Bài học

Ôn tập cân bằng electron và ứng dụng thực tiễn

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng phương pháp thăng bằng electron và kiến thức ứng dụng thực tiễn để giải một đề ôn tập tổng hợp toàn bộ khóa Phản ứng oxi hóa – khử, từ xác định số oxi hóa đến cân bằng và ứng dụng trong công nghiệp.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài ôn tập này ghép lại Chương 3 (cân bằng electron) và Chương 4 (ăn mòn, sự cháy, luyện kim). Ba phản ứng em từng cân bằng — sắt với chlorine, đồng với nitric acid, nhôm với oxide sắt từ — đều là những ví dụ thực tế của chính chương ứng dụng vừa học.

Khởi động

Ngành sản xuất acid sulfuric bắt đầu từ việc đốt quặng pyrite $FeS_2$ trong lò để sinh khí $SO_2$ . Phản ứng này có tới hai nguyên tố cùng thay đổi số oxi hóa một lúc — Fe và S đều bị oxi hóa, chỉ có oxygen là chất oxi hóa duy nhất. Em có tự tin cân bằng và tính toán được phản ứng phức tạp như vậy không?

Ngành sản xuất acid sulfuric bắt đầu từ việc đốt quặng pyrite $FeS_2$ trong lò để sinh khí $SO_2$. Phản ứng này có tới hai nguyên tố cùng thay đổi số oxi hóa một lúc — Fe và S đều bị oxi hóa, chỉ có oxygen là chất oxi hóa duy nhất. Em có tự tin cân bằng và tính toán được phản ứng phức tạp như vậy không?

Kiến thức trọng tâm

Ôn nhanh ứng dụng thực tiễn: ăn mòn kim loại là phản ứng oxi hóa – khử chậm giữa kim loại và O₂/H₂O; sự cháy là phản ứng oxi hóa – khử tỏa nhiệt mạnh giữa nhiên liệu và O₂; luyện kim dùng chất khử (CO, Al, H₂, hoặc điện phân) để khử oxide kim loại thành kim loại tự do. Một phản ứng thực tế có thể có NHIỀU hơn một nguyên tố cùng bị oxi hóa — như phản ứng đốt pyrite ở phần khởi động, nơi cả Fe và S trong cùng một phân tử FeS₂ đều nhường electron cho O₂.

Ôn nhanh bốn bước thăng bằng electron: xác định SOH đổi → viết quá trình nhường/nhận → cân bằng electron bằng bội số chung nhỏ nhất → đặt hệ số, cân nốt nguyên tố còn lại và kiểm tra. Với phản ứng có môi trường acid, nhớ thêm bước cân N/Cl bao gồm cả phần đóng vai trò gốc muối, rồi cân H bằng H₂O. Ôn nhanh ứng dụng thực tiễn: ăn mòn kim loại là phản ứng oxi hóa – khử chậm giữa kim loại và O₂/H₂O; sự cháy là phản ứng oxi hóa – khử tỏa nhiệt mạnh giữa nhiên liệu và O₂; luyện kim dùng chất khử (CO, Al, H₂, hoặc điện phân) để khử oxide kim loại thành kim loại tự do. Một phản ứng thực tế có thể có NHIỀU hơn một nguyên tố cùng bị oxi hóa — như phản ứng đốt pyrite ở phần khởi động, nơi cả Fe và S trong cùng một phân tử FeS₂ đều nhường electron cho O₂.

Ví dụ

Cân bằng Fe + H₂SO₄(đặc, nóng) → Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + H₂O

1
Fe: $0 \to +3$ (trong Fe₂(SO₄)₃), nhường 3 electron. S trong H₂SO₄: $+6 \to +4$ (trong SO₂), nhận 2 electron.
Fe: $0 \to +3$ (trong Fe₂(SO₄)₃), nhường 3 electron. S trong H₂SO₄: $+6 \to +4$ (trong SO₂), nhận 2 electron.
2
Nhường: $Fe \to Fe^{3+} + 3e$ . Nhận: $S^{+6} + 2e \to S^{+4}$ .
Nhường: $Fe \to Fe^{3+} + 3e$. Nhận: $S^{+6} + 2e \to S^{+4}$.
3
BSCNN(3, 2) = 6. Nhân nhường ×2: $2Fe \to 2Fe^{3+} + 6e$ . Nhân nhận ×3: $3S^{+6} + 6e \to 3S^{+4}$ , tương ứng 2Fe và 3SO₂.
BSCNN(3, 2) = 6. Nhân nhường ×2: $2Fe \to 2Fe^{3+} + 6e$. Nhân nhận ×3: $3S^{+6} + 6e \to 3S^{+4}$, tương ứng 2Fe và 3SO₂.
4
Tổng S cần: 3 (trong Fe₂(SO₄)₃, gốc muối) + 3 (trong SO₂, đã khử) = 6, nên cần 6 H₂SO₄. 6 H₂SO₄ có 12 H, cần 6 H₂O. Kiểm tra O: vế trái $6 \times 4 = 24$ ; vế phải $12$ (trong Fe₂(SO₄)₃) $+ 3 \times 2 = 6$ (trong SO₂) $+ 6$ (trong H₂O) $= 24$ — khớp.
Tổng S cần: 3 (trong Fe₂(SO₄)₃, gốc muối) + 3 (trong SO₂, đã khử) = 6, nên cần 6 H₂SO₄. 6 H₂SO₄ có 12 H, cần 6 H₂O. Kiểm tra O: vế trái $6 \times 4 = 24$; vế phải $12$ (trong Fe₂(SO₄)₃) $+ 3 \times 2 = 6$ (trong SO₂) $+ 6$ (trong H₂O) $= 24$ — khớp.
5
Vậy $2Fe + 6H_2SO_4 \text{(đặc, nóng)} \to Fe_2(SO_4)_3 + 3SO_2\uparrow + 6H_2O$ .
Vậy $2Fe + 6H_2SO_4 \text{(đặc, nóng)} \to Fe_2(SO_4)_3 + 3SO_2\uparrow + 6H_2O$.

Ví dụ

Bài tập tổng hợp: đốt quặng pyrite FeS₂

1
Trong công nghiệp, khí SO₂ sinh ra khi đốt quặng pyrite: $4FeS_2 + 11O_2 \to 2Fe_2O_3 + 8SO_2$ . (a) Xác định số oxi hóa của Fe và S trong FeS₂, và của S trong SO₂; (b) cho biết chất khử, chất oxi hóa; (c) đốt 6 kg quặng chứa 80% FeS₂ tinh khiết, tính thể tích SO₂ sinh ra ở đkc.
Trong công nghiệp, khí SO₂ sinh ra khi đốt quặng pyrite: $4FeS_2 + 11O_2 \to 2Fe_2O_3 + 8SO_2$. (a) Xác định số oxi hóa của Fe và S trong FeS₂, và của S trong SO₂; (b) cho biết chất khử, chất oxi hóa; (c) đốt 6 kg quặng chứa 80% FeS₂ tinh khiết, tính thể tích SO₂ sinh ra ở đkc.
2
FeS₂ là phân tử trung hòa chứa nhóm disulfide $S_2^{2-}$ : mỗi nguyên tử S mang SOH −1 (hai S đóng góp −2, cân bằng với Fe²⁺), vậy Fe có SOH +2, mỗi S có SOH −1. Trong SO₂, S có SOH +4 (đã tính ở các bài trước).
FeS₂ là phân tử trung hòa chứa nhóm disulfide $S_2^{2-}$: mỗi nguyên tử S mang SOH −1 (hai S đóng góp −2, cân bằng với Fe²⁺), vậy Fe có SOH +2, mỗi S có SOH −1. Trong SO₂, S có SOH +4 (đã tính ở các bài trước).
3
Fe tăng từ +2 lên +3 (nhường electron); S tăng từ −1 lên +4 (nhường electron) — cả Fe và S trong FeS₂ đều bị oxi hóa, nên FeS₂ là chất khử. O₂ giảm từ 0 xuống −2, là chất oxi hóa duy nhất.
4
$m(FeS_2) = 6000 \times 80\% = 4800$ g. $M(FeS_2) = 56 + 2\times32 = 120$ g/mol. $n(FeS_2) = \dfrac{4800}{120} = 40$ mol.
$m(FeS_2) = 6000 \times 80\% = 4800$ g. $M(FeS_2) = 56 + 2\times32 = 120$ g/mol. $n(FeS_2) = \dfrac{4800}{120} = 40$ mol.
5
Theo PT, tỉ lệ $FeS_2 : SO_2 = 4 : 8 = 1 : 2$ , nên $n(SO_2) = 40 \times 2 = 80$ mol. $V(SO_2) = 80 \times 24{,}79 = 1983{,}2$ lít (đkc).
Theo PT, tỉ lệ $FeS_2 : SO_2 = 4 : 8 = 1 : 2$, nên $n(SO_2) = 40 \times 2 = 80$ mol. $V(SO_2) = 80 \times 24{,}79 = 1983{,}2$ lít (đkc).
6
Vậy FeS₂ là chất khử (cả Fe lẫn S đều bị oxi hóa), O₂ là chất oxi hóa duy nhất, và 6 kg quặng chứa 80% FeS₂ sinh ra khoảng $1983{,}2$ lít khí SO₂ ở đkc — quy mô thực tế của một mẻ đốt quặng trong công nghiệp sản xuất acid sulfuric.
Vậy FeS₂ là chất khử (cả Fe lẫn S đều bị oxi hóa), O₂ là chất oxi hóa duy nhất, và 6 kg quặng chứa 80% FeS₂ sinh ra khoảng $1983{,}2$ lít khí SO₂ ở đkc — quy mô thực tế của một mẻ đốt quặng trong công nghiệp sản xuất acid sulfuric.

Ví dụ

Ôn nhanh cân bằng cơ bản: Al + HCl

1
Cân bằng $Al + HCl \to AlCl_3 + H_2$ bằng phương pháp electron.
Cân bằng $Al + HCl \to AlCl_3 + H_2$ bằng phương pháp electron.
2
Al: $0 \to +3$ , nhường 3 electron: $Al \to Al^{3+} + 3e$ . H: $+1 \to 0$ , mỗi ion H⁺ nhận 1 electron: $2H^+ + 2e \to H_2$ .
Al: $0 \to +3$, nhường 3 electron: $Al \to Al^{3+} + 3e$. H: $+1 \to 0$, mỗi ion H⁺ nhận 1 electron: $2H^+ + 2e \to H_2$.
3
BSCNN(3, 2) = 6. Nhân nhường ×2: $2Al \to 2Al^{3+} + 6e$ . Nhân nhận ×3: $6H^+ + 6e \to 3H_2$ .
BSCNN(3, 2) = 6. Nhân nhường ×2: $2Al \to 2Al^{3+} + 6e$. Nhân nhận ×3: $6H^+ + 6e \to 3H_2$.
4
Vậy $2Al + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2$ — một phản ứng đơn giản để tự kiểm tra lại kỹ năng cơ bản trước khi kết thúc khóa học.
Vậy $2Al + 6HCl \to 2AlCl_3 + 3H_2$ — một phản ứng đơn giản để tự kiểm tra lại kỹ năng cơ bản trước khi kết thúc khóa học.

Sai lầm thường gặp

Trong đề tổng hợp, lỗi hay gặp nhất là quên chất môi trường (H₂SO₄ đặc, HNO₃, HCl) vừa đóng vai trò môi trường vừa một phần là chất oxi hóa, dẫn đến cân sai hệ số H và O; hoặc nhầm chất bị lấy oxygen với chất khử khi giải thích quá trình luyện kim. Luôn kiểm tra lại phương trình cuối cùng bằng cách đếm nguyên tử ở cả hai vế trước khi tính toán tiếp.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Cân bằng electron vẫn theo đúng bốn bước dù phản ứng phức tạp đến đâu — kể cả khi hai nguyên tố trong cùng một chất (như Fe và S trong FeS₂) cùng bị oxi hóa. Ăn mòn, cháy, luyện kim đều là phản ứng oxi hóa – khử với O₂ hoặc oxide đóng vai trò trung tâm.

Đây là bài học cuối của khóa Phản ứng oxi hóa – khử. Kiến thức số oxi hóa và cân bằng electron ở đây sẽ được dùng lại xuyên suốt Hóa học 11–12: từ phản ứng của nitrogen, sulfur đến pin điện hóa và điện phân.