Phản ứng oxi hóa - khử SVIP

I. SỐ OXI HOÁ

1. Khái niệm

- Số oxi hóa là điện tích giả định mà nguyên tử mang trong hợp chất khi các electron liên kết bị hút hoàn toàn về phía nguyên tử có độ âm điện cao hơn.

- Cách biểu diễn:

Ví dụ: Phân tử KCl được hình thành khi nguyên tử K nhường 1 electron trở thành ion K⁺ (số oxi hóa +1) và nguyên tử Cl nhận 1 electron trở thành ion Cl^- (số oxi hóa -1).

Cách biểu diễn: \(\overset{+1}{K}\overset{-1}{Cl}\)

2. Quy tắc xác định số oxi hoá

- Nguyên tử ở dạng đơn chất có số oxi hóa bằng 0.

- Trong hợp chất, nguyên tử H, O có số oxi hóa lần lượt là +1 và-2, kim loại điển hình có số oxi hóa dương, bằng số electron hóa trị.

- Tổng các số oxi hóa của nguyên tử trong hợp chất luôn là 0.

- Ion đơn nguyên tử có số oxi hóa bằng điện tích ion, còn ion đa nguyên tử thì tổng số oxi hóa của nguyên tử bằng điện tích ion.

Ví dụ: Xét hợp chất CaCO₃.

- Nguyên tử O có số oxi hóa là -1.

- Nguyên tử Ca là kim loại nhóm IIA nên có số oxi hóa là +2.

- Tổng số oxi hóa trong phân tử bằng 0.

- Gọi số oxi hóa của C là x.

Ta có thể biểu diễn công thức là \(\overset{+2}{Ca}\overset{x}{C}\overset{-2}{O}_3\)

⇒ Lập biểu thức: (+2).1 + x.1 + (-2).3 = 0 ⇔ x = +4.

Ví dụ: Xét ion SO₄^2-.

- Nguyên tử O có số oxi hóa là -1.

- SO₄^2- là ion đa nguyên tử nên tổng số oxi hóa của các nguyên tử bằng điện tích ion.

- Ta có thể biểu diễn công thức là \(\left\lbrack\overset{x}{S}\overset{-2}{O}_4\right\rbrack^{2-}\)

⇒ Lập biểu thức: x.1 + (-2).4 = -2 ⇔ x = +6.

II. CHẤT OXI HOÁ, CHẤT KHỬ, PHẢN ỨNG OXI HOÁ - KHỬ

1. Chất oxi hoá, chất khử

- Chất oxi hóa là chất nhận electron (số oxi hóa giảm), chất khử là chất nhường electron (số oxi hóa tăng).

- Quá trình oxi hóa xảy ra khi chất khử mất electron, quá trình khử xảy ra khi chất oxi hóa nhận electron.

Ví dụ: Xét phản ứng:

\(\overset{0}{Ca}+\overset{0}{Cl_2}\rarr\overset{+2}{Ca}\overset{-1}{Cl_2}\)

- Số oxi hóa của Ca tăng từ 0 lên +2 nên Ca đóng vai trò là chất khử.

- Số oxi hóa của Cl giảm từ 0 xuống -1 nên Cl₂ đóng vai trò là chất oxi hóa.

- Quá trình oxi hóa:

\(\overset{0}{Ca}\rarr\overset{+2}{Ca}+2e\)

- Quá trình khử:

\(\overset{0}{Cl_2}+2e\rarr\overset{-1}{2Cl}\)

2. Phản ứng oxi hoá - khử

- Phản ứng oxi hóa - khử là quá trình chuyển electron giữa chất oxi hóa và chất khử.

- Dấu hiệu nhận biết là có sự thay đổi số oxi hoá.

III. LẬP PHƯƠNG TRÌNH HOÁ HỌC CỦA PHẢN ỨNG OXI HOÁ - KHỬ

Phương pháp thăng bằng electron:

- Bước 1: Xác định sự thay đổi số oxi hóa.

- Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa và khử.

- Bước 3: Xác định hệ số của chất khử và chất oxi hoá sao cho tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận.

- Bước 4: Điền hệ số của chất oxi hoá và chất khử vào sơ đồ phản ứng. Tính toán và kiểm tra sự cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố ở hai vế.

Ví dụ: Xét phản ửng oxi hóa - khử:

\(Zn+CuSO_4\rarr ZnSO_4+Cu\)

Bước 1: Xác định số oxi hóa.

\(\overset{0}{Zn}+\overset{+2}{Cu}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_4}\rarr\overset{+2}{Zn}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_4}+\overset{0}{Cu}\)

- Số oxi hoá của Zn tăng từ 0 lên +2 nên Cu là chất khử.

- Số oxi hoá của Cu giảm từ +2 xuống 0 nên AgNO₃ là chất oxi hoá.

Bước 2: Xác định quá trình oxi hóa và quá trình khử.

- Quá trình oxi hóa:

\(\overset{0}{Zn}\rarr\overset{+2}{Zn}+2e\)

- Quá trình khử:

\(\overset{+2}{Cu}+2e\rarr\overset{0}{Cu}\)

Bước 3: Tìm hệ số thích hợp để tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận.

Bước 4: Đặt hệ số của chất oxi hoá và chất khử vào sơ đồ phản ứng. Kiểm tra các chất còn lại.

\(Zn+CuSO_4\rarr ZnSO_4+Cu\)

IV. PHẢN ỨNG OXI HOÁ – KHỬ TRONG THỰC TIỄN

Hầu hết các biến đổi hóa học trong thực tiễn đều có sự tham gia của phản ứng oxi hóa - khử.

1. Sự cháy

Sự cháy là phản ứng oxi hóa - khử ở nhiệt độ cao giữa nhiên liệu và chất oxi hóa (thường là oxygen), kèm theo toả nhiệt và phát sáng.

Ví dụ: Phản ứng đốt cháy than.

\(C+O_2\overset{t^{o}}{\rarr}CO_2\)

2. Sự han gỉ kim loại

Kim loại trong thiết bị, máy móc dễ bị han gỉ do bị oxi hóa bởi oxygen trong không khí.

Ví dụ: Xích sắt bị gỉ trong không khí ẩm.

\(4Fe+3O_2+xH_2O\rarr2Fe_2O_3.xH_2O\)

3. Sản xuất hoá chất

Các quy trình sản xuất công nghiệp thường dựa trên phản ứng oxi hóa - khử.

Ví dụ: Quá trình tách sắt từ quặng hematite.

\(Fe_2O_3+3CO\rarr2Fe+3CO_2\)

4. Chuyển hoá các chất trong tự nhiên

Các phản ứng oxi hóa – khử trong tự nhiên góp phần duy trì quá trình sống và tuần hoàn vật chất trong tự nhiên.

Ví dụ: Khi mưa kèm sấm sét, tia lửa điện giúp nitrogen phản ứng với oxygen tạo NO, chuyển thành NO₂ rồi thành HNO₃. Nitric acid tan trong nước mưa tạo nitrate (NO₃^-), cung cấp đạm tự nhiên cho cây cối.

5. Xác định nồng độ một chất bằng phản ứng oxi hoá - khử

Dung dịch thuốc tím (KMnO₄) thường được dùng làm chất oxi hóa mạnh để xác định hàm lượng các chất khử như FeSO₄, H₂O₂,...

Ví dụ: Xác định hàm lượng iron(II) sulfate bằng phản ứng chuẩn độ với dung dịch thuốc tím.

\(10FeSO_4+2KMnO_4+8H_2SO_4\rarr5Fe_2\left(SO_4\right)_3+K_2SO_4+2MnSO_4+8H_2O\)