Trong cuộc sống cũng như trong tự nhiên có nhiều hiện tượng mà nguyên nhân chính là do phản ứng oxi hoá − khử gây ra. Phản ứng oxi hoá − khử là gì? Vai trò quan trọng của chúng trong cuộc sống như thế nào? Mời các bạn cùng tìm hiểu phản ứng oxi hóa khử và các ứng dụng của phản ứng hóa học này trong đời sống!
 |
| Phản ứng oxi hoá − khử |
1. Số oxi hóa
1.1. Tìm hiểu số oxi hóa
- Số oxi hoá của một nguyên tử trong phân tử là điện tích của nguyên tử nguyên tố đó nếu giả định cặp electron chung thuộc hẳn về nguyên tử của nguyên tố có độ âm điện lớn hơn.
 |
| Magnesium phản ứng với oxygen |
- Số oxi hoá là đại lượng quan trọng trong việc nghiên cứu các phản ứng có sự chuyển dịch electron, là điện tích giả định của nguyên tử nguyên tố trong hợp chất.
- Cách biểu diễn số oxi hoá: Số oxi hoá được đặt ở phía trên kí hiệu của nguyên tố
 |
| Cách biểu diễn số oxi hoá |
1.2. Xác định số oxi hoá của nguyên tử các nguyên tố
- Số oxi hoá của nguyên tử một nguyên tố là một số đại số được gán cho nguyên tử của nguyên tố đó và thường được xác định theo các quy tắc sau:
Quy tắc 1: Số oxi hoá của nguyên tử trong các đơn chất bằng 0.
Quy tắc 2: Trong một phân tử, tổng số oxi hoá của các nguyên tử bằng 0.
Quy tắc 3: Trong các ion, số oxi hoá của nguyên tử (đối với ion đơn nguyên tử) hay tổng số oxi hoá các nguyên tử (đối với ion đa nguyên tử) bằng điện tích của ion đó
Quy tắc 4: Trong đa số các hợp chất, số oxi hoá của hydrogen bằng +1, trừ các hydride kim loại (như NaH, CaH2, ...). Số oxi hoá của oxygen bằng –2, trừ OF2 và các peroxide, superoxide (như H2O2, Na2O2, KO2, ...). Kim loại kiềm (nhóm IA) luôn có số oxi hoá +1, kim loại kiềm thổ (nhóm IIA) có số oxi hóa +2. Nhôm (aluminium) có số oxi hóa +3. Số oxi hoá của nguyên tử nguyên tố fluorine trong các hợp chất bằng –1.
 |
| Một số quy ước về số oxi hóa |
2. Phản ứng oxi hóa khử
- Phản ứng oxi hoá ‒ khử là phản ứng hoá học, trong đó có sự chuyển dịch electron giữa các chất(*) phản ứng hay có sự thay đổi số oxi hoá của một số nguyên tử trong phân tử.
(*) “Chất” ở đây được hiểu là nguyên tử, phân tử hoặc ion.
- Trong phản ứng oxi hoá – khử luôn xảy ra đồng thời quá trình oxi hoá và quá trình khử.
- Chất khử là chất nhường electron, chất oxi hóa là chất nhận electron.
 |
| Đặc điểm của chất khử và chất oxi hóa |
- Chất oxi hoá mạnh thường là các hợp chất chứa nguyên tử của nguyên tố có số oxi hoá cao (như MnO4- (Mn có số oxi hóa là +7),CrO3- (Cr có số oxi hóa là +6), Cr2O72- (Cr có số oxi hóa là +6) hoặc đơn chất của các nguyên tố có độ âm điện lớn (như F2, O2, Cl2, Br2, ...).
|
Magnesium phản ứng với Hydrogen chloride |
- Chất khử mạnh thường là các hợp chất chứa nguyên tử của nguyên tố có số oxi hoá thấp (như H2S (S có số oxi hóa là -2,KI (I có số oxi hóa là -1, NaH (H có số oxi hóa là -1, ...) hoặcđơn chất kim loại (như kim loại kiềm, kiềm thổ, ...).
 |
| Kim loại Zn phản ứng với dung dịch CuSO4 |
3. Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa khử
- Có nhiều phương pháp lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử. Phương pháp thông dụng hiện nay là phương pháp thăng bằng electron.
-Tìm hiểu cách lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử bằng phương pháp thăng bằng electron
👉 Nguyên tắc của phương pháp:
Tổng số electron chất khử nhường = Tổng số electron chất oxi hoá nhận.
- Để lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử theo phương pháp thăng bằng electron, ta thực hiện theo các bước:
Bước 1: Xác định số oxi hoá của các nguyên tử có sự thay
đổi số oxi hoá trong phản ứng, từ đó xác định chất oxi hoá, chất khử.
Bước 2: Viết quá trình oxi hoá và quá trình khử.
Bước 3: Xác định và nhân hệ số thích hợp vào các quá
trình sao cho tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận.
Bước 4: Đặt các hệ số vào sơ đồ phản ứng. Cân bằng số lượng nguyên tử của các nguyên tố còn lại.
4. Ý nghĩa của phản ứng oxi hóa khử
4.1. Tìm hiểu về sự cháy của nhiên liệu
Gas cháy trong không khí, xảy ra phản ứng oxi hoá – khử, trong đó các hydrocarbon bị oxi hoá và oxygen bị khử, tạo thành sản phẩm carbon dioxide và nước.
 |
| Phản ứng oxi hóa khử trong tàu con thoi |
Hỗn hợp khí hydrogen và oxygen là hỗn hợp gây ra phản ứng nổ, trong đó hydrogen là chất khử và oxygen là chất oxi hoá, tạo thành sản phẩm nước, đồng thời giải phóng năng lượng rất lớn. Ngày nay, phản ứng này được áp dụng để kích nổ hỗn hợp nhiên liệu cho các tàu con thoi.
4.2. Mô tả một số phản ứng oxi hoá – khử quan trọng gắn liền với cuộc sống
Một số phản ứng oxi hoá – khử quan trọng gắn liền với cuộc sống như sự cháy của than, củi; sự cháy của xăng, dầu trong các động cơ đốt trong; các quá trình điện phân; các phản ứng xảy ra trong pin, ắc quy; ...
Một số phản ứng oxi hoá ‒ khử là cơ sở của quá trình sản xuất trong các ngành công nghiệp nặng; sản xuất các hoá chất cơ bản; sản xuất phân bón; thuốc bảo vệ thực vật; dược phẩm; ...
- Quang hợp ở thực vật
Quá trình quang hợp xảy ra khi có điều kiện ánh sáng mặt trời, khi đó carbon dioxide và hơi nước được diệp lục hấp thụ, tạo sản phẩm glucose (C6H12O6) để tổng hợp carbohydrate và giải phóng oxygen.
 |
| Quá trình quang hợp của cây xanh |
Sản xuất gang xảy ra qua nhiều giai đoạn, trong đó phản ứng chính là khí CO khử iron(III) oxide ở nhiệt độ cao, tạo thành iron nóng chảy và khí carbon dioxide.
Kĩ thuật điều chế kim loại đòi hỏi áp dụng phản ứng oxi hoá khử như luyện chromium, gang thép, nhôm (aluminium), …
 |
| Phản ứng oxi hóa khử trong công nghiệp luyện kim |
- Điện hoá
Các quá trình oxi hoá ‒ khử xảy ra có sự tham gia của dòng điện hoặc phát sinh dòng điện như: mạ điện, mạ nhúng nóng; hoạt động pin – ắc quy; điện phân;…
 |
| Phản ứng oxi hóa khử trong pin điện hóa |
Pin dùng thông dụng hiện nay là pin kiềm (hay pin alkaline). Thành phần của pin gồm zinc, manganese dioxide và dung dịch potassium hydroxide. Trong môi trường kiềm, kẽm (zinc) phản ứng với manganese dioxide tạo sản phẩm zinc oxide, manganese(III) oxide và sinh ra dòng điện trong pin.
Hướng dẫn giải bài tập
Bài 1. Tính số oxi hoá của nguyên tử có đánh dấu * trong các chất và ion dưới đây:
Giải
a)
- K2Cr2O7: Gọi số oxi hóa của Cr trong K2Cr2O7 là x
⇨ (+1).2 + x.2 + (-2).7 = 0
⇨ x = +6
⇨ Số oxi hóa của Cr trong K2Cr2O7 là +6
- KMnO4: Gọi số oxi hóa của Mn trong KMnO4 là x
⇨ (+1).1 + x.1 + (-2).4 = 0
⇨ x = +7
⇨ Số oxi hóa của Mn trong KMnO4 là +7
- KClO4: Gọi số oxi hóa của Cl trong KClO4 là x
⇨ (+1).1 + x.1 + (-2).4 = 0
⇨ x = +7
⇨ Số oxi hóa của Cl trong KClO4 là +7
- NH4NO3: Gọi số oxi hóa của N cần tìm là x
⇨ x.1 + (+1).1 + (+5).1 + (-2).3 = 0
⇨ x = -3
⇨ Số oxi hóa của N cần tìm trong NH4NO3 là -3
b)
- AlO2-.: Gọi số oxi hóa của Al trong AlO2- là x
⇨ x.1 + (-2).2 = -1
⇨ x = +3
⇨ Aố oxi hóa của Al trong AlO2- là +3
- PO43-: Gọi số oxi hóa của P trong PO43- là x
⇨ x.1 + (-2).4 = -3
⇨ x = +5
⇨ Số oxi hóa của P trong PO43- là +5
- ClO3--: Gọi số oxi hóa của Cl trong ClO3- là x
⇨ x.1 + (-2).3 = -1
⇨ x = +5
⇨ Số oxi hóa của Cl trong ClO3- là +5
- SO42- : Gọi số oxi hóa của S trong SO42- là x
⇨ x.1 + (-2).4 = -2
⇨ x = +6
⇨ Số oxi hóa của S trong SO42- là +6
Bài 2. Lập phương trình hoá học của các phản ứng sau bằng phương pháp thăng bằng electron, nêu
rõ chất oxi hoá, chất khử trong mỗi trường hợp.
a) HCl + MnO2 → MnCl2 + Cl2↑ + H2O
b) KMnO4 + KNO2 + H2SO4 → MnSO4 + KNO3 + K2SO4 + H2O
c) Fe3O4 + HNO3 → Fe(NO3)3 + NO↑+ H2O
d) H2C2O2 + KMnO4 + H2SO4→ CO2↑ + MnSO4 + K2SO4+ H2O
Giải:
a) HCl + MnO2 → MnCl2 + Cl2↑ + H2O
Bước 1: Xác định số oxi hóa
- HCl ⇨ Cl ⇨ 0
- MnO2 ⇨ Mn ⇨ +4
- MnCl2 ⇨ Mn ⇨ +2
- Cl2 ⇨ Cl ⇨ 0
Bước 2:
- Quá trình oxi hóa: 2Cl (-1) → Cl2 (0) + 2e
- Quá trình khử: Mn (+4) + 2e → Mn (+2)
+ Chất oxi hóa là Mn trong MnO2 vì Mn nhận electron
+ Chất khử là Cl trong HCl vì Cl nhường electron
Bước 3: Xác định hệ số
1: 2Cl (-1) → Cl2 (0) + 2e
1: Mn (+4) + 2e → Mn (+2)
Bước 4: Đặt các hệ số vào sơ đồ phản ứng và cân bằng
4HCl + MnO2 → MnCl2 + Cl2↑+ 2H2O
b) KMnO4 + KNO2 + H2SO4 → MnSO4 + KNO3 + K2SO4 + H2O
Bước 1: Xác định số oxi hóa
- KMnO4 ⇨ Mn ⇨ +7
- KNO2 ⇨ N ⇨ +3
- MnSO4 ⇨ Mn ⇨ +2
- KNO3 ⇨ N ⇨ +5
Bước 2:
- Quá trình oxi hóa: N (+3) → N (+5) + 2e
- Quá trình khử: Mn (+7) + 5e → Mn (+2)
+ Chất oxi hóa là Mn trongKMnO4 vì Mn nhận electron
+ Chất khử là N trong KNO2 vì N nhường electron
Bước 3: Xác định hệ số
5: N (+3) → N (+5) + 2e
2: Mn (+7) + 5e → Mn (+2)
Bước 4: Đặt các hệ số vào sơ đồ phản ứng và cân bằng
2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 → 2MnSO4 + 5KNO3 + 1K2SO4 + 3H2O
c) Fe3O4 + HNO3 → Fe(NO3)3 + NO↑+ H2O
Bước 1: Xác định số oxi hóa
- Fe3O4 ⇨ Fe ⇨ +8/3
- HNO3 ⇨ N ⇨ +5
- Fe(NO3)3 ⇨ Fe ⇨ +2
- NO⇨ N ⇨ +
Bước 2:
- Quá trình oxi hóa: 3Fe (+8/3) → 3Fe (+3)+ e
- Quá trình khử: N (+5) + 3e → N (+2)
+ Chất oxi hóa là N trong HNO3 vì N nhận electron
+ Chất khử là Fe trong Fe3O4 vì Fe nhường electron
Bước 3: Xác định hệ số
3: 3Fe (+8/3) → 3Fe (+3)+ e
1: N (+5) + 3e → N (+2)
Bước 4: Đặt các hệ số vào sơ đồ phản ứng và cân bằng
3Fe3O4 + 28HNO3 → 9Fe(NO3)3 + NO↑+ 14H2O
d) H2C2O2 + KMnO4 + H2SO4→ CO2↑ + MnSO4 + K2SO4+ H2O
Bước 1: Xác định số oxi hóa
- H2C2O2 ⇨ C⇨ +1
- KMnO4 ⇨ Mn ⇨ +7
- CO2 ⇨ C⇨ +4
- MnSO4 ⇨ Mn ⇨ +2
Bước 2:
- Quá trình oxi hóa: 2C (+1) → 2C (+4) + 6e
- Quá trình khử: Mn (+7) + 5e → Mn (+2)
+ Chất oxi hóa là Mn trong KMnO4 vì Mn nhận electron
+ Chất khử là C trong H2C2O2 vì C nhường electron
Bước 3: Xác định hệ số
3: 2C (+1) → 2C (+4) + 6e
1: Mn (+7) + 5e → Mn (+2)
Bước 4: Đặt các hệ số vào sơ đồ phản ứng và cân bằng
5H2C2O2 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 10CO2↑ + 6MnSO4 + 3K2SO4+ 14H2O
Bài 3. Có nhiều hiện tượng xảy ra xung quanh ta, em hãy nêu hai phản ứng oxi hoá – khử gắn liền với cuộc sống hằng ngày và lập phương trình hoá học của các phản ứng đó bằng phương pháp thăng bằng electron.
Giải:
- Phản ứng đốt than C + O2 → CO2
Bước 1: Xác định số oxi hóa
- C ⇨ C⇨ 0
- O2 ⇨ O ⇨ 0
- CO2 ⇨ C ⇨ +4
Bước 2:
- Quá trình oxi hóa: C (0) → C (+4) + 4e
- Quá trình khử: O2 (0) + 2e → O (-2)
Bước 3: Xác định hệ số
1: C (0) → C (+4) + 4e
1: O2 (0) + 2.2e → 4O (-2)
Bước 4: Đặt các hệ số vào sơ đồ phản ứng và cân bằng
C + O2 → CO2
- Hiện tượng gỉ sét: sắt thép để lâu ngày trong không khí thì trên bề mặt của chúng sẽ xuất hiện lớp màu nâu đỏ: Fe + O2 → Fe3O4
Bước 1: Xác định số oxi hóa
- Fe ⇨ Fe ⇨ 0
- O2 ⇨ O ⇨ 0
- Fe3O4 ⇨ Fe ⇨ +8/3
Bước 2:
- Quá trình oxi hóa: 3Fe (+8/3) → 3Fe (+3)+ 3.8/3e
- Quá trình khử: O2 (0) + 2.2e → 4O (-2)
+ Chất oxi hóa là N trong HNO3 vì N nhận electron
+ Chất khử là Fe trong Fe3O4 vì Fe nhường electron
Bước 3: Xác định hệ số
1: Fe (+8/3) → 3Fe (+3)+ 3.8/3e
2: O2 (0) + 2.2e → 4O (-2)
Bước 4: Đặt các hệ số vào sơ đồ phản ứng và cân bằng
3Fe + 2O2 → Fe3O4
Bài 4. Viết phương trình hoá học của phản ứng điều chế muối zinc chloride (ZnCl2) bằng một phản ứng oxi hoá – khử và một phản ứng không phải là phản ứng oxi hoá – khử.
Giải:
- Phản ứng oxi hóa - khử: Zn + Cl2 → ZnCl2
+ Chất oxi hóa là Cl2 trong Cl2 vì Cl nhận electron
+ Chất khử là Zn trong Zn vì Zn nhường electron
- Phản ứng không phải oxi hóa - khử: ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O
Vì các chất trước và sau không có sự thay đổi số oxi hóa
Bài 5. Nhiên liệu rắn dành cho tên lửa tăng tốc của tàu vũ trụ con thoi là hỗn hợp gồm ammonium perchlorate (NH4ClO4) và bột nhôm. Khi được đốt đến trên 200 0C, ammonium perchlorate nổ theo phản ứng sau:
NH4ClO4 → N2↑ + Cl2↑+ O2↑ + H2O (t0 200 0C)
Lập phương trình hoá học của phản ứng bằng phương pháp thăng bằng electron
Giải:
Bước 1: Xác định số oxi hóa
- NH4ClO4 ⇨ N⇨ +3, Cl ⇨ +7
- N2 ⇨ N ⇨ +47
- Cl2 ⇨ Cl ⇨ +4
- O2 ⇨ O ⇨ +2
Bước 2:
- Quá trình oxi hóa: 2N (+) → N2 (0) + 2.3e, 4O (-2) → 2O2 + 4e
- Quá trình khử: 2Cl (+7) + 2.7e → 7Cl2 (0)
+ Chất oxi hóa là Mn trong KMnO4 vì Mn nhận electron
+ Chất khử là C trong H2C2O2 vì C nhường electron
Bước 3: Xác định hệ số
1: 2N (+) → N2 (0) + 2.3e, 4O (-2) → 2O2 + 4e
1: 2Cl (+7) + 2.7e → 7Cl2 (0)
Bước 4: Đặt các hệ số vào sơ đồ phản ứng và cân bằng
2NH4ClO4 → N2↑ + Cl2↑+ 2O2↑+ 4H2O (t0 200 0C)
0 Nhận xét