Hệ thống kiến thức liên quan đến phản ứng oxi hóa khử

1. Phản ứng oxi hóa - khử là gì?
2. Các dạng bài về Phản ứng oxi hóa - khử
3. Một số bài tập về phương trình phản ứng oxi hóa khử

1. Phản ứng oxi hóa - khử là gì?

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 đó có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tố). Trong một phản ứng sẽ có chất khử và chất oxi hóa, diễn ra hai quá trình: oxi hóa và khử.

Chất khử là chất nhường electron (hay là chất có số oxi hóa tăng sau phản ứng). Chất khử còn gọi là chất bị oxi hóa.
Chất oxi hóa là chất nhận electron (hay là chất có số oxi hóa giảm sau phản ứng). Chất oxi hóa còn gọi là chất bị khử.
Quá trình oxi hóa (Sự oxi hóa) một chất là làm cho chất đó nhường electron hay làm tăng số oxi hóa của chất đó.
Quá trình khử (Sự khử) một chất là làm cho chất đó nhận electron hay làm giảm số oxi hóa của chất đó.

2. Các dạng bài về phản ứng oxi hóa khử

2.1. Dạng 1: Xác định số oxi hóa

Khái niệm: Số oxi hóa của một nguyên tố trong phân tử là điện tích của nguyên tử nguyên tố đó nếu giả định liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử là liên kết ion.

Cách xác định số oxi hóa

Ví dụ:

$C l_{2}, H_{2}, O_{2}, C u, N a$ ,…: có số oxi hóa bằng 0 vì các electron chung không dịch chuyển về phía nguyên tử nào.

$H - C l$ : Vì Clo có độ âm điện lớn hơn H nên cặp electron chung dịch chuyển về phía Cl $\Rightarrow$ Số oxi hóa của H: +1, Cl: -1.

$H - O - H$ : Số oxi hóa của H: +1, O: -2 (Vì 2 cặp electron chung dịch chuyển về phía Oxi).

$N a H$ : Số oxi hóa của H: -1, Na: +1 (Vì Na nhường 1 electron cho H).

$N a_{2} O$ : Số oxi hóa của O: -2, Na: +1.

$N a O H$ : Số oxi hóa của O: -2, Na: +1.

$H_{2} O_{2}$ ( H-O-O-H): Số oxi hóa của O: -1, H: +1 (vì chỉ có 1 cặp electron dịch chuyển về phía Oxi).

$F_{2} O$ : Số oxi hóa của O: +2, F: -1 (vì F có độ âm điện lớn hơn O nên cặp electron chung dịch chuyển về phía Flo).

$C a C l_{2}$ : Số oxi hóa của Cl: -1, Ca: +2.

Quy tắc tính số oxi hóa

Đơn chất: Số oxi hóa bằng 0.

Hợp chất:

H có số oxi hóa +1, trừ hợp chất của H với kim loại (hidrua).
O có số oxi hóa -2, trừ $F_{2} O_{2}$ và hợp chất peoxit ( $H_{2} O_{2}$ , $N a_{2} O_{2}$ …).

Kim loại: Luôn có số oxi hóa dương và bằng điện tích của ion kim loại đó.

Trong đó:

Tổng số oxi hóa của các nguyên tử trong phân tử bằng 0 $\Rightarrow$ tổng số oxi hóa của các nguyên tử trong ion bằng điện tích của ion đó.

Ví dụ: Tính số oxi hóa của N, S, C trong các hợp chất và ion sau:

$\overset{+ 1}{H} \overset{x}{N} \overset{- 2}{O_{3}}$ : (+1) + x + (-2).3 = 0 $\Rightarrow$ x = +5

${\overset{+ 1}{H}}_{2} \overset{x}{S} {\overset{- 2}{O}}_{4}$ : (+1).2+ x + (-2).4 = 0 $\Rightarrow$ x = +6

[ $\overset{x}{N} \overset{- 2}{O_{3}}$ ] $^{-}$ : x + (-2).3 = -1 $\Rightarrow$ x = +5

[ $\overset{x}{S} \overset{- 2}{O_{4}}$ ] $^{2 -}$ : x + (-2).4 = -2 $\Rightarrow$ x = +6

$\overset{+ 1}{N a} \overset{x}{N} \overset{- 2}{O_{3}}$ : (+1) + x + (-2).3 = 0 $\Rightarrow$ x = +5

$\overset{+ 2}{C a} \overset{x}{S} \overset{- 2}{O_{4}}$ : (+2) +x + (-2).4 = 0 $\Rightarrow$ x = +6

$\Rightarrow$ Trong gốc $N O_{3,} N$ luôn có số oxi hóa: +5, trong gốc $S O_{4,} S$ luôn có số oxi hóa : +6.

$C_{2} H_{4}$ $(C H_{2} = C H_{2})$ : Số oxi hóa của C: -2 $\Rightarrow$ tổng số oxi hóa của $C H_{2}$ bằng 0.

$C_{2} H_{6}$ $(C H_{3} - C H_{3})$ : Số oxi hóa của C: -3 $\Rightarrow$ tổng số oxi hóa của $C H_{3}$ bằng 0.

$C_{2} H_{2}$ $(C H \equiv C H)$ : Số oxi hóa của C: -1 $\Rightarrow$ tổng số oxi hóa của $C H$ bằng 0.

$\Rightarrow$ Trong các hợp chất hữu cơ, tổng số oxi hóa của nguyên tử C và các nguyên tử liên kết với nó bằng 0.

2.2. Dạng 2: Cân bằng phản ứng oxi hóa khử theo phương pháp thăng bằng electron

Phương pháp thăng bằng electron

Bước 1: Xác định số oxi hóa của những nguyên tố có số oxi hóa thay đổi. Tìm chất khử và chất oxi hóa.

Bước 2: Viết quá trình oxi hóa và quá trình khử, cân bằng mỗi quá trình.

Bước 3: Tìm hệ số thích hợp sao cho tổng số electron do chất khử nhường bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận.

Bước 4: Đặt hệ số của chất oxi hóa và chất khử vào sơ đồ phản ứng. Hoàn thành phương trình hóa học.

Lưu ý: Kiểm tra hệ số theo thứ tự: kim loại, phi kim trung tâm, hiđro, oxi.

Ví dụ 1: Lập phương trình hóa học của các phản ứng oxi hóa - khử sau theo phương pháp thăng bằng electron.

S + $H N O_{3}$ $\to H_{2} S O_{4} + N O$

Bước 1:

$S$ + $H \overset{+ 5}{N} O_{3}$ $\to$ $H_{2} \overset{+ 6}{S} O_{4}$ + $\overset{+ 2}{N} O$

Bước 2:

$\overset{0}{S}$ $\to$ $\overset{+ 6}{S}$ + 6e (Quá trình oxi hóa)

$\overset{+ 5}{N}$ + 3e $\to$ $\overset{+ 2}{N}$ (Quá trình khử)

Bước 3:

1 $\times$ $\overset{0}{S} \to \overset{+ 6}{S}$ + 6e

2 $\times$ $\overset{+ 5}{N}$ + 3e $\to$ $\overset{+ 2}{N}$

Bước 4:

$\overset{0}{S} + 2 \overset{+ 5}{N} \to \overset{+ 6}{S} + 2 \overset{+ 2}{N}$

PTHH: $S$ + $2 H N O_{3}$ $\to$ $H_{2} S O_{4}$ + 2 $N O$

Ví dụ 2: Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa - khử sau:

$\overset{0}{I_{2}}$ (chất khử) + $H \overset{+ 5}{N} O_{3}$ (chất oxi hóa) $\to$ $H \overset{+ 5}{I} O_{3}$ + $\overset{+ 2}{N} O$ + $H_{2} O$

3 $\times$ $\overset{0}{I_{2}}$ $\to$ 2 $\overset{+ 5}{I}$ + 10e (quá trình oxi hóa)

10 $\times$ $\overset{+ 5}{N}$ + 3e $\to$ N (quá trình khử)

$\Rightarrow$ 3 $I_{2}$ + 10 $H N O_{3}$ $\to$ 6 $H I O_{3}$ + 10NO + 2 $H_{2} O$

$\overset{0}{F e}$ (chất khử) + $H N O_{3}$ đặc nóng (chất oxi hóa) $\to$ $F e {(N O_{3})}_{3}$ + $N O_{2}$ + $H_{2} O$

1 $\times$ Fe $\to$ Fe + 3e (quá trình oxi hóa)

3 $\times$ N + 1e $\to$ N (quá trình khử)

$\Rightarrow$ $F e$ + 3 $H N O_{3}$ đặc nóng $\to$ $F e {(N O_{3})}_{3}$ + 3 $N O_{2}$ + $H_{2} O$

Ta thấy có 3 phân tử $H N O_{3}$ mà số oxi hóa của nguyên tố Nitơ không thay đổi, chúng đóng vai trò là chất tạo môi trường nên hệ số cân bằng của $H N O_{3}$ = $\sum_{} N v ế p h ả i$ = 3 +3 = 6.

$\Rightarrow$ $F e$ + 6 $H N O_{3}$ đặc nóng $\to$ $F e {(N O_{3})}_{3}$ + 3 $N O_{2}$ + 3 $H_{2} O$

$F e S_{2}$ + $H N O_{3}$ $\to$ $F e {(N O_{3})}_{3}$ + $H_{2} S O_{4}$ + $N O$ + $H_{2} O$

Ta thấy: $F e S_{2}$ là phân tử có 2 nguyên tố thay đổi số oxi hoá ( $\overset{+ 2}{F e}$ $\to$ $\overset{+ 3}{F e}$ và $\overset{- 1}{S}$ $\to$ $\overset{+ 6}{S}$ ) nên chúng ta nên để nguyên dạng $F e S_{2}$ và xem số oxi hóa của phân tử là 0, cách cân bằng như sau:

1 $\times$ $F e \overset{0}{S_{2}}$ $\to$ $\overset{+ 3}{F e} + 2 \overset{+ 6}{S}$ + 15e (quá trình oxi hóa)

5 $\times$ $\overset{+ 5}{N}$ + 3e $\to$ $\overset{+ 2}{N}$ (quá trình khử)

Hệ số cân bằng của HNO3 = $\sum_{} N v ế p h ả i$ = 3 + 5 = 8

$\Rightarrow$ $F e S_{2}$ + 8 $H N O_{3}$ $\to$ $F e {(N O_{3})}_{3}$ + 2 $H_{2} S O_{4}$ + 5 $N O$ + 2 $H_{2} O$

$\overset{0}{C_{6}} \overset{+ 1}{H_{12}} \overset{- 2}{O_{6}}$ + $K \overset{+ 7}{M n} O_{4}$ + $H_{2} \overset{+ 6}{S} O_{4}$ $\to$ $K_{2} \overset{+ 6}{S} O_{4}$ + $\overset{+ 2}{M n} \overset{+ 6}{S} O_{4}$ + $\overset{+ 4}{C} O_{4}$ + $H_{2} O$

(Chất khử) (Chất oxi hóa)

5 $\times$ 6 $\overset{0}{C}$ $\to$ 6 $\overset{+ 4}{C}$ + 24 e (quá trình oxi hóa)

24 $\times$ $\overset{+ 7}{M n}$ + 5 e $\to$ Mn (quá trình khử)

Hệ số cân bằng của $H_{2} S O_{4}$ = $\sum_{} S v ế p h ả i$ = 12 + 24 = 36

$\Rightarrow$ 5 $C_{6} H_{12} O_{6}$ + 24 $K M n O_{4}$ + 36 $H_{2} S O_{4}$ $\to$ 12 $K_{2} S O_{4}$ + 24 $M n S O_{4}$ + 30 $C O_{2}$ + 66 $H_{2} O$

$\overset{+ 2 y}{F e_{x}} \overset{x - 2}{O_{y}}$ (Chất khử) + $H_{2} \overset{+ 6}{S} O_{4}$ (Chất oxi hóa) $\to$ $\overset{+ 3}{F e_{2}} {(\overset{+ 6}{S} O_{4})}_{3}$ + $\overset{+ 4}{S} O_{2}$ + $H_{2} O$

1 $\times$ 2x $\overset{+ 2 y / x}{F e}$ $\to$ 2x $\overset{+ 3}{F e}$ + 2(3x – 2y) e (quá trình oxi hóa)

(3x - 2y) $\times$ $\overset{+ 6}{S}$ + 2e $\to$ $\overset{+ 4}{S}$ (quá trình khử)

hệ số cân bằng của $H_{2} S O_{4}$ = $\sum_{} S v ế p h ả i$ = 3x + 3x - 2y = 6x - 2y

$\Rightarrow$ 2 $F e_{x} O_{y}$ + (6x – 2y) $H_{2} S O_{4}$ $\to$ x $F e_{2} {(S O_{4})}_{3}$ + (3x – 2y) $S O_{2}$ + (6x – 2y) $H_{2} O$

$\overset{- 2}{C} H_{2} = \overset{- 2}{C} H_{2}$ + $K M n O_{4}$ + $H_{2} O$ $\to$ $C H_{2} O H - C H_{2} O H$ + $K O H$ + $\overset{+ 4}{M n} O_{2}$

(Chất khử) (Chất oxi hóa)

3 $\times$ 2 $\overset{- 2}{C}$ $\to$ 2 $\overset{- 1}{C}$ + 2e (quá trình oxi hóa)

2 $\times$ $\overset{+ 7}{M n}$ + 3e $\to$ $\overset{+ 4}{M n}$ (quá trình khử)

3 $C H_{2} = C H_{2}$ + 2 $K M n O_{4}$ + 4 $H_{2} O$ $\to$ 3 $C H_{2} O H$ – $C H_{2} O H$ + 2 $K O H$ + 2 $M n O_{2}$

2.3. Dạng 3: Toán bảo toàn electron

Phương pháp giải (Cho các trường hợp pha trộn các chất xảy ra phản ứng oxi hóa khử).

Bước 1: Tóm tắt đề theo sơ đồ phản ứng.

Bước 2: Xác định những nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa trước và sau phản ứng.

Bước 3: Viết quá trình khử, quá trình oxi hóa.

Bước 4: Đưa mol vào các quá trình khử và quá trình oxi hóa để tìm mol electron nhường và mol electron nhận.

Bước 5: Bảo toàn electron: $\sum_{} s ố m o l e n h ư ờ n g$ = $\sum_{} s ố m o l e n h ậ n$ .

Ví dụ 1: Hòa tan hoàn toàn 8,84 gam hỗn hợp X gồm $A l$ và $F e$ trong dung dịch $H C l$ dư thu được 6,272 lít khí $H_{2}$ (đkc). Tính khối lượng $A l$ trong hỗn hợp X?

Hướng dẫn giải:

$\overset{0}{A l}$ , $\overset{0}{F e}$ (8,84 gam) $\overset{+ \overset{+ 1}{H} \overset{- 1}{C l d ư}}{\to}$