Khái niệm phản ứng oxi hoá khử
Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng hóa học mà trong đó có sự chuyển đổi electron giữa các chất tham gia. Đơn giản hơn, đây là phản ứng hóa học làm thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tử trong phản ứng.
Số oxi hoá - phương pháp tính số oxi hóa của nguyên tố trong các hợp chất hóa học
Số oxi hoá là gì?
Số oxi hoá của một nguyên tử trong phân tử là điện tích của nguyên tử đó trong phân tử, giả sử rằng các liên kết trong phân tử là liên kết ion.
Quy tắc và phương pháp xác định số oxi hoá
- Số oxi hoá của các đơn chất bằng 0.
- Trong hầu hết các hợp chất, số oxi hoá của H là 1 và số oxi hoá của O là 2.
- Trong các ion đơn nguyên tử, số oxi hoá của nguyên tử bằng điện tích của ion đó.
- Trong các ion đa nguyên tử, tổng số oxi hoá của các nguyên tử trong ion bằng điện tích của ion đó.
Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hoá khử
Phương pháp 1: Phương pháp cân bằng đại số đơn giản
Phương pháp này được sử dụng để xác định hệ số phân tử của chất tham gia và sản phẩm sau phản ứng hóa học. Ta coi hệ số là các ẩn số và ký hiệu bằng các chữ cái trong bảng chữ cái a, b, c, d... sau đó dựa vào mối quan hệ giữa các nguyên tử của các nguyên tố tham gia phản ứng và theo định luật bảo toàn khối lượng để lập ra một hệ phương trình bậc nhất nhiều ẩn số. Giải hệ phương trình này và chọn các nghiệm là các số nguyên dương nhỏ nhất, ta có thể xác định được hệ số phân tử của các chất trong phản ứng hóa học.
Ví dụ: Cân bằng phản ứng: Cu + HNO3 -> Cu(NO3)2 + NO + H2O
Ký hiệu các hệ số cần tìm là các chữ in thường trong bảng chữ cái: a, b, c, d, e và ghi vào phương trình ta sẽ có: aCu + bHNO3 -> cCu(NO3)2 + dNO + eH2O
- Xét số nguyên tử nguyên tố Cu: a = c (1)
- Xét số nguyên tử nguyên tố H: b = 2e (2)
- Xét số nguyên tử nguyên tố N: b = 2c + d (3)
- Xét số nguyên tử nguyên tố O: 3b = 6c + d + e (4)
Ta thu được hệ phương trình gồm 5 ẩn và cách giải như sau: Rút e = b/2 từ phương trình thứ (2) và có d = b - 2c từ phương trình thứ (3), thay vào phương trình (4) ta được: 3b = 6c + b - 2c + b/2 => b = 8c/3
Ta thấy rằng, để số b nguyên thì c bắt buộc phải chia hết cho 3. Trong trường hợp này để hệ số của phương trình phản ứng min ta cần phải lấy c = 3. Khi đó: a = 3, b = 8, d = 2, e = 4 Vậy phương trình phản ứng trên sẽ có dạng như sau: 3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Đăng ký ngay khóa học DUO để được lên lộ trình ôn thi tốt nghiệp sớm nhất!
Phương pháp 2: Sử dụng phương pháp cân bằng electron
Cân bằng qua ba bước: a. Xác định sự thay đổi số oxi hóa. b. Lập thăng bằng electron. c. Đặt các hệ số tìm được vào phản ứng và tính các hệ số còn lại.
Ví dụ. Cân bằng phản ứng: FeS + HNO3 -> Fe(NO3)3 + N2O + H2SO4 + H2O
a. Xác định sự thay đổi số oxi hóa: Fe+2 -> Fe+3 S-2 -> S+6 N+5 -> N+1 (Viết số oxi hóa này phía trên các nguyên tử tương ứng)
b. Lập thăng bằng electron: Fe+2 -> Fe+3 + 1e S-2 -> S+6 + 8e FeS -> Fe+3 + S+6 + 9e 2N+5 + 8e -> 2N+1 -> Có 8FeS và 9N2O.
c. Đặt các hệ số vừa tìm được vào phương trình phản ứng và tính các hệ số còn lại: 8FeS + 42HNO3 -> 8Fe(NO3)3 + 9N2O + 8H2SO4 + 13H2O
Ví dụ 2. Phản ứng trong dung dịch bazơ: NaCrO2 + Br2 + NaOH -> Na2CrO4 + NaBr
CrO2- + 4OH- -> CrO42- + 2H2O + 3e Br2 + 2e -> 2Br- Phương trình ion: 2CrO2- + 8OH- + 3Br2 -> 2CrO42- + 6Br- + 4H2O Phương trình phản ứng phân tử: 2NaCrO2 + 3Br2 + 8NaOH -> 2Na2CrO4 + 6NaBr + 4H2O
Ví dụ 3. Phản ứng trong các dung dịch có H2O tham gia: KMnO4 + K2SO3 + H2O -> MnO2 + K2SO4
MnO4- + 3e + 2H2O -> MnO2 + 4OH- SO32- + H2O -> SO42- + 2H+ + 2e Phương trình ion: 2MnO4- + H2O + 3SO32- -> 2MnO2 + 2OH- + 3SO42- Phương trình phản ứng phân tử: 2KMnO4 + 3K2SO3 + H2O -> 2MnO2 + 3K2SO4 + 2KOH
Phương pháp 3: Cân bằng phương trình oxi hóa khử theo ion - electron
Bước 1: Hoàn thành sơ đồ phản ứng với các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá. Bước 2: Hoàn thiện các quá trình khử (cho electron), oxi hóa (nhận electron). Bước 3: Cân bằng electron: tổng số electron cho = tổng số electron nhận. (tổng số oxi hoá giảm = tổng số oxi hoá tăng). Bước 4: Cân bằng nguyên tố không thay đổi số oxi hoá:
- kim loại (ion dương)
- gốc axit (ion âm)
- môi trường (axit, bazơ)
- nước (cân bằng H2O để cân bằng hiđro) Bước 5: Kiểm soát số nguyên tử oxi ở 2 vế (phải bằng nhau).
Ví dụ: Fe + H2SO4đặc nóng → Fe2(SO4)3 + SO2 + H2O FeO → Fe+3 + 3e 1 x 2Fe0 → 2Fe+3 + 6e 3 x S+6 + 2e → S+4 2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Phương pháp 4: Sử dụng nguyên tử nguyên tố cân bằng phản ứng oxi hoá khử
Đây là một phương pháp đơn giản. Khi cân bằng, ta viết các đơn chất khí (H2, O2, Cl2, N2...) dưới dạng nguyên tử riêng biệt rồi lập luận qua một số bước.
Ví dụ: Cân bằng phản ứng P + O2 -> P2O5
Ta viết: P + O -> P2O5
Để tạo thành 1 phân tử P2O5 cần 2 nguyên tử P và 5 nguyên tử O: 2P + 5O -> P2O5
Nhưng phân tử oxi bao giờ cũng gồm hai nguyên tử, như vậy nếu lấy 5 phân tử oxi tức là số nguyên tử oxi tăng lên gấp 2, thì số nguyên tử P và số phân tử P2O5 cũng tăng lên gấp 2, tức 4 nguyên tử P và 2 phân tử P2O5.
Do đó: 4P + 5O2 -> 2P2O5
Phương pháp 5: Sử dụng hóa trị tác dụng
Hóa trị tác dụng là hóa trị của nhóm nguyên tử hay nguyên tử của các nguyên tố trong chất tham gia và tạo thành trong phản ứng oxi hoá khử.
Cách thực hiện:
- Xác định hóa trị tác dụng của các nguyên tố trong phản ứng.
- Tìm bội số chung nhỏ nhất của các hóa trị tác dụng.
- Lấy bội số chung chia cho các hóa trị tác dụng để xác định các hệ số phân tử.
Ví dụ:
a) Cho MnO2 tác dụng với dung dịch axit HCl đặc, thu được MnCl2, Cl2 và H2O.
b) Cho Cu tác dụng với dung dịch axit HNO3 đặc, nóng, thu được Cu(NO3)2, NO2, H2O.
c) Cho Mg tác dụng với dung dịch axit H2SO4 đặc, nóng, thu được MgSO4, S và H2O.
Phương pháp 6: Dùng hệ số phân số cân bằng phản ứng oxi hoá khử
Đặt các hệ số vào các công thức của các chất tham gia phản ứng, không phân biệt số nguyên hay số phân số, sao cho số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế bằng nhau. Sau đó, khử mẫu số chung của tất cả các hệ số.
Ví dụ: P + O2 -> P2O5
- Đặt hệ số để cân bằng: 2P + 5/2O2 -> P2O5
- Nhân các hệ số với mẫu số chung nhỏ nhất để khử các phân số. Ở đây nhân 2. 2.2P + 2.5/2O2 -> 2P2O5 hay 4P + 5O2 -> 2P2O5
Phương pháp 7: Sử dụng "chẵn - lẻ"
Một phản ứng sau khi đã cân bằng thì số nguyên tử của một nguyên tử ở vế trái bằng số nguyên tử nguyên tử đó ở vế phải. Vì vậy nếu số nguyên tử của một nguyên tử ở một vế là số chẵn thì số nguyên tử nguyên tử đó ở vế kia phải chẵn. Nếu ở một công thức nào đó số nguyên tử nguyên tử đó còn lẻ thì phải nhân đôi.
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 PTPƯ ta được: 4FeS2 + 11O2 -> 2Fe2O3 + 8SO2
Phương pháp 8: Xuất phát từ nguyên tố chung nhất để cân bằng phản ứng oxi hoá khử
Chọn nguyên tố có mặt ở nhiều hợp chất nhất trong phản ứng để bắt đầu cân bằng hệ số các phân tử.
Ví dụ: Cu + HNO3 ->Cu(NO3)2 + NO + H2O
Nguyên tố có mặt nhiều nhất là nguyên tố oxi, ở vế phải có 8 nguyên tử oxi, vế trái có 3. Bội số chung nhỏ nhất của 8 và 3 là 24, vậy hệ số của HNO3 là 24 /3 = 8.
Ta có 8HNO3 -> 4H2O + 2NO (Vì số nguyên tử N ở vế trái chẵn) 3Cu(NO3)2 -> 3Cu
Vậy phản ứng cân bằng là: 3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Bài tập cân bằng phản ứng oxi hoá khử điển hình
Bài 1: Lập phương trình phản ứng oxi hóa - khử sau đây theo phương pháp thăng bằng electron: a) Cho MnO2 tác dụng với dung dịch axit HCl đặc, thu được MnCl2, Cl2 và H2O. b) Cho Cu tác dụng với dung dịch axit HNO3 đặc, nóng thu được Cu(NO3)2, NO2, H2O. c) Cho Mg tác dụng với dung dịch axit H2SO4 đặc, nóng thu được MgSO4, S và H2O.
Lời giải: a) Ta có phương trình hóa học: MnO2 + HCl đặc -> MnCl2 + Cl2↑ + H2O
b) Ta có phương trình hóa học: Cu + HNO3 đặc, nóng -> Cu(NO3)2 + NO2↑ + H2O
c) Ta có phương trình hóa học: Mg + H2SO4 đặc, nóng -> MgSO4 + S↓ + H2O
