Bài học

Phản ứng oxi hóa – khử trong ăn mòn kim loại và sự cháy

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được cơ chế gỉ sắt và sự cháy nhiên liệu như những phản ứng oxi hóa – khử, xác định đúng chất oxi hóa/chất khử trong mỗi quá trình, và đề xuất được một biện pháp chống ăn mòn dựa trên chính bản chất phản ứng vừa giải thích.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này dùng lại toàn bộ ba chương trước: xác định số oxi hóa, xác định chất oxi hóa/chất khử, và ở mức đơn giản là cân bằng phương trình — áp dụng cho hai hiện tượng quen thuộc trong đời sống mà em vẫn nhìn thấy hằng ngày.

Khởi động

Một chiếc đinh sắt để ngoài trời ẩm sẽ gỉ chỉ sau vài ngày, nhưng cùng chiếc đinh đó ngâm trong dầu nhớt kín khí lại không gỉ suốt nhiều năm. Oxygen đóng vai trò gì trong câu chuyện này, và vì sao cách li khỏi oxygen lại ngăn được gỉ sắt?

Kiến thức trọng tâm

Ăn mòn kim loại là quá trình kim loại bị oxi hóa bởi các chất trong môi trường, chủ yếu là oxygen và hơi nước. Với sắt, quá trình diễn ra theo từng bước: Fe nhường electron cho oxygen hòa tan trong lớp nước mỏng bám trên bề mặt kim loại, tạo thành Fe²⁺; Fe²⁺ tiếp tục bị oxi hóa lên Fe³⁺ và kết hợp với nước tạo thành gỉ sắt $Fe_2O_3 \cdot xH_2O$ — chất rắn xốp màu nâu đỏ, không bám chắc vào bề mặt kim loại, khiến lớp sắt bên dưới tiếp tục bị ăn mòn thay vì được bảo vệ.

Phản ứng tổng quát có thể viết gọn: $4Fe + 3O_2 + 2xH_2O \to 2(Fe_2O_3 \cdot xH_2O)$ , trong đó Fe là chất khử (SOH $0 \to +3$ ), O₂ là chất oxi hóa (SOH $0 \to -2$ ). Đây là quá trình oxi hóa chậm, tỏa nhiệt rất ít, khác hẳn sự cháy.

Biện pháp chống ăn mòn xuất phát trực tiếp từ chính cơ chế trên: sơn, mạ kẽm, bôi dầu mỡ để cách li sắt khỏi O₂ và hơi nước, ngăn phản ứng xảy ra ngay từ đầu; hoặc gắn một kim loại hoạt động mạnh hơn (như Zn) vào vỏ tàu biển bằng thép để Zn bị oxi hóa "thay" cho Fe — Zn đóng vai trò chất khử "hi sinh", nhường electron trước, giữ cho Fe không bị oxi hóa.

Sự cháy là phản ứng oxi hóa – khử tỏa nhiệt mạnh và phát sáng, giữa nhiên liệu (chất khử, chứa C và H) với oxygen (chất oxi hóa). Đốt khí gas — thành phần chính là methane CH₄ — theo phương trình $CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2 + 2H_2O$ : C tăng SOH từ −4 lên +4 (nhường 8 electron), H giữ nguyên +1, O giảm từ 0 xuống −2 (nhận electron). Phản ứng cháy hoàn toàn cho CO₂ và H₂O; nếu thiếu oxygen, cháy không hoàn toàn sinh thêm khí CO độc — vẫn là phản ứng oxi hóa – khử nhưng carbon chỉ đạt SOH +2 thay vì +4, vì không đủ oxygen để oxi hóa triệt để. Đây chính là lí do bếp gas, động cơ đốt trong cần được cấp đủ khí, và vì sao đốt than trong phòng kín, thiếu thông gió có thể gây ngộ độc khí CO.

**Ăn mòn kim loại** là quá trình kim loại bị oxi hóa bởi các chất trong môi trường, chủ yếu là oxygen và hơi nước. Với sắt, quá trình diễn ra theo từng bước: Fe nhường electron cho oxygen hòa tan trong lớp nước mỏng bám trên bề mặt kim loại, tạo thành Fe²⁺; Fe²⁺ tiếp tục bị oxi hóa lên Fe³⁺ và kết hợp với nước tạo thành gỉ sắt $Fe_2O_3 \cdot xH_2O$ — chất rắn xốp màu nâu đỏ, không bám chắc vào bề mặt kim loại, khiến lớp sắt bên dưới tiếp tục bị ăn mòn thay vì được bảo vệ. Phản ứng tổng quát có thể viết gọn: $4Fe + 3O_2 + 2xH_2O \to 2(Fe_2O_3 \cdot xH_2O)$, trong đó Fe là chất khử (SOH $0 \to +3$), O₂ là chất oxi hóa (SOH $0 \to -2$). Đây là quá trình oxi hóa chậm, tỏa nhiệt rất ít, khác hẳn sự cháy. Biện pháp chống ăn mòn xuất phát trực tiếp từ chính cơ chế trên: sơn, mạ kẽm, bôi dầu mỡ để cách li sắt khỏi O₂ và hơi nước, ngăn phản ứng xảy ra ngay từ đầu; hoặc gắn một kim loại hoạt động mạnh hơn (như Zn) vào vỏ tàu biển bằng thép để Zn bị oxi hóa "thay" cho Fe — Zn đóng vai trò chất khử "hi sinh", nhường electron trước, giữ cho Fe không bị oxi hóa. **Sự cháy** là phản ứng oxi hóa – khử tỏa nhiệt mạnh và phát sáng, giữa nhiên liệu (chất khử, chứa C và H) với oxygen (chất oxi hóa). Đốt khí gas — thành phần chính là methane CH₄ — theo phương trình $CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2 + 2H_2O$: C tăng SOH từ −4 lên +4 (nhường 8 electron), H giữ nguyên +1, O giảm từ 0 xuống −2 (nhận electron). Phản ứng cháy hoàn toàn cho CO₂ và H₂O; nếu thiếu oxygen, cháy không hoàn toàn sinh thêm khí CO độc — vẫn là phản ứng oxi hóa – khử nhưng carbon chỉ đạt SOH +2 thay vì +4, vì không đủ oxygen để oxi hóa triệt để. Đây chính là lí do bếp gas, động cơ đốt trong cần được cấp đủ khí, và vì sao đốt than trong phòng kín, thiếu thông gió có thể gây ngộ độc khí CO.

Ví dụ

Xác định chất oxi hóa, chất khử trong quá trình gỉ sắt

1
Xác định số oxi hóa trước/sau và chất oxi hóa, chất khử trong phản ứng $4Fe + 3O_2 + 2xH_2O \to 2(Fe_2O_3 \cdot xH_2O)$ .
Xác định số oxi hóa trước/sau và chất oxi hóa, chất khử trong phản ứng $4Fe + 3O_2 + 2xH_2O \to 2(Fe_2O_3 \cdot xH_2O)$.
2
Fe (đơn chất) có SOH 0; trong $Fe_2O_3 \cdot xH_2O$ , Fe có SOH +3 (giống như trong Fe₂O₃ thông thường). O₂ (đơn chất) có SOH 0; trong sản phẩm, O có SOH −2.
Fe (đơn chất) có SOH 0; trong $Fe_2O_3 \cdot xH_2O$, Fe có SOH +3 (giống như trong Fe₂O₃ thông thường). O₂ (đơn chất) có SOH 0; trong sản phẩm, O có SOH −2.
3
Fe tăng SOH từ 0 lên +3 nên Fe là chất khử; O₂ giảm SOH từ 0 xuống −2 nên O₂ là chất oxi hóa. Vậy gỉ sắt về bản chất là một phản ứng oxi hóa – khử giữa sắt và oxygen, có nước làm môi trường và tham gia vào công thức sản phẩm.

Ví dụ

So sánh cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn của methane

1
So sánh số oxi hóa của carbon khi CH₄ cháy hoàn toàn (sinh CO₂) và cháy không hoàn toàn (sinh CO), giải thích vì sao cả hai vẫn là phản ứng oxi hóa – khử.
2
Trong CH₄: H là +1 × 4 = +4, phân tử trung hòa nên SOH của C là −4.
3
Trong CO₂, O là −2 × 2 = −4, phân tử trung hòa nên SOH của C là +4. C tăng từ −4 lên +4, nhường 8 electron.
4
Trong CO, O là −2, phân tử trung hòa nên SOH của C là +2. C tăng từ −4 lên +2, nhường 6 electron — ít hơn trường hợp cháy hoàn toàn.
5
Cả hai đều là phản ứng oxi hóa – khử vì C đều tăng SOH, nhưng cháy không hoàn toàn oxi hóa carbon ở mức thấp hơn do thiếu oxygen, sinh ra khí CO độc thay vì CO₂ — đây là lí do phải đảm bảo đủ khí khi đốt nhiên liệu trong không gian kín.

Ví dụ

Tính thể tích oxygen cần dùng khi đốt cháy methane

1
Đốt cháy hoàn toàn 4,958 lít khí methane (đkc). Tính thể tích khí oxygen cần dùng và khối lượng CO₂ sinh ra.
2
$n(CH_4) = \dfrac{4{,}958}{24{,}79} = 0{,}2$ mol.
$n(CH_4) = \dfrac{4{,}958}{24{,}79} = 0{,}2$ mol.
3
$CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O$ : $n(O_2) = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4$ mol; $n(CO_2) = 0{,}2$ mol.
$CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O$: $n(O_2) = 2 \times 0{,}2 = 0{,}4$ mol; $n(CO_2) = 0{,}2$ mol.
4
$V(O_2) = 0{,}4 \times 24{,}79 = 9{,}916$ lít (đkc). $m(CO_2) = 0{,}2 \times 44 = 8{,}8$ gam.
$V(O_2) = 0{,}4 \times 24{,}79 = 9{,}916$ lít (đkc). $m(CO_2) = 0{,}2 \times 44 = 8{,}8$ gam.
5
Vậy cần khoảng $9{,}916$ lít O₂ (đkc) và thu được $8{,}8$ gam CO₂.
Vậy cần khoảng $9{,}916$ lít O₂ (đkc) và thu được $8{,}8$ gam CO₂.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ ăn mòn kim loại chỉ là hiện tượng vật lí — kim loại "mòn dần" như bị mài mòn cơ học. Thực chất đây là phản ứng hóa học: kim loại thực sự MẤT electron và biến thành hợp chất khác (gỉ sắt), không thể lấy lại kim loại nguyên chất chỉ bằng cách chà xát hay lau chùi bề mặt.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Gỉ sắt là phản ứng oxi hóa – khử chậm giữa Fe (chất khử) và O₂ (chất oxi hóa), có nước tham gia. Chống ăn mòn bằng cách cách li kim loại khỏi môi trường, hoặc dùng kim loại hoạt động mạnh hơn bảo vệ. Sự cháy là phản ứng oxi hóa – khử tỏa nhiệt mạnh; thiếu oxygen gây cháy không hoàn toàn, sinh khí CO độc.

Bài cuối chương học thêm một ứng dụng lớn khác của phản ứng oxi hóa – khử: luyện kim — biến quặng oxide kim loại trong lòng đất thành kim loại nguyên chất ta dùng hằng ngày.