Giải Hóa 10 Bài 13 ( Cánh diều): Phản ứng oxi hóa – khử

Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử

Video giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử

Mở đầu trang 70 Hóa học 10: Quá trình bị gỉ của đinh ốc ngoài không khí được mô tả như hình dưới đây:

Trong quá trình này hãy cho biết nguyên tử nguyên tố nào nhường electron, nguyên tử nguyên tố nào nhận electron. Giải thích.

Trả lời:

Fe nhường electron tạo thành cation Fe²⁺:

Fe → Fe²⁺ + 2e

Oxygen của không khí nhận electron:

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 (iron) có thành phần chủ yếu là Fe₂O₃.nH₂O.

I. Số oxi hóa

1. Khái niệm số oxi hóa

Luyện tập 1 trang 71 Hóa học 10: Xác định số oxi hóa của mỗi nguyên tử nguyên tố trong các hợp chất ion Al₂O₃, CaF₂.

Trả lời:

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.

Luyện tập 2 trang 71 Hóa học 10: Xác định số oxi hóa của mỗi nguyên tử trong hợp chất sau: NO, CH₄

Trả lời:

NO: Với 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 với 4 nguyên tử H:

Với giả định CH₄ là hợp chất ion, cặp electron lệch hoàn toàn về phía nguyên tử C (có độ âm điện cao hơn), trong mỗi liên kết đơn C-H có một electron của H bị chuyển sang C nên hợp chất ion giả định là

Vậy số oxi hóa của H là +1, C là -4.

2. Cách xác định số oxi hóa của nguyên tử các nguyên tố trong hợp chất.

Câu hỏi 1 trang 71 Hóa học 10: Dựa theo quy tắc octet, giải thích vì sao số oxi hóa của O là -2, của kim loại nhóm IA là +1, của kim loại nhóm IIA là +2 và của Al là +3.

Trả lời:

Chú ý: 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.

- 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 O trong hợp chất là -2.

- 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.

Luyện tập 3 trang 72 Hóa học 10: Xác định số oxi hóa của mỗi nguyên tử trong các hợp chất: Fe₂O₃, Na₂CO₃, KAl(SO₄)₂

Trả lời:

Fe₂O₃

Số oxi hóa của O là -2 (theo quy tắc 1)

Gọi số oxi hóa của Fe là x, theo quy tắc 2 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

Số oxi hóa của O là -2, Na là +1 (theo quy tắc 1)

Gọi số oxi hóa của C là x, theo quy tắc 2 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

Số oxi hóa của K là +1, Al là +3, O là -2 (theo quy tắc 1)

Gọi số oxi hóa của S là x, theo quy tắc 2 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.

Luyện tập 4 trang 72 Hóa học 10: Xác định số oxi hóa của mỗi nguyên tử trong các ion NO₃^-, NH₄⁺, MnO₄^-.

Trả lời:

NO₃^-

Số oxi hóa của O là -2 (theo quy tắc 1)

Gọi số oxi hóa của N là x (theo quy tắc 2) ta có:

1.x + 3.(-2) = -1 → x = +5

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

NH₄⁺

Số oxi hóa của H là +1 (theo quy tắc 1)

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

1.x + 4.(+1) = +1 → x = -3

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

MnO₄^-

Số oxi hóa của O là -2 (theo quy tắc 1)

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

1.x + 4.(-2) = -1 → x = +7

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

Luyện tập 5 trang 72 Hóa học 10: Xác định số oxi hóa của mỗi nguyên tử trong NH₃ theo cách 2.

Trả lời:

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

NH₃ có công thức cấu tạo là:

Trong mỗi liên kết đơn, N góp 1 electron, khi giả định NH₃ là hợp chất ion thì 1 electron này chuyển sang N. Vì có ba liên kết N-H nên NH₃ có công thức ion giả định là

Vậy số oxi hóa của N là +3, H là +1

Câu hỏi 2 trang 72 Hóa học 10: Dựa vào độ âm điện, giải thích vì sao công thức ion giả định của OF₂ là F^-O²⁺F^- mà không phải là F⁺O^2-F⁺.

Trả lời:

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^-

II. Phản ứng oxi hóa – khử

1. Một số khái niệm

Câu hỏi 3 trang 73 Hóa học 10: Xác định số oxi hóa của các nguyên tử trong phản ứng (1), (2). Cho biết nguyên tố nào có sự thay đổi số oxi hóa.

Trả lời:

(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.

Câu hỏi 4 trang 73 Hóa học 10: Nguyên tố Cl thể hiện bao nhiêu số oxi hóa trong phản ứng (3)?

Trả lời:

(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

2. Cân bằng phản ứng oxi hóa – khử

Câu hỏi 5 trang 74 Hóa học 10: Trong phản ứng ở ví dụ 1, hãy chỉ ra chất khử, chất oxi hóa, quá trình khử, quá trình oxi hóa.

Trả lời:

Phản ứng ở ví dụ 1: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃

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

Câu hỏi 6 trang 74 Hóa học 10: Cân bằng các phản ứng oxi hóa – khử sau. Chỉ ra chất oxi hóa, chất khử, sự oxi hóa, sự khử.

a) Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

b) NH₃ + O₂ → NO + H₂O

Trả lời:

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

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

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

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

⇒ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

b) $\stackrel{-3}{N}{\stackrel{}{H}}_3+{\stackrel{0}{O}}_2\to \stackrel{+2}{N}\stackrel{-2}{O}+{\stackrel{}{H}}_2\stackrel{-2}{O}$

$\begin{array}{l}\stackrel{-3}{N}\to \stackrel{+2}{N}+5e\\ \stackrel{0}{O}+2e\to \stackrel{-2}{O}\end{array}$

$\begin{array}{c}2\times \\ 5\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{-3}{N}\to \stackrel{+2}{N}+5e\\ \stackrel{0}{O}+2e\to \stackrel{-2}{O}\end{array}\right.$

$2\stackrel{-3}{N}+5\stackrel{0}{O}\to 2\stackrel{+2}{N}+5\stackrel{-2}{O}$

2NH₃ + $\frac{5}{2}$O₂ → 2NO + 3H₂O

Có thể viết thành: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O
Câu hỏi 7 trang 74 Hóa học 10: Các phản ứng trên thường gặp trong đời sống và trong sản xuất. Những phản ứng này thường diễn ra trong quá trình nào?

Trả lời:

- Phản ứng: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Thường diễn ra trong quá trình luyện gang.

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

Luyện tập 6 trang 74 Hóa học 10: Cân bằng các phản ứng oxi hóa – khử sau:

a) HCl + PbO₂ → PbCl₂ + Cl₂ + H₂O

b) KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl₂ + H₂O

Trả lời:

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

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

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

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

4HCl + PbO₂ → PbCl₂ + Cl₂ + 2H₂O

b) $\stackrel{}{K}\stackrel{+7}{Mn}{\stackrel{}{O}}_4+\stackrel{}{H}\stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{}{K}\stackrel{}{Cl}+\stackrel{+2}{Mn}{\stackrel{}{Cl}}_2+{\stackrel{0}{Cl}}_2+{\stackrel{}{H}}_2\stackrel{}{O}$

$\begin{array}{l}\stackrel{+7}{Mn}+5e\to \stackrel{+2}{Mn}\\ \stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{0}{Cl}+1e\end{array}$

$\begin{array}{c}1\times \\ 5\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{+7}{Mn}+5e\to \stackrel{+2}{Mn}\\ \stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{0}{Cl}+1e\end{array}\right.$

⇒ $\stackrel{+7}{Mn}+5\stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{+2}{Mn}+5\stackrel{0}{Cl}$

⇒ $\stackrel{+7}{2Mn}+10\stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{+2}{2Mn}+10\stackrel{0}{Cl}$

2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O

3. Ý nghĩa và một số phản ứng oxi hóa khử quan trọng

Vận dụng trang 75 Hóa học 10: Sắt bị gỉ trong không khí ẩm. Đó có phải là phản ứng oxi hóa – khử không? Đề xuất một vài biện pháp hạn chế sự tạo gỉ kim loại nêu trên.

Trả lời:

Sắt (iron) 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

Oxygen 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.

Một số biện pháp hạn chế sự tạo gỉ kim loại:

- Ngăn không cho kim loại tiếp xúc với môi trường: Sơn, mạ, bôi dầu mỡ lên trên bề mặt kim loại,…

- Chế tạo hợp kim ít bị ăn mòn: Ví dụ như thép không gỉ (inox) để làm các vật dụng, máy móc …

Câu hỏi 8 trang 75 Hóa học 10: Hãy viết các quá trình thay đổi số oxi hóa của mỗi nguyên tử nguyên tố trong phản ứng oxi hóa hoàn toàn methane (thành phần chính của khí thiên nhiên)

Trả lời:

Phản ứng oxi hóa hoàn toàn methane:

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

$\begin{array}{l}\stackrel{-4}{C}\to \stackrel{+4}{C}+8e\\ \stackrel{0}{O}+2e\to \stackrel{-2}{O}\end{array}$

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

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

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

Bài tập (trang 76)

Bài 1 trang 76 Hóa học 10: Xác định số oxi hóa của mỗi nguyên tử trong phân tử và ion sau đây:

a) H₂SO₃ b) Al(OH)₄^- c) NaAlH₄ d) NO₂^-

Trả lời:

a) H₂SO₃

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

Gọi số oxi hóa của S là x, theo quy tắc 2 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

c) NaAlH₄

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

Gọi số oxi hóa của H là x, theo quy tắc 2 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

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

1.x + 2.(-2) = -1 → x = +3

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

Bài 2 trang 76 Hóa học 10: Xác định chất oxi hóa, chất khử, viết quá trình oxi hóa, quá trình khử trong các phản ứng sau:

a) Ag⁺ + Fe²⁺ → Ag + Fe³⁺

b) 3Hg²⁺ + 2Fe → 3Hg + 2Fe³⁺

c) 2As + 3Cl₂ → 2AsCl₃

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

Trả lời:

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

(Hoặc: $\stackrel{+5}{N}+1e\to \stackrel{+4}{N}$)

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

Bài 3 trang 76 Hóa học 10: Cân bằng các phản ứng oxi hóa – khử sau đây bằng phương pháp thăng bằng electron:

a) NaBr + Cl₂ → NaCl + Br₂

b) Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

c) CO + I₂O₅ → CO₂ + I₂

d) Cr(OH)₃ + Br₂ + OH^- → CrO₄^2- + Br^- + H₂O

e) H⁺ + MnO­₄^- + HCOOH → Mn²⁺ + H₂O + CO₂

Trả lời:

a) NaBr + Cl₂ → NaCl + Br₂

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

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

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

2NaBr + Cl₂ → 2NaCl + Br₂

b) Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

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

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

⇒ $2\stackrel{+3}{Fe}+3\stackrel{+2}{C}\to 2\stackrel{0}{Fe}+3\stackrel{+4}{C}$

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

c) CO + I₂O₅ → CO₂ + I₂

$\stackrel{+2}{C}\stackrel{}{O}+{\stackrel{+5}{I}}_2{\stackrel{}{O}}_5\to \stackrel{+4}{C}{\stackrel{}{O}}_2+{\stackrel{0}{I}}_2$

$\begin{array}{c}5\times \\ 2\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{+2}{C}\to \stackrel{+4}{C}+2e\\ \stackrel{+5}{I}+5e\to \stackrel{0}{I}\end{array}\right.$

⇒ $5\stackrel{+2}{C}+2\stackrel{+5}{I}\to 5\stackrel{+4}{C}+2\stackrel{0}{I}$

5CO + I₂O₅ → 5CO₂ + I₂

d) Cr(OH)₃ + Br₂ + OH^- → CrO₄^2- + Br^- + H₂O

$\begin{array}{c}3\times \\ 1\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{0}{Br}+1e\to B{r}^{-}\\ Cr{\left(OH\right)}_3+\text{ 5}O{H}^{-}\to Cr{O_4}^{2-}+\text{ 4}{H}_{2}O+3e\end{array}\right.$

⇒ $Cr{\left(OH\right)}_3+\text{ 3}Br+\text{ 5}O{H}^{-}\to Cr{O_4}^{2-}+\text{ 3}B{r}^{-}+\text{ 4}{H}_{2}O$

2Cr(OH)₃ + 3Br₂ + 10OH^- → 2CrO₄^2- + 6Br^- + 8H₂O

e) H⁺ + MnO­₄^- + HCOOH → Mn²⁺ + H₂O + CO₂

$H^{+}+Mn{O_4}^{-}+\stackrel{+1}{H}\stackrel{+2}{C}\stackrel{-2}{O}\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H}\to M{n}^{2+}+H_{2}O+\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2$

$\begin{array}{c}5\times \\ 2\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{+1}{H}\stackrel{+2}{C}\stackrel{-2}{O}\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H}\to \stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2+2H^{+}+2e\\ 8H^{+}+Mn{O_4}^{-}\text{ +\hspace{0.17em}\hspace{0.17em}5e}\to M{n}^{2+}+\text{ 4}{H}_{2}O\end{array}\right.$

⇒ $16H^{+}+\text{ 2}Mn{O_4}^{-}\text{ +\hspace{0.17em}\hspace{0.17em}}\stackrel{+1}{5H}\stackrel{+2}{C}\stackrel{-2}{O}\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H}\to 2M{n}^{2+}+\text{ 8}{H}_{2}O+5\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2+10H^{+}$

6H⁺ + 2MnO­₄^- + 5HCOOH → 2Mn²⁺ + 8H₂O + 5CO₂

Bài 4 trang 76 Hóa học 10: Nước oxi già có tính oxi hóa mạnh, do khả năng oxi hóa của hydrogen peroxide (H₂O₂).

a) Từ công thức cấu tạo H – O – O – H, hãy xác định số oxi hóa của mỗi nguyên tử.

b) Nguyên tử nguyên tố nào gây nên tính oxi hóa của H₂O₂. Viết quá trình khử minh họa cho nguyên tử nguyên tố đó.

Trả lời:

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

Bài 5 trang 76 Hóa học 10: Xăng E5 được tạo nên bởi sự pha trộn xăng A92 và ethanol (C₂H₅OH) theo tỉ lệ thể tích tương ứng là 95 : 5, giúp thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, phù hợp với xu thế phát triển chung trên thế giới và góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Viết phương trình của phản ứng hóa học đốt cháy ethanol thành CO₂ và H₂O. Phản ứng này có phải là phản ứng oxi hóa – khử hay không? Nó thuộc loại phản ứng cung cấp hay tích trữ năng lượng.

Trả lời:

- Phản ứng hóa học: C₂H₅OH + 3O₂ $\stackrel{t°}{\to }$ 2CO₂ + 3H₂O

- Phản ứng này là phản ứng oxi hóa – khử vì có sự thay đổi số oxi hóa của C và O trước và sau phản ứng:

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

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

Lý thuyết Phản ứng oxi hóa – khử

I. Số oxi hóa

1. Khái niệm số oxi hóa

- 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.

Ví dụ:

- Trong các hợp chất ion:

+ K⁺Cl^-: số oxi hóa của K là +1, của Cl là -1.

+ Ca²⁺O^2-: số oxi hóa của Ca là +2, của O là -2.

- Trong các hợp chất cộng hóa trị:

H – O – H: với giả định là hợp chất ion, hai cặp electron dùng chung sẽ lệch hoàn toàn về phía nguyên tử O (có độ âm điện lớn hơn), mỗi liên kết đơn có một electron của H bị chuyển sang O nên hợp chất ion giả định là H⁺O^2-H⁺. Vậy số oxi hóa của H là +1, của O là -2.

2. Cách xác định số oxi hóa của nguyên tử các nguyên tố trong hợp chất

Có hai cách để xác định số oxi hóa của các nguyên tử nguyên tố hóa học trong hợp chất.

Cách 1: Dựa theo số oxi hóa của một nguyên tử đã biết và điện tích của phân tử hoặc ion. Theo cách này có hai quy tắc:

- Quy tắc 1:

+ Số oxi hóa của nguyên tử nguyên tố trong đơn chất bằng 0.

+ Trong các hợp chất: Số oxi hóa của H là +1 (trừ một số hydride: NaH, CaH₂, ...); Số oxi hóa của O là -2 (trừ một số trường hợp như: OF₂, H₂O₂, ...); Số oxi hóa của các kim loại kiềm (nhóm IA: Li, Na, K, ...) luôn là +1; Số oxi hóa của các kim loại kiềm thổ (nhóm IIA: Be, Mg, Ca, Ba, ...) luôn là +2; Số oxi hóa của nhôm luôn là +3.

- Quy tắc 2: Tổng số oxi hóa của các nguyên tử trong phân tử bằng 0, trong một ion đa nguyên tử bằng chính điện tích của ion đó.

Ví dụ 1: Số oxi hóa của các nguyên tố Cu, Fe, O, N trong đơn chất Cu, Fe, O₂, N₂ đều bằng 0.

Ví dụ 2: Xác định số oxi hóa của N trong HNO₃.

Gọi x là số oxi hóa của N, theo quy tắc 1 và 2 có:

1.(+1) + 1.x + 3.(-2) = 0 $\Rightarrow$ x = +5

Vậy N có số oxi hóa + 5 trong HNO₃.

Ví dụ 3: Xác định số oxi hóa của S trong $S{O}_4^{2-}$

Gọi x là số oxi hóa của S, theo quy tắc 1 và 2 có:

1.x + 4.(-2) = -2 $\Rightarrow$ x = +6

Vậy S có số oxi hóa + 6 trong $S{O}_4^{2-}$ .

Cách 2: Dựa theo công thức cấu tạo. Đây là cách tính điện tích các nguyên tử trong hợp chất với giả định đó là hợp chất ion dựa vào công thức cấu tạo.

Ví dụ 3: Xác định số oxi hóa của Si và O trong SiO₂.

Silicon dioxide (SiO₂) có công thức cấu tạo như sau O = Si = O. Trong mỗi liên kết đôi Si = O, một nguyên tử Si góp 2 electron, khi giả định SiO₂ là hợp chất ion thì 2 electron này chuyển sang O. Vì có 2 liên kết Si = O nên SiO₂ có công thức ion giả định là O^2-Si⁴⁺O^2-. Từ đó xác định được số oxi hóa của O là – 2, của Si là +4.

Ví dụ 4: Xác định số oxi hóa của H và Cl trong HCl.

Hydrochloric acid (HCl) có công thức cấu tạo như sau H – Cl. Trong liên kết đơn H - Cl, nguyên tử H góp 1 electron, khi giả định HCl là hợp chất ion thì 1 electron này chuyển sang Cl. Do đó HCl có công thức ion giả định là H⁺Cl^-. Từ đó xác định được số oxi hóa của H là + 1, của Cl là -1.

Lưu ý: Cách này có ưu điểm là áp dụng cho mọi trường hợp, tuy nhiên, cần phải biết công thức cấu tạo của chất.

II. Phản ứng oxi hóa - khử

1. Một số khái niệm

- Phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng hóa học trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của ít nhất một nguyên tố hóa học.

Ví dụ:

$\stackrel{0}{Fe}$ + 2$\stackrel{+1}{H}Cl$ $\stackrel{}{\to }$ $\stackrel{+2}{Fe}C{l}_2$ + $\stackrel{0}{H_2}$(1)

$\stackrel{-3}{N}{H}_4\stackrel{+5}{N}{O}_3$ $\stackrel{t^o}{\to }$ $\stackrel{+1}{N_2}O$ + 2H₂O (2)

NaOH + HCl $\stackrel{}{\to }$ NaCl + H₂O (3)

Phản ứng (1) là phản ứng oxi hóa – khử vì có sự thay đổi số oxi hóa của Fe và H.

Phản ứng (2) là phản ứng oxi hóa – khử vì có sự thay đổi số oxi hóa của N.

Phản ứng (3) không phải là phản ứng oxi hóa – khử vì không có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố trước và sau phản ứng.

- Một số khái niệm thường sử dụng đối với phản ứng oxi hóa – khử:

+ Chất khử (chất bị oxi hóa) là chất nhường electron.

+ Chất oxi hóa (chất bị khử) là chất nhận electron.

+ Quá trình oxi hóa (sự oxi hóa) là quá trình nhường electron.

+ Quá trình khử (sự khử) là quá trình nhận electron.

2. Cân bằng phản ứng oxi hóa – khử theo phương pháp thăng bằng electron

- Cân bằng phản ứng oxi hóa – khử theo nguyên tắc: Trong một phản ứng, tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận.

Ví dụ 1: Cân bằng phản ứng: Al + H₂SO₄ $\stackrel{}{\to }$Al₂(SO₄)₃ + H₂

Bước 1: Xác định sự thay đổi số oxi hóa trước và sau phản ứng của các nguyên tử

$\stackrel{0}{Al}$ + $\stackrel{+1}{H_2}S{O}_4$ _{$\stackrel{}{\to }$} $\stackrel{+3}{A{l}_2}{\left(S{O}_4\right)}_3$+ $\stackrel{0}{H_2}$

Al là chất khử, H₂SO₄ là chất oxi hóa.

Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử

Quá trình oxi hóa: $\stackrel{0}{Al}$ $\stackrel{}{\to }$ $\stackrel{+3}{Al}$ + 3e (1)

Quá trình khử: $2\stackrel{+1}{H}$ + 2e $\stackrel{}{\to }$ $\stackrel{0}{H_2}$(2)

Bước 3: Thăng bằng electron bằng cách nhân thêm hệ số vào các quá trình nhường và nhận electron sao cho tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận. Cộng các quá trình (đã nhân hệ số) với nhau sẽ thu được sơ đồ (3).

$\begin{array}{c}2\times \\ 3\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{0}{Al}\to \stackrel{+3}{Al}+3e\\ 2\stackrel{+1}{H}+2e\to \stackrel{0}{H_2}\end{array}\right.$

$\Rightarrow$ 2$\stackrel{0}{Al}$ + 6$\stackrel{+1}{H}$$\stackrel{}{\to }$ 2$\stackrel{+3}{Al}$ + 3${\stackrel{0}{H}}_2$(3)

Bước 4: Dựa vào sơ đồ (3) để hoàn thành phương trình dạng phân tử

2$\stackrel{0}{Al}$ + 3$\stackrel{+1}{H_2}S{O}_4$ _{$\stackrel{}{\to }$} $\stackrel{+3}{A{l}_2}{\left(S{O}_4\right)}_3$+ 3$\stackrel{0}{H_2}$

Ví dụ 2: Cân bằng phản ứng: Cu + HNO₃ $\stackrel{}{\to }$ Cu(NO₃)₂ + NO₂ + H₂O

Bước 1: $\stackrel{0}{Cu}$ + $H\stackrel{+5}{N}{O}_3$$\stackrel{}{\to }$ $\stackrel{+2}{Cu}{\left(N{O}_3\right)}_2$+ $\stackrel{+4}{N}{O}_2$ + H₂O

Chất khử là Cu, chất oxi hóa là HNO₃

Bước 2:

Quá trình oxi hóa: $\stackrel{0}{Cu}$ $\stackrel{}{\to }$ $\stackrel{+2}{Cu}$ + 2e (1)

Quá trình khử: $\stackrel{+5}{N}$ + 1e $\stackrel{}{\to }$ $\stackrel{+4}{N}$(2)

Bước 3:

$\begin{array}{c}1\times \\ 2\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{0}{Cu}\to \stackrel{+2}{Cu}+2e\\ \stackrel{+5}{N}+1e\to \stackrel{+4}{N}\end{array}\right.$

$\Rightarrow$ $\stackrel{0}{Cu}$ + 2$\stackrel{+5}{N}$$\stackrel{}{\to }$ $\stackrel{+2}{Cu}$ + 2$\stackrel{+4}{N}$(3)

Bước 4: $\stackrel{0}{Cu}$ + 4$H\stackrel{+5}{N}{O}_3$$\stackrel{}{\to }$ $\stackrel{+2}{Cu}{\left(N{O}_3\right)}_2$+ 2$\stackrel{+4}{N}{O}_2$ + 2H₂O

3. Ý nghĩa và một số phản ứng oxi hóa – khử quan trọng

- Phản ứng liên quan đến việc cung cấp năng lượng: Quá trình oxi hóa các phân tử thường giải phòng một lượng lớn năng lượng.

+ Phản ứng đốt cháy than, củi sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt nên được con người ứng dụng để sưởi ấm, nấu nướng, ...

C + O_{2$\stackrel{t^o}{\to }$} CO₂

+ Các hoạt động của cơ thể đều cần năng lượng, sự hô hấp đã cung cấp oxygen để oxi hóa các chất, chẳng hạn đường glucose, sinh ra năng lượng:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ 6CO₂ + 6H₂O

- Phản ứng liên quan đến việc lưu trữ năng lượng:

+ Pin lithium – ion trong điện thoại, máy tính cũng như acquy trong ô tô, xe máy có thể dự trữ năng lượng dưới dạng điện năng dựa vào các phản ứng oxi hóa – khử.

+ Phản ứng quang hợp cũng là một trong những phản ứng oxi – hóa khử quan trọng nhất trên Trái Đất, năng lượng được lấy từ ánh sáng mặt trời và tích trữ trong tinh bột.

6CO₂ + 6H₂O $\stackrel{t^o}{\to }$ C₆H₁₂O₆ + 6O₂

- Bên cạnh những phản ứng oxi hóa – khử quan trọng, có ích lợi đối với con người, còn có một loại phản ứng oxi hóa – khử diễn ra ngoài ý muốn.

Ví dụ: Phản ứng ăn mòn kim loại như tạo gỉ sắt, phản ứng oxi hóa trong thức ăn làm thức ăn bị ôi thiu, cháy rừng, …

Xem thêm lời giải bài tập Hóa học lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 14: Phản ứng hóa học và enthalpy

Bài 15: Ý nghĩa và cách tính biến thiên enthalpy phản ứng hóa học

Bài 16: Tốc độ phản ứng hóa học

Bài 17: Nguyên tố và đơn chất halogen

Bài 18: Hydrogen halide và hydrohalic acid

Xem thêm tài liệu Hóa học lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử

Trắc nghiệm Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử