Lý thuyết Phản ứng oxi hóa – khử và ứng dụng trong cuộc sống – Hóa 10 Chân trời sáng tạo

Lý thuyết Hóa học 10 Bài 12: Phản ứng oxi hóa – khử và ứng dụng trong cuộc sống

Bài giảng Hóa học 10 Bài 12: Phản ứng oxi hóa – khử và ứng dụng trong cuộc sống

A. Lý thuyết Phản ứng oxi hóa – khử và ứng dụng trong cuộc sống

I. Số oxi hóa

1. Tìm hiểu về số oxi hóa

- Số oxi hóa của một nguyên tử trong phân tử là điện tích của nguyên tử nguyên tố đó nếu giả định cặp electron chung thuộc hẳn về nguyên tử của nguyên tố có độ âm điện lớn hơn.

Ví dụ: Giả định nếu cặp electron chung trong hợp chất cộng hóa trị HCl lệch hẳn về phía nguyên tử Cl khi đó có thể coi Cl nhận 1 electron và H nhường 1 electron.

⇒ Cl mang điện tích -1 và H mang điện tích +1.

⇒ Ta nói số oxi hóa của Cl là -1, của H là +1.

- Cách biểu diễn số oxi hóa: Số oxi hóa được đặt ở phía trên kí hiệu nguyên tố.

Ví dụ: $\stackrel{+1}{\mathrm{H}}\stackrel{-1}{\mathrm{Cl}};\stackrel{+2}{\mathrm{Mg}}\stackrel{-2}{\mathrm{O}}...$ 

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

Quy tắc xác định số oxi hóa của nguyên tử các nguyên tố trong hợp chất

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

Ví dụ: ${\stackrel{0}{\mathrm{H}}}_2;{\stackrel{0}{\mathrm{O}}}_2;\stackrel{0}{\mathrm{Mg}}...$

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

Ví dụ: Tổng số oxi hóa của các nguyên tử trong phân tử NH₃ là: (-3) × 1 + 3 × (+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 các ion đa nguyên tử) bằng điện tích của ion đó.

Ví dụ: Số oxi hóa của nguyên tử Na trong ion Na⁺ là +1.

Trong ion HSO₄^-  tổng số oxi hóa của các nguyên tử: 1.(+1) + 1.(+6) + 4.(-2) = -1 

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

II. Phản ứng oxi hóa – khử

- Phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng hóa học trong đó có sự chuyển dịch electron giữa các chất phản ứng hay phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tử trong phân tử.

- Chất khử (hay chất bị oxi hóa) là chất nhường electron hay chất có số oxi hóa tăng lên sau phản ứng.

- Chất oxi hóa (hay chất bị khử) là chất nhận electron hay chất có số oxi hóa giảm xuống sau phản ứng.

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

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

- Trong phản ứng oxi hóa – khử luôn xảy ra đồng thời sự oxi hóa và sự khử.

Ví dụ: Xét phương trình hóa học: ${\mathrm{H}}_2\stackrel{-2}{\mathrm{S}}+{\stackrel{0}{\mathrm{Br}}}_2\to 2\mathrm{H}\stackrel{-1}{\mathrm{Br}}+\stackrel{0}{\mathrm{S}}$

+ ion S^2- nhường electron (số oxi hóa tăng) nên là chất khử.

+ Br nhận electron nên là chất oxi hóa.

+ Quá trình nhường electron là quá trình oxi hóa: $\stackrel{-2}{\mathrm{S}}\to \stackrel{0}{\mathrm{S}}+2\mathrm{e}$

+ Quá trình nhận electron là quá trình khử: ${\stackrel{0}{\mathrm{Br}}}_2+2\mathrm{e}\to 2\stackrel{-1}{\mathrm{Br}}$

Chú ý:

+ Chất oxi hóa mạnh thường là các hợp chất chứa nguyên tử của các nguyên tố có số oxi hóa cao (như $\stackrel{+7}{\mathrm{Mn}}{\mathrm{O}}_4^{-};\stackrel{+6}{\mathrm{Cr}}{\mathrm{O}}_3;{\stackrel{+6}{\mathrm{Cr}}}_2{\mathrm{O}}_7^{2-};...$) 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 các nguyên tố có số oxi hóa thấp (như ${\mathrm{H}}_2\stackrel{-2}{\mathrm{S}};\mathrm{K}\stackrel{-1}{\mathrm{I}};\mathrm{Na}\stackrel{-1}{\mathrm{H}};...$) hoặc đơn chất kim loại (như kim loại kiềm, kiềm thổ, …)

+ Chất chứa nguyên tử của nguyên tố có số oxi hóa trung gian (như ${\mathrm{H}}_2{\stackrel{-1}{\mathrm{O}}}_2;\stackrel{+4}{\mathrm{S}}{\mathrm{O}}_2;\stackrel{+2}{\mathrm{N}}\mathrm{O};...)$thì tùy thuộc vào điều kiện phản ứng (tác nhân và môi trường) mà thể hiện tính khử hoặc tính oxi hóa hoặc cả hai (vừa tính oxi hóa, vừa tính khử hay tự oxi hóa – khử).

III. Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa – khử

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

- Nguyên tắc:

Tổng số electron chất khử nhường = Tổng số electron chất oxi hóa nhận.

- Các bước lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa - khử theo phương pháp thăng bằng electron:

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

+ Bước 2: Viết quá trình oxi hóa, quá trình khử.

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

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

Ví dụ:

Lập phương trình hóa học của phản ứng KMnO₄ + HCl → KCl + MnCl₂ + Cl↑ + H₂O theo phương pháp thăng bằng electron.

Bước 1: $\stackrel{}{\mathrm{K}}\stackrel{+7}{\mathrm{Mn}}{\stackrel{}{\mathrm{O}}}_4+\stackrel{}{\mathrm{H}}\stackrel{-1}{\mathrm{Cl}}\to \stackrel{}{\mathrm{K}}\stackrel{}{\mathrm{Cl}}+\stackrel{+2}{\mathrm{Mn}}{\stackrel{}{\mathrm{Cl}}}_2+{\stackrel{0}{\mathrm{Cl}}}_2+{\stackrel{}{\mathrm{H}}}_2\stackrel{}{\mathrm{O}}$

Chất khử: HCl

Chất oxi hóa: KMnO₄

Bước 2:                              

Quá trình oxi hóa: $2\stackrel{-1}{\mathrm{Cl}}\to {\stackrel{0}{\mathrm{Cl}}}_2+2\mathrm{e}$

Quá trình khử: $\stackrel{+7}{\mathrm{Mn}}+5\mathrm{e}\to \stackrel{+2}{\mathrm{Mn}}$

Bước 3:

$\begin{array}{c}2\times \\ 5\times \end{array}|\begin{array}{l}\stackrel{+7}{\mathrm{Mn}}+5\mathrm{e}\to \stackrel{+2}{\mathrm{Mn}}\\ 2\stackrel{-1}{\mathrm{Cl}}\to {\stackrel{0}{\mathrm{Cl}}}_2+2\mathrm{e}\end{array}$

Bước 4: 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 8H₂O

IV. Ý nghĩa của phản ứng oxi hóa – khử

- Một số phản ứng oxi hóa – khử quan trọng gắn liền với cuộc sống như sự cháy của than, củi; sự cháy của xăng, dầu trong các động cơ đốt trong; các quá trình điện phân; các phản ứng xảy ra trong pin, ắc quy …

- Một số phản ứng oxi hóa – khử là cơ sở của quá trình sản xuất trong các ngành công nghiệp nặng; sản xuất các hóa chất cơ bản; sản xuất phân bón; thuốc bảo vệ thực vật; dược phẩm …

B. Trắc nghiệm Phản ứng oxi hóa – khử và ứng dụng trong cuộc sống

Câu 1. Cho nguyên tố X có số oxi hóa có giá trị là -2. Cách biểu diễn đúng là

A. $\stackrel{2-}{X}$;

B. $X^{-2}$;

C. $X^{2-}$

D. $\stackrel{-2}{X}$.

Câu 2. Số oxi hóa của các nguyên tử trong H₂, Fe²⁺, Cl^- lần lượt là

A. 0; −2; +1;

B. +2; −2; +1;

C. 0; +2; −1;

D. +1; +2; −1.

Câu 3. Phát biểu nào sau đây sai khi nói về số oxi hóa trong hợp chất?

A. Số oxi hóa của H là +1 (trừ một số hydride kim loại NaH, CaH₂, …);

B. Số oxi hóa của O luôn là –2;

C. Số oxi hóa của các kim loại kiềm (nhóm IA: Li, Na, K, …) luôn là +1, của kim loại kiềm thổ (nhóm IIA: Be, Mg, Ca, …) luôn là +2;

D. Số oxi hóa của Al luôn là +3, của F luôn là –1.

Câu 4. Số oxi hóa của một nguyên tử trong phân tử được định nghĩa là

A. điện tích của nguyên tử nguyên tố đó nếu giả định cặp electron chung thuộc hẳn về nguyên tử của nguyên tố có độ âm điện lớn hơn;

B. hóa trị của nguyên tử nguyên tố đó;

C. điện tích thực của nguyên tử nguyên tố đó;

D. độ âm điện của nguyên tử nguyên tố đó.

Câu 5. Số oxi hóa của Mn trong các phân tử MnO₂, KMnO₄, K₂MnO₄ lần lượt là

A. +2, +4, +3;

B. −4, +7, +6;

C. +4, +7, +6;

D. +2, +5, +6.

Câu 6. Số oxi hóa của nguyên tử N trong các ion NH₄⁺, NO₃⁻, NO₂⁻ lần lượt là

A. −3, +5, +3

B. −3, +3, + 5

C. +5, −2, +3

D. +5, +3, +2

Câu 7. Cho phân tử CH₄ công thức cấu tạo dưới đây. Số oxi hóa của C là

A. −4;

B. −2;

C. +4;

D. +2.

Câu 8. Phát biểu sai là

A. Phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng hóa học trong đó có sự chuyển dịch electron giữa các chất phản ứng hay có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tử trong phân tử;

B. Phản ứng oxi hóa – khử có thể chỉ có quá trình oxi hóa hoặc quá trình khử;

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

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

Câu 9. Chất khử là chất

A. nhận electron, có số oxi hóa tăng, bị oxi hóa

B. nhận electron, có số oxi hóa giảm, bị khử

C. nhường electron, có số oxi hóa tăng, bị oxi hóa

D. nhường electron, có số oxi hóa giảm, bị khử

Câu 10. Phản ứng nào dưới đây là phản ứng oxi hóa – khử?

A. SO_­3 + H₂O ⟶H₂SO₄

B. CaCO₃$\stackrel{t^o}{\to }$CaO + CO₂ ↑

C. H₂SO₄ + Ba(OH)₂ ⟶ BaSO₄ ↓ + 2H₂O

D. Mg + 2HCl ⟶ MgCl₂ + H₂ ↑

Hiển thị đáp án

Đáp án đúng là: D

Trong phản ứng không có nguyên tố nào thay đổi số oxi hóa ⇒ không phải phản ứng oxi hóa – khử.

$\stackrel{0}{Mg}+2\stackrel{+1}{H}Cl\to \stackrel{+2}{Mg}C{l}_2+\stackrel{0}{H_2\uparrow }$

Mg có số oxi hóa tăng từ 0 lên +2; H có số oxi hóa giảm từ +1 về 0. ⇒ Trong phản ứng có 2 nguyên tố thay đổi số oxi hóa. ⇒ Đây là phản ứng oxi hóa – khử.

Câu 11. Cho phản ứng: Fe + CuSO₄ ⟶ Cu + FeSO₄.

Khẳng định đúng là

A. Chất khử là Cu²⁺, chất oxi hóa là Fe;

B. Chất khử là Fe, chất oxi hóa là Cu²⁺;

C. Chất khử là Cu, chất oxi hóa là Fe²⁺;

D. Chất khử là Fe²⁺, chất oxi hóa là Cu.

Hiển thị đáp án

Đáp án đúng là: B

Cu²⁺ (CuSO₄) có số oxi hóa giảm sau phản ứng ⇒ Cu²⁺ đã nhận electron ⇒ Chất oxi hóa là Cu²⁺

Fe có số oxi hóa tăng sau phản ứng ⇒ Fe đã nhường electron ⇒ Chất khử là Fe.

Câu 12. Cho phản ứng: 3Cu + 8H⁺ + 2NO₃⁻⟶3Cu²⁺ + 2NO + 4H₂O

Quá trình khử là

A. $\stackrel{+5}{N}+3e\to \stackrel{+2}{N}$;

B. $\stackrel{+2}{Cu}+2e\to \stackrel{0}{Cu}$;

C. $\stackrel{+2}{N}$ ⟶$\stackrel{+5}{N}$+ 3e;

D. $\stackrel{0}{Cu}$⟶$\stackrel{+2}{Cu}$+ 2e.

Hiển thị đáp án

Đáp án đúng là: A

Quá trình khử là quá trình chất oxi hóa nhận electron.

Vậy quá trình khử trong phản ứng: 3Cu + 8H⁺ + 2NO₃⁻⟶3Cu²⁺ + 2NO + 4H₂O là

$\stackrel{+5}{N}$+ 3e ⟶$\stackrel{+2}{N}$

Câu 13. Cho phản ứng: 4P + 5O₂⟶ 2P₂O₅

Quá trình oxi hóa là

A. $\stackrel{0}{P}$⟶$\stackrel{+5}{P}$+ 5e;

B. $\stackrel{+5}{P}$+ 5e ⟶$\stackrel{0}{P}$;

C. $\stackrel{0}{O}$+ 2e ⟶$\stackrel{-2}{O}$;

D. $\stackrel{-2}{O}$⟶$\stackrel{0}{O}$+ 2e.

Hiển thị đáp án

Đáp án đúng là: A

Quá trình oxi hóa là quá trình chất khử nhường electron.

Vậy quá trình oxi hóa của phản ứng 4P + 5O₂⟶ 2P₂O₅ là

$\stackrel{0}{P}$⟶$\stackrel{+5}{P}$+ 5e

Câu 14. Hệ số cân bằng của H₂ trong phản ứng Fe₂O₃ + H₂⟶ Fe + H₂O là

A. 1;

B. 2;

C. 3;

D. 4.

Hiển thị đáp án

Đáp án đúng là: C

Sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố: 

Quá trình oxi hóa và quá trình khử:

$\stackrel{0}{H_2}\to 2\stackrel{+1}{H}+2e$

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

Áp dụng nguyên tắc: tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận

⇒Fe₂O₃ + 3H₂⟶ 2Fe + 3H₂O

Câu 15. Xác định hệ số cân bằng của HCl trong phản ứng dưới đây:

K₂Cr₂O₇ + HCl ⟶ Cl₂ + KCl + CrCl₃ + H₂O

A. 5;

B. 10;

C. 14;

D. 16.

Hiển thị đáp án

Đáp án đúng là: C

Sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố:

Quá trình oxi hóa và quá trình khử:

$\stackrel{+6}{Cr}+3e\to \stackrel{+3}{Cr}$

$2\stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{0}{C{l}_2}+2e$

Áp dụng nguyên tắc: tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận

⇒ K₂Cr₂O₇ + 14HCl ⟶3Cl₂ + 2KCl + 2CrCl₃ + 7H₂O.

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Hóa học 10 sách Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 13: Enthalpy tạo thành và biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học

Lý thuyết Bài 14: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học

Lý thuyết Bài 15: Phương trình tốc độ phản ứng và hằng số tốc độ phản ứng

Lý thuyết Bài 16: Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học

Lý thuyết Bài 17: Tính chất vật lí và hóa học các đơn chất nhóm VIIA