Lý thuyết Phản ứng oxi hóa - khử – Hóa 10 Kết nối tri thức

Lý thuyết Hóa học 10 Bài 15: Phản ứng oxi hóa - khử

A. Lý thuyết Phản ứng oxi hóa - khử

I. Số oxi hóa

1. Khái niệm

Số oxi hóa là điện tích quy ước của nguyên tử trong phân tử khi coi tất cả các electron liên kết đều chuyển 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 nhận 1 electron của nguyên tử Na trở thành ion âm mang điện tích 1–  (số oxi hóa của Cl là –1): $\stackrel{+1}{Na}\stackrel{-1}{Cl}$.

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): ${\stackrel{+1}{H}}_2\stackrel{-2}{O}$.

Ví dụ 3: Xét phân tử H₂.

H : H

Do 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: ${\stackrel{0}{H}}_2$ .

2. Quy tắc xác định số oxi hóa

Thông thường, số oxi hóa 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 hóa của nguyên tử bằng 0.

Ví dụ: $\stackrel{0}{Na};{\stackrel{0}{O}}_2$.

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 và có giá trị bằng số electron hóa trị.

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

Quy tắc 4: Trong ion đơn nguyên tử, số oxi hóa của nguyên tử bằng điện tích ion; trong ion đa nguyên tử, tổng số oxi hóa của các nguyên tử bằng điện tích ion.

Ví dụ 1: Xác định số oxi hóa của S trong phân tử Na₂SO₄.

Hướng dẫn:

Trong hợp chất, số oxi hóa của Na là +1, số oxi hóa của O là –2.

Số oxi hóa của từng nguyên tử: ${\stackrel{+1}{Na}}_2\stackrel{x}{S}{\stackrel{-2}{O}}_4$.

Áp dụng quy tắc 3, ta có: (+1)×2 + x + (–2)×4 = 0 ® x = +6.

Ví dụ 2: Xác định số oxi hóa của C trong ion $C{O}_3^{2-}$.

Hướng dẫn:

Số oxi hóa của O là – 2.

Gọi số oxi hóa của C trong ion đa nguyên tử $C{O}_3^{2-}$ là x.

Áp dụng quy tắc 4, ta có: x + (–2)×3 = –2 $\to$ x = +4.

II. Chất oxi hóa, chất khử, phản ứng oxi hóa – khử

1. Chất oxi hóa, chất khử

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.

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

$\stackrel{0}{C}+{\stackrel{0}{O}}_2\stackrel{t^o}{\to }\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2$

Trong phản ứng trên, nguyên tử C nhường 4 electron, là chất khử; phân tử O₂ nhận 4 electron, là chất oxi hóa.

$\stackrel{0}{C}\to \stackrel{+4}{C}+4e$ (quá trình oxi hóa)

${\stackrel{0}{O}}_2+4e\to 2\stackrel{-2}{O}$ (quá trình khử)

2. Phản ứng oxi hóa – khử

Phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng hóa học xảy ra đồng thời quá trình quá trình nhường electron 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.

Ví dụ: Phản ứng nào sau đây là phản ứng oxi hóa – khử?

(a) CaCO₃ $\stackrel{t^o}{\to }$ CaO + CO₂.

(b) BaCl₂ + Na₂SO₄ $\stackrel{}{\to }$ BaSO₄¯ + 2NaCl.

(c) 4Al + 3O₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ 2Al₂O₃.

Hướng dẫn giải:

(a) $\stackrel{+2}{Ca}\stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O_3} \stackrel{t^o}{\to }\stackrel{+2}{Ca}\stackrel{-2}{O}+\stackrel{+4}{C}\stackrel{-2}{O_2}$ $\to$ Không phải là phản ứng oxi hóa – khử vì không có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố.

(b) $\stackrel{+2}{Ba}\stackrel{-1}{C{l}_2}+\stackrel{+1}{N{a}_2}\stackrel{+6}{S}\stackrel{-2}{O_4}\to \stackrel{+2}{Ba}\stackrel{+6}{S}\stackrel{-2}{O_4}\downarrow +2\stackrel{+1}{Na}\stackrel{-1}{Cl}$  $\to$Không phải là phản ứng oxi hóa – khử vì không có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố.

(c) $\stackrel{0}{4Al}+\stackrel{0}{3O_2} \stackrel{t^o}{\to }\stackrel{+3}{2A{l}_2}\stackrel{-2}{O_3}$: có sự thay đổi số oxi hóa của nguyên tố Al, O $\to$ Đây là phản ứng oxi hóa – khử.

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

Phương pháp thăng bằng electron đường 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: Cân bằng phương trình hóa học của phản ứng sau theo phương pháp thăng bằng electron: NH₃ + O₂$\stackrel{t^o,xt,p}{\to }$NO + H₂O.

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

$\stackrel{-3}{N}{H}_3+{\stackrel{0}{O}}_2\stackrel{t^o,xt,p}{\to }\stackrel{+2}{N}\stackrel{-2}{O}+H_2\stackrel{-2}{O}$

NH₃: chất khử; O₂: chất oxi hóa.

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

$\begin{array}{l}\stackrel{-3}{N}\to \stackrel{+2}{N}+5e\\ {\stackrel{0}{O}}_2+4e\to 2\stackrel{-2}{O}\end{array}$

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.

$\begin{array}{c}4\times \\ 5\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{-3}{N}\to \stackrel{+2}{N}+5e\\ {\stackrel{0}{O}}_2+4e\to 2\stackrel{-2}{O}\end{array}\right.$

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 $\to$4NO + 6H₂O

III. Phản ứng oxi hóa – khử trong thực tiễn

1. Sự cháy

Phản ứng cháy là phản ứng oxi hóa – khử xảy ra ở nhiệt độ cao giữa chất cháy và chất oxi hóa. Chất cháy thường là nhiên liệu (than đá, khí thiên nhiên, xăng dầu, …), còn chất oxi hóa thường là oxygen.

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

C + O₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ CO₂

2C₄H₁₀ + 13O₂ $\stackrel{t^o}{\to }$ 8CO₂ + 10H₂O

2. Sự han gỉ kim loại

Sau một thời gian sử dụng, nhiều thiết bị, máy móc, vật dụng bằng kim loại thường bị han gỉ, do sự oxi hóa bởi oxygen trong không khí.

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

4Fe + 3O₂ + xH₂O $\stackrel{}{\to }$ 2Fe₂O₃.xH₂O

3. Sản xuất hóa 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;

4. 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: Tia sét tạo tia lửa điện, là điều kiện cho nitrogen phản ứng với oxygen:

N₂ + O₂ $\stackrel{tialuadien}{\to }$ 2NO

Khí NO sinh ra nhanh chóng chuyển hóa thành NO₂, sau đó tiếp tục bị oxi hóa thành HNO₃:

2NO + O₂ $\stackrel{}{\to }$ 2NO₂

4NO₂ + O₂ + 2H₂O $\stackrel{}{\to }$ 4HNO₃

Nitric acid tan vào nước mưa và chuyển hóa thành gốc nitrate ($N{O}_3^{-}$) , cung cấp chất đạm cho cấy lúa. Nhờ quá trình trên, hàng năm một lượng lớn phân đạm tự nhiên được bổ sung cho đất.

5. Xác định nồng độ của một chất dựa vào 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 iron (III). Hàm lượng iron (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

B. Trắc nghiệm Phản ứng oxi hóa - khử

Câu 1. Điện tích quy ước của nguyên tử trong phân tử khi coi tất cả các electron liên kết đều chuyển hoàn toàn về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn được gọi là

A. hóa trị.

B. điện tích.

C. số oxi hóa.

D. độ âm điện.

Câu 2. Số oxi hóa được viết ở dạng

A. số đại số, dấu viết trước, số viết sau.

B. số đại số, dấu viết sau, số viết trước.

C. số đại số, nếu là số oxi hóa âm thì cần viết thêm dấu ở trước.

D. số đại số, nếu là số oxi hóa âm thì cần viết thêm dấu ở sau.

Câu 3. Trong đơn chất, số oxi hóa của nguyên tử bằng

A. 0.

B. +1.

C. –1.

D. –2.

Câu 4. Số oxi hóa của S trong phân tử K₂SO₄ là

A.  –2.

B. 0.

C. +4.

D. +6.

Câu 5. Số oxi hóa của N trong phân tử HNO₃ là

A. –3.

B. +1.

C. +2.

D. +5.

Câu 6. Số oxi hóa của Fe trong ion Fe³⁺ là

A. +2.

B. –2.

C. +3.

D. 0.

Câu 7. Số oxi hóa của C trong ion  là

A. –2.

B. +2.

C. +4.

D. +6.

Câu 8. Chất khử là

A. chất nhận electron.

B. chất nhường electron.

C. chất vừa nhường electron, vừa nhận electron.

D. không nhường hay nhận electron.

Câu 9. Phát biểu nào sau đây là đúng?

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

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

C. Quá trình oxi hóa và quá trình khử đều là quá trình nhường electron.

D. Quá trình oxi hóa và quá trình khử đều là quá trình nhận electron.

Câu 10. Phản ứng oxi hóa – khử là

A. phản ứng hóa học chỉ xảy ra quá trình nhường electron.

B. phản ứng hóa học chỉ xảy ra quá trình nhận electron.

C. phản ứng hóa học xảy ra đồng thời quá trình quá trình nhường electron và quá trình nhận electron.

D. phản ứng oxi hóa học trong đó một chất sinh ra hai hay nhiều chất mới.

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Hóa học 10 sách Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 16: Ôn tập chương 4

Lý thuyết Bài 17: Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học

Lý thuyết Bài 18: Ôn tập chương 5

Lý thuyết Bài 19: Tốc độ phản ứng

Lý thuyết Bài 20: Ôn tập chương 6