Chào các em học sinh thân mến! Hôm nay, thầy sẽ hướng dẫn các em giải một bài tập về cân bằng hóa học, một dạng bài rất quan trọng trong chương trình Hóa học lớp 11 của chúng ta. Chúng ta sẽ cùng nhau phân tích từng bước thật chi tiết để các em có thể nắm vững kiến thức nhé!

Đề bài yêu cầu chúng ta tìm nồng độ mol của các chất ở trạng thái cân bằng của phản ứng sau:
CO₂(g) + H₂(g) CO(g) + H₂O(g)
Biết rằng hằng số cân bằng ở 850 độ C là \(K_c = 1\), và nồng độ mol ban đầu của CO₂ là 0,2M, của H₂ là 0,8M.

Chúng ta sẽ giải bài toán này bằng phương pháp bảng biến thiên nồng độ (hay còn gọi là bảng ICE – Initial, Change, Equilibrium).

Bước 1: Viết phương trình phản ứng và biểu thức hằng số cân bằng \(K_c\)
Phương trình phản ứng đã cho là:
CO₂(g) + H₂(g) CO(g) + H₂O(g)
Vì tất cả các chất đều ở thể khí, nên biểu thức hằng số cân bằng \(K_c\) được viết như sau:
\[ K_c = \frac{[CO][H_2O]}{[CO_2][H_2]} \]

Bước 2: Lập bảng biến thiên nồng độ (Bảng ICE)
Trong bảng này, chúng ta sẽ ghi lại nồng độ ban đầu, sự thay đổi nồng độ khi phản ứng đạt đến cân bằng, và nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng.
Các nồng độ ban đầu đã cho là: \( [CO_2]_{ban\_đầu} = 0,2 M \), \( [H_2]_{ban\_đầu} = 0,8 M \).
Vì lúc đầu chưa có sản phẩm, nên \( [CO]_{ban\_đầu} = 0 M \) và \( [H_2O]_{ban\_đầu} = 0 M \).

Gọi \(x\) là nồng độ mol của CO₂ đã phản ứng (hoặc H₂ đã phản ứng) để đạt trạng thái cân bằng. Theo tỉ lệ mol của phương trình, ta có:

	CO2(g)	+ H2(g)		CO(g)	+ H2O(g)
Nồng độ ban đầu (M)	0,2	0,8		0	0
Nồng độ phản ứng/tạo thành (M)	-x	-x		+x	+x
Nồng độ cân bằng (M)	(0,2 – x)	(0,8 – x)		x	x

Lưu ý quan trọng: Giá trị \(x\) phải luôn dương (\(x > 0\)) và không được lớn hơn nồng độ ban đầu của chất hết trước. Trong trường hợp này, \(0,2 – x > 0 \Rightarrow x < 0,2\). Bước 3: Thiết lập phương trình và giải giá trị của \(x\)
Chúng ta sẽ thay các nồng độ ở trạng thái cân bằng vào biểu thức \(K_c\) đã viết ở Bước 1:
\[ K_c = \frac{[CO][H_2O]}{[CO_2][H_2]} \]
Chúng ta đã biết \(K_c = 1\), vậy:
\[ 1 = \frac{(x)(x)}{(0,2 – x)(0,8 – x)} \]
\[ 1 = \frac{x^2}{0,16 – 0,2x – 0,8x + x^2} \]
\[ 1 = \frac{x^2}{x^2 – 1,0x + 0,16} \]
Nhân chéo hai vế, ta được:
\[ x^2 – 1,0x + 0,16 = x^2 \]
Chuyển \(x^2\) từ vế phải sang vế trái:
\[ x^2 – x^2 – 1,0x + 0,16 = 0 \]
\[ -1,0x + 0,16 = 0 \]
\[ 1,0x = 0,16 \]
\[ x = 0,16 \]

Bước 4: Kiểm tra điều kiện của \(x\)
Giá trị \(x = 0,16\) thỏa mãn điều kiện \(0 < x < 0,2\). Vì \(0,16 < 0,2\), nên \(0,2 - x > 0\). Điều này đảm bảo nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng là dương và có ý nghĩa.

Bước 5: Tính nồng độ mol của các chất ở trạng thái cân bằng
Bây giờ chúng ta sẽ thay giá trị \(x = 0,16\) vào các biểu thức nồng độ cân bằng đã xác định ở Bước 2:

Nồng độ CO₂ ở trạng thái cân bằng là:
\( [CO_2]_{cân\_bằng} = 0,2 – x = 0,2 – 0,16 = 0,04 M \)

Nồng độ H₂ ở trạng thái cân bằng là:
\( [H_2]_{cân\_bằng} = 0,8 – x = 0,8 – 0,16 = 0,64 M \)

Nồng độ CO ở trạng thái cân bằng là:
\( [CO]_{cân\_bằng} = x = 0,16 M \)

Nồng độ H₂O ở trạng thái cân bằng là:
\( [H_2O]_{cân\_bằng} = x = 0,16 M \)

Bước 6: Kiểm tra lại kết quả (rất nên làm để đảm bảo tính chính xác)
Chúng ta thay các nồng độ cân bằng vừa tìm được vào biểu thức \(K_c\):
\[ K_c = \frac{(0,16)(0,16)}{(0,04)(0,64)} \]
\[ K_c = \frac{0,0256}{0,0256} \]
\[ K_c = 1 \]
Giá trị \(K_c\) tính toán được bằng 1, trùng khớp với giá trị đề bài cho. Điều này chứng tỏ các tính toán của chúng ta là chính xác!

Kết luận:
Vậy, ở trạng thái cân bằng, nồng độ mol của các chất là:
– \( [CO_2] = 0,04 M \)
– \( [H_2] = 0,64 M \)
– \( [CO] = 0,16 M \)
– \( [H_2O] = 0,16 M \)

Thầy hy vọng qua bài giải chi tiết này, các em đã hiểu rõ cách tính toán nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng. Hãy luyện tập thêm nhiều dạng bài tập tương tự để củng cố kiến thức nhé! Chúc các em học tốt!