Lý thuyết Hóa học 10 bài 12 CTST

a. Tìm hiểu về số oxi hóa

- Số oxi hóa là đại lượng quan trọng trong việc nghiên cứu các phản ứng có sự chuyển dịch electron, là điện tích giả định của nguyên tử nguyên tố trong hợp chất.

- Cách biểu diễn số oxi hóa:

+ Số oxi hóa được đặt ở phía trên kí hiệu của nguyên tố.

Ví dụ 1:

\(\mathop H\limits^{ + 1} \mathop {Cl}\limits^{ - 1} ,\mathop {Mg}\limits^{ + 2} \mathop O\limits^{ - 2} ,\mathop K\limits^{ + 1} \mathop {Cl}\limits^{ - 1} ,\mathop H\limits^{ + 1} \mathop {Cl}\limits^{ + 1} \mathop O\limits^{ - 2}\)

b. Xác định số oxi hóa của nguyên tử các nguyên tố trong hợp chất

Số oxi hoá của nguyên tử một nguyên tố là một số đại số được gán cho nguyên tử của nguyên tố đó và thường được xác định theo các quy tắc sau:

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

Ví dụ 2: Số oxi hóa của các nguyên tử trong đơn chất Na, O₂, O₃, Hg... đều bằng 0.

- Quy tắc 2: Trong một phân tử, tổng số oxi hóa của các nguyên tử bằng 0.

Ví dụ 3: Tổng số oxi hóa của các nguyên tử trong phân tử NH₃ là: (-3) + 3 x (+1) = 0.

- Quy tắc 3: Trong các ion, số oxi hóa của nguyên tử (đối với ion đơn nguyên tử) hay tổng số oxi hóa các nguyên tử (đối với ion đa nguyên tử) bằng điện tích của ion đó.

Ví dụ 4: Số oxi hóa của nguyên tử Na, Cl trong Na⁺, Cl^- lần lượt bằng +1, -1; số oxi hóa của nguyên tử C và O trong \(C{O_3}^{2 - }\;\) lần lượt bằng +4 và -2.

- Quy tắc 4: Trong đa số các hợp chất, số oxi hoá của hydrogen bằng +1, trừ các hydride kim loại (như NaH, CaH₂, ..). Số oxi hoá của oxygen bằng -2, trừ OF₂ và các peroxide, superoxide (như H₂O₂, Na₂O₂, KO₂ ...). Kim loại kiềm (nhóm IA) luôn có số oxi hoá +1, kim loại kiềm thổ (nhóm IIA) có số oxi hóa +2. Nhôm có số oxi hóa +3. Số oxi hoá của nguyên tử nguyên tố fluorine trong các hợp chất bằng -1.

Ví dụ 5: Tính số oxi hoá của S trong các hợp chất và ion sau: H₂S, SO₂, SO₃^2-, SO₄^2-

- Đặt x là số oxi hoá của S.

- Trong H₂S: 2.(+1) + x = 0 → x= -2 → Kí hiệu \({H_2}\mathop S\limits^{ - 2}\)

- Trong SO₂: x + 2.(-2) = 0 → x= +4 → Kí hiệu \(\mathop S\limits^{ + 4} {O_2}\)

- Trong SO₃^2-: x + 3.(-2) = -2 → x = +4 → Kí hiệu \(\mathop S\limits^{ + 4} O_3^{2 - }\)

- Trong \(SO_4^{2 - }\): x + 4.(-2) = -2 → x= +6 → Kí hiệu\(\mathop S\limits^{ + 6} O_4^{2 - }\)

a. Tiến hành thí nghiệm nghiên cứu về phản ứng oxi hóa - khử

- Thí nghiệm: Phản ứng oxi hóa kim loại bằng dung dịch acid

- Dụng cụ và hóa chất: Ống nghiệm, dây kẽm (Zn), dung dịch H₂SO₄ M.

- Tiến hành: Cho vào ống nghiệm 2 – 3 mL dung dịch H 2 SO 4 nhúng tiếp dây kẽm vào

- Zn phản ứng với dung dịch H 2 SO 4 theo phương trình hóa học:

\(\mathop {Zn}\limits^0 {\rm{ }} + {\mathop {\;H}\limits^{ + 1} _2}S{O_4}\; \to {\rm{ }}\mathop {Zn}\limits^{ + 2} S{O_4}\; + {\rm{ }}{\mathop H\limits^0 _2}\)

- Zn nhường electron nên Zn là chất khử.

- Quá trình Zn nhường electron gọi là quá trình oxi hóa:

\(\mathop {Zn}\limits^0 \,\,\, \to \,\,\mathop {Zn}\limits^{ + 2} \,\, + \,\,2e\)

- Ion H⁺ đã nhận electron nên H⁺ là chất oxi hoá.

- Quá trình H⁺ nhận electron gọi là quá trình khử:

\(2\mathop {\;H}\limits^{ + 1} \,\, + \,\,\,2e\,\,\, \to \,\,\,{\mathop H\limits^0 _2}\)

Ví dụ 6: Cho kim loại Zn phản ứng với dung dịch CuSO₄

- Zn phản ứng với dung dịch CuSO₄ theo phản ứng:

\(\mathop {Zn}\limits^0 {\rm{ }} + \mathop {Cu}\limits^{ + 2} S{O_4}\; \to {\rm{ }}\mathop {Zn}\limits^{ + 2} S{O_4}\; + {\rm{ }}\mathop {Cu}\limits^0\)

- Quá trình oxi hoá:\(\mathop {Zn}\limits^0 \,\,\, \to \,\,\mathop {Zn}\limits^{ + 2} \,\, + \,\,2e\)

- Quá trình khử: \(\mathop {Cu}\limits^{ + 2} \,\, + \,\,2e \to \mathop {Cu}\limits^0 \,\,\)

b. Tìm hiểu về phản ứng oxi hóa - khử

Ví dụ 7: Khi chlorine tác dụng dung dịch sodium hydroxide theo phương trình hoá học:

\(\mathop {C{l_2}}\limits^0 + \,\,2NaOH \to Na\mathop {Cl}\limits^{ - 1} \,\, + \,\,Na\mathop {Cl}\limits^{ - 1} O\,\, + \,\,{H_2}O\,\,\)

- Trong phản ứng trên, nguyên tử chlorine vừa nhường vừa nhận 1 electron, chỉ có sự thay đổi số oxi hoá của nguyên tử chlorine. Hay có thể nói, chlorine vừa là chất khử, vừa là chất oxi hoá.

- Chất oxi hoá mạnh thường là các hợp chất chứa nguyên tử của nguyên tố có số oxi hoá cao (như \(\mathop {Mn}\limits^{ + 7} O_4^ - ,\mathop {Cr}\limits^{ + 6} {O_3},\mathop {C{r_2}}\limits^{ + 6} O_7^{2 - }\)...) hoặc đơn chất của các nguyên tố có độ âm điện lớn (như F₂, O₂, Cl₂, Br₂ ..).

- Chất khử mạnh thường là các hợp chất chứa nguyên tử của nguyên tố có số oxi hóa thấp (như \({H_2}\mathop S\limits^{ - 2} ,K\mathop I\limits^{ - 1} ,Na\mathop H\limits^{ - 1}\) ..) hoặc đơn chất kim loại (như kim loại kiềm, kiềm thô, ...).

- Chất chứa nguyên tử của nguyên tố có số oxi hoá trung gian (như \({H_2}\mathop {{O_2}}\limits^{ - 1} ,\mathop S\limits^{ + 4} {O_2},\mathop N\limits^{ + 2} O\)...) thì tuỳ thuộc vào điều kiện phản ứng (tác nhân và môi trường) mà thể hiện tính khử, hoặc tính oxi hoá, hoặc cả hai (vừa tính oxi hoá vừa tính khử hay tự oxi hoá - khử).

- Có nhiều phương pháp lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá - khử. Phương pháp thông dụng hiện nay là phương pháp thăng bằng electron.

a. Tìm hiểu cách lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá - khử bằng phương pháp thăng bằng electron

* Nguyên tắc của phương pháp:

- Tổng số electron chất khử nhường = Tổng số electron chất oxi hoá nhận.

- Để lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá - khử theo phương pháp thăng bằng electron, ta thực hiện theo các bước như trong ví dụ 8.

Ví dụ 8: Lập phương trình hoá học cho phản ứng sau:

H₂S + O₂ → SO₂ + H₂O

+ Bước 1: Xác định số oxi hoá của các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá trong phản ứng, từ đó xác định chất oxi hoá, chất khử.

\({\mathop H\limits^{ + 1} _2}\mathop S\limits^{ - 2} \,\,\,\, + \,\,\,\,\,\mathop {{O_2}}\limits^0 \,\,\,\,\, \to \,\,\,\,\,\mathop S\limits^{ + 4} {\mathop O\limits^{ - 2} _2}\,\,\,\,\,\, + \,\,\,\,\,{\mathop H\limits^{ + 1} _2}\mathop O\limits^{ - 2}\)

(Chất khử) (Chất oxi hoá).

+ Bước 2: Viết quá trình oxi hoá và quá trình khử.

• Quá trình oxi hoá: \(\mathop S\limits^{ - 2} \,\,\, \to \,\,\,\mathop S\limits^{ + 4} \,\,\, + \,\,\,6e\)
• Quá trình khử: \(\mathop {{O_2}}\limits^0 \,\,\, + \,\,\,4e\,\,\, \to \,\,\,2\mathop O\limits^{ - 2}\)

+ Bước 3: Xác định (và nhân) hệ số thích hợp vào các quá trình sao cho tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận.

\(\begin{array}{l} 2\,\,\,x\,\,\,\,\mathop S\limits^{ - 2} \,\,\, \to \,\,\,\mathop S\limits^{ + 4} \,\,\, + \,\,\,6e\\ 3\,\,\,\,x\,\,\,\mathop {{O_2}}\limits^0 \,\,\, + \,\,\,4e\,\,\, \to \,\,\,2\mathop O\limits^{ - 2} \end{array}\)

+ Bước 4: Đặt các hệ số vào sơ đồ phản ứng. Cân bằng số lượng nguyên tử của các nguyên tố còn lại.

2H₂S + 3O₂ → 3SO₂ + 2H₂O

a. Tìm hiểu về sự cháy của nhiên liệu

- Gas (thành phần chính là hỗn hợp propane (C₃H₈) và butane (C₄H₁₀) được hóa lỏng) được sử dụng làm nhiên liệu trong nấu nướng. Gas cháy trong không khí, xảy ra phản ứng oxi hóa - khử, trong đó các hydrocarbon bị oxi hóa và oxygen bị khử, tạo thành sản phẩm carbon dioxide và nước. Các phản ứng này tỏa nhiệt lớn và lượng nhiệt này thường được dùng để nấu chín thức ăn

- Hỗn hợp khí hydrogen và oxygen là hỗn hợp gây ra phản ứng nổ, trong đó hydrogen là chất khử và oxygen là chất oxi hóa, tạo thành sản phẩm nước, đồng thời giải phóng năng lượng rất lớn. Ngày nay, phản ứng này được áp dụng để kích nổ hỗn hợp nhiên liệu cho các tàu con thoi

b. Mô tả một số phản ứng oxi hoá - khử quan trọng gắn liền với cuộc sống

- Quang hợp ở thực vật

+ Quá trình quang hợp xảy ra khi có điều kiện ánh sáng mặt trời, khi đó carbon dioxide và hơi nước được diệp lục hấp thụ, tạo sản phẩm glucose (C₆H₁₂O₆) để tổng hợp carbohydrate và giải phóng Oxygen.

- Luyện kim

+ Kĩ thuật điều chế kim loại đòi hỏi áp dụng phản ứng oxi hoá khử như luyện chromium, gang thép, nhôm aluminium), ...

+ Sản xuất gang xảy ra qua nhiều giai đoạn, trong đó phản ứng chính là khi có khử iron(III) ở nhiệt độ cao, tạo thành iron nóng chảy và khí carbon dioxide.

- Điện hóa

+ Các quá trình oxi hóa - khử xảy ra có sự tham gia của dòng điện hoặc phát sinh dòng điện như: mạ điện, mạ nhúng nóng; hoạt động pin - ác quy, điện phân;...

+ Pin dùng thông dụng hiện nay là pin kiềm (hay pin alkaline). Thành phần của pin gồm zinc, manganese dioxide và dung dịch potassium hydroxide. Trong môi trường kiềm zin phản ứng với manganese dioxide tạo sản phẩm zinc oxide, manganese(III) oxide và sinh ra dòng điện trong pin.

Bài 1: Cho dãy các chất và ion: Cl₂, F₂, SO₂, Na⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, Al³⁺, Mn²⁺, S^2-, Cl^-. Số chất và ion trong dãy đều có tính oxi hoá và tính khử là

A. 3.

B. 4.

C. 6.

D. 5.

Hướng dẫn giải

Đáp án B

- Các chất vừa có tính khử vừa có tính oxi hóa là: Cl₂, SO₂, Fe²⁺, Mn²⁺

- Các chất chỉ có tính oxi hóa: F₂, Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺

- Các chất chỉ có tính khử: S^2-, Cl^-

Bài 2: Phản ứng nào sau đây vừa là phản ứng hóa hợp, vừa là phản ứng oxi hóa – khử?

A. CaO + H₂O → Ca(OH)₂

B. 2NO₂ → N₂O₄

C. 2NO₂ + 4Zn → N₂ + 4ZnO

D. 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃

Hướng dẫn giải

- Đáp án A và B không có sự thay đổi số oxi hóa nên không phải là phản ứng oxi hóa khử. Còn lại đáp án C và D.

- Phản ứng hóa hợp là phản ứng từ nhiều chất tham gia tạo thành 1 chất mới. Do đó loại đáp án C.

⇒ Chọn D

Bài 3. Cho biết thứ tự giảm dần số oxi hóa của các ion sau: MnO₄^-, SO₄^2-, NH₄⁺, ClO₃^-.

A. MnO₄^-, SO₄^2-, NH₄⁺, ClO₃^-

B. MnO₄^-, NH₄⁺, ClO₃^- SO₄^2-.

C. NH₄⁺, ClO₃^-, MnO₄^-, SO₄^2-.

D. NH₄⁺, ClO₃^- , SO₄^2-, MnO₄^-.

Hướng dẫn giải

Đáp án D

Số oxi hóa của MnO₄^-, SO₄^2-, NH₄⁺, ClO₃^- lần lượt là: +7, +6, +3, +5

Bài 4. Cân bằng phản ứng trong dung dịch có H₂O tham gia:

KMnO₄ + K₂SO₃ + H₂O → MnO₂ + K₂SO₄

Hướng dẫn giải

MnO₄^- + 3e + 2H₂O → MnO₂ + 4OH^-

SO₃^2- + H₂O → SO₄^2- + 2H⁺ + 2e

Phương trình ion:

2MnO₄^- + H₂O + 3SO₃^2- → 2MnO₂ + 2OH^- + 3SO₄^2-

Phương trình phản ứng phân tử:

2KMnO₄ + 3K₂SO₃ + H₂O → 2MnO₂ + 3K₂SO₄ + 2KOH

C. Trắc nghiệm Hóa học 10 bài 12