Bài 15: Phản ứng oxi hóa - khử

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

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

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

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

Chất khử là chất nhường electron

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

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

Phản ứng oxi hóa – khử làm thay đổi số oxi hóa của các chất

=> có 2 phản ứng oxi hóa khử là

$\begin{align}  & 1)~2\overset{0}{\mathop{Na}}\,~+~2{{\overset{+1}{\mathop{H}}\,}_{2}}{{O}_{{}}}\to \text{}2\overset{+1}{\mathop{Na}}\,OH~+{{\overset{0}{\mathop{~H}}\,}_{2}} \\  & 3)\text{ }2K\overset{+5}{\mathop{Cl}}\,{{\overset{-2}{\mathop{O}}\,}_{3}}~\to 2K\overset{1}{\mathop{Cl}}\,~+\text{ }3{{\overset{0}{\mathop{O}}\,}_{2}} \\ \end{align}$

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

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

Quá trình nhận electron gọi là quá trình khử (sự khử)

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

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

=> 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

Vậy 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Tổng a + b = 3 + 8 = 11

FeS₂ + 8HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 2H₂SO₄ + 5NO + 2H₂O

Tổng hệ số cân bằng của phản ứng là: 1 + 8 + 1 + 2 + 5 + 2 = 19

Các quá trình nhường – nhận electron:

Mn⁶⁺ → Mn⁷⁺ + 1e | x2 (quá trình oxi hóa)

Mn⁶⁺ + 2e → Mn⁴⁺ | x1 (quá trình khử)

⟹ Tỉ lệ Mn⁶⁺ bị oxi hóa và Mn⁶⁺ bị khử hay tỉ lệ số phân tử K₂MnO₄ bị oxi hóa và bị khử là 2 : 1.

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^-

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.

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

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