phản ứng}]^{\text{hệ số}}}$ (bỏ chất rắn/lỏng nguyên chất) chỉ phụ thuộc nhiệt độ, và cho biết mức độ chuyển hoá của phản ứng. **(3)** Nguyên lí Le Chatelier: hệ cân bằng chịu tác động sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm bớt tác động đó — áp dụng cho nồng độ (chỉ chất trong biểu thức $K_C$), áp suất (chỉ khi $\Delta n \neq 0$, dịch theo chiều giảm/tăng mol khí tương ứng khi tăng/giảm áp suất), và nhiệt độ (dịch theo chiều thu/toả nhiệt tương ứng khi tăng/giảm nhiệt độ — yếu tố duy nhất đổi $K_C$). **(4)** Chất xúc tác không làm cân bằng chuyển dịch, chỉ giúp đạt cân bằng nhanh hơn — công nghiệp thực tế (như tổng hợp $NH_3$) luôn phải cân bằng giữa hiệu suất lí thuyết và tốc độ thực tế khi chọn điều kiện vận hành, không chỉ tối ưu một yếu tố riêng lẻ.

Ví dụ

Đề ôn tập tổng hợp — bài toán mô phỏng đề kiểm tra học kì

1
Ở nhiệt độ $T_1$ , phản ứng $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$ , $\Delta H > 0$ , đạt cân bằng trong bình kín 1 lít với $[N_2O_4] = 0{,}2$ mol/L và $[NO_2] = 0{,}4$ mol/L. (a) Tính $K_C$ tại $T_1$ . (b) Nếu tăng nhiệt độ lên $T_2 > T_1$ (giữ nguyên thể tích), cân bằng chuyển dịch theo chiều nào, và $K_C$ ở $T_2$ so với $K_C$ ở $T_1$ như thế nào? (c) Nếu thay vào đó, ở $T_1$ , ta nén bình xuống còn nửa thể tích, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào?
Ở nhiệt độ $T_1$, phản ứng $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$, $\Delta H > 0$, đạt cân bằng trong bình kín 1 lít với $[N_2O_4] = 0{,}2$ mol/L và $[NO_2] = 0{,}4$ mol/L. (a) Tính $K_C$ tại $T_1$. (b) Nếu tăng nhiệt độ lên $T_2 > T_1$ (giữ nguyên thể tích), cân bằng chuyển dịch theo chiều nào, và $K_C$ ở $T_2$ so với $K_C$ ở $T_1$ như thế nào? (c) Nếu thay vào đó, ở $T_1$, ta nén bình xuống còn nửa thể tích, cân bằng chuyển dịch theo chiều nào?
2
$K_C = \dfrac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]} = \dfrac{0{,}4^2}{0{,}2} = \dfrac{0{,}16}{0{,}2} = 0{,}8$ Vậy $K_C = 0{,}8$ tại $T_1$ .
$$K_C = \dfrac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]} = \dfrac{0{,}4^2}{0{,}2} = \dfrac{0{,}16}{0{,}2} = 0{,}8$$ Vậy $K_C = 0{,}8$ tại $T_1$.
3
Vì $\Delta H > 0$ (chiều thuận thu nhiệt), tăng nhiệt độ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều thu nhiệt) — nồng độ $NO_2$ tăng, $N_2O_4$ giảm so với cân bằng cũ. Vì nhiệt độ tăng cũng đồng thời làm tăng giá trị $K_C$ (nhiệt độ là yếu tố duy nhất làm đổi $K_C$ , và cân bằng dịch mạnh hơn về sản phẩm), $K_C$ ở $T_2$ lớn hơn $K_C$ ở $T_1$ .
Vì $\Delta H > 0$ (chiều thuận thu nhiệt), tăng nhiệt độ làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều thu nhiệt) — nồng độ $NO_2$ tăng, $N_2O_4$ giảm so với cân bằng cũ. Vì nhiệt độ tăng cũng đồng thời làm tăng giá trị $K_C$ (nhiệt độ là yếu tố duy nhất làm đổi $K_C$, và cân bằng dịch mạnh hơn về sản phẩm), $K_C$ ở $T_2$ **lớn hơn** $K_C$ ở $T_1$.
4
Xét $\Delta n = 2 - 1 = 1 \neq 0$ . Nén bình làm tăng áp suất; cân bằng dịch theo chiều giảm số mol khí — chiều nghịch (tạo $N_2O_4$ ).
Xét $\Delta n = 2 - 1 = 1 \neq 0$. Nén bình làm tăng áp suất; cân bằng dịch theo chiều giảm số mol khí — chiều nghịch (tạo $N_2O_4$).
5
Ba câu hỏi cùng một phản ứng nhưng ba loại tác động khác nhau (tính từ số liệu có sẵn, thay đổi nhiệt độ, thay đổi áp suất) cho ba câu trả lời khác nhau — đúng minh hoạ việc mỗi yếu tố (nồng độ, áp suất, nhiệt độ) tác động tới cân bằng theo cơ chế riêng, không thể suy luận lẫn lộn giữa chúng.

Ví dụ

Đề ôn tập tổng hợp — câu hỏi lí thuyết kết hợp giải thích thực tế

1
Trong công nghiệp tổng hợp $NH_3$ ( $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ , $\Delta H < 0$ ), người ta: (1) dùng áp suất rất cao; (2) dùng nhiệt độ vừa phải (400–450 °C) chứ không quá thấp; (3) dùng xúc tác Fe; (4) liên tục hoá lỏng và tách $NH_3$ ra khỏi hỗn hợp khí sau phản ứng, rồi đưa khí $N_2$ , $H_2$ chưa phản ứng trở lại bình. Giải thích ngắn gọn cơ sở hoá học của từng biện pháp.
Trong công nghiệp tổng hợp $NH_3$ ($N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$, $\Delta H < 0$), người ta: (1) dùng áp suất rất cao; (2) dùng nhiệt độ vừa phải (400–450 °C) chứ không quá thấp; (3) dùng xúc tác Fe; (4) liên tục hoá lỏng và tách $NH_3$ ra khỏi hỗn hợp khí sau phản ứng, rồi đưa khí $N_2$, $H_2$ chưa phản ứng trở lại bình. Giải thích ngắn gọn cơ sở hoá học của từng biện pháp.
2
(1) $\Delta n = 2 - 4 = -2 < 0$ nên áp suất cao đẩy cân bằng theo chiều thuận (giảm mol khí), tăng hiệu suất. (2) $\Delta H < 0$ nên nhiệt độ thấp có lợi cho hiệu suất cân bằng, nhưng nhiệt độ quá thấp làm tốc độ phản ứng quá chậm — 400–450 °C là thoả hiệp giữa hiệu suất và tốc độ.
(1) $\Delta n = 2 - 4 = -2 < 0$ nên áp suất cao đẩy cân bằng theo chiều thuận (giảm mol khí), tăng hiệu suất. (2) $\Delta H < 0$ nên nhiệt độ thấp có lợi cho hiệu suất cân bằng, nhưng nhiệt độ quá thấp làm tốc độ phản ứng quá chậm — 400–450 °C là thoả hiệp giữa hiệu suất và tốc độ.
3
Xúc tác Fe tăng tốc độ phản ứng (cả hai chiều), giúp bù lại phần tốc độ bị mất do không hạ nhiệt độ xuống thấp hơn, mà không làm đổi $K_C$ hay hiệu suất cân bằng lí thuyết.
Xúc tác Fe tăng tốc độ phản ứng (cả hai chiều), giúp bù lại phần tốc độ bị mất do không hạ nhiệt độ xuống thấp hơn, mà không làm đổi $K_C$ hay hiệu suất cân bằng lí thuyết.
4
Liên tục tách $NH_3$ ra khỏi hỗn hợp làm giảm nồng độ sản phẩm, theo nguyên lí Le Chatelier kéo cân bằng tiếp tục chuyển dịch theo chiều thuận — đây là kĩ thuật tương tự đã học ở Chương 3 với phản ứng tổng hợp $SO_3$ . Đưa khí chưa phản ứng trở lại bình giúp không lãng phí nguyên liệu, tối đa hoá tổng hiệu suất chuyển hoá qua nhiều vòng tuần hoàn.
Liên tục tách $NH_3$ ra khỏi hỗn hợp làm giảm nồng độ sản phẩm, theo nguyên lí Le Chatelier kéo cân bằng tiếp tục chuyển dịch theo chiều thuận — đây là kĩ thuật tương tự đã học ở Chương 3 với phản ứng tổng hợp $SO_3$. Đưa khí chưa phản ứng trở lại bình giúp không lãng phí nguyên liệu, tối đa hoá tổng hiệu suất chuyển hoá qua nhiều vòng tuần hoàn.
5
Bốn biện pháp trên là một minh hoạ đầy đủ, mang tính tổng hợp, cho thấy toàn bộ kiến thức của chương — thuận nghịch, $K_C$ , và cả ba yếu tố chuyển dịch cân bằng — được vận dụng đồng thời trong một quy trình công nghiệp thực tế duy nhất.
Bốn biện pháp trên là một minh hoạ đầy đủ, mang tính tổng hợp, cho thấy toàn bộ kiến thức của chương — thuận nghịch, $K_C$, và cả ba yếu tố chuyển dịch cân bằng — được vận dụng đồng thời trong một quy trình công nghiệp thực tế duy nhất.

Sai lầm thường gặp

Khi ôn tập tổng hợp, sai lầm dễ mắc nhất là học thuộc lòng riêng lẻ từng quy tắc (nồng độ, áp suất, nhiệt độ, xúc tác) mà không luyện ghép chúng lại trong một tình huống có nhiều tác động cùng lúc. Đề thi thực tế thường kiểm tra đúng khả năng ghép nối này — luôn tự hỏi "còn yếu tố nào khác đang tác động đồng thời không" trước khi kết luận.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Toàn bộ khoá học gói gọn trong một chuỗi lô-gic: thuận nghịch → cân bằng động → $K_C$ (đo mức độ chuyển hoá, chỉ đổi theo nhiệt độ) → nguyên lí Le Chatelier (nồng độ, áp suất, nhiệt độ làm chuyển dịch; xúc tác chỉ đổi tốc độ). Nắm chắc chuỗi này, em có thể giải được bất kì bài toán hay câu hỏi lí thuyết nào trong phạm vi chương trình Hóa học 11 về cân bằng hoá học.

Chương "Cân bằng hoá học" khép lại tại đây. Nguyên lí chuyển dịch cân bằng em vừa thành thạo sẽ quay lại trong khoá tiếp theo — Cân bằng trong dung dịch nước — nơi cùng cách tư duy này được áp dụng cho sự điện li, thuyết acid–base Brønsted–Lowry, và tính toán pH.