Bài học

Nhận diện chất oxi hóa – khử qua số oxi hóa trong hợp chất phức tạp

Em sẽ làm được gì?

Mục tiêu bài học: gán đúng số oxi hóa cho từng nguyên tử trong các hợp chất và ion đa nguyên tử phức tạp hơn Lớp 10 chuẩn (dichromate, thiosulfate, oxide hỗn hợp hóa trị), từ đó chỉ ra chất oxi hóa và chất khử trong một phản ứng mà không cần đề nhắc trước.

Cần nhớ trước

Kiến thức cần có: quy tắc gán số oxi hóa (Hóa 10 nền tảng), khái niệm chất oxi hóa/chất khử qua sự thay đổi số oxi hóa. Bài này là cầu nối cùng lớp — ôn nhanh quy tắc, rồi đẩy lên các trường hợp Lớp 10 chuẩn chưa gặp.

Đề HSG hiếm khi cho $KMnO_4$ hay $FeCl_3$ — những chất số oxi hóa "đọc phát ra ngay". Nó thích cho $K_2Cr_2O_7$ , $Na_2S_2O_3$ , hay $Fe_3O_4$ : những công thức mà nếu áp quy tắc một cách máy móc, em sẽ ra một số oxi hóa không nguyên hoặc không khớp thực tế. Muốn xử lý được, em cần hiểu quy tắc không chỉ là công thức tính mà còn là công cụ suy luận có điều kiện áp dụng.

Đề HSG hiếm khi cho $KMnO_4$ hay $FeCl_3$ — những chất số oxi hóa "đọc phát ra ngay". Nó thích cho $K_2Cr_2O_7$, $Na_2S_2O_3$, hay $Fe_3O_4$: những công thức mà nếu áp quy tắc một cách máy móc, em sẽ ra một số oxi hóa *không nguyên* hoặc *không khớp thực tế*. Muốn xử lý được, em cần hiểu quy tắc không chỉ là công thức tính mà còn là công cụ suy luận có điều kiện áp dụng.

Ôn nhanh: bốn quy tắc gán số oxi hóa

Bốn quy tắc dùng trong hầu hết bài toán: (1) đơn chất có số oxi hóa 0; (2) tổng số oxi hóa trong phân tử trung hòa bằng 0, trong ion bằng đúng điện tích ion; (3) kim loại kiềm luôn +1, kiềm thổ luôn +2, Al luôn +3; (4) H thường +1 (trừ hydride kim loại là −1), O thường −2 (trừ peroxide $H_2O_2$ là −1 và $OF_2$ là +2). Với hợp chất nhiều nguyên tố chưa biết, đặt ẩn số oxi hóa của nguyên tố cần tìm rồi giải phương trình tổng bằng 0 (hoặc bằng điện tích ion).

Bốn quy tắc dùng trong hầu hết bài toán: (1) đơn chất có số oxi hóa 0; (2) tổng số oxi hóa trong phân tử trung hòa bằng 0, trong ion bằng đúng điện tích ion; (3) kim loại kiềm luôn +1, kiềm thổ luôn +2, Al luôn +3; (4) H thường +1 (trừ hydride kim loại là −1), O thường −2 (trừ peroxide $H_2O_2$ là −1 và $OF_2$ là +2). Với hợp chất **nhiều nguyên tố chưa biết**, đặt ẩn số oxi hóa của nguyên tố cần tìm rồi giải phương trình tổng bằng 0 (hoặc bằng điện tích ion).

Ví dụ

Ví dụ 1 — Ion đa nguyên tử:

Cr_2O_7^{2-}

và

MnO_4^-

Ví dụ 1 — Ion đa nguyên tử: $Cr_2O_7^{2-}$ và $MnO_4^-$

1
Xác định số oxi hóa của Cr trong $Cr_2O_7^{2-}$ và của Mn trong $MnO_4^-$ .
Xác định số oxi hóa của Cr trong $Cr_2O_7^{2-}$ và của Mn trong $MnO_4^-$.
2
Gọi số oxi hóa Cr là $x$ . Tổng số oxi hóa $= -2$ (điện tích ion): $2x + 7(-2) = -2 \Rightarrow 2x = 12 \Rightarrow x = +6$ .
Gọi số oxi hóa Cr là $x$. Tổng số oxi hóa $= -2$ (điện tích ion): $2x + 7(-2) = -2 \Rightarrow 2x = 12 \Rightarrow x = +6$.
3
Gọi số oxi hóa Mn là $y$ : $y + 4(-2) = -1 \Rightarrow y = +7$ .
Gọi số oxi hóa Mn là $y$: $y + 4(-2) = -1 \Rightarrow y = +7$.
4
Vậy Cr trong $Cr_2O_7^{2-}$ có số oxi hóa $+6$ , Mn trong $MnO_4^-$ có số oxi hóa $+7$ — đây là hai số oxi hóa cao nhất có thể của Cr và Mn, nên cả hai ion đều chỉ có thể đóng vai trò chất oxi hóa.
Vậy Cr trong $Cr_2O_7^{2-}$ có số oxi hóa $+6$, Mn trong $MnO_4^-$ có số oxi hóa $+7$ — đây là hai số oxi hóa **cao nhất có thể** của Cr và Mn, nên cả hai ion đều chỉ có thể đóng vai trò chất oxi hóa.

Lưu ý nâng cao — số oxi hóa trung bình

Bẫy số oxi hóa trung bình: trong $Na_2S_2O_3$ (thiosulfate), áp quy tắc thẳng cho ra số oxi hóa S là $+2$ — đúng về mặt trung bình, nhưng thực tế phân tử có hai nguyên tử S không tương đương: một S ở tâm mang số oxi hóa $+5$ (giống trong $SO_4^{2-}$ ), một S ở ngoài mang số oxi hóa $-1$ (giống sulfide). Số $+2$ chỉ là trung bình cộng $\dfrac{5+(-1)}{2}=2$ . Với bài toán cân bằng electron thông thường, dùng số trung bình vẫn cho kết quả đúng; nhưng khi đề hỏi "nguyên tử nào bị oxi hóa", phải nhớ hai S không giống nhau.

**Bẫy số oxi hóa trung bình:** trong $Na_2S_2O_3$ (thiosulfate), áp quy tắc thẳng cho ra số oxi hóa S là $+2$ — đúng về mặt **trung bình**, nhưng thực tế phân tử có hai nguyên tử S **không tương đương**: một S ở tâm mang số oxi hóa $+5$ (giống trong $SO_4^{2-}$), một S ở ngoài mang số oxi hóa $-1$ (giống sulfide). Số $+2$ chỉ là trung bình cộng $\dfrac{5+(-1)}{2}=2$. Với bài toán cân bằng electron thông thường, dùng số trung bình vẫn cho kết quả đúng; nhưng khi đề hỏi "nguyên tử nào bị oxi hóa", phải nhớ hai S không giống nhau.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Oxide hỗn hợp hóa trị:

Fe_3O_4

Ví dụ 2 — Oxide hỗn hợp hóa trị: $Fe_3O_4$

1
Xác định số oxi hóa trung bình của Fe trong $Fe_3O_4$ , và giải thích vì sao nó không phải là số oxi hóa thật của từng nguyên tử Fe.
Xác định số oxi hóa trung bình của Fe trong $Fe_3O_4$, và giải thích vì sao nó không phải là số oxi hóa thật của từng nguyên tử Fe.
2
Gọi số oxi hóa trung bình của Fe là $x$ : $3x + 4(-2) = 0 \Rightarrow x = +\dfrac{8}{3}$ .
Gọi số oxi hóa trung bình của Fe là $x$: $3x + 4(-2) = 0 \Rightarrow x = +\dfrac{8}{3}$.
3
$Fe_3O_4$ thực chất là oxide kép $FeO.Fe_2O_3$ : trong ba nguyên tử Fe, có một Fe mang số oxi hóa $+2$ và hai Fe mang số oxi hóa $+3$ . Trung bình: $\dfrac{2+3+3}{3}=\dfrac{8}{3}$ — khớp với kết quả tính ở trên.
$Fe_3O_4$ thực chất là oxide kép $FeO.Fe_2O_3$: trong ba nguyên tử Fe, có **một** Fe mang số oxi hóa $+2$ và **hai** Fe mang số oxi hóa $+3$. Trung bình: $\dfrac{2+3+3}{3}=\dfrac{8}{3}$ — khớp với kết quả tính ở trên.
4
Vậy $Fe_3O_4$ chứa cả $Fe^{2+}$ (có thể tiếp tục bị oxi hóa lên $Fe^{3+}$ , đóng vai trò chất khử) lẫn $Fe^{3+}$ (đã đạt số oxi hóa cao nhất, không đổi). Đây là chi tiết quyết định khi $Fe_3O_4$ phản ứng với $HNO_3$ — chỉ phần $Fe^{2+}$ mới nhường electron.
Vậy $Fe_3O_4$ chứa cả $Fe^{2+}$ (có thể tiếp tục bị oxi hóa lên $Fe^{3+}$, đóng vai trò chất khử) lẫn $Fe^{3+}$ (đã đạt số oxi hóa cao nhất, không đổi). Đây là chi tiết quyết định khi $Fe_3O_4$ phản ứng với $HNO_3$ — chỉ phần $Fe^{2+}$ mới nhường electron.

Thang số oxi hóa của lưu huỳnh: hai đầu thang (

H_2S

ở

-2

H_2SO_4

ở

+6

) chỉ đi được một chiều (chỉ khử hoặc chỉ oxi hóa); các mức giữa thang (S,

SO_2

Na_2S_2O_3

) có thể đóng cả hai vai trò tùy chất phản ứng cùng.Thang số oxi hóa của lưu huỳnh: hai đầu thang ($H_2S$ ở $-2$, $H_2SO_4$ ở $+6$) chỉ đi được một chiều (chỉ khử hoặc chỉ oxi hóa); các mức giữa thang (S, $SO_2$, $Na_2S_2O_3$) có thể đóng cả hai vai trò tùy chất phản ứng cùng.

Từ số oxi hóa đến vai trò chất oxi hóa – khử

Quy tắc suy luận nhanh: một nguyên tố ở số oxi hóa cao nhất có thể (ứng với nhóm trong bảng tuần hoàn) chỉ có thể giảm số oxi hóa ⇒ chỉ đóng vai trò chất oxi hóa (ví dụ Mn trong $KMnO_4$ là $+7$ , S trong $H_2SO_4$ là $+6$ ). Một nguyên tố ở số oxi hóa thấp nhất có thể chỉ có thể tăng ⇒ chỉ đóng vai trò chất khử (ví dụ Cl trong HCl là $-1$ , S trong $H_2S$ là $-2$ ). Một nguyên tố ở số oxi hóa trung gian (như S trong $SO_2$ là $+4$ , hay Cl trong $Cl_2$ là $0$ ) có thể đóng cả hai vai trò, tùy chất nó phản ứng cùng mạnh yếu ra sao — chi tiết này quay lại ở bài về phản ứng tự oxi hóa – tự khử.

Quy tắc suy luận nhanh: một nguyên tố ở **số oxi hóa cao nhất có thể** (ứng với nhóm trong bảng tuần hoàn) chỉ có thể **giảm** số oxi hóa ⇒ chỉ đóng vai trò **chất oxi hóa** (ví dụ Mn trong $KMnO_4$ là $+7$, S trong $H_2SO_4$ là $+6$). Một nguyên tố ở **số oxi hóa thấp nhất có thể** chỉ có thể **tăng** ⇒ chỉ đóng vai trò **chất khử** (ví dụ Cl trong HCl là $-1$, S trong $H_2S$ là $-2$). Một nguyên tố ở **số oxi hóa trung gian** (như S trong $SO_2$ là $+4$, hay Cl trong $Cl_2$ là $0$) có thể đóng **cả hai vai trò**, tùy chất nó phản ứng cùng mạnh yếu ra sao — chi tiết này quay lại ở bài về phản ứng tự oxi hóa – tự khử.

Nhìn vào số oxi hóa của nguyên tố "đặc trưng" trong hợp chất, đối chiếu với số oxi hóa cao nhất/thấp nhất có thể của nguyên tố đó.

Luyện phản xạ

Ghi nhớ

Tóm tắt: để nhận diện chất oxi hóa – khử trong hợp chất phức tạp, (1) đặt ẩn số oxi hóa nguyên tố cần tìm và giải theo tổng bằng 0 hoặc bằng điện tích ion; (2) với oxide/muối hỗn hợp hóa trị, nhớ số tính ra chỉ là trung bình — cấu trúc thật có thể chứa nhiều mức số oxi hóa khác nhau; (3) so số oxi hóa với mức cao nhất/thấp nhất có thể của nguyên tố để suy ra vai trò.

**Tóm tắt:** để nhận diện chất oxi hóa – khử trong hợp chất phức tạp, (1) đặt ẩn số oxi hóa nguyên tố cần tìm và giải theo tổng bằng 0 hoặc bằng điện tích ion; (2) với oxide/muối hỗn hợp hóa trị, nhớ số tính ra chỉ là **trung bình** — cấu trúc thật có thể chứa nhiều mức số oxi hóa khác nhau; (3) so số oxi hóa với mức cao nhất/thấp nhất có thể của nguyên tố để suy ra vai trò.

Bắc cầu sang bài sau: biết chất nào oxi hóa, chất nào khử mới chỉ là bước một. Với các phản ứng trong dung dịch, có môi trường acid, cách cân bằng bằng electron thông thường (Hóa 10 nền tảng) trở nên cồng kềnh khi phân tử chứa nhiều oxygen. Bài tiếp theo giới thiệu phương pháp ion – electron — công cụ cân bằng chuẩn cho các phản ứng dạng này.

**Bắc cầu sang bài sau:** biết chất nào oxi hóa, chất nào khử mới chỉ là bước một. Với các phản ứng **trong dung dịch, có môi trường acid**, cách cân bằng bằng electron thông thường (Hóa 10 nền tảng) trở nên cồng kềnh khi phân tử chứa nhiều oxygen. Bài tiếp theo giới thiệu **phương pháp ion – electron** — công cụ cân bằng chuẩn cho các phản ứng dạng này.