cho phản ứng sau ở một nhiệt độ nhất định: N2+3H2 tạo thành 2NH3. Nồng độ(mol/l)…

Chào các em học sinh thân mến! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài toán về cân bằng hóa học. Đây là dạng bài tập rất quan trọng trong chương trình Hóa học lớp 11, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự chuyển dịch của các phản ứng thuận nghịch. Các em hãy chú ý theo dõi nhé!

Để giải bài toán này, chúng ta sẽ áp dụng phương pháp lập bảng cân bằng (thường gọi là bảng ICE – Initial, Change, Equilibrium) và sử dụng biểu thức hằng số cân bằng $K_{\text{c}}$.

Step 1: Viết phương trình phản ứng và lập bảng cân bằng nồng độ (ICE table).

Phương pháp này giúp chúng ta hệ thống hóa nồng độ các chất ở trạng thái ban đầu, sự thay đổi nồng độ khi phản ứng diễn ra, và nồng độ các chất khi đạt cân bằng. Đây là một công cụ rất hữu ích để giải các bài tập về cân bằng hóa học.

Phương trình phản ứng:

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

Gọi $x$ là nồng độ $\text{N}_2$ đã phản ứng khi đạt đến trạng thái cân bằng (đơn vị: mol/l).

Ta có bảng cân bằng như sau:

Điều kiện của để nồng độ các chất không âm:

$$0.21 – x > 0 \Rightarrow x < 0.21$$
$$2.6 – 3x > 0 \Rightarrow x < 2.6/3 \approx 0.867$$

Vậy, $0 < x < 0.21$.

Step 2: Viết biểu thức hằng số cân bằng $K_{\text{c}}$.

Hằng số cân bằng $K_{\text{c}}$ là một đại lượng đặc trưng cho trạng thái cân bằng của phản ứng ở một nhiệt độ nhất định. Nó được xác định bằng tỉ số giữa tích nồng độ sản phẩm và tích nồng độ chất phản ứng, với mỗi nồng độ được nâng lên lũy thừa bằng hệ số tỉ lượng của chất đó trong phương trình phản ứng đã cân bằng.

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

Step 3: Thay thế các giá trị nồng độ cân bằng vào biểu thức $K_{\text{c}}$ và giải phương trình để tìm $x$.

Việc giải phương trình là bước cần thiết để tìm giá trị của đại lượng $x$ đại diện cho lượng chất đã phản ứng, từ đó suy ra nồng độ cân bằng của tất cả các chất.

Thay nồng độ cân bằng vào biểu thức $K_{\text{c}}$ đã biết $K_{\text{c}}=2$:

$$2 = \frac{(2x)^{\text{2}}}{(0.21-x)(2.6-3x)^{\text{3}}}$$

Đây là một phương trình bậc cao, việc giải trực tiếp bằng tay ở cấp THPT là rất phức tạp. Trong các bài thi, thường sẽ có các điều kiện hoặc dữ kiện giúp đơn giản hóa phương trình (ví dụ, $K_{\text{c}}$ rất lớn hoặc rất nhỏ cho phép xấp xỉ), hoặc phương trình được thiết kế để có nghiệm nguyên/đẹp. Chúng ta hãy thử một giá trị $x$ hợp lí trong khoảng $(0\text{; 0.21})$, ví dụ $x=0.2$ (gần với giá trị tối đa của $x$).

Thử với $x=0.2\text{ mol/l}$:

• $[\text{N}_2]_{\text{cb}} = 0.21 – 0.2 = 0.01\text{ mol/l}$
• $[\text{H}_2]_{\text{cb}} = 2.6 – 3 \times 0.2 = 2.6 – 0.6 = 2.0\text{ mol/l}$
• $[\text{NH}_3]_{\text{cb}} = 2 \times 0.2 = 0.4\text{ mol/l}$

Thay các giá trị này vào biểu thức $K_{\text{c}}$:

$$K_{\text{c}} = \frac{(0.4)^{\text{2}}}{(0.01)(2.0)^{\text{3}}} = \frac{0.16}{0.01 \times 8} = \frac{0.16}{0.08} = 2$$

Kết quả tính toán khớp với giá trị $K_{\text{c}}=2$ đã cho. Vậy, giá trị $x=0.2$ là nghiệm đúng.

Step 4: Tính nồng độ cân bằng của từng chất.

Sau khi tìm được giá trị của $x$, chúng ta thay vào các biểu thức nồng độ cân bằng đã thiết lập ở Step 1 để tìm nồng độ cụ thể của mỗi chất tại trạng thái cân bằng.

• Nồng độ cân bằng của $\text{N}_2$ là: $[\text{N}_2]_{\text{cb}} = 0.21 – 0.2 = 0.01\text{ mol/l}$
• Nồng độ cân bằng của $\text{H}_2$ là: $[\text{H}_2]_{\text{cb}} = 2.6 – 3 \times 0.2 = 2.6 – 0.6 = 2.0\text{ mol/l}$
• Nồng độ cân bằng của $\text{NH}_3$ là: $[\text{NH}_3]_{\text{cb}} = 2 \times 0.2 = 0.4\text{ mol/l}$

Kết luận:

Nồng độ cân bằng của $\text{N}_2$, $\text{H}_2$, $\text{NH}_3$ tương ứng là 0,01 mol/l, 2,0 mol/l và 0,4 mol/l.

Thầy hy vọng bài giải chi tiết này đã giúp các em hiểu rõ cách làm bài tập cân bằng hóa học. Hãy luyện tập thêm nhiều bài tập tương tự để nắm vững kiến thức nhé!