Bài 12: Phản ứng oxi - hóa khử

Chất khử là chất nhường electron

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

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

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

\(\mathop {C{l_2}}\limits^0  + 2e \to \mathop {2Cl}\limits^{ - 1} \): 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

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

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

Al + 4HNO₃ →  Al(NO₃)₃ +  NO + 2H₂O

Nên b : c = 4 : 1

Phân tử HCl bị oxi hóa tạo thành phân tử Cl₂

=> Số phân tử HCl bị oxi hóa là 5.2 = 10

=> Số phân tử HCl môi trường là 16-10 = 6

Vậy tỉ lệ số phân tử HCl bị oxi hoá và số phân tử HCl làm môi trường (không oxi hoá-khử) là 10:6 = 5:3

Mn có số oxi hóa là 0

MnO₂: Mn có số oxi hóa là +4

MnSO₄: Mn có số oxi hóa là +2

KMnO₄: Mn có số oxi hóa là +7

=> Chiều sắp xếp giảm dần về số oxi hóa của Mn trong các chất trên là: KMnO₄, MnO₂, MnSO₄, Mn

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

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

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

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

\(\mathop {Fe}\limits^{ + 2} S{O_4} + {K_2}\mathop {C{r_2}}\limits^{ + 6} {O_7} + {H_2}S{O_4} \to \mathop {F{e_2}}\limits^{ + 3} {(S{O_4})_3} + {K_2}S{O_4} + \mathop {C{r_2}}\limits^{ + 3} {(S{O_4})_3} + {H_2}O\)

\(\begin{array}{*{20}{c}}3\\1\end{array}\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{2\mathop {Fe}\limits^{ + 2}  \to \mathop {F{e_2}}\limits^{ + 3}  + 2e}\\{\mathop {C{r_2}}\limits^{ + 6}  + 6e \to \mathop {C{r_2}}\limits^{ + 3} }\end{array}} \right.\)

=> \(6FeS{O_4} + {K_2}C{r_2}{O_7} + 7{H_2}S{O_4} \to 3F{e_2}{(S{O_4})_3} + {K_2}S{O_4} + C{r_2}{(S{O_4})_3} + 7{H_2}O\)

Từ PTHH suy ra 1 mol K₂Cr₂O₇ tạo ra 3 mol Fe₂(SO₄)₃

=> 2 mol K₂Cr₂O₇ tạo ra 2.3 = 6 mol Fe₂(SO₄)₃

$4\overset{+2}{{Fe}}\,{{\left( OH \right)}_{2}}+{{\overset{0}{{O}}\,}_{2}}+\text{ }2{{H}_{2}}O\text{ }\to \text{ }4\overset{+3}{{Fe}}\,{{(\overset{-2}{{O}}\,H)}_{3}}.$

Quá trình cho – nhận e:

$\overset{+2}{{Fe}}\,\,\,\to \text{ }\overset{+3}{{Fe}}\,\,\,+\,\,1\text{e}$  => Fe(OH)₂ là chất khử

${{\overset{0}{{O}}\,}_{2}}+\text{ 4e }\to \text{ 2}\overset{-2}{{O}}\,$ => O₂ là chất oxi hóa

H₂O không đóng vai trò chất oxi hoá hay chất khử => H₂O không thay đổi số oxi hóa

$A{{l}_{4}}{{C}_{3}}+\text{ }12{{\overset{+1}{\mathop{H}}\,}_{2}}\overset{-2}{\mathop{O}}\,\to 4Al{{(\overset{-2}{\mathop{O}}\,\overset{+1}{\mathop{H}}\,)}_{3}}+\text{ }3C{{\overset{+1}{\mathop{H}}\,}_{4}}$

${{\overset{+8/3}{\mathop{Fe}}\,}_{3}}{{O}_{4}}+\text{ }H\overset{+5}{\mathop{N}}\,{{O}_{3}}\to \text{}\overset{+3}{\mathop{Fe}}\,{{\left( N{{O}_{3}} \right)}_{3}}+\text{ }\overset{+2}{\mathop{N}}\,O\text{}+\text{ }{{H}_{2}}O$

$\begin{matrix}   \text{3x}  \\   {}  \\   \text{1x}  \\\end{matrix}\left| \begin{align}  & 3\overset{+8/3}{\mathop{F\text{e}}}\,\,\,\to \,\,3\overset{+3}{\mathop{F\text{e}}}\,\,\,+\,\,1\text{e} \\  & \overset{+5}{\mathop{N}}\,\,\,+\,\,3\text{e}\,\,\to \,\,\overset{+2}{\mathop{N}}\, \\ \end{align} \right.$

=> cân bằng:  3Fe₃O₄ + 28HNO₃ → 9Fe(NO₃)₃ + NO + 14H₂O

=> hệ số cân bằng là: 3, 28, 9, 1, 14

$\overset{+2}{\mathop{Fe}}\,O\text{ }+\text{ }H\overset{+5}{\mathop{N}}\,{{O}_{3}}\to \overset{+3}{\mathop{\text{ }Fe}}\,{{\left( N{{O}_{3}} \right)}_{3}}+\text{ }\overset{+2}{\mathop{N}}\,O\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}O$

$\begin{matrix}   \text{3x}  \\   {}  \\   \text{1x}  \\\end{matrix}\left| \begin{align}  & \overset{+2}{\mathop{F\text{e}}}\,\,\,\to \,\,\overset{+3}{\mathop{F\text{e}}}\,\,\,+\,\,1\text{e} \\  & \overset{+5}{\mathop{N}}\,\,\,+\,\,3\text{e}\,\,\to \,\,\overset{+2}{\mathop{N}}\, \\ \end{align} \right.$

=> cân bằng: 3FeO + 10HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + NO + 5H₂O

=> Tỉ lệ số phân tử HNO₃ đóng vai trò là chất oxi hoá và môi trường là 1 : 9

$\overset{0}{\mathop{Zn}}\,\text{ }+\text{ }H\overset{+5}{\mathop{N}}\,{{O}_{3}}\to \overset{+2}{\mathop{\text{ }Zn}}\,{{\left( N{{O}_{3}} \right)}_{2}}+\text{ }{{\overset{+1}{\mathop{N}}\,}_{2}}O\text{ }+\text{ }{{\overset{0}{\mathop{N}}\,}_{2}}+\text{ }{{H}_{2}}O$

$\begin{matrix}   \text{23x}  \\   {}  \\   \text{1x}  \\\end{matrix}\left| \begin{align}  & \overset{0}{\mathop{Zn}}\to \overset{+2}{\mathop{Zn}}+2\text{e} \\  & 10\overset{+5}{\mathop{N}}+46\text{e}\to2{{\overset{+1}{\mathop{N}}}_{2}}O+3{{\overset{0}{\mathop{N}}}_{2}} \\ \end{align} \right.$

+) Vì tỉ lệ mol của N₂O : N₂ là 2 : 3 => thêm 2 trước N₂O và thêm 3 trước N₂ sau đó tính tổng e nhận = 10.5 - 2.2.1 - 0 = 46

+) Chọn hệ số sao cho tổng e cho = tổng e nhận => nhân 23 ở quá trình cho e và nhân 1 ở quá trình nhận e

=> cân bằng:  23Zn + 56HNO₃ → 23Zn(NO₃)₂ + 2N₂O + 3N₂ + 28H₂O

Xét cả phân tử FeS₂ có số oxi hóa là 0

${{\overset{0}{\mathop{FeS}}\,}_{2}}+\text{ }H\overset{+5}{\mathop{N}}\,{{O}_{3}}\to \text{ }\overset{+3}{\mathop{Fe}}\,{{\left( N{{O}_{3}} \right)}_{3}}+\text{ }{{H}_{2}}\overset{+6}{\mathop{S}}\,{{O}_{4}}+\text{ }\overset{+2}{\mathop{N}}\,O\uparrow +\text{ }{{H}_{2}}O$

$\begin{matrix}   \text{1x}  \\   {}  \\   \text{5x}  \\\end{matrix}\left| \begin{align}  & \overset{0}{\mathop{F\text{e}{{S}_{2}}}}\to\overset{+3}{\mathop{F\text{e}}}+2\overset{+6}{\mathop{S}}\text{+15e} \\  & \overset{+5}{\mathop{N}}+3\text{e}\to \overset{+2}{\mathop{N}}O\\ \end{align} \right.$

+) Chọn hệ số thích hợp để tổng e cho và e nhận bằng nhau => nhân 1 vào quá trình cho e và nhân 5 vào quá trình nhận e

+) Vì $\overset{+6}{\mathop{S}}\,$ có hệ số là 2 => thêm 2 vào H₂SO₄

+) Thêm 5 vào NO, tính tổng số N bên vế phải => điền hệ số HNO₃

=> cân bằng:  FeS₂ + 8HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 2H₂SO₄ + 5NO↑ + 2H₂O

$\overset{0}{\mathop{FeS}}\,\text{ }+\text{ }{{H}_{2}}\overset{+6}{\mathop{S}}\,{{O}_{4}}~\to {{\overset{+3}{\mathop{Fe}}\,}_{2}}{{\left( S{{O}_{4}} \right)}_{3}}+\text{ }\overset{+4}{\mathop{S}}\,{{O}_{2}}\uparrow +\text{ }{{H}_{2}}O$

$\begin{matrix}   \text{2x}  \\   {}  \\   \text{9x}  \\\end{matrix}\left| \begin{align}  & \overset{0}{\mathop{F\text{e}S}}\,\,\,\to\,\,\overset{+3}{\mathop{F\text{e}}}\,\,\,+\,\,\overset{+6}{\mathop{S}}\,\text{+9e} \\  & \overset{+6}{\mathop{S}}\,\,\,+\,\,2\text{e}\,\,\to \,\overset{+4}{\mathop{S}}\,\, \\ \end{align} \right.$

=> cân bằng:   2FeS + 10H₂SO₄  → Fe₂(SO₄)₃ + 9SO₂↑ + 10H₂O

CuFeS₂ → Cu⁺² + Fe⁺³ + 2  S⁺⁴ + 13e 

Vậy 1 phân tử CuFeS₂ nhường 13e

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)