Bài tập này yêu cầu chúng ta xét sự thay đổi của tốc độ phản ứng thuận khi nồng độ các chất thay đổi. Phản ứng chúng ta đang xét là tổng hợp amoniac:
N₂ (g) + 3H₂ (g) ⇌ 2NH₃ (g)

Điều quan trọng nhất khi giải bài này là chúng ta cần xác định được biểu thức tốc độ tức thời của phản ứng.
Đối với các phản ứng đơn giản hoặc các bài toán ở chương trình lớp 10, nếu không có dữ liệu thực nghiệm cụ thể, chúng ta thường giả định bậc phản ứng của mỗi chất tham gia bằng hệ số tỉ lượng của nó trong phương trình phản ứng cân bằng.
Vì vậy, biểu thức tốc độ tức thời của phản ứng thuận sẽ là:
\[ v = k \times [N_2]^1 \times [H_2]^3 \]
Trong đó:

• \(v\) là tốc độ phản ứng tức thời.
• \(k\) là hằng số tốc độ phản ứng (giá trị của \(k\) không đổi nếu nhiệt độ không đổi).
• \([N_2]\) là nồng độ mol/lít của khí nitơ.
• \([H_2]\) là nồng độ mol/lít của khí hiđro.

Bây giờ, chúng ta sẽ lần lượt xét từng trường hợp cụ thể theo yêu cầu của bài toán nhé!

Trường hợp a) Nồng độ của H₂ giảm 2 lần, giữ nguyên nồng độ N₂

Bước 1: Gọi nồng độ ban đầu của N₂ và H₂ lần lượt là \([N_2]_1\) và \([H_2]_1\).
Tốc độ phản ứng ban đầu (\(v_1\)) sẽ là:
\[ v_1 = k \times [N_2]_1 \times [H_2]_1^3 \]

Bước 2: Khi nồng độ H₂ giảm 2 lần, nồng độ mới của H₂ sẽ là \([H_2]_2 = \frac{[H_2]_1}{2}\).
Nồng độ N₂ giữ nguyên, nên \([N_2]_2 = [N_2]_1\).

Bước 3: Tốc độ phản ứng mới (\(v_2\)) sẽ là:
\[ v_2 = k \times [N_2]_2 \times [H_2]_2^3 \]
Thế giá trị nồng độ mới vào biểu thức:
\[ v_2 = k \times [N_2]_1 \times \left(\frac{[H_2]_1}{2}\right)^3 \]
\[ v_2 = k \times [N_2]_1 \times \frac{[H_2]_1^3}{8} \]
\[ v_2 = \frac{1}{8} \times \left(k \times [N_2]_1 \times [H_2]_1^3\right) \]

Bước 4: So sánh \(v_2\) với \(v_1\).
Ta thấy phần trong ngoặc chính là \(v_1\). Vậy:
\[ v_2 = \frac{1}{8} \times v_1 \]
Kết luận: Khi nồng độ H₂ giảm 2 lần và nồng độ N₂ giữ nguyên, tốc độ phản ứng thuận giảm đi 8 lần.

Trường hợp b) Nồng độ của N₂ giảm 2 lần, giữ nguyên nồng độ H₂

Bước 1: Tốc độ phản ứng ban đầu (\(v_1\)) vẫn là:
\[ v_1 = k \times [N_2]_1 \times [H_2]_1^3 \]

Bước 2: Khi nồng độ N₂ giảm 2 lần, nồng độ mới của N₂ sẽ là \([N_2]_2 = \frac{[N_2]_1}{2}\).
Nồng độ H₂ giữ nguyên, nên \([H_2]_2 = [H_2]_1\).

Bước 3: Tốc độ phản ứng mới (\(v_2\)) sẽ là:
\[ v_2 = k \times [N_2]_2 \times [H_2]_2^3 \]
Thế giá trị nồng độ mới vào biểu thức:
\[ v_2 = k \times \left(\frac{[N_2]_1}{2}\right) \times [H_2]_1^3 \]
\[ v_2 = \frac{1}{2} \times \left(k \times [N_2]_1 \times [H_2]_1^3\right) \]

Bước 4: So sánh \(v_2\) với \(v_1\).
Ta thấy phần trong ngoặc chính là \(v_1\). Vậy:
\[ v_2 = \frac{1}{2} \times v_1 \]
Kết luận: Khi nồng độ N₂ giảm 2 lần và nồng độ H₂ giữ nguyên, tốc độ phản ứng thuận giảm đi 2 lần.

Trường hợp c) Nồng độ N₂ và H₂ tăng 2 lần

Bước 1: Tốc độ phản ứng ban đầu (\(v_1\)) vẫn là:
\[ v_1 = k \times [N_2]_1 \times [H_2]_1^3 \]

Bước 2: Khi nồng độ N₂ và H₂ đều tăng 2 lần, nồng độ mới sẽ là:
\([N_2]_2 = 2 \times [N_2]_1\)
\([H_2]_2 = 2 \times [H_2]_1\)

Bước 3: Tốc độ phản ứng mới (\(v_2\)) sẽ là:
\[ v_2 = k \times [N_2]_2 \times [H_2]_2^3 \]
Thế giá trị nồng độ mới vào biểu thức:
\[ v_2 = k \times (2 \times [N_2]_1) \times (2 \times [H_2]_1)^3 \]
\[ v_2 = k \times (2 \times [N_2]_1) \times (8 \times [H_2]_1^3) \]
\[ v_2 = (2 \times 8) \times \left(k \times [N_2]_1 \times [H_2]_1^3\right) \]
\[ v_2 = 16 \times \left(k \times [N_2]_1 \times [H_2]_1^3\right) \]

Bước 4: So sánh \(v_2\) với \(v_1\).
Ta thấy phần trong ngoặc chính là \(v_1\). Vậy:
\[ v_2 = 16 \times v_1 \]
Kết luận: Khi nồng độ N₂ và H₂ đều tăng 2 lần, tốc độ phản ứng thuận tăng lên 16 lần.

Tổng kết:
Qua bài tập này, chúng ta đã thấy rất rõ ràng rằng sự thay đổi nồng độ của các chất phản ứng ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phản ứng. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào bậc của mỗi chất trong biểu thức tốc độ. Đối với H₂ có bậc 3, khi nồng độ thay đổi 2 lần thì tốc độ phản ứng thay đổi \(2^3 = 8\) lần. Còn đối với N₂ có bậc 1, khi nồng độ thay đổi 2 lần thì tốc độ phản ứng thay đổi \(2^1 = 2\) lần.

Đây là một dạng bài tập cơ bản nhưng rất quan trọng để các em nắm vững khái niệm về tốc độ phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng. Cố gắng ghi nhớ biểu thức tốc độ và cách áp dụng nó nhé! Chúc các em học tốt!