Chuyên đề: Phản ứng oxi hóa - khử — Lý thuyết và Phương pháp giải

• Trong $\mathrm{KMnO_4}$: Gọi số oxi hóa của $\mathrm{Mn}$ là $x$. Áp dụng quy tắc tổng số oxi hóa bằng $0$:

$$(+1) + x + 4(-2) = 0 \Leftrightarrow x - 7 = 0 \Leftrightarrow x = +7 \Rightarrow \mathrm{K\overset{+7}{Mn}O_4}$$

• Trong $\mathrm{H_2SO_4}$: Gọi số oxi hóa của $\mathrm{S}$ là $y$:

$$2(+1) + y + 4(-2) = 0 \Leftrightarrow y - 6 = 0 \Leftrightarrow y = +6 \Rightarrow \mathrm{H_2\overset{+6}{S}O_4}$$

• Trong ion $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$: Gọi số oxi hóa của $\mathrm{Cr}$ là $z$:

$$2z + 7(-2) = -2 \Leftrightarrow 2z - 14 = -2 \Leftrightarrow 2z = 12 \Leftrightarrow z = +6 \Rightarrow \mathrm{\overset{+6}{Cr}_2O_7^{2-}}$$

• Trong ion $\mathrm{NH_4^+}$: Gọi số oxi hóa của $\mathrm{N}$ là $t$:

$$t + 4(+1) = +1 \Leftrightarrow t = +1 - 4 = -3 \Rightarrow \mathrm{\overset{-3}{N}H_4^+}$$

• Trong $\mathrm{Fe_3O_4}$ (magnetite): Gọi số oxi hóa trung bình của $\mathrm{Fe}$ là $a$:

$$3a + 4(-2) = 0 \Leftrightarrow 3a = 8 \Leftrightarrow a = +\frac{8}{3} \Rightarrow \mathrm{\overset{+8/3}{Fe}_3O_4}$$ (thực chất là hỗn hợp gồm $1\mathrm{\overset{+2}{Fe}O} \cdot 1\mathrm{\overset{+3}{Fe}_2O_3}$).

Bước 1: Xác định số oxi hóa trước và sau phản ứng:

$$\overset{0}{\mathrm{Zn}} + 2\overset{+1}{\mathrm{H}}\overset{-1}{\mathrm{Cl}} \longrightarrow \overset{+2}{\mathrm{Zn}}\overset{-1}{\mathrm{Cl}}_2 + \overset{0}{\mathrm{H}}_2$$

• Số oxi hóa của $\mathrm{Zn}$ tăng từ $0$ lên $+2$.

• Số oxi hóa của $\mathrm{H}$ giảm từ $+1$ xuống $0$.

• Số oxi hóa của $\mathrm{Cl}$ không đổi ($-1$).

Bước 2: Phân loại vai trò của các chất:

• $\mathrm{Zn}$ là chất khử (vì nhường electron, số OXH tăng).

• $\mathrm{HCl}$ là chất oxi hóa (ion $\mathrm{H^+}$ nhận electron, số OXH giảm).

Bước 3: Viết các quá trình:

• Quá trình oxi hóa (sự oxi hóa $\mathrm{Zn}$): $$\overset{0}{\mathrm{Zn}} \longrightarrow \overset{+2}{\mathrm{Zn}} + 2e$$

• Quá trình khử (sự khử $\mathrm{H^+}$): $$2\overset{+1}{\mathrm{H}} + 2e \longrightarrow \overset{0}{\mathrm{H}}_2$$

Bước 1: Xác định các nguyên tố thay đổi số oxi hóa:

$$\overset{0}{\mathrm{Cu}} + \mathrm{H}\overset{+5}{\mathrm{N}}\mathrm{O_3} \longrightarrow \overset{+2}{\mathrm{Cu}}(\mathrm{NO_3})_2 + \overset{+2}{\mathrm{N}}\mathrm{O} + \mathrm{H_2O}$$

Chất khử là $\mathrm{Cu}$, chất oxi hóa là $\mathrm{HNO_3}$.

Bước 2 & 3: Viết các quá trình và tìm hệ số nhân thăng bằng electron:

$$3 \times \left[ \overset{0}{\mathrm{Cu}} \longrightarrow \overset{+2}{\mathrm{Cu}} + 2e \right] \quad (e \text{ nhường} = 6)$$

$$2 \times \left[ \overset{+5}{\mathrm{N}} + 3e \longrightarrow \overset{+2}{\mathrm{N}} \right] \quad (e \text{ nhận} = 6)$$

Bước 4: Điền hệ số vào phương trình:

• Đặt hệ số $3$ vào $\mathrm{Cu}$ và $\mathrm{Cu(NO_3)_2}$; đặt hệ số $2$ vào $\mathrm{NO}$:

$$3\mathrm{Cu} + \mathrm{HNO_3} \longrightarrow 3\mathrm{Cu(NO_3)_2} + 2\mathrm{NO} + \mathrm{H_2O}$$

• Đếm tổng nguyên tử $\mathrm{N}$ ở vế phải: $3 \times 2 + 2 = 8$ nguyên tử $\mathrm{N} \Rightarrow$ Điền $8$ vào $\mathrm{HNO_3}$.

• Cân bằng nguyên tử $\mathrm{H}$: Có $8\mathrm{H}$ ở vế trái $\Rightarrow$ Điền $4$ vào $\mathrm{H_2O}$.

• Kiểm tra nguyên tử $\mathrm{O}$: Vế trái: $8 \times 3 = 24$. Vế phải: $3 \times 6 + 2 \times 1 + 4 \times 1 = 24$ (khớp hoàn toàn).

Phương trình hoàn chỉnh:

$$3\mathrm{Cu} + 8\mathrm{HNO_3} \longrightarrow 3\mathrm{Cu(NO_3)_2} + 2\mathrm{NO} \uparrow + 4\mathrm{H_2O}$$

Tỉ lệ các chất: Trong $8$ phân tử $\mathrm{HNO_3}$ tham gia phản ứng, có $2$ phân tử đóng vai trò là chất oxi hóa (tạo $\mathrm{NO}$) và $6$ phân tử đóng vai trò là môi trường (tạo muối $\mathrm{Cu(NO_3)_2}$). Tỉ lệ chất khử : chất oxi hóa : môi trường = $3 : 2 : 6$.

a) Cân bằng phản ứng $\mathrm{Fe_xO_y + HNO_3}$:

• Các quá trình trao đổi electron:

$$3 \times \left[ \mathrm{\overset{+2y/x}{Fe}_x O_y \longrightarrow x \overset{+3}{Fe} + (3x - 2y)e} \right]$$

$$(3x - 2y) \times \left[ \overset{+5}{\mathrm{N}} + 3e \longrightarrow \overset{+2}{\mathrm{N}} \right]$$

• Điền hệ số và cân bằng:

$$3\mathrm{Fe_xO_y} + (12x - 2y)\mathrm{HNO_3} \longrightarrow 3x\mathrm{Fe(NO_3)_3} + (3x - 2y)\mathrm{NO} \uparrow + (6x - y)\mathrm{H_2O}$$

b) Tính thể tích khí $\mathrm{NO}$ bằng bảo toàn electron:

• Số mol $\mathrm{Al}$ phản ứng: $n_{\mathrm{Al}} = \frac{5{,}4}{27} = 0{,}2\text{ mol}$.

• Quá trình nhường electron: $\mathrm{Al} \longrightarrow \mathrm{Al^{3+}} + 3e \Rightarrow n_e\text{ nhường} = 3 \times n_{\mathrm{Al}} = 3 \times 0{,}2 = 0{,}6\text{ mol}$.

• Quá trình nhận electron: $\overset{+5}{\mathrm{N}} + 3e \longrightarrow \overset{+2}{\mathrm{N}} (\mathrm{NO}) \Rightarrow n_e\text{ nhận} = 3 \times n_{\mathrm{NO}}$.

• Áp dụng định luật bảo toàn electron: $$n_e\text{ nhận} = n_e\text{ nhường} \Leftrightarrow 3 \times n_{\mathrm{NO}} = 0{,}6 \Leftrightarrow n_{\mathrm{NO}} = 0{,}2\text{ mol}$$

• Thể tích khí $\mathrm{NO}$ thu được ở điều kiện chuẩn ($24{,}79\text{ L/mol}$):

$$V = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958\text{ lít}$$