SO2 + KMnO4 + H2O | Phương trình, hiện tượng và cách cân bằng

Phản ứng SO2 + KMnO4 + H2O là phản ứng oxi hóa – khử trong chương trình Hóa học 11, trong đó SO2 tác dụng với dung dịch KMnO4 làm thuốc tím mất màu. Sản phẩm phản ứng gồm K2SO4, MnSO4 và H2SO4, với tỉ lệ mol SO2 : KMnO4 là 5 : 2.

Bài viết hướng dẫn cân bằng phương trình SO2 + KMnO4 + H2O bằng phương pháp thăng bằng electron, giải thích hiện tượng phản ứng, xác định vai trò chất oxi hóa, chất khử và vận dụng vào bài tập có lời giải.

Phương trình SO₂ + KMnO₄ + H₂O, sản phẩm và hiện tượng

Trong chương trình Hóa học 11 – Kết nối tri thức, SO₂ thể hiện tính khử khi tác dụng với chất oxi hóa mạnh. [1]

Phương trình \(SO_2+KMnO_4+H_2O\) được cân bằng như sau:

\[5\text{SO}_2 \;+\; 2\text{KMnO}_4 \;+\; 2\text{H}_2\text{O} \;\rightarrow\; \text{K}_2\text{SO}_4 \;+\; 2\text{MnSO}_4 \;+\; 2\text{H}_2\text{SO}_4\]

Phương trình trên biểu diễn phản ứng SO₂ khử ion permanganate thành Mn²⁺ trong môi trường có độ axit thích hợp; đây là một ví dụ về tính khử của sulfur dioxide. [2]

Các chất trong phản ứng lần lượt là sulfur dioxide (\(SO_2\)), potassium permanganate (\(KMnO_4\)), nước (\(H_2O\)), potassium sulfate (\(K_2SO_4\)), manganese(II) sulfate (\(MnSO_4\)) và sulfuric acid (\(H_2SO_4\)).

Phản ứng \(SO_2+KMnO_4+H_2O\) thuộc loại phản ứng oxi hóa – khử vì số oxi hóa của sulfur và manganese thay đổi.

• Trong \(SO_2\), sulfur có số oxi hóa +4. Sau phản ứng, sulfur trong ion sulfate có số oxi hóa +6.

• Trong \(KMnO_4\), manganese trong KMnO₄ giảm từ +7 xuống +2 trong \(MnSO_4\).

Hiện tượng của phản ứng SO₂ + KMnO₄ + H₂O

Khi dẫn khí SO₂ vào dung dịch KMnO₄ trong điều kiện phản ứng tạo Mn²⁺, màu tím của thuốc tím nhạt dần rồi mất màu. Đây là hiện tượng đặc trưng của phản ứng đang xét. [2]

Nguyên nhân là ion \(MnO_4^{-}\) tạo màu tím bị khử thành \(Mn^{2+}\). Vì vậy, khi lượng \(KMnO_4\) đã phản ứng hết, màu tím đặc trưng không còn.

Khi viết phương trình phân tử của phản ứng này, cần có đầy đủ sản phẩm K₂SO₄, MnSO₄ và H₂SO₄ để bảo toàn nguyên tố. Với phương trình ion rút gọn, có thể biểu diễn riêng các ion tham gia oxi hóa – khử; không được tự ý bỏ H₂SO₄ khỏi phương trình phân tử.

Phương trình ion rút gọn của trường hợp tạo Mn²⁺:

\[5SO_2+2MnO_4^-+2H_2O\rightarrow5SO_4^{2-}+2Mn^{2+}+4H^+\]

Sản phẩm khử của ion permanganate còn phụ thuộc vào điều kiện phản ứng. Trong môi trường đủ axit, MnO₄⁻ có thể bị khử thành Mn²⁺, làm dung dịch mất màu tím; ở điều kiện khác có thể xuất hiện MnO₂ màu nâu. Vì vậy, cần xét điều kiện và sản phẩm được cho trong đề bài. [2]

Cách cân bằng SO₂ + KMnO₄ + H₂O bằng phương pháp thăng bằng electron

Để cân bằng SO₂ + KMnO₄ + H₂O bằng phương pháp thăng bằng electron, học sinh dựa vào sự thay đổi số oxi hóa của S và Mn, sao cho tổng electron nhường bằng tổng electron nhận. [1]

Bước 1: Xác định số oxi hóa thay đổi

Trong \(SO_2\), oxygen có số oxi hóa −2. Gọi số oxi hóa của sulfur là x:

x + 2(−2) = 0

⇒ x = +4

Vậy sulfur trong \(SO_2\) có số oxi hóa +4.

Trong \(KMnO_4\), potassium có số oxi hóa +1, oxygen có số oxi hóa −2:

(+1) + x + 4(−2) = 0

⇒ x = +7

Manganese trong \(KMnO_4\) có số oxi hóa +7.

Ở sản phẩm \(MnSO_4\), Mn có số oxi hóa +2. Sulfur trong các ion \(SO_4^{2-}\) của \(K_2SO_4\), \(MnSO_4\) và \(H_2SO_4\) có số oxi hóa +6.

Từ đó cần kết luận sự thay đổi số oxi hóa như sau:

S: +4 → +6

Mn: +7 → +2

Bước 2: Viết quá trình oxi hóa

Sulfur tăng số oxi hóa từ +4 lên +6, tức một nguyên tử S nhường 2 electron:

\(\mathrm{S}(+4)\rightarrow\mathrm{S}(+6)+2e^-\)

\(SO_2\) chứa sulfur bị oxi hóa nên \(SO_2\) là chất khử theo như quy tắc: chất khử là chất nhường electron và bị oxi hóa.

Bước 3: Viết quá trình khử

Manganese giảm số oxi hóa từ +7 xuống +2, tức nhận 5 electron:

\(\mathrm{Mn}(+7)+5e^-\rightarrow\mathrm{Mn}(+2)\)

\(KMnO_4\) chứa \(\mathrm{Mn}(+7)\) nhận electron và bị khử nên KMnO₄ là chất oxi hóa.

Bước 4: Cân bằng số electron

Sulfur nhường 2 electron, còn manganese nhận 5 electron. Bội chung nhỏ nhất của 2 và 5 là 10.

Do đó:

Nhân quá trình oxi hóa với 5: \(5\mathrm{S}(+4)\rightarrow5\mathrm{S}(+6)+10e^-\)

Nhân quá trình khử với 2: \(2\mathrm{Mn}(+7)+10e^-\rightarrow2\mathrm{Mn}(+2)\)

Từ hệ số electron, suy ra tỉ lệ số mol của hai chất phản ứng:

\(n_{SO_2}:n_{KMnO_4}=5:2\)

Đây là tỉ lệ cần nhớ để giải nhanh các bài tính theo phương trình.

Bước 5: Hoàn thiện phương trình

Đặt hệ số vừa tìm được:

\[5SO_2 + 2KMnO_4 + H_2O \rightarrow K_2SO_4 + MnSO_4 + H_2SO_4\]

Có 2 nguyên tử Mn nên đặt 2 trước MnSO₄:

\[5SO_2 + 2KMnO_4 + H_2O \rightarrow K_2SO_4 + 2MnSO_4 + H_2SO_4\]

Sau đó cân bằng sulfur. Vế trái có 5 nguyên tử S. Vế phải đã có 1 S trong \(K_2SO_4\) và 2 S trong 2\(MnSO_4\), nên cần thêm 2\(H_2SO_4\).

Cuối cùng cân bằng hydrogen bằng 2H₂O:

\[5SO_2 + 2KMnO_4 + 2H_2O \rightarrow K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 2H_2SO_4\]

Kiểm tra oxygen: vế trái có 20 nguyên tử O và vế phải cũng có 20 nguyên tử O. Phương trình đã được cân bằng.

Cách làm này dựa đúng bản chất phản ứng oxi hóa – khử: tổng số electron mà chất khử nhường phải bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận. Học sinh có thể xem thêm bài phản ứng oxi hóa – khử và phương pháp thăng bằng electron nếu cần để nắm rõ cách cân bằng phản ứng oxi hóa khử.

Vai trò chất oxi hóa, chất khử của SO₂ và KMnO₄

Trong Bài 7 – Sulfur và sulfur dioxide (Hóa học 11, Kết nối tri thức), học sinh tìm hiểu tính chất oxi hóa và tính khử của SO₂. Sulfur trong SO₂ có số oxi hóa +4, có thể tăng lên +6 hoặc giảm xuống mức thấp hơn tùy chất phản ứng. Phản ứng với KMnO₄ là ví dụ vận dụng kiến thức về tính khử của SO₂. [1]

Hai phản ứng tiêu biểu được dùng trong SGK là phản ứng \(SO_2\) với \(H_2S\) và phản ứng \(SO_2\) với \(NO_2\).

Với \(H_2S\), sulfur trong \(SO_2\) giảm từ +4 xuống 0. SO₂ nhận electron, bị khử và đóng vai trò chất oxi hóa.

Ngược lại, trong phản ứng \(SO_2+KMnO_4+H_2O\), sulfur tăng từ +4 lên +6. \(SO_2\) nhường electron, bị oxi hóa nên đóng vai trò chất khử. Đây là trường hợp rất điển hình để học sinh vận dụng kiến thức của SGK.

Với \(KMnO_4\), manganese giảm từ +7 xuống +2. Vì \(KMnO_4\) nhận electron nên \(KMnO_4\) là chất oxi hóa.

Không thể chỉ dựa vào công thức SO₂ để kết luận chất này luôn là chất khử hoặc chất oxi hóa. Cần xác định sự thay đổi số oxi hóa của sulfur trong từng phản ứng.

Nhận biết SO₂ qua hiện tượng dung dịch KMnO₄ mất màu

\(SO_2\) làm mất màu dung dịch \(KMnO_4\) nên hiện tượng này có thể được sử dụng trong một số bài tập nhận biết khí, đặc biệt khi đề đã giới hạn các chất cần phân biệt.

Hiện tượng thuốc tím mất màu cho thấy SO₂ có tính khử trong phản ứng đang xét, nhưng không phải dấu hiệu nhận biết riêng duy nhất của SO₂ vì nhiều chất khử khác cũng có thể làm KMnO₄ mất màu.

Lỗi thường gặp khi cân bằng SO₂ + KMnO₄ + H₂O

• Lỗi đầu tiên: viết thiếu sản phẩm. Với sơ đồ đang học, sản phẩm đầy đủ phải gồm \(K_2SO_4\), \(MnSO_4\) và \(H_2SO_4\). Nếu bỏ \(K_2SO_4\) hoặc \(H_2SO_4\) thì không thể cân bằng đúng các nguyên tố. Nếu chọn cân bằng ion - electron thì phải ghi đủ các ion tham gia oxi hóa - khử.

• Lỗi thứ hai: nhầm Mn(+7) trong KMnO₄ với Mn(+4) trong MnO₂. Với phương trình đang xét, sản phẩm chứa Mn(+2); chỉ xét MnO₂ khi điều kiện phản ứng dẫn đến sản phẩm đó.

• Lỗi thứ ba: sai hệ số của \(KMnO_4\) và \(SO_2\). Mn nhận 5 electron không phải hệ số KMnO₄ là 5. Vì S nhường 2e và Mn nhận 5e nên phải quy đồng thành 10e: 5 nguyên tử S nhường tổng 10e⁻, còn 2 nguyên tử Mn nhận tổng 10e⁻. Vì vậy hệ số đúng là 5\(SO_2\) và 2\(KMnO_4\).

• Lỗi thứ tư: nhầm vai trò chất. Cần kiểm tra lại theo thứ tự:

  \[SO_2:\mathrm{S}(+4)\rightarrow\mathrm{S}(+6)\Rightarrow\text{chất khử}\]

  \[KMnO_4:\mathrm{Mn}(+7)\rightarrow\mathrm{Mn}(+2)\Rightarrow\text{chất oxi hóa}\]

Sau khi cân bằng electron, cần kiểm tra đủ số nguyên tử K, Mn, S, H và O ở hai vế. Tổng electron nhường bằng tổng electron nhận là bước xác định hệ số oxi hóa – khử; các nguyên tố còn lại vẫn cần cân bằng đầy đủ.

Bài tập về SO₂ + KMnO₄ + H₂O có đáp án

Bài 1: Cân bằng và xác định chất oxi hóa, chất khử

Đề bài: Cho sơ đồ phản ứng SO₂ + KMnO₄ + H₂O → K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂SO₄.

Cân bằng phương trình bằng phương pháp thăng bằng electron, xác định chất oxi hóa, chất khử. Nếu có 0,15 mol SO₂ phản ứng hoàn toàn theo phương trình trên, hãy tính số mol electron mà SO₂ nhường.

Phân tích đề bài: S trong SO₂ tăng số oxi hóa từ +4 lên +6, còn Mn trong KMnO₄ giảm từ +7 xuống +2. Mỗi mol SO₂ nhường 2 mol electron.

Hướng dẫn giải:

Quá trình oxi hóa: S(+4) → S(+6) + 2e (nhân 5).

Quá trình khử: Mn(+7) + 5e → Mn(+2) (nhân 2).

Tổng electron nhường và nhận đều bằng 10, suy ra tỉ lệ hệ số SO₂ : KMnO₄ = 5 : 2.

Phương trình cân bằng:

\[5SO_2+2KMnO_4+2H_2O\rightarrow K_2SO_4+2MnSO_4+2H_2SO_4\]

• SO₂ là chất khử vì S bị oxi hóa.

• KMnO₄ là chất oxi hóa vì Mn bị khử.

Số mol electron do 0,15 mol SO₂ nhường: \(n_e=0{,}15\times2=0{,}30\ \mathrm{mol}\)

Đáp án: SO₂ là chất khử, KMnO₄ là chất oxi hóa; số mol electron nhường bằng 0,30 mol.

Bài 2: Tính thể tích SO₂

Đề bài: Dẫn khí SO₂ vào 125 mL dung dịch KMnO₄ 0,032 M đến khi dung dịch vừa mất màu tím, giả sử MnO₄⁻ bị khử hoàn toàn thành Mn²⁺ và SO₂ là chất khử duy nhất. Tính thể tích SO₂ đã phản ứng ở điều kiện chuẩn (25°C, 1 bar).

Phân tích đề bài: Dựa vào tỉ lệ mol SO₂ : KMnO₄ = 5 : 2 và thể tích mol khí 24,79 L/mol ở điều kiện chuẩn nêu trong đề.

Hướng dẫn giải:

Số mol KMnO₄: \[n_{KMnO_4}=0{,}125\times0{,}032=0{,}004\ \mathrm{mol}\]

Theo phương trình cân bằng, số mol SO₂ đã phản ứng:

\[n_{SO_2}=0{,}004\times\frac{5}{2}=0{,}010\,\mathrm{mol}\]

Thể tích SO₂ ở 25°C và 1 bar: \[V_{SO_2}=0{,}010\times24{,}79=0{,}2479\ \mathrm{L}\]

Đáp án: \(V_{SO_2}=0{,}2479\ \mathrm{L}=247{,}9\ \mathrm{mL}\)

Bài 3: Xác định tính oxi hóa và tính khử của SO₂

Xét các phản ứng:

(1) 2Mg + SO₂ → 2MgO + S
(2) SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr
(3) 5SO₂ + 2KMnO₄ + 2H₂O → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2H₂SO₄

Trong những phản ứng nào \(SO_2\) đóng vai trò chất khử?

Phân tích đề bài

Dạng bài: Xác định vai trò oxi hóa – khử của SO₂.

Dữ kiện đề cho: Ba phản ứng trong đó SO₂ tác dụng với Mg, Br₂ và KMnO₄.

Thông tin cần tìm: Phản ứng mà sulfur trong SO₂ bị oxi hóa.

Kiến thức cần dùng

\(SO_2\) là chất khử khi S nhường electron và số oxi hóa tăng. \(SO_2\) là chất oxi hóa khi S nhận electron và số oxi hóa giảm.

Lời giải

Ở phản ứng (1):

S: +4 → 0

Trong phản ứng với Mg, S của SO₂ giảm số oxi hóa từ +4 xuống 0 nên SO₂ là chất oxi hóa.

Ở phản ứng (2):

S: +4 → +6

\(SO_2\) nhường electron nên là chất khử.

Ở phản ứng (3):

S: +4 → +6

\(SO_2\) tiếp tục là chất khử.

Đáp án: Phản ứng (2) và (3).

Phản ứng SO2 + KMnO4 + H2O là phản ứng oxi hóa – khử, có phương trình cân bằng: 5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O → K2SO4 + 2MnSO4 + 2H2SO4. Trong đó, SO2 là chất khử (S tăng số oxi hóa từ +4 lên +6), KMnO4 là chất oxi hóa (Mn giảm từ +7 xuống +2), làm dung dịch thuốc tím nhạt dần rồi mất màu. Để giải chính xác các bài tập SO2 + KMnO4, học sinh cần nắm vững phương pháp thăng bằng electron và tỉ lệ mol SO2 : KMnO4 = 5 : 2. Đồng thời, học sinh có thể củng cố kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử qua các chuyên đề Hóa học 11 tại ZIM Academy.