Bài học

Ôn tập cân bằng phản ứng oxi hoá – khử bằng phương pháp thăng bằng electron

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em cân bằng được một phương trình phản ứng oxi hoá – khử bằng phương pháp thăng bằng electron theo đúng 5 bước, và giải thích được một ứng dụng thực tiễn của phản ứng oxi hoá – khử trong đời sống.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết xác định số oxi hoá, nhận diện chất oxi hoá, chất khử, và viết được quá trình oxi hoá/quá trình khử dưới dạng có kèm số electron trao đổi. Bài này lắp ráp đúng những mảnh đó lại thành một quy trình cân bằng hoàn chỉnh.

Khởi động

Với phản ứng $NaOH + HCl \to NaCl + H_2O$ , chỉ cần "nhìn thoáng" là cân bằng được ngay vì số nguyên tử mỗi vế gần như đã khớp. Nhưng với $Cu + HNO_3 \to Cu(NO_3)_2 + NO + H_2O$ , tại sao cách nhìn thoáng đó lại thất bại?

Với phản ứng $NaOH + HCl \to NaCl + H_2O$, chỉ cần "nhìn thoáng" là cân bằng được ngay vì số nguyên tử mỗi vế gần như đã khớp. Nhưng với $Cu + HNO_3 \to Cu(NO_3)_2 + NO + H_2O$, tại sao cách nhìn thoáng đó lại thất bại?

Kiến thức trọng tâm

Năm bước thăng bằng electron. (1) Xác định số oxi hoá của tất cả nguyên tố, tìm ra những nguyên tố có số oxi hoá thay đổi. (2) Viết riêng quá trình oxi hoá (chất khử nhường electron) và quá trình khử (chất oxi hoá nhận electron). (3) Tìm hệ số nhân cho mỗi quá trình sao cho tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận (dùng bội số chung nhỏ nhất). (4) Đặt các hệ số vừa tìm vào phương trình phản ứng chính. (5) Cân bằng các nguyên tố còn lại (thường theo thứ tự: kim loại → gốc acid/phi kim → hydrogen → cuối cùng kiểm tra lại oxygen).

Áp dụng cho phản ứng đồng tác dụng với acid nitric loãng. Xét $Cu + HNO_3 \text{(loãng)} \to Cu(NO_3)_2 + NO + H_2O$ . Bước 1: Cu từ 0 lên $+2$ ; N từ $+5$ (trong $HNO_3$ ) xuống $+2$ (trong $NO$ ). Bước 2: $Cu \to Cu^{2+} + 2e$ và $N^{+5} + 3e \to N^{+2}$ . Bước 3: bội số chung nhỏ nhất của 2 và 3 là 6, nên nhân quá trình đầu với 3 và quá trình sau với 2 — cả hai đều trao đổi 6 electron. Bước 4–5: đặt hệ số 3 trước Cu và $Cu(NO_3)_2$ , hệ số 2 trước NO, rồi cân bằng N (tính cả phần đóng vai trò tạo muối) và H, O ở bước cuối, ra kết quả $3Cu + 8HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$ .

Ứng dụng thực tiễn. Phản ứng oxi hoá – khử có mặt trong nhiều hiện tượng quen thuộc: sự đốt cháy nhiên liệu (than, xăng dầu, khí gas) là carbon và hydrogen bị oxi hoá còn oxygen bị khử, giải phóng năng lượng; sự gỉ sét của sắt trong không khí ẩm là sắt bị oxi hoá bởi oxygen của không khí, tạo thành các oxide/hydroxide sắt màu nâu đỏ bám trên bề mặt kim loại.

**Năm bước thăng bằng electron.** (1) Xác định số oxi hoá của tất cả nguyên tố, tìm ra những nguyên tố có số oxi hoá thay đổi. (2) Viết riêng quá trình oxi hoá (chất khử nhường electron) và quá trình khử (chất oxi hoá nhận electron). (3) Tìm hệ số nhân cho mỗi quá trình sao cho tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận (dùng bội số chung nhỏ nhất). (4) Đặt các hệ số vừa tìm vào phương trình phản ứng chính. (5) Cân bằng các nguyên tố còn lại (thường theo thứ tự: kim loại → gốc acid/phi kim → hydrogen → cuối cùng kiểm tra lại oxygen). **Áp dụng cho phản ứng đồng tác dụng với acid nitric loãng.** Xét $Cu + HNO_3 \text{(loãng)} \to Cu(NO_3)_2 + NO + H_2O$. Bước 1: Cu từ 0 lên $+2$; N từ $+5$ (trong $HNO_3$) xuống $+2$ (trong $NO$). Bước 2: $Cu \to Cu^{2+} + 2e$ và $N^{+5} + 3e \to N^{+2}$. Bước 3: bội số chung nhỏ nhất của 2 và 3 là 6, nên nhân quá trình đầu với 3 và quá trình sau với 2 — cả hai đều trao đổi 6 electron. Bước 4–5: đặt hệ số 3 trước Cu và $Cu(NO_3)_2$, hệ số 2 trước NO, rồi cân bằng N (tính cả phần đóng vai trò tạo muối) và H, O ở bước cuối, ra kết quả $3Cu + 8HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$. **Ứng dụng thực tiễn.** Phản ứng oxi hoá – khử có mặt trong nhiều hiện tượng quen thuộc: sự đốt cháy nhiên liệu (than, xăng dầu, khí gas) là carbon và hydrogen bị oxi hoá còn oxygen bị khử, giải phóng năng lượng; sự gỉ sét của sắt trong không khí ẩm là sắt bị oxi hoá bởi oxygen của không khí, tạo thành các oxide/hydroxide sắt màu nâu đỏ bám trên bề mặt kim loại.

Ví dụ

Cân bằng phản ứng sắt tác dụng chlorine

1
Cân bằng phương trình $Fe + Cl_2 \to FeCl_3$ bằng phương pháp thăng bằng electron.
Cân bằng phương trình $Fe + Cl_2 \to FeCl_3$ bằng phương pháp thăng bằng electron.
2
Fe: từ 0 lên $+3$ . Cl (trong $Cl_2$ ): từ 0 xuống $-1$ (mỗi nguyên tử Cl nhận 1 electron).
Fe: từ 0 lên $+3$. Cl (trong $Cl_2$): từ 0 xuống $-1$ (mỗi nguyên tử Cl nhận 1 electron).
3
Oxi hoá: $Fe \to Fe^{3+} + 3e$ (nhân 2 để có 6e nhường). Khử: $Cl_2 + 2e \to 2Cl^-$ (nhân 3 để có 6e nhận). Tổng electron nhường = tổng nhận = 6.
Oxi hoá: $Fe \to Fe^{3+} + 3e$ (nhân 2 để có 6e nhường). Khử: $Cl_2 + 2e \to 2Cl^-$ (nhân 3 để có 6e nhận). Tổng electron nhường = tổng nhận = 6.
4
$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ . Kiểm tra lại: 2 Fe và $3 \times 2 = 6$ Cl ở cả hai vế — cân bằng đúng.
$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$. Kiểm tra lại: 2 Fe và $3 \times 2 = 6$ Cl ở cả hai vế — cân bằng đúng.

Ví dụ

Cân bằng phản ứng đồng tác dụng acid nitric loãng

1
Cân bằng phương trình $Cu + HNO_3 \text{(loãng)} \to Cu(NO_3)_2 + NO + H_2O$ bằng phương pháp thăng bằng electron, trình bày đầy đủ 5 bước.
Cân bằng phương trình $Cu + HNO_3 \text{(loãng)} \to Cu(NO_3)_2 + NO + H_2O$ bằng phương pháp thăng bằng electron, trình bày đầy đủ 5 bước.
2
Cu: từ 0 (đơn chất) lên $+2$ (trong $Cu(NO_3)_2$ ). N: từ $+5$ (trong $HNO_3$ ) xuống $+2$ (trong NO).
Cu: từ 0 (đơn chất) lên $+2$ (trong $Cu(NO_3)_2$). N: từ $+5$ (trong $HNO_3$) xuống $+2$ (trong NO).
3
Oxi hoá: $Cu \to Cu^{2+} + 2e$ (nhân 3). Khử: $N^{+5} + 3e \to N^{+2}$ (nhân 2). BSCNN của 2 và 3 là 6, nên cả hai quá trình đều trao đổi đúng 6 electron.
Oxi hoá: $Cu \to Cu^{2+} + 2e$ (nhân 3). Khử: $N^{+5} + 3e \to N^{+2}$ (nhân 2). BSCNN của 2 và 3 là 6, nên cả hai quá trình đều trao đổi đúng 6 electron.
4
$3Cu + \_\_HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + \_\_H_2O$ .
$3Cu + \_\_HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + \_\_H_2O$.
5
Tổng N cần: $3 \times 2$ (trong muối) $+ 2$ (trong NO) $= 8$ , nên hệ số $HNO_3$ là 8. Cân bằng H: $8$ H ở vế trái, cần 4 phân tử $H_2O$ ở vế phải để có $8$ H. Kiểm tra O: vế trái $8 \times 3 = 24$ ; vế phải $3 \times 6 + 2 \times 1 + 4 \times 1 = 18+2+4=24$ — khớp.
Tổng N cần: $3 \times 2$ (trong muối) $+ 2$ (trong NO) $= 8$, nên hệ số $HNO_3$ là 8. Cân bằng H: $8$ H ở vế trái, cần 4 phân tử $H_2O$ ở vế phải để có $8$ H. Kiểm tra O: vế trái $8 \times 3 = 24$; vế phải $3 \times 6 + 2 \times 1 + 4 \times 1 = 18+2+4=24$ — khớp.
6
$3Cu + 8HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$ .
$3Cu + 8HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$.

Ví dụ

Giải thích một ứng dụng thực tiễn của phản ứng oxi hoá – khử

1
Giải thích quá trình gỉ sét của sắt trong không khí ẩm là một phản ứng oxi hoá – khử, viết phương trình đơn giản hoá và chỉ ra chất oxi hoá, chất khử.
2
Ở dạng đơn giản nhất (chưa xét sự có mặt của nước), sắt phản ứng trực tiếp với oxygen: $4Fe + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe_2O_3$ .
Ở dạng đơn giản nhất (chưa xét sự có mặt của nước), sắt phản ứng trực tiếp với oxygen: $4Fe + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2Fe_2O_3$.
3
Fe: từ 0 lên $+3$ (số oxi hoá tăng) → Fe là chất khử, tự nó bị oxi hoá. $O_2$ : từ 0 xuống $-2$ (số oxi hoá giảm) → $O_2$ là chất oxi hoá, tự nó bị khử.
Fe: từ 0 lên $+3$ (số oxi hoá tăng) → Fe là chất khử, tự nó bị oxi hoá. $O_2$: từ 0 xuống $-2$ (số oxi hoá giảm) → $O_2$ là chất oxi hoá, tự nó bị khử.
4
Trong thực tế, gỉ sét còn có sự tham gia của hơi ẩm tạo thành lớp oxide ngậm nước màu nâu đỏ, nhưng bản chất electron di chuyển từ Fe sang $O_2$ vẫn không đổi — đây đúng là một phản ứng oxi hoá – khử.
Trong thực tế, gỉ sét còn có sự tham gia của hơi ẩm tạo thành lớp oxide ngậm nước màu nâu đỏ, nhưng bản chất electron di chuyển từ Fe sang $O_2$ vẫn không đổi — đây đúng là một phản ứng oxi hoá – khử.

Vì sao phương pháp thăng bằng electron đáng học kĩ hơn cân bằng theo cảm tính. Với các phương trình đơn giản như phản ứng trao đổi hay trung hoà, cân bằng bằng cách "nhìn thoáng" thường đủ nhanh và chính xác. Nhưng khi một phản ứng có nhiều nguyên tố cùng thay đổi số oxi hoá, hoặc hệ số cần tìm không nhỏ và trực quan (như 3, 8, 2, 4 trong ví dụ với $HNO_3$ ở trên), cách nhìn thoáng gần như luôn thất bại hoặc mất rất nhiều thời gian thử sai. Phương pháp thăng bằng electron thay thế việc "đoán" bằng một quy trình có thể áp dụng NHẤT QUÁN cho mọi phản ứng oxi hoá – khử, dù đơn giản hay phức tạp — đây là kĩ năng học sinh cần thành thạo trước khi bước vào các dạng bài phức tạp hơn ở lớp 11, 12.

**Vì sao phương pháp thăng bằng electron đáng học kĩ hơn cân bằng theo cảm tính.** Với các phương trình đơn giản như phản ứng trao đổi hay trung hoà, cân bằng bằng cách "nhìn thoáng" thường đủ nhanh và chính xác. Nhưng khi một phản ứng có nhiều nguyên tố cùng thay đổi số oxi hoá, hoặc hệ số cần tìm không nhỏ và trực quan (như 3, 8, 2, 4 trong ví dụ với $HNO_3$ ở trên), cách nhìn thoáng gần như luôn thất bại hoặc mất rất nhiều thời gian thử sai. Phương pháp thăng bằng electron thay thế việc "đoán" bằng một quy trình có thể áp dụng NHẤT QUÁN cho mọi phản ứng oxi hoá – khử, dù đơn giản hay phức tạp — đây là kĩ năng học sinh cần thành thạo trước khi bước vào các dạng bài phức tạp hơn ở lớp 11, 12.

Sai lầm thường gặp

Lỗi hay gặp nhất: quên nhân hệ số vào quá trình oxi hoá/khử theo đúng bội số chung nhỏ nhất TRƯỚC KHI đưa vào phương trình chính, dẫn đến electron nhường và nhận không bằng nhau. Lỗi thứ hai: quên cân bằng lại các nguyên tố "đóng vai trò môi trường" (như phần N tạo muối $Cu(NO_3)_2$ , không tham gia thay đổi số oxi hoá) ở bước cuối cùng.

Lỗi hay gặp nhất: quên nhân hệ số vào quá trình oxi hoá/khử theo đúng bội số chung nhỏ nhất TRƯỚC KHI đưa vào phương trình chính, dẫn đến electron nhường và nhận không bằng nhau. Lỗi thứ hai: quên cân bằng lại các nguyên tố "đóng vai trò môi trường" (như phần N tạo muối $Cu(NO_3)_2$, không tham gia thay đổi số oxi hoá) ở bước cuối cùng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

5 bước: xác định số oxi hoá thay đổi → viết 2 quá trình → cân bằng electron nhường = nhận → đặt hệ số vào phương trình chính → cân bằng các nguyên tố còn lại. Đốt cháy nhiên liệu và gỉ sét kim loại đều là phản ứng oxi hoá – khử quen thuộc trong đời sống.

Chương tiếp theo chuyển hướng sang một câu hỏi khác của phản ứng hoá học: phản ứng này toả ra hay thu vào bao nhiêu năng lượng, và nó diễn ra nhanh hay chậm.