Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử A/ Câu hỏi đầu bài
Mở đầu trang 70 Hóa học 10: Quá trình bị gỉ của các 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
Oxi 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 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.
3 2
2 3
Al O+ −: Số oxi hóa của Al là +3, của O là -2.
2
Ca 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+=O2-
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:
N H H
H
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
N H H
H
3+
1+
1+
1+
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+O2-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)
0 0 1 1
2 Ag Cl2 2 Ag Cl
+ −
+ →
Trong phản ứng (1) cả Ag và Cl đều có sự thay đổi số oxi hóa (2)
1 5 2 2 1 1 1 2 5 2
3 2 3 2
2 Ag N O Ba Cl 2 Ag Cl Ba(N O )
+ + − + − + − + + −
+ → +
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)
0 1 1
2 2
Cl 2NaOH NaOCl Na Cl H 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
0 3
Al Al 3e
→ + + (1)
0 2
O 2e 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)
3 2 0 4
2 3 2
Fe O CO Fe CO
+ + +
+ → +
3 0
Fe 3e Fe
+ + →
2 4
C C 2e
+ +
→ +
⇒ 2 Fe3 3C2 2 Fe0 3C4
+ + +
+ → +
⇒ Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
b)
3 0 2 2 2
3 2 2
N H O N O H O
− + − −
+ → +
3 2
0 2
N N 5e
O 2e O
− +
−
→ + + →
3 2
0 2
2 N N 5e
5 O 2e O
− +
−
→ +
+ →
3 0 2 2
2 N 5O 2 N 5O
− + −
+ → +
2NH3 + 5
2O2 → 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.
3 0
2 4
2 Fe 3e Fe
3 C C 2e
+
+ +
+ →
→ +
- 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)
1 4 2 0
2 2 2 2
H Cl Pb O Pb Cl Cl H O
− + +
+ → + +
4 2
1 0
Pb 2e Pb Cl Cl 1e
+ +
−
+ →
→ +
4 2
1 0
1 Pb 2e Pb
2 Cl Cl 1e
+ +
−
+ →
→ +
⇒ Pb4 2Cl1 Pb2 2Cl0
+ − +
+ → +
4HCl + PbO2 → PbCl2 + Cl2 + 2H2O b)
7 1 2 0
2
4 2 2
K Mn O H Cl K Cl Mn Cl Cl H O
+ − +
+ → + + +
7 2
1 0
Mn 5e Mn Cl Cl 1e
+ +
−
+ →
→ +
7 2
1 0
1 Mn 5e Mn
5 Cl Cl 1e
+ +
−
+ →
→ +
⇒ Mn7 5Cl1 Mn2 5Cl0
+ − +
+ → +
⇒
7 1 2 0
2Mn 10Cl 2Mn 10Cl
+ − +
+ → +
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 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 Oxi 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:
4 1 0 4 2 1 2
4 2 t 2 2
C H O CO H O
− + + − + −
+ ⎯⎯→ +
4 4
0 2
C C 8e
O 2e O
− +
−
→ + + →
4 4
0 2
1 C C 8e
4 O 2e O
− +
−
→ +
+ →
⇒ C4 4O0 C4 4O2
− + −
+ → + CH4 + 2O2
t
⎯⎯→ CO2 + 2H2O
Bài tập:
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:
1 0
Ag 1e Ag
+ + →
Quá trình oxi hóa:
2 3
Fe Fe 1e
+ +
→ + b) 3Hg2+ + 2Fe → 3Hg + 2Fe3+
Chất oxi hóa: Hg2+
Chất khử: Fe Quá trình khử:
2 0
Hg 2e Hg
+ + →
Quá trình oxi hóa:
0 3
Fe Fe 3e
→ + +
c) 2As + 3Cl2 → 2AsCl3
0 0 3 1
2 3
2 As 3Cl 2 A s Cl
+ −
+ →
Chất oxi hóa: Cl2
Chất khử: As Quá trình khử:
0 1
Cl 1e Cl + → −
Quá trình oxi hóa:
0 3
As A s 3e
→ + +
d*) Al + 6H+ + 3NO3- → Al3+ + 3NO2 + 3H2O Chất khử: Al
Chất oxi hóa: NO3-
Quá trình khử: NO3− + 2H+ + →1e NO2 +H O2 (Hoặc:
5 4
N 1e N
+ +
+ → )
Quá trình oxi hóa:
0 3
Al 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- → CrO42- + Br- + H2O e) H+ + MnO4- + HCOOH → Mn2+ + H2O + CO2
Trả lời:
a) NaBr + Cl2 → NaCl + Br2
1 0 1 0
2
Na Br Cl2 Na Cl Br
− −
+ → +
1 0
0 1
1 Br Br 1e
1 Cl 1e Cl
−
−
→ +
+ →
⇒ Br1 Cl0 Br0 Cl1
− −
+ → +
2NaBr + Cl2 → 2NaCl + Br2
b) Fe2O3 + CO → Fe + CO2
3 2 0 4
2 3 2
Fe O CO Fe CO
+ + +
+ → +
3 0
2 4
2 Fe 3e Fe
3 C C 2e
+
+ +
+ →
→ +
⇒ 2 Fe3 3C2 2 Fe0 3C4
+ + +
+ → +
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
c) CO + I2O5 → CO2 + I2
2 5 4 0
2 5 2 2
CO I O CO I
+ + +
+ → +
2 4
5 0
5 C C 2e
2 I 5e I
+ +
+
→ +
+ →
⇒ 5C2 2 I5 5C4 2 I0
+ + +
+ → + 5CO + I2O5 → 5CO2 + I2
d) Cr(OH)3 + Br2 + OH- → CrO42- + Br- + H2O
( )
0
2
4 2
Cr OH 3 5OH CrO 4H O 3e
3 Br 1e Br
1 − −
−
+
+ →
→ + +
⇒ Cr OH
( )
3+ 3Br+ 5OH− → CrO42− + 3Br−+ 4H O22Cr(OH)3 + 3Br2 + 10OH- → 2CrO42- + 6Br- + 8H2O e) H+ + MnO4- + HCOOH → Mn2+ + H2O + CO2
1 2 2 2 1 4 2
2
4 2 2
H MnO H COO H Mn H O CO
+ + − − + + −
+ + − + → ++ +
1 2 2 4
2 4
2 2
2
2
5 1
O 8H MnO + 5e Mn
H COO H CO
4 2H 2e
2 H
+ + − − + + −
+
+ + − → +
→ + +
+
⇒ 16H 2MnO +4 5H COO H1 2 2 2 1 2Mn2 8H2O 5C4 2O2 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+O1-O1-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:
1 2
O 1e 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 + 2O2 ⎯⎯→t CO2 + 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:
2 1 2 1 0 4 2 1 2
t 5
2 2 2 2
C H O H 2O CO 3H O
− + − + + − + −
+ ⎯⎯→ +
- Phản ứng này thuộc loại phản ứng cung cấp năng lượng.
