Xây dựng hệ thống bài tập cơ sở lý thuyết hóa vô cơ phần phản ứng oxi hóa - khử và phức chất

Nhưng hiện nay có rất ít các tài liệu về hệ thống các bài tập với các dạng và các mức độ khác nhau nhằm giúp cho sinh viên nắm vững những kiến thức được trang bị trong giáo trình hóa học

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa học Vô cơ

Người hướng dẫn khoa học

TS NGUYỄN VĂN QUANG

HÀ NỘI - 2017

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận với đề tài: “Xây dựng hệ thống bài tập cơ sở lý thuyết hóa vô cơ phần phản ứng oxi hóa - khử và phức chất”, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc ơn đến TS Nguyễn Văn Quang người đã tận tình hướng dẫn em

trong suốt quá trình thực hiện và tạo mọi điều kiện cho em hoàn thiện khóa luận

Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô Khoa Hóa Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong 4 năm học tập tại trường và đã hết sức giúp đỡ tạo điều kiện để khóa luận hoàn thiện đúng thời hạn

Và em cũng xin chân thành cảm ơn tập thể các bạn sinh viên cùng lớp, cùng khoa, gia đình đã động viên giúp đỡ trong thời gian nghiên cứu để tôi có thể hoàn thiện khóa luận này

Em xin chân thành cám ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Loan

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 1

4 Phạm vi nghiên cứu 2

5 Giả thuyết khoa học 2

6 Phương pháp nghiên cứu 2

NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1 Bài tập hóa học 3

1.1 Định nghĩa 3

1.3 Hệ thống bài tập hóa học 4

CHƯƠNG 2: PHẢN ỨNG OXI HOÁ - KHỬ 6

2.1 Cơ sở lý thuyết 6

2.1.1 Một số khái niệm cơ bản 6

2.2.2 Một số phương pháp cấn bằng phản ứng oxi hóa khử 7

2.2.3 Phân loại 13

2.2.4 Phương pháp giải bài tập hóa sơ cấp dựa vào phản ứng oxi hóa – khử 14

2.2.5 Khả năng oxi hoá - khử của các chất vô cơ 14

2.2.5.1 Khả năng oxi hoá - khử của các chất vô cơ ở điều kiện chuẩn 15

2.2.5.2 Khả năng phản ứng oxi hóa – khử của các chất vô cơ ở điều kiện không chuẩn 16

2.2.5.3 Tính cân bằng trong các dung dịch phản ứng oxi hóa –khử 24

2.2 Hệ thống bài tập định tính chương oxi hóa – khử 26

2.3 Xây dựng hệ thống bài tập định lượng 43

CHƯƠNG 3: PHẢN ỨNG PHỨC CHẤT 61

3.1 Cơ sở lý thuyêt 61

3.1.1 Một số khái niệm cơ bản 61

3.1.2 Danh pháp 64

3.1.3 Phân loại các phức chất 65

3.1.4 Đồng phân của phức chất 67

3.1.4.1 Đồng phân hình học hay đồng phân cis - trans 67

3.1.4.2 Đồng phân quang học hay đồng phân gương: 68

3.1.4.3 Ngoài ra còn có các kiểu đồng phân khác: 69

3.1.5 Liên kết trong phức chất 69

3.1.6 Tính chất của phức chất 77

3.2 Hệ thống bài tập định tính về cấu tạo của phức chất 79

3.3 Hệ thống bài tập định lượng của phản ứng phức chất 91

KẾT LUẬN 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 PHỤ LỤCHƯỚNG DẪN GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP TỰ GIẢI

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Hóa học là một nhánh của khoa học tự nhiên, là ngành nghiên cứu về thành phần, cấu trúc, tính chất và sự thay đổi của vật chất Hóa học nói về các nguyên tố, hợp chất, nguyên tử, phân tử, và các phản ứng hóa học xảy ra giữa những thành phần đó

Hóa học là môn học thiết thực phục vụ đắc lực cho đời sống con người nhằm giúp sinh viên một kiến thức vững vàng, biết phân tích và nhận định các chất, các

sự vật hiện tượng trong cuộc sống

Phản ứng oxi hóa – khử và phức chất là những phản ứng không còn xa lạ trong chương trình hóa học vô cơ bậc đại học Những bài tập định tính cũng như định lượng về phản ứng oxi hóa – khử và phức chất ngày càng xuất hiện nhiều trong các kì thi quốc gia cũng như quốc tế Nhưng hiện nay có rất ít các tài liệu về hệ thống các bài tập với các dạng và các mức độ khác nhau nhằm giúp cho sinh viên nắm vững những kiến thức được trang bị trong giáo trình hóa học vô cơ, đồng thời

đó còn là một tài liệu giúp cho sinh viên trong việc tự học và rèn luyện để nâng cao tầm nhìn về mối quan hệ giữa lý thuyết và thực nghiệm

Với lý do trên, em đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống bài tập cơ sở lý thuyết hóa vô cơ phần phản ứng oxi hóa-khử và phức chất”

Với đề tài này, em hy vọng sẽ góp phần nâng cao kiến thức và tinh thần tích cực hăng say học tập của các bạn sinh viên

2 Mục đích nghiên cứu

- Hệ thống hóa kiến thức phản ứng oxi hóa – khử, phản ứng phức chất

- Hệ thống bài tập tự luận hóa vô cơ bậc đại học về phản ứng oxi hóa – khử, phản ứng phức chất

- Xây dựng bài tập định tính, bài tập định lượng

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tổng quan cơ sở lý thuyết về thức phản ứng oxi hóa – khử và phản ứng phức

chất

- Nghiên cứu đưa ra hệ thống câu hỏi và các dạng bài tập

- Nghiên cứu hướng dẫn đưa ra cách giải, phân loại thành hệ thống hóa kiến thức và bao quát nội dung môn học của chương

4 Phạm vi nghiên cứu

- Sinh viên trường đại học

- Nâng cao chất lượng dạy và học tích cực, hoạt động hóa người học, đáp ứng mục tiêu giáo dục hiện nay

5 Giả thuyết khoa học

Giải pháp quan trọng cho việc nâng cao năng lực tự học của sinh viên, vận dụng linh hoạt lí thuyết đã học vào việc giải bài tập lí thuyết, dạng bài tập ứng dụng thực tiễn trong đời sống và sản xuất

6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tài liệu, thực tế giảng dạy

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Bài tập hóa học

1.1 Định nghĩa

Theo nghĩa chung nhất, thuật ngữ “bài tập”, Tiếng Anh - “Exercise”, Tiếng Pháp - “Exercice” dùng để chỉ một loạt hoạt động rèn luyện thể chất và tinh thần (trí tuệ)

Ở Việt Nam khái niệm “bài tập” được dùng theo nghĩa rộng, bài tập có thể là câu hỏi hay bài toán

Bài tập hoá học là một dạng bài làm gồm những bài toán, những câu hỏi hay đồng thời cả bài toán và câu hỏi thuộc về hoá học mà trong khi hoàn thành chúng, người học nắm được một tri thức hay kĩ năng nhất định

Nội dung của bài tập hoá học bao gồm các kiến thức chính yếu trong bài giảng Đó có thể là những câu hỏi lý thuyết đơn giản chỉ yêu cầu người học tái hiện lại kiến thức vừa học hoặc đã học xong nhưng cũng có thể là những bài tập tính toán liên quan đến đến cả kiến thức hoá học lẫn toán học, đôi khi bài toán tổng hợp yêu cầu người học phải vận dụng các kiến thức đã học từ trước kết hợp với những kiến thức vừa học để giải

1.2 Ý nghĩa, tác dụng của bài tập hóa học

- Làm cho người học hiểu sâu và khắc sâu kiến thức đã học

Bài tập hoá học giúp người học nhớ lại tính chất các chất, phương trình phản ứng, hiểu sâu hơn về các nguyên lý và định luật hóa học Những kiến thức (khái niệm, định nghĩa,…) chưa vững thì thông qua giải bài tập sẽ giúp người học hiểu sâu, nhớ lâu hơn

- Cung cấp thêm những kiến thức mới

Ngoài tác dụng củng cố kiến thức đã học, bài tập hoá học còn cung cấp thêm những kiến thức mới, mở rộng sự hiểu biết của người học một cách phong phú, sinh động

- Hệ thống hoá các kiến thức đã học

Đòi hỏi người học phải vận dụng tổng hợp các kiến thức đã học Người học tự mình làm bài tập sẽ củng cố kiến thức cũ một cách thường xuyên

- Thường xuyên rèn luyện các kĩ năng kĩ xảo về hoá học

Trong quá trình giải bài tập hoá học, người học đã tự rèn luyện việc lập công thức, cân bằng phương trình, các thủ thuật tính toán Nhờ việc thường xuyên giải bài tập, lâu dần các kĩ năng sẽ phát triển thành kĩ xảo giúp người học có thể ứng xử nhanh trước những tình huống xảy ra

- Phát triển kĩ năng: (so sánh, quy nạp, diễn dịch, phân tích, tổng hợp, loại suy, khái quát hoá,…)

Mỗi bài tập hoá học đều có những điểm nút, để mở những điểm đó người học bắt buộc phải tư duy để sử dụng hoặc phương pháp quy nạp, diễn dịch, loại suy,…Nhờ vậy tư duy của người học được phát triển, năng lực làm việc độc lập được nâng cao

Trong quá trình giải các bài toán hoá học, người học buộc phải tái hiện lại kiến thức cũ, xác định mối liên hệ giữa các điều kiện đã có và yêu cầu của đề bài thông qua các hoạt động như phân tích, tổng hợp, phán đoán,…để tìm lời giải

- Giáo dục tư tưởng đạo đức

Việc tự mình thường xuyên giải các bài tập hoá học góp phần rèn luyện cho người học tinh thần kỉ luật, tính kiên nhẫn, tự kiềm chế, cẩn thận, cách suy nghĩ và trình bày chính xác khoa học, qua đó nâng cao lòng yêu thích bộ môn

1.3 Hệ thống bài tập hóa học

- Đảm bảo tính chính xác, khoa học

Tính chính xác, khoa học là nguyên tắc cơ bản quyết định một bài tập hóa học

có đạt yêu cầu hay không Theo nguyên tắc này nội dung bài tập hóa học phải đảm bảo tính chính xác về ngữ pháp, về chính tả, đảm bảo đúng các thuật ngữ hóa học Nội dung bài tập hóa học cần phải ngắn gọn, súc tích nhưng vẫn đảm bảo tính logic

và đầy đủ về mặt ý nghĩa

- Đảm bảo tính hệ thống

Để hệ thống bài tập phát huy tối đa tác dụng thì hệ thống bài tập cần phải có

tính hệ thống và tính đa dạng Theo nguyên tắc này hệ thống bài tập được xây dựng

từ dễ đến khó, ở mỗi dạng bài tập đều có bài tập điển hình, bài tập tương tự Các bài tập trong hệ thống cần có mối quan hệ hữu cơ với nhau, bài tập trước là cơ sở nền tảng để thực hiện bài tập sau, bài tập sau là sự cụ thể hóa, là sự phát triển và củng cố vững chắc hơn cho bài tập trước

- Đảm bảo tính đa dạng

Mỗi một bài tập hóa học chỉ rèn luyện được một hoặc một số, do đó ta cần phải đa dạng các bài tập để giúp người học hình thành hệ thống kĩ năng toàn diện Theo nguyên tắc này hệ thống bài tập hóa học sẽ giúp người học rèn luyện được hầu hết các kĩ năng giải bài tập ở 3 mức độ nhận thức : hiểu, biết, vận dụng Bên cạnh

đó hệ thống bài tập còn rèn luyện cho người học các thao tác tư duy như: phân tích, tổng hợp, so sánh, hệ thống hóa, khái quát hóa, trừu tượng hóa …

- Đảm bảo tính vừa sức

Bài tập vừa sức với sẽ giúp người học tăng lòng tự tin, kích thích người học tìm hiểu kiến thức để giải quyết thêm nhiều bài tập

- Có các bài tập điển hình cho các dạng bài tập

Để giúp người học định hướng phương pháp giải một dạng bài tập nào đó cần phải có các bài tập điển hình

- Giúp người học củng cố và khắc sâu kiến thức

Nếu lý thuyết giúp cung cấp cho người học kiến thức một cách hệ thống tổng quát thì bài tập giúp người học cụ thể hóa kiến thức Mỗi bài tập hóa học ứng với một mảng kiến thức nhất định, do đó việc giải quyết các bài tập này sẽ giúp người học khắc sâu mảng kiến thức đó

CHƯƠNG 2: PHẢN ỨNG OXI HOÁ - KHỬ 2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Một số khái niệm cơ bản

Số oxi hoá hay còn gọi là bậc oxi hóa, mức oxi hóa hay trạng thái oxi hóa Số oxi hóa của các nguyên tố trong thành phần phân tử của các chất được quy ước bằng điện tích ở nguyên tử của các nguyên tố được xét, khi cặp electron dùng chung lệch về nguyên tử của nguyên tố có độ âm điên cao hơn Theo quy ước này :

- Đối với các hợp chất ion, chứa các ion đơn nguyên tử, số oxi hóa của các nguyên tố bằng chính điện tích của ion tương ứng được tạo thành từ các nguyên tử của chúng Ví dụ trong KI, hợp chất của ion được tạo thành từ K+ và I- Số oxi hóa của kali là +1, số oxi hóa của iot là -1

- Có thể xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong các hợp chất thông thường khi sử dụng các tiêu chuẩn sau :

+ Hiđro thường có số oxi hóa bằng +1 trừ trường hợp các hiđrua kim loại, trong đó hiđro có số oxi hóa bằng -1

+ Oxi thường có số oxi hóa bằng -2 trừ trường hợp F2O (+2) và các peoxit (-1) + Tổng số oxi hóa của tất cả các nguyên tố của phân tử bằng không

+ Số oxi hóa của các nguyên tố ở dạng đơn chất bằng không

Chất oxi hóa: Là chất nhận electron hay còn gọi là chất bị khử

(bị oxi hóa) liên hợp

Quá trình oxi hóa (sự oxi hóa): là quá trình (b) làm cho chất đó nhường electron hay làm tăng số oxi hoá của chất đó

o +3

Fe  Fe + 3e : số oxi hóa tăng Quá trình khử (sử khử) là quá trình (a) làm cho chất đó nhận electron hay làm giảm số oxi hoá của chất đó

o -1

Cl2 + 2e  2Cl : số oxi hóa giảm

Như vậy phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hoá học trong đó có sự chuyển electron giữa các chất phản ứng hay còn gọi là phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố Phản ứng oxi hóa khử gồm hai quá trình là quá trình oxi hóa (b)

Ox1 + Kh2  Ox2 + Kh1 (1.1)

Điều kiện của phản ứng oxi hóa - khử :

Phải có sự tham gia đồng thời của chất khử và chất oxi hóa Chất khử và chất oxi hóa phải đủ mạnh

2.2.2 Một số phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

Nguyên tắc chung để cân bằng phản ứng oxi hóa khử là 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

Bước 3: Tìm các hệ số còn lại để hoàn thành phương trình hóa học

Ví dụ:

FeS2 + O2 → Fe2O3 + SO2

Ở vế trái số nguyên tử O2 là chẵn với bất kỳ hệ số nào Ở vế phải, trong

SO2 oxi là chẵn nhưng trong Fe2O3 oxi là lẻ nên phải nhân đôi Từ đó cân bằng tiếp các hệ số còn lại

2Fe2O3 → 4FeS2 → 8SO2 + 11O2

Đó là thứ tự suy ra các hệ số của các chất Thay vào PTPU ta được:

4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2

b Phương pháp tăng giảm số oxi hóa

Phương pháp này tương tự phương pháp cân bằng electron, nó dựa trên sự tăng giảm số oxi hóa và tổng đại số sự tăng giảm số oxi hóa = 0

c Phương pháp thăng bằng electron

Có thể dựa trên việc tính số oxi hóa của các nguyên tố của các chất oxi hóa và khử và thăng bằng số electron trao đổi của các cặp oxi hóa - khử

Thực hiện các giai đoạn :

- 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)

- Tính số oxi hóa của nguyên tố có số oxi hóa thay đổi Nhận diện chất oxi hóa, chất khử

- Viết phản ứng cho, phản ứng nhận điện tử (Phản ứng oxi hóa, phản ứng khử) Chỉ cần viết nguyên tử của nguyên tố có số oxi hóa thay đổi, với số oxi hóa được 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 bằng số điện tử nhận của chất oxi hóa (Hay số oxi hóa tăng của chất khử bằng số oxi hóa giảm của chất

oxi hóa) bằng cách thêm hệ số thích hợp

- 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 thí dụ: Cân bằng các phản ứng sau đây theo phương pháp cân bằng điện tử

5 x 2Fe  2Fe + 2e (Phản ứng oxi hóa)

2KMnO4 +10FeSO4 + 8H2SO4 → 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3+ K2SO4 + 8H2O

3Fe3O4 + HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO + H2O

→ 3Fe3O4 + 28HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O

[Trong 28 phân tử HNO3 của tác chất, chỉ có 1 phân tử là chất oxi hóa thật sự, còn

27 phân tử tham gia trao đổi (tạo môi trường axit, tạo muối nitrat)]

Lưu ý:

+ Phản ứng tự oxi hóa khử (Phản ứng tự oxi hóa tự khử) là một loại phản ứng oxi hóa khử đặc biệt, trong đó một chất vừa là chất oxi hóa vừa là chất khử và có sự cho, nhận điện tử giữa các phân tử của cùng một chất Nghĩa là phân tử chất này cho điện tử (đóng vai trò chất khử) đến một phân tử khác của cùng chất ấy (đóng vai trò chất oxi hóa) Trong thực tế thường gặp chỉ một nguyên tố trong phân tử có

số oxi hóa thay đổi và hệ số nguyên đứng trước phân tử tác chất này ≥ 2

Ví dụ :

+4 +5 +2

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

Chất khử Axit nitric Nitơ monooxit

Chất oxi hóa (2 phân tử NO2 cho điện tử, 1 phân tử NO2 nhận điện tử)

+4 +3 +5

2NO2 + 2NaOH → NaNO2 + NaNO3 + H2O

Chất oxi hóa Natri nitrit Natri nitrat

Chất khử (1 phân tử NO2 cho điện tử, 1 phân tử NO2 nhận điện tử)

+ Phản ứng oxi hóa khử nội phân tử là một phản ứng oxi hóa khử đặc biệt, trong đó một chất vừa là chất oxi hóa, vừa là chất khử và có sự cho, nhận điện tử ngay trong một phân tử chất đó Thường gặp hai nguyên tố khác nhau trong phân tử có số oxi hóa thay đổi Nhưng cũng có trường hợp chỉ một nguyên tố trong phân tử có số oxi hóa thay đổi (nguyên tử này cho điện tử và nguyên tử của cùng nguyên tố ấy trong cùng phân tử nhận điện tử)

Ví dụ :

+7 -2 t +6 +4 o

2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2

Chất OXH Kali manganat Mangan đioxit Oxi

Chất khử (Mn nhận điện tử, O cho điện tử trong cùng phân tử KMnO4)

+6 -2 +6 +3 o

2 K2Cr2O7 → 2K2CrO4 + Cr2O3 + O2

Chất OXH Kali cromat Crom(III) oxit

Chất khử (Cr nhận điện tử, O cho điện tử trong cùng phân tử K2Cr2O7)

Khi viết phương trình phản ứng cần chú ý :

- Các chất điện ly mạnh được viết dưới dạng ion

- Các chất điện ly yếu, các chất khí được viết dưới dạng phân tử

- Các chất rắn được viết dưới dạng nguyên tử hoặc phân tử

d Phương pháp ion - electron

Áp dụng giải các bài toán phản ứng oxi hóa – khử có môi trường cân bằng, các phản ứng oxi hóa –khử có môi trường phức tạp, tính lượng môi trường H+ tham gia phản

ứng và ngược lại; biết lượng sản phẩm khử, tính lượng H+ Chỉ áp dụng cho dạng toán kim loại hoặc hỗn hợp các kim loại tác dụng với axit có tính oxi hóa mạnh

H2SO4 đặc, HNO3 là tối ưu nhất

*PHƯƠNG PHÁP: Cân bằng theo phương pháp ion - electron áp dụng cho các phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong dung dịch có sự tham gia của môi trường : axit, bazơ, nước Khi cân bằng cũng sử dụng theo 4 bước như phương pháp thăng bằng electron nhưng chất oxi hóa, chất khử được viết đúng dạng mà nó tồn tại trong dung dịch theo nguyên tắc sau :

- Nếu phản ứng có axit tham gia :

+ Vế nào thiếu bao nhiêu O thêm bấy nhiêu H2O để tạo ra H+

- Nếu phản ứng có bazơ tham gia :

+ Vế nào thiếu bao nhiêu O thêm lượng OH- gấp đôi để tạo H2O ở vế kia và ngược lại

Ví dụ : Cr2O3 → 2CrO4

2-Vế trái thiếu 5O thêm vế trái 10OH- để tạo 5H2O ở vế phải, sau đó cân bằng điện tích bán phản ứng

Cr2O3 + 10 OH- → 2CrO42- + 5H2O + 6e

Ngoài ra học sinh cần phải linh hoạt trong các trường hợp ngoài lệ

- Nếu phản ứng có H2O tham gia :

+ Sản phẩm phản ứng tạo ra axit, theo nguyên tắc 1

+ Sản phẩm phản ứng tạo ra bazơ, theo nguyên tắc 2

MnO4- + 2H2O + 3e → MnO2 + 4OH-

Chú ý sự thay đổi số oxi hóa của một số chất theo môi trường :

Trong môi trường bazơ : tạo K2MnO4, KMnO4

Trong môi trường trung tính và kiềm yếu : tạo MnO2, KOH

Trong môi trường axit : tạo Mn 2+

e Phương pháp cân bằng ion - điện tử

Thực hiện các bước sau đây :

- Viết phương trình phản ứng với đầy đủ tác chất, sản phẩm (nếu chưa có phản ứng sẵn)

+ Tính số oxi hóa của các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi Nhận diện chất oxi hóa, chất khử

+ Viết dưới dạng ion chất nào phân ly được thành ion trong dung dịch (Chất nào không phân ly được thành ion như chất không tan, chất khí, chất không điện ly, thì để nguyên dạng phân tử hay nguyên tử) Tuy nhiên chỉ giữ lại những ion hay phân tử nào chứa nguyên tố có số oxi hóa thay đổi (ion hay phân tử nào chứa nguyên tố có số oxi hóa không thay đổi thì bỏ đi)

+ 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

5 x 2Fe2+ → 2Fe3+ + 2e (Phản ứng oxi hóa )

2MnO4− + 10Fe2+ → 2Mn2+ + 10Fe3+

2KMnO4 + 10Fe2(SO4)3 + 8H2SO4 → 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 8H2O

Ngoài các phương pháp trên có thể cân bằng theo các phương pháp sau:

f) Phương pháp xuất phát từ nguyên tố chung nhất

Chọn nguyên tố có mặt ở nhiều hợp chất nhất trong phản ứng để bắt đầu cân bằng hệ số các phân tử

- Phản ứng giữa kim loại với các hợp chất :

Các phản ứng loại b và c còn được gọi là phản ứng tự oxi hóa - khử

2.2.4 Phương pháp giải bài tập hóa sơ cấp dựa vào phản ứng oxi hóa – khử

Phương pháp bảo toàn nguyên tố

Nguyên tắc chung của phương pháp là dựa vào định luật bảo toàn nguyên tố (BTNT) : Trong các phản ứng hóa học thông thường, các nguyên tố luôn được bảo toàn

Điểm mấu chốt của phương pháp là phải xác định được đúng các hợp phần có chứa nguyên tố X ở phía trước và sau phản ứng, áp dụng ĐLBT nguyên tố X để rút

ra mối quan hệ giữa các hợp phần từ đó đưa ra kết luận chính

Ngoài ra còn có các phương pháp giải bài tập khác như phương pháp sử dụng

phương trình ion thu gọn…

2.2.5 Khả năng oxi hoá - khử của các chất vô cơ

Khả năng oxi hoá - khử của các chất vô cơ có liên quan đến năng lượng ion

hoá, ái lực với electron, độ âm điện của các nguyên tố

Chẳng hạn: nguyên tử flo có độ âm điện lớn, là chất nhận electron rất mạnh

và vì phân tử flo rất dễ phân li để tạo thành nguyên tử flo nên ta có thể hiểu tại sao flo là chất oxi hoá mãnh liệt Clo là chất có độ âm điện nhỏ hơn, phân tử clo lại bền hơn nên clo là chất oxi hoá kém mãnh liệt Nhưng tiếc thay ta không thể dự đoán gì

về khả năng oxi hoá của các anion oxi axit như: MnO4-, Cr2O72-, ClO3-…về các chất khử cũng phán đoán tương tự Có thể dựa vào dãy hoạt động hoá học của các kim loại (Beketop) để xét đoán khả năng khử của các kim loại khác nhau theo thứ tự khử giảm dần

K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au

Tuy vậy, tất cả những điều vừa nói trên chỉ là những phán đoán định tính Để đánh giá định lượng khả năng oxi hoá khử của các chất trong dung dịch nước, người

ta dựa vào thế điện cực của chúng

Khi nhúng một thanh kim loại M vào dung dịch chứa ion Mn+ của nó thì giữa kim loại và dung dịch phát sinh một hiệu thế: thế điện cực Độ lớn của thế phụ thuộc vào bản chất của kim loại, nhiệt độ, nồng độ các ion trong dung dịch

Nếu ở điều kiện nồng độ các chất bằng đơn vị, áp suất chất khí bằng 1atm, nguyên chất với kim loại và ở 250C thì thế điện cực đó là thế điện cực chuẩn và kí hiệu là: Eo(Mn+/M) hay Eo(oxh/kh)

Khi các điều kiện thay đổi, thế điện cực trong trường hợp này là không chuẩn

và được kí hiệu là: E(Mn+

/M) hay E(oxh/kh)

2.2.5.1 Khả năng oxi hoá - khử của các chất vô cơ ở điều kiện chuẩn

a Điều kiện chuẩn

Điều kiện tiêu chuẩn - trạng thái chuẩn: t = 250

C; p = 1atm; [các chất] = 1M

b Khả năng tự diễn biến của phản ứng oxi hóa - khử

Về mặt nhiệt động học, các phản ứng hoá học (bao gồm cả phản ứng oxi hoá - khử) chỉ có thế tự diễn biến khi có sự giảm năng lượng tự do

G = H – TS < 0

Để xác định khả năng oxi hoá - khử có diễn biến không ở điều kiện tiêu chuẩn

dựa vào thế điện cực chuẩn Một phản ứng oxi hoá - khử có khả năng tự diễn biến là

do có sự chênh lệch nhau về thế khử của các chất tham gia phản ứng, nhờ đó mà electron có thể chuyển từ chất nọ đến chất kia

Ta có: G = -nFE0 trong đó n: số electron trao đổi; F: hằng số Faraday, 1F =

96500 C/mol = 96500 J/mol.V; E0: thế điện cực chuẩn

Eopu = Eooxh – Eokh

Eopu = Eocatot – Eoanot

Eopu = EoP – EoT

Ví dụ 1: Xét xem phản ứng nào dưới đây tự diễn biến trong điều kiện chuẩn Tính

sự biến đổi năng lượng tự do chuẩn của mỗi phản ứng

Al(r) + 3Ag+aq  Al3+aq + 3Ag(r)2Al(r) + 3Sn4+aq  Al3+aq + 3Sn2+aq

Cd2+aq + Cu(r)  Cu2+ + Cd(r)Chú ý : G thông số khuyếch độ, đại lượng khuyếch độ

E : thông số cường độ, đại lượng cường độ

* Mối quan hệ giữa G0phản ứng và E0phản ứng , Kpứ

Ta có Epin = - Wmax/điện lượng  Wmax = - Epin.điện lượng

Mà điện lượng = n.F  Wmax = -nFEpin

Trong đó, n: số electron chạy trong pin hay số electron trao đổi

F: hằng số Faraday

Ở phần nhiệt động chúng ta đã biết, ở nhiệt độ và áp suất không đổi, biến thiên năng lượng Gibbs chính là công cực đại có thế nhận được từ một quá trình tự diễn biến

G = Wmax  G = -nFEpin ở điều kiện chuẩn G0 = -nFE0pin

Ví dụ: Thế chuẩn của pin kẽm - đồng là 1,10V ở 250C Tính sự biến đổi năng lượng

tự do chuẩn của phản ứng oxi hóa - khử làm cơ sở cho pin

2.2.5.2 Khả năng phản ứng oxi hóa – khử của các chất vô cơ ở điều kiện không chuẩn

a Phương trình Nernst

Đối với phản ứng oxi hóa khử dạng tổng quát :

Đối với các cặp kiểu: Mn+ + ne → M

Ở đây M là kim loại, Mn+ ion kim loại tương ứng, dạng khử là các kim loại ở thể rắn, nồng độ dạng khử chỉ phụ thuộc vào số nguyên tử nằm trên bề mặt nên được xem là cố định, biểu thức Nernst có dạng :

o 0,059 n+

nCác công thức (2), (3) chỉ áp dụng cho các trường hợp khi chỉ có dạng oxi hóa

và dạng khử tham gia phản ứng Trong nhiều trường hợp các ion H+ và OH-cũng tham gia phản ứng hay được tạo thành như là sản phẩm của phản ứng

Chú ý: Trong mọi trường hợp khi mà nồng độ của các chất bị sai lệch đi so với điều kiện chuẩn thì giá trị của thế điện cực và sức điện động của pin đều

bị thay đổi Điều đó có thể làm thay đổi chiều hướng hoặc mức độ diễn biến của phản ứng oxi hóa – khử

b Ứng dụng của phương trình Nernst

Nếu Epu <0 phản ứng diễn ra theo chiều ngược lại

VD: a Tính thế chuẩn của pin gồm điện cực Zn2+/Zn và Cu2+/Cu

b Nếu giữ nồng độ của Zn2+ không đổi và bằng 1M, còn nồng độ của Cu2+

tăng 10 lần so với nồng độ chuẩn, điều gì xảy ra?

Vậy khi tăng nồng độ của Cu2+ lên 10 lần thì thế của pin của tăng thêm ≈ 0,03V

c Các yếu tố ảnh hưởng đến thế điện cực

- Ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ

Khi thay đổi nồng độ của các chất oxi hóa và chất khử thì thế của mỗi điện cực và sức điện động của pin đều thay đổi

- Ảnh hưởng của sự tạo thành hợp chất ít tan

Nếu trong dung dịch có mặt của cấu tử tạo hợp chất ít tan với dạng khử hoặc dạng oxi hóa đều làm cho thế điện cực thay đổi

+ Nếu tạo hợp chất ít tan với dạng OXH làm cho thế điện cực giảm

+ Nếu tạo hợp chất ít tan với dạng khử làm cho thế điện cực tăng

+ Nếu tạo hợp chất ít tan với cả dạng khử và dạng oxi hóa thì dạng nào bền hơn sẽ quyết định đến thế khử

VD: Ag có phản ứng với dung dịch HI 1M không?

Biết EoAg+/Ag = 0,8 V, Eo 2H+/H2 =0V, TAgCl = 8,3.10-17

Lời giải: Ở điều kiện chuẩn dựa vào EoAg+/Ag = 0,8 V, Eo 2H+/H2 =0Vthì Ag không phản ứng được với các dung dịch axit loãng Nhưng thực tế Ag có thể tác dụng với dung dịch HI 1M để giải phóng H2

- Ảnh hưởng của sự tạo phức

Sự có mặt của các chất có khả năng tạo phức với một trong các dạng oxi hóa hay khử đã làm thay đổi nồng độ của chúng do đó thế điện cực thay đổi nên kéo theo sự thay đổi chiều hướng và mức độ phản ứng oxi hóa – khử

Nếu cả hai dạng oxi hóa và dạng khử đều có khả năng tạo phức với cùng một thuốc thử thì nồng độ của chúng sẽ thay đổi khác nhau tùy theo độ bền của phức tạo thành

Thông thường dạng oxi hóa có khả năng tạo phức mạnh hơn dạng khử, do đó

sự tạo phức sẽ làm giảm nồng độ của dạng oxi hóa nhiều hơn nồng độ dạng khử và thế điện cực khi có chất tạo phức thường giảm xuống

VD: Dựa vào thế điện cực chuẩn thì Ag không phản ứng được với dung dịch HCN nhưng thực tế có xảy ra phản ứng do tạo thành phức chất Ag[CN2]-

Áp dụng phương trình Nernst cho nửa phản ứng

E=E +0,059lg[Ag ][Ag(CN) ]

K =[Ag ][CN ]

Khi Ag[CN2]- = CN- = 1M thì [Ag+] = 19

Vì thế điện cực của nửa phản ứng trên âm hơn thế của điện cực hidro

chuẩn

Epu > 0 phản ứng diễn biến theo chiều thuận

→ Ag tác dụng được với HCN 1M giải phóng H2

- Ảnh hưởng của môi trường

Đối với quá trình oxi hóa khử có ion H+ hoặc OH- tham gia thì thế của quá

trình phụ thuộc cả vào giá trị pH của môi trường, vì vậy sự thay đổi pH của

dung dịch sẽ ảnh hưởng tới chiều tự diễn biến của phản ứng oxi hóa – khử

2+

- + 8 4

A1, A2…, An đều chứa cùng một nguyên tố

Số OXH của nó giảm từ A → An

Eo1 > Eo2 xảy ra sự hợp phân

2Fe3+ + Fe → 3Fe2+

Điều quan trọng nhất rút ra từ giản đồ Latimer là thấy được trạng thái oxi hóa nào của nguyên tố là bền đối với sự tự oxi hóa - khử và hướng của sự chuyển hóa giữa chúng

 Dự đoán sản phẩm phản ứng oxi hóa - khử

IO không thể hình thành được bởi nó tác dụng với I- dư để tạo ion I3

Tương tự MnO2 không được hình thành vì nó có khả năng oxi hóa I-

PTHH:

15I- + 2MnO4- + 16H+ → 5I3- + 2Mn2+ + 8H2O

Trường hợp KMnO4 dư Mn2+ không thể hình thành do nó kết hợp với

-4 MnO dư tạo

ra MnO2 ( sự hợp phân)

I- không bị oxi hóa hoàn toàn tạoI-3mà tạo IO-3hoặc H5IO6 vì ion I3có khả năng khử MnO -4

Do vậy phản ứng xảy ra là:

I- + 2MnO4- + 2H+ → IO-+ 2MnO2 + H2O

3I- + 8MnO4- + 11H+ + 2H2O → 3H5IO6 + 8MnO2

2.2.5.3 Tính cân bằng trong các dung dịch phản ứng oxi hóa –khử

Tùy theo yêu cầu để đánh giá mức độ phản ứng oxi hóa - khử mà có thể tính toán cân bằng trong các dung dịch chứa chất oxi hóa, chất khử : tính E0, Epu, Kcb… Đánh giá định lượng phản ứng oxi hóa - khử là đánh giá phản ứng oxi hóa – khử theo chiều nào mà còn đánh giá định lượng nồng độ cấu tử khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng

Về nguyên tắc, tính nồng độ các cấu tử ở trạng thái cân bằng trong dung dịch chứa chất oxi hóa, chất khử giống như tính toán trong hệ axit - bazơ : mô tả quá trình xảy ra trong dung dịch, sau đó so sánh quá trình cùng loại bỏ qua quá trình thứ yếu (chuyển từ phương trình bậc cao  phương trình bậc thấp)

Chú ý :

- Những phản ứng oxi hóa – khử có chất khí tham gia thì C thay bằng P

P = C*1/L trong đó L là độ tan của chất khí M C là nồng độ

- Đặt nồng độ các chất ở trạng thái cân bằng là theo nồng độ chất có ít trong dung dịch

+ Nếu phản ứng có K lớn thì nồng độ chất ban đầu còn lại dung dịch ít, nên đặt nồng độ còn lại của chất ban đầu là x

+ Nếu phản ứng có K lớn thì nồng độ của sản phẩm tạo thành là nhỏ, nên đặt nồng độ ở thời điểm cân bằng của sản phẩm là x

Ví dụ 1: Tính độ tan của đồng g/l trong dung dịch HCl 1M biết

2

4 H

L  8.10 

Ví dụ 2: Tính độ tan của đồng g/l trong dung dịch HNO3 0,8M Biết

3 NO

L  2.10 ,

3

o ( NO / NO)

E   0,86V

2.2 Hệ thống bài tập định tính chương oxi hóa – khử

Các dạng bài:

- Hoàn thành các PTHH, cân bằng các phản ứng oxi hóa khử

- Vận dụng lý thuyết đã học để giải thích, viết phương trình, dự đoán sản phẩm, dự đoán hiện tượng, dựa vào thế điện cực để dự đoán khả năng

A Bài tập có lời giải

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

Hay 3Cu + 8HNO3 → 3Cu( NO3)2 + 2NO + 4H2O

→ 2KMnO4 +8 H2SO4 + 5K2C2O4 → 10CO2 + 6K2 SO4 + 2KMnO2 + 8H2O

3 MnO2 + KOH + O2 → K2MnO4 + H2O

2

Mn  Mn +2e

Ở bán phản ứng oxy hóa khi nhân 5 thừa 10H+

→ Sau khi quy đồng số e, số ion H+thực sự thiếu là 6H+

5NO +2MnO 2Mn +5NO (thừa 3 oxy)

→ Giải quyết 3 oxy này bằng cách cho kết hợp với 6H+

5NO +2MnO +6H 2Mn +3H O+5NO

Bài 4: KỲ THI CHỌN HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA NĂM 2004 - BẢNG A Viết phương trình hoá học cho mỗi trường hợp sau:

a Cho khí amoniac (dư) tác dụng với CuSO 4 5H 2 O

b Trong môi trường bazơ, H 2 O 2 oxi hoá Mn 2+ thành MnO 2

c Trong môi trường axit, H 2 O 2 khử MnO 4 - thành Mn 2+

HDTL :

a Có thể viết CuSO4.5H2O ở dạng [Cu(H2O)4] SO4.H2O Do đó khi phản ứng xảy

ra, NH3 sẽ thế các phân tử H2O ở cầu nội :

Cu2+ + 2e → Cu Eo

=0,34V Các giá trị này của Eo thấy tính khử của Zn cao hơn H2; H2 lại khử mạnh hơn

Cu Cu2+ có tính oxi hóa mạnh hơn H+; H+ có tính oxi hóa mạnh hơn Zn2+

Nhƣ vậy Zn khử đƣợc ion H+

mà Cu không khử đƣợc

Fe2+ + 2e → Fe Eo

= - 0,44V 2H+ +2e → H2 Eo = 0 V

Fe3+ + 1e → Fe2+

Eo = 0,77V Qua các giá trị Eo này thấy Fe khử đƣợc ion H+ để cho Fe2+; ion Fe3+ không thể tạo ra đƣợc vì Fe3+ bị H2 khử xuống Fe2+

Bài 7:

Nhúng một tấm đồng vào dung dịch FeSO 4 và nhúng một tấm đồng khác vào dung dịch AgNO 3 Hãy mô tả và giải thích điều quan sát đƣợc

HDTL :

Không có hiện tƣợng gì xảy ra khi tấm đồng tiếp xúc với dung dịch FeSO4 Khi Cu tiếp xúc với dung dịch AgNO3 thì tấm đồng bị bao bọc bởi 1 lớp Ag trắng và dung dịch lúc đầu không màu trở nên màu xanh lam do sự có mặt của ion đồng Cu2+

Fe2+ + 2e → Fe ứng với nửa pin có sơ đồ Fe2+/Fe

Sự xảy ra trên cực Cu :

Cu2+ + 2e → Cu ứng với nửa pin có sơ đồ Cu2+/Cu

Khi ghép hai nửa pin này với nhau, thu đƣợc pin có sơ đồ :

(-) Fe │ Fe2+ ║ Cu2+ │ Cu (+)

Ở mạch ngoài dòng điện chạy từ cực Cu sang cực Fe

Cu / Fe /

Eo= 0,34-(-0,44) = 0,78 V

3-[AsO ]0,059 0,059

Nhƣ vậy ở pH = 8, [AsO43-] = [AsO33- ] = 1(M)

Có Eo’ = 0,087 V < Eo( I2/I- ) = 0,54V Nên I2 sẽ phản ứng với AsO3

3-Phản ứng trên sẽ xảy ra theo chiều ngƣợc

Bài 10:

Một pin điện đƣợc tạo ra từ 2 điện cực Một điện cực gồm một tấm Cu nhúng trong dung dịch CuSO 4 0,5M Điện cực thứ hai là dãy một dây Pt nhúng vào dung dịch Fe 2+ , Fe 3+ với lƣợng sao cho [Fe 3+ ] = 2[Fe 2+ ] Dùng một dây dẫn

có điện trở R nối 2 đầu Cu và Pt

Cho biết dấu của 2 cực của pin Viết các phản ứng điện cực Tính sức điện động của pin

Biết rằng thể tích của dung dịch CuSO 4 khá lớn, hãy tìm tỷ số [Fe 3+ ]/ [Fe 2+ ] Khi pin ngừng hoạt động

Cho các thế chuẩn [V] của cặp oxi hóa khử :

Khi pin ngừng hoạt động thì suất điện động của pin bằng 0

Do thể tích dung dịch CuSO4 khá lớn nên có thể xem nồng độ không đổi và [ Cu2+ ]

Fe

Fe Fe

=4,8.10 V Fe

Biết E o Ag + /Ag = 0,8V; E o Fe 3+ /Fe 2+ = 0,77 V

b Ở giá trị tối thiểu nào tỉ số [Fe 3+ ]/[Fe 2+ ] thì phản ứng sẽ đổi chiều?

EAg+/Ag = EoAg+/Ag + 0,059 lg [Ag+] = 0,769V

Nhận xét : EFe 3+ /Fe 2+>EAg /Ag + nên :

Ag + Fe 3+    Ag + Fe + 2+