I. Lý thuyết trọng tâm

1. Số oxi hóa

a) Khái niệm

Số oxi hóa là điện tích quy ước của nguyên tử trong phân tử, được tính khi giả định rằng mọi electron liên kết đều chuyển hoàn toàn về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Cách viết: Số oxi hóa được ghi ở dạng số đại số, dấu viết trước, số viết sau (ví dụ: $+1$, $-2$, $0$).

Ví dụ minh họa:

• $\text{NaCl}$: Na nhường 1e cho Cl → $\overset{+1}{\text{Na}}\overset{-1}{\text{Cl}}$
• $\text{H}_2\text{O}$: O có độ âm điện lớn hơn H, nếu cặp e chuyển hoàn toàn về O → $\overset{+1}{\text{H}_2}\overset{-2}{\text{O}}$
• $\text{H}_2$: Hai nguyên tử H giống nhau, cặp e không lệch → $\overset{0}{\text{H}_2}$

b) Bốn quy tắc xác định số oxi hóa

Quy tắc 1 – Đơn chất: Số oxi hóa của nguyên tử trong đơn chất luôn bằng 0.

$$\overset{0}{\text{C}}, \quad \overset{0}{\text{Na}}, \quad \overset{0}{\text{H}_2}, \quad \overset{0}{\text{O}_2}, \quad \overset{0}{\text{Fe}}$$

Quy tắc 2 – Hợp chất (giá trị thường gặp):

Quy tắc 3 – Tổng trong phân tử: Trong hợp chất, tổng số oxi hóa của tất cả các nguyên tử bằng 0.

$$\text{Ví dụ: } \overset{+3}{\text{Al}_2}\overset{-2}{\text{O}_3}: \quad (+3) \times 2 + (-2) \times 3 = 0 \quad \checkmark$$

Quy tắc 4 – Trong ion:

• Ion đơn nguyên tử: số oxi hóa bằng điện tích ion.
• Ion đa nguyên tử: tổng số oxi hóa bằng điện tích ion.

$$\text{Ví dụ: } \overset{-3}{\text{N}}\overset{+1}{\text{H}_4}^{+}: \quad (-3) + (+1) \times 4 = +1 \quad \checkmark$$

Áp dụng – Tìm số oxi hóa chưa biết:

Khi biết số oxi hóa của các nguyên tử khác, ta dùng quy tắc 3 (hoặc 4) để tìm số oxi hóa còn lại.

Ví dụ: Tìm số oxi hóa của C trong $\text{CaCO}_3$:

$$\overset{+2}{\text{Ca}}\overset{x}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}_3}: \quad (+2) + x + (-2) \times 3 = 0 \implies x = +4$$

Lưu ý: Số oxi hóa có thể là số lẻ hoặc phân số khi tính trung bình. Ví dụ: trong $\text{C}_3\text{H}_8$, số oxi hóa trung bình của C là $-8/3$; trong $\text{Fe}_3\text{O}_4$, số oxi hóa trung bình của Fe là $+8/3$ (thực tế $\text{Fe}_3\text{O}_4$ chứa cả $\text{Fe}^{2+}$ và $\text{Fe}^{3+}$).

2. Chất oxi hóa, chất khử

a) Định nghĩa

$$\boxed{\text{Chất khử} = \text{chất nhường electron} \qquad | \qquad \text{Chất oxi hóa} = \text{chất nhận electron}}$$

• Quá trình oxi hóa: chất khử nhường electron → số oxi hóa tăng.
• Quá trình khử: chất oxi hóa nhận electron → số oxi hóa giảm.

Mẹo nhớ: “Khử cho – O nhận” (Chất khử cho electron, chất oxi hóa nhận electron).

b) Ví dụ minh họa

Ví dụ 1 – Đốt cháy carbon:

$$\overset{0}{\text{C}} + \overset{0}{\text{O}_2} \xrightarrow{t^\circ} \overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}_2}$$

• $\text{C}$: số oxi hóa tăng từ $0$ → $+4$ → nhường 4e → chất khử
• $\text{O}_2$: số oxi hóa giảm từ $0$ → $-2$ → nhận 4e → chất oxi hóa

Ví dụ 2 – Khử $\text{Fe}_2\text{O}_3$ bằng $\text{CO}$:

$$\overset{+3}{\text{Fe}_2}\text{O}_3 + 3\overset{+2}{\text{C}}\text{O} \xrightarrow{t^\circ} 2\overset{0}{\text{Fe}} + 3\overset{+4}{\text{C}}\text{O}_2$$

• $\text{CO}$: C tăng từ $+2$ → $+4$ → chất khử
• $\text{Fe}_2\text{O}_3$: Fe giảm từ $+3$ → $0$ → chất oxi hóa

Ví dụ 3 – Đốt cháy methane:

$$\overset{-4}{\text{C}}\overset{+1}{\text{H}_4} + 2\overset{0}{\text{O}_2} \xrightarrow{t^\circ} \overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}_2} + 2\overset{+1}{\text{H}_2}\overset{-2}{\text{O}}$$

• $\text{CH}_4$ là chất khử (C tăng từ $-4$ → $+4$)
• $\text{O}_2$ là chất oxi hóa (O giảm từ $0$ → $-2$)

Lưu ý: Một chất có thể vừa là chất oxi hóa vừa là chất khử (phản ứng tự oxi hóa – khử). Ví dụ: $\text{Cl}_2$ trong phản ứng tạo nước Javel: $\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$, trong đó Cl từ $0$ vừa tăng lên $+1$ (trong NaClO) vừa giảm xuống $-1$ (trong NaCl).

Lưu ý thêm: Trong một số phản ứng, cùng một chất có thể đóng hai vai trò: vừa là chất khử (hoặc chất oxi hóa) vừa là môi trường. Ví dụ: HCl trong phản ứng $\text{KMnO}_4 + \text{HCl}$, HCl vừa là chất khử vừa đóng vai trò môi trường.

3. Phản ứng oxi hóa – khử

$$\boxed{\text{Phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng trong đó xảy ra đồng thời quá trình nhường và nhận electron.}}$$

Dấu hiệu nhận biết: Có sự thay đổi số oxi hóa của ít nhất một nguyên tử trước và sau phản ứng.

Bản chất:

$$\text{Chất oxi hóa 1} + \text{Chất khử 2} \longrightarrow \text{Chất khử 1} + \text{Chất oxi hóa 2}$$

Không phải mọi phản ứng hóa học đều là phản ứng oxi hóa – khử. Ví dụ: $\text{Al(OH)}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{H}_2\text{O}$ không phải phản ứng oxi hóa – khử vì không có nguyên tử nào thay đổi số oxi hóa.

4. Lập phương trình hóa học bằng phương pháp thăng bằng electron

Nguyên tắc cốt lõi:

$$\boxed{\sum \text{số electron chất khử nhường} = \sum \text{số electron chất oxi hóa nhận}}$$

Bốn bước thực hiện:

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tử → tìm nguyên tử có sự thay đổi → xác định chất khử, chất oxi hóa.

Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa (nhường e) và quá trình khử (nhận e).

Bước 3: Tìm hệ số (bội số chung nhỏ nhất) sao cho tổng electron nhường = tổng electron nhận.

Bước 4: Đặt hệ số vào phương trình, cân bằng các nguyên tố còn lại, kiểm tra.

Ví dụ minh họa – Oxi hóa $\text{NH}_3$ bởi $\text{O}_2$:

$$\text{NH}_3 + \text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ, \text{xt}} \text{NO} + \text{H}_2\text{O}$$

Bước 1: $\overset{-3}{\text{N}}\text{H}_3 + \overset{0}{\text{O}_2} \rightarrow \overset{+2}{\text{N}}\text{O} + \text{H}_2\overset{-2}{\text{O}}$. Chất khử: $\text{NH}_3$; Chất oxi hóa: $\text{O}_2$.

Bước 2:

$$\text{N}^{-3} \rightarrow \text{N}^{+2} + 5e \quad (\text{oxi hóa})$$

$$\text{O}_2^{\ 0} + 4e \rightarrow 2\text{O}^{-2} \quad (\text{khử})$$

Bước 3: BSCNN(5, 4) = 20:

$$4 \times \left| \ \text{N}^{-3} \rightarrow \text{N}^{+2} + 5e \right.$$

$$5 \times \left| \ \text{O}_2^{\ 0} + 4e \rightarrow 2\text{O}^{-2} \right.$$

Bước 4:

$$\boxed{4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ, \text{xt}} 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O}}$$

Kiểm tra: N: 4 = 4 ✓; H: 12 = 12 ✓; O: 10 = 10 ✓.

5. Phản ứng oxi hóa – khử trong thực tiễn

a) Sự cháy

Phản ứng cháy xảy ra ở nhiệt độ cao giữa chất cháy (nhiên liệu: than, xăng, gas…) và chất oxi hóa (thường là $\text{O}_2$), kèm theo tỏa nhiệt và phát sáng.

$$\text{C} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} \text{CO}_2$$

$$2\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} 8\text{CO}_2 + 10\text{H}_2\text{O}$$

Ứng dụng: Đèn xì oxygen – acetylene đốt cháy $\text{C}_2\text{H}_2$ trong $\text{O}_2$ tạo ngọn lửa lên đến $3000°\text{C}$, dùng để hàn cắt kim loại.

b) Sự han gỉ kim loại

Kim loại bị oxi hóa bởi $\text{O}_2$ và hơi nước trong không khí, đặc biệt phổ biến ở khí hậu nhiệt đới ẩm.

$$4\text{Fe} + 3\text{O}_2 + x\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O}$$

c) Sản xuất hóa chất

Phần lớn các phản ứng trong quy trình sản xuất công nghiệp là phản ứng oxi hóa – khử.

Ví dụ – Sản xuất $\text{H}_2\text{SO}_4$:

$$\text{S} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} \text{SO}_2 \qquad (\text{oxi hóa – khử})$$

$$2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ, \text{xt}} 2\text{SO}_3 \qquad (\text{oxi hóa – khử})$$

$$\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4 \qquad (\text{không phải oxi hóa – khử})$$

Ví dụ – Luyện gang từ quặng $\text{Fe}_2\text{O}_3$:

$$\text{C} + \text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} \text{CO}_2 \quad (\text{C: chất khử, O}_2\text{: chất oxi hóa})$$

$$\text{CO}_2 + \text{C} \xrightarrow{t^\circ} 2\text{CO} \quad (\text{C: chất khử, CO}_2\text{: chất oxi hóa})$$

$$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \xrightarrow{t^\circ} 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2 \quad (\text{CO: chất khử, Fe}_2\text{O}_3\text{: chất oxi hóa})$$

d) Chuyển hóa nitrogen trong tự nhiên

Tia sét tạo điều kiện cho $\text{N}_2$ phản ứng với $\text{O}_2$:

$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{tia lửa điện}} 2\text{NO}$$

$$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$$

$$4\text{NO}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{HNO}_3$$

$\text{HNO}_3$ tan vào nước mưa → chuyển hóa thành gốc nitrate ($\text{NO}_3^-$) → cung cấp phân đạm tự nhiên cho cây trồng.

6. Xác định nồng độ chất bằng phản ứng oxi hóa – khử

Dung dịch thuốc tím ($\text{KMnO}_4$) là tác nhân oxi hóa mạnh, thường được dùng để xác định hàm lượng các chất khử như $\text{FeSO}_4$, $\text{H}_2\text{O}_2$, $\text{SO}_2$…

$$10\text{FeSO}_4 + 2\text{KMnO}_4 + 8\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 5\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3 + \text{K}_2\text{SO}_4 + 2\text{MnSO}_4 + 8\text{H}_2\text{O}$$

II. Phương pháp giải các dạng bài tập

Phần này chỉ trình bày các dạng bài tập có tính toán, bám sát bốn nội dung trọng tâm của bài: xác định số oxi hoá, lập phương trình bằng thăng bằng electron, tính theo phương trình và áp dụng bảo toàn electron.

Kiến thức nền dùng chung cho cả phần:

Dạng 1: Xác định số oxi hoá của nguyên tử trong hợp chất và trong ion

Phương pháp giải

Bước 1: Gán số oxi hoá đã biết cho các nguyên tử theo quy tắc 1 và quy tắc 2.

Bước 2: Gọi số oxi hoá cần tìm là $x$.

Bước 3: Lập phương trình theo quy tắc 3 hoặc quy tắc 4:

$$\text{Với phân tử:} \, \sum \left(\text{số oxi hoá}\,\times\,\text{số nguyên tử}\right) = 0$$

$$\text{Với ion:} \, \sum \left(\text{số oxi hoá}\,\times\,\text{số nguyên tử}\right) = \text{điện tích ion}$$

Bước 4: Giải phương trình bậc nhất tìm $x$, rồi ghi số oxi hoá đúng quy cách: dấu viết trước, số viết sau, đặt phía trên kí hiệu nguyên tử.

Phân biệt hai cách viết dễ nhầm: Số oxi hoá viết là $+2$, $-2$ (dấu trước, số sau); còn điện tích ion viết là $2+$, $2-$ (số trước, dấu sau). Ví dụ ion $\text{Ca}^{2+}$ có số oxi hoá là $+2$.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Xác định số oxi hoá của $\text{Fe}$ trong các chất sau: $\text{Fe}$, $\text{FeO}$, $\text{Fe}_2\text{O}_3$, $\text{Fe(OH)}_3$, $\text{Fe}_3\text{O}_4$.

Lời giải

Giải thích chi tiết với $\text{Fe(OH)}_3$: Mỗi nhóm $\text{OH}$ gồm một nguyên tử $\text{O}$ ($-2$) và một nguyên tử $\text{H}$ ($+1$), nên tổng số oxi hoá của một nhóm $\text{OH}$ là $-1$. Có 3 nhóm nên:

$$x + 3\,\times\,(-1) = 0 \Rightarrow x = +3$$

Lưu ý về $\text{Fe}_3\text{O}_4$: Giá trị $+\dfrac{8}{3}$ là số oxi hoá trung bình. Trên thực tế $\text{Fe}_3\text{O}_4$ chứa 1 nguyên tử $\text{Fe}$ có số oxi hoá $+2$ và 2 nguyên tử $\text{Fe}$ có số oxi hoá $+3$. Kiểm tra lại:

$$\frac{(+2) + 2\,\times\,(+3)}{3} = \frac{8}{3}$$

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Xác định số oxi hoá của $\text{S}$ trong: $\text{S}$, $\text{H}_2\text{S}$, $\text{SO}_2$, $\text{SO}_3$, $\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{Na}_2\text{SO}_3$.

Lời giải

Nhận xét: Số oxi hoá của $\text{S}$ biến thiên từ $-2$ đến $+6$. Khi $\text{S}$ ở mức thấp nhất ($-2$) thì chất đó chỉ có thể đóng vai trò chất khử; khi ở mức cao nhất ($+6$) thì chỉ có thể là chất oxi hoá; ở các mức trung gian ($0$, $+4$) thì có thể đóng cả hai vai trò.

Bài tập mẫu 3

Đề bài: Xác định số oxi hoá của nguyên tử được in đậm trong các ion sau: $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{NO}_3^-$, $\text{NH}_4^+$, $\text{MnO}_4^-$.

Lời giải

Với ion, tổng số oxi hoá phải bằng điện tích ion (quy tắc 4).

Sai lầm thường gặp: Cho tổng số oxi hoá trong ion bằng $0$. Phải nhớ vế phải là điện tích của ion, không phải $0$. Chỉ phân tử trung hoà mới có tổng bằng $0$.

Dạng 2: Lập phương trình hoá học bằng phương pháp thăng bằng electron

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định số oxi hoá của tất cả nguyên tử trước và sau phản ứng, tìm những nguyên tử có thay đổi số oxi hoá, từ đó chỉ ra chất khử và chất oxi hoá.

Bước 2: Viết hai quá trình, ghi rõ số electron nhường và nhận:

$$\text{Quá trình oxi hoá:} \, \text{chất khử} \rightarrow \text{dạng oxi hoá} + ne$$

$$\text{Quá trình khử:} \, \text{chất oxi hoá} + me \rightarrow \text{dạng khử}$$

Bước 3: Tìm bội số chung nhỏ nhất của $n$ và $m$, rồi nhân chéo hệ số vào hai quá trình sao cho tổng electron nhường bằng tổng electron nhận.

Bước 4: Đặt các hệ số vừa tìm vào phương trình, cân bằng tiếp các nguyên tố còn lại theo thứ tự: kim loại, phi kim, hydrogen, cuối cùng kiểm tra oxygen.

Lưu ý khi chất khử hoặc chất oxi hoá có nhiều nguyên tử thay đổi số oxi hoá: Phải tính số electron cho cả phân tử, không phải cho một nguyên tử. Ví dụ phân tử $\text{C}_2\text{H}_2$ có 2 nguyên tử $\text{C}$, mỗi nguyên tử nhường 5 electron thì cả phân tử nhường $10$ electron.

Nhận biết phản ứng không phải oxi hoá – khử: Nếu sau Bước 1 mà không có nguyên tử nào thay đổi số oxi hoá thì đó không phải phản ứng oxi hoá – khử, không cần dùng thăng bằng electron. Ví dụ phản ứng $2\text{Al(OH)}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{Al}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$ có $\text{Al}$ luôn là $+3$, $\text{O}$ luôn là $-2$, $\text{H}$ luôn là $+1$.

Bài tập mẫu 1 (mức cơ bản)

Đề bài: Lập phương trình hoá học của phản ứng luyện gang:

$$\text{Fe}_2\text{O}_3 + \text{CO} \xrightarrow{t^\circ} \text{Fe} + \text{CO}_2$$

Lời giải

Bước 1. Xác định số oxi hoá

$$\overset{+3}{\text{Fe}_2}\overset{-2}{\text{O}_3} + \overset{+2}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}} \xrightarrow{t^\circ} \overset{0}{\text{Fe}} + \overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}_2}$$

• $\text{Fe}$: từ $+3$ giảm xuống $0$, vậy $\text{Fe}_2\text{O}_3$ là chất oxi hoá.
• $\text{C}$: từ $+2$ tăng lên $+4$, vậy $\text{CO}$ là chất khử.

Bước 2. Viết hai quá trình

$$\overset{+2}{\text{C}} \rightarrow \overset{+4}{\text{C}} + 2e$$

$$\overset{+3}{\text{Fe}} + 3e \rightarrow \overset{0}{\text{Fe}}$$

Bước 3. Thăng bằng electron

Bội số chung nhỏ nhất của $2$ và $3$ là $6$:

$$3\,\times\,\left[\,\overset{+2}{\text{C}} \rightarrow \overset{+4}{\text{C}} + 2e\,\right]$$

$$2\,\times\,\left[\,\overset{+3}{\text{Fe}} + 3e \rightarrow \overset{0}{\text{Fe}}\,\right]$$

Bước 4. Đặt hệ số và hoàn thiện

Có 3 nguyên tử $\text{C}$ nên hệ số của $\text{CO}$ và $\text{CO}_2$ đều là $3$. Có 2 nguyên tử $\text{Fe}$ nên hệ số của $\text{Fe}$ là $2$, suy ra hệ số của $\text{Fe}_2\text{O}_3$ là $1$.

$$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \xrightarrow{t^\circ} 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$$

Kiểm tra: $\text{Fe}$: $2 = 2$; $\text{C}$: $3 = 3$; $\text{O}$: $3 + 3 = 6$ và $3\,\times\,2 = 6$.

Bài tập mẫu 2 (phản ứng cháy)

Đề bài: Lập phương trình hoá học của phản ứng đốt cháy acetylene trong đèn xì:

$$\text{C}_2\text{H}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

Lời giải

Bước 1. Xác định số oxi hoá

Trong $\text{C}_2\text{H}_2$, gọi số oxi hoá của $\text{C}$ là $x$:

$$2x + 2\,\times\,(+1) = 0 \Rightarrow x = -1$$

$$\overset{-1}{\text{C}_2}\overset{+1}{\text{H}_2} + \overset{0}{\text{O}_2} \xrightarrow{t^\circ} \overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}_2} + \overset{+1}{\text{H}_2}\overset{-2}{\text{O}}$$

• $\text{C}$: từ $-1$ tăng lên $+4$, vậy $\text{C}_2\text{H}_2$ là chất khử.
• $\text{O}$: từ $0$ giảm xuống $-2$, vậy $\text{O}_2$ là chất oxi hoá.

Bước 2. Viết hai quá trình

Mỗi nguyên tử $\text{C}$ nhường 5 electron, phân tử $\text{C}_2\text{H}_2$ có 2 nguyên tử $\text{C}$ nên nhường tổng cộng 10 electron:

$$\overset{-1}{\text{C}_2} \rightarrow 2\overset{+4}{\text{C}} + 10e$$

$$\overset{0}{\text{O}_2} + 4e \rightarrow 2\overset{-2}{\text{O}}$$

Bước 3. Thăng bằng electron

Bội số chung nhỏ nhất của $10$ và $4$ là $20$:

$$2\,\times\,\left[\,\overset{-1}{\text{C}_2} \rightarrow 2\overset{+4}{\text{C}} + 10e\,\right]$$

$$5\,\times\,\left[\,\overset{0}{\text{O}_2} + 4e \rightarrow 2\overset{-2}{\text{O}}\,\right]$$

Bước 4. Đặt hệ số và hoàn thiện

$$2\text{C}_2\text{H}_2 + 5\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} 4\text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

Kiểm tra: $\text{C}$: $4 = 4$; $\text{H}$: $4 = 4$; $\text{O}$: $10 = 8 + 2 = 10$.

Tổng hệ số các chất trong phương trình là $2 + 5 + 4 + 2 = 13$.

Bài tập mẫu 3 (mức nâng cao: chất khử có hai nguyên tố cùng tăng)

Đề bài: Lập phương trình hoá học của phản ứng đốt quặng pyrite trong sản xuất sulfuric acid:

$$\text{FeS}_2 + \text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} \text{Fe}_2\text{O}_3 + \text{SO}_2$$

Lời giải

Bước 1. Xác định số oxi hoá

Trong $\text{FeS}_2$, nguyên tử $\text{Fe}$ có số oxi hoá $+2$, gọi số oxi hoá của $\text{S}$ là $x$:

$$(+2) + 2x = 0 \Rightarrow x = -1$$

$$\overset{+2}{\text{Fe}}\overset{-1}{\text{S}_2} + \overset{0}{\text{O}_2} \xrightarrow{t^\circ} \overset{+3}{\text{Fe}_2}\overset{-2}{\text{O}_3} + \overset{+4}{\text{S}}\overset{-2}{\text{O}_2}$$

Trong $\text{FeS}_2$ có hai nguyên tố cùng tăng số oxi hoá:

• $\text{Fe}$: từ $+2$ lên $+3$, nhường 1 electron.
• $\text{S}$: từ $-1$ lên $+4$, mỗi nguyên tử nhường 5 electron; có 2 nguyên tử nên nhường $10$ electron.

Bước 2. Viết hai quá trình

Tổng số electron mà một phân tử $\text{FeS}_2$ nhường:

$$1\,\times\,1 + 2\,\times\,5 = 11\,\text{electron}$$

$$\text{FeS}_2 \rightarrow \overset{+3}{\text{Fe}} + 2\overset{+4}{\text{S}} + 11e$$

$$\overset{0}{\text{O}_2} + 4e \rightarrow 2\overset{-2}{\text{O}}$$

Bước 3. Thăng bằng electron

Bội số chung nhỏ nhất của $11$ và $4$ là $44$:

$$4\,\times\,\left[\,\text{FeS}_2 \rightarrow \overset{+3}{\text{Fe}} + 2\overset{+4}{\text{S}} + 11e\,\right]$$

$$11\,\times\,\left[\,\overset{0}{\text{O}_2} + 4e \rightarrow 2\overset{-2}{\text{O}}\,\right]$$

Bước 4. Đặt hệ số và hoàn thiện

Có 4 nguyên tử $\text{Fe}$ nên hệ số của $\text{Fe}_2\text{O}_3$ là $2$; có 8 nguyên tử $\text{S}$ nên hệ số của $\text{SO}_2$ là $8$.

$$4\text{FeS}_2 + 11\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} 2\text{Fe}_2\text{O}_3 + 8\text{SO}_2$$

Kiểm tra: $\text{Fe}$: $4 = 4$; $\text{S}$: $8 = 8$; $\text{O}$: $22 = 6 + 16 = 22$.

Dạng 3: Tính theo phương trình phản ứng oxi hoá – khử

Phương pháp giải

Bước 1: Viết và cân bằng phương trình hoá học (dùng thăng bằng electron ở Dạng 2 nếu đề chưa cho sẵn).

Bước 2: Đổi dữ kiện đề bài sang số mol:

Bước 3: Dùng tỉ lệ hệ số trong phương trình để suy ra số mol chất cần tìm:

$$\frac{n_{\text{A}}}{\text{hệ số của A}} = \frac{n_{\text{B}}}{\text{hệ số của B}}$$

Bước 4: Chuyển số mol vừa tìm được về đại lượng mà đề yêu cầu (khối lượng, thể tích khí, thể tích dung dịch hoặc nồng độ).

Lưu ý về đơn vị: Thể tích dung dịch trong công thức $n = C_M\,\times\,V$ phải tính bằng lít. Nếu đề cho mL thì chia cho $1000$ trước khi thay vào.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Khử hoàn toàn $16$ gam $\text{Fe}_2\text{O}_3$ bằng khí $\text{CO}$ dư ở nhiệt độ cao.

a) Tính khối lượng $\text{Fe}$ thu được.

b) Tính thể tích khí $\text{CO}$ (ở điều kiện chuẩn) đã tham gia phản ứng.

Lời giải

Bước 1. Phương trình phản ứng (đã cân bằng ở Dạng 2, bài mẫu 1)

$$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \xrightarrow{t^\circ} 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$$

Bước 2. Tính số mol $\text{Fe}_2\text{O}_3$

$$M_{\text{Fe}_2\text{O}_3} = 2\,\times\,56 + 3\,\times\,16 = 112 + 48 = 160$$

$$n_{\text{Fe}_2\text{O}_3} = \frac{16}{160} = 0{,}1\,\text{mol}$$

Bước 3. Tính số mol theo tỉ lệ

$$n_{\text{Fe}} = 2\,\times\,n_{\text{Fe}_2\text{O}_3} = 2\,\times\,0{,}1 = 0{,}2\,\text{mol}$$

$$n_{\text{CO}} = 3\,\times\,n_{\text{Fe}_2\text{O}_3} = 3\,\times\,0{,}1 = 0{,}3\,\text{mol}$$

Bước 4. Tính đại lượng đề yêu cầu

$$m_{\text{Fe}} = 0{,}2\,\times\,56 = 11{,}2\,\text{gam}$$

$$V_{\text{CO}} = 0{,}3\,\times\,24{,}79 = 7{,}437\,\text{lít}$$

Kết luận: Thu được $11{,}2$ gam $\text{Fe}$ và đã dùng $7{,}437$ lít khí $\text{CO}$.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Dung dịch thuốc tím $\text{KMnO}_4$ được dùng để xác định hàm lượng $\text{FeSO}_4$ theo phương trình:

$$10\text{FeSO}_4 + 2\text{KMnO}_4 + 8\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 5\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3 + \text{K}_2\text{SO}_4 + 2\text{MnSO}_4 + 8\text{H}_2\text{O}$$

Tính thể tích dung dịch $\text{KMnO}_4$ nồng độ $0{,}02$ M cần dùng để phản ứng vừa đủ với $20$ mL dung dịch $\text{FeSO}_4$ nồng độ $0{,}1$ M.

Lời giải

Bước 1. Đổi đơn vị thể tích

$$V_{\text{FeSO}_4} = 20\,\text{mL} = 0{,}02\,\text{lít}$$

Bước 2. Tính số mol $\text{FeSO}_4$

$$n_{\text{FeSO}_4} = C_M\,\times\,V = 0{,}1\,\times\,0{,}02 = 0{,}002\,\text{mol}$$

Bước 3. Tính số mol $\text{KMnO}_4$ theo tỉ lệ hệ số

Theo phương trình, cứ $10$ mol $\text{FeSO}_4$ phản ứng với $2$ mol $\text{KMnO}_4$:

$$n_{\text{KMnO}_4} = \frac{2}{10}\,\times\,0{,}002 = 0{,}0004\,\text{mol}$$

Bước 4. Tính thể tích dung dịch

$$V_{\text{KMnO}_4} = \frac{n}{C_M} = \frac{0{,}0004}{0{,}02} = 0{,}02\,\text{lít} = 20\,\text{mL}$$

Kết luận: Cần dùng $20$ mL dung dịch $\text{KMnO}_4$ $0{,}02$ M.

Ý nghĩa thực tiễn: Đây chính là nguyên tắc của phép chuẩn độ. Khi $\text{FeSO}_4$ đã phản ứng hết, giọt $\text{KMnO}_4$ dư đầu tiên sẽ làm dung dịch chuyển sang màu tím nhạt, báo hiệu điểm dừng.

Dạng 4: Áp dụng định luật bảo toàn electron

Phương pháp giải

Dạng này dựa trên chính nguyên tắc của phương pháp thăng bằng electron, nhưng áp dụng cho số mol thay vì cho hệ số:

$$\sum n_{e\,\text{nhường}} = \sum n_{e\,\text{nhận}}$$

Bước 1: Xác định chất khử, chất oxi hoá và số electron mà mỗi nguyên tử nhường hoặc nhận.

Bước 2: Tính tổng số mol electron nhường:

$$n_{e\,\text{nhường}} = \sum \left(n_{\text{chất khử}}\,\times\,\text{số e nhường của mỗi nguyên tử}\right)$$

Bước 3: Tính tổng số mol electron nhận theo cách tương tự, rồi cho hai tổng bằng nhau.

Bước 4: Giải phương trình tìm đại lượng chưa biết.

Một số quá trình thường gặp ở lớp 10:

Khi nào nên dùng bảo toàn electron thay vì viết phương trình? Khi đề cho hỗn hợp nhiều chất cùng phản ứng. Lúc đó viết từng phương trình sẽ rất dài, còn bảo toàn electron chỉ cần một đẳng thức duy nhất.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Cho $2{,}7$ gam kim loại $\text{M}$ (có hoá trị $n$) tác dụng hoàn toàn với dung dịch $\text{HCl}$ dư, thu được $3{,}7185$ lít khí $\text{H}_2$ ở điều kiện chuẩn. Xác định kim loại $\text{M}$.

Lời giải

Bước 1. Xác định hai quá trình

$$\text{Quá trình oxi hoá:} \, \overset{0}{\text{M}} \rightarrow \overset{+n}{\text{M}} + ne$$

$$\text{Quá trình khử:} \, 2\overset{+1}{\text{H}} + 2e \rightarrow \overset{0}{\text{H}_2}$$

Bước 2. Tính số mol electron nhận

$$n_{\text{H}_2} = \frac{3{,}7185}{24{,}79} = 0{,}15\,\text{mol}$$

$$n_{e\,\text{nhận}} = 2\,\times\,0{,}15 = 0{,}3\,\text{mol}$$

Bước 3. Lập đẳng thức bảo toàn electron

Gọi nguyên tử khối của $\text{M}$ là $M$, số mol kim loại là $\dfrac{2{,}7}{M}$:

$$\frac{2{,}7}{M}\,\times\,n = 0{,}3$$

$$M = \frac{2{,}7\,\times\,n}{0{,}3} = 9n$$

Bước 4. Biện luận theo hoá trị

Kết luận: Kim loại $\text{M}$ là nhôm ($\text{Al}$), có hoá trị $\text{III}$.

Kiểm tra lại: $n_{\text{Al}} = \dfrac{2{,}7}{27} = 0{,}1$ mol, nhường $0{,}1\,\times\,3 = 0{,}3$ mol electron, đúng bằng số mol electron mà $\text{H}^+$ đã nhận.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Hoà tan hoàn toàn hỗn hợp gồm $0{,}1$ mol $\text{Mg}$ và $0{,}1$ mol $\text{Al}$ bằng dung dịch $\text{HCl}$ dư. Tính thể tích khí $\text{H}_2$ thu được ở điều kiện chuẩn.

Lời giải

Bước 1. Xác định các quá trình

$$\overset{0}{\text{Mg}} \rightarrow \overset{+2}{\text{Mg}} + 2e$$

$$\overset{0}{\text{Al}} \rightarrow \overset{+3}{\text{Al}} + 3e$$

$$2\overset{+1}{\text{H}} + 2e \rightarrow \overset{0}{\text{H}_2}$$

Bước 2. Tính tổng số mol electron nhường

$$n_{e\,\text{nhường}} = 0{,}1\,\times\,2 + 0{,}1\,\times\,3 = 0{,}2 + 0{,}3 = 0{,}5\,\text{mol}$$

Bước 3. Áp dụng bảo toàn electron

$$n_{e{\;}\text{nhận}} = 2{\;}\times{\;}n_{\text{H}_2} = 0{,}5 \Rightarrow n_{\text{H}_2} = 0{,}25{\;}\text{mol}$$

Bước 4. Tính thể tích khí

$$V_{\text{H}_2} = 0{,}25\,\times\,24{,}79 = 6{,}1975\,\text{lít}$$

Kết luận: Thu được $6{,}1975$ lít khí $\text{H}_2$.

Nhận xét: Nếu viết riêng hai phương trình $\text{Mg} + 2\text{HCl}$ và $2\text{Al} + 6\text{HCl}$ rồi cộng lại thì vẫn ra kết quả này, nhưng cách bảo toàn electron ngắn hơn hẳn và sẽ càng lợi thế khi hỗn hợp có ba, bốn kim loại.

Bảng tra nhanh: chọn phương pháp theo dữ kiện đề bài

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ