Phản ứng oxi hóa - khử | Cách cân bằng và bài tập Hóa 10

Trong chương trình Hóa học 10, phản ứng oxi hóa khử là nội dung trọng tâm liên quan đến sự chuyển electron và sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố.

Bài viết giúp học sinh hiểu phản ứng oxi hóa khử là gì, cách xác định chất oxi hóa và chất khử, dấu hiệu nhận biết phản ứng oxi hóa khử, cách cân bằng phản ứng oxi hóa khử bằng phương pháp thăng bằng electron và các dạng bài tập thường gặp.

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 nói cách khác là có sự thay đổi số oxi hóa của ít nhất một nguyên tố hóa học. [1]

Phân biệt chất khử và chất oxi hóa

Để không bị nhầm lẫn, học sinh hãy ghi nhớ sơ đồ chuyển hóa sau:

Chất KHỬ → Nhường electron → Số oxi hóa TĂNG

Chất OXI HÓA → Nhận electron → Số oxi hóa GIẢM

• Chất khử (chất bị oxi hóa): Trong phản ứng oxi hóa khử, chất khử là chất nhường electron, làm số oxi hóa của nguyên tố tăng sau phản ứng.

• Chất oxi hóa (chất bị khử): Trong phản ứng oxi hóa khử, chất oxi hóa là chất nhận electron, làm số oxi hóa của nguyên tố giảm sau phản ứng.

Quá trình oxi hóa và quá trình khử

Ví dụ xét phản ứng: \(\overset{0}{\text{Zn}} + 2\overset{+1}{\text{H}}\text{Cl} \rightarrow \overset{+2}{\text{Zn}}\text{Cl}_2 + \overset{0}{\text{H}_2}\uparrow\)

\(\text{Zn}\) tăng số oxi hóa từ 0 lên +2 → Zn là chất khử.

\(\text{H}^+\) trong HCl giảm số oxi hóa từ +1 xuống 0 → HCl là chất oxi hóa.

\(\overset{0}{\text{Zn}}\rightarrow\overset{+2}{\text{Zn}}+2\text{e }\) → Quá trình oxi hóa Zn.

\(2\overset{+1}{\text{H}} + 2\text{e} \rightarrow \overset{0}{\text{H}_2}\) → Quá trình khử \(\text{H}^+\).

Số oxi hóa và quy tắc xác định số oxi hóa

Số oxi hóa là gì?

Số oxi hóa của một nguyên tố trong hợp chất là điện tích của nguyên tử nguyên tố đó nếu giả định rằng liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử là liên kết ion. [1]

Quy ước trình bày: Số oxi hóa được viết bằng dấu trước, số sau và đặt ở phía trên đầu ký hiệu nguyên tố.

Ví dụ: \(\overset{+1}{\text{H}},\overset{-2}{\text{ O}},\overset{+2}{\text{ Cu}}\) (Phân biệt với điện tích ion viết số trước dấu sau ở phía trên bên phải, ví dụ: \(\text{Cu}^{2+}\)).

Bốn quy tắc vàng xác định số oxi hóa

Theo chương trình Hóa học 10 Kết nối tri thức:

• Quy tắc 1: Số oxi hóa của nguyên tử trong các đơn chất luôn bằng 0.

  • Ví dụ: \(\overset{0}{\text{Cu}},\overset{0}{\text{ Zn}},\overset{0}{\text{ H}_2},\overset{0}{\text{ O}_2},\overset{0}{\text{ Cl}_2}\).

• Quy tắc 2: Trong các hợp chất:

  • Số oxi hóa của \(\text{H}\) thường là +1 (trừ các hydride kim loại như \(\text{Na}\overset{-1}{\text{H}}\), \(\text{Ca}\overset{-1}{\text{H}_2}\)).

  • Số oxi hóa của \(\text{O}\) thường là -2 (trừ \(\text{O}\overset{+2}{\text{F}_2}\) và peroxide như \(\text{H}_2\overset{-1}{\text{O}_2}\)).

  • Số oxi hóa của kim loại kiềm (Nhóm IA) luôn là +1, kim loại kiềm thổ (Nhóm IIA) là +2, nhôm (\(\text{Al}\)) là +3.

• Quy tắc 3: Trong một phân tử trung hòa về điện, tổng số oxi hóa của các nguyên tử (có tính đến số nguyên tử) luôn bằng 0.

• Quy tắc 4: Trong một ion đơn nguyên tử hay đa nguyên tử, tổng số oxi hóa của các nguyên tử bằng chính điện tích của ion đó.

Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Xác định số oxi hóa của \(\text{S}\) trong \(\text{H}_2\text{SO}_4\)

1. Gọi x là số oxi hóa của S.

2. Áp dụng Quy tắc 2: Số oxi hóa của H là +1, của O là -2.

3. Áp dụng Quy tắc 3: \[2 \cdot (+1) + 1 \cdot x + 4 \cdot (-2) = 0 \Rightarrow 2 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +6\]

4. Kết luận: Trong \(\text{H}_2\text{SO}_4\), số oxi hóa của S là +6 (kí hiệu: \(\text{H}_2\overset{+6}{\text{S}}\text{O}_4\)).

Ví dụ 2: Xác định số oxi hóa của Mn trong ion permanganate \(\text{MnO}_4^-\)

1. Gọi y là số oxi hóa của Mn.

2. Số oxi hóa của O là -2.

3. Áp dụng Quy tắc 4: \[1 \cdot y + 4 \cdot (-2) = -1 \Rightarrow y - 8 = -1 \Rightarrow y = +7\]

4. Kết luận: Trong ion \(\text{MnO}_4^-\), số oxi hóa của \(\text{Mn}\) là +7 (kí hiệu: \(\overset{+7}{\text{Mn}}\text{O}_4^-\)).

Dấu hiệu nhận biết phản ứng oxi hóa khử

Dấu hiệu nhanh và chính xác nhất để nhận biết: So sánh số oxi hóa của các nguyên tố trước và sau phản ứng.

• Có sự thay đổi số oxi hóa của ít nhất một nguyên tố → Là phản ứng oxi hóa khử.

• Không có sự thay đổi số oxi hóa của nguyên tố nào → Không phải phản ứng oxi hóa khử (thường là phản ứng trao đổi, phản ứng trung hòa).

Mẹo quan sát nhanh: Phản ứng có sự tham gia hoặc tạo thành đơn chất thường có khả năng là phản ứng oxi hóa khử. Tuy nhiên, để xác định chính xác, cần so sánh số oxi hóa của các nguyên tố trước và sau phản ứng.

Trường hợp đặc biệt cần lưu ý:

Phản ứng tự oxi hóa khử: Nguyên tử của cùng một nguyên tố trong cùng một chất vừa tăng vừa giảm số oxi hóa.

\[\overset{0}{\text{Cl}_2} + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}\overset{+1}{\text{Cl}}\text{O} + \text{Na}\overset{-1}{\text{Cl}} + \text{H}_2\text{O}\]

Phản ứng nội oxi hóa khử: Nguyên tố đóng vai trò chất khử và nguyên tố đóng vai trò chất oxi hóa nằm trong cùng một chất, nhưng là hai nguyên tố khác nhau.

\[2\text{K}\overset{+5}{\text{N}}\overset{-2}{\text{O}_3}\xrightarrow{t^{o}}2\text{K}\overset{+3}{\text{N}}\text{O}_2+\overset{0}{\text{O}_2}\uparrow\]

Cách cân bằng phản ứng oxi hóa khử bằng phương pháp thăng bằng electron

Bản chất của phương pháp này dựa trên định luật bảo toàn điện tích: Tổng số electron do chất khử nhường = Tổng số electron mà chất oxi hóa nhận.

Áp dụng chuẩn quy trình 4 bước SGK Kết nối tri thức:

Xác định số oxi hóa

Xác định số oxi hóa của các nguyên tố có sự thay đổi để tìm ra đâu là chất khử, đâu là chất oxi hóa.

Viết các quá trình

Viết quá trình oxi hóa và quá trình khử, cân bằng số nguyên tử và số electron nhường/nhận ở mỗi quá trình.

Tìm hệ số thăng bằng

Tìm hệ số thích hợp nhân vào hai quá trình sao cho: Tổng e nhường = Tổng e nhận (tìm BCNN của số e nhường và nhận).

Đặt hệ số và kiểm tra

Đặt hệ số tìm được vào phương trình hóa học. Đặt các hệ số vừa tìm được vào phương trình, cân bằng các nguyên tố còn lại và kiểm tra lại số nguyên tử của từng nguyên tố ở hai vế.

Ví dụ minh họa về cân bằng phản ứng oxi hóa khử

Đề bài: Cân bằng phản ứng sau bằng phương pháp thăng bằng electron:

\[\text{Fe} + \text{HNO}_3 \rightarrow \text{Fe(NO}_3\text{)}_3 + \text{NO} + \text{H}_2\text{O}\]

• Bước 1: Xác định số oxi hóa:

  \[\overset{0}{\text{Fe}}+\text{ H}\overset{+5}{\text{N}}\text{O}_3\rightarrow\overset{+3}{\text{ Fe}}(\text{NO}_3)_3+\overset{+2}{\text{N}}\text{O }+\text{ H}_2\text{O}\]

→ Fe là chất khử, \(\text{HNO}_3\) là chất oxi hóa.

• Bước 2 & 3: Viết quá trình và tìm hệ số thăng bằng:

  \[\begin{array}{r\|l} 1 & \overset{0}{\text{Fe}} \rightarrow \overset{+3}{\text{Fe}} + 3\text{e} \quad \text{(Quá trình oxi hóa)} \\ 1 & \overset{+5}{\text{N}} + 3\text{e} \rightarrow \overset{+2}{\text{N}} \quad \text{(Quá trình khử)} \end{array}\]

• Bước 4: Đặt hệ số và hoàn thành phương trình:

  1. Đặt hệ số 1 cho \(\text{Fe(NO}_3\text{)}_3\) và 1 cho \(\text{NO}\).

  2. Cân bằng \(\text{Fe}\): \(1\text{ Fe}\).

  3. Cân bằng \(\text{N}\) (chú ý N ở cả trong muối và trong khí):

     \[\text{Tổng N vế phải} = 3 \text{ (trong muối)} + 1 \text{ (trong NO)} = 4 \Rightarrow \text{Hệ số } \text{HNO}_3 = 4\]

  4. Cân bằng H: \(4\text{H} \Rightarrow 2\text{H}_2\text{O}\).

  5. Kiểm tra nguyên tử O: Vế trái \(4 \cdot 3 = 12\); Vế phải \(1 \cdot 9 + 1 \cdot 1 + 2 \cdot 1 = 12\) (Đã bằng nhau)

  \[\text{Fe }+\text{ }4\text{HNO}_3\rightarrow\text{ Fe(NO}_3\text{)}_3+\text{NO}+2\text{H}_2\text{O }\]

Ý nghĩa của phản ứng oxi hóa khử trong đời sống và sản xuất

Phản ứng oxi hóa – khử đóng vai trò thiết yếu trong tự nhiên lẫn công nghiệp hiện đại:

Bài tập vận dụng cân bằng phản ứng oxi hóa khử

Bài tập 1: Xác định vai trò các chất trong phản ứng oxi hóa khử

Đề bài: Cho phản ứng: \(\text{Mg }+\text{ }2\text{HCl}\rightarrow\text{ MgCl}_2+\text{ H}_2\uparrow\). Chỉ ra chất khử, chất oxi hóa và các quá trình tương ứng.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Xác định chất khử, chất oxi hóa và quá trình oxi hóa, quá trình khử trong phản ứng oxi hóa - khử.

• Dữ kiện đề cho: Sơ đồ phản ứng \(\text{Mg}+\text{HCl}\rightarrow\text{MgCl}_2+\text{H}_2\uparrow\)

• Thông tin cần tìm (Kết quả): Chỉ ra chất khử, chất oxi hóa, quá trình oxi hóa và quá trình khử.

  Kiến thức cần dùng

• Quy tắc xác định số oxi hóa: Đơn chất có số oxi hóa bằng 0; trong hợp chất, số oxi hóa của \(\text{H}\) thường là +1, Cl là -1.

• Khái niệm:

  • Chất khử (chất bị oxi hóa): Chất nhường electron → Số oxi hóa tăng sau phản ứng.

  • Chất oxi hóa (chất bị khử): Chất nhận electron → Số oxi hóa giảm sau phản ứng.

  • Quá trình oxi hóa (sự oxi hóa): Quá trình nhường electron của chất khử.

  • Quá trình khử (sự khử): Quá trình nhận electron của chất oxi hóa.

Lời giải:

1. Số oxi hóa: \[\overset{0}{\text{Mg}} + 2\overset{+1}{\text{H}}\overset{-1}{\text{Cl}} \rightarrow \overset{+2}{\text{Mg}}\overset{-1}{\text{Cl}_2} + \overset{0}{\text{H}_2}\]

2. Vai trò:

   • \(\text{Mg}\) có số oxi hóa tăng (\(0 \rightarrow +2\)) → Chất khử.

   • HCl chứa \(\text{H}^+\) có số oxi hóa giảm (\(+1 \rightarrow 0\)) → Chất oxi hóa.

3. Quá trình:

   • Quá trình oxi hóa: \(\overset{0}{\text{Mg}} \rightarrow \overset{+2}{\text{Mg}} + 2\text{e}\).

   • Quá trình khử: \(2\overset{+1}{\text{H}} + 2\text{e} \rightarrow \overset{0}{\text{H}_2}\).

Bài tập 2: Cân bằng phản ứng đơn chất

Đề bài: Cân bằng phản ứng: \(\text{Al }+\text{ O}_2\rightarrow\text{ Al}_2\text{O}_3\).

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Cân bằng phản ứng oxi hóa - khử đơn giản (chứa đơn chất).

• Dữ kiện đề cho: Sơ đồ phản ứng chưa cân bằng \(\text{Al} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3\).

• Thông tin cần tìm (Kết quả): Phương trình hóa học đã được cân bằng hoàn chỉnh với hệ số tối giản.

Kiến thức cần dùng

• Phương pháp thăng bằng electron: Tổng số electron nhường = Tổng số electron nhận.

Lời giải:

• Xác định số oxi hóa: \(\overset{0}{\text{Al}} + \overset{0}{\text{O}_2} \rightarrow \overset{+3}{\text{Al}_2}\overset{-2}{\text{O}_3}\).

• Lập thăng bằng e (chú ý phân tử \(\text{O}_2\) gồm 2 nguyên tử):

  \[\begin{array}{r\|l} 4 & \overset{0}{\text{Al}} \rightarrow \overset{+3}{\text{Al}} + 3\text{e} \\ 3 & \overset{0}{\text{O}_2} + 4\text{e} \rightarrow 2\overset{-2}{\text{O}} \end{array}\]

• Phương trình cân bằng: \[4\text{Al} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Al}_2\text{O}_3\]

Bài tập 3: Phản ứng tạo môi trường

Đề bài: Cân bằng phản ứng: \[\text{Cu }+\text{ HNO}_3\text{ (đặc)}\rightarrow\text{ Cu(NO}_3\text{)}_2+\text{ NO}_2+\text{ H}_2\text{O}\]

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Cân bằng phản ứng oxi hóa - khử có chất tham gia vừa làm chất oxi hóa, vừa làm môi trường.

• Dữ kiện đề cho: Phản ứng kim loại tác dụng với acid có tính oxi hóa mạnh \[\text{Cu}+\text{HNO}_3\text{ (đặc)}\rightarrow\text{Cu(NO}_3\text{)}_2+\text{NO}_2+\text{H}_2\text{O }\]

• Thông tin cần tìm (Kết quả): Phương trình hóa học cân bằng đúng hệ số của các chất (đặc biệt là hệ số của \(\text{HNO}_3\)).

Kiến thức cần dùng

• Quy tắc tính hệ số acid tạo muối + sản phẩm khử:

  \[\text{Số gốc HNO}_3\text{ phản ứng}=\text{Số N (trong muối)}+\text{Số N (trong sản phẩm khử) }\]

• Bảo toàn nguyên tố: Bảo toàn Nitrogen (N) để tìm hệ số \(\text{HNO}_3\), bảo toàn Hydro (H) để tìm hệ số \(\text{H}_2\text{O}\).

Lời giải:

• Xác định số oxi hóa: \[\overset{0}{\text{Cu}}+\text{H}\overset{+5}{\text{N}}\text{O}_3\rightarrow\overset{+2}{\text{Cu}}(\text{NO}_3)_2+\overset{+4}{\text{N}}\text{O}_2+\text{ H}_2\text{O}\]

• Thăng bằng electron:

  \[\begin{array}{r\|l} 1 & \overset{0}{\text{Cu}} \rightarrow \overset{+2}{\text{Cu}} + 2\text{e} \\ 2 & \overset{+5}{\text{N}} + 1\text{e} \rightarrow \overset{+4}{\text{N}} \end{array}\]

• Đặt hệ số: \[1\text{Cu} + \text{HNO}_3 \rightarrow 1\text{Cu(NO}_3\text{)}_2 + 2\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O}\]

• Cân bằng N vế phải: \(2 \text{ (trong muối)} + 2 \text{ (trong NO}_2) = 4\text{ N} \Rightarrow \text{Đặt 4 vào } \text{HNO}_3\).

• Phương trình hoàn chỉnh:

  \[\text{Cu}+\text{ }4\text{HNO}_3\rightarrow\text{ Cu(NO}_3\text{)}_2+2\text{NO}_2+2\text{H}_2\text{O}\]

Bài tập 4: Cân bằng phản ứng chứa ẩn số x, y trong phản ứng oxi hóa khử

Đề bài: Cân bằng phản ứng: \[\text{Fe }+\text{ HNO}_3\rightarrow\text{ Fe(NO}_3\text{)}_3+\text{ N}_{x}\text{O}_{y}+\text{ H}_2\text{O}\]

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Cân bằng phản ứng oxi hóa - khử chứa hệ số ẩn (x, y) trong công thức sản phẩm khử.

• Dữ kiện đề cho: Sơ đồ phản ứng tổng quát \(\text{Fe}+\text{HNO}_3\rightarrow\text{Fe(NO}_3\text{)}_3+\text{N}_{x}\text{O}_{y}+\text{H}_2\text{O }\).

• Thông tin cần tìm (Kết quả): Phương trình cân bằng biểu diễn hệ số các chất theo biến x và y.

Kiến thức cần dùng

• Xác định số oxi hóa trung bình của \(\text{N}\) trong \(\text{N}_x\text{O}_y\):

  \(\text{Số oxi hóa của N} = +\frac{2y}{x}\)

• Tính số electron trao đổi của cụm phân tử \(\text{N}_x\text{O}_y\):

  \[x\overset{+5}{\text{N}} + (5x - 2y)\text{e} \rightarrow \text{N}_x^{\left(+\frac{2y}{x}\right)}\]

• Bảo toàn nguyên tố \(\text{N}\) và \(\text{H }\) dạng đại số theo biến x, y.

Lời giải:

• Xác định sự thay đổi số oxi hóa:

  \[\overset{0}{\text{Fe }}\rightarrow\overset{+3}{\text{ Fe}}\]

  \[x\overset{+5}{\text{N}} \rightarrow \overset{+2y/x}{\text{N}_x} \quad \left(\text{Số oxi hóa của N trong N}_x\text{O}_y \text{ là } +\frac{2y}{x}\right)\]

Lập thăng bằng electron:

\[\begin{array}{rl}(5x-2y) & \overset{0}{\text{Fe}}\rightarrow\overset{+3}{\text{Fe}}+3\text{e}\\ 3 & x\overset{+5}{\text{N}}+(5x-2y)\text{e}\rightarrow\text{N}_{x}\end{array}\]

• Đưa hệ số vào phương trình: \[(5x-2y)\text{Fe}+\text{HNO}_3\rightarrow(5x-2y)\text{Fe(NO}_3\text{)}_3+3\text{N}_{x}\text{O}_{y}+\text{H}_2\text{O}\]

• Tính tổng nguyên tử N ở vế phải để tìm hệ số \(\text{HNO}_3\):

  \[\text{Tổng N} = 3 \cdot (5x - 2y) + 3x = 18x - 6y\]

• Hệ số của \(\text{H}_2\text{O}\) bằng một nửa hệ số \(\text{HNO}_3\): \(\frac{18x - 6y}{2} = 9x - 3y\).

• Phương trình cân bằng hoàn chỉnh:

  \[(5x - 2y)\text{Fe} + (18x - 6y)\text{HNO}_3 \rightarrow (5x - 2y)\text{Fe(NO}_3\text{)}_3 + 3\text{N}_x\text{O}_y + (9x - 3y)\text{H}_2\text{O}\]

  Tham khảo thêm: Dãy điện hóa kim loại | Bảng đầy đủ, quy tắc alpha và cách ghi nhớ.

Phản ứng oxi hóa khử là chủ đề kiến thức mang tính logic cao trong chương trình Hóa học 10. Bằng cách ghi nhớ rõ quy tắc xác định số oxi hóa, áp dụng đúng khẩu quyết "Khử cho - Oxi nhận" và tuân thủ đúng 4 bước cân bằng electron, học sinh hoàn toàn có thể làm chủ mọi dạng đề thi từ cơ bản đến nâng cao. Để hệ thống thêm các nội dung liên quan, học sinh có thể tham khảo tổng hợp kiến thức Hóa 10 tại ZIM Academy.