Chuyên đề Oxi hóa-Khử

Phản ứng oxi hoá khử I- Số oxi hoá Số oxi hoá của một nguyên tố trong một chất là một số đại số biểu diễn điện tích của nguyên tử trong phân tử của chất, nếu giả thiết chỉ có liên kết ion; nghĩa là các electron liên kết mỗi cặp nguyên tử được coi như chuyển hẳn sang nguyên tử có độ âm điện cao hơn - Với đơn chất, số oxi hoá luôn bằng 0 - Với hợp chất ion, được cấu tạo từ các ion một nguyên tử, số oxi hoá bằng điện tích của ion đó - Trong hợp chất, tổng số oxi hoá của nguyên tử các nguyên tố luôn bằng 0 - Với hợp chất cộng hoá trị, hợp chất ion phức tạp thì cách tính số oxi hoá như sau: + Các nguyên tố thuộc phân nhóm chính * Số oxi hoá dương cao nhất của nguyên tử các nguyên tố bằng số chỉ của phân nhóm chính hay bằng số e tối đa mà nguyên tử nguyên tố đó có thể "cho" đi. * Số oxi hoá âm: Thường chỉ gặp ở các nguyên tử nguyên tố phân nhóm chính nhóm IV, V, VI, VII. Số oxi hoá âm = Số electron mà nguyên tử đó nhận vào cho đạt cấu hình bát tử ( 8 electron) Có thể tóm tắt số oxi hoá của các nguyên tố trong bảng sau: Phân nhóm chính I II III IV V VI VII Số e lớp ngoài cùng 1 2 3 4 5 6 7 Số oxi hoá dương cao nhất +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 Số oxi hoá dương thấp hơn +2 +1,+2.+3,+4 +2.+4 +1,+3,+5 Số oxi hoá âm -4 -3 -2 -1 * Chú ý: Với Hiđro: Trong các hợp chất chủ yếu là số oxi hoá +1 (trừ hợp chất với kim loại là có số oxi hoá -1) Với oxi: Thường có số oxi hoá -2 (trừ trong: peoxit: -1, supeoxit: 1/2, trong F2O:+2) Với hợp chất hữu cơ: chủ yếu phải xác định số oxi hoá của C: có 2 cách + Xác định số oxi hoá trung bình của C: tính tổng số oxi hoá của các nguyên tử nguyên tố khác rồi lấy tổng đó chia cho số nguyên tử C có trong hợp chất hữu cơ đó + Xác định số oxi hoá của từng nguyên tử C dựa vào công thức cấu tạo : Tính cho từng nhóm nguyên tử của C liên kết với các nguyên tố khác, coi như mỗi nguyên tử C ở liên kết C – C là độc lập với nhau VD: Xác định số oxi hoá của các nguyên tố trong các hợp chất và ion sau: x 1) MnO2 : vì O có độ âm điện > Mn g O đóng vai trò là chất nhận e g số oxi hoá của O là -2 g x + 2.(-2) = 0 g x = +4 y 2) NO3- : tương tự O có số oxi hoá là: -2 g y + 3. (-2) = -1 g y = +5 3) SO3: số oxi hoá của O : -2, S : +4 4) C2H6O : số oxi hoá trung bình của C: -2 Với công thức cấu tạo : CH3-O-CH3 thì mỗi nguyên tử C có số oxi hoá: -2 Vơi công thức cấu tạo : CH3 – CH2 – O-H: C (CH3-) = -3 C (-CH2OH) = -1 Quan hệ giữa số oxi hoá và hoá trị của nguyên tố - Hoá trị gắn liền với liên kết hoá học - Số oxi hoá gắn liền với sự chuyển dịch electron g nhiều khi số oxi hoá không trùng với hoá trị VD: trong CH3Cl : C có hoá trị 4, số oxi hoá -2 - Nhiều trường hợp, đặc biệt là các hợp chất của kim loại, giá trị tuyệt đối của số oxi hoá và hoá trị thường bằng nhau. II- phản ứng oxi hoá - khử 1. Sự oxi hoá - sự khử ( quá trình oxi hoá , quá trình khử ) Sự oxi hoá : là quá trình nhường electron của nguyên tử nguyên tố: số oxi hoá tăng Sự khử: là quá trình nhận electron của nguyên tử nguyên tố: số oxi hoá tăng 2. Chất oxi hoá, chất khử Chất có nguyên tố nhận electron là chất oxi hoá Chất có nguyên tố nhường electron là chất khử 3. Phương pháp cân bằng phản ứng oxi hoá - khử bằng phương pháp thăng bằng electron Đối với HS ở các lớp không Chuyên chủ yếu sử dụng phương pháp thăng bằng electron Các bước tiến hành: Bước 1: Xác định chất oxi hoá, chất khử. + Xác định số oxi hoá của tất cả nguyên tố trong các chất để biết nguyên tố nào biến đổi số oxi hoá + Suy ra chất oxi hoá, chất khử. + đ + Các nguyên tố có sự biến đổi số oxi hoá: và đ Cu2+ (CuO) là chất oxi hoá, H2 là chất khử. Bước 2: Tính số e mỗi phân tử chất oxi hoá nhận và mỗi phân tử chất khử mất. + 2e = - 2.1e = 2 Bước 3: Tìm hệ số của chất oxi hoá và chất khử theo định luật bảo toàn e:Tổng số e mà chất khử cho phải bằng tổng số e mà chất oxi hoá nhận. ( tìm bội số chung nhỏ nhất của số e cho và nhận trong mỗi quá trình) Hệ số + 2e = 1 - 2.1e = 2 1 Nghĩa là : CuO + H2 = Cu + H2O Bước 4: Kiểm tra số nguyên tử của từng nguyên tố ở hai vế của phương trình phản ứng đã cân bằng chưa. thêm hệ số thích hợp đối với các chất để cân bằng 2 vế * Phân loại phản ứng oxi hoá - khử a) Các chất có mặt trong phản ứng đều tham gia phản ứng oxi hoá - khử. Na + S đ Na2S Al + HCl đ AlCl3 + H2 b) Không phải tất cả các chất có mặt trong phản ứng đều tham gia phản ứng oxi hoá - khử ( có chất đóng vai trò là môi trường phản ứng ) Al + NaOH + H2O đ NaAlO2 + H2 (môi trường: NaOH ) KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 đ K2SO4 + MnSO4 + Fe2(SO4)3 + H2O ( môi trường: H2SO4) KCl(r) + KMnO4(r) + H2SO4 (đặc)đ K2SO4 + MnSO4 + Cl2 + H2O ( môi trường: H2SO4 ) c) Trong một phản ứng một nguyên tố vừa đóng vai trò là chất oxi hoá vừa đóng vai trò là chất khử : phản ứng tự oxi hoá - khử. HCl + HClO3 đ Cl2 + H2O H2S + SO2 đ S + H2O Fe + Fe2(SO4)3 đ FeSO4 d) Trong một phân tử, một nguyên tố vừa đóng vai trò chất oxi hoá, vừa đóng vai trò chất khử: phản ứng tự oxi hoá - khử nội phân tử Cl2 + NaOH g NaCl + NaClO + H2O t0 NH4NO2 g N2 + H2O e) Trong một phân tử hợp chất vừa có nguyên tố đóng vai trò là chất oxi hoá, vừa có nguyên tố đóng vai trò là chất khử: phản ứng oxi hoá - khử nội phân tử t0 KMnO4 g K2MnO4 + MnO2 + O2ư t0 KClO4 g KCl + O2 f) Trong phản ứng có nhiều hơn 2 nguyên tố thay đổi số oxi hoá. t0 FeS + O2 g Fe2O3 + SO2 FeSO3 + K2Cr2O7 + H2SO4g Fe2(SO4)3+K2SO4 + Cr2(SO4)3 + H2O g) Phản ứng oxi hoá - khử có hệ số bằng chữ Nguyên tắc : cần xác định đúng sự tăng giảm số oxi hoá. FexOy+ HNO3 đ Fe(NO3)3 + NO + H2O Bài 1: Xác định phản ứng nào là phản ứng oxi hoá - khử. Cân bằng các phản ứng đó. Xác định chất oxi hoá, chất khử, cân bằng theo phương pháp thăng bằng e. 1)Fe3O4 + HCl đ FeCl2 + FeCl3+ H2O 2)Fe3O4 + H2SO4đặc,nóng đ Fe2(SO4)3 + SO2 + H2O 3) MnO2 + HBr đ MnBr2 + Br2 + H2O 4) SO3 + H2O đ H2SO4 5) SO2 + H2O + Cl2 đ HCl + H2SO4 6) N2O5 + H2O đ HNO3 7) NO2 + H2O đ HNO3 + HNO2 8) Cu + HNO3 đ Cu(NO3)2+ N2O + H2O 9) KMnO4 + K2SO3 + H2O đ K2SO4 + MnO2 + KOH 10) KMnO4 + K2SO3 + KOH đ K2SO4 + K2MnO4 + H2O 11) KMnO4 + K2SO3 + H2SO4 đ K2SO4 + MnSO4 + H2O 12) FeS2 + O2 đ Fe2O3 + SO2 13) Zn + HNO3 đ Zn(NO3)2 + NxOy + H2O Bài 2: Hoàn thành các phương trình phản ứng sau và cân bằng theo phương pháp thăng bằng electron 1) FeSO4 + K2Cr2O7 + H2SO4 đ Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + ? + ? 2) FeCl2 + Br2 đ ? + ? 3) FeCl2 + H2SO4 đặc nóng đ FeCl3 + Fe2(SO4)3 + SO2 + H2O 4) NO2 + H2O đ HNO3 + NO + H2O 5) FeS2 + HNO3 đ ? + H2SO4 + NO + H2O 6) HCl + ? đ CrCl3 + KCl + ? + ? 7) FeSO3 + KMnO4 + H2SO4 đ Fe2(SO4)3 + K2SO4 + MnSO4 + H2O 8) H2S + HNO3 đ H2SO4 + NO2 + H2O 9) Mg + HNO3 đ Mg(NO3)2 + N2 + N2O + H2O 10) Al + HNO3 đ Al(NO3)3 + NxOy + H2O 11) Mg + HNO3 g ? + NH4NO3 + H2O Bài 3: Viết và cân bằng các phương trình phản ứng trong các trường hợp sau: a) Hoà tan kim loại M trong dung dịch HNO3 thu được một muối nitrat, khí NxOy và nước b) Kim loại M lưỡng tính tác dụng với dung dịch NaOH, Ba(OH)2 c) oxit sắt tác dụng với dung dịch HNO3 thu được khí NO d) oxit sắt tác dụng với dung dịch HNO3 thu được hỗn hợp khí NO và N2O theo tỉ lệ thể tích là 1:2 e) KClO3 + NH3 g KNO3 + KCl + Cl2 + H2O f) KClO3 + NH3 g KNO3 + KCl + N2 + HCl + H2O g) KClO3 + NH3 g KNO3 + KCl + N2 + NH4Cl + H2O toán phản ứng oxi hoá khử Cơ sở lí thuyết: Định luật bảo toàn electron Bản chất của toàn bộ quá trình phản ứng oxi hoá khử: tổng e của chất khử cho luôn bằng tổng số electron của chất oxi hoá nhận. VD1: Cho 5,6 gam bột Fe tác dụng với O2 thu được 7,36 gam hỗn hợp X gồm 3 chất: Fe, Fe3O4, Fe2O3. Hoà tan X trong HNO3 dư thu được V lit khí NO duy nhất (đktc). Tính V Nếu giải theo phương pháp thông thường thì ta phải đặt ít nhất 3 ẩn số trong các phương trình trên. HS phải thực hiện nhiều phép biến đổi toán học. Mà không thấy được bản chất của các Giải: Viết các phương trình phản ứng xảy ra: Ta thấy: Fe0 – 3e = Fe+3 0,1 3.0,1 O2 + 4e = 2O-2 0,055 4.0,055 N+5 + 3e = N+2 x 3.x x Số gam O2 tham gia phản ứng là: 7,36 – 5,6 = 1,76 (g) đ nO2 = 0,055 (mol) Gọi x là số mol NO sinh ra ( x > 0) Số e mà Fe cho = Số mol e mà O2 nhận + Số mol e mà N+5 nhận Û 3.0,1 = 4.0,055 + 3.x Û x = 0,08/3 V = 22,4.0,08/3 = 0,6 (lit) Bài 1: Hoà tan hoàn toàn một khối lượng m gam FexOy bằng dung dịch H2SO4 đặc, nóng ta thu được khí A và dung dịch B. Cho khí A hấp thụ hoàn toàn bởi dung dịch NaOH dư tạo ra 12,6 gam muối. Mặt khác nếu cô cạn dung dịch A thì thu được 120 gam muối khan. Xác định công thức của sắt oxit. Tính m. Bài giải: t0 C1: 2FexOy + 2(3x-y)H2SO4 đặc = xFe2(SO4)3 + (3x-2y)SO2 + 2(3x-y)H2O 2 x 3x-2y 0,3.2/x 0,3 0,1 2 xFe+2y/x – (3x-2y) e = xFe+3 3x-2y S+6 + 2e = S+4 Dung dịch A có muối Fe2(SO4)3, khí B là: SO2 SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O Số mol muối Na2SO3 tạo thành là: nNa2SO3 = 0,1 (mol) đ nSO2 = 0,1(mol) nFe2(SO4)3 = 0,3 (mol) Theo định luật bảo toàn e: Số e mà FexOy cho = số e mà S+6 nhận Û 0,6. (3x-2y)/x = 2.0,1 Û 0,9x – 0,6y = 0,1x Û 0,8 x = 0,6 y Û x;y = 3:4 Vậy công thức cuả oxit đó là Fe3O4 m = 0,2. 232 = 46,4 (g) C2: Dựa vào phương trình phản ứng Bài 2: Hoà tan hoàn toàn 1,805 gam một hỗn hợp gồm Fe và một kim loại A có hoá trị n duy nhất bằng dung dịch HCl thu được 1,064 lit khí H2, còn khi hoà tan 1,805 hỗn hợp trên bằng dung dịch HNO3 loãng, dư thì thu được 0,896 lit khí NO duy nhất. Hãy xác định kim loại A và tính % khối lượng của mỗi kim loại trong hỗn hợp. Biết các thể tích khí đều đo ở đktc Giải: Gọi số mol của Fe, A trong hỗn hợp lần lượt là: x, y ( x, y > 0 ) Có khối lượng của Fe và A là: 56x + MA. y = 1,805 (g) (1) Số mol H2 sinh ra là: 0,0475 (mol) Số mol NO sinh ra là: 0,04 (mol) Các phản ứng xảy ra là: Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 2A + 2nHCl = 2ACln + nH2 Fe0 – 2e = Fe+2 x 2.x A0 - ne = A+n y n.y 2H+ + 2e = H2 0,0475 0,0475.2 Số e Fe cho + Số e A cho = Số e H+ nhận Û 2.x + n.y = 0,0475.2 = 0,095 (2) Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + H2O 3A + 4nHNO3 = 3A(NO3)n + nNO + 2nH2O Fe0 – 3e = Fe+3 x 3.x A0 - ne = A+n y n.y N+5 + 3e = N+2 0,04 0,04.3 Số e Fe cho + Số e A cho = Số e N+5 nhận 3.x + n.y = 0,04.3 = 0,12 (3) Lấy (3) - (2) suy ra: x = 0,025 (mol) Thế vào (3): n.y = 0,045 (mol) đ y = 0,045/n Thế vào (1): 56.0,025 + 0,045.MA/n = 1,805 đ MA = 9n n 1 2 3 4 MA 9 18 27 36 Cặp giá trị n = 3, MA = 27 thoả mãn đ A là Al, nAl = 0,015 (mol) Bài 3: Hoà tan hoàn toàn 2,16 gam Al trong 1 lit dung dịch HNO3 vừa đủ thu được 1,232 lit hỗn hợp khí gồm NO, N2O (đktc) a) Tính thể tích HNO3 đã dùng b) Tính tỉ khối của hỗn hợp khí so với H2 c) Tính nồng độ của dung dịch thu được Giải: nAl = 0,08 (mol) Số mol hỗn hợp khí sinh ra là: n = 0,055 (mol) Gọi a, b lần lượt là số mol NO, N2O tạo thành : a + b =0,055 (mol) (1) (a, b>0) Al0 - 3e = Al+3 0,08 0,08.3 N+5 + 3e = N+2 3.a a N+5 + 4e = N+1 4.2b 2b Ta có: số e Al cho = Số e N+5 nhận Û 0,08.3 = a.3 + 2b.4 Û 3a+8b = 0,24 (2) Kết hợp (1) và (2) được hệ phương trình Giải hệ được a = 0,04 (mol); b = 0,015 (mol) Vậy tỉ lệ số mol giữa NO và N2O là 8:3 Phương trình phản ứng 16Al + 62HNO3 = 16Al(NO3)3 + 3N2O + 8NO + 31H2O Số mol HNO3 cần dùng là: 0,08.62/16 = 0,31 (mol) CM = 0,31 (M) Tỉ khối của hỗn hợp khí so với H2 là: 16,9 Bài 4: Cho hỗn hợp gồm 2 kim loại Al, Fe với số mol của Al, Fe lần lượt là: 0,03 và 0,05 mol tác dụng với 100 ml dung dịch chứa AgNO3 và Cu(NO3)2, khuấy kĩ tới phản ứng hoàn toàn. Sau phản ứng thu được dung dịch A và 8,12 gam chất rắn B gồm 3 kim loại. Hoà tan chất rắn B bằng dung dịch HCl dư thấy bay ra 0,672 lit khí H2 (đktc). Tính nồng độ mol của AgNO3 và Cu(NO3)2 trong dung dịch ban đầu của chúng. Biết hiệu suất các phản ứng là 100% ĐS: nAgNO = 0,03 mol, nCu(NO) = 0,05 (mol) Bài 5: Khi hoà tan hoàn toàn 2,16 gam kim loại M trong dung dịch HNO3 loãng thu được 604,8 ml hỗn hợp khí E chứa N2, N2O có tỉ khối hơi đối với H2 là 18,45. Xác định kim loại M ĐS: Al Bài 6: Hoà tan hoàn toàn 1,805 gam một hỗn hợp gồm Fe và một kim loại A hoá trị n duy nhất bằng dung dịch HCl thu được 1,064 lit khí H2, còn khi hoà tan 1,805 gam hỗn hợp trên bằng dung dịch HNO3 loãng, dư thì thu được 0,896 lit khí NO duy nhất. Hãy xác định kim loại A và tính % khối lượng của mỗi kim loại trong hỗn hợp. Biết các thể tích khí đo ở đktc ĐS: Al, n =3, nAl = 0,015 mol; nFe+ = 0,025 mol Bài 7: Cho x lit khí CO (đktc) đi qua ống sứ đựng a gam Fe2O3 đốt nóng. Giả sử lúc đó chỉ xảy ra phản ứng khử Fe2O3 g Fe. Sau một thời gian thu được hỗn hợp khí Y, có tỉ khối so với He là 8,5 và chất rắn Z. Nếu hoà tan chất rắn Z thấy tốn hết 50 ml dung dịch H2SO4 0,5M; còn nếu dùng dung dịch HNO3 thì thu được một muối sắt duy nhất có khối lượng nhiều hơn chất rắn Z là 3,48 gam a) Tính % thể tích các khí trong hỗn hợp Y b) Tính x và a Bài 8: Cho hỗn hợp bột Fe, Cu vào bình chứa 200 ml H2SO4 loãng, dư thu được 4,48 lit khí H2 (đktc) , dung dịch A và một chất không tan B. Để oxi hoá hỗn hợp các sản phẩm còn trong bình, phải cho thêm vào đó 20,2 gam KNO3. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn người ta thu được một khí không màu hoá nâu ngoài không khí và một dung dịch C. Để trung hoà lượng axit dư trong dung dịch người ta cần 200 ml dung dịch NaOH 2M a) Tính khối lượng các kim loại và thể tích khí không màu b) Tính nồng độ mol/l của dung dịch H2SO4