Lý thuyết Hóa học 10 Bài 13 (Cánh diều): Phản ứng oxi hóa – khử

Lý thuyết Hóa học 10 Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử

A. 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, …

B. Trắc nghiệm Phản ứng oxi hóa – khử

Câu 1. Số oxi hóa của một nguyên tử một nguyên tố trong hợp chất là điện tích của nguyên tử nguyên tố đó

A. trong hợp chất ion

B. với giả định đây là hợp chất ion

C. trong hợp chất cộng hóa trị

D. với giả định đây là hợp chất cộng hóa trị

Câu 2. Nguyên tử N có số oxi hóa bằng 0 trong phân tử

A. NH₃

B. NO₂

C. HNO₃

D. N₂

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 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

Câu 4. Số oxi hóa của Cl trong các phân tử HCl, NaClO, KClO₃ lần lượt là

A. +1, −1, +3

B. −1, +1, +3

C. −1, +1, +5

D. +1, +3, +5

Câu 5. 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 6. Cho phân tử CO₂ công thức cấu tạo là O = C = O. Số oxi hóa của C là

A. −4

B. −2

C. +4

D. +2

Câu 7. Dựa theo số oxi hóa, các phản ứng hóa học được chia thành

A. 4 loại

B. 3 loại

C. 2 loại

D. 5 loại

Câu 8. Phát biểu đúng là

A. Phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng hóa học trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của tất cả các nguyên tố hóa học

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

C. 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

D. Cả A, B và C đều sai

Câu 9. Phản ứng nào dưới đây là phản ứng oxi hóa – khử?

A. Na₂O + H₂O ⟶ 2NaOH

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

C. H₂SO₄ + Ba(OH)₂ ⟶ BaSO₄ ↓ + 2H₂O

D. Fe + 2HCl ⟶ FeCl₂ + H₂ ↑

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Câu 10. Phát biểu sai là

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

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

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

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

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Hóa học 10 sách Cánh diều hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 14: Phản ứng hóa học và enthalpy

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

Lý thuyết Bài 16: Tốc độ phản ứng hóa học

Lý thuyết Bài 17: Nguyên tố và đơn chất halogen

Lý thuyết Bài 18: Hydrogen halide và hydrohalic acid