Tổng hợp lý thuyết về phản ứng oxi hóa khử trong hóa học vô cơ

PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG OXI HÓA-KHỬ 1.1 Một số khái niệm 1.1.1 Phản ứng oxi hóa-khử [4, 7] - Cơ sở hình thành khái niệm: Dựa vào sự thay đổi số oxi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY BẮC

TẠ THỊ THÙY

TỔNG HỢP LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG OXI HÓA-KHỬ

TRONG HÓA HỌC VÔ CƠ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

SƠN LA, THÁNG 05 NĂM 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY BẮC

TẠ THỊ THÙY

TỔNG HỢP LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG OXI HÓA-KHỬ

TRONG HÓA HỌC VÔ CƠ

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn: ThS Doãn Văn Kiệt

Lời cảm ơn

Thực tế luôn cho thấy, sự thành công nào cũng gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ của những người xung quanh cho dù sự giúp đỡ đó là ít hay nhiều, trực tiếp hay gián tiếp Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu làm khóa luận đến nay, em đã nhận được sự quan tâm, chỉ bảo, giúp đỡ của thầy cô, gia đình và bạn bè xung quanh

Với tấm lòng biết ơn vô cùng sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất từ đáy lòng đến quý Thầy Cô của trường đại học Tây Bắc, nhất là các thầy cô giáo trong

tổ bộ môn Hóa học và toàn thể các thầy,cô giáo trong khoa Sinh- Hóa đã dùng những tri thức và tâm huyết của mình để có thể truyền đạt cho chúng em vốn kiến thức quý báu suốt thời gian học tập tại trường

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo-Thạc sĩ Doãn Văn Kiệt đã tận

tâm chỉ bảo hướng dẫn em qua từng buổi học, từng buổi nói chuyện, thảo luận về đề tài nghiên cứu Nhờ có những lời hướng dẫn, dạy bảo đó mà bài khóa luận tốt nghiệp của em được hoàn thành một cách xuất sắc nhất.Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo Trương Thị Hoa

cùng tập thể lớp K55 Đại học Sư phạm Hóa đã động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành khóa luận này

Bài khóa luận được thực hiện trong khoảng thời gian 5 tháng Ban đầu em còn

bỡ ngỡ vì vốn kiến thức của em còn hạn Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót,

em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và các bạn cùng lớp

để bài khóa luận của em được hoàn thiện hơn

Sơn La, tháng 05 năm 2018

Sinh viên

Tạ Thị Thùy

MỤC LỤC

PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU 1

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

II MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 2

II.1 MỤC ĐÍCH 2

II.2.NHIỆM VỤ 2

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

V ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI 2

PHẦN II: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG OXI HÓA-KHỬ 3

1.1 Một số khái niệm 3

1.1.1 Phản ứng oxi hóa-khử [4, 7] 3

1.1.2 Số oxi hóa [3, 4] 3

1.1.3 Chất oxi hóa,chất khử, sự khử, sự oxi hóa [3, 4, 7] 6

1.2.1 Đơn chất có thể là chất oxi hóa, có thể là chất khử [3] 7

1.2.2 Các oxiaxit và các muối của chúng có thể là chất oxi hóa và có thể là chất khử [2, 3] 8

1.2.3 Ion kim loại tích điện dương có thể là chất oxi hóa, có thể là chất khử [3] 9

1.2.4 Chất khử là các nguyên tố tích điện âm [3, 6] 10

1.2.5 Trường hợp một chất vừa có tính khử vừa có tính oxi hóa [3] 10

1.2.6 Trong một số chất, chất oxi hóa và chất khử trong nội phân tử [3] 11

1.2.7 Trong một số chất, chất oxi hóa và chất khử còn phụ thuộc vào môi trường tiến hành phản ứng [3, 7] 11

1.3 Cơ chế phản ứng oxi hóa-khử [4] 12

1.3.1 Cơ chế chuyển electron 12

1.3.2 Cơ chế chuyển nguyên tử 13

1.4 Cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa-khử 15

1.4.1 Phương pháp thăng bằng electron [3, 1] 15

1.4.2 Phương pháp ion-electron [3, 4, 2] 16

1.4.3 Phương pháp đại số [3] 19

1.5 Các dạng phản ứng oxi hóa-khử phức tạp 19

1.5.2 Phản ứng có từ 3 trường hợp thay đổi số oxi hóa trở lên [1, 3, 6] 20

1.5.3 Phản ứng có nguyên tố tăng hay giảm nhiều nấc [2, 3] 21

1.5.4 Phản ứng không xác định rõ môi trường [3, 6, 7] 22

1.6 Thế điện cực, bảng thế điện cực 22

1.6.1 Điện cực, phân loại điện cực [2, 4] 22

1.6.2 Năng lượng Gip và sức điện động của pin [4, 7] 24

1.6.3 Phương pháp xác định thế điện cực Thế điện cực chuẩn Bảng thế điện cực [4] 25 1.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến thế điện cực 31

1.7.1 Phương trình Nernst [4, 7] 31

1.7.2 Ảnh hưởng của pH đến thế điện cực [4] 32

1.7.3 Ảnh hưởng của sự tạo thành hợp chất ít tan [4] 32

1.7.4 Ảnh hưởng của sự tạo phức [4] 33

1.7.5 Ảnh hưởng của nhiều yếu tố [2, 5, 7] 33

1.8 Ứng dụng bảng thế điện cực [4] 35

1.8.1 Lực tương đối của chất oxi hóa và chất khử 35

1.8.2 Dựa vào thế điện cực chuẩn viết phản ứng oxi hóa-khử tự diễn biến 36

1.8.3 Tính sức điện động của pin Ganvani và biến thiên năng lượng Gip ở điều kiện tiêu chuẩn 37

1.8.4 Dựa vào thế điện cực chuẩn dự đoán chiều xảy ra phản ứng (xảy ra trong dung dịch mà dung môi là nước) 37

1.9 Sự điện phân 39

1.9.1 Sự điện phân [3, 4] 39

1.9.2 Sơ lược về quá thế - Thứ tự phản ứng trong điện phân dung dịch nước [3, 4] 40

1.9.3 Định luật Faraday trong điện phân [3,4] 42

1.10 Phản ứng oxi hóa-khử trong pin và ắc quy [4, 7] 43

1.11 Giản đồ Latimer và một số ứng dụng quan trọng [4] 44

1.12 Phản ứng oxi hóa-khử trong môi trường khô [4, 6, 7] 47

1.13 Một số ứng dụng của phản ứng oxi hóa-khử trong đời sống [4] 48

CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÓNG GÓP CỦA KHÓA LUẬN 50

II.1 Kết quả nghiên cứu của khóa luận 50

2.2 Đóng góp của khóa luận 51

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 52

3.1 Kết luận 52

3.2 Khuyến nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ CÁC HÌNH

Bảng 2.1.1: Bảng tóm tắt về tính oxi hóa, tính khử của các nguyên tố trong bảng hệ

thống tuần hoàn 8

Hình 6.3.1: Điện cực hidro tiêu chuẩn 27

Hình 6.3.2: Sơ đồ cách đo thế điện cực của điện cực kẽm 28

Bảng 6.3.1: Thế khử tiêu chuẩn của một số kim loại 30

Hình 10.2: Sơ đồ cách lắp pin Daniel 43

PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong những thập kỷ qua, nền giáo dục có những bước phát triển đáng ghi nhận, góp phần quan trọng vào việc nâng cao dân trí,đào tạo nhân lực cho công cuộc xây dựng, bảo vệ và đổi mới đất nước.Tiếp tục thực hiện chủ trương đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo (GD &ĐT) mà Nghị quyết Hội nghị Trung ương 9 khóa

XI (NQ 29-NQ/TW) đề ra, Đại hội Đảng lần thứ XII đề ra phương hướng: Giáo dục là quốc sách hàng đầu Phát triển GD & ĐT nhằm nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực và bồi dưỡng nhân tài Chuyển mạnh quá trình giáo dục từ chủ yếu trang bị kiến thức sang phát triển toàn bộ năng lực và phẩm chất người học Phát triển GD & ĐT phải gắn với nhu cầu phát triển KT-XH, xây dựng và bảo vệ Tổ quốc, với tiến bộ khoa học, công nghệ; phấn đấu trong những năm tới, tạo chuyển biến căn bản, mạnh mẽ về chất lượng, hiệu quả GD & ĐT; phấn đấu đến năm 2030, nền giáo dục Việt Nam đạt trình

độ tiên tiến trong khu vực

Để đạt được những nhiệm vụ và mục tiêu đã đề ra đòi hỏi tính linh hoạt rất cao

ở cả người dạy lẫn người học Linh hoạt ở đây tức phải tự tìm tòi, khám phá, lĩnh hội tri thức và nâng cao phẩm chất, năng lực Ở các quốc gia có nền giáo dục phát triển, phương pháp giúp trẻ tự học được áp dụng từ khi mới vào lớp 1 Còn ở Việt Nam đã làm rất tốt việc dạy chữ nhưng dạy học thì còn phải bàn rất nhiều Một trong những nguyên nhân đó phải nói đến chất lượng giáo viên, không thể phủ nhận nước ta có rất nhiều giáo viên, nhưng có rất ít giáo viên dạy giỏi Đại bộ phận vẫn dạy theo cách thời bao cấp Người thầy giỏi phải là người trao cho học sinh chiếc cần và dạy cho cậu ấy cách câu cá kiến thức chứ không phải trao cho cậu ấy cả con cá Đúng vậy, phương pháp giáo dục Việt Nam đã và đang được cải tiến ở một số bộ phận trường học với mục tiêu đưa người học làm trung tâm, trong đó giáo viên chỉ là người điều khiển hướng dẫn.Để đạt được kết quả cao thì sự chuẩn bị của giáo viên và học sinh phải thật chu đáo,kỹ lưỡng Việc điều khiển hiệu quả nhất bên cạnh kỹ năng quản lý tốt,phải đòi hỏi đến yêu cầu chuyên môn của người giáo viên và sự linh hoạt tự nghiên cứu làm chủ kiến thức của học sinh Muốn vậy ta phải trau dồi kiến thức,siêng năng tìm hiểu nhiều tài liệu để tìm hiểu nguyên nhân sâu sa, trực tiếp giúp việc thâu tóm và tổng hợp kiến thức.Chính vì vậy các tài liệu tổng hợp vấn đề là rất cần thiết và quan trọng

Phản ứng oxi hóa-khử là một trong những quá trình quan trọng nhất của thiên nhiên Sự hô hấp, quá trình thực vật thu khí cacbonic giải phóng khí oxi, sự trao đổi

nhiên liệu trong các động cơ,các quá trình điện phân, các phản ứng xảy ra trong pin, ăcquy đều bao gồm sự oxi hóa và sự khử Hàng loạt quá trình sản xuất như luyện kim, chế tạo hóa chất, chất dẻo,dược phẩm, phân bón hóa học…đều không thể thực hiện được nếu thiếu phản ứng oxi hóa-khử

Hơn thế nữa trong các kỳ thi THPT quốc gia, những câu hỏi về phản ứng oxi hóa-khử thường xuất hiện khá nhiều Nếu các bạn nắm chắc kiến thức, hiểu sâu về nó thì bài tập về phản ứng oxi hóa-khử trở nên khá đơn giản, không có gì có thể làm khó các bạn Do giới hạn về thời gian, tôi xin chỉ đề cập đến nội dung về phản ứng oxi hóa-

khử trong hóa học vô cơ Với các lý do đó tôi chọn nghiên cứu “Tổng hợp lý thuyết về phản ứng oxi hóa-khử trong hóa học vô cơ”

II MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

II.1 MỤC ĐÍCH

- Tổng hợp các vấn đề chung về phản ứng oxi hóa-khử trong hóa học vô cơ

- Làm tài liệu tham khảo bổ ích cho học sinh, sinh viên khi học phản ứng oxi

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu qua sách ,báo, giáo trình, các tài liệu tham khảo liên quan đến phản ứng oxi hóa-khử

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Đọc và nghiên cứu tài liệu

- Phân tích, đánh giá kết hợp giải các bài tập, tra bảng

V ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài hoàn thành sẽ là tài lệu tham khảo cho sinh viên khối nghành chuyên hóa

và không chuyên ở các trường chuyên nghiệp; cho giáo viên, học sinh ở một số trường phổ thông hiểu sâu hơn về phản ứng oxi hóa-khử trong hóa học vô cơ

PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG OXI HÓA-KHỬ 1.1 Một số khái niệm

1.1.1 Phản ứng oxi hóa-khử [4, 7]

- Cơ sở hình thành khái niệm: Dựa vào sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên

tố trong các chất tham gia phản ứng có thể phân các phản ứng hóa học thành hai loại: Phản ứng trong đó không có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố, người ta thường gọi loại phản ứng này là phản ứng trao đổi; Phản ứng trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tố, loại phản ứng này được gọi là phản ứng oxi hóa-khử

- Khái niệm: Phản ứng oxi hóa-khử là phản ứng hóa học trong đó có sự tăng, giảm số oxi hóa của một số nguyên tố

- Phân loại phản ứng oxi hóa - khử

Có thể chia các phản ứng oxi hóa khử thành ba loại:

+ Phản ứng giữa các phân tử: Trong các phản ứng loại này sự chuyển electron xảy ra giữa các phân tử Đây là loại phản ứng oxi hóa khử phổ biến nhất

0 , MnO

2KCl + 3O2

1.1.2 Số oxi hóa [3, 4]

a, Cơ sở hình thành khái niệm

Theo thuyết “điện hóa trị”, trong tất cả các hợp chất hóa học chỉ tồn tại liên kết ion Điện hóa trị chỉ có thể có giá trị dương hoặc âm Từ đó hình thành khái niệm số oxi hóa

Số oxi hóa của một nguyên tố trong hợp chất hữu cơ là điện tích của nguyên tố

đó trong phân tử của hợp chất với giả thiết rằng các liên kết trong phân tử đều là liên kết ion

Như vậy, khái niệm số oxi hóa chỉ mang tính chất hình thức do người ta đã gán một cách quy ước cặp electron liên kết của hai nguyên tử được chuyển hẳn sang nguyên tử của nguyên tố có độ âm điện lớn hơn Khi đó, số oxi hóa có thể là số dương , số âm hoặc số không

Kí hiệu: Bằng chữ số Ả rập và viết dấu (+) hoặc (-) trước chữ số

Cách viết số oxi hóa: số oxi hóa được viết bằng chữ số thường, dấu đặt phía trước và được đặt ở trên kí hiệu nguyên tố

Ví dụ: N H-3 3

b, Quy tắc xác định số oxi-hóa

Quy tắc 1: Trong các đơn chất, số oxi hóa của nguyên tố bằng không

Ví dụ: Số oxi hóa của các nguyên tố Cu, Zn, H, N, O trong đơn chất Cu, Zn, H2,

N2, O2….đều bằng không

Quy tắc 2:

- Trong ion đơn nguyên tử, số oxi hóa của nguyên tố bằng điện tích của ion đó

- Trong ion đa nguyên tử, tổng số số oxi hóa của các nguyên tố nhân với số nguyên tử của cùng một nguyên tố bằng điện tích ion

Quy tắc 3: Trong một phân tử, tổng số số oxi hóa của các nguyên tố nhân với số nguyên tử của từng nguyên tố bằng không

Quy tắc 4: Trong hầu hết các hợp chất, số oxi hóa của hidro bằng +1, trừ một

số trường hợp như hidrua kim loại (NaH,CaH2…) Số oxi hóa của oxi bằng -2, trừ trường hợp OF2, peoxit ( chẳng hạn H2O2)…

*) Chú ý:

Đối với các tiểu phân có chứa nhiều nguyên tử của cùng một nguyên tố nhưng ở trạng thái oxi hóa khác nhau Vì vậy, không xác định được số oxi hóa theo nguyên tắc trên mà phải dựa vào công thức cấu tạo của tiểu phân

Ví dụ 1: Xác định số oxi hóa của nguyên tố S trong axit thiosunfuric H2S2O3

Cùng một công thức cấu tạo phân tử nhưng có 2 công thức:

a) Nguyên tử S trung tâm có số oxi hóa +4

Nguyên tử S còn lại có số oxi hóa 0

S O

0

+4 -1

H2S2O3

b) Nguyên tử S trung tâm có số oxi hóa +5

Nguyên tử S còn lại có số oxi hóa -1

S

O O

H

H

-2 -1

+) Một nguyên tử O vừa liên kết với F có độ âm điện lớn hơn lại vừa liên kết

với nguyên tử Cl có độ âm điện nhỏ hơn nên số oxi hóa của O bằng 0

+) Ba nguyên tử oxi còn lại có số oxi hóa bằng -2

*) Lưu ý: - Số oxi hóa là một đại số nên dấu + hay – trước trị số và được ghi

phía trên ký hiệu nguyên tố, khác với điện tích ion

- Hóa trị và số oxi hóa là hai đại lượng khác nhau tuy có khi lại trùng nhau (Hóa

trị là số liên kết của nguyên tử trong phân tử)

Công thức phân tử CaC2

(Canxi cacbua)

FeS2 (Pirit sắt) Công thức cấu tạo C

Ca C

S

Fe S

c, Ý nhĩa của khái niệm số oxi hóa

- Được dùng làm cơ sở để viết định nghĩa phản ứng oxi hóa-khử và để viết phương trình phản ứng oxi hóa-khử theo phương pháp cân bằng số oxi hóa và phương pháp ion-electron

- Thích hợp cho việc phân loại các chất

Ví dụ: Các chất: HPO3, H3PO4, H4P2O7 có công thức phân tử khác nhau nhưng đều có điểm chung là nguyên tố P trong hợp chất có số oxi hóa +5 nên được xếp cùng một loại HPO2, H3PO3, H4P2O5 được xếp cùng một loại do số oxi hóa của P bằng +3

H3PO2 được xếp vào một loại do số oxi hóa của P là +1

1.1.3 Chất oxi hóa,chất khử, sự khử, sự oxi hóa [3, 4, 7]

 Chất khử ( chất bị oxi hóa) là chất nhường electron( tăng số oxi hóa)

 Chất oxi hóa( chất bị khử) là chất nhận electron( giảm số oxi hóa)

 Sự khử (quá trình khử) một chất là làm cho chất đó nhận electron hay làm giảm số oxi hóa của chất đó

 Sự oxi hóa (quá trình oxi hóa) một chất là làm cho chất đó nhường electron hay làm tăng số oxi hóa của chất đó

Trong mỗi phản ứng, quá trình oxi hóa và quá trình khử được gọi là hai nửa phản ứng Cộng đại số hai nửa phản ứng ta được phản ứng oxi hóa-khử hoàn chỉnh Xét một số ví dụ:

-Trong phản ứng, Fe tăng số oxi hóa, đƣợc gọi là chất khử, Cl2 giảm số oxi hóa,

đƣợc gọi là chất oxi hóa

tăng số oxi hóa, đƣợc gọi là chất khử; ở MnO4

-có chứa Mn giảm số oxi hóa nên đƣợc gọi là chất oxi hóa

*) Ghi chú

- Ở quá trình khử, chất oxi hóa bị khử chuyển thành chất khử

- Ở quá trình oxi hóa, chất khử bị oxi hóa chuyển thành chất oxi hóa

- Chất khử và chất oxi hóa cùng một quá trình hợp thành cặp oxi hóa-khử

- Trong một phản ứng oxi hóa-khử có ít nhất 2 cặp oxi hóa-khử

1.2 Nhận biết chất oxi hóa và chất khử

1.2.1 Đơn chất có thể là chất oxi hóa, có thể là chất khử [3]

a, Chất oxi hóa có thể là đơn chất,mà nguyên tử trung hòa của nó nhận electron thành ion điện tích âm, có cấu trúc electron của khí trơ gần nhất Các nguyên tử trung hòa của những nguyên tố có lớp điện tử ngoài cùng 7(s2

p5); 6(s2p4); 5(s2p4); 4(s2p2) electron Chất oxi hóa mạnh nhất là các halogen và oxi ở dạng nguyên tử

Trong phân nhóm chính IV, V, VI và VII tính oxi hóa giảm theo sự tăng bán kính nguyên tử

b, Chất khử điển hình là những nguyên tố có số electron ở lớp ngoài cùng chứa

từ một đến ba electron Trong các chất khử này là kim loại, nghĩa là các nguyên tố s, d

và f

Chất khử mạnh là những nguyên tố có thế ion hóa bé, trong đó gồm các nguyên

tử của những nguyên tố ở hai phân nhóm chính kim loại kiềm và kiềm thổ.Trong các phân nhóm chính của hệ thống tuần hoàn, khả năng khử của các kim loại tăng theo sự tăng của bán kính nguyên tử Chẳng hạn nhƣ trong phân nhóm chính nhóm I của hệ thống tuần hoàn các nguyên tố của Đ.I.Menddeleeep, chất khử yếu là Li, chất khử mạnh là Fr

Phi kim cũng thể hiện tính khử nhƣ hidro, cacbon (thuộc về các nguyên tố s và p)

IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA

Tính oxi hóa tăng

(Tính phi kim tăng) OXI HÓA MẠNH

KHỬ Tính khử tăng MẠNH ( Tính kim loại tăng)

Ví dụ: K M nO ,K CrO , H S O ,H N O ,H ClO ,H BrO4 2 7 2 4 3 3 3

Axit nitric (khi tác dụng với tư cách là chất oxi hóa) phụ thuộc vào nồng độ và hoạt độ của chất khử có thể cho NO2, NO, N2, NH4NO3

Các hợp chất halogen chứa oxi có thể biểu diễn tính oxi hóa như sau:

Gia tăng tính oxi hóa

+1

H C lO

+3 2

H C lO

+5 3

H C lO

+7 4

H C lO HBrO _ HBrO3 _

HIO _ HIO3 HIO4, H5IO6

Gia tăng tính axit Trong dãy HClO- HBrO- HIO tính oxi hóa và độ bền giảm dần

b, Chất khử là các oxiaxit có số oxi hóa thấp và các muối của chúng Các phân

tử của các chất khử này chứa một hoặc một số nguyên tử của nguyên tố ở trong một số các trạng thái oxi hóa thấp của nó Khi tương tác với các chất oxi hóa các nguyên tử này nhường electron, tạo thành các hợp chất ứng với trạng thái oxi hóa dương ( có thể

là số oxi hóa dương cực đại) của nguyên tố này

1.2.3 Ion kim loại tích điện dương có thể là chất oxi hóa, có thể là chất khử [3]

a, Chất oxi hóa là các ion kim loại điện tích dương ở số oxi hóa cao nhất

Các ion kim loại điện tích dương đều thể hiện ở mức độ nào đấy tính oxi hóa Trong số chúng, chất oxi hóa mạnh hơn là các ion tích điện dương ở số oxi hóa cao

Ví dụ: Fe3+

, Cu2+ , Hg2+…

Cần lưu ý rằng kim loại, khi đóng vai trò chất khử, càng hoạt động mạnh thì ở trạng thái ion đóng vai trò chất oxi hóa càng yếu Ngược lại, kim loại càng kém hoạt động khi ở trạng thái ion nó là chất oxi hóa càng mạnh

b, Chất khử là các ion dương kim loại có số oxi hóa thấp, nếu chúng còn có thể

có những trạng thái với số oxi hóa cao hơn

1.2.4 Chất khử là các nguyên tố tích điện âm [3, 6]

Các phi kim, nếu là chất oxi hóa yếu, khi ở trạng thái ion âm nó là chất khử mạnh

Khả năng khử của các ion tích điện âm có điện tích như nhau tăng lên theo sự tăng của bán kính nguyên tử

Ví dụ: Trong nhóm halogen, khả năng khử của ion I

> Br- > Cl- > F- Tính khử của Frất yếu

-Ngoài ra tính khử của một số ion nguyên tố tích điện âm còn phụ thuộc vào đặc tính của môi trường

Ví dụ: 2Cl

-2e → Cl2

Nhưng trong môi trường OH- tạohợp chất chứa oxi

Cl- + 6OH- -6e → ClO3- +3H2O Tính khử rõ rệt của H2S thể hiện chủ yếu trong các môi trường axit, trung tính:

H2S -2e → S + 2H+

H2S +4H2O -8e → SO42- +10H+

1.2.5 Trường hợp một chất vừa có tính khử vừa có tính oxi hóa [3]

Khi một nguyên tố có trong một hợp chất hoặc đơn chất có số oxi hóa trung gian thì có cả hai tính chất vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử

Ví dụ 1: Xét sự thay đổi số oxi hóa của nguyên tử N trong phân tử KNO2

Ví dụ 2: Xét sự thay đổi số oxi hóa của nguyên tử S và cho biết vai trò của chúng trong

các phản ứng Fe+S0 0 +2F eS-2 (1)

Clo vừa có tính oxi hóa, vừa có tính khử

Trong phản ứng này Cl vừa là chất khử, vừa là chất oxi hóa

1.2.6 Trong một số chất, chất oxi hóa và chất khử trong nội phân tử [3]

Ví dụ:Xét sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố trong phản ứng dưới đây:

Như vậy, KClO3 vừa là chất khử, vừa là chất oxi hóa

1.2.7 Trong một số chất, chất oxi hóa và chất khử còn phụ thuộc vào môi trường tiến hành phản ứng [3, 7]

a, Kali pemanganat; KMnO4

Môi trường tiến hành phản ứng Sản phẩm sau phản ứng

loãng

+4 2

Mn O (đen) , (KOH)

Môi trường kiềm mạnh +6

K Mn O

1.3 Cơ chế phản ứng oxi hóa-khử [4]

Nếu dạng oxi hóa 1 của cặp (OX/Kh)1oxi hóa dạng khử 2 của cặp (OX/KH)2 NGười ta viết phương trình phản ứng oxi hóa-khử dạng tổng quát:

n1OX1 + n2Kh2 n1Kh1 + n2OX2

Người ta chứng tỏ rằng: trong phản ứng oxi hóa-khử, sự thay đổi số oxi hóa các nguyên tố xảy ra do sự chuyển electron hoặc do sự chuyển các nguyên tử từ tiểu phân này đến tiểu phân khác

Có hai cơ chế: - Phản ứng oxi hóa-khử theo cơ chế chuyển electron

- Phản ứng oxi hóa khử theo cơ chế chuyển nguyên tử

1.3.1 Cơ chế chuyển electron

Để biết rõ hơn về cơ chế ta xét một vài ví dụ để nhận thấy sự thay đổi số oxi hóa các nguyên tố xảy ra do sự chuyển các electron từ tiểu phân này đến tiểu phân khác

Ví dụ 1: CuSO4(aq) + Zn(r) → Cu(r) + ZnSO4(aq)

Phản ứng trên, các nguyên tử Zn đã chuyển electron sang ion Cu2+

1.3.2 Cơ chế chuyển nguyên tử

- Đa số phản ứng oxi hóa-khử (trong đó có phản ứng oxi hóa khử của hàng chục triệu hợp chất hữu cơ) xảy ra theo cơ chế chuyển nguyên tử

- Để chứng minh cho sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố xảy ra do sự chuyển nguyên tử từ tiểu phân này sang tiểu phân khác ta xét ví dụ sau:

Ví dụ 1: Phản ứng oxi hóa với axit hipoclorơ ( HClO)

NO2-(aq) + HClO(aq) → NO3-(aq) + HCl(aq)

Bản chất là do NO2- hút nguyên tử O trong ClO- để tạo NO3

-Giải thích: Nguyên tử N và Cl đều có chung điện tích +3 Mặt khác, rN < rCl dẫn đến mật độ dương tập trung trong gốc quanh N lớn hơn quanh Cl Do vậy khả năng hút nguyên tử O trong ClO-

lại phía NO2- sẽ dễ dàng hơn hút nguyên tử O trong NO-2 lại phía ClO- Ta nói, ClO- đã chuyển nguyên tử O cho NO2- để tạo NO3-

Thật vậy, thực nghiệm đã chứng minh: khi dùng NO2

không chứa oxi nặng (18O), còn HClO chứa 18O, sau khi phản ứng ion NO3- thu được có chứa 18O

Cơ chế được mô tả như sau:

- Trạng thái chuyển tiếp thứ hai, liên kết 18O và Cl bị yếu đi Cuối cùng liên kết O-Cl bị phân cắt, Cl- tách ra cùng H+

Nguyên tử 18O của HOCl đã chuyển sang ion NO2

làm cho số oxi hóa của N tăng lên 2 đơn vị và hình thành NO3-; Số oxi hóa của Cl giảm xuống 2 đơn vị

N -2eN Cl +2e+1 Cl-1

Bản chất: sự oxi hóa không liên quan đến sự mất electron do electron chuyển từ chất khử sang chất oxi hóa mà chỉ là do kết quả của sự chuyển nguyên tử O từ phân tử HOCl đến ion NO2-

*) Cũng là tác dụng với HOCl nhƣng khi tác dụng với SO3

( oxi hóa sunfit bằng HClO) thì lại xảy ra theo cơ chế chuyển nguyên tử Cl

HOCl + SO32- → HO- + ClSO3

-ClSO3- + H2O → SO4

+ Cl- + 2H+

Sản phẩm trung gian của phản ứng

Ví dụ 2: Phản ứng oxi hóa-khử với các oxoanion (gốc chứa oxi) nhƣ NO2

, SO42- , OCl- , BrO3-…

- Cơ chế không dừng lại ở việc chuyển một nguyên tử mà là sự chuyển của một

vài nguyên tử oxi liên kết với oxoanion từ nguyên tử này tới nguyên tử khác

- Do nguyên tử O trong oxoanion liên kết rất mật thiết với nguyên tử trung tâm

nên phản ứng trực tiếp là rất khó, chính vì thế cần thêm sự có mặt của xúc tác (Ví dụ

+ Tốc độ phản ứng thay đổi mạnh theo số oxi hóa của nguyên tử trung tâm

trong oxoanion; số oxi hóa của nguyên tử trung tâm càng thấp thì tốc độ phản ứng

càng cao

Ví dụ: Trong dãy chất sau: Tốc độ phản ứng đƣợc sắp xếp theo chiều tăng các

oxoanion của clo

+7 - 4

Cl O <

+5 - 3

Cl O <

+6 2- 4

S O <

+5 2- 4

H P O <

+4 2-

1.4 Cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa-khử

Có rất nhiều phương pháp để cân bằng phương trình oxi hóa-khử Ở đây chỉ đề

cập tới 3 phương pháp thông dụng sau:

- Phương pháp thăng bằng electron

1 Viết phương trình phản ứng xảy ra với đầy đủ các chất, sản phẩm

2 Tính số oxi hóa của nguyên tố có số oxi hóa thay đổi Nhận diện chất oxi

hóa, chất khử

3 Viết các phương trình phản ứng (chỉ cần viết nguyên tử của nguyên tố có số

oxi hóa thay đổi,với số oxi hóa viết bên trên) Thêm hệ số thích hợp để số nguyên tử

nguyên tố có số oxi hóa ở hai bên bằng nhau

4 Đưa hệ số vừa tìm được lên phương trình

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

Điền hệ số vừa tìm được vào phản ứng ta được:

2KMnO4 + 10FeSO4 + H2SO4 → 2MnSO4 +5 Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O Tiếp theo, tìm các hệ số còn lại bằng cách cân bằng các nguyên tử của các

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

Sau đó cân bằng các nguyên tử hidro, ta xác định được số phân tử nước là 8: 2KMnO4+ 10FeSO4 + 8H2SO4→ 2MnSO4 +5Fe2(SO4)3 +K2SO4 +8H2O

Cuối cùng để kiểm tra hệ số đã chọn, ta cân bằng số nguyên tử oxi

Nhận xét: ta thấy theo phương pháp thăng bằng electron thì Mn7+

sẽ mất đi 5e

để trở thành Mn2+ Điều này không phù hợp với cơ chế thực của phản ứng theo cơ chế chuyển nguyên tử O chứ không theo cơ chế chuyển electron Do vậy, phương pháp tiếp theo sẽ khắc phục nhược điểm này, mặc dù kết quả hai phương pháp này đều như nhau

1.4.2 Phương pháp ion-electron [3, 4, 2]

- Cơ sở: Dựa trên việc lập phương trình riêng của các quá trình khử và oxi hóa, sau đó cộng chúng lại ta được phương trình oxi hóa-khử

- Quy tắc:

1 Viết các chất điện li mạnh dưới dạng ion

2 Các chất không điện li, điện li yếu, các chất khí hoặc chất kết tủa dưới dạng phân tử

3 Các ion không thay đổi trong quá trình phản ứng không được dựa vào sơ đồ ion

- Các bước thực hiện:

1 Tách ion , xác định các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi và viết các nửa phản ứng oxi hóa và khử

2 Cân bằng các phương trình ở các nửa phản ứng

+ Cân bằng số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở 2 vế của nửa phản ứng

- Thêm H+ hay OH

Thêm H2O đẻ cân bằng số nguyên tử hidro

- Kiểm soát số nguyên tử oxi ở hai vế (phải bằng nhau)

+ cân bằng điện tích, thêm electron vào mỗi nửa phản ứng dể cân bằng điện tích

5 Để chuyển phương trình dạng ion thu gọn thành phương trình ion đầy đủ và phương trình phân tử cần cộng vào hai vế những lượng như nhau các cation hoặc anion dể bù trừ điện tích

-N O N O

+ Bước 2: Cân bằng phương trình các nửa phản ứng:

- Cân bằng số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế của nửa phản ứng

8 x Al -3e → Al3+

3 x 2NO3- + 10H+ +8e → N2O + 5H2O

8Al + 6NO3- +30H+ → 8Al3+ + 3N2O + 15H2O + Bước 5: Để chuyển phương trình dạng ion thu gọn thành phương trình ion đầy đủ và phương trình phân tử cần cộng vào hai vế những lượng như nhau các cation hoặc anion để bù trừ điện tích

Phương trình trên ta phải công vào cả hai vế với 24NO3-

Ta có:

8Al + 30NO3- + 30H+ → 8Al3+ + 24NO3- + 3N2O + 15H2O

8Al + 30HNO3 → 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O

ứng oxi hóa-khử, thường có sự tham gia của môi trường, tùy thuộc vào môi

Vế nào thừa oxi thì thêm H+ tạo ra H2O hay vế nào thiếu oxi thì thêm H2O tạo ra H+

Ví dụ: Xét và cân bằng phương trình sau

KMnO4 +KNO2 + H2SO4 → MnSO4 + KNO3 + K2SO4 + H2O

Phản ứng oxi hóa: NO2

→ NO3- Phản ứng khử: MnO4-

2KMnO4 + 5KNO2 +3H2SO4 → 2MnSO4 + 5KNO3 +K2SO4 + 3H2O

b, Phản ứng có kiềm tham gia

Vế nào thiếu oxi thì thêm OH

Để tạo ra nước, thừa oxi thì thêm H2O để tạo ra OH-

Ví dụ: Cân bằng phương trình sau

NaCrO2 + Br2 + NaOH → Na2CrO4 + NaBr + H2O

Phản ứng oxi hóa: Br2 +2e → 2Br-

Phản ứng khử: CrO2- -3e → CrO4-

3 x Br2 +2e → 2Br-

2 x CrO2- + 4OH- -3e → CrO4- +2H2O

2CrO4- + 8OH- +3Br2 → 2CrO4- +6Br- + 4H2O

2NaCrO4 + 8NaOH +3Br2 → 2Na2CrO4 + 6NaBr + 4H2O

c, Phản ứng khi có nước tham gia

Nếu sản phẩm sau phản ứng có axit tạo thành, ta cân bằng theo phản ứng có axit tham gia, nếu sản phẩm sau phản ứng có kiềm tạo thành ta cân bằng theo phản ứng có kiềm tham gia

Ví dụ: Xét và cân bằng phương trình sau

KMnO4 + K2SO3 + H2O → MnO2 + K2SO4 + KOH

Phản ứng khử: MnO4- +3e → MnO2

2MnO4- +3SO32- + 6OH- + 4H2O → 2MnO2 + 8OH- + 3SO42- +3H2O

 Dựa vào số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế phải bằng nhau

 Đặt ẩn số là các hệ số hợp thức Dùng định luật bảo toàn khối lượng để cân bằng nguyên tố và lập phương trình đại số

 Chọn nghiệm tùy ý cho một ẩn số, rồi dùng hệ phương trình đại số để suy ra các ẩn số còn lại

Ví dụ: aFeS2 + bO2 →cFe2O3 + dSO2

Ta có: Bảo toàn nguyên tố Fe: a = 2c

Bảo toàn nguyên tố S: 2a = d

Bảo toàn nguyên tố O: 2b = 3c + 2d

Chọn c =1 thì a = 2, d = 4, b = 11/2, sau đó nhân cả hai vế với 2 ta có phương trình

4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2

- Bản chất của phương pháp đại số: Phương pháp này không cho thấy bản chất của phản ứng oxi hóa-khử , không thể xác định chất oxi hóa, chất khử và một trong số trường hợp không xác định được các hệ số

Không nên cho rằng phương pháp nào ưu việt hơn phương pháp nào Khi viết phương trình phản ứng oxi hóa-khử diễn ra trong dung dịch nước, do phản ứng giữa các chất oxi hóa, chất khử điện li cũng là các ion thì có thể dùng phương pháp cân bằng ion-elecron Trong khi đó phương pháp thăng bằng electron có tính khái quát và dùng được cho mọi trường hợp

1.5 Các dạng phản ứng oxi hóa-khử phức tạp

1.5.1 Phản ứng oxi hóa-khử có hệ số bằng chữ [3, 6]

- Nguyên tắc: Cần chú ý xác định đúng sự tăng giảm số oxi hóa của các nguyên

tố Các giai đoạn khác tiến hành bình thường

Ví dụ: Cân bằng phản ứng oxi hóa khử sau:

1.5.2 Phản ứng có từ 3 trường hợp thay đổi số oxi hóa trở lên [1, 3, 6]

- Cách 2: Ta có:

0 2

2(FeS ) -22e2( Fe;2 S ) x 4 x 2

- Cách 3:

Bản chất: Do trong phân tử FeS2, cứ 1 nguyên tử Fe cần 2 nguyên tử S, bởi thế

2 nguyên tử Fe cần 4 nguyên tử S Vì vậy ta nhân thêm 2 (như dưới sơ đồ) để tổng hợp

2 phân tử FeS2

2 Fe -2e2 Fe

2S-10e2 S x 2

Hoặc thêm hệ số 2 trước FeS2, sau đó cân bằng các nguyên tố còn lại, kiểm tra nguyên tử oxi ở 2 vế giống như phản ứng trao đổi( hệ số có thể là số nguyên hoặc phân số)

2FeS2 + 11/2O2 → Fe2O3 + 4SO2↑

1.5.3 Phản ứng có nguyên tố tăng hay giảm nhiều nấc [2, 3]

Ví dụ: Cân bằng phương trình phản ứng sau:

Cân bằng số nguyên tử H và O ở hai vế ta được:

(3x+8y)Al+ (12x+30y)HNO3→ (3x+8y)Al(NO3)3 + 3xNO↑ + 3yN2O↑ +(6x+15y)H2O

Al + 4HNO3 → Al(NO3)3 + NO↑ + 2H2O x a

8Al + 30HNO3→ 8Al(NO3)3 + 3NO2↑ +15H2O x b

(a+8b)Al+(4a+30b)HNO3→(a+8b)Al(NO3)3+ aNO↑ + 3bN2O↑ + (2a+15b)H2O

Tìm hệ số điền vào dấu ? để cân bằng phương trình phản ứng

Đặt các hệ số của KHSO4, K2SO4, H2O lần lượt là a,b,c

Thay các hệ số vừa tìm được lên phương trình ta được:

5K2SO4 + 2KMnO4 + 6KHSO4→ 9K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O

1.6 Thế điện cực, bảng thế điện cực

1.6.1 Điện cực, phân loại điện cực [2, 4]

*) Khái niệm điện cực

Điện cực (hay gọi tắt là cực) là hệ nối tiếp nhau của các tướng dẫn điện (phase) Trong đó, tướng đầu tiên và tướng cuối cùng là kim loại, còn tướng kia thì bao quanh hoặc ở trong điện cực là các dung dịch chất điện ly

Cực đơn giản nhất là hệ gồm một dây kim loại nhúng vào dung dịch muối của

nó (kim loại ở đây không phải kim loại mạnh cũng không phải kim loại yếu mà là các kim loại hoạt động trung bình Thường là các kim loại nhóm d: Ví dụ : Fe, Cu, Zn…)

*) Phân loại điện cực

Dựa vào chức năng và cấu tạo có nhiều cách phân loại điện cực Có thể phân loại điện cực như sau:

1 Điện cực loại 1

- Là những điện cực làm việc thuận nghịch với cation gồm

+ Kim loại nhúng trong chất điện li của nó: VD:Cu│Cu2+

+ Điện cực khí: Là kim loại quý phủ một lớp khí trong dung dịch chứa ion của một khí đấy VD : Pt(H2)│ H+

2 Điện cực loại 2

- Là điện cực làm việc thuận nghịch với anion Thông thường bao gồm kim loại phủ một lớp muối khó tan của kim loại đó rồi nhúng vào dung dịch chứa anion của muối khó tan

Ví dụ: Một số điện cực loại 2:

Điện cực bạc clorua: Ag,AgCl│Cl

-Điện cực calomen( điện cực thủy ngân clorua): Hg,Hg2Cl2│Cl

-Điện cực thủy ngân sunfat: Hg,Hg2Cl2 │SO42-

3 Điện cực oxi hóa khử

- Là một hệ điện hóa gồm một kim loại trơ nhúng vào dung dịch chứa đồng thời cả dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố

Ví dụ: Pt│MnO4-, H+, Mn2+