Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 1 PHẦN A : PHẦN MỞ ĐẦU I. Lý do chọn chủ đề : Trong giảng dạy và học tập môn hóa học, việc viết đúng và cân bằng phương trình phản ứng đóng vai trò rất quan trọng. Bởi vì chỉ viết và cân bằng đúng thì việc tính toán mới chính xác và tiết kiệm thời gian. Nhưng để hiểu, nhớ và vận dụng bài một cách tốt nhất và hiệu quả nhất thì không phải là một điều đơn giản. Thực tế cho thấy, cách tốt nhất để các em có thể hiểu và vận dụng kiến thức đã học là giải bài tập. Nhưng cũng có một vấn đề đặt ra là quá nhiều bài tập nên các em không thể nào giải hết được. Các em chỉ làm được những bài quen thuộc và khá lúng túng khi gặp những bài tập mới mặc dù không khó, nguyên nhân là do các em không nhìn ra được dạng toán, chưa có cái nhìn hệ thống và phương pháp giải cho các dạng bài tập này. Nếu chúng ta có thể hệ thống hóa lý thuyết và đưa ra các phương pháp giải cho từng dạng bài tập thì học sinh dễ dàng tiếp thu bài, hiểu rõ bài hơn và đặc biệt, có khã năng vận dụng kiến thức đã học để giải các bài tập liên quan. Từ những thực tế đó, tôi quyết định chọn chủ đề : “Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử” Tuy là một phần nhỏ trong một thế giới rộng lớn của các bài tập hóa học nói chung nhưng tôi nghĩ nó cũng sẽ đáp ứng được phần nào yêu cầu về các dạng bài tập trong chương trình hóa học THPT II. Mục đích của chủ đề : Nhằm giúp học sinh có cái nhìn hệ thống về lý thuyết và bài tập Hóa học trong dạng toán cân bằng phản ứng oxi hóa khử trong chương trình Hóa học phổ thông, từ đó không những giúp các em có thể giải tốt các bài tập dạng này mà còn tạo điều kiện nâng cao hiệu quả giảng dạy ở trường phổ thông. III. Nhiệm vụ của chủ đề : Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 2  Nghiên cứu cơ sở lý luận về bài tập Hóa học.  Tóm tắt lý thuyết, phân loại và các phương pháp để cân bằng phản ứng oxi hóa khử IV. Khách thể và đối tượng nghiên cứu :  Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy và học Hóa học ở trường trung học phổ thông  Đối tượng nghiên cứu: Bài tập cân bằng phản ứng oxi hóa khử V. Phạm vi nghiên cứu : Chương trình Hóa học trung học phổ thông: Chương trình hóa hữu cơ lớp 10 VII. Giả thuyết khoa học : Nếu hiểu rõ lý thuyết, nắm vững phương pháp giải bài tập để cân bằng phản ứng oxi hóa khử trong chương trình Hóa học THPT sẽ giúp giáo viên và học sinh hệ thống hóa và và hiểu sâu sắc dạng bài tập này, là bước khởi dầu vững cho việc dạy học môn hóa ở trường THPT VIII. Phương tiện và phương pháp nghiên cứu : 1 . Phương tiện :  Các tài liệu liên quan đến lý thuyết và bài tập Hóa học cân bằng phản ứng oxi hóa khử  Các phương tiện thông tin: Internet 2. Phương pháp :  Đọc tài liệu, phân tích tổng hợp lý thuyết và đề xuất các phương pháp giải  Đưa ra các dạng bài tập tiêu biểu để minh họa và sau đó có bài tập tượng tự Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 3 PHẦN B : XÂY DỰNG NỘI DUNG LÝ THUYẾT I. Định nghĩa phản ứng oxi hóa khử : 1. Số oxi hóa : Để thuận tiện khi xem xét phản ứng oxi hoá - khử và tính chất của các nguyên tố, người ta đưa ra khái niệm số oxi hoá (còn gọi là mức oxi hoá hay điện tích hoá trị). Số oxi hoá là điện tích quy ước mà nguyên tử có được nếu giả thuyết rằng cặp e liên kết (do 2 nguyên tử góp chung) chuyển hoàn toàn về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. 2. Quy tắc xác định số oxi hóa : - Tổng đại số số oxi hoá của các nguyên tử trong phân tử trung hoà điện bằng 0. - Tổng đại số số oxi hoá của các nguyên tử trong một ion phức tạp bằng điện tích của ion. Ví dụ trong ion HSO - 4 , số oxi hoá của H là +1, của O là -2 của S là +6. 1 + 6 + (-2. 4) = - 1. - Trong đơn chất, số oxi hoá của các nguyên tử bằng 0. Ví dụ: Trong Cl 2 , số oxi hoá của Cl bằng 0. - Khi tham gia hợp chất, số oxi hoá của một số nguyên tố có trị số không đổi như sau. + Kim loại kiềm luôn bằng +1. + Kim loại kiềm thổ luôn bằng +2. + Oxi ( trừ trong peoxit bằng - 1) luôn bằng - 2. + Hiđro ( trừ trong hiđrua kim loại bằng - 1) luôn bằng - 2. + Al thường bằng +3. Chú ý: Dấu của số oxi hoá đặt trước giá trị, còn dấu của ion đặt sau giá trị. Ví dụ: Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 4 3. Định nghĩa phản ứng oxi hóa khử : - Phản ứng oxi hoá - khử là phản ứng trong đó có sự trao đổi e giữa các nguyên tử hoặc ion của các chất tham gia phản ứng, do đó làm thay đổi số oxi hoá của chúng. Ví dụ: - Chất nhường e gọi là chất khử (hay chất bị oxi hoá). Chất thu e gọi là chất oxi hoá (hay chất bị khử). - Quá trình kết hợp e vào chất oxi hoá được gọi là sự khử chất oxi hoá Quá trình tách e khỏi chất khử được gọi là sự oxi hoá chất khử: 4. Các phương trình phản ứng oxi hóa khử thường gặp : Để viết được các phản ứng oxi hóa khử thì chúng ta cần biết một số chất oxi hóa và một số chất khử thường gặp. Chất oxi hóa sau khi bị khử thì tạo thành chất khử liên hợp (chất khử tương ứng); cũng như chất khử sau khi bị oxi hóa thì tạo thành chất khử liên hợp (chất khử tương ứng). Ta phải biết các chất khử và chất oxi hóa tương ứng thì mới viết được phản ứng oxi hóa khử. Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 5  Các chất oxi hóa thường gặp : - Các hợp chất của mangan: KMnO 4 , K 2 MnO 4 , MnO 2 (MnO 4 - , MnO 4 2- , MnO 2 ) +7 +6 +4 - KMnO 4 , K 2 MnO 4 , MnO 2 trong môi trường axit (H) thường bị khử thành muối Mn 2+ Thí dụ: +7 +2 +2 +3 2 KMnO 4 + 10 FeSO 4 + 8 H2SO4 → 2 MnSO 4 + 5 Fe 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O Kali pemanganat Sắt (II) sunfat Mangan (II) sunfat Sắt (III) sunfat Thuốc tím (Chất oxi hóa) (Chất khử) - KMnO 4 trong môi trường trung tính (H 2 O) thường bị khử thành mangan đioxit (MnO 2 ) Thí du: +7 +4 +4 +6 2KMnO 4 + 4K 2 SO 3 + H 2 O → MnO 2 + K 2 SO 4 + KOH Kali pemanganat Kali sunfit Man ganđioxit Kali sunfat (Chất oxi hóa) (Chất khử) - KMnO 4 trong môi trường bazơ (OH - ) thường bị khử tạo K 2 MnO 4 Thí dụ: +7 +4 +6 +4 2 KMnO 4 + K 2 SO 3 + 2 KOH → 2 K 2 MnO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 6 Kali pemanganat Kali sunfit Kali manganat Kali sunfat (Chất oxi hóa) (Chất khử) - Hợp chất của crom: K 2 Cr 2 O 7 ; K 2 CrO 4 (Cr 2 O 7 2- ; CrO 4 2- ) K 2 Cr 2 O 7 (Kali đicromat; Kali bicromat), K 2 CrO 4 (Kali cromat) trong môi trường axit (H + ) thường bị khử thành muối crom (III) (Cr 3+ ) Thí dụ: +6 +2 +3 +3 K 2 Cr 2 O 7 + 6FeSO 4 + 7H2SO4 → Cr 2 (SO 4 ) 3 + 3Fe 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + 7H 2 O Kali đicromat Sắt (II) sunfat Crom (III) sunfat Sắt (III) sunfat (Chất oxi hóa) (Chất khử) Trong môi trường trung tính, muối cromat (CrO 4 2- ) thường bị khử tạo crom (III) hiđroxit (Cr(OH) 3 ) Thí dụ: +6 -2 +3 0 2KCrO 4 + 3(NH 4 ) 2 S + 2H 2 O → 2Cr(OH) 3 + 3S + 6NH 3 + 4KOH Kali cromat Amoni sunfua Crom (III) hiđroxit Lưu huỳnh (Chất oxi hóa) (Chất khử) - Axit nitric (HNO 3 ), muối nitrat trong môi trường axit (NO 3 - /H + ) +5 +4 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 7 - HNO 3 đậm đặc thường bị khử tạo khí màu nâu nitơ đioxit NO 2 . Các chất khử thường bị HNO 3 oxi hóa là: Các kim loại, các oxit kim loại có số oxi hóa trung gian (FeO, Fe 3 O 4 ), một số phi kim (C, S, P), một số hợp chất của phi kim có số oxi hóa thấp nhất hay trung gian (H 2 S, SO 2 , SO 3 2- , HI), một số hợp chất của kim loại trong đó kim loại có số oxi hóa trung gian (Fe 2+ , Fe(OH) 2 Thí dụ: 0 +5 +3 +4 Fe + 6 HNO 3 (đ, nóng) → Fe(NO 3 ) 3 + 3 NO 2 + 3 H2O Sắt Axit nitric Sắt (III) nitrat Nitơ đioxit (Chất khử) (Chất oxi hóa) (Khí có mùi hắc, màu nâu) - HNO 3 loãng thường bị khử thành NO (khí nitơ oxit). Các chất khử thường gặp là: các kim loại, các oxit kim loại hay hợp chất kim loại có số oxi hóa trung gian (FeO, Fe(OH) 2 , Fe 3 O 4 , Fe 2+ ), một số phi kim (S, C, P), một số hợp chất của phi kim trong đó phi kim có số oxi hoá thấp nhất có số oxi hóa trung gian (NO2-, SO 3 2- ). Thí dụ: 0 +5 +3 +2 Fe + 4HNO 3 (l) → Fe(NO 3 ) 3 + NO + 2H 2 O Bột sắt Axit nitric (loãng) Sắt (III) nitrat Nitơ oxit (Chất khử) (Chất oxi hóa) (Khí không có, không không có màu) - Muối nitrat trong môi trường axit (NO 3- /H + ) giống như HNO 3 loãng, nên nó oxi hóa được các kim loại tạo muối, NO3- bị khử tạo khí NO, đồng thời có sự tạo nước (H 2 O) Thí dụ: 0 +5 +2 +2 3Cu + 2NO 3 - + 8H + → 3Cu 2+ + 2NO + 4H 2 O Đồng Muối nitrat trong môi trường axit Muối đồng (II) Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 8 (Chất khử) (Chất oxi hóa) (Dung dịch có màu xanh lam) Khí NO không màu thoát ra kết hợp với O 2 (của không khí) tạo khí NO 2 có màu nâu đỏ - Axit sunfuric đậm đặc nóng, H 2 SO 4 (đ, nóng); Khí sunfurơ (SO 2 ) +6 +4 - H 2 SO 4 (đ, nóng) thường bị khử tạo khí SO 2 . Các chất khử thường tác dụng với H 2 SO 4 (đ, nóng) là: các kim loại, các hợp chất của kim loại số oxi hóa trung gian (như FeO, Fe 3 O 4 ), một số phi kim (như C, S, P), một số hợp chất của phi kim (như HI, HBr, H 2 S) Thí dụ: 0 +6 +2 +4 Cu + 2H2SO4(đ, nóng) → CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O Đồng Axit sunfuric (đặc, nóng) Đồng (II) sunfat Khí sunfurơ (Chất khử) (Chất oxi hóa) Các kim loại mạnh như Mg, Al, Zn không những khử H2SO4 đậm đặc, nóng thành SO 2 mà còn thành S, H 2 S. H2SO4 đậm đặc nhưng nếu loãng bớt thì sẽ bị khử tạo lưu huỳnh (S) hay hợp chất của lưu huỳnh có số oxi hóa thấp hơn (H 2 S). Nguyên nhân của tính chất trên là do kim loại mạnh nên dễ cho điện tử (để H2SO4 nhận nhiều điện tử) và do H2SO4 ít đậm đặc nên nó không oxi hóa tiếp S, H 2 S. - Khí sunfurơ (SO 2 ) oxi hóa được các chất khử mạnh như các hợp chất của phi kim có số oxi hoá thấp (như H 2 S, CO), một số phi kim (như H 2 , C), các kim loại mạnh (như Na, K, Ca, Ba, Mg). Nếu SO 2 là chất oxi hóa thì nó thường bị khử tạo S. Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 9 +4 -2 0 SO 2 + H 2 S → S + H 2 O Khí sunfurơ Khí hiđro sunfua Lưu huỳnh (Chất oxi hóa) (Chất khử) Khí mùi hắc Khí có mùi trứng thúi Chất rắn, màu vàng nhạt Khác với HNO 3 , dung dịch H2SO4 loãng là a xit thông thường (tác nhân oxi hóa là H+), chỉ dung dịch H2SO4 đậm đặc, nóng mới là axit có tính oxi hóa mạnh (tác nhân oxi hóa là SO42-). Trong khi dung dịch HNO3 kể cả đậm đặc lẫn loãng đều là axit có tính o xi hóa mạnh (tác nhân oxi hóa là NO3- Thí dụ: 0 +6 +2 0 Fe + H 2 SO 4 (l) → FeSO 4 + H 2 0 +6 +3 +4 2Fe + 6H 2 SO 4 (đ, nóng) → Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O 0 +5 +3 +2 Fe + 4HNO 3 (l) → Fe(NO 3 ) 3 + NO + 2H 2 O 0 +5 +3 +4 Fe + 6HNO 3 (đ, nóng) → Fe(NO 3 ) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O Ba kim loại Al, Fe, Cr không bị hòa tan trong dung dịch H 2 SO 4 đậm đặc nguội (cũng như trong dung dịch HNO 3 đậm đặc nguội) (bị thụ động hóa, trơ) - Ion H + Ion H + của axit thông thường oxi hóa được các kim loại đứng trước H trong dãy Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 10 thế điện hóa. Ion H + bị khử tạo khí H 2 , còn kim loại bị khử tạo muối tương ứng (ion kim loại). K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au Thí dụ: Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2 0 +1 +2 0 Zn + 2H + → Zn 2+ + H 2 (Chất khử) (Chất oxi hóa) (Chất oxi hóa) (Chất khử) II. Cân bằng phản ứng oxi hóa khử : a. Nguyên tắc khi cân bằng : Tổng số e mà chất khử cho phải bằng tổng số e mà chất oxi hoá nhận và số nguyên tử của mỗi nguyên tố được bảo toàn. b. Các bước tiến hành cân bằng phản ứng : 1) Viết phương trình phản ứng, nếu chưa biết sản phẩm thì phải dựa vào điều kiện cho ở đề bài để suy luận. 2) Xác định số oxi hoá của các nguyên tố có số oxi hoá thay đổi. Đối với những nguyên tố có số oxi hoá không thay đổi thì không cần quan tâm. 3) Viết các phương trình e (cho - nhận e). 4) Cân bằng số e cho và nhận. 5) Đưa hệ số tìm được từ phương trình e vào phương trình phản ứng. 6) Cân bằng phần không tham gia quá trình oxi hoá - khử. [...]... tắc trên): Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 11 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Để có tỷ lệ mol trên, ta nhân phương trình (1) với 9 rồi cộng 2 phương trình lại: Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 12 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử PHẦN C : CÁC PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG CỤ THỂ I Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử: 1 Phương pháp cân bằng electron : - Nguyên tắc: Dựa vào... (cũng là cân bằng số nguyên tử O) Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 16 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử + Phối hợp hệ số của phản ứng ion vừa được cân bằng xong với phản ứng lúc đầu để bổ sung hệ số thích hợp vào phản ứng lúc đầu (Chuyển phản ứng dạng ion trở lại thành dạng phân tử) + Cân bằng các nguyên tố còn lại, nếu có, như phản ứng trao đổi - Các thí dụ: Cân bằng các phản ứng sau... tổng số electron của chất khử cho phải bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận - Các bước cân bằng : + Viết phương trình phản ứng xảy ra với đầy đủ tác chất, sản phẩm (nếu đầu bài yêu cầu bổ sung phản ứng, rồi mới cân bằng) + Tính số oxi hóa của nguyên tố có số oxi hóa thay đổi Nhận diện chất oxi hóa, chất khử + Viết phản ứng cho, phản ứng nhận điện tử (Phản ứng oxi hóa, phản ứng khử) Chỉ cần viết nguyên... Viết các phản ứng cho, phản ứng nhận điện tử (chính là các phản ứng oxi hóa, phản ứng khử) Viết nguyên cả dạng ion hay phân tử, với số oxi hóa để bên trên Thêm hệ số thích hợp để số nguyên tử của nguyên tố có số oxi hóa thay đổi hai bên bằng nhau + Cân bằng số điện tử cho, nhận Số điện tử cho của chất khử phải bằng số điện tử nhận của chất oxi hóa (Hay số oxi hóa tăng của chất khử phải bằng số oxi hóa. .. - Các thí dụ: Cân bằng các phản ứng sau đây theo phương pháp cân bằng điện tử +Thí dụ 1 +7 +2 KMnO4 +2 + FeSO4 + H2SO4 MnSO4 +3 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H 2O Chất oxi hóa Chất khử +7 2 +2 Mn + 5e- +2 Mn +3 2KMnO4 2Fe - 2e- 2Fe (+4) 5 (phản ứng khử) (+6) + 10FeSO4 + H2SO4 (Phản ứng oxi hóa) 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H 2O Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 14 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa. .. số oxi hóa thay đổi, với số oxi hóa được để bên trên Thêm hệ số thích hợp để số nguyên tử của nguyên tố có số oxi hóa thay đổi hai bên bằng nhau + Cân bằng số điện tử cho, nhận Số điện tử cho của chất khử bằng số điện tử nhận của chất oxi hóa (Hay số oxi hóa tăng của chất khử bằng số oxi hóa giảm của chất oxi hóa) bằng cách them hệ số thích hợp + Phối hợp các phản ứng cho, nhận điện tử; các hệ số cân. .. gia) - Các nguyên tắc: • Nếu phản ứng có axit tham gia: vế nào thừa O phải thêm H+ để tạo H2O và ngược lại •Nếu phản ứng có bazơ tham gia: vế nào thừa O phải thêm H2O để tạo ra OH- Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 15 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử - Các bước cân bằng : + Viết phương trình phản ứng với đầy đủ tác chất, sản phẩm (nếu chưa có phản ứng sẵn) + Tính số oxi hóa của các nguyên... Các thí dụ: Cân bằng các phản ứng sau đây theo phương pháp cân bằng ion electron Thí dụ 1: +7 +2 KMnO4 +2 + FeSO4 + H2SO4 Chất oxi hóa MnSO4 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O Chất khử 7 2 +2 MnO4- + 5e- +2 5 +3 2Fe2+ (+4) Mn2+ (Phản ứng khử ) +3 2e- 2Fe3+ (Phản ứng oxi hóa ) (+6) Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 17 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử 2MnO4- + 10Fe2+ 2Mn2+ Điện tích :2(-1) + 10(+2)... Phối hợp các phản ứng cho, nhận điện tử; các hệ số cân bằng tìm được; và phản ứng lúc đầu để bổ sung hệ số thích hợp vào phản ứng lúc đầu + Cuối cùng cân bằng các nguyên tố còn lại (nếu có) như phản ứng trao đổi Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 13 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử - Lưu ý: Khi viết các quá trình oxi hoá và quá trình khử của từng nguyên tố, cần theo đúng chỉ số qui định... 4 Phản ứng không xác định rõ môi trường : - Nguyên tắc: • Có thể cân bằng nguyên tố bằng phương pháp đại số hoặc qua trung gian phương trình ion thu gọn • Nếu do gom nhiều phản ứng vào, cần phân tích để xác định giai đoạn nào là oxi hóa khử Ví dụ: Al + H2O + NaOH → NaAlO2 + H2 Al + H20 → Al(OH)3 + H2 2x Al0 → Al+3 + 3e Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 21 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử . pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07 13 PHẦN C : CÁC PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG CỤ THỂ I. Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử: 1. Phương pháp cân bằng. (chất khử tương ứng) . Ta phải biết các chất khử và chất oxi hóa tương ứng thì mới viết được phản ứng oxi hóa khử. Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa. được từ phương trình e vào phương trình phản ứng. 6) Cân bằng phần không tham gia quá trình oxi hoá - khử. Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử Nguyễn Văn Cường – Sư Phạm Hóa K07