Phản ứng oxi hóa - khử và ứng dụng trong cuộc sống SVIP

1. SỐ OXI HOÁ

➤ Tìm hiểu về số oxi hoá

- Số oxi hóa là điện tích giả định mà nguyên tử mang trong hợp chất khi các electron liên kết hoàn toàn thuộc về nguyên tử có độ âm điện cao hơn.

- Cách biểu diễn:

Ví dụ: Phân tử KCl được hình thành khi nguyên tử K nhường 1 electron trở thành ion K⁺ (số oxi hóa +1) và nguyên tử Cl nhận 1 electron trở thành ion Cl^- (số oxi hóa -1).

Cách biểu diễn: \(\overset{+1}{K}\overset{-1}{Cl}\)

➤ Xác định số oxi hoá của nguyên tử các nguyên tố

Quy tắc 1: Nguyên tử ở dạng đơn chất có số oxi hóa bằng 0.

Ví dụ: Các đơn chất H₂, O₂, Fe,... đều có số oxi hóa là 0.

Quy tắc 2: Tổng các số oxi hóa của nguyên tử trong hợp chất luôn là 0.

Ví dụ: Tổng số oxi hóa trong phân tử H₂O là 2.(+1).(-2) = 0.

Quy tắc 3: Ion đơn nguyên tử có số oxi hóa bằng điện tích ion, còn ion đa nguyên tử thì tổng số oxi hóa của nguyên tử bằng điện tích ion.

Ví dụ: 

- Ion Na⁺ có số oxi hóa là +1.

- Trong SO₄^2-, tổng số oxi hóa của 1S và 4 O là (+6) + 4.(-2) = -2.

Quy tắc 4: Trong hợp chất, nguyên tử H, O có số oxi hóa lần lượt là +1 và -2. Mặt khác, kim loại điển hình có số oxi hóa dương và bằng số electron hóa trị.

2. PHẢN ỨNG OXI HOÁ - KHỬ

➤ Thí nghiệm nghiên cứu về phản ứng oxi hóa - khử

- Chất oxi hóa là chất nhận electron (số oxi hóa giảm), chất khử là chất nhường electron (số oxi hóa tăng).

- Quá trình oxi hóa xảy ra khi chất khử mất electron, quá trình khử xảy ra khi chất oxi hóa nhận electron.

⚡ THÍ NGHIỆM

Thêm 2 - 3 mL dung dịch H₂SO₄ 1 M vào ống nghiệm có chứa vài hạt kẽm.

Phản ứng hoá học: 

\(\overset{0}{Zn}+\overset{+1}{H}_2SO_4\rarr\overset{+2}{Zn}SO_4+\overset{0}{H}_2\)

- Số oxi hóa của Zn tăng từ 0 lên +2 nên Zn đóng vai trò là chất khử.

- Số oxi hóa của H giảm từ +1 xuống 0 nên H₂SO₄ đóng vai trò là chất oxi hóa.

- Quá trình oxi hóa:

\(\overset{0}{Zn}\rarr\overset{+2}{Zn}+2e\)

- Quá trình khử:

\(2\overset{+1}{H}+2e\rarr\overset{0}{H}_2\overset{}{}\)

➤ Phản ứng oxi hóa - khử

Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng có sự chuyển dời electron giữa các chất hoặc có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tử trong phân tử.

Ví dụ: Xét phản ứng oxi hóa - khử:

\(\overset{0}{Ca}+\overset{0}{Cl_2}\rarr\overset{+2}{Ca}\overset{-1}{Cl_2}\)

Trong phản ứng trên, số oxi hóa của Ca tăng từ 0 lên +2 (chất khử), còn số oxi hóa của Cl giảm từ 0 xuống -1 (chất oxi hóa).

3. LẬP PHƯƠNG TRÌNH HOÁ HỌC CỦA PHẢN ỨNG OXI HOÁ – KHỬ

Phương pháp thăng bằng electron:

Nguyên tắc:

Tổng số electron chất khử nhường = Tổng số electron chất oxi hoá nhận

Các bước lập phương trình:

- Bước 1: Xác định sự thay đổi số oxi hóa và chất oxi hoá, chất khử.

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

- Bước 3: Xác định hệ số của chất khử và chất oxi hoá sao cho tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận.

- Bước 4: Điền hệ số của chất oxi hoá và chất khử vào sơ đồ phản ứng. Tính toán và kiểm tra sự cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố ở hai vế.

Ví dụ: Xét phản ứng oxi hóa - khử:

\(Zn+CuSO_4\rarr ZnSO_4+Cu\)

Bước 1: Xác định số oxi hóa.

\(\overset{0}{Zn}+\overset{+2}{Cu}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_4}\rarr\overset{+2}{Zn}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O_4}+\overset{0}{Cu}\)

- Số oxi hoá của Zn tăng từ 0 lên +2 nên Zn là chất khử.

- Số oxi hoá của Cu giảm từ +2 xuống 0 nên CuSO₄ là chất oxi hoá.

Bước 2: Xác định quá trình oxi hóa và quá trình khử.

- Quá trình oxi hóa:

\(\overset{0}{Zn}\rarr\overset{+2}{Zn}+2e\)

- Quá trình khử:

\(\overset{+2}{Cu}+2e\rarr\overset{0}{Cu}\)

Bước 3: Tìm hệ số thích hợp để tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận.

Bước 4: Đặt hệ số của chất oxi hoá và chất khử vào sơ đồ phản ứng. Kiểm tra các chất còn lại.

\(Zn+CuSO_4\rarr ZnSO_4+Cu\)

4. Ý NGHĨA CỦA PHẢN ỨNG OXI HOÁ - KHỬ

Hầu hết các biến đổi hóa học trong thực tiễn đều có sự tham gia của phản ứng oxi hóa - khử.

➤ Tìm hiểu về sự cháy của nhiên liệu

- Gas sử dụng trong nấu nướng có thành phần chủ yếu gồm propane (C₃H₈) và butane (C₄H₁₀). Phản ứng đốt cháy các hợp chất này là phản ứng oxi hóa - khử, đồng thời giải phóng một lượng nhiệt lớn được dùng để chế biến thực phẩm.

- Hỗn hợp khí H₂ và O₂ được dùng làm chất kích nổ trong tàu con thoi. Trong phản ứng này, H₂ đóng vai trò chất khử, O₂ là chất oxi hóa, tạo thành H₂O và giải phóng năng lượng rất lớn để khởi động nhiên liệu.

➤ Mô tả một số phản ứng oxi hoá - khử quan trọng gắn liền với cuộc sống

- Quang hợp ở thực vật là quá trình oxi hóa – khử xảy ra dưới tác động của ánh sáng mặt trời và sắc tố quang hợp (diệp lục).

\(6CO_2+6H_2O\to C_6H_{12}O_6+6O_2\)

- Phản ứng oxi hóa – khử được ứng dụng rộng rãi trong luyện kim, điển hình như quá trình sản xuất gang, thép, nhôm, chromium… Trong các quá trình này, ion kim loại trong quặng bị khử thành kim loại.

Ví dụ: Quá trình sản xuất gang:

\(3CO+2Fe_2O_3\overset{t^{o}}{\rarr}4Fe+3CO_2\)

- Phản ứng oxi hóa – khử có thể xảy ra do tác động của dòng điện hoặc tạo ra dòng điện. Ví dụ: mạ điện, nhúng nóng, điện phân, pin - ắc quy.

Ví dụ: Trong pin kiềm (Zn, MnO₂, KOH): Zn bị oxi hóa, MnO₂ bị khử và giải phóng năng lượng điện.