|e er 906 (0-1 | 1
|e er 00 07 0 11
Mục lục . QC CĐ Q ng ng ng ng HH KH ng ng E n k ng in cu 1 Danh mục các cum ti Viét tat ccccccceccccccececcecececeucecucesaesaeucesausecesenens 3
05571001 EEE EE SHAE GEE EERE E EES 4
CHUONG 1: COSOLY LUAN CUA VAN DE NGHIEN CUU
1.1 Khái quát về phản ứng hóa học cc ccc c2 S21 v1 1y ki 7 1.1.1.Khái niệm phản ứng hóa học «<< 3< +2 7 1.1.2 Các loại phản ứng hóa học -. cà 2s v21 s*i 7 1.2 Phản ứng oxi hóa - khử - -.-cc n2 HS SH HS vn 9 1.2.1 Một số khái niệm LQLSn ST SS S2 th nhe 9
1.2.2 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa - khử 15
1.2.3 Ý nghĩa và tầm quan trọng của phản ứng oxi hóa - khử 22 CHƯƠNG 2
PHAN UNG OXI HOA -KHU TRONG CHUONG TRINH
HOA HOC PHO THONG
2.1 Phản ứng oxi hóa - khử trong chương trình hố học phố thơng 24 2.1.1 Phản ứng oxi hóa - khử trong chương trìnhtrung học cơ Sở 24 2.1.2 Phản ứng oxi hóa —- khử trong chương trình trung học phô thông 27 2.2 Phản ứng oxi hóa- khửỬ -.cc.cc c ng, S9, HH khe 30 2.2.1 Nội dung phản ứng oxi hóa — khử trong hóa học vô cơ 30 2.2.2 Nội dung phản ứng ox1 hóa — khử trong hóa học hữu cơ 32 2.3 Vận dụng phản ứng oxi hóa - khử trong dạy hóa học phô thông 38
2.3.1 Sử dụng các khái niệm phản ứng oxi hóa - khử trong dạy tính chất
Trang 2KẾT LUẬN VÀ ĐÈ XUẤT
1 Kết luận chung .- - CC HQ 011912191 S11 vn St cưến 64
4ø na ảằ ằ 64
Tài liệu tham khảo -. cccc c2 c2 cv sen 65
Trang 4chuyên môn, đôi mới phương pháp dạy học nhằm giúp học sinh tiếp thu tri thức một
cách tốt nhất
- Phản ứng oxi hóa - khử là loại phản ứng quan trọng và xuyên suốt trong chương trình hóa học phố thông Kiến thức về phản ứng oxi hoá - khử được vận dụng phổ biến trong dạy học cũng như trong đời sống
Vậy, phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng thế nào? Phân loại chúng trong hóa học vô cơ, hữu cơ ra sao? So sánh sự khác nhau cơ bản giữa phản ứng oxi hóa — khử và các phản ứng khác; làm thế nào có thê nhận biết được phản ứng oxi hóa —- khử và các phản ứng thông thường cũng như các bước lập phương trình phản ứng Tầm quan trọng của phản ứng oxi hóa —- khử, phản ứng oxi hóa - khử được nghiên cứu và phát triển như thế nào từ chương trình trung học cơ sở sang chương trình trung học phổ thông Khi nắm rõ các nội dung trên, giáo viên sẽ vận dụng phản ứng oxi hoá - khử trong dạy hóa học ở phổ thông được tốt hơn
Trang 5- Nghiên cứu việc sử dụng phản ứng oxi hóa — khử trong chương trình hóa học phổ thông cũng như các kiến thức có liên quan đến phản ứng oxi hóa — khử trong dạy các chất và bài tập vận dụng có liên quan đến phản ứng oxi hóa — khử
3 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến phản ứng oxi hóa - khử
- Nghiên cứu sự hình thành và phát triển, các quy luật biến đổi trong sự tạo thành sản phẩm oxi hóa — khử
- Tìm hiểu sự vận dụng phản ứng oxi hóa - khử trong việc giảng dạy bộ môn hóa học trung học phố thông
4 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý luận : sách giáo khoa hóa học trung học phô thông và các tài liệu có liên quan đến phản ứng oxi hóa — khử
5, Đối tượng nghiên cứu
Phản ứng oxi hóa — khử trong chương trình trung học phố, sách giáo khoa hố học phơ thơng và các tài liệu khác có liên quan đến phản ứng oxi hóa — khử
6 Khả năng áp dụng của đề tài
Nghiên cứu đề tài hoàn thành sẽ góp thêm tài liệu tham khảo cho giáo viên dạy hóa học ở các trường THPT, sinh viên đang học chuyên ngành hóa học và tài liệu học tập cho HS trung học cơ sở, trung học phố thông
7 Lịch sử đề tài
Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu, nhiều sách, tài liệu nghiên cứu phản ứng oxi
hóa - khử của nhiều tác giả khác nhau như:
Trang 62 Lê Ngọc Sáng, Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa - khử bằng phương pháp thăng bằng electron và phân tử ion (Số 8(80)/2008)
Đề tài chúng tôi quan tâm nghiên cứu phản ứng oxi hóa - khử trong chương
trình hóa học phổ thông nhằm tìm hiểu sự hình thành, phát triển và vận dụng phan
Trang 71.1.1.Khái niệm phản ứng hóa học [2]
Quá trình biến đổi chất này thành chất khác gọi là phản ứng hóa học Chất
ban đầu bị biến đổi trong phản ứng gọi là chất phản ứng (chất tham gia, chất mới sinh ra là sản phẩm) Trong phản ứng hoá học tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tông khối lượng các chất tạo thành sau phản ứng
Phản ứng hóa học được ghi theo phương trình chữ như sau: Tên các chất phảnứng — Tên các sản phẩm
Ví dụ: Lưu huỳnh +sắt -—> Sắt(Isunfua
Trong quá trình phán ứng, lượng chất phản ứng giảm dẫn, lượng sản phẩm tăng dan
Trong phản ứng hóa học chỉ có liên kết giữa các nguyên tử thay đổi làm cho phân
tử này biến thành phân tử khác
Phản ứng xáy ra được khi các chất tham gia tiếp xúc trực tiếp với nhau, có trường hợp đun nóng, có trường hợp cần xúc tác
Nhận biết dẫu hiệu xảy ra dựa vào dấu hiệu có chất mới tạo thành 1.1.2 Các loại phản ứng hóa học
1.1.2.1 Các loại phản ứng trong hóa học vô cơ : [2]
s* Phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa và phản ứng không có sự thay đổi số oxi hóa Các dạng phản ứng hoá học cơ bản:
- Phản ứng phân tích là phản ứng trong đó một chất bị phân tích thành nhiều chất
mới
Vi du: CaCO; = CaO + CO, ft
-_ Phản ứng kết hợp là phản ứng trong đó hai hay nhiều chất kết hợp với nhau tạo thành một chất mới
Ví dụ: BaO + H;O = Ba(OH);
Trang 8Vidu: BaCl, + NaSO, = BaSQ, + 2NaCl
“+ Phan loai dva trên hiệu ứng nhiệt của phản ứng : - Phan tng tỏa nhiệt,
Định nghĩa: Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng hóa học giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt Ví dụ như phản ứng đốt cháy xăng dầu, cung cấp năng lượng để vận hành xe cộ, máy móc - Phản ứng thu nhiệt Định nghĩa : phản ứng thu nhiệt là phản ứng hóa học hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt
Ví dụ như khi sản xuất vôi, người ta phải liên tục cung cấp năng lượng dưới dạng nhiệt để thực hiện phán ứng phân hủy đá vôi
Trang 9Là phản ứng điều chế este bằng cách đun nóng ancol với axit cacboxylic, có axIt mạnh làm xúc tác
RCOOH + ROH =—{= R-COOR’ +H,0
s* Phản ứng trùng hợp
Phản ứng trùng hợp là quá trình kết hợp liên tiếp nhiều phân tử nhỏ giống nhau
hoặc tương tự nhau tạo thành những phân tử rất lớn gọi là polime Trong phản ứng trùng hợp, chất đầu (các phân tử nhỏ) được gọi là monome Sản phẩm của phản ứng gồm nhiều mắt xích monome hợp thành nên được gọi là polime Số lượng mắt xích monome trong một phân tử polime gọi là hệ số trùng hợp và kí hiệu là n
1.2 Phản ứng oxi hóa - khử
1.2.1 Một số khái niệm
1.2.1.1 Hóa trị và số oxi hóa [4]
“+ Hoa tri
- Hóa trị đặc trưng cho khả năng nguyên tử của các nguyên tố đó có thể hình
thành một số liên kết hoá học nhất định Hoá trị thường gắn liền với một kiểu liên kết
cụ thể Có thể định nghĩa nó là số nguyên tử của nguyên tố hóa trị một kết hợp với một nguyên tử của nguyên tố đã cho
Chang hạn, trong axit clohidric HCl, clo có hóa trị một, trong nước HO oxi cé hóa tri hai, trong amoniac NHạ mitơ có hóa trị ba, trong metan CH¿ cacbon có hóa tri
bốn, trong PCIs photpho có hóa trị năm, trong SE, lưu huỳnh có hóa trị sáu
-_ Với sự phát triển học thuyết về liên kết hóa học, hóa trị của nguyên tử trong
phân tử được hiểu là số cặp điện tử mà nguyên tử đã cho dùng để liên kết với những
nguyên tử khác, như vậy hóa trị được định nghĩa là số liên kết nhờ đó nguyên tử đã
Trang 10được tạo thành và vì vậy hóa trị không có dấu Cần nhân mạnh rằng hóa trị xác định
theo số liên kết không thể âm và cũng có thể bằng không
-_ Điện hoá trị được xác định bằng số electron mà một nguyên tử mắt đi hay thu vào khi tạo thành ion đơn Đó là điện tích của các ion trong hợp chất ion Chẳng hạn, trong phân tử CaC];, nguyên tử Caxi có điện hoá trị +2, nguyên tir Clo -1
- Cộng hoá trị được xác định bằng số liên kết cộng hoá trị do các nguyên tử trong
phân tử tạo thành Nói chung, mỗi liên kết cộng hoá trị được hình thành từ một cặp
electron Ví dụ trong phân tử H;, hydro có cộng hoá trị I (H-H); trong phân tử N›, nguyên tử nitơ có cộng hoá trị III (N=N) (Mỗi gạch nối chỉ một liên kết thực hiện bằng một cặp electron)
% 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) chuyên hoàn toàn về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn
Số oxi hoá được tính theo quy tắc sau :
— 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 Vi dụ trong lon HSO/, số oxi hoá của H là +1, của O là —2 của § là +6
+1+6+(-2.4)=- l
— Trong đơn chất, số oxi hoá của các nguyên tử bằng 0 Ví dụ: Trong Cl;, số oxi hoá của Cl bằng 0
— Khi tham gia hợp chất, số oxi hoá của một số nguyên tố có trị số không đôi như sau:
+ Kim loại kiềm luôn bằng +1 + Kim loại kiềm thổ luôn bằng +2
+ Oxi (trừ trong peoxit bằng — 1) luôn bằng — 2
Trang 11Chi y: Dấu của số oxi hoá đặt trước gia tri, con dấu của ion đặt sau gia tri
r +3
Víidụ: Số oxi hóa của Fe, của ion Fe””, 1.2.1.2 Chất khử và chất oxi hóa
- Một số chất khử và chất oxi hoá quan trọng nhất [22]
NHUNG CHAT KHU VA NHUNG CHAT OXI HOA QUAN TRONG NHẤT
Chất khử : Chất nhường e Chất oxi hóa : Chất nhận e
- Nguyên tử kim loại, hidro, hidro | - Các halogen:F¿,Clạ, Br;
peoxit HạO; - Các hợp chất của Mangan :
- Cacbon, cacbon(TI)oxit Mn;O;, MnOz:, MnO;, KMnO,,
- Các hợp chất của lưu huỳnh: K;ạMnO¿
H;S, H;SOa và muối của nó, - Các hợp chất của Crom : CrOa,
Na2S203 K;CrO¿, K;CrO;
- Axit có gốc axit là nhóm halogen : | - Các hợp chất của Oxi : Op, Os,
HI, HBr, HCI HO; và muối của nó
- Muối : SnCl;ạ, FeSOa, MnSO¿, - Các axIt có tính oxi hoá mạnh
Cra(SO4)a như: H;SO¿, HạSeO„, HNO; và muối
- Các hợp chất của nitơ : HNO¿, cua n6
NH:, N;H, NH;OH, NO - lon của những kim loại quý (Ag', - HạPO¿, HạAsO¿, K„[Fe(CN)¿] Pb**, Au””, )
- Một số hợp chất hữu co: Andehit, | - Pb(CHzCOO);, (NH4)2S20s, ruou, axit fomic va axit oxalic K3[Fe(CN)5], CuO ,Ag.O, PbO
- Hipoclorit Clorat, peclorat
- Nước cường toan, hỗn hợp của axit nitric dam đặc và axit flohidric đậm
đặc
Để xảy ra được phản ứng oxi hóa - khử cân phải biết có những nguyên tử, phân tử
hoặc 1on có khả năng cho hoặc thu nhận điện tử.[3 ]
Trang 12+ Chất oxi hoá có thể là đơn chất, mà nguyên tử trung hoà của nó nhận electron thành ion tích điện âm, có cấu trúc electron của khí trơ gần nhất Các nguyên tử trung hoà của những nguyên tố có ngoài cùng 7 (s”p?; 6(s”p”); 52p”) và 4(s”p”) electron Chất oxi hoá mạnh nhất là halogen và oxi ở dạng nguyên tử
+ Chất khử điển hình là những nguyên tử có số electron ở lớp ngoài cùng chứa
từ một đến ba electron Trong các chất khử này là kim loại, là các nguyên tổ s, d, £
® Các oxiaxit và các muối của chúng có thể là chất oxi hoá có thê là chất khử
+ Chất oxi hoá là các oxiaxit có số oxi hoá cao nhất và các muối của chúng Trong thành phần của chất oxi hoá thường có các nguyên tử của nguyên tô ở mức oxi
hoá cao
Ví dụ : KMnO,, K, Cro O,
+ Chất khử là các oxi axit có số oxi hoá thấp và các muối của chúng Các phân tử của các chất khử này chứa một hoặc một số nguyên tử của nguyên tô ở một trong số các trạng thái oxi hoá thấp của nó Khi tương tác với các chất oxi hoá các nguyên tử này nhường electron, tạo thành hợp chất ứng với trạng thái số oxi hoá dương (có thể số oxi hoá dương cực đại ) của nguyên tố này
+4 0 +6 -1
Vidu: H,S0,+Bro+H,0 — H,SO,+ 2H Br
e Jon kim loai tích điện dương có thể là chất oxi hoá, có thể là chất khử
+ Chất oxi hoá là các ion kim loại tích điện dương ở số oxi hoá cao nhất Các ion kim loại tích điện dương đều thê hiện ở mức độ nào đó tính oxi hoá Trong số chúng, chất oxi hoá mạnh hơn là các ion tích điện dương ở số oxi hoá cao
Ví dụ : Fe**, Cu”', Hg””
+ Chất khử là các ion dương kim loại có số oxi hoá thấp, nếu chúng còn có
thể có những trạng thái với số oxi hoá cao hơn
Vi du : Fe** — Fe** + le Cu" —› Cu” + le
Trang 13Các phi kim, nếu là chất oxi hoá yếu, khi ở trạng thái ion âm nó là chất khử
mạnh Khả năng khử của các ion tích điện âm có điện tích như nhau tăng lên theo sự tăng bán kính nguyên tử
Ví dụ : Trong nhóm halogen, lon F có khả năng khử lớn hơn so với ion Br va CI còn F thể hiện tính khử rất yếu
e Trường hợp một chất vừa có tính oxi hoá, vừa có tính khử
Khi một nguyên tô có trong một hợp chất hoặc đơn chất có số oxi hoá trung gian thì có cả hai tính chất vừa có tính oxi hoá vừa có tính khử -1 +3 —5 +5 Ví dụ: 3KNO,+ HCIO, = 3KNO,+HCI (Chất khử) +3 -l 0 +2 3K NO,+ 2K I+2H,SO, > I.+2N 0+2K,SO,+2H,O (Chất oxi hoá) Trong một số chất, chất oxi hoá và chất khử trong nội phân tử +1 +5 -2 —1 Ví dụ: 2KC1O: —>2K Cl+30> ° Trong m6t sé chat, chat oxi hod va chat kh cdn phu thudc vào môi trường tiến hành phản ứng
Điều kiện để phản ứng oxi hóa - khử có thê xảy ra: [8]
- Điều kiện cần : Phản ứng oxi hóa khử xảy ra theo chiều: chất oxi hóa mạnh sẽ oxi
hóa chất khử mạnh nhất, sinh ra chất oxi hóa yếu hơn và chất khử yếu hơn
Dựa vào dãy điện hóa của kim loại để biết qui luật biến thiên tính oxi hóa của ion
kim loại và tính khử của nguyên tử kim loại
- Điêu kiện khác : Ngoài điều kiện cần, phản ứng oxi hóa — khử xảy ra được còn
phụ thuộc vào các yếu tố: môi trường, xúc tác, nhiệt độ thực hiện phản ứng
+ Ảnh hưởng của môi trường:
Phản ứng oxi hóa — khử có thể xảy ra trong những môi trường khác nhau: trong môi trường axit (dư ion H”), trung tính (HạO) và kiém (OH) Tuy theo mdi
trường, đặc điểm diễn biến phan ứng giữa cá chất cho trước có thê thay đôổi.Môi
Trang 14MnO, 1am cho dung dich có màu đỏ thẫm, trong môi trường axit nó bị khử đến
Mn””, trong môi trường trung tính bị khử đến MnO;, trong môi trường kiềm bị khử
đến MnO,Z
Ví dụ : Trong môi trường axIt:
5Na,SO3 +2KMnO, + 3H2,SO,4 — 5NaSO¿ + 2MnSO¿a + 3H;O + K;SO¿ Trong môi trường trung tính hoặc bazơ yếu:
3Na;SO; +2KMnO, + HạO —› 2MnQ; Ỷ + 3Na;SOx + 2KOH + Ảnh hưởng của xúc tác đến sản phẩm phản ứng:
4NH; +30, —2N, + 6H,O 4NH; +50, —“> 4NO + 6H,O
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ : nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến sản phẩm phản ứng Chẳng hạn, khi đốt khí H;S trong điều kiện dư oxi và ở nhiệt độ cao thì sản phẩm thu được là SO; và trong trường hợp này oxi không khí đã oxi hoá lưu huỳnh trong hợp
chất H;S từ S7 tăng lên S'“ còn khi đốt H;S trong điều kiện thiếu oxi và ở nhiệt độ
không cao thì sản phẩm thu được là lưu huỳnh và trong trường hợp này oxi không khí đã oxi hoá lưu huỳnh trong hợp chất H;S từ 5 tang lén S” tocao PTHH : 2H;S + 304 du) —— 2 SO, + 2H,O tothap 2H2S + 30 tnig&sy ——— 2S + 2H,O 1.2.1.3 Sw khw, sw oxi héa
- Sự khử (quá trình khử) một chất là làm cho chất đó nhường electron hay làm tăng số oxi hóa của chất đó
- Sự oxi hóa (quá trình oxi hóa) một chất là làm cho chất đó nhận electron hay làm giảm số oxi hóa của chất đó
1.2.1.4 Cặp oxi hóa - khử [14]
Ở quá trình khử, chất oxi hóa bị khử chuyển thành chất khử Ở quá trình oxi hóa,
Trang 15Vídụ: Zn+ Cu” > Zn” + Cu Có thê viết thành hai nửa phản ứng: Zn Zn” + 2e kị5ox¡ +ne (1) Cu* + 2e S Cu ox, + ne S ky (2)
Zn+ Cu” §& Zn*+ Cu K, +ox, §& ox; +k,
Trong nửa phản ứng (1), Zn nhường e, giữ vai trd chat khir (k,), Zn”* c6 kha nang nhận e (trong phản ứng nghịch) giữ vai trò tác nhân oxi hóa (ox¡) Ta có cặp oxI hóa - khử : ox;/k;(Zn”'/Zn) Một cách tương tự, trong nửa phản ứng (2) ta có cặp oxi hóa - khử: oxz/k; (Cu*/Cu)
Như vậy, trong một phản ứng oxi hóa - khử có sự trao đổi e giữa tác nhân
k;(Zn) của cặp oxi hóa khử và tác nhân oxi hóa oXxa (Cu) của một cặp oxi hóa - khử
khác
1.2.1.5 Phản ứng oxi hóa - khử
- Định nghĩa: Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học trong đó trong đó có sự chuyển electron giữa các chất phản ứng
Hay còn có cách định nghĩa khác: Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tô
1.2.2 Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa - khử
1.2.2.1 Phương pháp đại số [22]
- Nguyên tắc: Số nguyên tử của mỗi nguyên tô ở hai về phải bằng nhau - Các bước cân bằng :
+ Đặt ấn số là các hệ số hợp thức Dùng định luật bảo toàn khối lượng để cân bằng nguyên tố và lập phương trình đại số
+ Chọn nghiệm tùy ý cho 1 ấn, rồi dùng hệ phương trình đại số để suy ra các ân số còn lại
Vidu: KMnO, + HCl — MnCl,+ Cl, +KCl + H,O
aKMnO, + bHCI] — cMnCl, +dCl, + eKCl +fH,O
K: a=e (1)
Trang 16O: 4a=f (3) H: b =2f (4) Cl: b=2c+2d+e (5) (Có hệ 5 phương trình, 6 ẩn số) Chon e=1 => (1) a=l (2) c=1 (3) f=4 (4) b=8 (5) d=5/2 Nhân các nghiệm số với 2, ta được : 2KMnO¿ + 16HCl— 2MnCl, + 5Cl, + 2KCl + 8H,O
Nhân xét: Phương pháp này cho phép áp dụng với mọi phương trình từ đơn giản đến phức tạp Tuy nhiên, khi cân bằng phương trình phản ứng theo phương pháp này
sẽ mất rất nhiều thời gian vì phải giải cả một hệ nhiều phương trình toán học, nhiều khi rất phức tạp, đòi hỏi ở HS nhiều kĩ năng toán học, tính chất toán học lẫn át tính
chất hoá học hơn, làm lu mờ bản chất hoá học Phương pháp này không giúp học sinh
hiểu rõ bản chất của phản ứng oxi hoá - khử là sự nhường và nhận electron, téng
electron cho bang tong electron nhận HS không xác định được số oxi hóa Đề tiết
kiệm thời gian ta nên sử dụng phương pháp cân bằng điện tử (thăng bằng electron)
1.2.2.2 Phương pháp cân bằng electron [3]
Trong chương trình hoá học THPT thì phương pháp cân bằng electron là phương pháp cơ bản, phô biến và được áp dụng để cân bằng phương trình phản ứng oxi hoá —- khử vì phương pháp cân bằng electron chỉ rõ bản chất của phản ứng oxi hoá — khử là sự nhường và nhận electron, tổng electron cho bằng tổng electron nhận, giúp học sinh có thể cân bằng nhanh, đơn giản, chính xác các phương trình phản ứng oxi hóa - khử từ đơn gián đến phức tạp
- Nguyên tắc: dựa vào sự bảo toàn electron nghĩa là tổng số electron của chất khử cho phải bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận
Trang 17Bước l1 : Viết sơ đồ phản ứng với các nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa Bước 2 : Viết các quả trình: khử (cho electron), oxi hóa (nhận electron) Bước 3: Cân bằng electron: nhân hệ số để:
Tổng số electron cho = tổng số electron nhận (tổng số oxi hóa giảm = tổng số oxi hóa tăng)
Bước 4: Cân bằng nguyên tô không thay đổi số oxi hoá (thường theo thứ tự):
- Kim loại (on dương) ; gốc axit (ion am)
- Môi trường (axit, bazơ) ; nước (cân bằng H;O để cân bằng hiđro) Bước 5: Kiểm soát số nguyên tử oxi ở 2 về (phải bằng nhau)
- Lưu ý: Khi viết các quá trình oxi hoá và quá trình khử của từng nguyên tố, cần theo đúng chỉ số qui định của nguyên tổ đó
Ví dụ: Fe + H,SO, dic néng — Fe,(SOxz)3 + SO;Ÿ +H;O
Bước!: Fe+H,SO, — Fe:(SO,), +50, T+H,0
Bước 2,3 1x| 2Fe’ > 2Fe** + 6e
3x| S*®+2e>58”
Bước 4,5 2Fe + 6H;SO, —› Fez(SO,)s + 3SO;Ÿ+ 6HạO
Tuy nhiên, có một số phương trình mà ta không thể cân bằng theo phương pháp thăng bằng electron được Nhiều phản ứng thì cần thêm điều kiện hoặc môi trường thì phản ứng mới xảy ra Một phương pháp được đưa ra, nó đáp ứng đây đủ các yêu cầu trên, chính xác hơn đó là phương pháp cân bằng ion — electron
1.2.2.3 Phương pháp cân bằng ion — electron [3]
Trang 18Bước 1: Tách ion, xác định các nguyên tô có số oxi hóa thay đổi và viết các nửa phản ứng oxi hóa — khử
Bước 2: Cân bằng các bán phản ứng: Cân bằng số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai về Thêm H” hay OH
Thêm H;O để cân bằng số nguyên tử hiđro
Kiểm soát số nguyên tử oxi ở 2 về (phải bằng nhau)
Cân bằng điện tích: thêm electron vào mỗi nửa phản ứng để cân bằng điện tích Bước 3: Cân bằng electron: nhân hệ số để:
Tổng số electron cho = tổng số electron nhận (tổng số oxi hóa giảm = tông số oxi hóa tăng)
Bước 4: Cộng các nửa phản ứng ta có phương trình ion thu gon
Bước 5: Để chuyên phương trình dạng ion thu gọn thành phương trình ion đầy đủ và phương trình phân tử cần cộng vào 2 về những lượng bằng nhau các cation hoặc
anion đề bù trừ điện tích
Ví dụ : Cân bằng phương trình phản ứng: Cu + HNO; — Cu(NO;).+ NO T + H,O
Bước 1: Cu +H +NO; — Cu” +NOx + NOỸ + HạO Cu” —› Cu”? NO; — NO Bước 2 : Cân bằng nguyên tố: Cu — Cu?” NO; +4H” — NO + 2H;O Cân bằng điện tích Cu — Cu”” +2e
NO; +4H” +3e NO +2H;O Bước 3: Cân bằng electron:
3x | Cu >Cu” +2e
2x NO; + 4H* +3e— NO+2H,O
Trang 19Buéc5: 3Cu+8HNO,;— 3Cu(NO;), + 2NOT + 4H,O
Nhân xét: Phương pháp cân bang ion — điện tử (ion — electron) cũng giống như
phương pháp cân bằng electron, nhưng khác là viết các chất oxi hóa và chất khử dưới
dạng ion, thể hiện đúng sự tồn tại của chúng trong dung dịch
Sự khác nhau giữa phương pháp cân bằng e và phương pháp ion — electron:
- Phương pháp nửa phản ứng chia phương trình phản ứng oxi hóa — khử thành hai nửa phản ứng
- _ Cân bằng khối lượng và cân bằng điện tích đối với mỗi nửa phản ứng - _ Phương pháp nửa phản ứng không dùng khái niệm số oxi hóa
Phương pháp này cũng không chỉ rõ bản chất của phản ứng oxi hoá — khử là sự nhường và nhận electron, tổng electron cho bằng tổng electron nhận Do vậy trong chương trình phổ thông, HS chỉ sử dụng phương pháp này đối với các phản ứng xảy ra trong dung dịch, có sự tham gia của môi trường Đây được xem là nội dung khó đối với HS trung học phơ thơng
Ngồi ra còn có một số phương pháp cân bằng khác:
1.2.2.4 Phương pháp thăng bằng số oxi hóa.[1] Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sau:
Trong phản ứng oxi hóa — khử, tổng số oxi hóa tăng bằng tổng số oxi hóa giảm Các bước cân bằng phản ứng:
Bước 1 : Ghi số oxi hóa của những nguyên tố có số oxi hóa thay đổi Bước 2 : Ghi tổng số số oxi hóa tăng hay giảm
Bước 3: Tìm hệ số thích hợp sao cho tổng số oxi hóa tăng bằng tổng số oxi hóa giảm Bước 4 : Đặt hệ số của chất oxi hóa và chất khử vào sơ đồ phản ứng
Thử lại hai về của phương trình tổng điện tích đều bằng không Ví dụ: Cân bằng phản ứng oxi hóa - khử sau:
FeO; +CO —› Fe + CO;Ÿ
+3 -2 +2 0 +4
Trang 20+3e | = +3 —2 +2 0 4 Bước 2: Fer, 03+ CO > Fe+CO, | -2e -2e(3) +3 —2 +2 0 +4 Bước3: Ƒe;O:+CO > Fe+CO, +3e(2)
Buéc 4: Fe,0; +3CO >2Fe + 3CO,T
Thử lại hai về của phương trình đều có 2Fe, 3C,6O; tổng điện tích đều bằng không 1.2.2.5 Các dạng phản ứng oxi hóa - khử phức tạp [3]
1) Phản ứng oxi hoá - khử có hệ số bằng chữ
- Nguyên tắc : Cần xác định đúng sự tăng giảm số oxi hoá của các nguyên tố Vi du : Fe30, + HNO; — Fe(NO3)3 + N,Oy T+ H,O
(5x- 2y) x 3Fe!3° —› 3Fe'? + e
1 X xN? + (5x — 2y)e > xN*?"*
(5x-2y) Fe3;0, + (46x-18y)HNO; — (15x-6y)Fe(NO3)3 + N,O,T + (23x-9y)H;O
2) Phản ứng có chất hóa học là tổ hợp của nhiễu chất khử
- Nguyên tắc :
+ Cách 1 : Viết mọi phương trình biểu diễn sự thay đổi số oxi hoá, chú ý sự ràng buộc hệ số ở hai về của phản ứng và ràng buộc hệ số trong cùng phân tử
+ Cách 2 : Nếu một phân tử có nhiều nguyên tố thay đổi số oxi hoá có thê xét
Trang 213) Phản ứng có nguyên tổ tăng hay giảm số oxi hoá ở nhiêu nắc - Nguyên tắc :
+ Cách 1 : Viết mọi phương trình thay đổi số oxi hoá, đặt ân số cho từng nắc tăng, giám số oxi hoá
+ Cách 2 : Tách ra thành hai hay nhiều phương trình ứng với từng nắc số oxi hóa tăng hay giảm Ví dụ : Cân bằng phản ứng sau: AI + HNO¿ —› Al(NOa)z + NOŸ + N;OŸ + H;O 0 +3 Cach 1: (3x+8y) Al > Al+3e +5 +2 3x xN+3xe—>xN +5 +1 3x 2yN~+8§ye >2yN (3x+8y)Al +(12x+30y)HNO;3— (3x+8y)AI(NO¿)z+ 3xNO+ 3yN;O + (6x+15y)H;ạO Cách 2 : Tách thành 2 phương trình :
ax| Al+4HNO; — Al(NO;)3+ NO + 2H,O
bx} 8Al+30 HNO; — 8Al(NO3); +3N,0 + 15H,O
(at+8b)Al + (4a+30b)HNO; — (a+8b)AI(NO2); + aNO + 3bN;O + (2a+15b)HạO
4) Phản ứng không xác định rõ môi trưởng - 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, giai đoạn nào là khử
Vídụ: AI + H;O + NaOH —› NaAlO; + H; AI+ HO —› Al(OH)a + H; 0 +3 2x Al > Al+ 3e +1 0 3x 2H+2e—>H›
2AI + 6H;O —› 2AI(OH); + 3H; (1)
Trang 22Tổng hợp 2 phương trình trên:
2AI +2NaOH + 2H;¿O — 2NaAlO; + 3H;
1.2.3 Ý nghĩa và tầm quan trọng của phản ứng oxi hóa - khử
- Trong chương trình, phản ứng oxi hoá - khử được xem là loại phản ứng rất quan trọng, nó xuất hiện xuyên suốt trong chương trình THPT, khi dạy tính chất hoá học của các đơn chất, hợp chất vô cơ và hữu cơ thường đề cập đến phản ứng oxi hoá — khử và các khái niệm liên quan đến phản ứng oxi hoá — khử : chất khử, chất oxi hoá, số oxi hoá, quá trình khử, quá trình oxi hoá hay cân bằng phương trình phản ứng oxi hoá - khử Vì vậy, GV cần giúp cho HS năm vững các kiến thức về phản ứng oxi hoá - khử để các em học tốt hơn các phân kiến thức về chất và hợp chất ở các lớp trên
- Trong đời sống :
e Phản ứng oxi hóa - khử là một trong những quá trình quan trọng nhất
của thiên nhiên Sự hô hấp, quá trình thực vật hấp thu khí cacbonic giải phóng oxi,
sự trao đổi chất và hàng loạt quá trình sinh học khác đều có cơ sở là phản ứng oxi húa kh
đâ _ Sự đốt cháy nhiên liệu trong các động cơ, các quá trình điện phân, các
phản ứng xảy ra trong pin và trong ăcquy đều bao gồm sự oxi hóa và sự khử Hàng
loạt quá trình sản xuất như luyện kim, chế tạo hóa chất, chất dẻo, dược phẩm, phân
bón hóa học đều không thực hiện được nếu thiếu các phản ứng oxi hóa — khử - Trong sản xuất:
Trang 23CHUONG 2
PHAN UNG OXI HOA -KHU TRONG CHUONG TRINH
HOA HOC PHO THONG
2.1 Phản ứng oxi hóa - khử trong chương trình hoá học phố thông 2.1.1 Phản ứng oxi hóa - khử trong chương trình trung học cơ sở
2.1.1.1 Sự xuất hiện phần ứng oxi hóa - khử trong chương trình trung
học cơ sở [21]
Trong chương trình hoá học ở cấp trung học cơ sở, đầu tiên HS được làm
quen với các khái niệm, các thuật ngữ hoá học như các khái niệm về: nguyên tử, phân
tử, số mol, đơn chất và hợp chất Sau đó, HS được học về các loại phản ứng hoá
học: phản ứng hoá hợp, phản ứng phân huỷ, phản ứng thế, phản ứng trao đổi, từng
loại phản ứng chỉ nêu lên được một vài đặc điểm thuộc loại phản ứng đó và chưa nói
lên được những đặc điểm chung, mang tính khái quát từ những loại phản ứng đó Trên cơ sở đó, phản ứng oxi hoá — khử được nghiên cứu và đề cập trong chương trình Phản ứng thế, một số phản ứng hoá hợp và một số phản ứng phân huỷ thuộc loại phản ứng oxi hoá — khử Ngoài ra cũng có một số phản ứng trao đổi, một số phản ứng phân huỷ không thuộc loại phản ứng oxi hoá — khử
Phản ứng oxi hóa — khử đã được tìm hiểu trong chương trình hóa học trung học
cơ sở ở chương Š - Hidro — Nước, bài 32 Phản ứng oxi hóa - khử, SGK Hóa học 8
HS đã làm quen với phản ứng oxi hóa — khử theo quan niệm hẹp, dựa trên các phản ứng cụ thê, không chỉ ra bản chất của phản ứng
2.1.1.2 Các khái niệm
- Sự khử : Trong phản ứng hóa học giữa khí Hạ và CuO ở nhiệt độ cao : CuO +H, —25 Cu +H,0 (1) —-› khí H; đã chiếm oxi trong CuO Trong quá trình (1) đã xảy ra quá trình tách nguyên tử oxi khỏi hợp chat CuO, ta nói đã xảy ra sự khử CuO tạo ra Cu
Ở các nhiệt độ cao khác nhau, khí H; có thể chiếm được nguyên tố oxi của một
số oxit kim loại khác, như sắtII) oxit Fe,O3, chi(II) oxit PbO Người ta nói rằng :
Trang 24Như vậy : Sự tách oxi khỏi hợp chất gọi là sự khử
- Sự oxi hóa : Sự tác dụng của oxi với một chất là sự oxi hóa, trong phản ứng (1) trên đã xảy ra quá trình kết hợp của nguyên tử oxi trong CuO với Hạ, ta nói đã xảy ra
sự oxi hóa H; tạo thành HO
- Chất khử và chất oxi hóa:
©_ Chất chiếm oxi của chất khác là chất khử e© _ Chất nhường oxi cho chất khác là chất oxi hóa
Ví dụ: Trong phản ứng (1) H; là chất khử vì là chất chiếm oxi, CuO là chất oxi
hóa vì là chất nhường oxi
- Định nghĩa phản ứng oxi hóa — khử:
Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học trong đó xảy ra đồng thời sự oxi hóa và sự khử
2.1.1.3 Phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa - khử trong chương trình hoá học THCS
1) Phương pháp cân bằng theo trình tự kim loại — phi kim
Phương pháp này được dùng phô biến ở cấp trung học cở sở, dùng cho học sinh lớp 8 và 9, khi các em vừa hình thành khái niệm về hoá học và phương trình phản ứng hoá học
Theo phương pháp này, ta cân bằng các nguyên tô từ phải qua trái (tức là đếm bên phải có bao nhiêu rồi mới cân bằng bên trái) theo trình tự : cân bằng số nguyên tử
kim loại và phi kim, rồi đến hidro và cuối cùng sau khi đã đưa các hệ số rồi cân bằng
OXI,
Vídụl: H;SOuaa;;+ Al—> Ala(SO¿)s + Hạ
Ở phản ứng trên có có AI là kim loại nên cân bằng trước, phải thêm 2 AI vào trước AI vì sản phẩm tạo thành có 2 nguyên tử AI
H;SO + 2AI — Alz(SO¿)s + H;Ÿ
Đến cân bằng S, ta thấy về phải có 3 gốc SO„7 nên thêm 3 vào trước H,SO, 3H,SO, + 2Al — Alz(SO,)s + H;Ÿ
Trang 253H,SO, + 2Al — Al,(SO,)3 + 3H2T Nhận thấy 2 về của phương trình đã cân bằng
Vidu2: C;H; + O; —> CO; + HạO
Tương tự, ta thấy ở đây không có kim loại nên cân bằng phi kim trước
Bên phải có 1 C con bên trái có 3C do đó thêm 3 trước CO; : CạH; + O; —> 3CO; + HạO
Tiếp đến cân bằng hidro, bên phải có 2 H còn bên trái có 8H, thêm 4 và trước H;O
và cuối cùng đếm oxi được bên phải có 10 O , nên thêm 5 trước O;, ta được phương trình hoàn chỉnh như sau :
C3H, + 50, — 3CO, + 4H,O
Tuy nhiên, đối với một số phương trình phức tạp hơn thì ta không thể đếm và cân
bằng như phương pháp này được, chẳng hạn như phương trình sau : SO, + HS — S + H,O
Do đó ta cần phải cân bằng phương trình phản ứng theo một cách khác 2) Phương pháp nguyên tử, nguyên tổ
Đây là một phương pháp đơn gián Khi cân bằng ta cô ý viết công thức của các đơn chất khí (N; , O;, Hạ, ) dưới dạng nguyên tử riêng biệt rồi lập luận qua một số bước sau :
Vidu: Nz, + O, > N,O; => Taviét:N +O —N,Os
Để tạo thành một phân tử NạOs cần 2 nguyên tử N và 5 nguyên tử O, tức là : 2N + 5O — NO;
Nhưng phân tử nitơ và oxi bao giờ cũng gồm 2 nguyên tử, đối với nitơ thì thoả
mãn do nitơ tồn tại dạng N;, còn nếu lấy 5 phân tử O; tức là số nguyên tử oxi tăng gấp 2 thí số phân tử N; và phân tử N;Os cũng tăng gấp đôi
2N; + 5O; — 2N;O;
Trang 262.1.1.4 Đặc điểm của phần ứng : [15]
- Ở cấp Trung học cơ sở ta thừa nhận định nghĩa sự oxi hóa, sự khử cũng như chất
oxi hóa, chất khử găn với sự nhường hoặc nhận oxi Ta có thể định nghĩa sự oxi hóa, sự khử, chất oxi hóa, chất khử gắn với sự nhường hoặc nhận hidro
Ví dụ: Ở phản ứng (1) giữa CuO và H;, do có sự kết hợp với Hạ, ta nói có sự
khử Ở phản ứng Clạ + H; —› 2HCI cũng có sự khử clo vì có sự kết hợp với Hạ Vì
vậy có thể mở rộng là:
- Chất chiếm oxi của chất khác hoặc là chất nhường hidro cho chất khác là chất khử
- Chất nhường oxi cho chất khác hoặc chất kết hợp với hidro là chất oxi hóa
- Hạn chế :
+ Theo cách định nghĩa phản ứng oxi hoá - khử ở cấp trung học cơ sở là gắn với sự nhường và nhận oxi vì vậy không giải thích được một số phản ứng không có sự có mặt của oxi tham gia nhưng nó vẫn mang bản chất của phản ứng oxi hoá - khử
+ Chưa mang tính khái quát, nó dựa trên các phản ứng cụ thể, đơn giản, chưa chỉ được bản chất phản ứng oxi hoá —- khử vì vậy mà HS khó xác định được đâu là phản ứng oxi hoá — khử
2.1.2 Phản ứng oxi hóa —- khử trong chương trình trung học phố thông
2.1.2.1 Sự xuất hiện phản ứng oxi hóa - khử trong chương trình trung hoc phố thông
Trong chương trình hoá học THPT, phản ứng oxi hoá - khử được phát triển và hoàn thiện hơn Lúc này nội dung phản ứng oxi hoá - khử được mở rộng mang tính khái quát, thể hiện được bản chất phản ứng đó là sự nhường và nhận electron
Phản ứng oxi hóa — khử trong chương trình THPT được tìm hiểu trong chương 4 -
Phản ứng hóa học - Bài 25 Phản ứng oxi hoá - khử, SGK Hoá học 10 - Nâng cao Ở
Trang 272.1.2.2 Cac khai niém [17]
- Chất khử : là những chất nhường electron, là chất có số oxi hóa tăng sau phản
ứng Chất khử còn được gọi là chất bị oxi hóa
- Chất oxi hóa : Là chất nhận electron hay chất có số oxi hóa giảm sau phản ứng Chất oxi hóa còn được gọi chất bị khử
- Sự khử (quá trình khử) một chất là làm cho chất đó nhường electron hay làm tăng số oxi hóa của chất đó
- Sự oxI hóa (quá trình oxi hóa) một chất là làm cho chất đó nhận electron hay
làm giảm số oxi hóa của chất đó
- Dịnh nghĩa phản ứng oxi hóa — khử
Phản ứng oxi hóa- khử là phản ứng hóa học trong đó trong đó có sự chuyển electron giữa các chất phản ứng; hay phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tó
2.1.2.3 Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa - khử
Đề lập phương trình phản ứng oxi hóa — khử, ta cần biết công thức hóa học của
các chất tham gia và tạo thành Việc chọn hệ số thích hợp đặt trước công thức các
chất trong phương trình hóa học có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau
, trong chương trình, HS chủ yếu được học theo phương pháp cân bằng electron và phương pháp cân bằng ion - electron Tuy nhiên khi lập phương trình phản ứng cần
tuân theo một trật tự nhất định
1 Tìm chất oxi hóa và chất khử trong các chất đầu 2 Viết các sản phẩm phản ứng
3 Chọn các hệ số thích hợp
Trang 282.1.2.4 Đặc điểm của phản ứng oxi hóa - khử: [21]
Ở cấp Trung học phô thông đưa ra định nghĩa mở rộng: Sự oxi hóa và sự khử găn
VỚI SỰ chuyền dịch electron
Ví dụ : Trong phản ứng của Na và O; đã có sự chuyên dịch electron từ nguyên tử Na sang nguyên từ Ó;, vì vậy có sự oxi hóa Na thành Na;O (sự nhường electron), Na là chất khử (nguyên tử nhường electron), O; là chất oxi hóa (nguyên tử nhận
electron)
Sự nhường e(sự oxi hóa)
| Vv 0 0 +1 -—2
4Na +Q, — 2Na, 5; 4Na+021742Na.0
Sự nhận e(sự khử) Chất khử Chất oxi hóa
Có những phản ứng hóa học tuy không có oxi tham gia nhưng có sự chuyển dịch electron nên cũng được gọi là phản ứng oxi hóa — khử
Ví dụ: Trong phản ứng giữa natri và clo, đã có sự chuyển dịch electron từ nguyên tử natri đến nguyên tử clo, vì vậy natri được gọi là chất khử, clo được gọi chất oxi hóa Sự nhường e (sự oxi hóa) | Ỷ 0 Ẳ +1 -1 2Na + Cl — # 2NaCl ; 2Na+Cl, 7 2NaCl L_——_—† Chất khử Chất oxi hóa Sự nhận e (Sự khử)
Do đó, phản ứng oxi hóa — khử còn được định nghĩa là phản ứng hóa học trong đó có sự chuyển dịch electron giữa các chất phản ứng
- Nhận xét :
e _ Phản ứng oxi hoá - khử trong chương trình hoá học THPT đã được phát triển
Trang 29° Giúp HS dễ dàng nhận biết được đâu là phản ứng oxi hoá —- khử dựa vào việc xác định số oxi hoá của chất tham gia và sản phẩm tạo thành một cách nhanh chóng, chính xác Việc cân bằng các phản ứng oxi hoá — khử phức tạp trở nên đơn giản hơn 2.2 Phản ứng oxi hóa- khử
2.2.1 Nội dung phản ứng oxi hóa - khử trong hóa học vô cơ 2.2.1.1 Một số chất oxi hóa khử quan trọng
- Chất khử : kim loại, hydro, hợp chất ứng với số oxi hóa thấp của nguyên tố phi kim, các phi kim yếu, các cation của phi kim, cation kim loại hóa trị thấp của
kim loại có nhiều trạng thái hóa trị
- Chất oxi hóa : các phi kim, các cation kim loại, hợp chất ứng với số oxi
hóa cao của nguyên tố có nhiều hóa trị, các axít có nhiều hóa trị, các axit oxi hóa đặc
- Ngoài ra còn có những chất vừa có tính khử vừa có tính oxi hóa: các hợp chất của lưu huỳnh, cacbon có số oxi hoá trung gian
2.2.1.2 Phân loại phản ứng oxi hóa - khử ]) Loại phản ứng oxi hóa - khứ đơn giản
Là loại phản ứng oxi hóa - khử mà trong phản ứng chỉ có một chất đóng vai trò là chất khử và một chất đóng vai trò là chất oxi hóa
Ví dụ : a) Kim loại tác dụng với axit Zn + H,SO, > ZnSO, + HoT
b) Kim loại tac dung voi phi kim 2Mg +O; — 2MgO 2Na +Cl, > 2NaCl c) Kim loại tác dụng với oxIt aXIt 2Mg + CO; —› 2MgO + C d) Oxit kim loại tác dụng phi kim CuO + H, — Cu +H,O
Fe30,+ 4H, > 3Fe + 4H,O e) Oxit kim loại tác dụng với oxit phi kim
Trang 302) Loai phan ung oxi héa - khu dac biét [22]
a) Phản ứng oxi hoá - khử nội phân tử
- Chất oxi hoá và chất khử là những nguyên tử khác nhau nằm trong cùng một phân tử Ví dụ: NH, NO, > No+2H,O 2K Cl Os 9 2K Cl+30> b) Phản ứng tự oxi hoá - tự khử - Chất oxi hoá và chất khử cùng là một loại nguyên tử trong hợp chất +1 + 0 -1
Vi du: Trong phan tng : Cl.+ 2NaOH — NaCl+ NaClO+H,O
Cl,” vira chat khir (Cl,’ + e > Cl") vừa là chất khử Cl¿° - e — CI””)
c) Phản ứng có nhiều nguyên tố thay đổi số oxi hoá Ví dụ: Cân bằng phản ứng sau theo phương pháp cân bằng e +5 +2 -1 2 +3 +3 +6 KNO,+FeS:——>KNO,+Fe:O0,+5SO, +5 +3 15 N+2e3N +2 -1 +3 +6
2 FeS2 —> Fe+2 S+]l5e
15KNO, + 2Fe,S — 15KNO, + Fe,O, + 4SO, T
d) Phản ứng oxi hố - khử có mơi trường tham gia
- _ Ở môi trường axit thường có ion H” tham gia tạo thành HO Ví dụ: 2MnO¿ +5SOz”“+6H' =2Mn”' + 5SO,“ +3H;O
- _ Ở môi trường kiềm thường có ion OH tham gia tạo thành HO
Ví dụ: 2KMnO¿ + Na;SO: +2KOH =2K;MnO¿ +Na;SO, +HạO
2MnO„ + SO;” +2OH =2MnO,Ÿ + SO¿7 + H;ạO
- _ Ở môi trường trung tính có thê có H;O tham gia
Trang 312.2.2 Noi dung phan ứng oxi hóa - khử trong hóa học hữu cơ
2.2.2.1 Đặc điểm hợp chất hữu cơ [18]
- Hợp chất hữu cơ là hợp chất của Cacbon (trừ CO, CO;, H;CO¿, và các muỗi
cacbonat kim loại )
- Hợp chất hữu cơ gồm hai loại chính : hidrocacbon và dẫn xuất hidrocacbon - Trong phân tử hợp chất hữu cơ, các nguyên tử liên kết với nhau theo đúng
hóa trị và theo một trật tự nhất định Thứ tự liên kết đó được gọi là cấu tạo hóa học
Sự thay đổi thứ tự liên kết đó, tức là thay đổi cầu tạo hóa học, sẽ tạo ra hợp chất khác Ví dụ : Công thức phân tử C;HạO có hai công thức câu tạo
CH; - O — CH; : Đimetyl ete, chất khí, không tác dụng với Na
CH; - CH;— OH : Ancol etylic, chất lỏng, tác dụng với Na giải phóng khí hidro - Trong phân tử hợp chất hữu cơ, Cacbon có hóa trị 4 Nguyên tử cacbon không những có thể liên kết với nguyên tử của các nguyên tố khác mà còn liên kết với nhau tạo thành mạch cacbon
Vi du : CH; - CH, - CH, - CH3 (mach khéng nhanh)
CH3-CH-CH;
CH3 ( Mạch có nhánh)
_> (Dạng mạch vòng)
Tính chất của các chất phụ thuộc vào thành phần phân tử ( bản chất, số lượng
các nguyên tử ) và câu tạo hóa học (thứ tự liên kết các nguyên tử)
Thí dụ : - Phụ thuộc thành phần nguyên tử: CH¿ là chất khí dễ cháy, CC1¿ là chất
lỏng không cháy, CH;CI là chất khí không có tác dụng gây mê, CHC1; là chất lỏng coa tác dụng gây mê
- Phụ thuộc cấu tạo hóa học: CHạCH;OH và CH;OCH; khác nhau cả tính chất
Trang 322.2.2.2 Cách xác định số oxi hoá của hợp chất hữu cơ [5]
- Trong hóa hữu cơ, những phản ứng có sự thay đôi số oxi hóa (soh) cũng được gọi là phản ứng oxi hóa — khử, cách tính số oxi hóa cho mỗi nguyên tử cũng tuân theo qui tắc như đối với các hợp chất vô cơ Nhưng vì phản ứng hữu cơ thường có liên quan đến một vài nguyên tử C trong phân tử nên để xác định sự oxi hóa và sự khử người ta thường làm như sau:
- Cộng hóa trị của C trong hợp chất hữu cơ đều bằng 4, nhưng soh của C còn tùy
thuộc nguyên tố liên kết với nó, nếu liên kết với nguyên tử phi kim (O, N, CI ) thì
số oxi hóa của C là dương (+), còn nếu liên kết với nguyên tử có kim loại (Mg, Cu ) thì số oxi hóa của C sẽ là âm (- )
Cách xác định soh của C : có hai cách xác định
- Xác định theo công thức phân tử như trong hợp chất vô cơ, xác định được soh
trung bình của C hoặc > số oxi hóa của C
- Xác định soh của từng nguyên tử C, dựa vào công thức cấu tạo
Thí dụ : Trường hợp trong hợp chất hữu cơ có nhiều nguyên tử C [3] a) CH:- CH; - OH - Xác định soh trung bình của C theo công thức phân tử như trong hợp chất vô cơ x 41 -—2 C.H6O 2x+(+lx6)+(-2)=0—x=-2 - Xác định soh của C theo công thức cấu tao : -3 H-1 -2 ¬ —— L—z O<—H hộ h
Soh cia Cu.) = - 3 Soh của C,cn2.om) = - 1
3 soh cua C = - 4
Trang 33b) CH;COOH - Xác định soh trung bình của C theo công thức phân tử như trong hợp chất vô x +1 2 co: C2 H40, 2x + (+1x4)+(2x2)=05x=0 - Xác định soh của C theo công thức cẫu tạo : H | -3 +3 _O
Soh ctia Cicus-) =-3
Soh của Cụ COOH) = 3
3 soh của C=0
Soh của Œ =0
2.2.2.3 Các loại phản ứng oxi hóa - khử trong hóa học hữu cơ [12] - Phản ứng oxi hóa hoàn toàn
Đa số các hợp chất hữu cơ tham gia phản ứng oxi hóa hoàn toàn đều tạo thành sản phẩm là khí cacbonic và hơi nước, ngoài ra tùy theo thành phần các nguyên tử cầu tạo thành hợp chất hữu cơ mà sản phẩm có thê có thêm khí nitơ hay amoniăc
C,H,O,N, + (x+ rn 5) O; —> xCO; †+ 2 H,O + 5 Nat
- Phản ứng oxi hóa khơng hồn toàn
Trong chương trình hóa học lớp 11, học sinh đã làm quen với các loại phan tng
oxi hóa - khử các hợp chất hữu cơ ở chương 6 — Hidrocacbon không no và chương 8
-Dẫn xuất Halogen, Ancol — Phenol
Trang 3443CH; = CH; +2KMnO¿ + 4H;O —>3HO-CH; - CH;-OH +MnO; + 2KOH
Phản ứng này dùng để nhận biết sự có mặt của liên kết đơi anken
® Ankin phản ứng với kali penmanganat theo phản ứng :
3C,H + 8§KMnO¿ —> 3(COOK); +2KOH + 8ĐMnO; } +2H;O
đ Phản ứng oxi hóa biến đổi ancol thành andehit rồi thành axit :
Chất oxi hóa ancol bậc một thường dùng là KMnO¿, CrO¿ và Na;Cr;O; với H;SO¿
Oxi hóa ancol bậc một tạo thành andehit nhưng andehit dễ bị oxi hóa hơn ancol nên andehit sẽ bị oxi hóa tiếp tạo axit cacboxylic
RCH;OH —“>y RCHO —“>› RCOOH Muốn dừng ở andehit, cần dùng các biện pháp sau đây:
- _ Chưng cất andehit ra khỏi hỗn hợp
- _ Kiểm tra nghiêm ngặt nhiệt độ và thời gian phản ứng
® - Ancol bậc một bị oxI hóa thành andehit : Ancol bac một bị ox1 hóa nhẹ
thành andehit R—-CH;- OH +CuO ——› R- CH=O +Cu +HạO (andehit) e Ancol bac hai bi oxi hóa thành xeton : ancol bậc hai bị ox1 hóa nhẹ thành xeton R-CH-R’ + CuO > R-C-R’ +Cu+H,0O OH O (Xêton)
® Ancol etylic lên men giấm thành axit axetic : đây là phương pháp cô điển điều chế axit axetic, tức là oxi hóa rượu etylic bằng oxi không khí, có mặt men giẫm thành axit axetic :
CH;-CH,-OH +O, —“#, CH; - COOH + H,0
® Andehit bị oxi hóa thành axit cacboxylic: Xeton khó bi oxi hóa nhưng andehit rat dễ bị oxi hóa, nó làm mất màu dung dịch nước brom, dung dich kali Penmanganat va bi oxi hóa thành axit cacboxylic
Trang 35Andehit khử được Ag” ở phức chất [ Ag(NH;);]OH thành Ag kim loại : AgNO; + 3NH,+H,O -> [Ag(NH;);]OH (Phức chất tan) + NH¿NO;
R- CH =O + 2[ Ag(NH;).]OH — R-COONH, + 2Agl + 3NH;T +H,O
2.2.2.4 Cân bằng phản ứng oxi hóa —- khử trong Hóa hữu cơ
1) Phương pháp cân bằng phản ứng cháy của hợp chất hữu cơ :
a) Phản ứng cháy cua hidrocacbon : Cân bằng theo trình tự sau:
- Cân bằng số nguyên tử hiđro Lẫy số nguyên tử H của hiđrocacbon chia cho 2, nếu kết quả là số lẻ thì nhân đôi phân tử hiđrocacbon, nếu là số chẵn thì để nguyên
- Cân bằng số nguyên tử cacbon - Cân bằng số nguyên tử oxi
Vidu: C;H¿ + O; —› CO; + HO
Lẫy số nguyên tử H chia cho 2 được: 6/2 = 3 là số lẻ, nên cần nhân đôi : 2C¿H + 7O; > 4CO; + 6H;O
b) Phản ứng cháy của hợp chất chứa oxi
Cân bằng theo trình tự:
- Cân bằng số nguyên tử C - Cân bằng số nguyên tử H
- Cân bằng số nguyên tử O bằng cách tính số nguyên tử O ở về phải rồi trừ đi số
nguyên tử oxi có trong hợp chất Kết quả thu được đem chia đôi sẽ là hệ số của phân tử O; Nếu hệ số đó là phân số thì nhân đôi cả 2 về của phương trình để khử mẫu số
Ví dụ: 2C;HzCOOH+2.7/2O; —› 2.3CO; +2.3H;O 2C,H;COOH + 70, — 6CO; +6H;O
2) Đối với các phản ứng oxi hoá khử đơn giản như trên, thì chỉ cần cân bằng theo phương pháp bình thường nhưng với các phản ứng phức tạp hơn ta cần sử dụng phương pháp thăng bằng electron hoặc phương pháp thăng bằng ion — electron [3]
Vi dul: Can bang phản ứng hóa học sau bang phương pháp cân bằng elctron
a) C,H, + KMnO, + H,O — Axit oxalic + MnO; + KOH
Trang 36Tir hai cau a), b) Rút công thức cân bằng chung cho anken ?
Cc) CH: - CH¡; - OH + K;Cr;O+ + H;SOu— CH3CHO + Cro(SOx)3 + K,SO,+ HO -1 -1 47 +3 33 +4 HD: a) Cách I1: CHE=CH+KMnO,+H,O — HOT—C~C~ OH + MnO, + KOH oO 0O 1 +3 3x 2C—2C+(2.4e) +7 4 8x Mn+ 3e — Mn 3C,H> +8KMnO, + 4H;O —> 3H;ạC›Ox+ 8MnO, + 8KOH -1 +7 +3 +4 Cách2: C;H,+K MnO,+H,O — H,C:O,+MnO, + KOH -1 +3 3x 2C > 2C+(2.4e) +7 +4 8x Mn+3e — Mn 3C,H, +8K MnO, + 4H,0 — 3H,C,0,+ 8MnO, + 8KOH -1 —2 +7 0 -1 +4 b) CH,-CH =CH,+K MnO, +H,0 — CH, -C H(OH)-CH,(OH)+MnO, +KOH —l 0 C>C-¬rle -2e 2 Al C>C-¬rle -1 2 0 -1 3x C+C 5 C+C+2e +7 +4 3x Mn+ 3e Mn
3CHa-CH=CH; + 2KMnO, + 4H,O— 3CH3-CH(OH)-CH,(OH)+ 2MnO, + 2KOH
Trang 37Két qua chung :
3CH:-CH;-OH + K;Cr;O; + 4H;SOx —›> 3CHạCHO + Cr;(SO¿)s + K;Š5O¿+ HO
Ví dụ 2: Cân bằng phản ứng hóa học theo phương pháp cân bằng ion - electron
KMn0O, + H»C20,4 + H;SO¿ — CO, + MnSO, + K.SO, + H,O +7 +3 +4 +2 HD: KMnO,+H,C,O,+H,SO, —=CO,+ MnSO, + K,SO, +H,O 4 > 3 2- +4 Chât khử: C104 > CO, +2e +7 _ 42 Chất oxi hóa: MnO, +5e— Mn +7 +2 2X MnO, +5e+8H* > Mn+4H,O +3 44 5x C20,” >2CO,+2e
2MnO, +5C,O,” +16H” — 2 Mn+ 10CO, +8H,O
2KMnO, +5H,C,O, +3H,SO, > 2MnSO, +10CO, + K,SO,+8H,O Nhân xét ; Phản ứng oxi hóa - khử trong hóa vô cơ và hữu cơ đều có những điểm giống và khác nhau :
- Giống nhau: Phản ứng oxi hóa - khử trong hóa vô cơ và hữu cơ đều có sự thay đổi số oxi hóa giữa các chất tham gia phản ứng và sản phẩm tạo thành Cách xác định số oxi hóa đều theo cách tính số oxi hóa trung bình Có thể cân bằng theo phương pháp electron hoặc ion - electron tuy từng dạng phương trình
- Khác nhau: Trong hợp chất hữu cơ còn có thêm cách xác định số oxi hóa theo
gốc, nhóm chức Phản ứng oxi hóa - khử trong hóa hữu cơ chiếm số lượng ít và
không phổ biến chiếm vị trí không quan trọng và phô biến như trong hóa vô cơ 2.3 Vận dụng phản ứng oxi hóa - khử trong dạy hóa học phô thông
2.3.1 Sử dụng các khái niệm phản ứng oxi hóa - khử trong dạy tính chất hóa học của các chất
2.3.1.1 Từ các khái niệm về hóa trị, số oxi hóa, cầu hình của nguyên tử, độ
Trang 38Khi dạy chương 5Š - Nhóm Halogen và chương 6 — Nhóm Oxi, lop 10 - Nang cao, ta có thể vận dụng các khái niệm hóa trị, số oxi hóa, câu hình của nguyên tử, đặc điểm
liên két dé giải thích cho tính chất hóa học của chất đó
Ví dụi: Khi dạy bài Clo có thể dùng khái niệm số oxi hóa và xét cấu hình electron
để giải thích tại sao trong các hợp chất thì Flo có số oxi hóa -I mà Clo, Brom, lot
ngoài số oxi hóa -1 còn có số oxi hóa +1, +3, +5, +7 Kết luận tính chất hóa học cơ
bản của halogen và giải thích chiều biến đổi tính chất đó khi xét từ flo đến iot
_HD: Nguyên tử halogen có 7e ngoài cùng nên có khả năng nhận thêm le tạo số oxi hóa -1 Khả năng này là duy nhất đối với Flo vì nó có độ âm điện lớn nhất và không có phân lớp d Các nguyên tố còn lại do cấu hình có phân lớp d nên khi bị
kích thích sẽ tạo ra 1, 3, 5, 7 electron và số oxi hóa tương ứng là +1, +3, +5, +7
- Tính chất hóa học cơ bản của halogen là tính oxi hóa và giảm từ F đến I vì độ âm điện giảm dân, bán kính nguyên tử tăng dan
Nhận xét : Tác dụng của câu hỏi này là giải thích, củng cỗ và khắc sâu kiến thức tính chất hoá học của các nguyên tố nhóm halogen
Ví dụ 2: Khi dạy bài 41 - Oxi, GK10, Nâng cao GV có thê đặt câu hỏi:
Từ cấu hình của oxi, xác định số oxi hóa của oxi trong hợp chất 2 Giải thích vì sao oxi thể hiện tính oxi hóa mạnh
HD:
Nguyên tử oxi có cấu hình electron là : 1s’2s”2p*
Nếu biểu diễn cầu hình electron lớp ngoài cùng bằng ô lượng tử : Ầ Ầ ` ` , 2s” 2p” - Ta thây lớp ngoài cùng của oxi có 6 electron độc thân khuynh hướng dê nhận
thêm 2 electron nữa đê đạt cầu hình bên của khí hiêm Và một yêu tô quan trọng nữa là độ âm điện của oxi lớn 3,44 lớn thứ hai sau Flo Vì vậy, khi tham gia phản ứng hoá học, oxi dễ nhận thêm 2e và có sơ oxi hố là -2
Trang 39se Tác dụng với nhiều kim loại trừ (Au, Pt ) se Tác dụng được với phi kim (trừ halogen)
® Tác dụng được với nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ
Ví dụ 3: Khi dạy bài 45, Hợp chất có oxi của lưu huỳnh, SGK10, Nâng cao GV có
thể đặt HS vào tính huống có vấn đề sau: Trong hợp chất SO; và CO¿, lưu huỳnh và
cacbon đều có số oxi hoá là +4 nhưng tại sao 5O; vừa có tính khử vừa có tính oxi hoa trong khi đó CO; chỉ có tinh oxi hoa ?
_HD:
Để giải quyết câu hỏi này ta phải xét đến cầu hình electron của cacbon và lưu huỳnh đề xem lưu huỳnh và cacbon có những số oxi hoá nào
- Câu hình electron của cacbon ( Z= 6): 1ˆ22s72p” do đó cacbon có 4 số oxi hoá là
-4,-2, 0, +2, +4 Trong hợp chất CO;, cacbon có số oxi hoá +4 là số oxi hoá cao nhất
nên khi tham gia phản ứng nó chỉ có thể giảm số oxi hoá xuống +2, hoặc 0 bằng cách nhận thêm 2, hoặc 4 electron — CO, chi thé hién tinh oxi hoa
- Cấu hình electron của lưu huỳnh ( Z= 16 ): 1s”2s”2p”3s”3p?, lưu huỳnh có 4 số
oxi hoá là : -2, 0, +4, +6 Trong hợp chất SO¿, số oxi hoá của lưu huỳnh là +4 là số
oxi hoá trung gian, do đó nó có thể tăng số oxi hoá lên +6 bằng cách nhường 2 electron và lúc này SO; thể hiện tính khử, ngược lại nó cũng có thể giảm số oxi hoá xuống 0 hoặc -2 bằng cách nhận thêm 4 hoặc 6 elctron và lúc này SO; thê hiện tính oxi hoá —> SO; vừa thể hiện tính oxi hoá vừa thể hiện tính khử
Kết luân: Dựa vào cấu hình elctron, số oxi hoá .Ta có thể giải thích tính chất
hoá học của nhiều đơn chất và hợp chất, thể hiện sự hợp lý và logic, giúp HS hiểu rõ,
khắc sâu kiến thức bài học
2.3.1.2 Sử dụng các khái niệm của phản ứng oxi hóa - khử dự đoán tính chất
của đơn chất và hợp chất
Ví dụ 1; Khi dạy bài 40 - Khái quát về nhóm Oxi, SGK10, Nâng cao GV có thê
dat cau hỏi : Giải thích tai sao Oxi, lưu huỳnh, Selen và Telu ở cùng phân nhóm chính nhóm VI mà chỉ Oxi chỉ có hoá trị II, trong đó Lưu huỳnh, Selen và Telu có
Trang 40HD: Cấu hình electron lớp ngoài cùng của O và § ở trạng thái cơ bản :
e (Z=8) Nếu biểu diễn cấu hình lớp e ngoài cùng bằng ô lượng tử : al A 2s 2p* © S(Z=16) Nếu biểu diễn cấu hình lớp e ngồi cùng băng ơ lượng tử : yet 3s“ 3p 3d? 4
- Ở trạng thái này các nguyên tử O, § đều có hai electron độc thân do đó chúng có hoá trị II (Trong hợp chất oxi, lưu huỳnh có số oxi hóa -2) — Oxi, lưu huỳnh thể hiện
tính oxI hóa mạnh
- Ôxi lớp ngồi cùng khơng có phân lớp d, còn lưu huỳnh lớp ngoài cùng có phân lớp d trống, do mức năng lượng 3s, 3p, 3d là tương đương nhau nên khi bị kích thích các eletron có thể nhảy sang obitan d trống để tạo 4 electron độc thân hoặc 6 electron
độc thân, do đó lưu huỳnh có hoá trị IV hoặc hoá trị VI (có thêm các số oxi hóa là
+4,+6) > Lưu huỳnh còn thê hiện tính khử S* ; Còn Selen, Telu ở trạng thái cơ bản : Se:4s⁄4pd° ;Te: 5s25pˆ5d” Giải thích tương tự như lưu huỳnh
- Kiến thức cũ : cấu hình electron của nguyên tử, mức năng lượng của các electron trên các lớp, các phân lớp
- Kiến thức mới : nguyên nhân sự khác nhau về hoá trị của O véi S, Se va Te trong các hợp chất dẫn đến sự khác nhau về tính chất hóa học