1. KIẾN THỨC CẦN NẮM VỮNG 1.1. Phân loại phản ứng hóa học
1.1.1. Sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố trong phản ứng hóa học nguyên tử
a) Phản ứng hóa hợp
Trong phản ứng hóa hợp, số oxi hóa của các nguyên tố có thể thay đổi hoặc không thay đổi.
`Ví dụ 1: 2H2 + O2 2H2O
+ Số oxi hóa của hiđro tăng từ 0 lên +1.
+ Số oxi hóa của oxi giảm từ 0 xuống -2.
Ví dụ 2: CaO + CO2 CaCO3
Số oxi hóa của tất cả các nguyên tố không thay đổi.
b) Phản ứng phân hủy
Trong phản ứng phân hủy, số oxi hóa của các nguyên tố có thể thay đổi hoặc không thay đổi.
Ví dụ 1: 2KClO3 2KCl + 3O2
+ Số oxi hóa của oxi tăng từ -2 lên 0.
+ Số oxi hóa của clo giảm từ +5 xuống -1.
Ví dụ 2: CaCO3 Cao + CO2
Số oxi hóa của tất cả các nguyên tố không thay đổi.
c) Phản ứng thế
Trong phản ứng thế, bao giờ cũng có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố.
Ví dụ 1: Zn + CuCl2 ZnCl2 + Cu + Số oxi hóa của kẽm tăng từ 0 lên +2.
+ Số oxi hóa của đồng giảm từ +2 xuống 0.
Ví dụ 2: Fe + HCl FeCl2 + H2
+ Số oxi hóa của sắt tăng từ 0 lên +2.
+ Số oxi hóa của hiđro giảm từ +1 xuống 0.
d) Phản ứng trao đổi
Trong phản ứng trao đổi, số oxi hóa của các nguyên tố không bao giờ thay đổi.
Ví dụ 1: AgNO3 + HCl AgCl + HNO3 Số oxi hóa của tất cả các nguyên tố không thay đổi.
e) Phản ứng tỏa nhiệt và phản ứng thu nhiệt
- Các biến đổi hóa học thường kèm theo sự tỏa ra thay sự hấp thu năng lƣợng .
- Phản ứng tỏa nhiệt là phản ứng hóa học giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.
- Phản ứng thu nhiệt là phản ứng hóa học hấp thu năng lượng dưới dạng nhiệt.
- Phương trình nhiệt hóa học:
+ Để chỉ lượng nhiệt kèm theo mỗi phản ứng hóa học người ta thường dùng đại lƣợng nhiệt phản ứng, kí hiệu là ΔH (tính bằng kJ/mol).
+ Phản ứng tỏa nhiệt thì các chất phản ứng phải mất bớt nhiệt, vì thế ΔH <
0.
+ Phản ứng thu nhiệt, các chất phản ứng phải lấy thêm nhiệt để tạo thành các sản phẩm nên ΔH > 0.
1.2. Phản ứng oxi hóa - khử
1.2.1. Định nghĩa phản ứng oxi hóa – khử và số oxi hóa
Phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng hóa học trong đó có sự chuyển electron giữa các chất phản ứng hay phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng hóa học trong đo có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tố.
Để thuận lợi cho việc nghiên cứu phản ứng oxi hóa – khử người ta dùng khái niệm số oxi hóa (mức oxi hóa).
Số oxi hóa của một nguyên tố trong một hợp chất là điện tích của nguyên tử nguyên tố trong phân tử nếu giả định liên kết giữa các nguyên tử là liên kết ion, nghĩa là các electron liên kết ở mỗi cặp nguyên tử đƣợc coi nhƣ chuyển hẳn sang nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.
1.2.2. Xác định số oxi hóa của mỗi nguyên tố trong hợp chất vô cơ
* Số oxi hóa của các nguyên tố được xác định theo quy tắc sau:
- Số oxi hóa của nguyên tố trong đơn chất bằng 0.
Ví dụ: Zn, H2, Cl2, O2,…
- Số oxi hóa của ion đơn nguyên tử bằng điện tích của ion đó.
Ví dụ : Na+Cl-
- Tổng số oxi hóa của tất cả các nguyên tố trong ion đa nguyên tử bằng đúng điện tích của ion đó.
Ví dụ: Tính số oxi hóa của N trong NO3-
Đặt x là số oxi hóa của N trong NO3: x + 3(-2) = -1 => x = +5
- Số oxi hóa của hiđro +1 (trừ hợp chất với kim loại là -1 nhƣ NaH…)
- Số oxi hóa của oxi bằng -2 (trừ oxi trong peoxit = -1 nhƣ H2O2, Na2O2…, supeoxit = -1/2 nhƣ KO2…, trong họp chất với flo = +2 nhƣ F2O…).
- Tổng đại số các số oxi hóa của các nguyên tố trong phân tử luôn bằng 0.
- Liên kết giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố không tính số oxi hóa, nghĩa là bằng 0 nhƣ –C–C–…
* Xác định số oxi hóa của một số nguyên tố
Ví dụ 1: Xác định số oxi hóa của N trong NH4NO3. + Số oxi hóa của N trong NO3-
là +5.
+ Số oxi hóa của N trong ion NH4 + là : (NH4)+ x + (+1).4 = +1 => x = -3
Ví dụ 2 : Xác định số oxi hóa của S trong FeS2. FeS2 (+2) + 2x = 0 => x = -1
Khi biểu diễn số oxi hóa thì dấu (+) và (-) đặt trước số trị, khác với khi nói đến điện tích ion, ví dụ : ion Ca2+, Br- … Số oxi hóa đƣợc ghi trên kí hiệu của nguyên tố, ví dụ AlCl3.
1.2.3. Các khái niệm cần nắm vững và dấu hiệu nhận biết:
- Sự oxi hóa (hay quá trình oxi hóa) là sự nhường electron.
- Sự khử (hay quá trình khử) là sự nhận electron.
- Chất oxi hóa là chất nhận electron. Chất oxi hóa còn gọi là chất bị khử.
- Chất khử là chất nhường electron. Chất khử còn gọi là chất bị oxi hóa . Cách nhớ: Đối với chất oxi hóa và chất khử: khử cho oxi hóa nhận. Đối với quá trình oxi hóa, khử: chất oxi hóa tham gia quá trình khử, chất khử tham gia quá trình oxi hóa. Còn phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học xảy ra trong đó có sự chuyển electron giữa các chất phản ứng.
Chú ý: Do electron không tồn tại ở trạng thái tự do nên hai quá trình oxi hóa và khử luôn xảy ra đồng thời (tức là có quá trình oxi hóa thì phải có quá trình khử và ngược lại). Tổng số electron do chất khử nhường bằng tổng số electron do chất oxi hóa nhận.
* Dấu hiệu nhận biết
+ Sự oxi hóa: là sự tăng số oxi hóa + Sự khử: là sự giảm số oxi hóa
+ Chất oxi hóa là chất có số oxi hóa giảm.
+ Chất khử là chất có số oxi hóa tăng.
+ Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của một hoặc nhiều nguyên tố.
1.2.4. Dự đoán tính chất oxi hóa-khử của một hợp chất dựa vào số oxi hóa Một nguyên tố có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa (số oxi hóa) khác nhau. Ví dụ: N có thể có các số oxi hóa : -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5.
S có thể có các số oxi hóa : -2, 0, +4, +6 Nhận xét:
+ Nếu một nguyên tố tồn tại ở trạng thái oxi hóa cao nhất thì chỉ có thể giảm số oxi hóa nên chỉ có thể đóng vai trò là chất oxi hóa .
+ Nếu một nguyên tố tồn tại ở trạng thái oxi hóa thấp nhất thì chỉ có thể tăng số oxi hóa nên chỉ có thể đóng vai trò là chất khử.
+ Nếu một nguyên tố tồn tại ở trạng thái oxi hóa trung gian thì có thể tăng số oxi hóa hoặc có thể giảm số oxi hóa nên có thể đóng vai trò là chất oxi hóa hoặc chất khử.
Căn cứ vào trạng thái oxi hóa có thể dự đoán tính chất oxi hóa, khử của các nguyên tố trong phân tử.
Ví dụ:
+ Trong NH3, N có số oxi hóa -3 là số oxi hóa thấp nhất nên chỉ có thể tăng số oxi hóa tức là chỉ có thể đóng vai trò là chất khử trong các phản ứng hóa học.
+ Trong HNO3, N có số oxi hóa +5 là số oxi hóa cao nhất nên chỉ có thể giảm số oxi hóa tức là chỉ có thể đóng vai trò là chất oxi hóa .
+ Trong NO2, N có số oxi hóa trung gian là +4 nên có thể là chất oxi hóa hay chất khử.
* Xác định các số oxi hóa có thể có của một nguyên tố:
- Số oxi hóa âm thấp nhất của một nguyên tố chính bằng số electron tối đa mà một nguyên tử của nguyên tố đó có thể nhận để đạt đƣợc cấu hình của khí hiếm (chỉ xảy ra đối với các phi kim, các kim loại không có số oxi hóa âm).
Ví dụ: Các nguyên tố nhóm VA (N, P,...), có 5 electron hóa trị, có thể nhận tối đa 3 electron nên số oxi hóa thấp nhất là -3.
- Các nguyên tố nhóm IVA (C, Si), có 4 electron hóa trị, có thể nhận tối đa 4 electron nên số oxi hóa thấp nhất là - 4. Các nguyên tố nhóm VIIA (F, Cl, Br, I), có 7 electron hóa trị, có thể nhận tối đa 1 electron nên có số oxi hóa thấp nhất là - 1.
- Số oxi hóa dương: số oxi hóa dương cao nhất của một nguyên tố bằng số thứ tự nhóm của nó.
Ví dụ: các nguyên tố nhóm IA (Na, K,...) có 1 electron hóa trị nên có số oxi hóa dương cao nhất là +1. Các nguyên tố nhóm VIIA (F, Cl, Br, I) có 7 electron hóa trị nên có số oxi hóa dương cao nhất có thể là +7.
- Các kim loại thường chỉ có một số oxi hóa dương bằng số electron hóa trị, với Fe có 2 số oxi hóa dương là +2 và +3, Cr có 3 số oxi hóa dương là +2, +3 và +6, Cu có 2 số oxi hóa dương là +1 và +2.
1.2.5. Điều kiện xảy ra phản ứng oxi hóa khử
Khi một chất khử gặp một chất oxi hóa liệu có xảy ra phản ứng hóa học trong mọi trường hợp không? Thực tế không phải như vậy. Phản ứng oxi hóa khử xảy ra theo chiều: chất oxi hóa mạnh phản ứng với chất khử mạnh tạo ra chất oxi hóa yếu hơn và chất khử yếu hơn.
Xét hai cặp oxi hóa - khử: Oxh1/Kh1 và Oxh2/Kh2 Oxh1 + Kh2 Kh1 + Oxh2 Phản ứng trên xảy ra khi:
Tính oxi hóa: Oxh1 > Oxh2 Tính khử: Kh2 > Kh1
Ví dụ: Fe có tính khử mạnh hơn Cu và ion Cu2+ có tính oxi hóa mạnh hơn ion Fe2+ nên Fe đẩy đƣợc Cu ra khỏi muối của nó:
+2 +2 0
4 4
Fe + Cu SO FeSO Cu
+ Từ phản ứng oxi hóa - khử có thể so sánh đƣợc khả năng oxi hóa hoặc khử của các chất.
+ Hoặc nếu biết khả năng oxi hóa - khử của các chất có thể dự đoán đƣợc một phản ứng oxi hóa - khử có xảy ra hay không.
1.2.6. Các chất oxi hóa, chất khử thường gặp
* Đơn chất có thể là chất oxi hóa, có thể là chất khử.
- Chất oxi hóa có thể là các đơn chất phi kim nhƣ: C, N2, O2, Cl2, Br2,..
những nguyên tử có cấu hình electron lớp ngoài cùng ns2np2 (C, Si), ns2np3 (N, P), ns2np4(O, S), ns2np5 (F, Cl, Br, I). Trong đó các halogen và oxi là những đơn chất oxi hóa mạnh nhất.
- Trong các nhóm IVA, VA, VIA, VIIA tính oxi hóa giảm theo chiều tăng dần của bán kính nguyên tử.
- Chất khử điển hình là những nguyên tử có số electron ở lớp ngoài cùng chứa từ một đến ba electron. Các kim loại kiềm và kiềm thổ ở các nhóm IA và IIA, là những chất khử mạnh. Trong từng nhóm A, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân, bán kính nguyên tử của kim loại tăng và khả năng khử của chúng cũng tăng lên. Thí dụ trong nhóm IA, tính khử yếu nhất là liti (Li) và tính khử mạnh nhất là xesi (Cs) trừ nguyên tố Fr là nguyên tố phóng xạ.
- Các phi kim cũng thể hiện tính khử nhƣ C, Si, H2.
* Các hợp chất có thể là chất oxi hóa hoặc là chất khử.
- Các chất oxi hóa nhƣ KMnO4 (kali pemanganat), K2Cr2O7 (kali đicromat), KClO3 (kali clorat), NaClO (natri hipoclorit),...Các axit nhƣ H2SO4 đặc nóng, axit HNO3. Các hợp chất chứa oxi của halogen có tính chất oxi hóa biến đổi theo chiều sau:
HClO HClO2 HClO3 HClO4
Chiều tăng tính axit, chiều giảm của tính oxi hóa.
- Với KMnO4 tùy theo môi trường xảy ra phản ứng mà Mn+7 bị khử xuống các trạng thái oxi hóa khác nhau:
+ Môi trường axit (H+): Mn+7 Mn+2 (tồn tại ở dạng muối Mn2+) + Môi trường trung tính (H2O): Mn+7 Mn+4 (tồn tại ở dạng MnO2) + Môi trường kiềm (OH-): Mn+7 Mn+6 (tồn tại ở dạng K2MnO4) Thí dụ:
(1) 2KMnO4 + 10KI + 8H2SO4 2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8H2O (2) 2KMnO4 + 6KI + 4H2O 2MnO2 + 3I2 + 8KOH
(3) 2KMnO4 + H2O2 + 2KOH 2K2MnO4 + O2 + 2H2O
- Với HNO3 tùy theo bản chất của chất khử và nồng độ của axit mà N+5 bị khử xuống các trạng thái oxi hóa khác nhau: N+4 (NO2), N+2 (NO), N+1 (N2O), N0 (N2), N-3 (NH4NO3).
Thí dụ:
(1) Fe + 6HNO3đặc, nóng Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O (2) Fe + 4HNO3loãng Fe(NO3)3 + NO + 2H2O (3) Các hợp chất khử nhƣ H2S, NH3, CO, ...
(4) Một số chất vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử nhƣ H2O2, SO2, ...
1.2.7. Thiết lập phương trình của phản ứng oxi hóa - khử
Có nhiều cách để thiết lập phương trình của phản ứng oxi hóa - khử như phương pháp thăng bằng electron, phương pháp ion - electron, tất cả đều dựa vào nguyên lí bảo toàn khối lƣợng và bảo toàn điện tích. Ở đây chỉ đề cập đến phương pháp thăng bằng electron, vì đây là phương pháp đơn giản nhưng lại có thể cân bằng hầu hết các phản ứng oxi hóa - khử.
Các bước cân bằng phản ứng oxi hóa - khử theo thăng bằng electron này nhƣ sau:
Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong phản ứng (chỉ nên biểu diễn số oxi hóa của những nguyên tố nào có sự thay đổi số oxi hóa). Từ đó dựa vào dấu hiệu nhận biết để xác định chất oxi hóa, chất khử.
Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử và cân bằng mỗi quá trình.
Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho chất oxi hóa và chất khử theo nguyên tắc:
tổng số electron cho bằng tổng số electron nhận. Tức là đi tìm bội số chung nhỏ nhất của số electron cho và số electron nhận, sau đó lấy bội số chung đó chia cho số electron cho hoặc nhận thì được hệ số của chất khử và chất oxi hóa tương ứng.
Bước 4: Đặt hệ số của chất oxi hóa và chất khử vào phương trình phản ứng.
Cân bằng chất không tham gia quá trình oxi hóa – khử theo trật tự sau: Số nguyên tử kim loại, gốc axit, số phân tử môi trường ( axit hoặc kiềm) và cuối cùng là số lượng phân tử nước được tạo thành. Kiểm soát số nguyên tử ở hai vế (phải bằng nhau).
Ví dụ 1: Phản ứng oxi hóa - khử đơn giản, không có môi trường
Fe2O3 + H2 t Fe + H2O
O
Bước 1: Xác định số oxi hóa , chất oxi hóa , chất khử Fe2O3 + H2 t Fe + H2O
+3 o O o +1
Chất oxi hóa : Fe+3 (trong Fe2O3) Chất khử: H02
Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa, khử
2Fe+3 + 2x3e 2Fe0 (quá trình khử) H02 2H+ + 2x1e (quá trình oxi hóa)
Chú ý: Khi chất oxi hóa (khử) có chỉ số lớn hơn 1 trong phân tử thì phải thêm hệ số (bằng chỉ số trong phân tử) vào quá trình khử (oxi hóa ) tương ứng. Ở thí dụ trên: Fe+3, H0 có chỉ số là 2 trong phân tử tương ứng Fe2O3, H2 do vậy cần thêm hệ số 2 vào quá trình khử, oxi hóa .
Bước 3: Tìm hệ số cho hai quá trình oxi hóa và khử
Bội số chung nhỏ nhất (BSCNN) = 6 do đó hệ số mỗi quá trình nhƣ sau:
1x 2Fe+3 + 2 x 3e 2Fe0 3x H02 2H+1 +2 x 1e
Bước 4: Đặt hệ số chất oxi hóa , chất khử vào phương trình Fe2O3 + 3H2 2Fe + 3H2O
Ví dụ 2: Phản ứng oxi hóa - khử trong đó chất oxi hóa (khử) còn có vai trò làm môi trường
Cu + H2SO4đặc t
O
CuSO4 + SO2 + H2O Bước 1: Xác định số oxi hóa , chất oxi hóa , chất khử
Cu + H2SO4đặc t
O
CuSO4 + SO2 + H2O
o +6 +2 +4
- Chất oxi hóa : S+6 (trong H2SO4) - Chất khử: Cu0
Bước 2: Viết quá trình oxi hóa, quá trình khử:
Cu Cu+2 + 2e (quá trình oxi hóa ) S+6 + 2e S+4 (quá trình khử) Bước 3: Tìm hệ số cho hai quá trình oxi hóa và khử BSCNN = 2
1 x Cu Cu+2 + 2e 1 x S+6 + 2e S+4
Bước 4: Đặt hệ số chất oxi hóa , chất khử vào phương trình
Do H2SO4 vừa đóng vai trò là chất oxi hóa vừa đóng vai trò là môi trường nên hệ số của nó trong phương trình không phải là hệ số của quá trình khử mà phải cộng thêm phần tham gia làm môi trường. Những hợp chất đóng hai vai trò như vậy thường cân bằng hệ số cuối cùng.
Cu + H2SO4đặc t
O
CuSO4 + SO2 + H2O
o +6 +2 +4
2 2
Ví dụ 3: Phản ứng oxi hóa - khử phức tạp: có nhiều chất oxi hóa hoặc khử
FeS2 + O2 tO Fe2O3 + SO2 ( FeS+2 -12 ) Bước 1: Xác định số oxi hóa, chất oxi hóa , chất khử
FeS2 + O2 t Fe2O3 + SO2
+2 -1 o O +3 -2 +4 -2
Chất oxi hóa : O2 0
Chất khử: Fe+2, S-1 (trong FeS2)
Bước 2: Viết quá trình oxi hóa, quá trình khử:
Do có hai chất khử là Fe+2, S-1 trong một phân tử nên lần lƣợt viết quá trình oxi hóa của chúng rồi cộng hai quá trình đó lại, chú ý đảm bảo tỉ lệ số nguyên tử trong phân tử FeS2 giữa Fe+2 và S-1 là 1:2.
1 x 2Fe+2 2Fe+3 + 2e (trong Fe2O3, Fe+3 có hệ số 2) 2 x 2S-1 2S+4 + 10e (trong FeS2 , S-1 có hệ số 2) 2FeS2 2Fe+3 + 4S+4 + 22e (quá trình oxi hóa ) O02 + 4e 2O-2 (quá trình khử) Bước 3: Tìm hệ số cho hai quá trình oxi hóa và khử
BSCNN = 44
2 x 2FeS2 2Fe+3 + 4S+4
+ 22e 11 x O02 + 4e 2O-2
Bước 4: Đặt hệ số chất oxi hóa , chất khử vào phương trình FeS2 + O2 t Fe2O3 + SO2
+2 -1 o O +3 -2 +4 -2
4 11 2 8
2. BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM
Câu 1: Cho ba phản ứng hóa học dưới đây 1) 2Na + 2H2O 2NaOH + H2 2) CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O 3) 2KClO3 t0,MnO22KCl + 3O2
Các phản ứng oxi hóa khử là
A. 1 B. 2 C. 1 và 2 D. 1 và 3.
Câu 2 : Cho sơ đồ phản ứng sau :
Fe3O4 + HNO3 Fe(NO3)3 + NO + H2O
Sau khi cân bằng, hệ số của phân tử các chất là phương án nào sau đây?
A. 3, 14, 9, 1, 7 B. 3, 28, 9, 1, 14 C. 3, 26, 9, 2, 13 D. 2, 28, 6, 1, 14
Câu 3: Cho amoniac NH3 tác dụng với oxi ở nhiệt độ cao có xúc tác thích hợp sinh ra nitơ oxit NO và nước. Phương trình hoá học là
4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O Trong phản ứng trên, NH3 đóng vai trò
A. là chất oxi hoá. B. là chất khử.
C. là một bazơ. D. là một axit.
Câu 4: Cho phương trình hóa học phản ứng khử hợp chất Fe(II) bằng oxi không khí
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3
Kết luận nào sau đây là đúng?
A. Fe(OH)2 là chất khử, H2O là chất oxi hoá.
B. Fe(OH)2 là chất khử, O2 là chất oxi hoá.
C. O2 là chất khử, H2O là chất oxi hoá.
D. Fe(OH)2 là chất khử, O2 và H2O là chất oxi hoá.
Câu 5: Trong các phản ứng dưới đây, phản ứng nào không phải là phản ứng oxi hoá - khử?
A. Fe + 2HCl FeCl2 + H2
B. FeS + 2HCl FeCl2 + H2S