HÓA HỌC 10 · PHẢN ỨNG OXI HÓA – KHỬ — Sổ kế toán electron: số oxi hóa, chất khử và chất oxi hóa, bảo toàn electron, dãy hoạt động và oxi hóa – khử trong đời sống
Bài khái niệm Hóa học 10 dựng quanh một ẩn dụ: sổ kế toán electron. Số oxi hóa là cách ghi sổ theo quy tắc ưu tiên (vì sao NaH, H2O2, OF2 không phải ngoại lệ…
HÓA HỌC 10 · PHẢN ỨNG OXI HÓA – KHỬ · LUKATO AI · BÀI KHÁI NIỆM
Sổ kế toán electron
Số oxi hóa, chất khử và chất oxi hóa, bảo toàn electron, dãy hoạt động của kim loại và oxi hóa – khử ngoài đời
Electron nhỏ đến mức không ai nhìn thấy. Vậy làm sao biết một phản ứng có chuyển electron hay không? Và con số "số oxi hóa" đứng cạnh mỗi nguyên tử: nó là điện tích thật hay chỉ là cách ghi sổ ? Bài này trả lời bằng một ẩn dụ xuyên suốt: sổ kế toán electron . Electron là đồng tiền; nguyên tử nào cho đi thì bị ghi một khoản, nguyên tử nào nhận thì được ghi khoản ngược lại; tổng sổ của cả phản ứng luôn cân. Có sơ đồ, câu "em thử xem" và ba phòng thí nghiệm. Mọi con số tự đặt trong tình huống đều là hư cấu.
12 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 3 PHÒNG THÍ NGHIỆM THUẦN KHÁI NIỆM 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ SOẠN
BẢN ĐỒ BÀI
Electron là đồng tiền, số oxi hóa là cuốn sổ
Câu hỏi trung tâm của bài: làm sao nhận ra phản ứng nào có chuyển electron khi chẳng thấy electron, và số oxi hóa là sổ kế toán hay là điện tích thật? Mỗi mục dưới đây là một bước trong cách làm việc của người kế toán: ghi sổ, xác định bên chi và bên thu, cân sổ, phân loại giao dịch, hỏi "ai trả được cho ai", rồi nhìn sổ ấy ngoài đời.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 1. Bản đồ bài theo ẩn dụ sổ kế toán electron: sáu mục nối tiếp nhau, từ cách ghi sổ đến những nơi sổ electron xuất hiện ngoài đời.
Câu hỏi · Công cụ trả lời · Ở mục
Làm sao biết nguyên tử đã "cho" hay "nhận" electron? · So số oxi hóa trước và sau phản ứng · 1
Ai là chất khử, ai là chất oxi hóa, và vì sao tên gọi dễ gây nhầm? · Khử cho, O nhận: chất khử cho electron nên chính nó bị oxi hóa · 2
Hệ số trong phương trình lấy từ đâu? · Tổng electron cho bằng tổng electron nhận; nhân bội chung nhỏ nhất · 3
Kiểu phản ứng nào luôn, có thể, hay không bao giờ là oxi hóa – khử? · Bảng phân loại; môi trường đổi sản phẩm (MỞ RỘNG) · 4
Kim loại nào đẩy được kim loại nào ra khỏi muối? · Dãy hoạt động; điều kiện nước · 5
Chuyện này liên quan gì đến cháy, gỉ, hô hấp, pin? · Cùng một tờ sổ, khác nơi diễn ra · 6
Vuốt ngang để xem hết bảng
Công cụ A · Số oxi hóa
Con số ghi bên cạnh mỗi nguyên tử theo quy tắc cố định, sao cho tổng bằng điện tích của phân tử hay ion. Số này tăng nghĩa là nguyên tử bị ghi "đã cho electron", giảm nghĩa là "đã nhận".
Công cụ B · Bảo toàn electron
Electron không tự sinh ra hay mất đi. Trong một phản ứng, tổng electron do các chất khử cho đúng bằng tổng electron do các chất oxi hóa nhận.
Công cụ C · Chiều phản ứng
Có chuyển electron chưa có nghĩa là xảy ra. Chất cho phải đủ "dễ cho" so với chất nhận; dãy hoạt động ghi thứ tự ấy cho kim loại.
Giả định của bài. (a) Số oxi hóa tính theo quy tắc của chương trình lớp 10; mọi phương trình trong bài đã được kiểm cân bằng cả nguyên tử lẫn điện tích. (b) Dãy hoạt động dùng ở dạng rút gọn K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, H, Cu, Ag, Au, xếp theo thế điện cực chuẩn; một số sách xếp Na trước Ca, khác biệt này không ảnh hưởng các kết luận trong bài. (c) Các phản ứng nêu ở điều kiện phổ thông (dung dịch trong nước, nhiệt độ thường nếu không ghi khác).
Về chữ "hư cấu". Chất và phản ứng trong bài là hóa học thật. Mọi lượng mol electron, lượng chất và tình huống do bài tự đặt mang nhãn hư cấu ; chúng chỉ để hiểu cơ chế, không phải số liệu đo đạc. Phần ngoài chương trình bắt buộc mang nhãn MỞ RỘNG . Bài không dạy lại tính chất của nhóm halogen (đã có bài riêng), cũng không đi vào pin điện hóa và điện phân (lớp 12): hai chủ đề ấy chỉ được nhắc một câu để nối mạch.
MỤC 1 · GHI SỔ
Số oxi hóa: cách ghi sổ cho từng nguyên tử
Người kế toán không đếm tiền trong ví của từng người; họ ghi sổ theo quy tắc chung để ai cũng tính ra cùng một kết quả. Số oxi hóa cũng vậy: một bộ quy tắc cố định cho mỗi nguyên tử một con số, sao cho cộng lại đúng bằng điện tích của cả phân tử hay ion. Con số ấy là điện tích quy ước : điện tích của nguyên tử nếu giả định mọi liên kết đều là liên kết ion, tức cặp electron chung dồn hết về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.
1.1 Bộ quy tắc và thứ tự ưu tiên
Bảy quy tắc của chương trình không ngang hàng nhau: quy tắc đứng trước thắng quy tắc đứng sau . Đơn chất bằng 0; tổng số oxi hóa bằng điện tích; fluorine luôn −1; kim loại nhóm IA là +1, nhóm IIA là +2, nhôm là +3; hydrogen thường +1; oxygen thường −2; nguyên tố còn lại là ẩn số được giải từ quy tắc tổng.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 2. Thứ tự ưu tiên của quy tắc ghi sổ. Ba "ngoại lệ" NaH, H 2 O 2 , OF 2 không phải ba điều phải nhớ riêng: chúng chỉ là hệ quả của việc quy tắc trên được áp dụng trước.
Cách làm. Gạch ra những nguyên tố có quy tắc cố định theo thứ tự ưu tiên, ghi số oxi hóa của chúng, rồi để nguyên tố cuối cùng làm ẩn số. Chẳng hạn trong SO 4 2− : O đã là −2, bốn nguyên tử O góp −8, tổng phải bằng −2, nên S là +6. Trong MnO 4 − tổng phải bằng −1, nên Mn là +7. Trong Cr 2 O 7 2− có hai nguyên tử Cr chia nhau: 2x + 7(−2) = −2, nên mỗi Cr là +6.
Chất · Phép tính (x là số oxi hóa cần tìm) · Kết quả
CO 2 · x + 2(−2) = 0 · C: +4
CH 4 · x + 4(+1) = 0 · C: −4
NH 3 , NH 4 + · x + 3(+1) = 0; x + 4(+1) = +1 · N: −3
SO 4 2− · x + 4(−2) = −2 · S: +6
MnO 4 − · x + 4(−2) = −1 · Mn: +7
Cr 2 O 7 2− · 2x + 7(−2) = −2 · Cr: +6
NaH · (+1) + x = 0 (Na thuộc IA, được ghi trước H) · H: −1
H 2 O 2 · 2(+1) + 2x = 0 (H được ghi trước O) · O: −1
OF 2 · x + 2(−1) = 0 (F được ghi trước O) · O: +2
Vuốt ngang để xem hết bảng
1.2 Sổ ghi khác với điện tích thật
Với ion đơn nguyên tử như Na + , Cl − , Fe 3+ , số oxi hóa đúng bằng điện tích thật của ion. Với phân tử cộng hóa trị thì không: trong HCl, cặp electron chung chỉ lệch về Cl chứ không rời hẳn khỏi H. Sổ ghi H là +1 và Cl là −1, còn điện tích thật của mỗi nguyên tử chỉ lệch một phần. Trong Cl 2 hai nguyên tử giống nhau chia đều cặp electron, nên sổ ghi 0 và 0, khớp với thực tế.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 3. Ba mức khớp giữa sổ và thực tế: Cl 2 (khớp hoàn toàn), HCl (sổ ghi lệch hẳn, thực tế lệch một phần), NaCl (sổ gần với ion thật).
Hệ quả quan trọng: số oxi hóa không nhất thiết là số nguyên . Khi cùng một nguyên tố có mặt ở nhiều vị trí khác nhau, con số tính từ tổng chỉ là trung bình . Trong Fe 3 O 4 tổng 3x + 4(−2) = 0 cho x = +8/3, nhưng thực tế một nguyên tử Fe ở +2 và hai nguyên tử ở +3 (Fe 3 O 4 xem như FeO·Fe 2 O 3 ). Trong C 3 H 8 ba nguyên tử C chia nhau −8/3, nhưng hai C đầu mạch là −3 và C giữa mạch là −2.
MỞ RỘNG Số oxi hóa hình thức và điện tích thực. Các phương pháp hóa học lượng tử cho điện tích riêng của từng nguyên tử trong phân tử; giá trị phụ thuộc phương pháp tính, nhưng nhìn chung độ lớn nhỏ hơn số oxi hóa (chẳng hạn điện tích riêng của O trong H 2 O có độ lớn nhỏ hơn 2). Số oxi hóa vẫn hữu ích vì nó là phép kiểm đếm electron, không phải phép đo điện tích.
PHÒNG A Sổ số oxi hóa: ghi từng nguyên tử, cộng lại phải bằng điện tích
Chọn một nhóm chất rồi một chất. Lab ghi sổ theo đúng thứ tự ưu tiên, giải ẩn số từ quy tắc tổng, vẽ mỗi nguyên tố thành một thanh (dương sang phải, âm sang trái) và kiểm tổng với điện tích q. Với nhóm ngoại lệ, lab còn thử áp quy tắc "thường" để em thấy vì sao nó vô lí. Bật "Che đáp số" để tự tính trước. Chất và quy tắc trong phòng này là thật; mọi lượng chất hư cấu chỉ xuất hiện ở Phòng B.
Mẫu có sẵn
Nhóm chất
Chất
Đáp số
Chất
Ghi sổ từng nguyên tố
Phép tính tổng
Kiểm tra và lưu ý
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Chốt ý mục 1: số oxi hóa là cách ghi sổ theo quy tắc ưu tiên, tổng luôn bằng điện tích Quy tắc đứng trước thắng quy tắc đứng sau; ngoại lệ chỉ là hệ quả của thứ tự. Số oxi hóa là điện tích quy ước (có thể là phân số, nếu là trung bình), không đo bằng máy và không nhất thiết bằng điện tích thật.
Một bạn nói "H luôn là +1, nên trong NaH hydrogen là +1". Bạn ấy sai ở đâu, và đáp số đúng là gì?
Hỏi: nguyên tố nào được ghi trước, Na hay H?
Giải thích. Na thuộc nhóm IA nên có quy tắc đứng trước quy tắc của H: Na là +1. Chất trung hòa nên tổng phải bằng 0, vậy H phải là −1. Nếu coi H là +1 thì tổng bằng +2, vô lí. Quy tắc "H là +1" chỉ đúng khi không có nguyên tố nào đứng trước nó trong thứ tự ưu tiên có thể ép H sang âm; ở hydride kim loại, kim loại nhường electron cho H.
MỤC 2 · AI CHI, AI THU
Chất khử và chất oxi hóa: hai bên của một giao dịch
Mỗi khoản chi phải có một khoản thu tương ứng. Trong phản ứng, bên cho electron là chất khử ; bên nhận electron là chất oxi hóa . Tên gọi dễ gây nhầm vì nó mô tả việc chất ấy làm cho chất kia , không phải điều xảy ra với chính nó. Ta chỉ cần đọc sổ: số oxi hóa tăng hay giảm?
2.1 Đọc sổ: tăng là cho, giảm là nhận
Thuật ngữ · Điều xảy ra với nguyên tử · Số oxi hóa
Chất khử · cho electron · tăng
Sự oxi hóa (quá trình oxi hóa) · là quá trình chất khử cho electron; chất khử bị oxi hóa · tăng
Chất oxi hóa · nhận electron · giảm
Sự khử (quá trình khử) · là quá trình chất oxi hóa nhận electron; chất oxi hóa bị khử · giảm
Vuốt ngang để xem hết bảng
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 4. Khử cho – O nhận. Chất khử cho electron và chính nó bị oxi hóa; chất oxi hóa nhận electron và chính nó bị khử. Ví dụ: Zn cho 2 e (0 → +2), ion Cu 2+ nhận 2 e (+2 → 0).
Câu ghi nhớ "khử cho – O nhận" nhắc rằng chất khử là bên cho , chất oxi hóa (chữ O) là bên nhận . Vì chất khử cho electron, số oxi hóa của nó tăng: nó bị oxi hóa . Vì chất oxi hóa nhận electron, số oxi hóa của nó giảm: nó bị khử . Hai cặp từ trông ngược nhau nhưng cùng một sự việc nhìn từ hai phía.
2.2 Nhận ra phản ứng oxi hóa – khử bằng cách so sổ
Định nghĩa gốc của sự oxi hóa là "kết hợp với oxygen", nên nhiều người tưởng phản ứng oxi hóa – khử phải có oxygen. Định nghĩa hiện đại rộng hơn và chính xác hơn: phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng có nguyên tố thay đổi số oxi hóa (có sự chuyển electron theo sổ). Kiểm tra chỉ cần ghi số oxi hóa mỗi nguyên tố trước và sau phản ứng rồi so.
Phản ứng · Nguyên tố đổi số oxi hóa · Kết luận
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu · Fe: 0 → +2; Cu: +2 → 0 · oxi hóa – khử
Cl 2 + 2NaBr → 2NaCl + Br 2 · Cl: 0 → −1; Br: −1 → 0 · oxi hóa – khử, không có oxygen
CaCO 3 + 2HCl → CaCl 2 + CO 2 + H 2 O · không nguyên tố nào · không phải, dù có oxygen
NaOH + HCl → NaCl + H 2 O · không nguyên tố nào · không phải (trung hòa)
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2 · O: −1 → −2 và 0 · oxi hóa – khử (một chất vừa cho vừa nhận)
Vuốt ngang để xem hết bảng
Nhớ một điều: trong phản ứng oxi hóa – khử, sự oxi hóa và sự khử luôn xảy ra đồng thời . Không thể có bên cho mà không có bên nhận. Vì vậy khi thấy một nguyên tố tăng bậc, chắc chắn có nguyên tố khác giảm bậc.
2.3 Vai trò phụ thuộc vào bậc và vào bạn đồng hành
Xét một nguyên tố trong chất: nếu nó đang ở bậc thấp nhất có thể (như N trong NH 3 , bậc −3) thì chỉ còn đường đi lên, nên chỉ làm chất khử; nếu ở bậc cao nhất (như N trong HNO 3 , +5; Mn trong KMnO 4 , +7) thì chỉ còn đường đi xuống, nên chỉ làm chất oxi hóa; nếu ở bậc giữa thì làm được cả hai, tùy chất đi cùng. Ví dụ H 2 O 2 có O ở −1, giữa −2 và 0: gặp chất khử mạnh như ion iodide thì nó nhận electron (H 2 O 2 + 2KI → I 2 + 2KOH), gặp chất oxi hóa mạnh như KMnO 4 trong môi trường acid thì nó cho electron (2KMnO 4 + 5H 2 O 2 + 3H 2 SO 4 → 2MnSO 4 + 5O 2 + K 2 SO 4 + 8H 2 O).
Đọc đúng phạm vi. Quy tắc ba bậc chỉ cho biết một nguyên tố có thể làm gì, không cho biết nó sẽ làm gì. Một chất ở bậc cao nhất không tự động phản ứng, một chất ở bậc thấp nhất cũng không tự động bị oxi hóa; điều đó còn tùy chất kia có đủ "mạnh" không (mục 5). Ngoài ra trong HNO 3 chỉ nguyên tử N mới ở bậc cao nhất; ion H + của nó vẫn có thể tham gia phản ứng acid – base không đổi số oxi hóa.
Chốt ý mục 2: số oxi hóa tăng là cho (chất khử, bị oxi hóa); giảm là nhận (chất oxi hóa, bị khử); luôn đi cặp Phản ứng oxi hóa – khử là phản ứng có nguyên tố đổi số oxi hóa, không cần có oxygen. Bậc thấp nhất chỉ khử, bậc cao nhất chỉ oxi hóa, bậc giữa làm được cả hai.
Phản ứng Cl 2 + 2NaBr → 2NaCl + Br 2 không có oxygen. Đây có phải phản ứng oxi hóa – khử không? Chất nào là chất khử?
Ghi số oxi hóa của Cl và Br ở hai vế rồi so.
Giải thích. Cl đi từ 0 (trong Cl 2 ) xuống −1 (trong NaCl): nhận 1 electron mỗi nguyên tử, nên Cl 2 là chất oxi hóa. Br đi từ −1 (trong NaBr) lên 0 (trong Br 2 ): cho 1 electron, nên NaBr là chất khử (ion Br − bị oxi hóa). Có nguyên tố đổi số oxi hóa nên đây là phản ứng oxi hóa – khử; oxygen không liên quan gì.
MỤC 3 · CÂN SỔ