Bài học

Thăng bằng electron trong môi trường acid

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em cân bằng được phản ứng oxi hóa – khử có môi trường acid (kim loại tác dụng HNO₃, oxide tác dụng HCl đặc) bằng phương pháp thăng bằng electron kết hợp cân bằng nguyên tố H và O, đồng thời tính được thể tích khí sản phẩm ở điều kiện chuẩn.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã cân bằng thành thạo phản ứng giữa các chất "sạch" — chỉ gồm đơn chất và oxide, không có acid làm môi trường. Ở đây, quy trình bốn bước giữ nguyên, chỉ thêm một bước sau cùng: cân bằng H và O bằng cách đếm số phân tử nước sinh ra.

Khởi động

Cho đồng tác dụng dung dịch nitric acid loãng, không thấy bọt khí mạnh như khi cho kim loại tác dụng HCl, mà thấy khí không màu hóa nâu ngay khi tiếp xúc không khí thoát ra — đó là khí NO. Phương trình $Cu + HNO_3 \to Cu(NO_3)_2 + NO + H_2O$ có tới năm chất, làm sao cân bằng cho đúng?

Kiến thức trọng tâm

Vẫn dùng bốn bước của phương pháp thăng bằng electron, nhưng chú ý: acid vừa là môi trường phản ứng vừa có thể là chất oxi hóa (như HNO₃), nên gốc acid trong sản phẩm muối (như $NO_3^-$ trong $Cu(NO_3)_2$ ) giữ nguyên số oxi hóa, không tham gia trao đổi electron — chỉ phần tạo thành khí mới thực sự bị khử. Sau khi cân bằng electron, cân N bằng cách đếm tổng số nguyên tử N ở sản phẩm (cả phần muối lẫn phần khí) để suy ra hệ số HNO₃, rồi cân H để suy ra hệ số H₂O, cuối cùng kiểm tra lại bằng cách đếm O ở cả hai vế.

Vẫn dùng bốn bước của phương pháp thăng bằng electron, nhưng chú ý: acid vừa là môi trường phản ứng vừa có thể là chất oxi hóa (như HNO₃), nên gốc acid trong sản phẩm muối (như $NO_3^-$ trong $Cu(NO_3)_2$) giữ nguyên số oxi hóa, không tham gia trao đổi electron — chỉ phần tạo thành khí mới thực sự bị khử. Sau khi cân bằng electron, cân N bằng cách đếm tổng số nguyên tử N ở sản phẩm (cả phần muối lẫn phần khí) để suy ra hệ số HNO₃, rồi cân H để suy ra hệ số H₂O, cuối cùng kiểm tra lại bằng cách đếm O ở cả hai vế.

Cách phân biệt "gốc acid làm môi trường" với "gốc acid bị khử" là điểm khó nhất của dạng bài này. Trong $Cu + HNO_3 \to Cu(NO_3)_2 + NO + H_2O$ , cùng một chất HNO₃ đóng hai vai trò khác nhau: phần N ở lại trong muối $Cu(NO_3)_2$ giữ nguyên số oxi hóa +5 — nó chỉ đến để trung hòa điện tích với $Cu^{2+}$ , không hề nhường hay nhận electron; phần N thoát ra dưới dạng khí NO mới thực sự bị khử từ +5 xuống +2. Nhầm lẫn phổ biến là tính electron trao đổi dựa trên TOÀN BỘ số N trong phương trình, dẫn đến hệ số sai ngay từ bước cân bằng electron.

Cách phân biệt "gốc acid làm môi trường" với "gốc acid bị khử" là điểm khó nhất của dạng bài này. Trong $Cu + HNO_3 \to Cu(NO_3)_2 + NO + H_2O$, cùng một chất HNO₃ đóng hai vai trò khác nhau: phần N ở lại trong muối $Cu(NO_3)_2$ giữ nguyên số oxi hóa +5 — nó chỉ đến để trung hòa điện tích với $Cu^{2+}$, không hề nhường hay nhận electron; phần N thoát ra dưới dạng khí NO mới thực sự bị khử từ +5 xuống +2. Nhầm lẫn phổ biến là tính electron trao đổi dựa trên TOÀN BỘ số N trong phương trình, dẫn đến hệ số sai ngay từ bước cân bằng electron.

Ví dụ

Cân bằng Cu + HNO₃(loãng) → Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

1
Cu: $0 \to +2$ , nhường 2 electron. N trong HNO₃ là +5; trong NO là +2, giảm nhận 3 electron — chỉ phần N tạo thành NO mới đổi SOH, phần N tạo Cu(NO₃)₂ giữ nguyên +5, đóng vai trò gốc muối.
Cu: $0 \to +2$, nhường 2 electron. N trong HNO₃ là +5; trong NO là +2, giảm nhận 3 electron — chỉ phần N tạo thành NO mới đổi SOH, phần N tạo Cu(NO₃)₂ giữ nguyên +5, đóng vai trò gốc muối.
2
Nhường: $Cu \to Cu^{2+} + 2e$ . Nhận: $N^{+5} + 3e \to N^{+2}$ (trong NO).
Nhường: $Cu \to Cu^{2+} + 2e$. Nhận: $N^{+5} + 3e \to N^{+2}$ (trong NO).
3
BSCNN(2, 3) = 6. Nhân nhường ×3: $3Cu \to 3Cu^{2+} + 6e$ . Nhân nhận ×2: $2N^{+5} + 6e \to 2N^{+2}$ , tương ứng hệ số 3Cu và 2NO.
BSCNN(2, 3) = 6. Nhân nhường ×3: $3Cu \to 3Cu^{2+} + 6e$. Nhân nhận ×2: $2N^{+5} + 6e \to 2N^{+2}$, tương ứng hệ số 3Cu và 2NO.
4
Vế phải có N trong $3Cu(NO_3)_2$ (6 N, vai trò gốc muối, giữ +5) cộng N trong 2NO (2 N, đã bị khử), tổng 8 N — vậy cần 8 HNO₃ ở vế trái.
Vế phải có N trong $3Cu(NO_3)_2$ (6 N, vai trò gốc muối, giữ +5) cộng N trong 2NO (2 N, đã bị khử), tổng 8 N — vậy cần 8 HNO₃ ở vế trái.
5
8 HNO₃ có 8 H, cần 4 H₂O ở vế phải. Kiểm tra O: vế trái $8 \times 3 = 24$ ; vế phải $3 \times 6 = 18$ (trong nitrate) $+ 2 \times 1 = 2$ (trong NO) $+ 4 \times 1 = 4$ (trong H₂O) $= 24$ — khớp.
8 HNO₃ có 8 H, cần 4 H₂O ở vế phải. Kiểm tra O: vế trái $8 \times 3 = 24$; vế phải $3 \times 6 = 18$ (trong nitrate) $+ 2 \times 1 = 2$ (trong NO) $+ 4 \times 1 = 4$ (trong H₂O) $= 24$ — khớp.
6
Vậy $3Cu + 8HNO_3 \text{(loãng)} \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$ .
Vậy $3Cu + 8HNO_3 \text{(loãng)} \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$.

Ví dụ

Tính thể tích khí NO ở đkc

1
Hòa tan hoàn toàn 9,6 gam đồng bằng dung dịch nitric acid loãng dư. Tính thể tích khí NO (sản phẩm khử duy nhất) thu được ở đkc ( $25^\circ C$ , 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol).
Hòa tan hoàn toàn 9,6 gam đồng bằng dung dịch nitric acid loãng dư. Tính thể tích khí NO (sản phẩm khử duy nhất) thu được ở đkc ($25^\circ C$, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol).
2
$n(Cu) = \dfrac{9{,}6}{64} = 0{,}15$ mol.
$n(Cu) = \dfrac{9{,}6}{64} = 0{,}15$ mol.
3
Theo $3Cu + 8HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$ , tỉ lệ $Cu : NO = 3 : 2$ , suy ra $n(NO) = 0{,}15 \times \dfrac{2}{3} = 0{,}1$ mol.
Theo $3Cu + 8HNO_3 \to 3Cu(NO_3)_2 + 2NO + 4H_2O$, tỉ lệ $Cu : NO = 3 : 2$, suy ra $n(NO) = 0{,}15 \times \dfrac{2}{3} = 0{,}1$ mol.
4
$V(NO) = n \times V_m = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít (đkc).
$V(NO) = n \times V_m = 0{,}1 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít (đkc).
5
Vậy $V(NO) \approx 2{,}479$ lít (đkc). Lưu ý: theo chương trình 2018, đkc dùng $V_m = 24{,}79$ lít/mol, khác với đktc cũ $22{,}4$ lít/mol — không được lẫn lộn hai giá trị này.
Vậy $V(NO) \approx 2{,}479$ lít (đkc). Lưu ý: theo chương trình 2018, đkc dùng $V_m = 24{,}79$ lít/mol, khác với đktc cũ $22{,}4$ lít/mol — không được lẫn lộn hai giá trị này.

Ví dụ

Cân bằng MnO₂ + HCl(đặc) → MnCl₂ + Cl₂ + H₂O

1
Mn: $+4 \to +2$ , giảm nhận 2 electron. Cl: chỉ một phần Cl trong HCl bị oxi hóa — 2 trong số các nguyên tử Cl đi từ $-1$ lên $0$ (trong Cl₂), tổng nhường 2 electron cho 2 nguyên tử Cl đó; phần Cl còn lại giữ nguyên $-1$ (trong MnCl₂), đóng vai trò gốc muối.
Mn: $+4 \to +2$, giảm nhận 2 electron. Cl: chỉ một phần Cl trong HCl bị oxi hóa — 2 trong số các nguyên tử Cl đi từ $-1$ lên $0$ (trong Cl₂), tổng nhường 2 electron cho 2 nguyên tử Cl đó; phần Cl còn lại giữ nguyên $-1$ (trong MnCl₂), đóng vai trò gốc muối.
2
Nhận: $Mn^{+4} + 2e \to Mn^{+2}$ . Nhường: $2Cl^- \to Cl_2 + 2e$ .
Nhận: $Mn^{+4} + 2e \to Mn^{+2}$. Nhường: $2Cl^- \to Cl_2 + 2e$.
3
Số electron nhường (2) đã bằng số electron nhận (2) ngay từ đầu, nên hệ số của MnO₂ và Cl₂ đều là 1: $MnO_2 + \ldots HCl \to MnCl_2 + Cl_2 + \ldots H_2O$ .
Số electron nhường (2) đã bằng số electron nhận (2) ngay từ đầu, nên hệ số của MnO₂ và Cl₂ đều là 1: $MnO_2 + \ldots HCl \to MnCl_2 + Cl_2 + \ldots H_2O$.
4
Tổng Cl cần: 2 (trong MnCl₂, giữ SOH) + 2 (trong Cl₂, đã oxi hóa) = 4, nên cần 4 HCl. 4 HCl có 4 H, cần 2 H₂O. Kiểm tra O: vế trái 2 (trong MnO₂), vế phải 2 (trong 2H₂O) — khớp.
5
Vậy $MnO_2 + 4HCl \text{(đặc)} \xrightarrow{t^\circ} MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$ — đây chính là phản ứng điều chế khí chlorine trong phòng thí nghiệm.
Vậy $MnO_2 + 4HCl \text{(đặc)} \xrightarrow{t^\circ} MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$ — đây chính là phản ứng điều chế khí chlorine trong phòng thí nghiệm.

Sai lầm thường gặp

Với phản ứng có môi trường acid, nhiều học sinh cân bằng electron xong là dừng lại, quên rằng gốc acid không đổi SOH (như $NO_3^-$ giữ nguyên trong muối, hay Cl⁻ giữ nguyên trong MnCl₂) vẫn phải được đếm đúng số nguyên tử khi cân H và O. Sai sót phổ biến nhất là quên cộng thêm phần HCl/HNO₃ đóng vai trò môi trường vào hệ số cuối cùng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Với phản ứng có acid làm môi trường: cân electron trước, sau đó cân nguyên tố tạo sản phẩm khí cộng với gốc acid không đổi SOH trong muối để ra đúng hệ số acid, rồi cân H bằng H₂O, cuối cùng kiểm tra lại bằng O. Đkc theo chương trình 2018: 25 °C, 1 bar, Vm = 24,79 lít/mol.

Chương tiếp theo cho em thấy ba phản ứng vừa cân bằng — Cu với HNO₃, MnO₂ với HCl, Al với Fe₃O₄ — không chỉ nằm trên giấy: chúng chính là cơ chế của sự ăn mòn kim loại, sự cháy và ngành luyện kim trong đời sống. Kỹ năng cân H, O quanh một chất môi trường mà em vừa luyện ở đây cũng sẽ quay lại khi tính toán lượng khí thải, lượng nhiên liệu tiêu thụ trong các bài toán thực tiễn sắp tới.