Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử

(3) ${\stackrel{0}{Cl}}_2+2NaOH\to NaO\stackrel{+1}{Cl}+Na\stackrel{-1}{Cl}+H_{2}O$

Trong phản ứng (3) nguyên tố Cl thể hiện 3 số oxi hóa là 0, +1, -1

$\stackrel{0}{Al}\to \stackrel{+3}{Al}+3e$ (1)

$\stackrel{0}{O}+2e\to \stackrel{-2}{O}$  (2)

Chất khử là chất nhường electron ⇒ Al là chất khử.

Chất oxi hóa là chất nhận electron ⇒ O₂ là chất oxi hóa.

Quá trình oxi hóa là quá trình nhường electron ⇒ (1) là quá trình oxi hóa.

Quá trình khử là quá trình nhận electron ⇒ (2) là quá trình khử.

a) ${\stackrel{+3}{Fe}}_2{\stackrel{-2}{O}}_3+\stackrel{+2}{C}\stackrel{-2}{O}\to \stackrel{0}{Fe}+\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2$

$\stackrel{+3}{2Fe}+6e\to 2\stackrel{0}{Fe}$

$\stackrel{+2}{C}\to \stackrel{+4}{C}+2e$

$\begin{array}{c}1\times \\ 3\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{+3}{2Fe}+6e\to 2\stackrel{0}{Fe}\\ \stackrel{+2}{C}\to \stackrel{+4}{C}+2e\end{array}\right.$
⇒ $2\stackrel{+3}{Fe}+3\stackrel{+2}{C}\to 2\stackrel{0}{Fe}+3\stackrel{+4}{C}$

⇒ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

- Phản ứng: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂

Thường diễn ra trong quá trình luyện gang.

- Phản ứng 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O
Thường diễn ra trong quá trình điều chế HNO₃

Phương pháp hiện đại sản xuất HNO₃ từ NH₃ gồm ba giai đoạn

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O (phản ứng này thường được thực hiện ở 850 – 900^oC, có mặt chất xúc tác platin)
2NO + O₂ → 2NO₂

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

a) $\stackrel{+1}{H}\stackrel{-1}{Cl}+\stackrel{+4}{Pb}{\stackrel{-2}{O}}_2\to \stackrel{+2}{Pb}{\stackrel{-1}{Cl}}_2+{\stackrel{0}{Cl}}_2+{\stackrel{+1}{H}}_2\stackrel{-2}{O}$

$\begin{array}{l}\stackrel{+4}{Pb}+2e\to \stackrel{+2}{Pb}\\ \stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{0}{Cl}+1e\end{array}$

$\begin{array}{c}1\times \\ 2\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{+4}{Pb}+2e\to \stackrel{+2}{Pb}\\ \stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{0}{Cl}+1e\end{array}\right.$

⇒ $\stackrel{+4}{Pb}+2\stackrel{-1}{Cl}\to \stackrel{+2}{Pb}+2\stackrel{0}{Cl}$

4HCl + PbO₂ → PbCl₂ + Cl₂ + 2H₂O

Sắt bị gỉ trong không khí ẩm là phản ứng oxi hóa khử. Các quá trình diễn ra như sau:

Fe nhường electron tạo thành cation Fe²⁺

Quá trình oxi hóa: Fe → Fe²⁺ + 2e

Oxi của không khí nhận electron:

Quá trình khử: 2H₂O + O₂ + 4e → 4OH^-

Fe²⁺ tan vào dung dịch có hòa tan khí O₂. Tại đây, Fe²⁺  tiếp tục bị oxi hóa, dưới tác dụng của ion OH^- tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là Fe₂O₃.nH₂O (oxit sắt(III) ngậm n phân tử nước).

4Fe + 3O₂ + nH₂O $\stackrel{t°}{\to }$ 2Fe₂O₃.nH₂O

Phản ứng oxi hóa hoàn toàn methane:

CH₄ + O₂ $\stackrel{t°}{\to }$ CO₂ + H₂O

$\stackrel{-4}{C}{\stackrel{+1}{H}}_4+{\stackrel{0}{O}}_2\stackrel{t°}{\to }\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2+{\stackrel{+1}{H}}_2\stackrel{-2}{O}$

$\begin{array}{c}1\times \\ 4\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{-4}{C}\to \stackrel{+4}{C}+8e\\ \stackrel{0}{O}+2e\to \stackrel{-2}{O}\end{array}\right.$

⇒ $\stackrel{-4}{C}+4\stackrel{0}{O}\to \stackrel{+4}{C}+4\stackrel{-2}{O}$

CH₄ + 2O₂ $\stackrel{t°}{\to }$ CO₂ + 2H₂O

a) H₂SO₃

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của O là -2, H là +1

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của S là x ta có:

2.(+1) + 1.x + 3.(-2) = 0 → x = +4

Vậy trong H₂SO₃ số oxi hóa của O là -2, H là +1, S là +4

b) Al(OH)₄^-

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của O là -2, H là +1, Al là +3

Theo quy tắc 2:

1.(+3) + 4.(-2) + 4.(+1) = -1 (Thỏa mãn)

Vậy trong Al(OH)₄^-  số oxi hóa của O là -2, H là +1, Al là +3.

c) NaAlH₄

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của Na là +1, Al là +3

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của H là x ta có:

1.(+1) + 1.(+3) + 4.x = 0 → x = -1

Vậy trong NaAlH₄  số oxi hóa của Na là +1, H là -1, Al là +3.

d) NO₂^-

Theo quy tắc 1: Số oxi hóa của O là -2

Theo quy tắc 2: Gọi số oxi hóa của N là x ta có:

1.x + 2.(-2) = -1 → x = +3

Vậy trong NO₂^-  số oxi hóa của N là +3, O là -2.

a) Ag⁺ + Fe²⁺ → Ag + Fe³⁺

Chất oxi hóa: Ag⁺

Chất khử: Fe²⁺

Quá trình khử: $\stackrel{+1}{Ag}+\text{ 1e}\to \stackrel{0}{Ag}$

Quá trình oxi hóa: $\stackrel{+2}{Fe}\to \stackrel{+3}{Fe}+1e$

b) 3Hg²⁺ + 2Fe → 3Hg + 2Fe³⁺

Chất oxi hóa: Hg²⁺

Chất khử: Fe

Quá trình khử: $\stackrel{+2}{Hg}+2e\to \stackrel{0}{Hg}$

Quá trình oxi hóa: $\stackrel{0}{Fe}\to \stackrel{+3}{Fe}+3e$

c) 2As + 3Cl₂ → 2AsCl₃          

$2\stackrel{0}{As}+3{\stackrel{0}{Cl}}_2\to 2\stackrel{+3}{As}{\stackrel{-1}{Cl}}_3$

Chất oxi hóa: Cl₂

Chất khử: As

Quá trình khử: ${\stackrel{0}{Cl}}_{}+1e\to \stackrel{-1}{Cl}$

Quá trình oxi hóa: $\stackrel{0}{As}\to \stackrel{+3}{As}+3e$

d*) Al + 6H⁺ + 3NO₃^- → Al³⁺ + 3NO₂ + 3H₂O

Chất khử: Al

Chất oxi hóa: NO₃^-

Quá trình khử: $N{O_3}^{-}+2H^{+}+1e\to N{O}_2+H_{2}O$

Quá trình oxi hóa: $\stackrel{0}{Al}\to \stackrel{+3}{Al}+3e$

a) NaBr + Cl₂ → NaCl + Br₂  

$\stackrel{+1}{Na}\stackrel{-1}{Br}+{\stackrel{0}{Cl}}_2\to \stackrel{+1}{Na}\stackrel{-1}{Cl}+{\stackrel{0}{Br}}_2$

$\begin{array}{l}\stackrel{-1}{Br}\to {\stackrel{0}{Br}}_{}+1e\\ \stackrel{0}{Cl}+1e\to \stackrel{-1}{Cl}\end{array}$

$\begin{array}{c}1\times \\ 1\times \end{array}\left|\begin{array}{l}\stackrel{-1}{Br}\to {\stackrel{0}{Br}}_{}+1e\\ \stackrel{0}{Cl}+1e\to \stackrel{-1}{Cl}\end{array}\right.$

⇒ $\stackrel{-1}{Br}+\stackrel{0}{Cl}\to \stackrel{0}{Br}+\stackrel{-1}{Cl}$

2NaBr + Cl₂ → 2NaCl + Br₂

a) H₂O₂ có công thức cấu tạo là: H – O – O – H

Xét liên hết O – O, hai nguyên tử O có độ âm điện bằng nhau nên electron không bị lệch về phía nguyên tử nào.

Xét mỗi liên kết O – H, O góp 1 electron, khi giả định H₂O₂ là hợp chất ion thì 1 electron này chuyển sang O (O có độ âm điện lớn hơn H).

H₂O₂ có công thức ion giả định là: H¹⁺O^1-O^1-H¹⁺

Vậy số oxi hóa của O là -1, H là +1

b) Ngoài số oxi hóa là -1 trong H₂O₂, trong các hợp chất khác số oxi hóa của O thường là -2. Khi H₂O₂ tham gia phản ứng oxi hóa – khử, số oxi hóa của O giảm từ -1 xuống -2

⇒ H₂O₂ là chất oxi hóa (chất bị khử hoặc có tính oxi hóa).

Quá trình khử: $\stackrel{-1}{O}+1e\to \stackrel{-2}{O}$

Vậy nguyên tử O gây nên tính oxi hóa của H₂O₂

C₂H₅OH + 2O₂ $\stackrel{t°}{\to }$ CO₂ + 3H₂O

Cách 1: Xác định số oxi hóa trung bình của C trong hợp chất C₂H₅OH

Số oxi hóa của O là -2, H là +1

Gọi số oxi hóa trung bình của C là x ta có:

2.x + 5.(+1) + 1.(-2) + 1.(+1) = 0 → x = -2

Vậy số oxi hóa trung bình của C trong C₂H₅OH là +2

${\stackrel{-2}{C}}_2{\stackrel{+1}{H}}_5\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H}+2{\stackrel{0}{O}}_2\stackrel{t°}{\to }\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2+{\stackrel{+1}{3H}}_2\stackrel{-2}{O}$ 

Ta thấy có sự thay đổi số oxi hóa của C và O trước và sau phản ứng

⇒ Là phản ứng oxi hóa khử

Cách 2: Xác định số oxi hóa cụ thể của từng nguyên tử C trong hợp chất C₂H₅OH

- Dựa theo công thức cấu tạo

Giả định C₂H₅OH là hợp chất ion:

- Dựa theo số oxi hóa của một số nguyên tử đã biết

Trong hợp chất hữu cơ số oxi hóa của H, O, kim loại nhóm IA, IIA vẫn tuân theo quy tắc 1 (H là +1, O là -2,…)

Ta có thể tách riêng từng nhóm ra tính. Trong hợp chất C₂H₅OH (hoặc CH₃CH₂OH) tách thành CH₃ và CH₂OH, số oxi hóa của các nhóm này bằng 0.

Do đó trong $\stackrel{-3}{C}{\stackrel{+1}{H}}_3$, C có số oxi hóa -3; trong $\stackrel{-1}{C}{\stackrel{+1}{H}}_2\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H}$, C có số oxi hóa -1

$\stackrel{-3}{C}{\stackrel{+1}{H}}_3\stackrel{-1}{C}{\stackrel{+1}{H}}_2\stackrel{-2}{O}\stackrel{+1}{H}+2{\stackrel{0}{O}}_2\stackrel{t°}{\to }\stackrel{+4}{C}{\stackrel{-2}{O}}_2+{\stackrel{+1}{3H}}_2\stackrel{-2}{O}$

Ta thấy có sự thay đổi số oxi hóa của C và O trước và sau phản ứng

⇒ Là phản ứng oxi hóa khử

Phản ứng này thuộc loại phản ứng cung cấp năng lượng.