Tổng hợp các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hoá khử - VUIHOC

1. Khái niệm phản ứng oxi hoá khử

Phản ứng oxi hóa khử được gọi là phản ứng hóa học mà ở trong phản ứng đó có sự chuyển các electron giữa các chất tham gia ở phản ứng. Đơn giản hơn thì đây là phản ứng hóa học làm cho một số nguyên tố tham gia thay đổi số oxi hóa.

2. Số oxi hoá - phương pháp tính số oxi hóa của nguyên tố trong các hợp chất hóa học

2.1. Số oxi hoá là gì?

Số oxi hóa của một nguyên tố ở trong phân tử là điện tích của nguyên tử nguyên tố đó có trong một phân tử, khi giả thiết rằng liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử là liên kết ion.

2.2. Quy tắc và phương pháp xác định số oxi hoá

Số oxi hóa của các đơn chất bằng 0

Trong tất cả các hợp chất, hầu hết: H có số oxi hóa là 1 và O có số oxi hóa là 2

Trong các ion đơn nguyên tử thì số oxi hóa của nguyên tử sẽ bằng điện tích của ion đó.

Trong ion đa nguyên tử, tổng đại số số oxi hóa của các nguyên tử trong ion đó bằng điện tích của nó.

3. Các phương pháp cân bằng phản ứng oxi hoá khử

3.1. Phương pháp 1: Phương pháp cân bằng đại số đơn giản

Dùng để xác định hệ số phân tử của chất tham gia và thu được sau phản ứng hoá học, ta coi hệ số là các ẩn số và ký hiệu bằng các chữ cái trong bảng chữ cái a, b, c, d… rồi ta sẽ dựa vào mối tương quan giữa các nguyên tử của các nguyên tố tham gia phản ứng và theo định luật bảo toàn khối lượng để lập ra một hệ phương trình bậc nhất nhiều ẩn số. Giải hệ phương trình này và chọn các nghiệm là các số nguyên dương nhỏ nhất ta sẽ xác định được hệ số phân tử của các chất trong phương trình phản ứng hoá học.

Ví dụ: Cân bằng phản ứng:

Cu + HNO3 -> Cu(NO3)2 + NO + H2O

Ký hiệu các hệ số cần tìm là các chữ in thường trong bảng chữ cái: a, b, c, d, e và ghi vào phương trình ta sẽ có:

aCu + bHNO3 -> cCu(NO3)2 + dNO + eH2O

+ Xét số nguyên tử nguyên tố Cu: a = c (1)

+ Xét số nguyên tử nguyên tố H: b = 2e (2)

+ Xét số nguyên tử nguyên tố N: b = 2c + d (3)

+ Xét số nguyên tử nguyên tố O: 3b = 6c + d + e (4)

Ta thu được hệ phương trình gồm 5 ẩn và cách giải như sau:

Rút e = b/2 từ phương trình thứ (2) và có d = b - 2c từ phương trình thứ (3), hãy thay vào phương trình (4) ta được:

3b = 6c + b - 2c + b/2

=> b = 8c/3

Ta thấy rằng, để số b nguyên thì c bắt buộc phải chia hết cho 3. Trong trường hợp này để hệ số của phương trình phản ứng min ta cần phải lấy c = 3. Khi đó: a = 3, b = 8, d = 2, e = 4

Vậy phương trình phản ứng trên sẽ có dạng như sau:

3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Đăng ký ngay khóa học DUO để được lên lộ trình ôn thi tốt nghiệp sớm nhất!

3.2. Phương pháp 2: Sử dụng theo phương pháp cân bằng electron

Cân bằng qua ba bước:

a. Xác định sự thay đổi số oxi hóa.

b. Lập thăng bằng electron.

c. Đặt các hệ số tìm được vào phản ứng và tính các hệ số còn lại.

Ví dụ. Cân bằng phản ứng:

FeS + HNO3 -> Fe(NO3)3 + N2O + H2SO4 + H2O

a. Xác định sự thay đổi số oxi hóa:

Fe+2 -> Fe+3

S-2 -> S+6

N+5 -> N+1

(Viết số oxi hóa này phía trên các nguyên tố tương ứng)

b. Lập thăng bằng electron:

Fe+2 -> Fe+3 + 1e

S-2 -> S+6 + 8e

FeS -> Fe+3 + S+6 + 9e

2N+5 + 8e -> 2N+1

-> Có 8FeS và 9N2O.

c. Đặt các hệ số vừa tìm được vào phương trình phản ứng và tính các hệ số còn lại:

8FeS + 42HNO3 -> 8Fe(NO3)3 + 9N2O + 8H2SO4 + 13H2O

Ví dụ 2. Phản ứng trong dung dịch bazơ:

NaCrO2 + Br2 + NaOH -> Na2CrO4 + NaBr

CrO2- + 4OH- -> CrO42- + 2H2O + 3e

Br2 + 2e -> 2Br-

Phương trình ion:

2CrO2- + 8OH- + 3Br2 -> 2CrO42- + 6Br- + 4H2O

Phương trình phản ứng phân tử:

2NaCrO2 + 3Br2 + 8NaOH -> 2Na2CrO4 + 6NaBr + 4H2O

Ví dụ 3. Phản ứng ở trong các dung dịch có H2O tham gia:

KMnO4 + K2SO3 + H2O -> MnO2 + K2SO4

MnO4- + 3e + 2H2O -> MnO2 + 4OH-

SO32- + H2O -> SO42- + 2H+ + 2e

Phương trình ion:

2MnO4- + H2O + 3SO32- -> 2MnO2 + 2OH- + 3SO42-

Phương trình phản ứng phân tử:

2KMnO4 + 3K2SO3 + H2O -> 2MnO2 + 3K2SO4 + 2KOH

3.3. Phương pháp 3: Cân bằng phương trình oxi hóa khử theo ion - electron

Bước 1: hoàn thành sơ đồ phản ứng với các nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa.

Bước 2: Hoàn thiện các quá trình: khử (cho electron), oxi hóa (nhận electron).

Bước 3: Cân bằng electron: nhân hệ số để:

Tổng số electron cho = tổng số electron nhận.

(tổng số oxi hóa giảm = tổng số oxi hóa tăng).

Bước 4: Cân bằng nguyên tố không thay đổi số oxi hoá :

• kim loại (ion dương)
• gốc axit (ion âm)
• môi trường (axit, bazơ)
• nước (cân bằng H2O để cân bằng hiđro)

Bước 5: Kiểm soát số nguyên tử oxi ở 2 vế (phải bằng nhau).

Ví dụ:

Fe + H2SO4đặc nóng → Fe2(SO4)3 + SO2 + H2O

FeO → Fe+3 + 3e

1 x 2Fe0 → 2Fe+3 + 6e

3 x S+6 + 2e → S+4

2Fe + 6H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

3.4. Phương pháp 4: Sử dụng nguyên tử nguyên tố cân bằng phản ứng oxi hoá khử

Đây là một phương pháp khá đơn giản. Khi cân bằng ta cố ý viết các đơn chất khí (H2, O2, C12, N2…) dưới dạng nguyên tử riêng biệt rồi lập luận qua một số bước.

Ví dụ: Cân bằng phản ứng P + O2 -> P2O5

Ta viết: P + O -> P2O5

Để tạo thành 1 phân tử P2O5 cần 2 nguyên tử P và 5 nguyên tử O:

2P + 5O -> P2O5

Nhưng phân tử oxi bao giờ cũng gồm hai nguyên tử, như vậy nếu lấy 5 phân tử oxi tức là số nguyên tử oxi tăng lên gấp 2 thì số nguyên tử P và số phân tử P2O5 cũng tăng lên gấp 2, tức 4 nguyên tử P và 2 phân tử P2O5.

Do đó: 4P + 5O2 -> 2P2O5

3.5. Phương pháp 5: Sử dụng hóa trị tác dụng

Hóa trị tác dụng là hóa trị của nhóm nguyên tử hay nguyên tử của các nguyên tố trong chất tham gia và tạo thành trong PUHH.

Áp dụng phương pháp này cần tiến hành các bước sau:

+ Xác định hóa trị tác dụng:

II - I III - II II-II III - I

BaCl2 + Fe2(SO4)3 -> BaSO4 + FeCl3

Hóa trị tác dụng lần lượt từ trái qua phải là:

II - I - III - II - II - II - III - I

Tìm bội số chung nhỏ nhất của các hóa trị tác dụng:

BSCNN(1, 2, 3) = 6

+ Lấy BSCNN chia cho các hóa trị ta được các hệ số:

6/II = 3, 6/III = 2, 6/I = 6

Thay vào phản ứng:

3BaCl2 + Fe2(SO4)3 -> 3BaSO4 + 2FeCl3

Dùng phương pháp này sẽ củng cố được khái niệm hóa trị, cách tính hóa trị, nhớ hóa trị của các nguyên tố thường gặp.

3.6. Phương pháp 6: Dùng hệ số phân số cân bằng phản ứng oxi hoá khử

Đặt các hệ số vào các công thức của các chất tham gia phản ứng, không phân biệt số nguyên hay phân số sao cho số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế bằng nhau. Sau đó khử mẫu số chung của tất cả các hệ số.

Ví dụ: P + O2 -> P2O5

+ Đặt hệ số để cân bằng: 2P + 5/2O2 -> P2O5

+ Nhân các hệ số với mẫu số chung nhỏ nhất để khử các phân số. Ở đây nhân 2.

2.2P + 2.5/2O2 -> 2P2O5

hay 4P + 5O2 -> 2P2O5

3.7. Phương pháp 7: Sử dụng "chẵn - lẻ"

Một phản ứng sau khi đã cân bằng thì số nguyên tử của một nguyên tố ở vế trái bằng số nguyên tử nguyên tố đó ở vế phải. Vì vậy nếu số nguyên tử của một nguyên tố ở một vế là số chẵn thì số nguyên tử nguyên tố đó ở vế kia phải chẵn. Nếu ở một công thức nào đó số nguyên tử nguyên tố đó còn lẻ thì phải nhân đôi.

Ví dụ: FeS2 + O2 -> Fe2O3 + SO2

Ở vế trái số nguyên tử O2 là chẵn với bất kỳ hệ số nào. Ở vế phải, trong SO2 oxi là chẵn nhưng trong Fe2O3 oxi là lẻ nên phải nhân đôi. Từ đó cân bằng tiếp các hệ số còn lại.

2Fe2O3 -> 4FeS2 -> 8SO2 + 11O2

Đó là thứ tự suy ra các hệ số của các chất. Thay vào PTPƯ ta được:

4FeS2 + 11O2 -> 2Fe2O3 + 8SO2

3.8. Phương pháp 8: Xuất phát từ nguyên tố chung nhất để cân bằng phản ứng oxi hoá khử

Chọn nguyên tố có mặt ở nhiều hợp chất nhất trong phản ứng để bắt đầu cân bằng hệ số các phân tử.

Ví dụ: Cu + HNO3 ->Cu(NO3)2 + NO + H2O

Nguyên tố có mặt nhiều nhất là nguyên tố oxi, ở vế phải có 8 nguyên tử, vế trái có 3. Bội số chung nhỏ nhất của 8 và 3 là 24, vậy hệ số của HNO3 là 24 /3 = 8

Ta có 8HNO3 -> 4H2O + 2NO (Vì số nguyên tử N ở vế trái chẵn)

3Cu(NO3)2 -> 3Cu

Vậy phản ứng cân bằng là:

3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

4. Bài tập cân bằng phản ứng oxi hoá khử điển hình

Bài 1: Lập phương trình phản ứng oxi hóa - khử sau đây theo phương pháp thăng bằng electron:

a) Cho MnO2 tác dụng với dung dịch axit HCl đặc, thu được MnCl2, Cl2 và H2O.

b) Cho Cu tác dụng với dung dịch axit HNO3 đặc, nóng thu được Cu(NO3)2, NO2, H2O.

c) Cho Mg tác dụng với dung dịch axit H2SO4 đặc, nóng thu được MgSO4, S và H2O.

Lời giải:

a) Ta có PTHH:

MnO2 + HCl đặc → MnCl2 + Cl2↑ + H2O

- Thực hiện các bước cân bằng PTHH bằng phương pháp thăng bằng electron.

- Phương trình phản ứng được cân bằng như sau:

MnO2 + 4HCl đặc → MnCl2 + Cl2↑ + 2H2O

b) Ta có PTHH:

Cu + HNO3 đặc, nóng → Cu(NO3)2 + NO2↑ + H2O

- Thực hiện cân bằng bằng phương pháp electron.

- Phương trình phản ứng được cân bằng như sau:

Cu + 4HNO3 đặc, nóng → Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O

c) Ta có PTHH:

Mg + H2SO4 đặc, nóng → MgSO4 + S↓ + H2O

- Phương trình hoá học sau khi cân bằng như sau:

Bài 2: Cân bằng các phản ứng oxi hóa khử sau:

a) NH3 + O2 → NO + H2O

b) Mg + HNO3 → Mg(NO3)2 + NH4NO3 + H2O

c) Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2S + H2O

d) MnO2 + HCl → MnCl2 + Cl2­ + H2O

e) KMnO4 + HCl → KCl + MnCl2 + Cl2­ + H2O

f) KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + MnSO4 + K2SO4 + H2O

g) KMnO4 + K2SO3 + H2O → K2SO4 + MnO2 + KOH

h) FeO + HNO3 → Fe(NO3)3 + N2O­ + H2O

Hướng dẫn giải:

a) NH3 + O2 → NO + H2O

- Ta xác định sự thay đổi số oxi hóa, và thăng bằng số electron

- Ta được phương trình sau khi cân bằng như sau:

b) Mg + HNO3 → Mg(NO3)2 + NH4NO3 + H2O

- Ta được phương trình sau khi cân bằng như sau:

Bài 3: Cân bằng các phản ứng Oxi hóa khử sau:

a) KClO3 KCl + O2

b) AgNO3 Ag + NO2 + O2

c) Cu(NO3)2 CuO + NO2 + O2

d) HNO3 NO2 + O2 + H2O

e) KMnO4 K2MnO4 + O2 + MnO2

Hướng dẫn giải:

a) KClO3 KCl + O2

- Ta được:

b) AgNO3 Ag + NO2 + O2

- Ta được:

Bài 4: Cân bằng các phản ứng oxi hóa khử sau:

a) Cl2 + KOH → KCl + KClO3 + H2O

b) S + NaOH → Na2S + Na2SO3 + H2O

c) NH4NO2 → N2 + H2O

d) I2 + H2O → HI + HIO3

Bài 5: Cân bằng các phản ứng oxi hóa khử sau:

a) Fe3O4 + HNO3 → Fe(NO3)3 + NO + H2O

b) FeS2 + O2 → Fe2O3 + SO2

c) FeS + KNO3 → KNO2 + Fe2O3 + SO3

d) FeS2 + HNO3 → Fe(NO3)3 + H2SO4 + NO2­ + H2O

e) FeS2 + HNO3 + HCl → FeCl3 + H2SO4 + NO­ + H2O

f) FeS + HNO3 → Fe(NO3)3 + Fe2(SO4)3 + NO­ + H2O

g) Cu2S + HNO3 → NO + Cu(NO3)2 + CuSO4 + H2O

h) FeS + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + S + SO2 + H2O

Bài 6: Cân bằng các phản ứng oxi hóa khử:

a) M + HNO3 → M(NO3)n + NO2­ + H2O (Với M là kim loại hoá trị n)

- Thay NO2­ lần lượt bằng: NO, N2O, N2, NH4NO3 rồi hoàn thành phản ứng.

b) M + H2SO4 → M2(SO4)n + SO2­ + H2O

c) FexOy + HNO3 → Fe(NO3)3 + NO­ + H2O

- Thay NO­ lần lượt bằng NO2, N2O, N2, NH4NO3 rồi hoàn thành phản ứng.

d) FexOy + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + SO2­ + H2O

e) FeO + HNO3 → Fe(NO3)3 + NxOy­ + H2O

Bài 7: Cân bằng phương trình: NaCrO2 + Br2 + NaOH → Na2CrO4 + NaBr

Hướng dẫn giải:

CrO2- + 4OH- → CrO42- + 2H2O + 3e

Br2 + 2e → 2Br-

Phương trình ion:

2CrO2- + 8OH- + 3Br2 → 2CrO42- + 6Br- + 4H2O

Phương trình phản ứng phân tử:

2NaCrO2 + 3Br2 + 8NaOH → 2Na2CrO4 + 6NaBr + 4H2O

Bài 8: Cân bằng phương trình: KMnO4 + K2SO3 + H2O → MnO2 + K2SO4

Hướng dẫn giải:

MnO4- + 3e + 2H2O → MnO2 + 4OH-

SO32- + H2O → SO42- + 2H+ + 2e

Phương trình ion:

2MnO4- + H2O + 3SO32- → 2MnO2 + 2OH- + 3SO42-

Phương trình phản ứng phân tử:

2KMnO4 + 3K2SO3 + H2O → 2MnO2 + 3K2SO4 + 2KOH

Bài 9: Cân bằng phương trình:

C6H12O6 + KMnO4 + H2SO4 → K2SO4 + MnSO4 + CO2 + H2O

Hướng dẫn:

5C6H12O6 + 24KMnO4 + 36H2SO4 → 12K2SO4 + 24MnSO4 + 30CO2 + 66H2O

Bài 10: Cân bằng phương trình: FeS + HNO3 → Fe(NO3)3 + N2O + H2SO4 + H2O

Hướng dẫn giải:

Bước 1. Xác định sự thay đổi số oxi hóa:

Fe+2 → Fe+3

S-2 → S+6

N+5 → N+1

Bước 2. Lập thăng bằng electron:

Fe+2 → Fe+3 + 1e

S-2 → S+6 + 8e

FeS → Fe+3 + S+6 + 9e

2N+5 + 8e → 2N+1

→ Có 8FeS và 9N2O.

Bước 3. Đặt các hệ số tìm được vào phản ứng và tính các hệ số còn lại:

8FeS + 42HNO3 → 8Fe(NO3)3 + 9N2O + 8H2SO4 + 13H2O

Qua bài viết này, VUIHOC mong rằng có thể giúp các em hiểu được phần nào kiến thức về cân bằng phản ứng oxi hóa khử. Để học nhiều hơn các kiến thức Hóa học 10 cũng như Hóa học THPT thì các em hãy truy cập vuihoc.vn hoặc đăng ký khoá học với các thầy cô VUIHOC ngay bây giờ nhé!