Bài 11: Phản ứng oxi hóa - khử và ứng dụng trong cuộc sống

Phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng vừa có chất oxi hóa vừa có chất khử. Chất oxi hóa là chất nhận electron là HCl, chất khử là chất nhường electron là Fe

\(\mathop {Fe}\limits^0  + 2\mathop H\limits^{ + 1} Cl \to \mathop {Fe}\limits^{ + 2} C{l_2} + \mathop {{H_2}}\limits^0 \)

Bước 1. Xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hóa, từ đó xác định chất oxi hóa, chất khử

\({\mathop {Fe}\limits^{ + 2y/x} _x}{O_y} + {H_2}\mathop S\limits^{ + 6} {O_4} \to {\mathop {Fe}\limits^{ + 3} _2}{(S{O_4})_3} + \mathop S\limits^{ + 4} {O_2} + {H_2}O\)

Do \(\mathop S\limits^{ + 6} \) trong H₂SO₄ xuống \(\mathop S\limits^{ + 4} \) trong SO₂ nên H₂SO₄ là chất oxi hóa

⇒ Fe_xO_y là chất khử

Bước 2. Biểu diễn quá trình oxi hóa, quá trình khử

\(\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop S\limits^{ + 6}  + 2e \to \mathop S\limits^{ + 4} }\\{\mathop {2xFe}\limits^{ + 2y/x}  \to \mathop {2xFe}\limits^{ + 3}  + (6x - 4y)e}\end{array}} \right.\)

Bước 3. Tìm hệ số thích hợp cho chất khử và chất oxi hóa dựa trên nguyên tắc của phương pháp thăng bằng electron

Bước 4. Đặt hệ số của chất oxi hóa và chất khử vào sơ đồ phản ứng, từ đó tính ra hệ số của các chất khác có mặt trong phương trình hóa học. Kiểm tra sự cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố ở hai vế

\(2F{e_x}{O_y} + (6x - 2y){H_2}S{O_4} \to xF{e_2}{(S{O_4})_3} + (3x - 2y)S{O_2} + (6x - 2y){H_2}O\)

Số oxi hóa của O trong các hợp chất thường là -2

Số oxi hóa của hợp chất bằng không

Số oxi hóa của hợp chất bằng tổng số oxi hóa của các nguyên tố

Với Fe₂O₃: Gọi số oxi hóa của iron trong hợp chất là x

⇒ 2.x+3.(-2)=0 ⇒ x=+3

Làm tương tự với các hợp chất còn lại thì thấy +3 là số oxi hóa cao nhất của Fe

Chất khử là chất nhường electron

\(\mathop {C{l_2}}\limits^0  + 2e \to \mathop {2Cl}\limits^{ - 1} \): Cl₂ nhận electron nên là chất oxi hóa

\(\mathop {C{l_2}}\limits^0  \to \mathop {2Cl}\limits^{ + 5}  + 10e\): Cl₂ nhường electron nên là chất khử

⇒ Cl₂ trong phản ứng trên vừa là chất oxi hóa, vừa là chất khử

\(K\mathop {Cl}\limits^{ - 1}  + K\mathop {Mn}\limits^{ + 7} {O_4} + {H_2}S{O_4} \to \mathop {C{l_2}}\limits^0  + \mathop {Mn}\limits^{ + 2} S{O_4} + {K_2}S{O_4} + {H_2}O\)

\(\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{2\mathop {Cl}\limits^{ - 1}  \to \mathop {C{l_2}}\limits^0  + 2e}\\{\mathop {Mn}\limits^{ + 7}  + 5e \to \mathop {Mn}\limits^{ + 2} }\end{array}} \right.\)

=> \(10KCl + 2KMn{O_4} + 8{H_2}S{O_4} \to 5C{l_2} + 2MnS{O_4} + 6{K_2}S{O_4} + 8{H_2}O\)

Từ PTHH => \(\dfrac{{{n_{KMn{O_4}}}}}{{{n_{C{l_2}}}}} = \dfrac{2}{5}\)

\(\begin{array}{*{20}{c}}3\\{10}\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{C{u_2}S \to \mathop {Cu}\limits^{ + 2}  + \mathop S\limits^{ + 6}  + 10e}\\{\mathop N\limits^{ + 5}  + 3e \to \mathop N\limits^{ + 2} }\end{array}} \right.\)

=> \(3C{u_2}S + 22HN{O_3} \to 6Cu{(N{O_3})_2} + 3{H_2}S{O_4} + 10NO + 8{H_2}O\)

Từ PTHH ta thấy 3 mol Cu₂S tạo ra 3 mol H₂SO₄

=> 6 mol Cu₂S tạo ra 6 mol H₂SO₄

\(\mathop C\limits^{ - 2} {H_3}OH + Na\mathop {Cl}\limits^{ + 5} {O_3} + {H_2}S{O_4} \to \mathop {Cl}\limits^{ + 4} {O_2} + \mathop C\limits^{ + 4} {O_2} + N{a_2}S{O_4} + {H_2}O\)

\(\begin{array}{*{20}{c}}6\\1\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop {Cl}\limits^{ + 5}  + 1e \to \mathop {Cl}\limits^{ + 4} }\\{\mathop C\limits^{ - 2}  \to \mathop C\limits^{ + 4}  + 6e}\end{array}} \right.\)

\(C{H_3}OH + 6NaCl{O_3} + 3{H_2}S{O_4} \to 6Cl{O_2} + C{O_2} + 3N{a_2}S{O_4} + 5{H_2}O\)

=> Tổng hệ số cân bằng của các chất là 1 + 6 + 3 + 6 + 1 + 3 + 5 = 25

(1) \(2\mathop N\limits^{ + 4} {O_2} + 7\mathop {{H_2}}\limits^0  \to 2\mathop N\limits^{ - 3} {\mathop H\limits^{ + 1} _3} + 4{H_2}O\) => A đúng

(2) \(2N{O_2} \to {N_2}{O_4}\) => Không có sự thay đổi số oxi hoá các nguyên tố => B đúng

(3) \(3\mathop N\limits^{ + 4} {O_2} + {H_2}O \to 2H\mathop N\limits^{ + 5} {O_3} + \mathop N\limits^{ + 2} O\) => C đúng

D sai. Số oxi hoá của N trong (1) giảm dần, trong (2) không thay đổi, trong (3) vừa tăng vừa giảm

Số oxi hoá của Cu trong copper (A), copper (I) chloride (B), copper (II) chloride (C) lần lượt là 0, +1, +2

Các nguyên tử thay đổi số oxi hóa là S, Mn

\(\begin{array}{*{20}{c}}{5x}\\{\mathop {\mathop {2x}\limits^{} }\limits^{} }\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop S\limits^{ + 4}  \to \mathop S\limits^{ + 6}  + 2e}\\{\mathop {Mn}\limits^{ + 7}  + 5e \to \mathop {Mn}\limits^{ + 2} }\end{array}} \right.\)

=> Phương trình cân bằng là: \(5S{O_2} + 2KMn{O_4} + 2{H_2}O \to 2{H_2}S{O_4} + {K_2}S{O_4} + 2MnS{O_4}\)

Theo đề bài có: \({n_{KMn{O_4}}} = 0,1.0,1 = 0,01mol\)

Tính toán theo PTHH => \({n_{S{O_2}}} = \dfrac{{0,01.5}}{2} = 0,025mol =  > {V_{S{O_2}}} = 0,025.24,79 \approx 0,62\) lít

Các nguyên tử thay đổi số oxi hóa là Fe, Mn

\(\begin{array}{*{20}{c}}{5x}\\{\mathop {\mathop {2x}\limits^{} }\limits^{} }\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop {2Fe}\limits^{ + 2}  \to \mathop {F{e_2}}\limits^{ + 3}  + 2e}\\{\mathop {Mn}\limits^{ + 7}  + 5e \to \mathop {Mn}\limits^{ + 2} }\end{array}} \right.\)

=> Phương trình cân bằng là:

\(10FeS{O_4} + 2KMn{O_4} + 8{H_2}S{O_4} \to 5F{e_2}{(S{O_4})_3} + {K_2}S{O_4} + 2MnS{O_4} + 8{H_2}O\)

Theo đề bài ta có: \({n_{FeS{O_4}}} = 0,1.0,03 = {3.10^{ - 3}}(mol)\)

Tính toán theo PTHH => \({n_{KMn{O_4}}} = \dfrac{{{{3.10}^{ - 3}}.2}}{{10}} = {6.10^{ - 4}}(mol) =  > {V_{KMn{O_4}}} = {6.10^{ - 4}}.24,79 \simeq 0,015\) lít

Các nguyên tử thay đổi số oxi hóa là Fe, S và O

\(\begin{array}{*{20}{c}}{2x}\\{\mathop {11x}\limits^{} }\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{2Fe{S_2} \to \mathop {F{e_2}}\limits^{ + 3}  + \mathop {4S}\limits^{ + 4}  + 22e}\\{\mathop {{O_2}}\limits^0  + 4e \to 2\mathop O\limits^{ - 2} }\end{array}} \right.\)

=> Phương trình cân bằng là: $4Fe{S_2} + 11{O_2}\xrightarrow{{{t^o}}}2F{e_2}{O_3} + 8S{O_2}$

Theo đề bài có: \({n_{Fe{S_2}}} = \dfrac{{3,{{2.10}^6}}}{{56 + 32.2}} = \dfrac{{80000}}{3}(mol)\)

Tính toán theo PTHH => \({n_{{O_2}}} = \dfrac{{\dfrac{{80000}}{3}.11}}{4} = \dfrac{{220000}}{3}(mol) =  > {V_{{O_2}}} = \dfrac{{220000}}{3}.24,79\) (lít)

Mà có \({V_{{O_2}}} = 21\% {V_{kk}} \Rightarrow {V_{kk}} = \dfrac{{{V_{{o_2}}}}}{{21\% }} = \dfrac{{\dfrac{{220000}}{3}.24,79}}{{21\% }} \simeq 8656825\)lít

A đúng. Số oxi hóa của C trong đơn chất C là 0, trong CO₂ là +4 và trong CO là +2 => C là chất khử, CO₂ là chất oxi hóa

B loại. Số oxi hóa của C trong CO là +2, trong CO₂ là +4 => CO là chất khử

C loại. Số oxi hóa của C trong đơn chất C là 0, trong CO₂ là +2 => C là chất khử

D loại. Số oxi hóa của C trong đơn chất C là 0, trong CO₂ là +4 => C là chất khử

Sơ đồ phản ứng: \(C{H_3}\mathop C\limits^{ + 1} {H_2}OH + {K_2}\mathop {C{r_2}}\limits^{ + 6} {O_7} + {H_2}S{O_4} \to C{H_3}\mathop C\limits^{ - 1} HO + {K_2}S{O_4} + \mathop {C{r_2}}\limits^{ + 3} {(S{O_4})_3} + {H_2}O\)

\(\begin{array}{*{20}{c}}{3x}\\{\mathop {\mathop {1x}\limits^{} }\limits^{} }\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop C\limits^{ + 1}  + 2e \to \mathop C\limits^{ - 1} }\\{\mathop {C{r_2}}\limits^{ + 6}  + 6e \to \mathop {C{r_2}}\limits^{ + 3} }\end{array}} \right.\)

=> Phương trình cân bằng là:

\(3C{H_3}\mathop C\limits^{ + 1} {H_2}OH + {K_2}\mathop {C{r_2}}\limits^{ + 6} {O_7} + 4{H_2}S{O_4} \to 3C{H_3}\mathop C\limits^{ - 1} HO + {K_2}S{O_4} + \mathop {C{r_2}}\limits^{ + 3} {(S{O_4})_3} + 7{H_2}O\)

Theo đề bài ta có: \({n_{{K_2}C{r_2}{O_7}}} = 0,01.0,02 = {2.10^{ - 4}}(mol) =  > {n_{ethanol}} = {2.10^{ - 4}}.3 = {6.10^{ - 4}}(mol)\)

=> \({m_{ethanol}} = {6.10^{ - 4}}.46 = 0,0276gam \Rightarrow \% {m_{ethanol}} = \dfrac{{0,0276}}{{50}}.100\%  \simeq 0,055\% \)>0,02%

=> Người lái xe phạm luật

Sơ đồ phản ứng: \(KI + KMn{O_4} + {H_2}S{O_4} \to MnS{O_4} + {I_2} + {K_2}S{O_4} + {H_2}O\)

\(\begin{array}{*{20}{c}}{5x}\\{\mathop {\mathop {2x}\limits^{} }\limits^{} }\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{2\mathop I\limits^{ - 1}  \to \mathop {{I_2}}\limits^0  + 2e}\\{\mathop {Mn}\limits^{ + 7}  + 5e \to \mathop {Mn}\limits^{ + 2} }\end{array}} \right.\)

=> Phương trình cân bằng là: \(10KI + 2KMn{O_4} + 8{H_2}S{O_4} \to 2MnS{O_4} + 5{I_2} + 6{K_2}S{O_4} + 8{H_2}O\)

Theo đề bài ta có: \({n_{MnS{O_4}}} = \dfrac{{4,53}}{{151}} = 0,03(mol)\)

Tính toán theo PTHH => \({n_{KI}} = \dfrac{{0,03.10}}{2} = 0,15(mol) =  > {m_{KI}} = 24,9gam\)

Sơ đồ phản ứng: \(Mg + HN{O_3} \to Mg{(N{O_3})_2} + NO + {H_2}O\)

\(\begin{array}{*{20}{c}}{3x}\\{\mathop {2x}\limits^{} }\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop {Mg}\limits^0  \to \mathop {Mg}\limits^{ + 2}  + 2e}\\{\mathop N\limits^{ + 5}  + 3e \to \mathop N\limits^{ + 2} }\end{array}} \right.\)

=> Phương trình cân bằng là: \(3Mg + 8HN{O_3} \to 3Mg{(N{O_3})_2} + 2NO + 4{H_2}O\)

Theo đề bài ta có: \({n_{Mg}} = \dfrac{{1,8}}{{24}} = 0,075mol\)

Tính toán theo PTHH => \({n_{NO}} = \dfrac{{0,075.2}}{3} = 0,05mol \Rightarrow {V_{NO}} = 0,05.24,79 = 1,2395\)lít

Số oxi hóa của nguyên tố thay đổi số oxi hóa được biểu diễn:

\(3\mathop {Cu}\limits^0 {\rm{ }} + {\rm{ }}8H\mathop N\limits^{ + 5} {O_3} \to 3\mathop {Cu}\limits^{ + 2} {\left( {N{O_3}} \right)_2} + {\rm{ }}2\mathop N\limits^{ + 2} O{\rm{ }} + {\rm{ }}4{H_2}O\)

\(\mathop {Cu}\limits^0  \to \mathop {Cu}\limits^{ + 2}  + 2e\) : quá trình oxi hóa (Cu nhường e nên là chất khử)

\(\mathop N\limits^{ + 5}  + 3e \to \mathop N\limits^{ + 2} \) : quá trình khử (HNO₃ có \(\mathop N\limits^{ + 5} \)nhận e nên là chất oxi hóa)

Do \(\mathop N\limits^{ + 5} \) trong HNO₃ bị Cu khử xuống \(\mathop N\limits^{ + 2} \)trong NO nên số phân tử HNO₃ bị khử chính bằng số phân tử NO và bằng 2

⇒ Phát biểu đúng: (1), (3)

Với CO₂: Gọi số oxi hóa của C trong hợp chất bằng x

⇒ 1.x+2.(-2)=0 ⇒ x=+4

Với CO: Gọi số oxi hóa của C trong hợp chất là y

⇒ 1.x + 1.(-2) = 0 ⇒ x=+2

Với C: số oxi hóa là 0

Với CO₃^2-: Gọi số oxi hóa của C trong ion là z

⇒ 1.z + 3.(-2) = -2 ⇒ z=+4

Với HCO₃^-: Gọi số oxi hóa của C trong ion là t

⇒ 1.(+1) + 1.t + 3.(-2) = -1 ⇒ x=+4

Vậy có 3 hợp chất và ion có cùng số oxi hóa của C là CO₂, CO₃^2-, HCO₃^-

Với ClO₄^-: Gọi số oxi hóa của Cl là x

⇒ 1.x + 4.(-2) = -1 ⇒ x = +7

Với ClO₃^-: Gọi số oxi hóa của Cl là y

⇒ 1.x + 3.(-2) = -1 ⇒ x = +5

Với ClO^-: Gọi số oxi hóa của Cl là z

⇒ 1.x + 1.(-2) = -1 ⇒ x = +1

Với Cl₂: Số oxi hóa của Cl là 0

⇒ Thứ tự theo chiều tăng dần về số oxi hóa của Cl là Cl₂, ClO^-, ClO₃^-, ClO₄^-