Lý thuyết Hóa học 10 bài 15 KNTT

a. Khái niệm

- Số oxi hóa là điện tích quy ước của nguyên tử trong phân từ khi coi tất cả các electron liên kết đều chuyện hoàn toàn về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

- Số oxi hóa được viết ở dạng số đại số, dấu viết trước, số viết sau.

Ví dụ 1: Xét phân tử NaCl

Nguyên tử Na nhường 1 electron cho nguyên tử Cl, khi đó nguyên tử Na trở thành ion dương mang điện tích +1 (số oxi hóa của Na là +1) và nguyên tử Cl trở thành ion âm mang điện tích -1 (số oxi hóa của Cl là -1): \(\mathop {Na}\limits^{ + 1} \mathop {Cl}\limits^{ - 1}\)

Ví dụ 2: Xét phân tử H₂O.

Độ âm điện của nguyên tử o lớn hơn độ âm điện của nguyên tử H, nếu các cặp electron liên kết chuyển hoàn toàn về nguyên tử O thì nguyên tử O có thêm 2 electron và trở thành ion âm có điện tích -2 (số oxi hóa của O là -2); mỗi nguyên tử H mất đi 1 electron và trở thành ion dương có điện tích +1 (số oxi hóa của H là +1): \(\mathop {{H_2}}\limits^{ + 1} \mathop O\limits^{ - 2}\)

Ví dụ 3: Xét phân tử H₂

H : H

Hai nguyên tử H giống nhau nên cặp electron liên kết không lệch về nguyên tử nào.

Do vậy, mỗi nguyên tử H đều trung hòa điện, có điện tích bằng 0 và số oxi hóa là 0.

\(\mathop {{H_2}}\limits^0\)

Số oxi hóa thường được dùng để lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa - khử.

b. Quy tắc xác định số oxi hóa

Thông thường, số oxi hoá của nguyên tử được xác định trực tiếp từ công thức phân tử theo các quy tắc sau:

Quy tắc 1. Trong đơn chất, số oxi hoá của nguyên tử bằng 0

Ví dụ:  \(\mathop C\limits^0 \,\,\,\,\,\,\mathop {Na}\limits^0 \,\,\,\,\,\mathop {{H_2}}\limits^0 \,\,\,\,\,\,\mathop {{O_2}}\limits^0\)

Quy tắc 2. Trong phân tử các hợp chất, thông thường số oxi hóa của hydrogen là +1, của oxygen là -2, các kim loại điển hình có số oxi hóa dương bằng số electron hóa trị.

Bảng 15.1. Số oxi hóa thường gặp của một số nguyên tử trong hợp chất

Quy tắc 3. Trong hợp chất, tổng số oxi hóa của các nguyên tử trong phân tử bằng 0.

Ví dụ: \(\mathop {A{l_2}}\limits^{ + 3} \mathop {{O_3}}\limits^{ - 2}\)

Tổng số oxi hoá = (+3).2 + (-2).3 = 0

Quy tắc 4. Trong ion đơn nguyên tử, SỐ oxi hoá của nguyên tử bằng điện tích ion trong ion đa nguyên tử, tổng số oxi hoá của các nguyên tử bằng điện tích lon.

Ví dụ: \(\(\,{\left[ {\mathop N\limits^{ - 3} \mathop {{H_4}}\limits^{ + 1} } \right]^ + }\,\,\)\)

Tổng số oxi hóa = (-3) + (+1).4 = +1.

ÁP DỤNG: Sử dụng các quy tắc này có thể xác định số oxi hóa của một nguyên tử | trong hợp chất khi biết số oxi hóa của các nguyên tử còn lại.

Ví dụ: Xác định số oxi hoá của nguyên tử C trong phân tử CaCO₃

Dựa vào Bảng 15. 1, biết được số oxi hoá của Ca là +2 và O là -2.

Số oxi hóa của từng nguyên tử: \(\mathop {Ca}\limits^{ + 2} \mathop C\limits^x \mathop {{O_3}}\limits^{ - 2}\)

Phân tử CaCO₃ trung hòa điện nên tổng số oxi hóa của các nguyên tử bằng 0:

(+2) + x + (-2).3 = 0 nên x = +4.

a. Chất oxi hoá, chất khử

Ví dụ 1: Đưa mẫu thân gỗ nóng đỏ vào bình đựng khí O₂, mẫu than cháy sáng.

\(\mathop C\limits^0  + \mathop {{O_2}}\limits^0  \to \mathop C\limits^{ + 4} \mathop {{O_2}}\limits^{ - 2}\)

Trong phản ứng trên, nguyên tử C nhường 4 electron, là chất khử, phân tử O, nhận 4 electron, là chất oxi hóa.

C^o →  C⁺⁴ + 4e (quá trình oxi hóa)

\(\mathop {{O_2}}\limits^0 + 4e → 2\mathop O\limits^{ - 2}\) (quá trình khử)

Ví dụ 2: Phản ứng đốt cháy methane.

\(\mathop C\limits^{ + 4} \mathop {{O_2}}\limits^{ - 2}\)

Chất oxi hóa là oxygen, chất khử là methane.

Ví dụ 3: Phản ứng khử FeO, bằng CO để sản xuất gang và thép.

\(\mathop {F{e_2}}\limits^{ + 3} \mathop {{O_3}}\limits^{}  + 3\mathop {CO}\limits^0  \to 2\mathop {Fe}\limits^0  + 3\mathop C\limits^{ + 4} \mathop {{O_2}}\limits^{ - 2}\)

Chất oxi hóa là iron(III) oxide, chất khử là carbon monooxide

Chất khử là chất nhường electron, chất oxi hóa là chất nhận electron.

Quá trình oxi hóa là quá trình chất khử nhường electron, quá trình khử là quá trình chất Oxi hóa nhận electron.

b. Phản ứng oxi hóa - khử

- Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hoá học xảy ra đồng thời quá trình nhường và quá trình nhận electron.

- Dấu hiệu để nhận biết phản ứng oxi hóa - khử là có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tử.

- Phương pháp thăng bằng electron được dùng để lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa - khử theo nguyên tắc:

- Tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận.

Ví dụ: Quá trình Oswald (Ot-xvan) dùng để sản xuất nitric acid từ ammonia, được đề xuất vào năm 1902. Ở giai đoạn đầu của quá trình, ammonia bị oxi hóa bởi oxygen ở nhiệt độ cao khi có chất xúc tác: NH₃ + O₂ → NO + H₂O

- Theo phương pháp thăng bằng electron, phương trình hóa học của phản ứng trên được lập theo các bước như sau:

+ Bước 1. Xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hóa, từ đó xác định chất oxi hóa, chất khử:

\(\mathop N\limits^{ - 3} \mathop {{H_3}}\limits^{}  + \mathop {{O_2}}\limits^0  \to \mathop N\limits^{ + 2} \mathop O\limits^{ - 2}  + \mathop H\limits^{} \mathop {_2O}\limits^{ - 2}\)

+ Bước 2. Biểu diễn quá trình oxi hóa, quá trình khử:

N^-3 → N⁺² + 5e

\(\mathop {{O_2}}\limits^0 + 4e → 2O-2\)

+ Bước 3. Tìm hệ số thích hợp cho chất khử và chất oxi hóa dựa trên nguyên tắc: Tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận.

+ Bước 4. Đặt hệ số của chất oxi hóa và chất khử vào sơ đồ phản ứng, từ đó tính ra hệ số của các chất khác có mặt trong phương trình hóa học. Kiểm tra sự cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố ở hai vế.

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

Trong thực tiễn, phản ứng oxi hóa - khử rất phổ biến, dưới đây là một số trường hợp điển hình.

a. Sự cháy

- Phản ứng cháy là phản ứng oxi hóa - khử xảy ra ở nhiệt độ cao giữa chất cháy và chất Oxi hóa. Trong phản ứng cháy, chất cháy thường là nhiên liệu (than đá, khí thiên nhiên, xăng. dầu,...), còn chất oxi hóa thường là oxygen. Sự cháy kèm theo sự tỏa nhiệt và phát sáng, tạo ra nhiệt lượng đủ để duy trì sự cháy.

Ví dụ: Phản ứng oxi hóa - khử xảy ra khi đốt cháy carbon trong than đá và butane trong khí gas

C + O₂ → CO₂

2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O

b. Sự han gỉ kim loại

- Sau một thời gian sử dụng, nhiều thiết bị, máy móc, vật dụng bằng kim loại thường bị han gi do sự oxi hóa của oxygen trong không khí. Đặc biệt, nước ta có khí hậu nhiệt đới, độ ẩm cao nên sự han gỉ kim loại xảy ra rất phổ biến.

Ví dụ: Trong không khí ẩm, các vật dụng bằng thép bị oxi hoá tạo gỉ sắt.

4Fe + 3O₂ + xH₂O → 2Fe₂O₃.xH₂O

c. Sản xuất hoá chất

- Trong công nghiệp, phần lớn các phản ứng hóa học xảy ra trong các quy trình sản xuất là phản ứng oxi hóa - khử. Ví dụ: Sulfuric acid là hóa chất quan trọng trong công nghiệp, được sản xuất chủ yếu từ sulfur hoặc quặng pyrite.

- Sơ đồ phản ứng:

d. Chuyển hóa các chất trong tự nhiên

- Trong tự nhiên cũng xảy ra rất nhiều quá trình kèm theo phản ứng oxi hóa - khử.

Ví dụ:

Lúa chiêm lấp ló đầu bờ

Hễ nghe tiếng sấm phất cờ mà lên

                                                          (Ca dao Việt Nam)

- Đây là hiện tượng cây lúa phát triển nhanh khi có những cơn mưa rào đầu tiên kèm theo sấm sét vào khoảng cuối mùa xuân.

- Tia sét tạo ra tia lửa điện, là điều kiện cho nitrogen phản ứng với oxygen: N₂ + O₂ → 2NO

- Khí NO sinh ra nhanh chóng chuyền hoá thành NO₂, sau đó tiếp tục bị oxi hoá thành HNO₃:

2NO + O₂ → 2NO₂

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

- Nitric acid tan vào nước mưa và chuyển hóa thành gốc nitrate (NO₃^-), cung cấp chất đạm cho cây lúa. Nhờ quá trình trên, hằng năm một lượng lớn phân đạm tự nhiên được bổ sung cho đất.

e. Xác định nồng độ một chất bằng phản ứng oxi hóa - khử

- Trong thực tế, dung dịch thuốc tím (KMnO₄) được sử dụng phổ biến như một tác nhân oxi hóa mạnh để xác định hàm lượng các chất khử như iron(II), hydrogen peroxide, oxalic acid,...

Ví dụ: Trong quá trình bảo quản, một mẫu iron(II) sulfate bị oxi hóa một phần thành hợp chất tron(III). Hàm lượng tron(II) sulfate còn lại trong mẫu được xác định thông qua phản ứng với dung dịch thuốc tím có nồng độ đã biết:

10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 8H₂SO₄ → 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O

Bài 1: Trong lò luyện gang, xảy ra phản ứng oxi hóa – khử theo sơ đồ:

Fe₂O₃+ CO \(\xrightarrow{{{t^o}C}}\) Fe + CO₂

Về bản chất, phản ứng oxi hóa - khử là gì, dựa vào dấu hiệu nào để nhận ra loại phản ứng đó?

Làm thế nào để lập phương trình hóa học của phản ứng trên.

Hướng dẫn giải

- Về bản chất, phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng xảy ra đồng thời quá trình nhường và quá trình nhận electron.

- Dấu hiệu để nhận ra loại phản ứng oxi hóa – khử là có sự thay đổi số oxi của các nguyên tử.

- Các bước lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa – khử:

Bước 1: Xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hóa, từ đó xác định chất oxi hóa, chất khử

Nguyên tử Fe và C có sự thay đổi số oxi hóa, Fe là chất oxi hóa, C là chất khử

Bước 2: Biểu diễn quá trình oxi hóa, quá trình khử

Fe⁺³ + 3e → Fe⁰

C⁺² → C⁺⁴ + 2e

Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho chất khử và chất oxi hóa dựa trên nguyên tắc tổng electron nhường bằng tổng electron nhận.

2x /Fe⁺³ + 3e → Fe⁰

3x /C⁺² → C⁺⁴ + 2e

Bước 4: Đặt hệ số của chất oxi hóa và chất khử vào sơ đồ phản ứng.

Fe₂O₃+ 3CO \(\xrightarrow{{{t^o}C}}\) 2Fe + 3CO₂

Bài 2: Phản ứng giữa HNO₃ với FeO tạo khí NO. Tổng hệ số các chất sản phẩm trong phương trình hóa học của phản ứng này (số nguyên, tối giản) là

A. 8

B. 9

C. 12

D. 13

Hướng dẫn giải

Đáp án: B

3FeO + 10(NO₃)₃ + NO + 5H₂O

Tổng hệ số các chất sản phẩm là 3 + 1 + 5 = 9

C. Trắc nghiệm Hóa học 10 bài 15