Cân bằng phản ứng oxi hóa khử

Cân bằng phản ứng oxi hóa khử

PHẦN A : PHẦN MỞ ĐẦU

I Lý do chọn chủ đề :

Trong giảng dạy và học tập môn hóa học, việc viết đúng và cân bằng phương trình phản ứng đóng vai trò rất quan trọng Bởi vì chỉ viết và cân bằng đúng thì việc tính toán mới chính xác và tiết kiệm thời gian

Nhưng để hiểu, nhớ và vận dụng bài một cách tốt nhất và hiệu quả nhất thì không phải

là một điều đơn giản

Thực tế cho thấy, cách tốt nhất để các em có thể hiểu và vận dụng kiến thức đã học là giải bài tập Nhưng cũng có một vấn đề đặt ra là quá nhiều bài tập nên các em không thể nào giải hết được Các em chỉ làm được những bài quen thuộc và khá lúng túng khi gặp những bài tập mới mặc dù không khó, nguyên nhân là do các em không nhìn ra được dạng toán, chưa có cái nhìn hệ thống và phương pháp giải cho các dạng bài tập này

Nếu chúng ta có thể hệ thống hóa lý thuyết và đưa ra các phương pháp giải cho từng dạng bài tập thì học sinh dễ dàng tiếp thu bài, hiểu rõ bài hơn và đặc biệt, có khã năng vận dụng kiến thức đã học để giải các bài tập liên quan

Từ những thực tế đó, tôi quyết định chọn chủ đề : “Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử”

Tuy là một phần nhỏ trong một thế giới rộng lớn của các bài tập hóa học nói chung nhưng tôi nghĩ nó cũng sẽ đáp ứng được phần nào yêu cầu về các dạng bài tập trong chương trình hóa học THPT

II Mục đích của chủ đề :

Nhằm giúp học sinh có cái nhìn hệ thống về lý thuyết và bài tập Hóa học trong dạng toán cân bằng phản ứng oxi hóa khử trong chương trình Hóa học phổ thông, từ đó không những giúp các em có thể giải tốt các bài tập dạng này mà còn tạo điều kiện nâng cao hiệu quả giảng dạy ở trường phổ thông

III Nhiệm vụ của chủ đề :

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

− Nghiên cứu cơ sở lý luận về bài tập Hóa học

− Tóm tắt lý thuyết, phân loại và các phương pháp để cân bằng phản ứng oxi hóa khử

IV Khách thể và đối tượng nghiên cứu :

− Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy và học Hóa học ở trường trung học phổ thông

− Đối tượng nghiên cứu: Bài tập cân bằng phản ứng oxi hóa khử

V Phạm vi nghiên cứu :

Chương trình Hóa học trung học phổ thông: Chương trình hóa hữu cơ lớp 10

VII Giả thuyết khoa học :

Nếu hiểu rõ lý thuyết, nắm vững phương pháp giải bài tập để cân bằng phản ứng oxi hóa khử trong chương trình Hóa học THPT sẽ giúp giáo viên và học sinh hệ thống hóa và và hiểu sâu sắc dạng bài tập này, là bước khởi dầu vững cho việc dạy học môn hóa ở trường THPT

VIII Phương tiện và phương pháp nghiên cứu :

1 Phương tiện :

− Các tài liệu liên quan đến lý thuyết và bài tập Hóa học cân bằng phản ứng oxi hóa khử

− Các phương tiện thông tin: Internet

2 Phương pháp :

− Đọc tài liệu, phân tích tổng hợp lý thuyết và đề xuất các phương pháp giải

− Đưa ra các dạng bài tập tiêu biểu để minh họa và sau đó có bài tập tượng tự

PHẦN B : XÂY DỰNG NỘI DUNG LÝ THUYẾT

I Định nghĩa phản ứng oxi hóa khử :

1 Số oxi hóa :

Để thuận tiện khi xem xét phản ứng oxi hoá - khử và tính chất của các nguyên tố, người ta đưa ra khái niệm số oxi hoá (còn gọi là mức oxi hoá hay điện tích hoá trị) Số oxi hoá là điện tích quy ước mà nguyên tử có được nếu giả thuyết rằng cặp e liên kết (do 2 nguyên tử góp chung) chuyển hoàn toàn về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn

2 Quy tắc xác định số oxi hóa :

- Tổng đại số số oxi hoá của các nguyên tử trong phân tử trung hoà điện bằng 0

- Tổng đại số số oxi hoá của các nguyên tử trong một ion phức tạp bằng điện tích của ion Ví dụ trong ion HSO-

4, số oxi hoá của H là +1, của O là -2 của S là +6

1 + 6 + (-2 4) = - 1

- Trong đơn chất, số oxi hoá của các nguyên tử bằng 0

Ví dụ: Trong Cl2, số oxi hoá của Cl bằng 0

- Khi tham gia hợp chất, số oxi hoá của một số nguyên tố có trị số không đổi như sau + Kim loại kiềm luôn bằng +1

+ Kim loại kiềm thổ luôn bằng +2

+ Oxi ( trừ trong peoxit bằng - 1) luôn bằng - 2

+ Hiđro ( trừ trong hiđrua kim loại bằng - 1) luôn bằng - 2

+ Al thường bằng +3

Chú ý: Dấu của số oxi hoá đặt trước giá trị, còn dấu của ion đặt sau giá trị

Ví dụ:

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

3 Định nghĩa phản ứng oxi hóa khử :

- Phản ứng oxi hoá - khử là phản ứng trong đó có sự trao đổi e giữa các nguyên tử hoặc ion của các chất tham gia phản ứng, do đó làm thay đổi số oxi hoá của chúng

Ví dụ:

- Chất nhường e gọi là chất khử (hay chất bị oxi hoá)

Chất thu e gọi là chất oxi hoá (hay chất bị khử)

- Quá trình kết hợp e vào chất oxi hoá được gọi là sự khử chất oxi hoá

Quá trình tách e khỏi chất khử được gọi là sự oxi hoá chất khử:

4 Các phương trình phản ứng oxi hóa khử thường gặp :

Để viết được các phản ứng oxi hóa khử thì chúng ta cần biết một số chất oxi hóa và một

số chất khử thường gặp Chất oxi hóa sau khi bị khử thì tạo thành chất khử liên hợp (chất khử tương ứng); cũng như chất khử sau khi bị oxi hóa thì tạo thành chất khử liên hợp (chất khử tương ứng) Ta phải biết các chất khử và chất oxi hóa tương ứng thì mới viết được phản ứng oxi hóa khử

• Các chất oxi hóa thường gặp :

2KMnO4 + 4K2SO3 + H2O → MnO2 + K2SO4 + KOH

Kali pemanganat Kali sunfit Man ganđioxit Kali sunfat

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

Kali pemanganat Kali sunfit Kali manganat Kali sunfat (Chất oxi hóa) (Chất khử)

K2Cr2O7 (Kali đicromat; Kali bicromat), K2CrO4 (Kali cromat) trong môi trường axit (H+) thường bị khử thành muối crom (III) (Cr3+)

+5 +4

- HNO3 đậm đặc thường bị khử tạo khí màu nâu nitơ đioxit NO2 Các chất khử thường

bị HNO3 oxi hóa là: Các kim loại, các oxit kim loại có số oxi hóa trung gian (FeO,

Fe3O4), một số phi kim (C, S, P), một số hợp chất của phi kim có số oxi hóa thấp nhất hay trung gian (H2S, SO2, SO32-, HI), một số hợp chất của kim loại trong đó kim loại

có số oxi hóa trung gian (Fe2+, Fe(OH)2

Thí dụ:

0 +5 +3 +4

Fe + 6 HNO3 (đ, nóng) → Fe(NO3)3 + 3 NO2 + 3 H2O

Sắt Axit nitric Sắt (III) nitrat Nitơ đioxit

(Chất khử) (Chất oxi hóa) (Khí có mùi hắc, màu nâu)

- HNO3 loãng thường bị khử thành NO (khí nitơ oxit) Các chất khử thường gặp là: các kim loại, các oxit kim loại hay hợp chất kim loại có số oxi hóa trung gian (FeO, Fe(OH)2, Fe3O4, Fe2+), một số phi kim (S, C, P), một số hợp chất của phi kim trong đó phi kim có số oxi hoá thấp nhất có số oxi hóa trung gian (NO2-, SO32-)

Thí dụ:

0 +5 +3 +2

Fe + 4HNO3(l) → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

Bột sắt Axit nitric (loãng) Sắt (III) nitrat Nitơ oxit

(Chất khử) (Chất oxi hóa) (Khí không có, không không có màu)

- Muối nitrat trong môi trường axit (NO3-/H+) giống như HNO3 loãng, nên nó oxi hóa được các kim loại tạo muối, NO3- bị khử tạo khí NO, đồng thời có sự tạo nước (H2O)

Thí dụ:

0 +5 +2 +2

3Cu + 2NO3- + 8H+ → 3Cu2+ + 2NO + 4H2O

Đồng Muối nitrat trong môi trường axit Muối đồng (II)

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

(Chất khử) (Chất oxi hóa) (Dung dịch có màu xanh lam)

Khí NO không màu thoát ra kết hợp với O2 (của không khí) tạo khí NO2 có màu nâu đỏ

+6 +4

- H2SO4 (đ, nóng) thường bị khử tạo khí SO2 Các chất khử thường tác dụng với

H2SO4(đ, nóng) là: các kim loại, các hợp chất của kim loại số oxi hóa trung gian (như FeO, Fe3O4), một số phi kim (như C, S, P), một số hợp chất của phi kim (như

Các kim loại mạnh như Mg, Al, Zn không những khử H2SO4 đậm đặc, nóng thành

SO2 mà còn thành S, H2S H2SO4 đậm đặc nhưng nếu loãng bớt thì sẽ bị khử tạo lưu

huỳnh (S) hay hợp chất của lưu huỳnh có số oxi hóa thấp hơn (H2S) Nguyên nhân của tính chất trên là do kim loại mạnh nên dễ cho điện tử (để H2SO4 nhận nhiều điện

tử) và do H2SO4 ít đậm đặc nên nó không oxi hóa tiếp S, H2S

- Khí sunfurơ (SO2) oxi hóa được các chất khử mạnh như các hợp chất của phi kim

có số oxi hoá thấp (như H2S, CO), một số phi kim (như H2, C), các kim loại mạnh (như Na, K, Ca, Ba, Mg) Nếu SO2 là chất oxi hóa thì nó thường bị khử tạo S

+4 -2 0

SO2 + H2S → S + H2O

Khí sunfurơ Khí hiđro sunfua Lưu huỳnh

(Chất oxi hóa) (Chất khử)

Khí mùi hắc Khí có mùi trứng thúi Chất rắn, màu vàng nhạt

Khác với HNO3, dung dịch H2SO4 loãng là a xit thông thường (tác nhân oxi hóa là H+), chỉ dung dịch H2SO4 đậm đặc, nóng mới là axit có tính oxi hóa mạnh (tác nhân oxi hóa là SO42-) Trong khi dung dịch HNO3 kể cả đậm đặc lẫn loãng đều là axit có tính o xi hóa mạnh (tác nhân oxi hóa là NO3-

Fe + 6HNO3(đ, nóng) → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O

Ba kim loại Al, Fe, Cr không bị hòa tan trong dung dịch H2SO4 đậm đặc nguội (cũng như trong dung dịch HNO3 đậm đặc nguội) (bị thụ động hóa, trơ)

- Ion H +

Ion H+ của axit thông thường oxi hóa được các kim loại đứng trước H trong dãy

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

thế điện hóa Ion H+ bị khử tạo khí H2, còn kim loại bị khử tạo muối tương ứng (ion kim loại)

(Chất khử) (Chất oxi hóa) (Chất oxi hóa) (Chất khử)

II Cân bằng phản ứng oxi hóa khử :

a Nguyên tắc khi cân bằng :

Tổng số e mà chất khử cho phải bằng tổng số e mà chất oxi hoá nhận và số nguyên

tử của mỗi nguyên tố được bảo toàn

b Các bước tiến hành cân bằng phản ứng :

1) Viết phương trình phản ứng, nếu chưa biết sản phẩm thì phải dựa vào điều kiện cho ở đề bài để suy luận

2) Xác định số oxi hoá của các nguyên tố có số oxi hoá thay đổi Đối với những nguyên tố có số oxi hoá không thay đổi thì không cần quan tâm

3) Viết các phương trình e (cho - nhận e)

4) Cân bằng số e cho và nhận

5) Đưa hệ số tìm được từ phương trình e vào phương trình phản ứng

6) Cân bằng phần không tham gia quá trình oxi hoá - khử

Ví dụ Cho miếng Al vào dung dịch axit HNO3 loãng thấy bay ra chất khí không

màu, không mùi, không cháy, nhẹ hơn không khí, viết phương trình phản ứng và cân bằng

Giải: Theo đầu bài, khí bay ra là N2

số oxi hoá khác nhau, ta có thể viết gộp hoặc viết riêng từng phản ứng đối với từng sản phẩm, sau đó nhân các phản ứng riêng với hệ số tỷ lệ theo điều kiện đầu bài Cuối cùng cộng gộp các phản ứng lại

Ví dụ: Cân bằng phản ứng:

Giải

Các phản ứng riêng (đã cân bằng theo nguyên tắc trên):

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

Để có tỷ lệ mol trên, ta nhân phương trình (1) với 9 rồi cộng 2 phương trình lại:

PHẦN C : CÁC PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG CỤ THỂ

I Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử:

1 Phương pháp đại số :

- Nguyên tắc: Số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế phải bằng nhau

- Các bước cân bằng: Thực hiện các bước sau:

+ Viết phương trình phản ứng xảy ra với đầy đủ tác chất, sản phẩm (nếu đầu bài yêu cầu bổ sung phản ứng rồi mới cân bằng)

+ Đặt các hệ số bằng các chữ a, b, c, d, đứng trước các chất trong phản ứng

+ Lập hệ phương trình toán học liên hệ giữa các hệ số này với nguyên tắc số nguyên

tử của từng nguyên tố bên tác chất và bên sản phẩm bằng nhau Nếu phản ứng ở dạng ion thì còn đặt thêm một phương trình toán nữa là điện tích bên tác chất và bên sản phẩm bằng nhau

+ Giải hệ phương trình toán Thường số phương trình toán lập được ít hơn một phương trình so với số ẩn số Tuy nhiên ta có thể chọn bất cứ một hệ số nào đó bằng

1 Do đó có số phương trình toán bằng số ẩn số, nên sẽ giải được Sau đó, nếu cần, ta nhân tất cả nghiệm số tìm được với cùng một số thích hợp để các hệ số đều là số nguyên

Thí dụ :

Cu + NO3-+ H+ Cu2+ + NO + H2O

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

aCu +bNO3-+ cH+ dCu2+ + eNO + fH2O

2 Phương pháp cân bằng electron :

- Nguyên tắc: Dựa vào sự bảo toàn electron nghĩa là tổng số electron của chất khử cho phải bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận

+ Phối hợp các phản ứng cho, nhận điện tử; các hệ số cân bằng tìm được; và phản ứng lúc đầu để bổ sung hệ số thích hợp vào phản ứng lúc đầu.

+ Cuối cùng cân bằng các nguyên tố còn lại (nếu có) như phản ứng trao đổi

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

+7 +2 +2 +3

KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 MnSO4 + Fe2(SO4)3 + K2SO4

+ H2OChất oxi hóa Chất khử

-1 +1

3 C - 2e- C (Phản ứng oxi hóa)

+6 +3

2Cr + 6e - 2Cr (Phản ứng khử)(+12) (+6)

3CH3-CH2-OH + K2Cr2O7 + H2SO4 3CH3-CHO + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O3CH3-CH2-OH + K2Cr2O7 + 4H2SO4 3CH3-CHO + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O

3 Phương pháp cân bằng ion – electron :

- Phạm vi áp dụng: Đối với các quá trình xảy ra trong dung dịch, có sự tham gia của môi trường (H 2 O, dung dịch axit hoặc bazơ tham gia)

- Các nguyên tắc:

• Nếu phản ứng có axit tham gia: vế nào thừa O phải thêm H + để tạo H 2 O và ngược lại

•Nếu phản ứng có bazơ tham gia: vế nào thừa O phải thêm H 2 O để tạo ra OH

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

+ Viết các phản ứng cho, phản ứng nhận điện tử (chính là các phản ứng oxi hóa, phản ứng khử) Viết nguyên cả dạng ion hay phân tử, với số oxi hóa để bên trên Thêm hệ số thích hợp để số nguyên tử của nguyên tố có số oxi hóa thay đổi hai bên bằng nhau

+ Cân bằng số điện tử cho, nhận Số điện tử cho của chất khử phải bằng số điện tử nhận của chất oxi hóa (Hay số oxi hóa tăng của chất khử phải bằng

số oxi hóa giảm của chất oxi hóa) bằng cách nhân hệ số thích hợp Xong rồi cộng vế với vế các phản ứng cho, phản ứng nhận điện tử

+ Cân bằng điện tích Điện tích hai bên phải bằng nhau Nếu không bằng nhau thì thêm vào ion H+ hoặc ion OH- tùy theo phản ứng được thực hiện trong môi trường axit hoặc bazơ Tổng quát thêm H+ vào bên nào có axit (tác chất hoặc sản phẩm); Thêm OH- vào bên nào có bazơ Thêm H2O phía ngược lại để cân bằng số nguyên tử H (cũng

là cân bằng số nguyên tử O)

+ Phối hợp hệ số của phản ứng ion vừa được cân bằng xong với phản ứng

lúc đầu để bổ sung hệ số thích hợp vào phản ứng lúc đầu (Chuyển phản ứng dạng ion trở lại thành dạng phân tử)

+ Cân bằng các nguyên tố còn lại, nếu có, như phản ứng trao đổi

- Các thí dụ: Cân bằng các phản ứng sau đây theo phương pháp cân bằng ion -

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

KMnO4 + K2SO3 + KOH K2MnO4 + K2SO4 + H2O

SO32- - 2e- SO42- (Phản ứng oxi hóa )

2MnO4- + SO32- 2MnO42- + SO

2-Điện tích : 2(-1) + 1(-2) 2(-2) + 1(-2)

- 4 - 62MnO4- + SO32- + 2OH- 2MnO42- + SO42 + H2O

2KMnO4 + K2SO4 + 2KOH 2K2MnO4 + K2SO4 + H2O

II Các dạng phản ứng oxi hóa khử phức tạp :

1 x x N +5 + (5x – 2y)e → xN +2y/x

(5x-2y) Fe 3 O 4 + (46x-18y) HNO 3 → (15x-6y) Fe(NO 3 ) 3 + N x O y +(23x-9y) H 2 O

2 Phản ứng có chất hóa học là tổ hợp của hai chất khử :

- Nguyên tắc :

Cách 1 :Viết mọi phương trình biểu diễn sự thay đổi số oxi hoá, chú ý sự ràng buộc

hệ số ở hai vế của phản ứng và ràng buộc hệ số trong cùng phân tử

Cách 2 : Nếu một phân tử có nhiều nguyên tố thay đổi số oxi hoá có thể xét chuyển nhóm hoặc toàn bộ phân tử, đồng thời chú ý sự ràng buộc ở vế sau

Luyện tập: Cân bằng phản ứng sau :

• Cách 1 : Viết mọi phương trình thay đổi số oxi hoá, đặt ẩn số cho từng nấc tăng, giảm số oxi hoá

• Cách 2 : Tách ra thành hai hay nhiều phương trình ứng với từng nấc số oxi hóa tăng hay giảm

• Ví dụ: Cân bằng phản ứng sau:

Al + HNO 3 → Al(NO 3 ) 3 + NO + N 2 O + H 2 O