Chuyên đề Tốc độ phản ứng và Cân bằng hóa học: Kc, Le Chatelier

Bạn thả một viên kẽm vào dung dịch axit clohiđric loãng — bọt khí hiđro thoát ra từ từ, phải đợi một lúc mới thấy rõ.
Bạn thả viên kẽm đó vào dung dịch axit clohiđric đậm đặc — bọt khí sủi lên ầm ầm, dung dịch nóng lên, viên kẽm tan nhanh thấy rõ.
Cùng một viên kẽm, cùng một loại axit, chỉ khác nhau nồng độ — vì sao tốc độ phản ứng lại khác nhau nhiều đến vậy?
Câu hỏi đó mở ra cả một chương lớn của hóa học: chương tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học.
Trong chương này, bạn sẽ học cách đo tốc độ phản ứng, học định luật tác dụng khối lượng cho biết tốc độ phụ thuộc vào nồng độ như thế nào, học vì sao đun nóng làm phản ứng nhanh hơn, vì sao xúc tác làm phản ứng nhanh hơn mà không bị tiêu hao, và học vì sao có những phản ứng không bao giờ đi đến cùng mà dừng lại ở một trạng thái cân bằng — trạng thái quyết định hiệu suất sản xuất amoniac, axit sunfuric và vô số hóa chất trong công nghiệp.
Chuyên đề này sẽ đi từ định nghĩa tốc độ phản ứng, qua các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ, tới năng lượng hoạt hóa và xúc tác, rồi tới cân bằng hóa học, hằng số cân bằng và nguyên lí Le Chatelier — kèm 8 ví dụ giải chi tiết từng bước, những lỗi sai mà học sinh hay mắc nhất, và 5 câu tự luyện có đáp án như giáo viên chữa bài.

1. Tốc độ phản ứng là gì? Đo tốc độ như thế nào?

Tốc độ phản ứng là độ biến thiên nồng độ của một chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian.
Với phản ứng A → B, tốc độ trung bình trong khoảng thời gian Δt được tính bằng độ giảm nồng độ của A chia cho Δt, hoặc bằng độ tăng nồng độ của B chia cho Δt.
Đơn vị của tốc độ phản ứng thường là mol trên lít trên giây, viết là mol/(L·s).
Ví dụ: nồng độ chất A giảm từ 0,8 mol/L xuống 0,5 mol/L trong 20 giây, tốc độ trung bình của phản ứng là (0,8 − 0,5) : 20 = 0,015 mol/(L·s).
Trong thực tế, người ta đo tốc độ phản ứng bằng cách theo dõi một đại lượng thay đổi theo thời gian: thể tích khí thoát ra, khối lượng chất rắn tan, màu sắc dung dịch, độ dẫn điện, áp suất.
Ví dụ: phản ứng giữa kẽm và axit clohiđric sinh ra khí hiđro — đo thể tích khí H₂ thoát ra sau mỗi 10 giây là biết phản ứng nhanh hay chậm.
Phản ứng giữa đá vôi CaCO₃ và axit HCl sinh ra khí CO₂ — cân khối lượng bình phản ứng theo thời gian cũng cho biết tốc độ, vì khí CO₂ thoát ra làm bình nhẹ dần.
Một điểm quan trọng: tốc độ phản ứng không phải là hằng số — nó giảm dần theo thời gian, vì chất phản ứng cạn dần.
Lúc đầu, nồng độ chất phản ứng cao nhất nên tốc độ lớn nhất; càng về sau, chất phản ứng càng ít, tốc độ càng chậm.
Người ta còn phân biệt tốc độ trung bình trong một khoảng thời gian và tốc độ tức thời tại một thời điểm — tốc độ tức thời là tốc độ trung bình khi khoảng thời gian xét rất ngắn, và nó được tính bằng độ dốc của tiếp tuyến với đồ thị nồng độ – thời gian tại thời điểm đó.
Trong chương trình phổ thông, bạn chủ yếu làm việc với tốc độ trung bình — nhưng hãy nhớ rằng mọi quy luật về tốc độ đều nói về tốc độ tức thời, còn tốc độ trung bình chỉ là giá trị trung bình của nó trong một khoảng thời gian.

2. Định luật tác dụng khối lượng và hằng số tốc độ

Năm 1864, hai nhà hóa học Na Uy Guldberg và Waage phát hiện ra một quy luật đơn giản mà sâu sắc: ở nhiệt độ xác định, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với tích số nồng độ của các chất phản ứng, mỗi nồng độ lũy thừa với một số mũ bằng hệ số của chất đó trong phương trình phản ứng (với phản ứng đơn giản).
Quy luật đó gọi là định luật tác dụng khối lượng.
Với phản ứng tổng quát aA + bB → sản phẩm, tốc độ phản ứng được viết: v = k × [A]ᵃ × [B]ᵇ.
Trong đó k là hằng số tốc độ — một đại lượng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng, không phụ thuộc vào nồng độ.
Số mũ a và b gọi là bậc riêng phần của phản ứng đối với A và B; tổng a + b gọi là bậc của phản ứng.
Ví dụ: phản ứng 2NO + O₂ → 2NO₂ có biểu thức tốc độ v = k × [NO]² × [O₂] — bậc 2 đối với NO, bậc 1 đối với O₂, bậc chung của phản ứng là 3.
Một hệ quả thực tế rất quan trọng: muốn tăng tốc độ phản ứng lên bao nhiêu lần thì tăng nồng độ chất phản ứng lên bấy nhiêu lần theo đúng số mũ.
Tăng nồng độ A lên 2 lần thì tốc độ tăng 2ᵃ lần; tăng nồng độ B lên 3 lần thì tốc độ tăng 3ᵇ lần.
Ví dụ: phản ứng có v = k × [A] × [B], tăng [A] lên 2 lần và [B] lên 3 lần thì tốc độ tăng 2 × 3 = 6 lần.
Định luật tác dụng khối lượng giải thích vì sao viên kẽm tan nhanh hơn trong axit đậm đặc: nồng độ HCl cao hơn thì số lần va chạm hiệu quả giữa ion H⁺ và bề mặt kẽm trong một giây nhiều hơn, phản ứng xảy ra nhanh hơn.
Nhưng cần lưu ý: định luật này chỉ đúng chính xác với phản ứng đơn giản (phản ứng xảy ra trong một giai đoạn); với phản ứng phức tạp xảy ra qua nhiều giai đoạn, bậc của phản ứng phải xác định bằng thực nghiệm, không suy ra trực tiếp từ hệ số phương trình.
Trong chương trình phổ thông, bạn chỉ cần nắm biểu thức tốc độ dạng v = k × [A]ᵐ × [B]ⁿ và biết cách tính tốc độ thay đổi khi nồng độ thay đổi — đó là dạng bài tập hay gặp nhất của phần này.

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

Có năm yếu tố chính làm thay đổi tốc độ phản ứng: nồng độ, áp suất, nhiệt độ, diện tích tiếp xúc và xúc tác.
Thứ nhất là nồng độ: nồng độ chất phản ứng càng cao thì tốc độ phản ứng càng lớn — vì số hạt chất phản ứng trong một đơn vị thể tích càng nhiều, số va chạm trong một giây càng nhiều, số va chạm hiệu quả càng nhiều.
Ví dụ: than cháy trong oxi nguyên chất nhanh hơn hẳn than cháy trong không khí — vì không khí chỉ chứa khoảng 21% oxi, còn oxi nguyên chất có nồng độ oxi cao gấp gần 5 lần.
Thứ hai là áp suất: với phản ứng có chất khí tham gia, tăng áp suất làm tăng nồng độ chất khí, do đó làm tăng tốc độ phản ứng.
Ví dụ: phản ứng tổng hợp amoniac N₂ + 3H₂ → 2NH₃ trong công nghiệp được thực hiện ở áp suất 200 đến 300 atm — áp suất cao vừa làm phản ứng nhanh hơn, vừa làm cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo amoniac.
Thứ ba là nhiệt độ: đây là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất.
Quy tắc kinh nghiệm của Van't Hoff: khi tăng nhiệt độ lên 10°C thì tốc độ phản ứng tăng lên từ 2 đến 4 lần.
Số lần tăng tốc độ khi tăng 10°C gọi là hệ số nhiệt độ, kí hiệu γ (gamma), thường có giá trị từ 2 đến 4.
Ví dụ: phản ứng có γ = 2, tăng nhiệt độ lên 30°C thì tốc độ tăng 2³ = 8 lần; tăng lên 40°C thì tốc độ tăng 2⁴ = 16 lần.
Vì sao đun nóng lại làm phản ứng nhanh hơn? Vì nhiệt độ càng cao, các hạt chuyển động càng nhanh, va chạm càng mạnh — và quan trọng hơn, số hạt có đủ năng lượng để vượt qua rào cản năng lượng (gọi là năng lượng hoạt hóa) tăng lên rất nhanh theo nhiệt độ.
Thứ tư là diện tích tiếp xúc: với phản ứng có chất rắn tham gia, chất rắn càng nhỏ (diện tích tiếp xúc càng lớn) thì phản ứng càng nhanh.
Ví dụ: cùng một khối lượng đá vôi, bột đá vôi tan trong axit nhanh hơn nhiều so với một hòn đá vôi nguyên khối — vì bột có diện tích tiếp xúc với axit lớn hơn hàng trăm lần.
Đó cũng là lí do vì sao than cám cháy nhanh hơn than cục, và vì sao người ta nghiền quặng thành bột mịn trước khi đưa vào lò luyện kim.
Thứ năm là xúc tác: chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng mà bản thân nó không bị tiêu hao trong phản ứng.
Ví dụ: MnO₂ là xúc tác cho phản ứng phân hủy H₂O₂ thành nước và oxi; Fe là xúc tác cho phản ứng tổng hợp amoniac; enzim trong cơ thể bạn là xúc tác sinh học cho hàng nghìn phản ứng.
Cơ chế của xúc tác sẽ được xét kĩ ở mục 4 — còn ở đây chỉ cần nhớ: xúc tác làm phản ứng nhanh hơn, nhưng không làm thay đổi cân bằng của phản ứng, và xúc tác không làm thay đổi năng lượng của chất đầu hay sản phẩm.

4. Năng lượng hoạt hóa và xúc tác — vì sao có phản ứng "ì ạch"?

Không phải cứ va chạm là phản ứng xảy ra.
Hai phân tử muốn phản ứng với nhau thì khi va chạm, chúng phải có đủ năng lượng để phá vỡ các liên kết cũ và tạo liên kết mới — năng lượng tối thiểu đó gọi là năng lượng hoạt hóa, kí hiệu Ea.
Hãy tưởng tượng một quả bóng muốn lăn qua một ngọn đồi: quả bóng phải có đủ năng lượng để lên tới đỉnh đồi rồi mới lăn xuống phía bên kia.
Các phân tử chất phản ứng cũng vậy: chúng phải "leo" qua một rào cản năng lượng — năng lượng hoạt hóa — rồi mới trở thành sản phẩm.
Phản ứng có Ea càng lớn thì càng ít phân tử đủ năng lượng để vượt qua rào cản, phản ứng càng chậm.
Phản ứng có Ea càng nhỏ thì càng nhiều phân tử vượt qua được, phản ứng càng nhanh.
Nhiệt độ tăng làm tăng số phân tử có năng lượng lớn hơn Ea — đó là lí do sâu xa vì sao đun nóng làm phản ứng nhanh hơn.
Xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách mở ra một con đường khác có năng lượng hoạt hóa thấp hơn.
Quả bóng vẫn phải leo đồi, nhưng xúc tác đã "đào một đường hầm" xuyên qua chân đồi — quả bóng không cần leo cao nữa mà đi qua hầm, tốn ít năng lượng hơn.
Trên đồ thị năng lượng, đường cong của phản ứng có xúc tác có đỉnh thấp hơn đường cong của phản ứng không có xúc tác — như hình minh họa trong ảnh nội dung của bài này.
Một điểm cực kì quan trọng: xúc tác chỉ làm giảm năng lượng hoạt hóa, nó không làm thay đổi năng lượng của chất phản ứng hay sản phẩm, không làm thay đổi nhiệt phản ứng, và không làm thay đổi hằng số cân bằng.
Xúc tác làm cho cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch đều nhanh hơn như nhau — vì vậy xúc tác làm phản ứng đạt cân bằng nhanh hơn, chứ không làm cân bằng chuyển dịch.
Trong công nghiệp, xúc tác là "linh hồn" của sản xuất hóa chất: không có xúc tác sắt, phản ứng tổng hợp amoniac chậm tới mức không thể sản xuất được; không có xúc tác platin, axit sunfuric không thể sản xuất với giá rẻ; không có enzim, thức ăn trong dạ dày của bạn sẽ mất hàng chục năm mới tiêu hóa xong.
Muốn hiểu sâu hơn vì sao liên kết cũ phải phá vỡ trước khi liên kết mới hình thành, bạn có thể xem lại chuyên đề liên kết hóa học: mọi phản ứng hóa học, xét đến cùng, đều là quá trình phá vỡ liên kết cũ và hình thành liên kết mới.

5. Phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân bằng

Có những phản ứng chỉ xảy ra theo một chiều: đốt than trong oxi cho CO₂, phản ứng gần như đi đến cùng, than cháy hết thì phản ứng dừng.
Nhưng cũng có những phản ứng xảy ra theo cả hai chiều: chất phản ứng biến thành sản phẩm, đồng thời sản phẩm lại biến trở về chất phản ứng.
Phản ứng như vậy gọi là phản ứng thuận nghịch, và trong phương trình người ta dùng mũi tên hai chiều thay cho mũi tên một chiều.
Ví dụ điển hình: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ — nitơ và hiđro kết hợp thành amoniac, đồng thời amoniac lại phân hủy thành nitơ và hiđro.
Ví dụ khác: H₂ + I₂ ⇌ 2HI; CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O (phản ứng este hóa); CaCO₃ ⇌ CaO + CO₂ (phản ứng nung vôi).
Khi một phản ứng thuận nghịch bắt đầu, lúc đầu chỉ có chất phản ứng nên tốc độ phản ứng thuận lớn nhất, tốc độ phản ứng nghịch bằng không.
Càng về sau, chất phản ứng cạn dần nên tốc độ thuận giảm dần; sản phẩm tăng dần nên tốc độ nghịch tăng dần.
Đến một lúc nào đó, tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch — phản ứng đạt trạng thái cân bằng hóa học.
Trạng thái cân bằng hóa học là trạng thái mà tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch, nồng độ các chất không đổi theo thời gian.
Một điểm rất dễ hiểu lầm: cân bằng không có nghĩa là phản ứng dừng lại.
Ở trạng thái cân bằng, cả hai phản ứng thuận và nghịch vẫn xảy ra liên tục với tốc độ bằng nhau — chất phản ứng vẫn biến thành sản phẩm, sản phẩm vẫn biến trở lại thành chất phản ứng, nhưng lượng chất biến đi và lượng chất sinh ra bù nhau nên nồng độ các chất không đổi.
Người ta gọi đó là cân bằng động — giống như hai đội kéo co ngang sức: dây không nhúc nhích, nhưng cả hai đội vẫn đang kéo hết sức.
Cân bằng hóa học có ba đặc điểm: thuận nghịch (chỉ phản ứng thuận nghịch mới có cân bằng), động (phản ứng vẫn xảy ra ở cả hai chiều) và bền (khi điều kiện bên ngoài không đổi, cân bằng được duy trì mãi).
Muốn hiểu vì sao phản ứng este hóa không bao giờ đi đến cùng mà luôn dừng ở cân bằng, bạn có thể xem lại chuyên đề phản ứng hóa học: phản ứng este hóa là phản ứng thuận nghịch, và hiệu suất của nó phụ thuộc vào cân bằng, không phải vào việc đun lâu hay đun mau.

6. Hằng số cân bằng — con số đặc trưng cho mỗi cân bằng

Ở trạng thái cân bằng, nồng độ các chất không đổi — nhưng chúng không đổi ở giá trị nào? Câu trả lời nằm trong hằng số cân bằng.
Với phản ứng thuận nghịch tổng quát aA + bB ⇌ cC + dD, hằng số cân bằng Kc được định nghĩa bằng tích nồng độ các sản phẩm (mỗi nồng độ lũy thừa với hệ số của chất đó) chia cho tích nồng độ các chất phản ứng (cũng lũy thừa với hệ số tương ứng).
Kc = [C]ᶜ × [D]ᵈ : ([A]ᵃ × [B]ᵇ).
Ví dụ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ có Kc = [NH₃]² : ([N₂] × [H₂]³).
Ví dụ: H₂ + I₂ ⇌ 2HI có Kc = [HI]² : ([H₂] × [I₂]).
Hằng số cân bằng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ — ở một nhiệt độ xác định, Kc của một phản ứng là một số không đổi, dù nồng độ ban đầu của các chất là bao nhiêu.
Kc càng lớn thì cân bằng càng lệch về phía sản phẩm — phản ứng càng "đi xa".
Kc càng nhỏ thì cân bằng càng lệch về phía chất phản ứng — phản ứng càng "đi ít".
Ví dụ: phản ứng H₂ + I₂ ⇌ 2HI ở 430°C có Kc ≈ 50 — cân bằng lệch về phía HI, phần lớn H₂ và I₂ đã biến thành HI.
Phản ứng N₂ + O₂ ⇌ 2NO ở 25°C có Kc ≈ 4,6 × 10⁻³¹ — một số cực kì nhỏ, nghĩa là ở nhiệt độ thường, nitơ và oxi trong không khí gần như không phản ứng với nhau.
Nhưng ở nhiệt độ rất cao (trong động cơ ô tô, trong tia sét), Kc tăng lên nhiều và một lượng nhỏ NO được tạo ra — NO này tiếp tục bị oxi hóa thành NO₂, gây ô nhiễm không khí.
Một quy ước quan trọng khi viết biểu thức Kc: nồng độ của chất rắn nguyên chất và chất lỏng nguyên chất không xuất hiện trong biểu thức, vì nồng độ của chúng là hằng số.
Ví dụ: CaCO₃(rắn) ⇌ CaO(rắn) + CO₂(khí) có Kc = [CO₂] — chỉ nồng độ của khí CO₂ xuất hiện.
Ngoài Kc tính theo nồng độ mol, với phản ứng có chất khí, người ta còn dùng Kp tính theo áp suất riêng phần — hai hằng số này liên hệ với nhau, nhưng trong chương trình phổ thông bạn chủ yếu làm việc với Kc.

7. Nguyên lí Le Chatelier — làm thế nào để "đẩy" cân bằng?

Năm 1884, nhà hóa học Pháp Henri Le Chatelier phát biểu một nguyên lí tổng quát: khi một hệ cân bằng chịu tác động từ bên ngoài (thay đổi nồng độ, áp suất hoặc nhiệt độ), cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động đó.
Nguyên lí này gọi là nguyên lí chuyển dịch cân bằng Le Chatelier, và nó là kim chỉ nam cho mọi quá trình sản xuất hóa chất trong công nghiệp.
Thứ nhất, thay đổi nồng độ: tăng nồng độ của một chất thì cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm nồng độ chất đó.
Ví dụ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ đang cân bằng, nếu thêm H₂ vào thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận (tạo thêm NH₃) để "tiêu thụ" bớt H₂ vừa thêm.
Ngược lại, nếu lấy NH₃ ra khỏi hệ (ngưng tụ amoniac thành lỏng và tách ra), cân bằng cũng chuyển dịch theo chiều thuận để "bù" lại lượng NH₃ vừa lấy đi.
Thứ hai, thay đổi áp suất: chỉ có ý nghĩa với phản ứng có chất khí và có sự thay đổi số mol khí.
Tăng áp suất thì cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol khí; giảm áp suất thì cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng số mol khí.
Ví dụ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ — vế trái có 4 mol khí, vế phải có 2 mol khí; tăng áp suất thì cân bằng chuyển theo chiều thuận, tạo thêm NH₃.
Ví dụ: CaCO₃(rắn) ⇌ CaO(rắn) + CO₂(khí) — vế trái không có khí, vế phải có 1 mol khí; tăng áp suất thì cân bằng chuyển theo chiều nghịch, CO₂ bị "ép" trở lại thành CaCO₃.
Thứ ba, thay đổi nhiệt độ: đây là yếu tố duy nhất làm thay đổi giá trị của hằng số cân bằng Kc.
Tăng nhiệt độ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt; giảm nhiệt độ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều tỏa nhiệt.
Ví dụ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ là phản ứng tỏa nhiệt (ΔH nhỏ hơn 0); tăng nhiệt độ thì cân bằng chuyển theo chiều nghịch, làm giảm hiệu suất tạo NH₃.
Đó là lí do vì sao nhà máy sản xuất amoniac phải chọn nhiệt độ vừa phải (khoảng 450°C): nhiệt độ cao thì phản ứng nhanh nhưng cân bằng bất lợi, nhiệt độ thấp thì cân bằng có lợi nhưng phản ứng quá chậm.
Một điểm cần nhớ: chất xúc tác không làm chuyển dịch cân bằng — xúc tác chỉ làm cho cân bằng đạt được nhanh hơn.
Trong công nghiệp sản xuất axit sunfuric, người ta dùng xúc tác V₂O₅ để phản ứng 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ đạt cân bằng nhanh, đồng thời dùng áp suất cao và nhiệt độ vừa phải để cân bằng lệch về phía SO₃ — đó là sự kết hợp cả ba yếu tố nồng độ, áp suất, nhiệt độ và xúc tác theo đúng nguyên lí Le Chatelier.

8. Ví dụ giải chi tiết — tính tốc độ và cân bằng từng bước

Ví dụ 1: Nồng độ chất A giảm từ 0,8 mol/L xuống 0,5 mol/L trong 20 giây. Tính tốc độ trung bình của phản ứng A → B.
Bước 1: Độ giảm nồng độ của A là 0,8 − 0,5 = 0,3 mol/L.
Bước 2: Tốc độ trung bình v = 0,3 : 20 = 0,015 mol/(L·s).
Đáp số: 0,015 mol/(L·s).
Lưu ý: tốc độ luôn là số dương — với chất phản ứng, lấy độ giảm nồng độ chia cho thời gian; với sản phẩm, lấy độ tăng nồng độ chia cho thời gian.

Ví dụ 2: Phản ứng có biểu thức tốc độ v = k × [A]², với k = 0,02 L/(mol·s). Tính tốc độ khi [A] = 0,5 mol/L và cho biết tốc độ thay đổi như thế nào khi tăng [A] lên gấp đôi.
Bước 1: Thay số: v = 0,02 × (0,5)² = 0,02 × 0,25 = 0,005 mol/(L·s).
Bước 2: Tăng [A] lên gấp đôi, tức là [A] = 1,0 mol/L: v' = 0,02 × (1,0)² = 0,02 mol/(L·s).
Bước 3: Tỉ số v' : v = 0,02 : 0,005 = 4 — tốc độ tăng 4 lần.
Đáp số: v = 0,005 mol/(L·s); tăng [A] gấp đôi thì tốc độ tăng 4 lần.
Lưu ý: vì bậc của phản ứng đối với A là 2 nên tốc độ tăng theo bình phương của nồng độ — tăng nồng độ 2 lần thì tốc độ tăng 2² = 4 lần.

Ví dụ 3: Một phản ứng có hệ số nhiệt độ γ = 2. Hỏi khi tăng nhiệt độ lên 30°C thì tốc độ phản ứng tăng lên bao nhiêu lần?
Bước 1: Tăng 10°C thì tốc độ tăng γ = 2 lần.
Bước 2: Tăng 30°C tức là tăng 3 lần 10°C, tốc độ tăng 2³ = 8 lần.
Đáp số: tốc độ tăng 8 lần.
Kiểm tra lại: tăng 10°C → 2 lần; tăng 20°C → 4 lần; tăng 30°C → 8 lần — đúng quy luật lũy thừa của hệ số nhiệt độ.

Ví dụ 4: Ở trạng thái cân bằng của phản ứng N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, nồng độ các chất là [N₂] = 0,1 mol/L, [H₂] = 0,3 mol/L, [NH₃] = 0,2 mol/L. Tính hằng số cân bằng Kc.
Bước 1: Viết biểu thức Kc = [NH₃]² : ([N₂] × [H₂]³).
Bước 2: Thay số: tử số = (0,2)² = 0,04; mẫu số = 0,1 × (0,3)³ = 0,1 × 0,027 = 0,0027.
Bước 3: Kc = 0,04 : 0,0027 = 14,81.
Đáp số: Kc = 14,81.
Lưu ý: số mũ trong biểu thức Kc là hệ số trong phương trình phản ứng — [H₂] lũy thừa 3 vì hệ số của H₂ là 3, [NH₃] lũy thừa 2 vì hệ số của NH₃ là 2.

Ví dụ 5: Phản ứng H₂ + I₂ ⇌ 2HI có Kc = 50 ở 430°C. Ban đầu, nồng độ H₂ và I₂ đều bằng 0,1 mol/L. Tính nồng độ các chất lúc cân bằng.
Bước 1: Gọi x là nồng độ H₂ đã phản ứng lúc cân bằng (mol/L).
Bước 2: Lúc cân bằng: [H₂] = [I₂] = 0,1 − x; [HI] = 2x.
Bước 3: Thay vào biểu thức Kc: (2x)² : (0,1 − x)² = 50.
Bước 4: Lấy căn bậc hai hai vế: 2x : (0,1 − x) = căn bậc hai của 50 ≈ 7,07.
Bước 5: Giải phương trình: 2x = 7,07 × (0,1 − x) = 0,707 − 7,07x, suy ra 9,07x = 0,707, x = 0,078 mol/L.
Bước 6: Nồng độ lúc cân bằng: [HI] = 2 × 0,078 = 0,156 mol/L; [H₂] = [I₂] = 0,1 − 0,078 = 0,022 mol/L.
Đáp số: [HI] = 0,156 mol/L; [H₂] = [I₂] = 0,022 mol/L.
Kiểm tra lại: (0,156)² : (0,022 × 0,022) = 0,0243 : 0,000484 ≈ 50 — khớp với Kc đã cho.

Ví dụ 6: Phản ứng 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ (ΔH nhỏ hơn 0) đang ở trạng thái cân bằng. Cho biết cân bằng chuyển dịch theo chiều nào khi tăng áp suất của hệ và khi tăng nhiệt độ của hệ?
Bước 1: Xét áp suất: vế trái có 3 mol khí (2 mol SO₂ + 1 mol O₂), vế phải có 2 mol khí SO₃.
Bước 2: Tăng áp suất, cân bằng chuyển theo chiều làm giảm số mol khí — tức là chiều thuận, tạo thêm SO₃.
Bước 3: Xét nhiệt độ: phản ứng thuận là phản ứng tỏa nhiệt (ΔH nhỏ hơn 0), phản ứng nghịch là phản ứng thu nhiệt.
Bước 4: Tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển theo chiều thu nhiệt — tức là chiều nghịch, tạo thêm SO₂ và O₂.
Đáp số: tăng áp suất thì cân bằng chuyển theo chiều thuận; tăng nhiệt độ thì cân bằng chuyển theo chiều nghịch.
Lưu ý: đây là lí do nhà máy sản xuất axit sunfuric dùng áp suất cao và nhiệt độ vừa phải (khoảng 450°C) — áp suất cao đẩy cân bằng về phía SO₃, còn nhiệt độ vừa phải là sự dung hòa giữa tốc độ phản ứng và hiệu suất cân bằng.

Ví dụ 7: Cho đá vôi CaCO₃ tác dụng với dung dịch HCl, thể tích khí CO₂ thu được theo thời gian như sau: 0 giây: 0 ml; 20 giây: 24 ml; 40 giây: 40 ml; 60 giây: 48 ml. Tính tốc độ trung bình của phản ứng trong 20 giây đầu và trong 20 giây cuối, rồi nhận xét.
Bước 1: Tốc độ trung bình trong 20 giây đầu (từ 0 đến 20 giây): thể tích CO₂ tăng 24 − 0 = 24 ml, tốc độ = 24 : 20 = 1,2 ml/s.
Bước 2: Tốc độ trung bình trong 20 giây cuối (từ 40 đến 60 giây): thể tích CO₂ tăng 48 − 40 = 8 ml, tốc độ = 8 : 20 = 0,4 ml/s.
Bước 3: So sánh: 1,2 ml/s lớn hơn 0,4 ml/s — tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian.
Đáp số: 1,2 ml/s trong 20 giây đầu; 0,4 ml/s trong 20 giây cuối; tốc độ giảm dần vì nồng độ HCl giảm dần khi phản ứng xảy ra.
Muốn tính nhanh các phép chia này, bạn có thể dùng máy tính Casio online để kiểm tra lại kết quả tính tay của mình.

Ví dụ 8: Phản ứng PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂ trong bình kín 1 lít. Ban đầu có 1 mol PCl₅. Lúc cân bằng, PCl₅ phân li 20%. Tính hằng số cân bằng Kc.
Bước 1: Số mol PCl₅ đã phân li lúc cân bằng là 1 × 20 : 100 = 0,2 mol.
Bước 2: Lúc cân bằng: n(PCl₅) = 1 − 0,2 = 0,8 mol; n(PCl₃) = 0,2 mol; n(Cl₂) = 0,2 mol.
Bước 3: Thể tích bình là 1 lít nên nồng độ bằng số mol: [PCl₅] = 0,8 mol/L; [PCl₃] = 0,2 mol/L; [Cl₂] = 0,2 mol/L.
Bước 4: Kc = [PCl₃] × [Cl₂] : [PCl₅] = 0,2 × 0,2 : 0,8 = 0,04 : 0,8 = 0,05.
Đáp số: Kc = 0,05.
Lưu ý: độ phân li 20% có nghĩa là 20% số mol ban đầu đã phản ứng — đừng nhầm thành 20% số mol còn lại.

9. Những lỗi sai hay gặp nhất khi làm bài về tốc độ và cân bằng

Lỗi 1: Nhầm tốc độ trung bình với tốc độ tức thời.
Tốc độ trung bình là độ biến thiên nồng độ chia cho khoảng thời gian, còn tốc độ tức thời là tốc độ tại một thời điểm cụ thể.
Vì tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian nên tốc độ trung bình trong 20 giây đầu luôn lớn hơn tốc độ trung bình trong 20 giây cuối — như ví dụ 7 ở trên: 1,2 ml/s so với 0,4 ml/s.
Cách tránh: đọc kĩ đề hỏi tốc độ trong khoảng thời gian nào — "trong 20 giây đầu" khác với "tại thời điểm 20 giây".

Lỗi 2: Viết biểu thức tốc độ với số mũ bằng hệ số phương trình cho mọi phản ứng.
Định luật tác dụng khối lượng với số mũ bằng hệ số chỉ đúng với phản ứng đơn giản.
Với phản ứng phức tạp, bậc của phản ứng phải xác định bằng thực nghiệm.
Cách tránh: trong chương trình phổ thông, đề bài luôn cho sẵn biểu thức tốc độ hoặc cho dữ kiện để suy ra bậc — hãy dùng dữ kiện đề cho, đừng tự suy số mũ từ hệ số phương trình khi đề không nói phản ứng là đơn giản.

Lỗi 3: Cho rằng xúc tác làm chuyển dịch cân bằng.
Xúc tác làm tăng tốc độ của cả phản ứng thuận và phản ứng nghịch như nhau, nên nó chỉ làm cho cân bằng đạt được nhanh hơn, chứ không làm cân bằng chuyển dịch theo chiều nào.
Hằng số cân bằng Kc không thay đổi khi thêm xúc tác — Kc chỉ thay đổi khi thay đổi nhiệt độ.
Cách tránh: nhớ khẩu hiệu "xúc tác làm nhanh, không làm lệch" — muốn làm lệch cân bằng thì thay đổi nồng độ, áp suất hoặc nhiệt độ.

Lỗi 4: Nhầm chiều chuyển dịch khi thay đổi áp suất.
Tăng áp suất thì cân bằng chuyển theo chiều làm giảm số mol khí — nhiều bạn nhớ ngược thành chiều tăng số mol khí.
Cách tránh: đếm số mol khí hai vế rồi hỏi "tăng áp suất thì hệ muốn giảm số mol khí, vậy nó đi về phía nào?" — phía nào ít mol khí hơn thì cân bằng chuyển về phía đó.
Ví dụ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, vế trái 4 mol khí, vế phải 2 mol khí — tăng áp suất thì cân bằng chuyển sang phải, về phía NH₃.

Lỗi 5: Quên rằng chất rắn và chất lỏng nguyên chất không có mặt trong biểu thức Kc.
Với cân bằng CaCO₃(rắn) ⇌ CaO(rắn) + CO₂(khí), biểu thức Kc chỉ là [CO₂], không có CaCO₃ hay CaO.
Nhiều bạn viết Kc = [CaO] × [CO₂] : [CaCO₃] là sai, vì nồng độ của chất rắn nguyên chất là hằng số và đã được gộp vào giá trị Kc.
Cách tránh: khi viết biểu thức Kc, chỉ đưa nồng độ của chất khí và chất tan trong dung dịch vào, bỏ qua chất rắn và chất lỏng nguyên chất.

10. Bài tập tự luyện — làm rồi mới xem đáp án nhé

Câu 1. Yếu tố nào sau đây làm tăng tốc độ phản ứng giữa đá vôi dạng bột và dung dịch HCl?
A. Giảm nồng độ dung dịch HCl
B. Giảm nhiệt độ của dung dịch
C. Nghiền đá vôi thành bột mịn hơn nữa
D. Thêm chất ức chế vào dung dịch
→ Đáp án: C. Giải thích: Nghiền đá vôi thành bột mịn hơn làm tăng diện tích tiếp xúc giữa đá vôi và axit, số va chạm hiệu quả trong một giây tăng lên, tốc độ phản ứng tăng. Đáp án A sai vì giảm nồng độ HCl làm giảm số ion H⁺, tốc độ phản ứng giảm. Đáp án B sai vì giảm nhiệt độ làm giảm số hạt có đủ năng lượng hoạt hóa, tốc độ phản ứng giảm. Đáp án D sai vì chất ức chế làm giảm tốc độ phản ứng, ngược với yêu cầu của đề bài.

Câu 2. Phản ứng có biểu thức tốc độ v = k × [A] × [B]. Nếu tăng nồng độ A lên 2 lần và tăng nồng độ B lên 3 lần thì tốc độ phản ứng tăng lên bao nhiêu lần?
A. 2 lần
B. 3 lần
C. 5 lần
D. 6 lần
→ Đáp án: D. Giải thích: Tốc độ mới v' = k × (2[A]) × (3[B]) = 6 × k × [A] × [B] = 6v — tốc độ tăng 6 lần. Đáp án A (2 lần) là kết quả khi chỉ tính riêng ảnh hưởng của A mà quên B. Đáp án B (3 lần) là kết quả khi chỉ tính riêng ảnh hưởng của B mà quên A. Đáp án C (5 lần) là kết quả khi cộng 2 + 3 thay vì nhân 2 × 3 — tốc độ tỉ lệ với tích các nồng độ, không phải tổng.

Câu 3. Một phản ứng có hệ số nhiệt độ γ = 3. Khi tăng nhiệt độ lên 20°C thì tốc độ phản ứng tăng lên bao nhiêu lần?
A. 3 lần
B. 6 lần
C. 9 lần
D. 27 lần
→ Đáp án: C. Giải thích: Tăng 10°C thì tốc độ tăng 3 lần; tăng 20°C tức là tăng 2 lần 10°C, tốc độ tăng 3² = 9 lần. Đáp án A (3 lần) là tốc độ tăng khi chỉ tăng 10°C, không phải 20°C. Đáp án B (6 lần) là kết quả khi lấy 3 × 2 — sai, vì quy tắc Van't Hoff là lũy thừa, không phải phép nhân. Đáp án D (27 lần) là tốc độ tăng khi tăng 30°C (3³ = 27), không phải 20°C.

Câu 4. Phản ứng N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (ΔH nhỏ hơn 0) đang ở trạng thái cân bằng. Khi tăng nhiệt độ của hệ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nào?
A. Chiều thuận
B. Chiều nghịch
C. Không chuyển dịch
D. Chuyển dịch theo cả hai chiều
→ Đáp án: B. Giải thích: Phản ứng thuận là phản ứng tỏa nhiệt (ΔH nhỏ hơn 0), phản ứng nghịch là phản ứng thu nhiệt. Tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt để làm giảm tác động của việc tăng nhiệt độ — tức là chiều nghịch, tạo thêm N₂ và H₂. Đáp án A sai vì chiều thuận tỏa nhiệt, tăng nhiệt độ sẽ ức chế chiều thuận. Đáp án C sai vì nhiệt độ là yếu tố làm thay đổi hằng số cân bằng nên cân bằng nhất định chuyển dịch. Đáp án D sai vì cân bằng chỉ chuyển dịch theo một chiều tại một thời điểm.

Câu 5. Phản ứng 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ đang ở trạng thái cân bằng. Khi tăng áp suất của hệ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nào?
A. Chiều thuận
B. Chiều nghịch
C. Không chuyển dịch
D. Chuyển dịch rồi trở lại vị trí cũ
→ Đáp án: A. Giải thích: Vế trái có 3 mol khí (2 mol SO₂ + 1 mol O₂), vế phải có 2 mol khí SO₃. Tăng áp suất, cân bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol khí — tức là chiều thuận, tạo thêm SO₃. Đáp án B sai vì chiều nghịch làm tăng số mol khí từ 2 lên 3, ngược với nguyên lí Le Chatelier khi tăng áp suất. Đáp án C sai vì phản ứng có sự thay đổi số mol khí nên áp suất ảnh hưởng tới cân bằng. Đáp án D sai vì cân bằng chuyển dịch tới một trạng thái cân bằng mới và ở yên đó, không tự trở lại vị trí cũ.

11. Câu hỏi thường gặp về tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học

Vì sao thức ăn để trong tủ lạnh lâu hỏng hơn để ngoài trời? Vì nhiệt độ thấp làm giảm tốc độ của các phản ứng hóa học và sinh hóa gây hư hỏng thực phẩm — vi khuẩn sinh sôi chậm hơn, các phản ứng oxi hóa chất béo, phân hủy protein xảy ra chậm hơn. Theo quy tắc Van't Hoff, giảm nhiệt độ 10°C thì tốc độ phản ứng giảm 2 đến 4 lần — tủ lạnh ở 4°C so với nhiệt độ phòng 30°C làm chậm các phản ứng gây hỏng thức ăn khoảng 4 đến 16 lần.

Vì sao phải bảo quản thuốc nổ ở nơi mát và tránh va chạm? Vì thuốc nổ là những chất có năng lượng hoạt hóa thấp và phản ứng phân hủy tỏa rất nhiều nhiệt — chỉ cần một va chạm mạnh hoặc một tia lửa nhỏ là đủ cung cấp năng lượng hoạt hóa, phản ứng xảy ra cực nhanh và tỏa nhiệt làm phản ứng lan ra toàn bộ khối thuốc nổ. Bảo quản ở nơi mát làm giảm số phân tử đạt năng lượng hoạt hóa, tránh va chạm là tránh cung cấp năng lượng kích hoạt.

Xúc tác có bị tiêu hao trong phản ứng không? Không. Xúc tác tham gia vào phản ứng ở giai đoạn trung gian nhưng được tái tạo lại ở cuối phản ứng, nên khối lượng và tính chất của xúc tác không thay đổi sau phản ứng. Ví dụ: MnO₂ xúc tác cho phản ứng phân hủy H₂O₂ — sau phản ứng, thu lại MnO₂ vẫn đủ khối lượng ban đầu và vẫn dùng được cho lần sau. Tuy nhiên, trong thực tế xúc tác có thể bị "ngộ độc" bởi tạp chất bám vào bề mặt, làm giảm hoạt tính theo thời gian.

Cân bằng hóa học có phải là phản ứng dừng lại không? Không. Ở trạng thái cân bằng, phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra liên tục với tốc độ bằng nhau — đó là cân bằng động. Nồng độ các chất không đổi không phải vì phản ứng dừng, mà vì lượng chất mất đi do phản ứng thuận đúng bằng lượng chất sinh ra do phản ứng nghịch. Nếu dùng chất đánh dấu đồng vị phóng xạ, người ta vẫn thấy các nguyên tử liên tục "chạy" qua lại giữa chất phản ứng và sản phẩm ngay cả khi hệ đã cân bằng.

Vì sao nhà máy sản xuất amoniac không dùng nhiệt độ thật thấp để hiệu suất cao nhất? Vì ở nhiệt độ thấp, cân bằng đúng là lệch mạnh về phía amoniac (phản ứng thuận tỏa nhiệt), nhưng tốc độ phản ứng lại quá chậm — phải chờ rất lâu mới đạt cân bằng, không sản xuất kịp. Nhà máy phải chọn nhiệt độ khoảng 450°C, áp suất 200 đến 300 atm và xúc tác sắt: đó là sự dung hòa giữa tốc độ và hiệu suất cân bằng — một bài toán kinh tế chứ không chỉ là bài toán hóa học.

Kết luận: nhanh hay chậm, lệch về đâu — đều có quy luật

Đi hết chuyên đề này, bạn đã có trong tay toàn bộ khung kiến thức của chương tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học: tốc độ phản ứng đo bằng độ biến thiên nồng độ trong một đơn vị thời gian; định luật tác dụng khối lượng cho biết tốc độ tỉ lệ với tích nồng độ các chất phản ứng; năm yếu tố nồng độ, áp suất, nhiệt độ, diện tích tiếp xúc và xúc tác làm thay đổi tốc độ; xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa mà không làm lệch cân bằng; và nguyên lí Le Chatelier cho biết cân bằng chuyển dịch về đâu khi thay đổi nồng độ, áp suất hay nhiệt độ.
Chỉ cần nhớ ba công thức — v = k × [A]ᵐ × [B]ⁿ, Kc = tích nồng độ sản phẩm chia tích nồng độ chất phản ứng, và quy tắc Van't Hoff (tăng 10°C, tốc độ tăng 2 đến 4 lần) — cùng nguyên lí Le Chatelier, bạn có thể giải thích và tính toán được hầu hết các bài tập của chương này.
Muốn đi xa hơn, hãy nối chuyên đề này với chuyên đề phản ứng hóa học để thấy các loại phản ứng đã học đều có tốc độ và cân bằng của riêng chúng, đối chiếu với chuyên đề dung dịch và nồng độ để tính nồng độ thật chắc trước khi tính tốc độ hay hằng số cân bằng, và dùng máy tính Casio online để kiểm tra lại từng phép tính lũy thừa và căn bậc hai của mình.
Làm lại 5 câu tự luyện cho đến khi đúng cả 5 câu không cần nhìn đáp án, rồi thử tự làm một thí nghiệm nhỏ: thả hai viên đá vôi giống hệt nhau vào hai cốc axit HCl, một cốc để ở nhiệt độ phòng, một cốc đun ấm — đếm bọt khí thoát ra trong một phút ở mỗi cốc, bạn sẽ thấy tận mắt quy tắc Van't Hoff làm việc như thế nào.