Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử

Fe nhường electron tạo thành cation Fe²⁺

Quá trình oxi hóa: Fe → Fe²⁺ + 2e

Oxi của không khí nhận electron:

Quá trình khử: 2H₂O + O₂ + 4e → 4OH^-

Fe²⁺ tan vào dung dịch có hóa tan khí O₂. Tại đây, Fe²⁺  tiếp tục bị oxi hóa, dưới tác dụng của ion OH^- tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là Fe₂O₃.nH₂O (oxit sắt(III) ngậm n phân tử nước).

Al₂O₃; CaF₂ là các hợp chất ion.

$A{l}_2^{3+}{O}_3^{2-}$: Số oxi hóa của Al là +3, của O là -2.

$C{a}_{}^{2+}{F}_2^{-}$: Số oxi hóa của Ca là +2, của F là -1.

NO: Giả định là hợp chất ion, hai cặp electron sẽ lệch hoàn toàn về phía nguyên tử O (có độ âm điện cao hơn), trong liên kết đôi có hai electron của N bị chuyển sang O nên hợp chất ion giả định là N²⁺=O^2-

Vậy số oxi hóa của N là +2, O là -2

CH₄ gồm 1 nguyên tử C liên kết đơn với 4 nguyên tử H

- Nguyên tử O có 6 electron lớp vỏ ngoài cùng, theo quy tắc octet nguyên tử O có xu hướng nhận thêm 2 electron để đạt được cấu hình bền vững giống như khí hiếm và trở thành ion mang điện tích -2.

Số oxi hóa của một nguyên tử một nguyên tố trong hợp chất là điện tích của nguyên tử nguyên tố đó với giả định đây là hợp chất ion.

⇒ Số oxi hóa của O trong hợp chất là -2.

Tương tự như vậy đối với kim loại nhóm IA, IIA và Al.

- Nguyên tử kim loại nhóm IA có 1 electron lớp vỏ ngoài cùng, theo quy tắc octet nguyên tử kim loại nhóm IA có xu hướng nhường đi 1 electron này để đạt được cấu hình bền vững giống như khí hiếm và trở thành ion mang điện tích +1.

⇒ Số oxi hóa của kim loại nhóm IA là +1.

- Nguyên tử kim loại nhóm IIA có 1 electron lớp vỏ ngoài cùng, theo quy tắc octet nguyên tử kim loại nhóm IIA có xu hướng nhường đi 2 electron này để đạt được cấu hình bền vững giống như khí hiếm và trở thành ion mang điện tích +2.

⇒ Số oxi hóa của kim loại nhóm IIA là +2.

- Nguyên tử Al có 3 electron lớp vỏ ngoài cùng, theo quy tắc octet nguyên tử Al có xu hướng nhường đi 3 electron này để đạt được cấu hình bền vững giống như khí hiếm và trở thành ion mang điện tích +3.

⇒ Số oxi hóa của Al là +3.

Fe₂O₃

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của O là -2

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của Fe là x ta có:

2.x + 3.(-2) = 0 → x = +3

Vậy trong hợp chất Fe₂O₃ số oxi hóa của Fe là +3, O là -2.

Na₂CO₃

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của O là -2, Na là +1

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của C là x ta có:

2.(+1) + 1.x + 3.(-2) = 0 → x = +4

Vậy trong hợp chất Na₂CO₃ số oxi hóa của Na là +1, C là +4, O là +2.

KAl(SO₄)₂

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của K là +1, Al là +3, O là -2

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của S là x ta có:

1.(+1) + 1.(+3) + 2.x + 4.2.(-2) = 0 → x = +6

Vậy trong hợp chất KAl(SO₄)₂ số oxi hóa của K là +1, Al là +3, S là +6, O là -2.

NO₃^-

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của O là -2

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của N là x ta có:

1.x + 3.(-2) = -1 → x = +5

Vậy trong ion NO₃^- số oxi hóa của N là +5, O là -2.

NH₄⁺

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của H là +1.

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của N là x ta có:

1.x + 4.(+1) = +1 → x = -3

Vậy trong ion NH₄⁺ số oxi hóa của N là -3, H là +1.

MnO₄^-

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của O là -2

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của Mn là x ta có:

1.x + 4.(-2) = -1 → x = +7

Vậy trong ion MnO₄^-  số oxi hóa của Mn là +7, O là -2

Cách 2: Xác định số oxi hóa dựa theo công thức cấu tạo.

NH₃ có công thức cấu tạo là:

Độ âm điện của O là 3,4 và của F là 4,0

OF₂ có công thức cấu tạo F – O – F, với giả định là hợp chất ion, hai cặp electron chung sẽ lệch hoàn toàn về phía nguyên tử F (có độ âm điện cao hơn), mỗi liên kết đơn có 1 electron của O chuyển sang nên hợp chất ion giả định là F^-O₂⁺F^-

(1) $2\stackrel{0}{Ag}+{\stackrel{0}{Cl}}_2\to 2\stackrel{+1}{Ag}\stackrel{-1}{Cl}$

Trong phản ứng (1) cả Ag và Cl đều có sự thay đổi số oxi hóa

(2) $2\stackrel{+1}{Ag}\stackrel{+5}{N}{\stackrel{-2}{O}}_3+\stackrel{+2}{Ba}{\stackrel{-1}{Cl}}_2\to 2\stackrel{+1}{Ag}\stackrel{-1}{Cl}+\stackrel{+2}{Ba}{\left(\stackrel{+5}{N}{\stackrel{-2}{O}}_3\right)}_2$

Trong phản ứng (2) không có nguyên tố nào có sự thay đổi số oxi hóa.

(3) ${\stackrel{0}{Cl}}_2+2NaOH\to NaO\stackrel{+1}{Cl}+Na\stackrel{-1}{Cl}+H_{2}O$

Trong phản ứng (3) nguyên tố Cl thể hiện 3 số oxi hóa là 0, +1, -1

$\stackrel{0}{Al}\to \stackrel{+3}{Al}+3e$ (1)

$\stackrel{0}{O}+2e\to \stackrel{-2}{O}$  (2)

Chất khử là chất nhường electron ⇒ Al là chất khử.

Chất oxi hóa là chất nhận electron ⇒ O₂ là chất oxi hóa.

Quá trình oxi hóa là quá trình nhường electron ⇒ (1) là quá trình oxi hóa.

Quá trình khử là quá trình nhận electron ⇒ (2) là quá trình khử.

a) ${\stackrel{+3}{Fe}}_2{\stackrel{-2}{O}}_3+\stackrel{+2}{C}\stackrel{-2}{O}\to \stackrel{0}{Fe}+\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2$

$\stackrel{+3}{2Fe}+6e\to 2\stackrel{0}{Fe}$

$\stackrel{+2}{C}\to \stackrel{+4}{C}+2e$

$\begin{array}{c}1\times \\ 3\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{+3}{2Fe}+6e\to 2\stackrel{0}{Fe}\\ \stackrel{+2}{C}\to \stackrel{+4}{C}+2e\end{array}\right.$
⇒ $2\stackrel{+3}{Fe}+3\stackrel{+2}{C}\to 2\stackrel{0}{Fe}+3\stackrel{+4}{C}$

⇒ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

- Phản ứng: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Thường diễn ra trong quá trình luyện gang.

- Phản ứng 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O
Thường diễn ra trong quá trình điều chế HNO₃

Phương pháp hiện đại sản xuất HNO₃ từ NH₃ gồm ba giai đoạn

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (phản ứng này thường được thực hiện ở 850 – 900^oC, có mặt chất xúc tác platin)
2NO + O₂ → 2NO₂

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

a) $\stackrel{+1}{H}\stackrel{-1}{Cl}+\stackrel{+4}{Pb}{\stackrel{-2}{O}}_2\to \stackrel{+2}{Pb}{\stackrel{-1}{Cl}}_2+{\stackrel{0}{Cl}}_2+{\stackrel{+1}{H}}_2\stackrel{-2}{O}$

$\begin{array}{l}\stackrel{+4}{Pb}+2e\to \stackrel{+2}{Pb}\\ \stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{0}{Cl}+1e\end{array}$

$\begin{array}{c}1\times \\ 2\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{+4}{Pb}+2e\to \stackrel{+2}{Pb}\\ \stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{0}{Cl}+1e\end{array}\right.$

⇒ $\stackrel{+4}{Pb}+2\stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{+2}{Pb}+2\stackrel{0}{Cl}$

4HCl + PbO₂ → PbCl₂ + Cl₂ + 2H₂O

Sắt bị gỉ trong không khí ẩm là phản ứng oxi hóa khử. Các quá trình diễn ra như sau:

Fe nhường electron tạo thành cation Fe²⁺

Quá trình oxi hóa: Fe → Fe²⁺ + 2e

Oxi của không khí nhận electron:

Quá trình khử: 2H₂O + O₂ + 4e → 4OH^-

Fe²⁺ tan vào dung dịch có hòa tan khí O₂. Tại đây, Fe²⁺  tiếp tục bị oxi hóa, dưới tác dụng của ion OH^- tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là Fe₂O₃.nH₂O (oxit sắt(III) ngậm n phân tử nước).

4Fe + 3O₂ + nH₂O $\stackrel{t°}{\to }$ 2Fe₂O₃.nH₂O

Phản ứng oxi hóa hoàn toàn methane:

CH₄ + O₂ $\stackrel{t°}{\to }$ CO₂ + H₂O

$\stackrel{-4}{C}{\stackrel{+1}{H}}_4+{\stackrel{0}{O}}_2\stackrel{t°}{\to }\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2+{\stackrel{+1}{H}}_2\stackrel{-2}{O}$

$\begin{array}{c}1\times \\ 4\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{-4}{C}\to \stackrel{+4}{C}+8e\\ \stackrel{0}{O}+2e\to \stackrel{-2}{O}\end{array}\right.$

⇒ $\stackrel{-4}{C}+4\stackrel{0}{O}\to \stackrel{+4}{C}+4\stackrel{-2}{O}$

CH₄ + 2O₂ $\stackrel{t°}{\to }$ CO₂ + 2H₂O

a) H₂SO₃

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của O là -2, H là +1

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của S là x ta có:

2.(+1) + 1.x + 3.(-2) = 0 → x = +4

Vậy trong H₂SO₃ số oxi hóa của O là -2, H là +1, S là +4

b) Al(OH)₄^-

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của O là -2, H là +1, Al là +3

Theo quy tắc 2:

1.(+3) + 4.(-2) + 4.(+1) = -1 (Thỏa mãn)

Vậy trong Al(OH)₄^-  số oxi hóa của O là -2, H là +1, Al là +3.

c) NaAlH₄

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của Na là +1, Al là +3

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của H là x ta có:

1.(+1) + 1.(+3) + 4.x = 0 → x = -1

Vậy trong NaAlH₄  số oxi hóa của Na là +1, H là -1, Al là +3.

d) NO₂^-

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của O là -2

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của N là x ta có:

1.x + 2.(-2) = -1 → x = +3

Vậy trong NO₂^-  số oxi hóa của N là +3, O là -2.

a) Ag⁺ + Fe²⁺ → Ag + Fe³⁺

Chất oxi hóa: Ag⁺

Chất khử: Fe²⁺

Quá trình khử: $\stackrel{+1}{Ag}+\text{ 1e}\to \stackrel{0}{Ag}$

Quá trình oxi hóa: $\stackrel{+2}{Fe}\to \stackrel{+3}{Fe}+1e$

b) 3Hg²⁺ + 2Fe → 3Hg + 2Fe³⁺

Chất oxi hóa: Hg²⁺

Chất khử: Fe

Quá trình khử: $\stackrel{+2}{Hg}+2e\to \stackrel{0}{Hg}$

Quá trình oxi hóa: $\stackrel{0}{Fe}\to \stackrel{+3}{Fe}+3e$

c) 2As + 3Cl₂ → 2AsCl₃          

$2\stackrel{0}{As}+3{\stackrel{0}{Cl}}_2\to 2\stackrel{+3}{As}{\stackrel{-1}{Cl}}_3$

Chất oxi hóa: Cl₂

Chất khử: As

Quá trình khử: ${\stackrel{0}{Cl}}_{}+1e\to \stackrel{-1}{Cl}$

Quá trình oxi hóa: $\stackrel{0}{As}\to \stackrel{+3}{As}+3e$

d*) Al + 6H⁺ + 3NO₃^- → Al³⁺ + 3NO₂ + 3H₂O

Chất khử: Al

Chất oxi hóa: NO₃^-

Quá trình khử: $N{O_3}^{-}+2H^{+}+1e\to N{O}_2+H_{2}O$

Quá trình oxi hóa: $\stackrel{0}{Al}\to \stackrel{+3}{Al}+3e$

a) NaBr + Cl₂ → NaCl + Br₂  

$\stackrel{+1}{Na}\stackrel{-1}{Br}+{\stackrel{0}{Cl}}_2\to \stackrel{+1}{Na}\stackrel{-1}{Cl}+{\stackrel{0}{Br}}_2$

$\begin{array}{l}\stackrel{-1}{Br}\to {\stackrel{0}{Br}}_{}+1e\\ \stackrel{0}{Cl}+1e\to \stackrel{-1}{Cl}\end{array}$

$\begin{array}{c}1\times \\ 1\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{-1}{Br}\to {\stackrel{0}{Br}}_{}+1e\\ \stackrel{0}{Cl}+1e\to \stackrel{-1}{Cl}\end{array}\right.$

⇒ $\stackrel{-1}{Br}+\stackrel{0}{Cl}\to \stackrel{0}{Br}+\stackrel{-1}{Cl}$

2NaBr + Cl₂ → 2NaCl + Br₂

a) H₂O₂ có công thức cấu tạo là: H – O – O – H

Xét liên hết O – O, hai nguyên tử O có độ âm điện bằng nhau nên electron không bị lệch về phía nguyên tử nào.

Xét mỗi liên kết O – H, O góp 1 electron, khi giả định H₂O₂ là hợp chất ion thì 1 electron này chuyển sang O (O có độ âm điện lớn hơn H).

H₂O₂ có công thức ion giả định là: H¹⁺O^1-O^1-H¹⁺

Vậy số oxi hóa của O là -1, H là +1

b) Ngoài số oxi hóa là -1 trong H₂O₂, trong các hợp chất khác số oxi hóa của O thường là -2. Khi H₂O₂ tham gia phản ứng oxi hóa – khử, số oxi hóa của O giảm từ -1 xuống -2

⇒ H₂O₂ là chất oxi hóa (chất bị khử hoặc có tính oxi hóa).

Quá trình khử: $\stackrel{-1}{O}+1e\to \stackrel{-2}{O}$

Vậy nguyên tử O gây nên tính oxi hóa của H₂O₂

C₂H₅OH + 2O₂ $\stackrel{t°}{\to }$ CO₂ + 3H₂O

Cách 1: Xác định số oxi hóa trung bình của C trong hợp chất C₂H₅OH

Số oxi hóa của O là -2, H là +1

Gọi số oxi hóa trung bình của C là x ta có:

2.x + 5.(+1) + 1.(-2) + 1.(+1) = 0 → x = -2

Vậy số oxi hóa trung bình của C trong C₂H₅OH là +2

${\stackrel{-2}{C}}_2{\stackrel{+1}{H}}_5\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H}+2{\stackrel{0}{O}}_2\stackrel{t°}{\to }\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2+{\stackrel{+1}{3H}}_2\stackrel{-2}{O}$ 

Ta thấy có sự thay đổi số oxi hóa của C và O trước và sau phản ứng

⇒ Là phản ứng oxi hóa khử

Cách 2: Xác định số oxi hóa cụ thể của từng nguyên tử C trong hợp chất C₂H₅OH

- Dựa theo công thức cấu tạo

Giả định C₂H₅OH là hợp chất ion:

- Dựa theo số oxi hóa của một số nguyên tử đã biết

Trong hợp chất hữu cơ số oxi hóa của H, O, kim loại nhóm IA, IIA vẫn tuân theo quy tắc 1 (H là +1, O là -2,…)

Ta có thể tách riêng từng nhóm ra tính. Trong hợp chất C₂H₅OH (hoặc CH₃CH₂OH) tách thành CH₃ và CH₂OH, số oxi hóa của các nhóm này bằng 0.

Do đó trong $\stackrel{-3}{C}{\stackrel{+1}{H}}_3$, C có số oxi hóa -3; trong $\stackrel{-1}{C}{\stackrel{+1}{H}}_2\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H}$, C có số oxi hóa -1

$\stackrel{-3}{C}{\stackrel{+1}{H}}_3\stackrel{-1}{C}{\stackrel{+1}{H}}_2\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H}+2{\stackrel{0}{O}}_2\stackrel{t°}{\to }\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2+{\stackrel{+1}{3H}}_2\stackrel{-2}{O}$

Ta thấy có sự thay đổi số oxi hóa của C và O trước và sau phản ứng

⇒ Là phản ứng oxi hóa khử

Phản ứng này thuộc loại phản ứng cung cấp năng lượng.