Lý thuyết Phản ứng oxi hóa – khử (Cánh diều 2024) Hóa 10

Lý thuyết Hóa học lớp 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+O2-: 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+O2-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 O2-Si4+O2-. 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 + O2$\stackrel{t^o}{\to }$  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. 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 ↑

Đáp án: D

Giải thích:

Trong phản ứng không có nguyên tố nào thay đổi số oxi hóa ⇒ không phải phản ứng oxi hóa – khử.

Fe có số oxi hóa tăng từ 0 lên +2; H có số oxi hóa giảm từ +1 về 0. ⇒ Trong phản ứng có 2 nguyên tố thay đổi số oxi hóa. ⇒ Đây là phản ứng oxi hóa – khử.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Câu 2. 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

Đáp án: A

Giải thích:

Chất khử (chất bị oxi hóa) là chất nhường electron.

Vậy phát biểu sai là phát biểu A.

Câu 3. 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

Đáp án: C

Giải thích:

Trong mỗi liên kết C = O, C góp 2 electron, khi giả định CO2 là hợp chất ion thì hai electron này chuyển sang O.

Vì có hai liên kết C = O nên CO2 có công thức ion giả định là O2−C4+O2−.

Vậy số oxi hóa của C là +4.

Câu 4. 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

Đáp án: C

Giải thích:

Dựa theo số oxi hóa, các phản ứng hóa học được chia thành 2 loại.

+ Phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa

+ Phản ứng không có sự thay đổi số oxi hóa

Câu 5. 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

Đáp án: C

Giải thích: 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.

Câu 6. 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

Đáp án: B

Giải thích: 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.

Câu 7. Nguyên tử N có số oxi hóa bằng 0 trong phân tử

A. NH3

B. NO2

C. HNO3

D. N2

Đáp án: D

Giải thích: Số oxi hóa của nguyên tử nguyên tố trong đơn chất bằng 0. Do đó số oxi hóa của N trong đơn chất N2 bằng 0.

Câu 8. 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

Đáp án: B

Giải thích:

Trong hợp chất, số oxi hóa của O là –2 (trừ một số trường hợp như OF2, H2O2, …)

Vậy phát biểu B là sai.

Câu 9. 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

Đáp án: C

Giải thích:

Gọi số oxi hóa của nguyên tử Cl là x, theo quy tắc 1 và 2 về xác định số oxi hóa, ta có:

Trong phân tử HCl:  ⇒ x = −1

Trong phân tử NaClO:  ⇒ x = +1

Trong phân tử KClO3:  ⇒ x = −5

Câu 10. 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

Đáp án: A

Giải thích:

Gọi số oxi hóa của nguyên tử N là x, theo quy tắc 1 và 2 về xác định số oxi hóa, ta có:

Trong ion NH4+:  ⇒ x = −3

Trong ion NO3−:  ⇒ x = +5

Trong ion NO2−:  ⇒ x = +3

Câu 11. Cho phản ứng: Ag+ + Fe2+ ⟶ Ag + Fe3+.

Khẳng định đúng là

A. Chất khử là Ag+, chất oxi hóa là Fe2+

B. Chất khử là Fe2+, chất oxi hóa là Ag+

C. Chất khử là Ag, chất oxi hóa là Fe3+

D. Chất khử là Fe3+, chất oxi hóa là Ag

Đáp án: B

Giải thích:

Ag+ có số oxi hóa giảm sau phản ứng ⇒ Ag+ đã nhận electron ⇒ Chất oxi hóa là Ag+

Fe2+ có số oxi hóa tăng sau phản ứng ⇒ Fe2+ đã nhường electron ⇒ Chất khử là Fe2+

Bài giảng Hóa học 10 Bài 13: Phản ứng oxi hóa - khử - Cánh diều