2.2.1.1. Hệ thống lý thuyết cơ bản
1. Định nghĩa phản ứng oxi húa khử
electron giữa cỏc nguyờn tử, và phản ứng khụng cú sự trao đổi electron giữa cỏc nguyờn tử.
* Phản ứng oxi hoỏ – khử là phản ứng húa học trong đú cú sự trao đổi electron giữa cỏc nguyờn tử của cỏc chất tham gia pư. Hay phản ứng oxi húa khử là phản ứng trong đú cú sự thay đổi số oxi húa của một hoặc vài nguyờn tố. Trong đú nguyờn nhõn là cú sự chuyển dời hoàn toàn (hoặc một phần) electrron từ nguyờn tử của nguyờn tố này sang nguyờn tử của nguyờn tố kia.
+ Chất khử (kh1) là chất nhường e (hay chất tăng số oxi hoỏ, chất bị oxi hoỏ) chuyển thành dạng oxi hoỏ liờn hợp (ox1) (hay sản phẩm bị oxi hoỏ).
Sự nhường e (hay sự tăng số oxi hoỏ) gọi là sự oxi hoỏ
+ Chất oxi hoỏ (ox2) là chất nhận e (hay chất giảm số oxi hoỏ, chất bị khử) chuyển thành dạng khử liờn hợp (kh2) (hay sản phẩm bị khử).
Sự nhận e (hay sự giảm số oxi hoỏ) gọi là sự khử.
2. Thiết lập phương trỡnh húa học của phản ứng oxi húa khử Cỏc phương phỏp lập PTHH của PƯOK.
Phương phỏp 1: Phương phỏp đại số
Nguyờn tắc: Số nguyờn tử của mỗi nguyờn tố ở hai vế phải bằng nhau. Cỏc bước cõn bằng:
- Đặt ẩn số là cỏc hệ số hợp thức. Dựng định luật bảo toàn khối lượng để cõn bằng nguyờn tố và lập phương trỡnh đại số.
- Chọn nghiệm tựy ý cho 1 ẩn, rồi dựng hệ phương trỡnh đại số để suy ra cỏc ẩn số cũn lại. Vớ dụ: a FeS2 + b O2→ c Fe2O3 + d SO2 Ta cú: Fe : a = 2c S : 2a = d O : 2b = 3c + 2d Chọn c = 1 thỡ a=2, d=4, b = 11/2 Nhõn hai vế với 2 ta được phương trỡnh:
Phương phỏp 2: Phương phỏp thăng bằng electron
Nguyờn tắc: dựa vào sự bảo toàn electron nghĩa là tổng số electron của chất khử cho phải bằng tổng số electron chất oxi húa nhận.
Cỏc bước cõn bằng:
- Bước 1: Viết sơ đồ phản ứng với cỏc nguyờn tố cú sự thay đổi số oxi húa. - Bước 2: Viết cỏc quỏ trỡnh: khử (cho electron), oxi húa (nhận electron). - Bước 3: Cõn bằng electron: nhõn hệ số để:
Tổng số electron cho = tổng số electron nhận. (tổng số oxi húa giảm = tổng số oxi húa tăng).
- Bước 4: Cõn bằng nguyờn tố khụng thay đổi số oxi hoỏ (thường theo thứ tự: kim loại (ion dương), gốc axit (ion õm), mụi trường (axit, bazơ), nước (cõn bằng H2O để cõn bằng hiđro).
- Bước 5: Kiểm soỏt số nguyờn tử oxi ở 2 vế (phải bằng nhau).
Lưu ý: Khi viết cỏc quỏ trỡnh oxi hoỏ và quỏ trỡnh khử của từng nguyờn tố, cần theo đỳng chỉ số qui định của nguyờn tố đú.
Vớ dụ: Fe + H2SO4đặc núng → Fe2(SO4)3 + SO2 + H2O Fe0 → Fe+3 + 3e
1 x 2Fe0 → 2Fe+3 + 6e 3 x S+6 + 2e → S+4
2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H20 Phương phỏp 3: phương phỏp cõn bằng ion – electron:
Phạm vi ỏp dụng: đối với cỏc quỏ trỡnh xảy ra trong dung dịch, cú sự tham gia của mụi trường (H2O, dung dịch axit hoặc bazơ tham gia).
Cỏc nguyờn tắc:
- Nếu phản ứng cú axit tham gia: vế nào thừa O phải thờm H+ để tạo H2O và ngược lại. - Nếu phản ứng cú bazơ tham gia: vế nào thừa O phải thờm H2O để tạo ra OH- Cỏc bước tiến hành:
- Bước 1: Tỏch ion, xỏc định cỏc nguyờn tố cú số oxi húa thay đổi và viết cỏc nửa phản ứng oxi húa – khử.
- Bước 2: Cõn bằng cỏc bỏn phản ứng:
˗ Thờm H+ hay OH-
˗ Thờm H2O để cõn bằng số nguyờn tử hiđro
˗ Kiểm soỏt số nguyờn tử oxi ở 2 vế (phải bằng nhau).
Cõn bằng điện tớch: thờm electron vào mỗi nửa phản ứng để cõn bằng điện tớch - Bước 3: Cõn bằng electron: nhõn hệ số để:
Tổng số electron cho = tổng số electron nhận. (tổng số oxi húa giảm = tổng số oxi húa tăng).
- Bước 4: Cộng cỏc nửa phản ứng ta cú phương trỡnh ion thu gọn.
- Bước 5: Để chuyển phương trỡnh dạng ion thu gọn thành phương trỡnh ion đầy đủ và phương trỡnh phõn tử cần cộng vào 2 vế những lượng bằng nhau cỏc cation hoặc anion để bự trừ điện tớch.
Vớ dụ: Cõn bằng phương trỡnh húa học: Cu + HNO3 → Cu(NO3)2 + NO + H2O Bước 1: Cu + H+ + NO3- → Cu2+ + 2NO3- + NO + H2O Cu0 → Cu2+ NO3 - → NO Bước 2: Cõn bằng nguyờn tố: Cu → Cu2+ NO3 - + 4H+ → NO + 2H2O Cõn bằng điện tớch Cu → Cu2+ + 2e NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O Bước 3: Cõn bằng electron: 3 x Cu → Cu2+ + 2e 2 x NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O
Bước 4: 3Cu + 2NO3- + 8H+ → 3Cu2+ + 2NO + 4H2O Bước 5: 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO +4H2O
Nhận xột: Đõy là phương phỏp khoa học nhất để lập PTHH của PƯOK xảy ra trong dd chất điện li. Phương phỏp này phõn tớch rừ:
+ Chất oxi hoỏ - sự khử; chất khử - sự oxi hoỏ + Vai trũ của mụi trường trong PƯOK
+ Bản chất của phản ứng oxi húa – khử trong dung dịch chất điện li. 3. Dự đoỏn sản phẩm phản ứng oxi húa khử
Số oxi hoỏ là dấu hiệu đầu tiờn để biết phản ứng cú xảy ra theo hướng phản ứng oxi hoỏ - khử hay khụng; cũng như đỏnh giỏ vai trũ của một chất khi nú tham gia phản ứng phản ứng oxi hoỏ - khử.
Nếu số oxi hoỏ của nguyờn tố cao nhất thỡ chất đú chỉ cú thể đúng vai trũ là chất oxi hoỏ. Số oxi hoỏ dương cao nhất của nguyờn tố bằng số thứ tự của nhúm. Riờng với kim loại, nếu tồn tại ở dạng cation độc lập, thỡ số oxi hoỏ dương cao nhất là +3.
Nếu số oxi hoỏ của nguyờn tố là thấp nhất, chất chứa nguyờn tố đú chỉ cú thể đúng vai trũ chất khử. Số oxi hoỏ thấp nhất của nguyờn tố phi kim bằng (8 - số thứ tự của nhúm), số oxi hoỏ thấp nhất của kim loại bằng 0 (vỡ nguyờn tử kim loại khụng bao giờ nhận electron để trở thành ion õm được).
Số oxi hoỏ của nguyờn tố là trung gian thỡ chất chứa nguyờn tố đú cú thể thể hiện cả tớnh khử lẫn tớnh oxi hoỏ. Nếu gặp chất khử thỡ nú đúng vai trũ chất oxi hoỏ và ngược lại.
- Căn cứ vào chiều hướng của PƯOK.
Phản ứng oxi hoỏ - khử chỉ xảy ra theo chiều: chất oxi hoỏ mạnh tỏc dụng với chất khử mạnh tạo thành chất oxi hoỏ yếu hơn và chất khử yếu hơn.
Chất oxi hoỏ yếu Chất oxi hoỏ mạnh
Chất khử mạnh Chất khử yếu 4. Định luật bảo toàn electron
Nội dung: “Trong phản ứng oxi húa - khử thỡ tổng số mol electron do cỏc chất khử nhường bằng tổng số mol electron do cỏc chất oxi húa nhận”
Quy trỡnh ỏp dụng phương phỏp bảo toàn electron.
Bước 1: Xỏc định chất khử và chất oxi húa (dựa vào số oxi húa, nếu chất khử, chất oxi húa cú nhiều trạng thỏi oxi húa (vớ dụ như sắt) chỉ cần quan tõm trạng thỏi số oxi húa đầu và trạng thỏi số oxi húa cuối, thậm chớ khụng cần quan tõm đến việc cõn bằng cỏc phương trỡnh húa học.
Bước 2: Viết cỏc quỏ trỡnh nhường và nhận electron. (kốm theo số mol tương ứng của cỏc chất trong mỗi quỏ trỡnh.
Bước 3: Từ định luật bảo toàn electron suy ra phương trỡnh liờn hệ giữa số mol electron nhường và số mol electron nhận.
Lưu ý:
- Khi cần tỡm số mol (khối lượng) của một chất nào đú, cú thể ỏp dụng định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn nguyờn tố để hỗ trợ.
- Một hỗn hợp gồm nhiều kim loại cú húa trị khụng đổi và cú khối lượng cho trước sẽ phải nhường một số mol electron khụng đổi cho bất kỳ tỏc nhõn oxi húa nào. Và cỏc tỏc nhõn oxi húa hỗn hợp đú sẽ nhận lượng số mol electron bằng nhau.
2.2.1.2. Bài tập vận dụng
A. Bài tập trắc nghiệm khỏch quan Bài 1 (A-07): Cho cỏc phản ứng sau:
a) FeO + HNO3đặc núng → b) FeS + H2SO4đặc núng → c) Al2O3 + HNO3đặc núng → d) Cu + dung dịch FeCl3 → e) CH3CHO + H2 (Ni, t0) → f) glucozơ + AgNO3 trong NH3 → g) C2H4 + Br2 → h) glixerol + Cu(OH)2 →
Dóy gồm cỏc phản ứng đều thuộc loại phản ứng oxi hoỏ - khử là A. a, b, c, d, e, h. B. a, b, c, d, e, f, g. C. a, b, c, d, e, f, h. D. a, b, c, d, e, g.
Bài 2: Trong phản ứng trỏng gương của HCHO thỡ mỗi phõn tử HCHO sẽ
A. nhường 2e . B. nhận 2e. C. nhận 4e. D. nhường 4e. Bài 3: Số mol electron dựng để khử 1,5 mol Al3+ thành Al là
A. 0,5. B. 1,5. C. 3,0. D. 4,5.
Bài 4(A-07): Cho từng chất: Fe, FeO, Fe(OH)2, Fe3O4, Fe2O3, Fe(NO3)3, Fe(NO3)2, FeSO4, Fe2(SO4)3, FeCO3 lần lượt phản ứng với HNO3 đặc núng. Số lượng phản ứng thuộc loại phản ứng oxi húa - khử là
A. 5. B. 6. C. 7. D. 8.
Bài 5: Tổng hệ số của cỏc chất trong phản ứng: Fe3O4 + HNO3 →Fe(NO3)3 + NO + H2O là
A. 55. B. 20. C. 25. D. 50. Bài 6(A-09): Cho phương trỡnh hoỏ học:
Fe3O4 + HNO3 → Fe(NO3)3 + NxOy + H2O
A. 23x - 9y. B. 45x - 18y. C. 13x - 9y. D. 46x - 18y. Bài 7 (CĐ-2010): Cho phản ứng
Na2SO3 + KMnO4 + NaHSO4 Na2SO4 + MnSO4 + K2SO4 + H2O
Tổng hệ số của cỏc chất (là những số nguyờn, tối giản) trong phương trỡnh húa học là
A. 23. B. 27. C. 47. D. 31. Bài 8 (A-2010): Trong phản ứng: K2Cr2O7 + HCl → CrCl3 + Cl2 + KCl + H2O
Số phõn tử HCl đúng vai trũ chất khử bằng k lần tổng số phõn tử HCl tham gia phản ứng. Giỏ trị của k là
A. 4/7. B. 3/7. C. 3/14. D. 1/7.
Bài 9(A-09): Cho dóy cỏc chất và ion: Zn, S, FeO, SO2, N2, HCl, Cu2+, Cl-. Số chất và ion cú cả tớnh oxi húa và tớnh khử là
A. 5. B. 6. C. 4. D. 7.
Bài 10: Cho cỏc chất và ion sau: Zn, Cl2, FeO, Fe2O3, SO2, H2S, Fe2+, Cu2+, Ag+. Số lượng chất và ion cú thể đúng vai trũ chất khử là
A. 9. B. 7. C. 8. D. 6.
Bài 11 (CĐ-2010) : Cho cỏc dung dịch loóng: (1) FeCl3, (2) FeCl2, (3) H2SO4, (4) HNO3, (5) hỗn hợp gồm HCl và NaNO3. Những dung dịch phản ứng được với kim loại Cu là
A. (1), (2), (3). B. (1), (3), (5). C. (1), (4), (5). D. (1), (3), (4). Bài 12 (B-2010): Cho sơ đồ chuyển húa:
Fe3O4 + dung dịch HI (dư) X + Y + H2O
Biết X và Y là sản phẩm cuối cựng của quỏ trỡnh chuyển húa. Cỏc chất X và Y là A. Fe và I2. B. FeI3 và FeI2. C. FeI2 và I2. D. FeI3 và I2. Bài 13: Chia 22,0 gam hỗn hợp X gồm Mg, Na và Ca thành 2 phần bằng nhau. Phần 1 tỏc dụng hết với O2 thu được 15,8 gam hỗn hợp 3 oxit. Phần 2 tỏc dụng với dung dịch HCl dư thu được V lớt khớ H2 (đktc). Giỏ trị của V là
A. 6,72. B. 3,36. C. 13,44. D. 8,96.
Bài 14: Chia 29,8 gam hỗn hợp X gồm Mg, Na, K và Ca thành 2 phần bằng nhau. Phần 1 tỏc dụng hoàn toàn với dung dịch HNO3 loóng thu được 1,568 lớt khớ N2 duy
nhất (đktc) và dung dịch chứa x gam muối chứa (khụng chứa NH4NO3). Phần 2 tỏc dụng hoàn toàn với oxi thu được y gam hỗn hợp 4 oxit. Giỏ trị của x là
A. 73,20. B. 58,30. C. 66,98. D. 81,88. Bài 15: Dẫn hỗn hợp X gồm 0,1 mol C2H2, 0,1 mol C3H4 và 0,1 mol H2 qua ống chứa Ni nung núng thu được hỗn hợp khớ Y gồm 7 chất. Đốt chỏy hoàn toàn Y cần V lớt khớ O2 (đktc) thu được x gam CO2 và y gam H2O. Nếu cho V lớt khớ O2 (đktc) tỏc dụng hết với 40 gam hỗn hợp Mg và Ca thỡ thu được a gam hỗn hợp chất rắn. Giỏ trị của x là
A. 13,2. B. 22,0. C. 17,6. D. 8,8. B. Bài tập trắc nghiệm tự luận
* Dạng bài tập nhận biết và thiết lập phản ứng oxi húa – khử
Bài 16: Cho cỏc phản ứng húa học dưới đõy, phản ứng nào là phản ứng oxi húa - khử? 1. 2Na + 2H2O 2NaOH + H2 2. CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O 3. NH4NO3 t0 N2 + 2H2O + 1/2 O2 4. 2Ag + 2H2SO4 đ t0 Ag2SO4 + SO2 + 2H2O 5. ZnO + 2HCl ZnCl2 + H2O Hướng dẫn 1. 2Na + 2H2O 2NaOH + H2
Phản ứng trờn là phản ứng oxi húa - khử do cú sự thay đổi số oxi húa : Na0 Na+1 và H+1 H0
2. CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O
Phản ứng trờn khụng phải là phản ứng oxi húa - khử do khụng cú sự thay đổi số oxi húa . 3. NH4NO3 t0 N2 + 2H2O +
2 1
O2
Phản ứng trờn là phản ứng oxi húa - khử do cú sự thay đổi số oxi húa : N-3 N0 và N+5 N0
4. 2Ag + 2H2SO4 đặc to Ag2SO4 + SO2 + H2O
5. ZnO + 2HCl ZnCl2 + H2O
Phản ứng trờn khụng là phản ứng oxi húa - khử do khụng cú sự thay đổi số oxi húa Bài 17: Hóy giải thớch vỡ sao
a. NH3 chỉ thể hiện tớnh khử?
b. S vừa thể hiện tớnh oxi húa vừa thể hiện tớnh khử? c. H2SO4 chỉ thể hiện tớnh oxi húa?
Cho thớ dụ minh hoạ đối với mỗi trường hợp. Hướng dẫn:
a. Trong phõn tử NH3, N cú số oxi húa -3 là số oxi húa thấp nhất nờn chỉ cú thể nhường electron để tăng số oxi húa tức là chỉ thể hiện tớnh khử.
tO
2NH-3 3 + 3CuO+2 No2 + 3Cu + 3Ho 2O
b. Vỡ S cú số oxi húa 0 là số oxi húa trung gian nờn S vừa cú thể nhận electron để giảm số oxi húa vừa cú thể nhường electron để tăng số oxi húa tức là S vừa thể hiện tớnh oxi húa vừa thể hiện tớnh khử.
So + H2o tO H+12S-2
So + O2o tO +4SO-22
c. Trong phõn tử H2SO4, H và S cú số oxi húa lần lượt là +1 và +6 đều là cỏc số oxi húa cao nhất của cỏc nguyờn tố tương ứng nờn chỉ cú thể nhận electron để giảm số oxi húa , tức là chỉ thể hiện tớnh oxi húa .
Mg + H2SO4 loóng MgSO4 + H2
Cu + 2H2SO4 đặc CuSO4 + SO2 + 2H2O
Bài 18: Thiết lập cỏc phương trỡnh húa học sau theo phương phỏp thăng bằng electron: 1. Al + Fe2O3 t0
Al2O3 + Fe
2. Al + NaNO3 + NaOH + H2O NaAlO2 + NH3
3. Mg + HNO3 Mg(NO3)2 + N2O + NO + H2O. Biết VN O2 : VNO = 1:1 4. C6H5-CH3 + KMnO4 t0 C6H5-COOK + KOH + MnO2 + H2O
Hướng dẫn 2Al + Fe2O3 t Al2O3 + 2Fe O o +3 +3 o 1) 1 x 2Al0 2Al+3 + 6e
1 x 2Fe+3 + 6e 2Fe0
2) 8Al + 3NaNOo +5 3 + 5NaOH + 2 H2O 8NaAlO2 + 3NH3
-3 +3 8x Al0 Al+3 + 3e 3 x N+5 + 8e N-3 3) VN2O : VNO = 1:1 nN2O : nNO = 1:1
11Mg + 28HNOo +5 3 11Mg(NO+2 3)2 + 2N2O + 2NO + 14H2O
+1 +2
11 x Mg0 Mg+2 + 2e 2 x N+5 + 11e 2N+1 + N+2
4) C6H5CH-3 3 + 2KMnO+7 4 tO C6H5+3COOK + KOH + 2MnO+4 2 + H2O 1 x C-3 C+3 + 6e
2 x Mn+7 + 3e Mn+4
Bài 19: (Trớch đề thi đề nghị Olympic truyền thống 30/4 - THPT Minh Khai - 2000)
Thiết lập phương trỡnh húa học của cỏc phản ứng oxi – húa khử sau theo phương phỏp cõn bằng ion – electron
a. KMnO4 + Na2SO3 + H2SO4 MnSO4 + Na2SO4 + K2SO4 + H2O b. FeO + HNO3 Fe(NO3)3 + NxOy + H2O
Trờn cơ sở hệ số tỡm được, hóy suy luận cho trường hợp Fe3O4: Fe3O4 + HNO3 NxOy + … Hướng dẫn a. KMnO4 + Na2SO3 + H2SO4 MnSO4 + Na2SO4 + K2SO4 + H2O 2 x | MnO4- + 8H+ +5e Mn2+ + 4H2O 5 x | SO32- + H2O SO42- + 2H+ + 2e 2MnO4- + 5SO32- + 6H+ 2Mn2+ + 5SO42- + H2O
2KMnO4 + 5Na2SO3 + 3H2SO4 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 + H2O b. FeO + HNO3 Fe(NO3)3 + NxOy + H2O