Xem mẫu
- CHUYÊN ĐỀ 3
PHẢN ỨNG OXI HÓA – KHỬ
I. SỐ OXI HÓA
I.1. Định nghĩa.
Số oxi hóa ( mức oxi hóa, bậc oxi hóa) là một đại lượng quy ước với giả thiết phân tử
chỉ gồm các ion.
Như vậy trong liên kết cộng hóa trị: coi như cặp electron của liên kết cộng hóa trị
lệch hẳn về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn để tạo thành ion âm và nguyên tử kia tạo
thành ion d ương.
I.2. Quy tắc xác định số oxi hóa:
a. Đơn chất: Tất cả các đơn chất có số oxi hóa bằng không.
b. Hợp chất: Vì phân tử trung hòa về điện nên tổng số oxi hóa dương phải bằng tổng
số oxi hóa âm. Để tính nhanh số oxi hóa ccủa các nguyên tố, trước hết tính số oxi hóa của
các nguyên tố có số oxi hóa không đổi (chỉ có một số oxi hóa duy nhất) cụ thể là:
▪ Tất cả các kim loại đều có số o xi hóa d ươngvàbằng hóa trị của chúng trong hợp
chất
▪ Hầu hết trong hợp chất, Hiđro có số oxi hóa là +1, trừ trường hợp hiđrua kim loại
như NaH-1, CaH2-1...
▪ Hầu hết trong hợp chất, Oxi có số oxi hóa là -2, trừ trường hợp peoxit, supeoxit và
một số trường hợp đặc biệt như Na2O2-1, H2O2-1, F-O-NO2....
c. Ion: tổng số oxi hóa âm và dương b ằng điện tích ion.
Ví dụ: NO3- ( N+5, O-2), SO42-( S+6, O-2)....
d. Đối với hợp chất hữu cơ: Ngoài các quy tắc trên khí xác định số oxi hóa của
cacbon trong hợp chất hữu cơ cần chú ý:
▪ Trong liên kết với phi kim (O, Cl, Br, I, N, S ) cacbon có số oxi hóa d ương; trong
liên kết với hiđro hay với kim loại cacbon có số oxi hóa âm; trong liên kết C - C cacbon có
số oxi hóa bằng 0.
▪ Việc xác định số oxi hóa riêng của cacbon cần dựa vào CTCT.
▪ Số oxi hóa trung b ình của C là trung bình cộng tất cả các số oxi hóa của nguyên tử
cacbon trong phân tử.
1
3
Ví dụ: CH3 - CH = O Số oxi hóa trung b ình của C là - 1.
II. PH ẢN ỨNG OXI HÓA - K HỬ.
II.1. Định nghĩa.
Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của
các nguyên tố.
II.2. Chất oxi hóa, chất khử.
Trước hết cần hiểu 3 cặp danh từ t ương đ ương nhau: cho - nhận eletron, nhường -
thu electron, mất - lấy eletron.
- Chất oxi hóa là chất nhận eletron (còn gọi là bị khử), số oxi hóa giảm.
=29=
- - Chất khử là chất cho eletron (còn gọi là b ị oxi hóa), số oxi hóa tăng.
Để xác định nhanh và chính xác chất oxi hóa, chất khử ta dựa vào sơ đồ biến đổi số oxi
hóa sau đây:
chiều tăng số oxi hóa, chất khử
-4 -3 -2 -1 0 +1 + 2 + 4 +5 +7 +8
chiều giảm số oxi hóa, chất oxi hóa
II.3. Sự oxi hóa và sự khử.
- Sự oxi hóa là quá trình nhường electron của một chất, số oxi hóa của chất đó tăng
lên
Na0 Na+1 + 1e
Ví dụ.
2 Cl- Cl20 + 2e
- Sự khử là quá trình nhận electron của một chất, số oxi hóa của chất đó giảm xuống.
Fe+2 + 2 e Fe0
Ví dụ.
S+6 + 8e S-2
Trong phản ứng oxi hóa khử bao giờ cũng diễn ra đồng thời sự oxi hóa và sự khử.
II.4. Cặp oxi hóa - khử liên hợp.
Hai d ạng trước và sau phản ứng của chất oxi hóa và chất khử tạo ra các cặp oxi hóa -
khử liên hợp.
2Na + Cl2 2NaCl
Ví dụ.
0
Có hai cặp oxi hóa - khử liên hợp là: Na Na , Cl 2 Cl 1
1
Tổng quát: Cặp oxi hóa khử liên hợp gồm dạng oxi hóa/ d ạng khử. Dạng oxi hóa là
d ạng có số oxi hóa cao hơn, dạng khử là dạng có số oxi hóa thấp hơn, d ạng này có thể
chuyển thành dạng kia.
Cl20 + 2 e 2 Cl-1
Ví dụ.
2 Cl- Cl20 + 2e
II.5. Phân loại phản ứng oxi hóa khử.
a. Phản ứng oxi hóa khử đ ơn giản : Là phản ứng trong đó chất oxi hóa và chất khử
khác nhau.
11
H20 + Cl20 2 HCl
Ví dụ.
1 2
Fe0 + HCl FeCl2 + H20
b. Phản ứng tự oxi hóa - khử: Là phản ứng trong đó tác nhân oxi hóa và tác nhân khử
là 1 nguyên tố duy nhất (nguyên tố có số oxi hóa trung gian).
1 1
Cl20 + 2NaOH NaCl + NaClO + H2O
Ví dụ:
5
4 3
2NO2 + 2NaOH NaNO3 + NaNO2 + H2O
c. Phản ứng oxi hóa - khử nội phân tử: Là phản ứng trong đó tác nhân oxi hóa và tác
nhân khử là những nguyên tố khác nhau như ng cùng nằm trong một phân tử.
5 2 1
,t 0 0
2KClO3 MnO 2KCl + 3O2
Ví dụ: 2
5 2 3 0
0
2NaNO3 t 2 NaNO2 + O2
d. Phản ứng oxi hóa - khử phức tạp: Là phản ứng trong đó có nhiều nguyên tố có sự
thay đ ổi số oxi hóa hoặc có axit, kiềm, nước tham gia làm môi trường.
=30=
- Ví dụ. 2 1 6 3 4
0
4 FeS2 + 14H2SO4 t 2Fe2(SO4)3 + 15SO2 + 14H2O
III. PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ VÀ ỨNG
DỤNG
III.1. Nguyên tắc chung:
Tổng số electron của chất khử cho bằng tổng số electron của chất oxi hóa nhận, hay
nói cách khác, tổng độ tăng số oxi hóa của chất khử bằng tổng độ giảm số oxi hóa của chất
o xi hóa.
III.2. Phương pháp thăng bằng electron:
Tiến hành theo 4 bước.
Bước 1: Viết sơ đồ phản ứng, xác định chất oxi hóa, chất khử (dựa vào sự thay đổi
số oxi hóa của các nguyên tố).
Bước 2: Viết các nửa phương trình cho nhận electron. Tìm hệ số cân bằng số
electron cho - nhận.
Bước 3: Đưa hệ số tìm đ ược từ nửa phương trình cho nhận electron vào các chất oxi
hóa, chất khử tương ứng trong phwơng trình phản ứng.
Bước 4 : Cân b ằng chất không tham gia quá trình oxi hóa khử (nếu có) theo trật tự
sau: Số nguyên tử kim loại, gốc axit, số phân tử môi trường (axit hoặc kiềm) và cu ối cùng
là số lư ợng phân tử nước tạo thành. Kiểm tra kết quả.
Ví dụ:
2
5 3
0
Fe(NO3)3 + NO + H2O
Fe + HNO3
3
0
1 x Fe Fe + 3e
5 2
1 x N + 3e N
Fe + HNO3 Fe(NO3)3 + NO + H2O
Ta thấy, ngoài một phân tử HNO3 đóng vai trò là chất oxi hóa (bị khử thành một
p hân tử NO) còn phải đưa thêm vào 3 phân tử HNO3 (làm nhiệm vụ môi trường) để cung
cấp 3 ion NO3- liên kết kết với ion Fe3+. Cuối cùng ta có:
Fe + 4HNO3 Fe(NO3)3 + NO + 2H2O
Chú ý:
- Khi cân bằng, nếu trong 1 phân tử có đồng thời 2 hay 3 nguyên tố đóng vai trò là
chất khử thì phải viết đủ các quá trình oxi hóa rồi cộng gộp lại. Nhớ lấy đủ số nguyên tử
trong phân tử. Phần còn lại tiến hành như thường lệ.
Ví dụ.
3 2 4 2
0
2 1 0
O2 t Fe2O3 +
FeS2 + SO2
3
2
2Fe + 2e
2Fe
4
1
4 S + 4.5e
4S
4
3
2 x 2FeS2 2Fe + 4S + 22e
2
0
11 x O2 + 2.2e 2 O
=31=
- 4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8 SO2
- Đối với các phản ứng tạo ra nhiều sản phẩm (của sự oxi hóa hay sự khử) trong đó
có nhiều số oxi hóa khác nhau thì có thể viết riêng từng phản ứng đối với từng sản phẩm,
rồi
viết gộp lại sau khi đã nhân với hệ số tỷ lệ giữa các sản phẩm.
Ví dụ: Cân bằng phản ứng sau:
Mg + HNO3 Mg(NO3)2 + NO + N2O + H2O
b iêt tỷ lệ thể tích: NO : N2O = 2 : 3.
Các phản ứng riêng:
3Mg + 8HNO3 3Mg(NO3)2 + 2 NO + 4H2O (1)
4 Mg + 10HNO3 4Mg(NO3)2 + N2O + 5H2O (2)
Để có tỷ lệ thể tích NO : N2O = 2 : 3 ta nhân (2) với 3 rồi cộng gộp 2 phư ơng trình
lại ta được:
15Mg + 38HNO3 15Mg(NO3)2 + 2 NO + 3N2O + 19H2O
III.3. Phương pháp ion - electron.
Cách cân bằng này áp dụng chủ yếu cho các phản ứng oxi hóa - khử xảy ra trong
dung dịch, có sự tham gia của môi trường (axit, bazơ, nước).
Khi cân bằng cũng áp dụng theo 4 bước trên, nhưng ở bước 2 chât oxi hóa và chất
khử được viết dưới dạng ion - electron theo các nguyên tắc sau đây:
1 / Nếu phản ứng có axit tham gia: Vế nào thừa oxi ta thêm H+ đ ể tạo ra H2O và
ngược lại.
Ví dụ: FeO + KMnO4 + H2SO4 Fe2(SO4)4 + MnSO4 + H2O
2
+ 2H+ Fe3+ + H2O + 1e
5 x FeO
7
1 x MnO4- + 8H+ + 5 e Mn2+ + 4 H2O
5 FeO + MnO4- + 8H+ 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O
Chuyển sang phương trình phân tử:
10FeO + 2KMnO4 + 8H2SO4 5Fe2(SO4)3 + 2 MnSO4 + K2SO4 + H2O
2 / Nếu có bazơ tham gia: Vế nào thừa oxi thêm nước để tạo ra OH- và ngược lại.
Ví dụ: NaCrO2 + Br2 + NaOH Na2CrO4 + NaBr + H2O
6
3
2 x CrO2- + 4 OH- CrO42- + 2H2O + 3e
0
2 Br-
3x Br2 + 2 .1e
2 CrO2- + 3 Br2 + 8OH- 2CrO42- + 6Br- + 4H2O
Chuyển sang phương trình phân tử:
2NaCrO2 + 3 Br2 + 8 NaOH 2 Na2CrO4 + 8 NaBr + 4H2O
3 / Nếu phản ứng có H2O tham gia
▪ Sản phẩm phản ứng tạo ra axit, theo nguyên tắc 1/
▪ Sản phẩm phản ứng tạo ra bazơ, theo nguyên tắc 2/
Ví dụ:
KMnO4 + K2SO3 + H2O 4 MnO2 + KOH + K2SO4
7
=32=
- 2x MnO4- + 2 H2O + 3e MnO2 + 4OH-
6
4
3 x SO32- + 2OH- SO42- + H2O + 2 e
2MnO4- + 3SO32- + H2O 2MnO2 + 2OH- + 3SO42-
Chuyển sang phương trình phân tử:
2KMnO4 + 3K2SO3 + H2O 2MnO2 + 2KOH + 3K2SO4
Chú ý:
- Ta có thể kiểm tra lại sự cân bằng điện tích ở cả hai vế của phương trình ion thu
gọn. Nếu tổng điện tích hai vế bằng nhau thì phương trình được cân bằng.
- Ưu điểm của phương pháp này là cho ta hoàn thành chính xác các phương trình
p hản ứng dưới dạng ion thu gọn (bản chất của các phản ứng) chỉ cần biết được trạng thái
đ ầu và trạng thái cuối của dạng oxi hóa và dạng khử.
Ví dụ: Hoàn thành và cân b ằng các phản ứng sau.
a) Cu + NaNO3 + HCl
b ) Al + NaNO3 + NaOH
c) FeS + HNO3(đ)
Giải
a.
Cu + NaNO3 + HCl Cu2+ + NO + .....
3 x Cu0 Cu2+ + 2e
2
5
2 x NO3- + 4H+ + 3 e NO + 2H2O
3Cu + 2NO3- + 8 H+ 3Cu 2+ + 2 NO + 4H2O
b.
AlO2- + NH3 + .....
Al + NaOH + NaNO3
3
8 x Al0 + 4OH- AlO2- + 2 H2O + 3e
3
5
3 x NO3- + 6 H2O + 8e NH3 + 9OH-
+ 3NO3- + 5 OH- + 2 H2O 8AlO2- + 3NH3
8 Al
c.
FeS + HNO3(đ) Fe3+ + SO42- + NO2 + ......
Fe+2 Fe3+ + 1e
6
S -2 + 4H2O SO42- + 8H+ + 8 e
1 x FeS + 4H2O Fe3+ + SO42- + 8H+ + 9e
4
5
9 x NO3- + 2H+ + 1 e NO2 + H2O
FeS + 9NO3 - + 10H+ Fe3+ + SO42- + 9 NO2 + 5 H2O
Nhận xét:
Trong ví d ụ trên nếu viết phư ơng trình phân tử, sau đó cân bằng theo phương pháp
thăng bằng electron thì học sinh sẽ rất khó xác định sản phẩm tạo thành sau phản ứng bao
gồm những chất nào?
Trong ý (a) có tới 2 phương trình phân tử đều phù hợp.
=33=
- 3Cu + 2NaNO3 + 8 HCl 3 CuCl2 + 2NaCl + 2NO + 4 H2O
Ho ặc:
3Cu + 8NaNO3 + 8HCl 3 Cu(NO3)2 + 8NaCl + 2NO + 4 H2O
Trong ý (b) nhiều học sinh cho rằng:
Al + NaOH + NaNO3 NaAlO2 + NH3 + H2O
Kết quả là không thể cân bằng được.
Trong ý (c) cũng có hai phương trình phân tử hợp lí.
FeS + 12HNO3(đ) Fe(NO3)3 + H2SO4 + 9NO2 + 5 H2O
Ho ặc:
3 FeS + 30HNO3(đ) Fe(NO3)3 + Fe2(SO4)3 + 27NO2 + 15H2O
Vì phương trình phân tử chỉ là cách ghép ngẫu nhiên các ion trái d ấu với nhau để tạo
thành phân tử sao cho hợp lí mà thôi.
- Phương pháp này còn được sử dụng để giải nhanh nhiều bài toán khó mà nếu giải
b ằng phương pháp thông thư ờng thì rất mất thời gian thậm trí bế tắc.
Ví dụ 1: Hòa tan một hỗn hợp X gồm hai kim loại A và B trong dung d ịch HNO3
loãng. Kết thúc phản ứng thu được hỗn hợp khí Y (gồm 0,1 mol NO, 0,15 mol NO2 và 0,05
mol N2O ). Biết rằng không có phản ứng tạo muối NH4NO3, số mol HNO3 đ ã phản ứng là:
A. 0,75 mol. B. 0,9 mol. C. 1,2 mol. D. 1,05 mol.
Suy lu ận:
Bán phản ứng khử.
NO3- + 2H+ + 1e NO2 + H2O (1)
2.0,15 0,15
- +
NO3 + 4H + 3e NO + 2H2O (2)
4 .0,1 0,1
- +
+ 8 e N2O + 5H2O
2 NO3 + 10H (3)
10.0,05 0,05
(1)(2)(3) nHNO pư = nH = 2.0,15 + 4.0,1 + 10.0,05 = 1,2 mol
3
Chọn đáp án C.
Ví dụ 2: Cho 12,9 gam hỗn hợp (Al + Mg) phản ứng với dung dịch hỗn hợp 2 axit
HNO3 và H2SO4 (đặc, nóng) thu đợc 0,1 mol mỗi khí SO2, NO, NO2. Cô cạn dung dịch sau
p hản ứng khối lượng muối khan thu đ ược là:
A. 31,5 gam. B. 37,7 gam. C. 34,9 gam. D. 47,3 gam.
Suy lu ận.
Bán phản ứng khử.
2 NO3- + 2 H+ + 1 e NO2 + H2O + NO3- (1)
0,1 0,1
4NO3 + 4 H + 3 e NO + 2H2O + 3NO3-
- +
(2)
0,1 3.0,1
- +
+ 2 e SO2 + H2O + SO42-
2 SO4 + 4H (3)
0 ,1 0,1
=34=
- (1)(2)(3) nNO3 tạo muối = 0,1 + 3.0,1 = 0,4 mol
nSO2 tạo muối = 0,1 mol.
4
Theo định luật bảo to àn khối lượng ta có:
mmuối = mkl + ( mNO + mSO ) tạo muối = 12,9 + 62.0,4 + 96.0,1
2
4
3
= 47,3 gam. Chọn đáp án D.
III.4. Phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa - khử có chất hữu cơ tham gia.
Tương tự đối với chất vô cơ, phản ứng oxi hóa - khử có chất hữu cơ cũng tiến hành
theo 4 bước. Nhưng ở b ước (1) khi tính số oxi hóa của C cần lưu ý theo phương pháp sau:
∙ Phương pháp chung: Tính số oxi hóa trung bình của C.
∙ Đặc biệt đối với những phản ứng chỉ có sự thay đổi nhóm chức, có thể tính số oxi
hóa của C nào có sự thay đổi số oxi hóa.
Ví dụ:
CH3CH2OH + KMnO4 + H2SO4 CH3COOH + MnSO4 + K2SO4 + H2O
Cách 1:
2 1 2
7
5 C2H6O + 2KMnO4 + 3H2SO4 5C2H4O2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8 H2O
2 1
5x 2C 2 C + 2.1e
2
7
2 x Mn + 5e Mn
Cách 2:
1 3 2
7
5CH3COOH + 2MnSO4 + K2SO4+
5 CH3CH2OH + 2KMnO4 + 3 H2SO4
3
1
8 H2O
5x C C + 2.1e
2
7
2 x Mn + 5e Mn
Kết quả của hai cách đều như nhau.
IV. DỰ ĐOÁN CHIỀU CỦA PHẢN ỨNG OXI HÓA - KHỬ.
IV.1. Điều kiện cần.
Quy tắc : Một phản ứng oxi hóa - khử chỉ cố thể xảy ra theo chiều:
Chất oxi hóa mạnh tác dụng với chất khử mạnh tạo ra chất oxi hóa và chất khử yếu
hơn.
Chất oxi hóa Chất oxi hóa
( yếu hơn ) (mạnh)
Tạo dụng
ra
tác
và
Chất khử Chất khử
(mạnh) ( yếu hơn)
=35=
- Fe + Cu(NO3)2 Fe(NO3)2 + Cu
Ví dụ:
Cu + Fe(NO3)2 Không xảy ra.
Cl2 + 2NaI 2 NaCl + I2
I2 + NaCl Không xảy ra.
Dãy điện hóa của kim loại: Cho biết quy luật biến thiên tính oxi hóa của ion kim loại
và tính khử của nguyên tử kim loại.
Chiều tăng tính oxi hóa
Li+K+ Ba2+Na+Mg2+Al3+Mn2+ Zn2+Fe2+Cr3+Ni2+Sn2+Pb 2+Fe3+2H+Cu2+Fe3+ Ag+Hg2+Pt2+
Au 3+
Li K Ba Na Mg Al Mn Zn Fe Cr Ni Sn Pb Fe H2 Cu Fe2+ Ag Hg Pt Au
Chiều giảm tính khử
Chú ý:
1. Dãy điện hóa của một số kim loại nêu trên được xếp theo thứ tự tăng của giá trị thế
đ iện cực chuẩn của cặp oxi hóa - khử M n trong dung dịch mà dung môi là nước. Điều
M
đó có nghĩa là thứ tự trong d ãy đ iện hóa sẽ thay đổi nếu thay đổi dung môi và nồng độ của
ion kim loại trong dung dịch.
2. Trong dãy điện hóa của một số kim loại thông dung ngoài các cặp M n còn có
M
Fe3 Cu 2
thể có các cặp khác như , .... Tùy vị trí tương đ ối của các cặp này so với
,
2
Fe Cu
n
M
M
cặp mà có thể dự đoán phản ứng có xảy ra hay không.
Ví dụ:
2 FeCl3 + Fe 3FeCl2
2 FeCl3 + Cu 2 FeCl2 + CuCl2
FeCl3 + Ag Không xảy ra.
3. Một số kim loại hoạt động mạnh đứng đầu dãy điện hóa tác dụng được với nước ở
đ iều kiện thường như kim loại kiềm (K, Na,...) và một số kim loại kiềm thổ (Ca, Ba, ...) khi
tác d ụng với dung dịch muối Mn+ chúng không khử ion kim loại đứng sau mà khử nước để
tạo thành bazơ và giải phóng H2. Sau đó bazơ có thể tác dụng với muối của kim loại tạo ra
hiđroxit kết tủa (nếu có).
Na + dung d ịch MgCl2.
Ví dụ:
+ 2H2O 2 NaOH + H2
2Na
MgCl2 + 2 NaOH Mg(OH)2 + 2 NaCl
2Na + MgCl2 + 2 H2O Mg(OH)2 + 2NaCl + H2
IV.2. Các điều kiện khác.
Ngoài quy tắc phản ứng oxi hóa - khử còn phụ thuộc vào các điều kiện khác
như: nhiệt độ, chất xúc tác, môi trư ờng thực hiện phản ứng, tỷ lệ các chất tham gia phản
ứng ...
Ví dụ 1: Ảnh hưởng của môi trường.
axit Mn2+ ( không màu)
7 4
H
2O
bazo
=36=
- MnO2 ( nâu đen)
KMnO4
6
( tím) K2MnO4 ( không màu)
3+
axit Gr ( xanh)
6
K2Cr2O7
3
( vàng) H Cr(OH)3 ( xanh)
2O
5Na2SO3 + 2 KMnO4 + 3H2SO4 5Na2SO4 + 2MnSO4 + K2SO4 + H2O
Na2SO3 + 2KMnO4 + 2 KOH Na2SO4 + K2MnSO4 + H2O
2 KMnO4 + 3K2SO3 + H2O 2MnO2 + 3K2SO4 + 2KOH.
6 FeSO4 + K2Cr2O7 + 7 H2SO4 3 Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7 H2O
Ví dụ 2: Ảnh hưởng của chất xúc tác và nhiệt độ.
0
1000
4 NH3 + 3O2 2 N2 + 6 H2O
Pt ,8500
4 NH3 + 5O2 4NO + 6 H2O
Ví dụ 3: Ảnh hưởng của tỷ lệ các chất tham gia phản ứng.
0
5 3 5 1
0
t
KClO3 + NH3 KNO3 + KCl + Cl2 + H2O
Nhận xét: Đây là phản ứng oxi hóa – khử có nguyên tử Clo giảm số oxi hóa nhiều nấc.
Để cân bằng phản ứng này, ta gọi x và y là tỉ lệ hệ số của KCl và Cl2 trong phương trình
p hản ứng.
Ta có:
1
5
x (Cl + 6e Cl )
5 0
y (2Cl + 2. 5e Cl2)
5 1 0
4 . (x + 2y)Cl + (6x + 10y)e xCl + y Cl2
5
3
N N + 8e
(3x + 5 y).
4(x + 2y)KClO3 + (3x + 5y)NH3
(3 x 5 y ) (9 x 15 y)
0
t
(3x + 5y)KNO3 + (x+3y)KCl + Cl2 + H2O
2 2
=37=
nguon tai.lieu . vn
