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

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

⇒ 1.x+2.(-2)=0 ⇒ x=+4

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

⇒ 1.(+1) + 1.y + 3.(-2) = -1 ⇒ y=+4

Với SO₂: Gọi số oxi hóa của S trong hợp chất bằng z

⇒ 1.z+2.(-2)=0 ⇒ z=+4

Với H₂SO₃: Gọi số oxi hóa của S trong hợp chất bằng t

⇒ 2.(+1) + 1.t + 3.(-2) = 0 ⇒ t=+4

Dãy chất đều có nguyên tố có số oxi hóa +4 là CO₂, HCO₃^-, SO₂, H₂SO₃.

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

\(K\mathop {Mn}\limits^{ + 7} \mathop {{O_4}}\limits^{ - 2}  + {H_2}S\mathop {{O_4}}\limits^{ - 2}  \to \mathop {Mn}\limits^{ + 2} S{O_4} + {K_2}S{O_4} + \mathop {{O_2}}\limits^0 {\rm{ \;}} + {H_2}O\)

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

\(\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop {Mn}\limits^{ + 7}  + 5e \to \mathop {Mn}\limits^{ + 2} }\\{\mathop {2O}\limits^{ - 2}  \to \mathop {{O_2} + 4e}\limits^0 }\end{array}} \right.\)

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

\(4KMn{O_4} + 6{H_2}S{O_4} \to 4MnS{O_4} + 2{K_2}S{O_4} + 5{O_2} + 6{H_2}O\)

Tỉ lệ về số mol giữa O₂ với H₂SO₄ là 5:6

Với X là N₂O

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

\(\mathop {Fe}\limits^0 {\rm{ \;}} + H\mathop {{\rm{ }}N}\limits^{ + 5} {O_3} \to F{e^{3 + }} + \mathop {{N_2}}\limits^{ + 1} O + {H_2}O\)

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

\(\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop {2N}\limits^{ + 5}  + 8e \to \mathop {2N}\limits^{ + 1} }\\{\mathop {Fe}\limits^0  \to \mathop {Fe}\limits^{ + 3}  + 3e}\end{array}} \right.\)

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

⇒ Với X là N₂O thì tổng số electron Fe nhường là 3.8=24

Trong phản ứng oxi hóa – khử, chất khử là chất nhường electron (hay chất có số oxi hóa thay đổi từ thấp lên cao)

Al có số oxi hóa thay đổi từ 0 lên +3 trong AlCl₃ nên Al là chất khử ⇒ Al nhường 3 electron

\(\mathop {Al}\limits^0 {\rm{ \;}} + \mathop {{\rm{ }}H}\limits^{ + 1} Cl \to \mathop {Al}\limits^{ + 3} C{l_3} + \mathop {{H_2}}\limits^0 \)

\(2\mathop {Na}\limits^0  + 2\mathop {{H_2}}\limits^{ + 1} O \to 2\mathop {Na}\limits^{ + 1} OH + \mathop {{H_2}}\limits^0 \)

⇒ Chất oxi hóa là H₂O (có sự thay đổi từ số oxi hóa cao xuống số oxi hóa thấp)

⇒ Qúa trình khử nước

Nội dung của nguyên tắc thăng bằng electron: Tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận.

Bước 2 ở quá trình khử

Sửa lại \({S^{ + 6}} + 8e \to {S^{ - 2}}\)

Bước 1: Xác định chất oxi hóa, chất khử

Chất oxi hóa: H₂SO₄, chất khử: Cu

Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa, quá trình khử

\(Cu \to C{u^{ + 2}} + 2e\)  

\({S^{ + 6}} + 8e \to {S^{ - 2}}\)

Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho chất khử và chất oxi hóa dựa trên nguyên tắc 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

\(4Cu + 5{H_2}S{O_4} \to 4CuS{O_4} + {H_2}S + 4{H_2}O\)

⇒Tổng hệ số cân bằng của các chất trong phương trình trên là 4 + 5 + 4 + 1 + 4 = 18

Các nguyên tử có số oxi hóa biến đổi là Fe, H. Cụ thể

Fe từ +3 (trong Fe₂O₃) xuống 0 (trong Fe) => Fe₂O₃ là chất oxi hóa và bị khử

H từ 0 (trong H₂) lên +1 (trong H₂O) => H₂ là chất khử và bị oxi hóa

Các nguyên tử thay đổi số oxi hóa là C, O

\(\begin{array}{*{20}{c}}{1x}\\{\mathop {2x}\limits^{} }\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop C\limits^{ - 4}  \to \mathop C\limits^{ + 4}  + 8e}\\{\mathop {{O_2}}\limits^0  + 4e \to 2\mathop O\limits^{ - 2} }\end{array}} \right.\) => CH₄ là chất khử và bị oxi hóa, O₂ là chất oxi hóa và bị khử (A, B đúng)

=> Phương trình cân bằng là: $C{H_4} + 2{O_2}\xrightarrow{{{t^o}}}C{O_2} + 2{H_2}O$

Tính toán theo phương trình cân bằng trên thì số mol O₂ cần dùng khi đốt cháy 1 mol methane là 2 mol => Ở 25^oC, 1 bar: \({V_{{O_2}}} = 2.24,79 = 49,58\)lít (C đúng)

=> Tổng số cân bằng của phương trình là 1+2+1+2=6 (D sai)

\(\begin{array}{*{20}{c}}{2x}\\{\mathop {1x}\limits^{} }\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop {Cu}\limits^0  \to \mathop {Cu}\limits^{ + 2}  + 2e}\\{\mathop {{O_2}}\limits^0  + 4e \to \mathop {2O}\limits^{ - 2} }\end{array}} \right.\) => Phương trình cân bằng của (1) là: \(2Cu + {O_2} + 2{H_2}S{O_4} \to 2CuS{O_4} + 2{H_2}O\)

\(\begin{array}{*{20}{c}}{1x}\\{\mathop {1x}\limits^{} }\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{\mathop {Cu}\limits^0  \to \mathop {Cu}\limits^{ + 2}  + 2e}\\{\mathop S\limits^{ + 6}  + 2e \to \mathop S\limits^{ + 4} }\end{array}} \right.\) => Phương trình cân bằng của (2) là: \(Cu + 2{H_2}S{O_4} \to CuS{O_4} + S{O_2} + 2{H_2}O\)

A đúng vì không sinh ra khí SO₂ gây ô nhiễm môi trường

Với cùng một lượng đồng phế thải thì sử dụng cả cách trên đều cho cùng lượng CuSO₄ (B sai) do số mol của Cu và của CuSO₄ trong cả hai phương trình đều bằng nhau

Tổng hệ số cân bằng của (1) là 9. Tổng hệ số cân bằng của (2) là 7

=> Tổng hệ số cân bằng của (1) và (2) là 16 (C đúng)

D đúng. (1) và (2) đều có chất khử là Cu. (1) có chất oxi hóa là O₂, (2) có chất oxi hóa là H₂SO₄

N₂O: N có số oxi hóa là +1

NH₄Cl: N có số oxi hóa là -3

HNO₃: N có số oxi hóa là +5

NO₂: N có số oxi hóa là +4

=> Chiều sắp xếp tăng dần về số oxi hóa của nguyên tử nitrogen trong các hợp chất trên là

NH₄Cl, N₂O, NO₂, HNO₃

\(2N{H_4}{\mathop{\rm Re}\nolimits} {O_4} + 7{H_2} \to 2{\mathop{\rm Re}\nolimits}  + 8{H_2}O + 2N{H_3}\)

=> Tổng hệ số nguyên nhỏ nhất của phản ứng là 2 + 7 + 2 + 8 +2 = 21

Trong các hợp chất trên, số oxi hoá của Cl là -1, của K là +1 và của O là -2

Áp dụng các quy tắc xác định số oxi hoá: 

=> Số oxi hoá của Cr trong các hợp chất CrCl₂, CrCl₃, K₂CrO₄, K₂Cr₂O₇ lần lượt là +2, +3, +6, +6

(1) \({N_2} + 3{H_2} \mathbin{\lower.3ex\hbox{$\buildrel\textstyle\rightarrow\over{\smash{\leftarrow}\vphantom{_{\vbox to.5ex{\vss}}}}$}} 2N{H_3}\)

(2) \(2N{H_3} + 2{O_2} \to NO + 3{H_2}O\)

(3) \(2NO + {O_2} \to 2N{O_2}\)

(4) \(2N{O_2} + {\textstyle{1 \over 2}}{O_2} + {H_2}O \to 2HN{O_3}\)

=> Có ít nhất 4 phản ứng thuộc loại phản ứng oxi hoá – khử

(1) $S + Fe\xrightarrow{{{t^o}}}FeS$

(2) \(FeS + 2HCl \to FeC{l_2} + {H_2}S \uparrow \)

(3) \({H_2}S + CuS{O_4} \to CuS \downarrow  + {H_2}S{O_4}\)

(4) \({H_2}S{O_4} + N{a_2}S{O_3} \to N{a_2}S{O_4} + S{O_2} \uparrow  + {H_2}O\)

(5) \(S{O_2} + 2{H_2}S \to S + 2{H_2}O\)

=> Có ít nhất 2 phản ứng thuộc phản ứng oxi hoá – khử là (1) và (5)

\(S + {O_2} \to S{O_2}\) (1)

\(5S{O_2} + 2KMn{O_4} + 2{H_2}O \to {K_2}S{O_4} + 2MnS{O_4} + 2{H_2}S{O_4}\) (2)

Từ (1) và (2) \({n_S} = {n_{S{O_2}}} = \dfrac{5}{2}{n_{KMn{O_4}}} = \dfrac{5}{2}{.5.10^{ - 3}}.0,825 = \dfrac{{33}}{{3200}}mol\) (D đúng)

=> Hàm lượng phần trăm S là \(\dfrac{{\dfrac{{33}}{{3200}}.32}}{{150}}.100\%  = 0,22\%  < 0,3\% \) (A đúng)

=> Nhiên liệu trên được phép sử dụng (B đúng)

C sai. Từ phương trình (2) suy ra số phân tử KMnO₄ bị khử bởi SO₂ là 2