Hôm nay, thầy sẽ cùng các em giải một bài tập rất điển hình về cân bằng hóa học và hiệu suất phản ứng trong chương trình Hóa học 11. Đây là dạng bài tập quan trọng, giúp chúng ta hiểu sâu hơn về nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier và ứng dụng của nó trong sản xuất công nghiệp, cụ thể là quá trình tổng hợp ammonia.

Chúng ta sẽ đi vào giải quyết từng yêu cầu của bài toán một cách chi tiết.

a. Tính giá trị biến thiên enthalpy chuẩn dựa vào enthalpy tạo thành và xác định chiều chuyển dịch cân bằng

Bước 1: Viết lại phương trình và xác định công thức tính.
Phản ứng đã cho: N₂ (g) + 3H₂ (g) ⇌ 2NH₃ (g)
Để tính biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng (ký hiệu là \( \Delta_rH^\circ_{298} \)) dựa vào enthalpy tạo thành chuẩn (ký hiệu là \( \Delta_fH^\circ_{298} \)), chúng ta áp dụng công thức:
\[ \Delta_rH^\circ_{298} = \sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{sản phẩm}) – \sum \Delta_fH^\circ_{298}(\text{chất đầu}) \]
Các em lưu ý phải nhân với hệ số tỉ lượng của mỗi chất trong phương trình phản ứng.

Bước 2: Tra cứu và thay số liệu vào công thức.
Theo đề bài, ta có:
– Enthalpy tạo thành chuẩn của NH₃: \( \Delta_fH^\circ_{298}(\text{NH}_3) = -45,9 \text{ kJ.mol}^{-1} \)
Theo quy ước, enthalpy tạo thành chuẩn của các đơn chất ở dạng bền vững nhất bằng 0. Do đó:
– Enthalpy tạo thành chuẩn của N₂: \( \Delta_fH^\circ_{298}(\text{N}_2) = 0 \text{ kJ.mol}^{-1} \)
– Enthalpy tạo thành chuẩn của H₂: \( \Delta_fH^\circ_{298}(\text{H}_2) = 0 \text{ kJ.mol}^{-1} \)

Áp dụng vào công thức, ta có:
\[ \Delta_rH^\circ_{298} = [2 \times \Delta_fH^\circ_{298}(\text{NH}_3)] – [1 \times \Delta_fH^\circ_{298}(\text{N}_2) + 3 \times \Delta_fH^\circ_{298}(\text{H}_2)] \]
\[ \Delta_rH^\circ_{298} = [2 \times (-45,9)] – [1 \times 0 + 3 \times 0] \]
\[ \Delta_rH^\circ_{298} = -91,8 \text{ kJ} \]

Bước 3: Xác định chiều chuyển dịch cân bằng khi tăng nhiệt độ.
Ta thấy giá trị \( \Delta_rH^\circ_{298} = -91,8 \text{ kJ} < 0 \). Điều này cho thấy phản ứng thuận (tổng hợp NH₃) là một phản ứng tỏa nhiệt.

Theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier (Lơ Sa-tơ-li-ê): “Khi một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta thay đổi một trong các yếu tố (nồng độ, nhiệt độ, áp suất) thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó.”

Khi chúng ta tăng nhiệt độ của hệ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ, tức là chiều của phản ứng thu nhiệt. Trong trường hợp này, đó là chiều nghịch (phân hủy NH₃ thành N₂ và H₂).

Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch.

b. Tính giá trị biến thiên enthalpy chuẩn dựa vào năng lượng liên kết và xác định chiều chuyển dịch cân bằng

Bước 1: Xác định các liên kết bị phá vỡ và được hình thành.
Phản ứng: N₂ (g) + 3H₂ (g) ⇌ 2NH₃ (g)
Để phản ứng xảy ra, các liên kết trong phân tử chất đầu phải bị phá vỡ và các liên kết mới trong phân tử sản phẩm được hình thành.
– Các liên kết bị phá vỡ: 1 liên kết ba N≡N trong phân tử N₂ và 3 liên kết đơn H-H trong 3 phân tử H₂.
– Các liên kết được hình thành: Trong một phân tử NH₃ có 3 liên kết đơn N-H. Vậy trong 2 phân tử NH₃ sẽ có \( 2 \times 3 = 6 \) liên kết N-H.

Bước 2: Viết công thức và tính toán.
Biến thiên enthalpy của phản ứng có thể được tính (một cách gần đúng) thông qua năng lượng liên kết theo công thức:
\[ \Delta_rH^\circ_{298} \approx \sum E_b(\text{chất đầu}) – \sum E_b(\text{sản phẩm}) \]
Trong đó \( E_b \) là năng lượng liên kết.

Dựa vào các giá trị đề bài cho:
– \( E_b(\text{N}\equiv\text{N}) = 945 \text{ kJ/mol} \)
– \( E_b(\text{H-H}) = 432 \text{ kJ/mol} \)
– \( E_b(\text{N-H}) = 386 \text{ kJ/mol} \)

Thay số vào công thức:
\[ \Delta_rH^\circ_{298} \approx [1 \times E_b(\text{N}\equiv\text{N}) + 3 \times E_b(\text{H-H})] – [2 \times 3 \times E_b(\text{N-H})] \]
\[ \Delta_rH^\circ_{298} \approx [945 + 3 \times 432] – [6 \times 386] \]
\[ \Delta_rH^\circ_{298} \approx [945 + 1296] – [2316] \]
\[ \Delta_rH^\circ_{298} \approx 2241 – 2316 \]
\[ \Delta_rH^\circ_{298} \approx -75 \text{ kJ} \]

Ghi chú của giáo viên: Các em có thể thấy giá trị tính theo năng lượng liên kết (-75 kJ) khác với giá trị tính theo enthalpy tạo thành (-91,8 kJ). Điều này là bình thường vì năng lượng liên kết là giá trị trung bình cho một loại liên kết trong nhiều hợp chất khác nhau, nên kết quả chỉ là gần đúng. Tuy nhiên, cả hai cách tính đều cho kết quả âm, khẳng định đây là phản ứng tỏa nhiệt.

Bước 3: Xác định chiều chuyển dịch cân bằng khi tăng nhiệt độ.
Tương tự như câu a, vì phản ứng thuận là tỏa nhiệt (\( \Delta_rH^\circ_{298} < 0 \)), nên khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều thu nhiệt) để chống lại sự tăng nhiệt độ đó.

c. Các biện pháp nhằm tăng hiệu suất tổng hợp ammonia

Để tăng hiệu suất, tức là làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (chiều tạo ra NH₃), chúng ta sẽ dựa vào nguyên lí Le Chatelier để phân tích các yếu tố ảnh hưởng.

1. Yếu tố Nhiệt độ:
– Phân tích: Phản ứng thuận (N₂ + 3H₂ → 2NH₃) là phản ứng tỏa nhiệt. Do đó, để tăng hiệu suất, chúng ta cần giảm nhiệt độ.
– Thực tế sản xuất: Tuy nhiên, nếu nhiệt độ quá thấp, tốc độ phản ứng sẽ rất chậm, không hiệu quả về mặt kinh tế. Vì vậy, người ta phải chọn một nhiệt độ “thỏa hiệp” là khoảng 400 – 450 °C. Ở nhiệt độ này, tốc độ phản ứng đủ nhanh và hiệu suất cũng ở mức chấp nhận được.

2. Yếu tố Áp suất:
– Phân tích: Ta so sánh tổng số mol khí ở hai vế của cân bằng:
– Vế trái (chất đầu): \( 1 + 3 = 4 \) mol khí.
– Vế phải (sản phẩm): 2 mol khí.
Khi tăng áp suất, cân bằng sẽ chuyển dịch về phía có số mol khí ít hơn để làm giảm áp suất. Trong trường hợp này là chiều thuận.
– Thực tế sản xuất: Quá trình Haber-Bosch được thực hiện ở áp suất rất cao, khoảng 150 – 200 bar, để tăng hiệu suất tạo thành NH₃.

3. Yếu tố Nồng độ:
– Phân tích: Để cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, ta có thể:
– Tăng nồng độ của các chất phản ứng (N₂ và H₂).
– Giảm nồng độ của sản phẩm (NH₃) bằng cách lấy nó ra khỏi hệ.
– Thực tế sản xuất: Người ta liên tục bổ sung hỗn hợp N₂ và H₂ vào buồng phản ứng. Đồng thời, khí NH₃ tạo thành được làm lạnh để hóa lỏng và tách ra khỏi hệ. Lượng N₂ và H₂ chưa phản ứng sẽ được tuần hoàn, quay trở lại buồng phản ứng.

4. Yếu tố Chất xúc tác:
– Phân tích: Chất xúc tác (thường là bột sắt trộn với các oxit như Al₂O₃, K₂O) làm tăng tốc độ của cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch lên như nhau.
– Vai trò: Chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng, tức là không làm tăng hiệu suất tại trạng thái cân bằng. Tuy nhiên, nó giúp cho phản ứng nhanh chóng đạt đến trạng thái cân bằng hơn, làm tăng hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất.

Tóm lại, để tăng hiệu suất tổng hợp NH₃, trong công nghiệp người ta áp dụng đồng bộ các biện pháp:
– Nhiệt độ tương đối cao (400-450°C) để đảm bảo tốc độ phản ứng.
– Áp suất rất cao (150-200 bar).
– Dùng chất xúc tác (bột sắt).
– Lấy NH₃ ra khỏi hệ một cách liên tục.

Hy vọng qua bài tập này, các em đã nắm vững hơn cách tính toán biến thiên enthalpy và vận dụng thành thạo nguyên lí Le Chatelier để giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học. Chúc các em học tốt