Cân bằng hóa học | Khái niệm và các yếu tố ảnh hưởng

Cân bằng hóa học là nội dung trọng tâm trong Hóa học 11 bộ Kết nối tri thức, giúp học sinh hiểu cân bằng hóa học là gì, đặc điểm của phản ứng thuận nghịch, trạng thái cân bằng động và hằng số cân bằng \(K_c\). Bài viết hệ thống khái niệm về cân bằng hóa học, cách viết biểu thức \(K_c\), các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học như nồng độ, nhiệt độ, áp suất, nguyên lí Le Chatelier và cách xác định chiều chuyển dịch cân bằng, kèm các dạng bài tập thường gặp.

Cân bằng hóa học là gì?

Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch, vì vậy nồng độ các chất trong hệ không đổi theo thời gian dù phản ứng vẫn tiếp tục xảy ra. Đây là một cân bằng động và là nội dung trọng tâm trong Hóa học 11 bộ Kết nối tri thức. Bài viết hệ thống khái niệm về cân bằng hóa học, hằng số cân bằng \(K_c\), các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học như nồng độ, nhiệt độ, áp suất, nguyên lí Le Chatelier và cách xác định chiều chuyển dịch cân bằng, kèm các dạng bài tập thường gặp.

Phân biệt phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch

Phản ứng một chiều là phản ứng chỉ xảy ra theo một chiều duy nhất từ chất đầu tạo thành sản phẩm, trong điều kiện xác định. Sản phẩm tạo thành không phản ứng ngược lại để tái tạo chất đầu. Trong phương trình hóa học, phản ứng một chiều được biểu diễn bằng mũi tên một chiều (→) [1].

Ví dụ:

\[2KClO_3 \xrightarrow[\mathrm{MnO_2}]{t^\circ} 2KCl + 3O_2\]

Phản ứng thuận nghịch là phản ứng trong đó, ở cùng một điều kiện, đồng thời xảy ra hai quá trình ngược chiều nhau. Chất đầu tạo thành sản phẩm (phản ứng thuận) và sản phẩm lại phản ứng tạo trở lại chất đầu (phản ứng nghịch). Phản ứng thuận nghịch được biểu diễn bằng hai nửa mũi tên ngược chiều nhau (⇌) [1].

Ví dụ trong SGK Kết nối tri thức [1]:

\[Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO\]

Đặc điểm quan trọng của phản ứng thuận nghịch là phản ứng không bao giờ xảy ra hoàn toàn. Dù để bao lâu, trong hệ vẫn luôn tồn tại đồng thời cả chất đầu lẫn sản phẩm.

Trạng thái cân bằng hóa học

Khi phản ứng thuận nghịch mới bắt đầu, nồng độ chất đầu lớn nên tốc độ phản ứng thuận lớn, trong khi nồng độ sản phẩm bằng 0 nên tốc độ phản ứng nghịch bằng 0. Theo thời gian, chất đầu giảm dần khiến tốc độ phản ứng thuận giảm, đồng thời sản phẩm tăng dần khiến tốc độ phản ứng nghịch tăng. Đến một thời điểm, hai tốc độ này bằng nhau.

Trạng thái cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch tại đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch (\(v_{\mathrm{thuận}}=v_{\mathrm{nghịch}}\)) [1]. Khi đó, nồng độ của tất cả các chất trong hệ không còn thay đổi theo thời gian nữa, dù phản ứng vẫn tiếp tục diễn ra.

Cân bằng hóa học là cân bằng động

Đây là điểm bản chất mà học sinh cần nắm rõ để tránh nhầm lẫn. Ở trạng thái cân bằng, phản ứng không hề dừng lại. Cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn tiếp tục xảy ra đồng thời, chỉ là với tốc độ bằng nhau nên lượng chất mất đi do phản ứng thuận đúng bằng lượng chất được tái tạo do phản ứng nghịch. Kết quả là nồng độ các chất giữ nguyên, tạo ra vẻ ngoài đứng yên của hệ.

Đặc điểm này phân biệt rõ cân bằng hóa học với cân bằng tĩnh trong vật lý (ví dụ một vật đứng yên trên mặt bàn), nơi mọi chuyển động thực sự đã dừng lại. Vì vậy, cân bằng hóa học được gọi là cân bằng động.

Một cân bằng hóa học đạt được khi nào?

Một cân bằng hóa học đạt được khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch. Khi đó, nồng độ các chất trong hệ không đổi theo thời gian nhưng không nhất thiết bằng nhau.

Hằng số cân bằng Kc và biểu thức cân bằng hóa học

Xét phản ứng thuận nghịch tổng quát ở trạng thái cân bằng:

\[aA+bB\rightleftharpoons cC+dD\]

Hằng số cân bằng Kc được xác định theo biểu thức:

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

Trong đó [A], [B], [C], [D] là nồng độ mol/L của các chất tại thời điểm cân bằng; a, b, c, d là hệ số tỉ lượng tương ứng trong phương trình hóa học đã cân bằng.

Lưu ý quan trọng khi viết biểu thức Kc

Đây là điểm thường gây mất điểm trong bài thi. Chất rắn và chất lỏng nguyên chất không xuất hiện trong biểu thức hằng số cân bằng Kc, do nồng độ của chúng được coi là không đổi trong suốt quá trình phản ứng.

Ví dụ, với phản ứng nhiệt phân đá vôi:

\[CaCO_3(s)\rightleftharpoons CaO(s)+CO_2(g)\]

Biểu thức hằng số cân bằng chỉ gồm chất khí: \(K_c=[CO_2]\), hoàn toàn không chứa CaCO₃ và CaO vì cả hai đều ở thể rắn.

Ý nghĩa của giá trị Kc

Giá trị Kc phản ánh mức độ diễn ra của phản ứng thuận tại trạng thái cân bằng:

• Kc càng lớn: tử số (nồng độ sản phẩm) lớn hơn nhiều so với mẫu số, chứng tỏ phản ứng thuận chiếm ưu thế, tại cân bằng lượng sản phẩm tạo thành nhiều.

• Kc càng nhỏ: cân bằng nghiêng về phía chất đầu, phản ứng thuận xảy ra ở mức độ thấp, lượng sản phẩm tạo thành ít.

Kc phụ thuộc vào yếu tố nào?

Một lưu ý cốt lõi khác: hằng số cân bằng Kc chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng [1], không phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của các chất, cũng không phụ thuộc vào áp suất hay sự có mặt của chất xúc tác. Nếu giữ nguyên nhiệt độ, dù thay đổi nồng độ ban đầu như thế nào thì khi hệ đạt cân bằng, giá trị Kc vẫn không đổi.

Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học

Nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

Sự chuyển dịch cân bằng hóa học là sự phá vỡ trạng thái cân bằng cũ để chuyển sang một trạng thái cân bằng mới, do các yếu tố bên ngoài tác động lên hệ.

Nguyên lí Le Chatelier có thể được phát biểu: một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng, khi chịu một tác động từ bên ngoài như biến đổi nồng độ, nhiệt độ hoặc áp suất, thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó [1].

Đây là nguyên lí quan trọng để học sinh xác định chiều chuyển dịch cân bằng khi điều kiện của hệ thay đổi.

Ba yếu tố được xét trong chương trình Kết nối tri thức

Chương trình Hóa học 11 Kết nối tri thức tập trung vào ba yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học: nồng độ, nhiệt độ và áp suất [1].

Vai trò của chất xúc tác

Cần đặc biệt lưu ý: chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng hóa học. Lý do là chất xúc tác làm tăng tốc độ của cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch với mức độ như nhau, nên không làm thay đổi tỉ lệ nồng độ các chất tại cân bằng, cũng không làm thay đổi giá trị Kc. Vai trò duy nhất của chất xúc tác là giúp hệ đạt tới trạng thái cân bằng nhanh hơn.

Ảnh hưởng của nồng độ

Quy tắc: khi tăng nồng độ của một chất trong hệ cân bằng, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ chất đó (tức là chiều phản ứng tiêu thụ chất đó); ngược lại, khi giảm nồng độ một chất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nồng độ chất đó.

Xét ví dụ:

\[CH_3COONa+H_2O\rightleftharpoons CH_3COOH+NaOH\]

Nếu thêm CH₃COONa vào hệ (tăng nồng độ chất đầu), cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận để tiêu thụ bớt lượng CH₃COONa vừa thêm vào, làm tăng lượng CH₃COOH và NaOH. Ngược lại, nếu thêm NaOH (tăng nồng độ sản phẩm), cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.

Lưu ý: việc thêm hoặc bớt chất rắn nguyên chất không làm chuyển dịch cân bằng, vì nồng độ chất rắn được coi là không đổi.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ là nguồn năng lượng cung cấp cho các hạt. Khi tăng nhiệt độ, tốc độ cả hai chiều phản ứng đều tăng do các hạt có động năng lớn hơn để vượt qua ngưỡng năng lượng hoạt hóa. Tuy nhiên, chiều thu nhiệt (chiều hấp thụ năng lượng) sẽ được ưu tiên hơn vì nó sẽ cần nhiệt để diễn ra. Do đó, tăng nhiệt độ luôn làm cân bằng dịch chuyển theo chiều thu nhiệt và ngược lại.

Vì vậy, học sinh có thể rút ra quy tắc sau: khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt (chiều có \(\Delta H>0\)) để hấp thụ bớt lượng nhiệt vừa cung cấp; khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều tỏa nhiệt (chiều có \(\Delta H<0\)) để bù lại phần nhiệt bị lấy đi.

Xét ví dụ kinh điển:

\[2NO_2(g)\rightleftharpoons N_2O_4(g),\quad \Delta_rH_{298}^{\circ}=-58\,\mathrm{kJ}\]

Khí NO₂ có màu nâu đỏ, còn N₂O₄ không màu. Phản ứng thuận là tỏa nhiệt (\(\Delta H<0\)), phản ứng nghịch là thu nhiệt.

• Khi ngâm bình chứa hỗn hợp vào nước nóng (tăng nhiệt độ), cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều thu nhiệt), làm tăng lượng NO₂, hỗn hợp khí đậm màu hơn.

• Khi ngâm bình vào nước đá (giảm nhiệt độ), cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều tỏa nhiệt), làm tăng lượng N₂O₄, hỗn hợp khí nhạt màu hơn.

Đây là lý do thí nghiệm này thường được dùng để minh họa trực quan sự chuyển dịch cân bằng.

Ảnh hưởng của áp suất

Áp suất chỉ ảnh hưởng đến cân bằng của các hệ có chất khí tham gia và tổng số mol khí ở hai vế phải khác nhau.

Quy tắc: khi tăng áp suất chung của hệ, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol khí (chiều có tổng hệ số khí nhỏ hơn); khi giảm áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng số mol khí.

Xét ví dụ:

\[N_2(g)+3H_2(g)\rightleftharpoons2NH_3(g)\]

Vế trái có 1 + 3 = 4 mol khí, vế phải có 2 mol khí. Khi tăng áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (từ 4 mol khí về 2 mol khí) để làm giảm số mol khí, qua đó làm giảm áp suất chung của hệ. Kết quả là hiệu suất tạo NH₃ tăng lên.

Trường hợp đặc biệt: nếu tổng số mol khí ở hai vế bằng nhau thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng. Ví dụ với phản ứng \(H_2(g)+I_2(g)\rightleftharpoons2HI(g)\), cả hai vế đều có 2 mol khí, nên việc thay đổi áp suất không làm cân bằng chuyển dịch.

Tóm lại, các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học gồm nồng độ, nhiệt độ và áp suất đối với hệ thích hợp. Chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng mà chỉ giúp hệ đạt trạng thái cân bằng nhanh hơn.

Ứng dụng của cân bằng hóa học trong thực tiễn

Tổng hợp ammonia trong công nghiệp (quá trình Haber)

\[N_2(g)+3H_2(g)\rightleftharpoons2NH_3(g),\quad\Delta_rH_{298}^{\circ}<0\]

Đây là phản ứng có ý nghĩa sống còn đối với ngành sản xuất phân bón toàn cầu. Dựa trên nguyên lí Le Chatelier, các điều kiện vận hành được điều chỉnh như sau:

• Về áp suất: do vế trái có 4 mol khí và vế phải chỉ có 2 mol khí, việc tăng áp suất sẽ đẩy cân bằng theo chiều thuận. Vì vậy quá trình được vận hành ở áp suất cao (khoảng 150–200 bar).

• Về nhiệt độ: phản ứng thuận tỏa nhiệt, nên về mặt lý thuyết, nhiệt độ thấp sẽ có lợi cho việc tạo NH₃. Tuy nhiên, nhiệt độ quá thấp khiến tốc độ phản ứng chậm đến mức không có giá trị kinh tế. Do đó, thực tế phải chọn nhiệt độ trung bình (khoảng 400–450 °C) — một sự thỏa hiệp giữa hiệu suất cân bằng và tốc độ phản ứng.

• Về nồng độ: NH₃ tạo thành được liên tục hóa lỏng và tách ra khỏi hệ, làm giảm nồng độ sản phẩm, khiến cân bằng tiếp tục chuyển dịch theo chiều thuận.

• Về xúc tác: sử dụng xúc tác sắt (Fe) không làm chuyển dịch cân bằng nhưng giúp hệ đạt cân bằng nhanh hơn ở nhiệt độ vận hành.

Tổng hợp SO₃ trong sản xuất sulfuric acid

\[2SO_2(g)+O_2(g)\rightleftharpoons2SO_3(g),\quad\Delta_rH_{298}^{\circ}<0\]

Đây là giai đoạn then chốt trong quy trình sản xuất H₂SO₄ theo phương pháp tiếp xúc.

• Về áp suất: vế trái có 3 mol khí, vế phải có 2 mol khí, nên tăng áp suất sẽ có lợi cho việc tạo SO₃. Tuy nhiên, trong thực tế, phản ứng này đã đạt hiệu suất rất cao ngay ở áp suất thường, nên không cần đầu tư thiết bị chịu áp suất cao tốn kém.

• Về nhiệt độ: phản ứng thuận tỏa nhiệt nên nhiệt độ thấp có lợi về mặt cân bằng, nhưng lại làm phản ứng diễn ra quá chậm. Điều kiện vận hành thực tế là khoảng 450 °C kết hợp xúc tác V₂O₅.

Ý nghĩa thực tế

Hiểu rõ cân bằng hóa học và nguyên lí Le Chatelier cho phép ngành công nghiệp hóa chất lựa chọn bộ điều kiện phản ứng tối ưu, cân đối giữa hiệu suất cân bằng, tốc độ phản ứng và chi phí thiết bị, nhằm thu được lượng sản phẩm lớn nhất với giá thành thấp nhất.

Bài tập cân bằng hóa học lớp 11

Câu hỏi bài tập cân bằng hóa học

Câu 1. Phản ứng nào sau đây là phản ứng thuận nghịch?

A. \(2KClO_3\rightarrow2KCl+3O_2\)

B. \(N_2(g)+3H_2(g)\rightleftharpoons2NH_3(g)\)

C. \(CH_4+2O_2\rightarrow CO_2+2H_2O\)

D. \(Fe+2HCl\rightarrow FeCl_2+H_2\)

Câu 2. Phát biểu nào sau đây đúng về trạng thái cân bằng hóa học?

A. Phản ứng thuận và phản ứng nghịch đều đã dừng lại

B. Nồng độ các chất trong hệ bằng nhau

C. Tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch

D. Chất đầu đã chuyển hóa hoàn toàn thành sản phẩm

Câu 3. Cho phản ứng:

\[CaCO_3(s)\rightleftharpoons CaO(s)+CO_2(g)\]

Biểu thức hằng số cân bằng Kc của phản ứng là

A. \(K_c=\frac{[CaO][CO_2]}{[CaCO_3]}\)

B. \(K_c=[CO_2]\)

C. \(K_c=\frac{[CaCO_3]}{[CaO][CO_2]}\)

D. \(K_c=[CaO][CO_2]\)

Câu 4. Cho cân bằng:

\[2NO_2(g)\rightleftharpoons N_2O_4(g),\quad \Delta_rH_{298}^{\circ}=-58\,\mathrm{kJ}\]

Khi tăng nhiệt độ của hệ, cân bằng sẽ

A. Chuyển dịch theo chiều thuận, hỗn hợp nhạt màu dần

B. Chuyển dịch theo chiều nghịch, hỗn hợp đậm màu dần

C. Không chuyển dịch

D. Chuyển dịch theo chiều thuận, hỗn hợp đậm màu dần

Câu 5. Cho cân bằng: \(H_2(g)+I_2(g)\rightleftharpoons2HI(g)\). Khi tăng áp suất chung của hệ, cân bằng sẽ

A. Chuyển dịch theo chiều thuận

B. Chuyển dịch theo chiều nghịch

C. Không chuyển dịch

D. Chuyển dịch theo chiều làm tăng số mol khí

Câu 6. Yếu tố nào sau đây không làm chuyển dịch cân bằng hóa học?

A. Nồng độ

B. Nhiệt độ

C. Áp suất (với hệ có số mol khí hai vế khác nhau)

D. Chất xúc tác

Câu 7 (tự luận). Cho cân bằng trong công nghiệp tổng hợp ammonia:

\[N_2(g)+3H_2(g)\rightleftharpoons2NH_3(g),\quad\Delta_rH_{298}^{\circ}=-92\,\mathrm{kJ}\]

a) Viết biểu thức hằng số cân bằng Kc của phản ứng.

b) Cân bằng chuyển dịch theo chiều nào khi:

(i) tăng áp suất chung của hệ

(ii) tăng nhiệt độ

(iii) liên tục tách NH₃ ra khỏi hệ?

c) Giải thích vì sao trong thực tế quá trình không được vận hành ở nhiệt độ thật thấp dù điều đó có lợi cho hiệu suất tạo NH₃.

Câu 8 (tự luận). Cho cân bằng: \(2SO_2(g)+O_2(g)\rightleftharpoons2SO_3(g),\ \Delta_rH_{298}^{\circ}<0\).

Hãy phân tích chiều chuyển dịch cân bằng khi:

(i) thêm khí O₂ vào hệ

(ii) giảm nhiệt độ

(iii) giảm áp suất chung của hệ

(iv) thêm xúc tác V₂O₅.

Đáp án và hướng dẫn giải bài tập cân bằng hóa học

Câu 1

Phân tích câu hỏi: Câu hỏi kiểm tra khả năng nhận diện phản ứng thuận nghịch. Dấu hiệu nhận biết duy nhất và trực tiếp nhất là ký hiệu mũi tên trong phương trình hóa học: mũi tên một chiều (→) là phản ứng một chiều, mũi tên hai chiều (⇌) là phản ứng thuận nghịch. Học sinh chỉ cần rà soát ký hiệu mũi tên ở từng đáp án.

Hướng dẫn giải: Các đáp án A, C, D đều dùng mũi tên một chiều (→) nên là phản ứng một chiều. Chỉ có đáp án B sử dụng mũi tên hai chiều (⇌), biểu thị phản ứng tổng hợp ammonia xảy ra đồng thời theo hai chiều trong cùng điều kiện.

Đáp án: B

Câu 2

Phân tích câu hỏi: Đây là dạng câu hỏi lý thuyết đánh vào các hiểu lầm phổ biến về cân bằng hóa học. Có ba hiểu lầm cần loại trừ: (1) nghĩ rằng cân bằng nghĩa là phản ứng dừng lại; (2) nghĩ rằng cân bằng nghĩa là nồng độ các chất bằng nhau; (3) nghĩ rằng cân bằng nghĩa là phản ứng đã xảy ra hoàn toàn. Học sinh cần quay lại đúng định nghĩa gốc trong SGK.

Hướng dẫn giải:

• A sai: cân bằng hóa học là cân bằng động, cả hai phản ứng vẫn tiếp tục xảy ra, không hề dừng lại.

• B sai: tại cân bằng, nồng độ các chất không đổi theo thời gian, chứ hoàn toàn không bắt buộc phải bằng nhau.

• D sai: phản ứng thuận nghịch không bao giờ xảy ra hoàn toàn, trong hệ luôn còn cả chất đầu lẫn sản phẩm.

• C đúng: đây chính là định nghĩa trạng thái cân bằng (\(v_{\mathrm{thuận}}=v_{\mathrm{nghịch}}\)).

Đáp án: C

Câu 3

Phân tích câu hỏi: Câu hỏi kiểm tra quy tắc viết biểu thức Kc, cụ thể là điểm dễ sai nhất: chất rắn và chất lỏng nguyên chất không được đưa vào biểu thức. Bước đầu tiên khi làm dạng bài này là xác định trạng thái của từng chất qua ký hiệu trong ngoặc: (s) là rắn, (l) là lỏng, (g) là khí, (aq) là dung dịch.

Hướng dẫn giải: Trong phản ứng đã cho, CaCO₃ ở thể rắn (s) và CaO cũng ở thể rắn (s), nên cả hai đều bị loại khỏi biểu thức Kc. Chất duy nhất còn lại là CO₂ ở thể khí (g), với hệ số tỉ lượng bằng 1. Do đó, biểu thức hằng số cân bằng là \(K_c=[CO_2]\). Các đáp án A, C, D đều sai vì đã đưa chất rắn vào biểu thức.

Đáp án: B

Câu 4

Phân tích câu hỏi: Câu hỏi thuộc dạng xác định chiều chuyển dịch khi thay đổi nhiệt độ, kết hợp với suy luận hiện tượng màu sắc. Cần thực hiện hai bước: (1) dựa vào dấu của ΔH để xác định chiều nào tỏa nhiệt, chiều nào thu nhiệt; (2) áp dụng nguyên lí Le Chatelier để xác định chiều chuyển dịch, rồi liên hệ với màu sắc của NO₂ (nâu đỏ) và N₂O₄ (không màu).

Hướng dẫn giải:

• Bước 1: \(\Delta_rH_{298}^{\circ}=-58\,\mathrm{kJ}<0\) nên phản ứng thuận là phản ứng tỏa nhiệt, suy ra phản ứng nghịch là phản ứng thu nhiệt.

• Bước 2: Khi tăng nhiệt độ, theo nguyên lí Le Chatelier, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động — tức là chiều thu nhiệt, chính là chiều nghịch.

• Bước 3: Chiều nghịch tạo thêm NO₂ (khí màu nâu đỏ), nên hỗn hợp khí đậm màu dần.

Đáp án: B

Câu 5

Phân tích câu hỏi: Đây là câu hỏi bẫy điển hình về ảnh hưởng của áp suất. Học sinh thường máy móc kết luận rằng tăng áp suất luôn làm cân bằng chuyển dịch, mà quên kiểm tra điều kiện tiên quyết: tổng số mol khí ở hai vế có khác nhau hay không. Bước bắt buộc là đếm số mol khí ở mỗi vế trước khi kết luận.

Hướng dẫn giải:

• Vế trái: H₂(g) + I₂(g) → 1 + 1 = 2 mol khí.

• Vế phải: 2HI(g) → 2 mol khí.

• Tổng số mol khí hai vế bằng nhau (2 = 2), nên việc tăng hay giảm áp suất chung đều không làm thay đổi tỉ lệ nồng độ các chất tại cân bằng. Cân bằng không chuyển dịch.

Đáp án: C

Câu 6

Phân tích câu hỏi: Câu hỏi kiểm tra kiến thức về vai trò của chất xúc tác. Đây là nội dung thường bị nhầm lẫn nhất trong chương này. Cần phân biệt rõ hai khái niệm: yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ đạt cân bằng và yếu tố ảnh hưởng đến vị trí cân bằng.

Hướng dẫn giải: Nồng độ, nhiệt độ và áp suất (trong hệ có số mol khí hai vế khác nhau) đều làm chuyển dịch cân bằng theo nguyên lí Le Chatelier. Riêng chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với mức độ như nhau, nên không làm thay đổi vị trí cân bằng cũng như giá trị Kc; nó chỉ giúp hệ đạt tới trạng thái cân bằng nhanh hơn.

Đáp án: D

Câu 7

Phân tích câu hỏi: Đây là dạng bài tự luận tổng hợp, yêu cầu vận dụng đồng thời ba nội dung: viết biểu thức Kc, áp dụng nguyên lí Le Chatelier cho ba loại tác động khác nhau, và hiểu được sự đánh đổi giữa hiệu suất cân bằng với tốc độ phản ứng trong thực tế công nghiệp. Với ý (b), cần xử lý từng tác động độc lập theo đúng quy tắc riêng của từng yếu tố: áp suất thì đếm số mol khí, nhiệt độ thì xét dấu ΔH, nồng độ thì xét chiều bù trừ.

Hướng dẫn giải:

a) Cả ba chất N₂, H₂, NH₃ đều ở thể khí nên đều xuất hiện trong biểu thức:

\[K_c=\frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}\]

b)

• (i) Tăng áp suất chung: Vế trái có 1 + 3 = 4 mol khí, vế phải có 2 mol khí. Cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol khí, tức chiều thuận (chiều tạo NH₃).

• (ii) Tăng nhiệt độ: \(\Delta_rH_{298}^{\circ}=-92\,\mathrm{kJ}<0\) nên chiều thuận tỏa nhiệt, chiều nghịch thu nhiệt. Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt, tức chiều nghịch (làm giảm hiệu suất tạo NH₃).

• (iii) Tách NH₃ ra khỏi hệ: Nồng độ sản phẩm giảm, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nồng độ NH₃, tức chiều thuận.

c) Về mặt cân bằng, nhiệt độ thấp làm cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều tỏa nhiệt), có lợi cho hiệu suất tạo NH₃. Tuy nhiên, nhiệt độ thấp đồng thời làm tốc độ phản ứng giảm mạnh, khiến hệ cần thời gian rất lâu mới đạt tới cân bằng — điều này không khả thi về mặt kinh tế. Vì vậy, trong công nghiệp, quá trình được vận hành ở nhiệt độ trung bình (khoảng 400–450 °C) kết hợp với chất xúc tác sắt, nhằm cân đối giữa hiệu suất cân bằng và tốc độ phản ứng.

Câu 8

Phân tích câu hỏi: Bài tập yêu cầu phân tích bốn tác động khác nhau lên cùng một hệ cân bằng. Chiến lược làm bài là xử lý từng tác động một cách độc lập, mỗi lần chỉ áp dụng đúng một quy tắc tương ứng. Trước khi bắt đầu, cần chuẩn bị hai dữ kiện nền: số mol khí ở hai vế (trái: 2 + 1 = 3 mol; phải: 2 mol) và dấu của ΔH (\(\Delta H<0\), chiều thuận tỏa nhiệt).

Hướng dẫn giải:

• (i) Thêm khí O₂: Nồng độ chất đầu tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều tiêu thụ bớt O₂, tức chiều thuận (tạo thêm SO₃).

• (ii) Giảm nhiệt độ: Chiều thuận tỏa nhiệt (\(\Delta H<0\)). Khi giảm nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều tỏa nhiệt để bù lại nhiệt bị lấy đi, tức chiều thuận.

• (iii) Giảm áp suất chung: Vế trái có 3 mol khí, vế phải có 2 mol khí. Khi giảm áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng số mol khí, tức chiều nghịch (làm giảm lượng SO₃).

• (iv) Thêm xúc tác V₂O₅: Cân bằng không chuyển dịch; xúc tác chỉ làm hệ đạt trạng thái cân bằng nhanh hơn mà không làm thay đổi vị trí cân bằng hay giá trị Kc.

Bài viết đã hệ thống lại những nội dung trọng tâm nhất của chủ đề cân bằng hóa học trong chương trình Hóa 11 Kết nối tri thức: bản chất của phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân bằng động (V thuận = V nghịch), cách viết biểu thức hằng số cân bằng Kc cùng lưu ý loại bỏ chất rắn và chất lỏng nguyên chất, nguyên lí Le Chatelier và ba yếu tố làm chuyển dịch cân bằng gồm nồng độ, nhiệt độ, áp suất. Trong đó chất xúc tác chỉ làm hệ đạt cân bằng nhanh hơn chứ không làm cân bằng chuyển dịch. Cân bằng hóa học là nhóm kiến thức xuất hiện đều đặn trong các đề kiểm tra và đề thi Hóa 11, nên việc nắm chắc quy tắc kèm kỹ năng phân tích đề sẽ giúp học sinh xử lý nhanh và chính xác mọi dạng câu hỏi.

Để tiếp tục ôn tập các chuyên đề khác trong chương trình, học sinh có thể tham khảo thêm tại chuyên mục Hóa học 11 – ZIM Academy.