Cân bằng phản ứng oxi hóa khử bằng phương pháp thăng bằng electron

Nhằm giúp học sinh dễ dàng trong việc cân bằng phản ứng oxi hoá khử tôi xin trình bày một số kinh nghiệm nhỏ bé về việc cân bằng phản ứng oxi hóa – khử theo phương pháp thăng bằng electr



BÁO CÁO SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Bộ môn: Hoá học.

Đề tài: CÂN BẰNG PHẢN ỨNG OXI HÓA - KHỬ BẰNG

PHƯƠNG PHÁP THĂNG BẰNG ELECTRON

I ĐẶT VẤN ĐỀ:

Một trong những vấn đề quan trọng nhất trong việc học bộ môn hoá học là học sinh phải biết cân bằng phản ứng, trong đó việc cân bằng phản ứng oxi hoá khử là việc hết sức cần thiết và quan trọng

Nhằm giúp học sinh dễ dàng trong việc cân bằng phản ứng oxi hoá khử tôi xin trình bày một số kinh nghiệm nhỏ bé về việc cân bằng phản ứng oxi hóa – khử

theo phương pháp thăng bằng electron mà sách giáo khoa hoá học lớp 10 của Bộ

Giáo Dục đã đề cập

II NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP:

1 Nhắc lại phương pháp theo SGK:

Phương pháp thăng bằng electron được tiến hành theo 4 bước chính:

Xét ví dụ sau để thấy được việc thực hiện qua 4 bước:

Fe2O3 + H2  Fe + H2O

 Bước 1: Xác định số oxi hoá của các nguyên tố để tìm chất o xi hoá, chất

khử:

Chất oxi hoá là chất có số oxi hoá giảm

Chất khử là chất có số oxi hoá tăng

Fe+3 2O -2 3 + H 0 2  Fe 0 + H+1 2O -2

( Sắt có số oxi hoá +3 giảm xuống 0 nên sắt là chất oxi hoá, Hidro có số oxi hoá 0 tăng lên +1 nên hidro là chất khử)

 Bước 2: Viết và cân bằng các quá trình oxi hoá và quá trình khử:

2Fe+3 + 6e  2Fe0

H0 2 + 2e  2H +1

 Bước 3: Xác định các hệ số của quá trình oxi hoá và quá trình khử sao cho

tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận:

x 2Fe+3 + 6e  2Fe0

y H0 2 + 2e  2H +1

x = BSCNN6 (6,2) = 1

y = BSCNN2 (2,6) = 3

Từ đó:

1 2Fe+3 + 6e  2Fe0

3 H0 2 + 2e  2H +1

 Bước 4: Đặt hệ số các nguyên tử vừa tìm được trong bước 3 vào phương trình

phản ứng sau đó cân bằng môi trường theo thứ tự ưu tiên sau:

+ Cation kim loại

+ Anion gốc axít

+ Hiđrô

+ Cuối cùng kiểm tra oxi

Fe2O3 + 3H2  2Fe + 3H2O (1)

( Ở đây không có môi trường là cation kim loại, anion gốc axít, hiđrô mà chỉ có oxi )

2 Mở rộng phương pháp:

a Một số khái niệm:

 Môi trường là chất không thay đổi số oxi hóa

Ví dụ: Trong trường hợp trên Oxi không thay đổi số oxi hóa nên Oxi là chất

môi trường

 Môi trường thuộc tính là chất không thay đổi số oxi hóa luôn nằm trong phân tử chất phản ứng

Ví du:ïTrong trường hợp trên oxi là chất môi trường thuộc tính nằm trong phân

tử Fe2O3 và trong H2O

 Môi trường phản ứng là chất tác động trực tiếp đến sản phẩm phản ứng Môi trường phản ứng có thể là môi trường axít, môi trường bazơ hay môi trường trung tính

Ví dụ : Trong môi trừơng axít Mn+7 (trong MnO4- ) biến đổi thành Mn2+ còn trong môi trường trung tính biến đổi thành Mn+2 (trong MnO2)

 Trung tâm phản ứng là chất thay đổi số oxi hóa.Trung tâm phản ứng là chất oxi hóa và chất khử

Ví dụ: Trong phản ứng trên, trung tâm phản ứng là Fe+3 (chất oxi hóa) và H0 (chất oxi hóa)

Chú ý: Khái niệm “chất” không những chỉ nguyên tử, phân tử mà còn để chỉ ion.

b Cách đặt hệ số nguyên tử trong các quá trình oxi hóa và quá trình khử :

 Nếu nguyên tử cùng loại không liên kết trực tiếp với nhau thì hệ số nguyên tử đặt ở phía trước

 Nếu nguyên tử cùng loại liên kết trực tiếp với nhau thì hệ số nguyên tử đặt

ở chân kí hiệu nguyên tố.Thực tế thấy:

 Nếu nguyên tử có số oxi hóa dương thì hệ số nguyên tử đó luôn đặt ở phía trước và hệ số chính là số nguyên tử đó trong một phân tử chất phản ứng

Ví dụ: Trong phản ứng trên, ở quá trình khử của Fe+3 thì hệ số của nó chính là

2 (trong phân tử Fe2O3 có 2 nguyên tử Fe) và đặt ở trước do Fe có số oxi hóa dương

 Nếu trạng thái đơn chất phân tử có nhiều nguyên tử (thường là 2) thì hệ số đặt ở chân kí hiệu nguyên tố và hệ số chính là số nguyên tử trong một phân tử chất phản ứng

Ví dụ: Trong phản ứng trên, hệ số của H là 2 (đơn chất hiđrô là H2) và đặt ở

chân kí hiệu nguyên tố hiđrô

 Nếu nguyên tử có số oxi hóa âm mà trị số số oxi hóa của nó không bằng hóa trị của nguyên tố đó thì hệ số đặt ở chân kí hiệu nguyên tố và hệ số chính là số nguyên tử trong một phân tử chất phản ứng Nguyên nhân, trong trường hợp này các nguyên tử liên kết trực tiếp với nhau:

Ví dụ: Trong phản ứng:FeS2 + O 2  Fe 2 O 3 + SO 2

thì hệ số nguyên tử S là 2 ( trong FeS2 có 2 nguyên tử S) và đặt ở chân kí hiệu nguyên tố lưu huỳnh ( vì số oxi hóa của S trong trường hợp này là -1 trong khi đó

S có hóa trị có thể là 2, 4 và 6 ) Ở đây có sự liên kết:

-S-S-

c Xác định vị trí ưu tiên khi đặt hệ số cho nguyên tử :

 Nếu là trung tâm phản ứng thì bắt buộc phải ưu tiên đặt hệ số cho nguyên tử trung tâm đó

Ví dụ: Trong phản ứng trên, bắt buộc đặt hệ số cho Fe (kể cả Fe+3 và Fe0) là 2 và cho H (kể cả H0 và H+1) là 2 vì chúng chỉ là trung tâm phản ứng

 Nếu một chất vừa là trung tâm phản ứng vừa là môi trường (môi trường thuộc tính hoặc môi trường phản ứng) thì không ưu tiên đặt hệ số cho nguyên tử đó đồng thời phải cân bằng hệ số của nó theo chất trung tâm phản ứng

Ví dụ: Khi cân bằng phương trình phản ứng sau bằng phương pháp thăng bằng

electron:

MnO2 + HCl-1  MnCl-1 2 + Cl 0 2 + H2O

Trong phản ứng này Cl-1 vừa là chất khử vừa đóng vai trò môi trường thuộc tính nên không ưu tiên hệ số cho Cl-1 mà phải cân bằng hệ số của nó theo Cl0:

Cl-1 ?e  Cl20

Ơû đây hệ số của Cl0 là 2 nên đặt hệ số 2 vào phía trước Cl-1, lúc đó:

2Cl-1 ?e  Cl20 (1’)

Sau đó cân bằng số electron nhường (xét tiếp ở phần sau)

d Cách đặt số electron nhường và nhận trong các quá trình oxi hóa và quá

trình khử :

 Lấy tổng số oxi hóa đầu (chất tham gia) trừ tổng số oxi hóa sau (chất tạo thành) trong mỗi quá trình oxi hóa hoặc khử

 Sau đó đặt cả dấu và số tìm được vào mỗi quá trình

 Cuối cùng thêm e (kí hiệu electron) vào sau giá trị vừa tìm được

Ví dụ: Trong quá trình (1’):

Tổng số oxi hóa đầu (Soh): 2.(-1) = -2

Tổng số oxi hóa sau (Soh)’: 2.0 = 0

(Soh) - (Soh)’= -2 – 0 = -2

Sau đó đặt -2 vào quá trình (1’) và thêm e vào sau -2:

2Cl-1 -2e  Cl20

e Xác định vị trí ưu tiên của nguyên tử khi đặt hệ số chung cho nguyên tử trong phương trình phản ứng:

 Hệ số chung của nguyên tử là tích hệ số nguyên tử và hệ số tìm được của quá trình chứa nguyên tử đó trong bước 3

Ví dụ: Hệ số chung của Fe0 trong phản ứng (1) là 2 = 1x2; trong đó 1 là hệ số của quá trình khử còn 2 là hệ số của Fe

 Nguyên tử là trung tâm phản ứng phải đặt hệ số chung trước

(Thường đặt theo thứ tự từ trái sang phải của bảng thu được từ bước 3)

 Nguyên tử vừa là trung tâm phản ứng vừa là môi trường cân bằng theo môi trường, tuy nhiên có thể coi sản phẩm của trung tâm như môi trường giống như nó

Ví dụ: Trong phản ứng (2), có thể coi S+4 như là môi trường giống như S+6 khi đặt hệ số cho S+6

 Chất môi trường cân bằng sau cùng theo thứ tự ưu tiên ở bước 4

3 Ví dụ minh họa:

Phản ứng có một chất oxi hóa và một chất khử:

a Giải chi tiết theo phương pháp:

Ví dụ 1: Cân bằng phương trình phản ứng sau bằng phương pháp thăng bằng

electron:

FeO + H 2 SO 4  Fe 2 (SO 4 ) 3 + SO 2 + H 2 O (2)

 Bước 1:

Fe+2O-2 + H+1 2S +6O-2 4  Fe +3 2(S +6O-2 4)3 + S +4O-2 2 + H +1 2O -2

(Fe +2 biến đổi thành Fe +3 số oxi hóa tăng nên là chất khử, còn S +6 biến đổi thành S +4 số oxi hóa giảm nên là chất oxi hóa, tuy nhiên một phần S +6 không thay đổi số oxi hóa nên đóng vai trò là môi trường).

 Bước 2:

Quá trình oxi hóa: Fe +2 ?e  Fe +3

Đặt hệ số nguyên tử cho Fe +3 là 2 (trong Fe 2 (SO 4 ) 3 có 2 nguyên tử Fe) ở phía trước vì số oxi hóa của sắt dương, hệ số của Fe +2 là 1 (trong FeO có 1 nguyên tử Fe).

2Fe +2 ?e  2Fe +3

Tìm số e nhường: 2x(+2) - 2x(+3) = -2, do đó:

2Fe +2 -2 e  2Fe +3 (1b2)

Quá trình khử: S +6 ?e  S +4

Do S +6 vừa là trung tâm phản ứng vừa là môi trường nên hệ số của S +6 được cân bằng theo S +4 , tuy nhiên hệ số của S +4 là 1 (trong phân tử SO 2 có 1 nguyên tử S)

do đó hệ số của S +6 và S +4 đều là 1).

Tìm số e nhận:+6 – (+4) = +2, do đó:

S+6 + 2e  S +4 (1b2’)

> Bước 3:Tìm hệ số cho các quá trình (1b2) và (1b2’).

x 2Fe +2 -2 e  2Fe +3

y S +6 +2e  S +4

x = BSCNN2 (2,2) = 1

y = BSCNN2 (2,2) = 1

Từ đó:

1 2Fe +2 -2 e  2Fe +3

1 S +6 +2e  S +4

( Vị trí S +6 không được ưu tiên do S +6 vừa là chất oxi hóa vừa là môi trường).

 Bước 4:

Đầu tiên đặt hệ số cho Fe +2 ;Fe +3 ; S +4 sau đó cân bằng môi trường:

2FeO + H2SO4  Fe2(SO4)3 + SO2 + H2O

Ơû đây không có môi trường là cation kim loại nên bỏ qua Cân bằng anion gốc

axít SO 4 2- ta coi SO 2 như là gốc SO 4 2- nên có 4 gốc SO 4 2- ,đặt 4 trước H 2 SO 4 ,sau đó cân bằng H và cuối cùng kiểm tra oxi:

2FeO + 4H 2 SO 4  Fe 2 (SO 4 ) 3 + SO 2 + 4H 2 O

Ví dụ 2 : Cân bằng phương trình phản ứng sau bằng phương pháp thăng bằng

electron:

Fe x O y + HNO 3  Fe(NO 3 ) 3 + N 2 O + H 2 O

 Bước 1:

Fe +2y/x

x O -2

y + H +1 N +5 O -2

3  Fe +3 (N +5 O -2

3 ) 3 + N +1

2 O -2 + H +1

2 O -2

Ở N +5 biến đổi thành N +1 số oxi hóa giảm nên là chất oxi hóa, còn H và O không thay đổi số oxi hóa nên là môi trường thuộc tính, do đó Fe +2y/x đóng vai trò là chất khử Mặt khác N +5 có một phần đóng vai trò là môi trường trong Fe(NO 3 ) 3

 Bước 2:

Quá trình 0xi hóa: Fe +2y/x ?e  Fe +3

Đặt hệ số cho Fe +2y/x là x (trong Fe x O y có x nguyên tử Fe) do đó hệ số của Fe +3

là x (vì trong phân tử Fe(NO 3 ) 3 có 1 nguyên tử Fe).

x Fe +2y/x ?e  x Fe +3

tìm số e nhường:x2y x –x.(+3) = +2y -3x hay – (3x- 2y), do đó:

x Fe+2y/x -(3x – 2y)e  x Fe +3 (2b2)

quá trình khử: N +5 ?e  N +1

đặt hệ số cho N+1là 2 ở phía trước N(?),sau đó cân bằng hệ số cho N+5 theo

N+1(?).

2 N +5 ?e  2N +1

Tìm số e nhận: 2.(+5) -2(+1) = +8,do đó:

2 N+5 +8e  2N +1 (2b2’)

 Bước 3:Tìm hệ số cho các quá trình (2b2) và (2b2’):

x x Fe +2y/x -(3x – 2y)e  x Fe +3 (2b2)

y 2 N +5 + 8e  2N +1 (2b2’)

x = BSCNN3x(3x2y2y;8) = 8

y = BSCNN(88;3x 2y) = 3x – 2y

từ đó:

8 x Fe+2y/x -(3x – 2y)e  x Fe +3

3x -2y 2 N+5 +8e  2N +1

 Bước 4: Đầu tiên đặt hệ số cho Fe+2y/x ;Fe +3 ;N +1 sau đó cân bằng môi

trường:

8Fe x O y + HNO 3  8xFe(NO 3 ) 3 + (3x-2y) N 2 O + H 2 O

Coi N+1 có vai trò môi trường như N+5 do đó có 30x-6y hay 2(15x-3y) N +5 ,vậy:

8Fe x O y + 2(15x-3y) HNO 3  8xFe(NO 3 ) 3 + (3x-2y) N 2 O + (15x-3y)H 2 O

b Giải nhanh một số phản ứng:

Cân bằng các phản ứng sau bằng phương pháp thăng bằng electron:

1) Al + HNO3  Al(NO3)3 + NH4NO3 + H2O

2) MnO2 + H2SO4 + NaBr  MnSO4 + Na2SO4 + Br2 + H2O

3) C2H5OH + KMnO4 + H2SO4  CH3COOH + K2SO4 + MnSO4 + H2O 4) Cu + KNO3 + H2SO4  CuSO4 + K2SO4 + NO + H2O

Giải:

1) Al0 + H+1N+5O-2 3  Al +3(N+5O-2 3)3 + N -3H+1 4N +5O-2 3 + H +1 2O -2

8 Al0 -3e = Al+3

3 N+5 +8e = N-3

8Al + 30HNO 3  8Al(NO 3 ) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O

2) Mn+4O-2 2 + H +1 2S +6O-2 4 + Na +1Br-1  Mn+2S+6O-2 4 + Na +1 2S +6O-2 4 + Br 0

2 + H+1 2O -2

1 Mn+4 + 2e = Mn+2

1 2Br-1 -2e = Br0

2

MnO 2 + 2H 2 SO 4 + 2NaBr  MnSO 4 + Na 2 SO 4 + Br 2 + 2H 2 O

3) C-3H+1 3C -1H+1 2O -2H+1 + K+1Mn+7O-2 4 + H +1 2S +6O-2 4  C -3H3C+3O-2O-2H+1 +

K+1 2S +6O-2 4 + Mn +2S+6O-2 4 + H +1 2O -2

5 C-1 -4e = C+3

4 Mn+7 +5e = Mn+2

5C 2 H 5 OH + 4KMnO 4 + 6H 2 SO 4  5CH 3 COOH + 2K 2 SO 4 + 4MnSO 4

+ 11H 2 O

4) Cu0 + K+1N+5O-2 3 + H +1 2S +6O-2 4  Cu +2S+6O-2 4 + K +1 2S +6O-2 4 + N +2O-2 +

H+1 2O -2

3 Cu0 -2e = Cu+2

2. N+5 +3e = N+2

3Cu + 2KNO 3 + 4H 2 SO 4  3CuSO 4 + K 2 SO 4 + 2NO + 4H 2 O

Phản ứng oxi hóa – khử nội phân tử :

Cân bằng tương tự như các phản ứng khác nhưng khi đặt hệ số vào phương

trình phản ứng không ưu tiên cho các trung tâm phản ứng trong cùng phân tử chứa chúng.Ví dụ:

NH 4 NO 3   to,xt N 2 O + H 2 O

> Bước 1:

N -3 H +1

4 N +5 O -2

3 to,  xt N +1

2 O -2 + H +1

2 O -2

( trong đó N -3 biến đổi thành N +1 số oxi hóa tăng nên là chất khử, còn N +5 biến đổi thành N +1 số oxi hóa giảm nên là chất oxi hóa).

> Bước 2:

Quá trình oxi hóa: N -3 ?e  N +1

Đặt hệ số nguyên tử cho N -3 là một còn hệ số của N +1 là 2 (?) sau đó cân bằng

N -3 theo N 0

2N -3 ?e  2N +1

Tìm số e nhường:2(-3) -2(+1) = -8, do đó:

2N -3 -8e  2N +1

Quá trình khử: N +5 ?e  N +1

Đặt hệ số nguyên tử cho N +5 là 1còn hệ số của N +1 là hai (?)sau đó cân bằng

ta được:

2N +5 ?e  2N +1

Tìm số e nhận:2(+5) –2(+1) = +12, do đó:

2N+5 +12e  2N +1

 Bước 3:Tìm hệ số cho các quá trình:

3 2N -3 -8e  2N +1

2 2N +5 +12e  2N +1

 Bước 4: Đặt hệ số chung cho các nguyên tử trong phương trình phản ứng:

Do trung tâm phản ứng N -3 và N +5 cùng nằm trong một phân tử nên không ưu

tiên cho chúng mà đặt hệ số cho N +1 trước sau đó cân bằng hệ số của chúng theo N +1 rồi đến môi trường (hệ số của N +1 là tổng hệ số N +1 trong hai quá trình) :

5NH 4 NO 3 to,  xt 5N 2 O + 10H 2 O

Hay: NH 4 NO 3 to,  xt N 2 O + 2H 2 O

Ví dụ 2: KClO3   

xt

t ,

KCl + O2

 Bước 1: K+1Cl+5O-2 3   

xt

t ,

K+1Cl-1 + O0

2

(ở đây Cl +5 biến đổi thành Cl -1 nên là chất oxi hóa còn O-2 biến đổi thành O0 nên là chất khử)

 Bước 2:

Cl+5 +6e = Cl-1

2O-2 -4e = O 0

2

 Bước 3:

2 Cl+5 + 6e = Cl-1

1 6O-2 - 12e = 3O 0

2

 Bước 4:

2KClO3   

xt

t ,

2KCl + 3O2

Phản ứng tự oxi hóa- khử:

Cân bằng tương tự như các phản ứng khác nhưng khi đặt hệ số vào phương

trình phản ứng không ưu tiên cho các trung tâm phản ứng trong cùng phân tử chứa chúng.Ví dụ:

Cl2 + NaOH  NaCl + NaClO + H2O

 Bước 1:

Cl0 2 + Na +1O-2H+1  Na+1Cl-1 + Na+1Cl+1O-2 + H+1 2O -2

Ơû đây Cl 0 vừa là chất oxi hóa vừa là chất khử.

 Bước 2:

Cl0 2 + 2e  2Cl -1

Cl0 2 - 2e  2Cl +1

 Bước 3:

1 Cl0 2 + 2e  2Cl -1

1 Cl0 2 - 2e  2Cl +1

 Bước 4:

2Cl 2 + 4NaOH  2NaCl + 2NaClO + 2H2 O

Hay: Cl 2 + 2NaOH  NaCl + NaClO + H2 O

Phản ứng ï oxi hóa- khử có hai hay nhiều chất khử :

Cân bằng tương tự như các phản ứng khác nhưng,nếu phản ứng có nhiều

chất khử thì viết lần lượt các quá trình oxi hóa sau đó tổng hợp các quá trình này theo tỉ lệ nguyên tử trong hợp chất chứa chúng Khi đặt hệ số vào phương trình phản ứng thì thứ tự ưu tiên cho các trung tâm phản ứng cũng như các trường hợp khác.Ví dụ:

Ví dụ 1: FeS2 + O 2  Fe 2 O 3 + SO 2

 Bước 1:

Fe+2S-1 2 + O 0 2  Fe +3 2O -2 3 + S +4O-2

2

Ở đây Fe+2 và S-1 đều là chất khử còn O0 là chất oxi hóa

 Bước 2:

Các quá trình oxi hóa:

2Fe+2 -2e = 2Fe+3

S-1 2 -10e = 2S +4

Do tỉ lệ giữa nguyên tử Fe:S là 1:2 nên quá trình oxi hóa tổng hợp là:

1 2Fe+2 -2e = 2Fe+3

2 S-1 2 -10e = 2S +4

2Fe+2 +2S-1 2 -22e = 2Fe +3 + 4S+4

Hay: 2FeS 2 -22e = 2Fe +3 + 4S +4 (*)

Quá trình khử:

O 0

2 + 4e = 2O -2

Do O -2 có hai vị trí có nên không ưư tiên hệ số cho nó mà phải cân bằng theo O 0

 Bước 3:

2 2FeS 2 -22e = 2Fe +3 + 4S +4

11 O 0

2 + 4e = 2O -2

 Bước 4:

4FeS 2 + 11 O 2  2Fe 2 O 3 + 8SO 2

Cách khác: Coi số oxi hóa toàn phân tử FeS 2 là 0:

2(FeS2)0 -22e = 2Fe+3 + 4S+4 (**)

Sau đó tiếp tục như cách trên, thu được cùng kết quả

So sánh (*) và (**) thấy rằng cách này ngắn gọn hơn

Ví dụ 2 : As2 S 3 + HNO 3 + H 2 O  H 3 AsO 4 + H 2 SO 4 + NO

Giải nhanh:

As2S3 + HN +5O3 + H2O  H3As+5O4 + H2S+6O4 + N+2O

3 (As 2 S 3 ) 0 -28e = 2As +5 + 3S +6

28 N+5 +3e = N+2

3As 2 S 3 + 28HNO 3 + 4H 2 O  6H 3 AsO 4 + 9H 2 SO 4 + 28NO

3.5 Phản ứng ï oxi hóa- khử có hai hay nhiều chất oxi hóa :

Cân bằng tương tự như các phản ứng khác nhưng, nếu phản ứng có nhiều

chất oxi hóa thì viết lần lượt các quá trình khử sau đó tổng hợp các quá trình này theo tỉ lệ nguyên tử trung tâm đóng vai trò là chất oxi hóa hoặc theo tỉ lệ mol chất sản phẩm của quá trình khử Sau đó tổng hợp thành quá trình oxi hóa