Chuyên đề: Cân bằng hoá học — Lý thuyết và Phương pháp giải

Vì dung tích bình là $1\text{ L}$ nên số mol bằng nồng độ mol ($C_M = n/1\text{ M}$).

Ta lập bảng biến thiên nồng độ theo phản ứng (đơn vị $\text{M}$):

Nồng độ các chất tại trạng thái cân bằng:

$$[\mathrm{N_2}] = 0{,}8\text{ M}, \quad [\mathrm{H_2}] = 2{,}4\text{ M}, \quad [\mathrm{NH_3}] = 0{,}4\text{ M}$$

Biểu thức hằng số cân bằng:

$$K_C = \frac{[\mathrm{NH_3}]^2}{[\mathrm{N_2}] \cdot [\mathrm{H_2}]^3} = \frac{(0{,}4)^2}{0{,}8 \cdot (2{,}4)^3} = \frac{0{,}16}{0{,}8 \cdot 13{,}824} \approx 0{,}0145$$

Kết luận: Tại cân bằng, $[\mathrm{N_2}] = 0{,}8\text{ M}$, $[\mathrm{H_2}] = 2{,}4\text{ M}$, $[\mathrm{NH_3}] = 0{,}4\text{ M}$ và hằng số cân bằng $K_C \approx 0{,}0145$.

Phản ứng thuận có $\Delta_r H_{298}^o = -198\text{ kJ} < 0$ (phản ứng toả nhiệt), phản ứng nghịch là phản ứng thu nhiệt. Số mol khí vế trái là $2 + 1 = 3\text{ mol}$, vế phải là $2\text{ mol}$.

• a) Tăng nhiệt độ: Hệ sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ (chiều phản ứng thu nhiệt) $\rightarrow$ Cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.
• b) Tăng áp suất chung: Hệ sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol khí (từ $3\text{ mol}$ khí xuống $2\text{ mol}$ khí) $\rightarrow$ Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.
• c) Thêm xúc tác $\mathrm{V_2O_5}$ : Chất xúc tác làm tăng đồng thời tốc độ phản ứng thuận và nghịch $\rightarrow$ Không làm chuyển dịch cân bằng.
• d) Tách $\mathrm{SO_3}$ ra khỏi hệ: Giảm nồng độ sản phẩm $\mathrm{SO_3}$ $\rightarrow$ Hệ chuyển dịch theo chiều bù đắp $\mathrm{SO_3}$ đã mất $\rightarrow$ Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

Kết luận: a) Chiều nghịch; b) Chiều thuận; c) Không chuyển dịch; d) Chiều thuận.

• Cân bằng (1): $\mathrm{CH_3COOH}$ nhường $\mathrm{H^+}$ cho $\mathrm{H_2O}$ nên $\mathrm{CH_3COOH}$ là acid, $\mathrm{H_2O}$ là base. Các cặp acid – base liên hợp: $\mathrm{CH_3COOH / CH_3COO^-}$ và $\mathrm{H_3O^+ / H_2O}$.
• Cân bằng (2): $\mathrm{NH_3}$ nhận $\mathrm{H^+}$ từ $\mathrm{H_2O}$ nên $\mathrm{NH_3}$ là base, $\mathrm{H_2O}$ là acid. Các cặp acid – base liên hợp: $\mathrm{NH_4^+ / NH_3}$ và $\mathrm{H_2O / OH^-}$.
• Cân bằng (3): $\mathrm{HCO_3^-}$ nhường $\mathrm{H^+}$ cho $\mathrm{H_2O}$ nên $\mathrm{HCO_3^-}$ đóng vai trò là acid, $\mathrm{H_2O}$ là base. Cặp acid – base liên hợp: $\mathrm{HCO_3^- / CO_3^{2-}}$ và $\mathrm{H_3O^+ / H_2O}$.

Kết luận: Nước ($\mathrm{H_2O}$) là chất lưỡng tính (đóng vai trò là base ở cân bằng 1, 3 và đóng vai trò acid ở cân bằng 2).

Bước 1: Tính số mol $\mathrm{H^+}$ và $\mathrm{OH^-}$ ban đầu

$$n_{\mathrm{H^+}} = n_{\mathrm{HCl}} = 0{,}1\text{ L} \cdot 0{,}1\text{ M} = 0{,}01\text{ mol}$$

$$n_{\mathrm{OH^-}} = n_{\mathrm{NaOH}} = 0{,}1\text{ L} \cdot 0{,}06\text{ M} = 0{,}006\text{ mol}$$

Bước 2: Viết phương trình ion thu gọn và tính lượng ion dư

$$\mathrm{H^+ + OH^- \rightarrow H_2O}$$

Vì $n_{\mathrm{H^+}} > n_{\mathrm{OH^-}}$ ($0{,}01 > 0{,}006$) nên $\mathrm{H^+}$ dư, dung dịch sau phản ứng có môi trường acid:

$$n_{\mathrm{H^+ (dư)}} = 0{,}01 - 0{,}006 = 0{,}004\text{ mol}$$

Bước 3: Tính nồng độ $[\mathrm{H^+}]$ và giá trị $\mathrm{pH}$

Thể tích dung dịch sau khi trộn: $V_X = 100 + 100 = 200\text{ mL} = 0{,}2\text{ L}$.

$$[\mathrm{H^+}]_{\text{dư}} = \frac{0{,}004\text{ mol}}{0{,}2\text{ L}} = 0{,}02\text{ M} = 2 \cdot 10^{-2}\text{ M}$$

$$\mathrm{pH} = -\lg[\mathrm{H^+}] = -\lg(0{,}02) = 2 - \lg 2 \approx 2 - 0{,}301 = 1{,}699 \approx 1{,}70$$

Kết luận: Giá trị $\mathrm{pH}$ của dung dịch $X$ thu được là $1{,}70$.