Lý thuyết Hóa học Lớp 10 - Chương 4: Phản ứng hóa học

Chương 4 PHẢN ỨNG HÓA HỌC A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT I. Các khái niệm cần nắm vững và dấu hiệu nhận biết: Sự oxi hóa (hay quá trình oxi hóa) là sự nhường electron. Sự khử (hay quá trình khử) là sự nhận electron. Chất oxi hóa là chất nhận electron. Chất oxi hóa còn gọi là chất bị khử. Chất khử là chất nhường electron. Chất khử còn gọi là chất bị oxi hóa . Cách nhớ: Đối với chất oxi hóa và chất khử: khử cho o nhận (o là chất oxi hóa). Đối với quá trình oxi hóa, khử: chất oxi hóa tham gia quá trình khử, chất khử tham gia quá trình oxi hóa . Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học xảy ra trong đó có sự chuyển electron giữa các chất phản ứng. Chú ý: Do electron không tồn tại ở trạng thái tự do nên hai quá trình oxi hóa và khử luôn xảy ra đồng thời (tức là có quá trình oxi hóa thì phải có quá trình khử và ngược lại). Tổng số electron do chất khử nhường bằng tổng số electron do chất oxi hóa nhận. Dấu hiệu nhận biết Sự oxi hóa: là sự tăng số oxi hóa Sự khử: là sự giảm số oxi hóa Chất oxi hóa là chất có số oxi hóa giảm. Chất khử là chất có số oxi hóa tăng. Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của một hoặc nhiều nguyên tố. IV. Dự đoán tính chất oxi hóa-khử của một hợp chất dựa vào số oxi hóa Một nguyên tố có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa (số oxi hóa) khác nhau. Thí dụ: N có thể có các số oxi hóa : -3, 0, +1, +2, +3, +4, +5. S có thể có các số oxi hóa : -2, 0, +4, +6 Nhận xét: - Nếu một nguyên tố tồn tại ở trạng thái oxi hóa cao nhất thì chỉ có thể giảm số oxi hóa nên chỉ có thể đóng vai trò là chất oxi hóa . - Nếu một nguyên tố tồn tại ở trạng thái oxi hóa thấp nhất thì chỉ có thể tăng số oxi hóa nên chỉ có thể đóng vai trò là chất khử. - Nếu một nguyên tố tồn tại ở trạng thái oxi hóa trung gian thì có thể tăng số oxi hóa hoặc có thể giảm số oxi hóa nên có thể đóng vai trò là chất oxi hóa hoặc chất khử. Căn cứ vào trạng thái oxi hóa có thể dự đoán tính chất oxi hóa, khử của các nguyên tố trong phân tử. Thí dụ: Trong NH3, N có số oxi hóa -3 là số oxi hóa thấp nhất nên chỉ có thể tăng số oxi hóa tức là chỉ có thể đóng vai trò là chất khử trong các phản ứng hóa học. Trong HNO3, N có số oxi hóa +5 là số oxi hóa cao nhất nên chỉ có thể giảm số oxi hóa tức là chỉ có thể đóng vai trò là chất oxi hóa . Trong NO2, N có số oxi hóa trung gian là +4 nên có thể là chất oxi hóa hay chất khử. Cách xác định các số oxi hóa có thể có của một nguyên tố: Số oxi hóa âm thấp nhất của một nguyên tố chính bằng số electron tối đa mà một nguyên tử của nguyên tố đó có thể nhận để đạt được cấu hình của khí hiếm (chỉ xảy ra đối với các phi kim, các kim loại không có số oxi hóa âm). Thí dụ: Các nguyên tố nhóm VA (N, P,...), có 5 electron hóa trị, có thể nhận tối đa 3 electron nên số oxi hóa thấp nhất là -3. Các nguyên tố nhóm IVA (C, Si), có 4 electron hóa trị, có thể nhận tối đa 4 electron nên số oxi hóa thấp nhất là - 4. Các nguyên tố nhóm VIIA (F, Cl, Br, I), có 7 electron hóa trị. Có thể nhận tối đa 1 electron nên có số oxi hóa thấp nhất là -1. Số oxi hóa dương: số oxi hóa dương cao nhất của một nguyên tố bằng số thứ tự nhóm của nó. Thí dụ: các nguyên tố nhóm IA (Na, K,...) có 1 electron hóa trị nên có số oxi hóa dương cao nhất là +1. Các nguyên tố nhóm VIIA (F, Cl, Br, I) có 7 electron hóa trị nên có số oxi hóa dương cao nhất có thể là +7. Các kim loại thường chỉ có một số oxi hóa dương bằng số electron hóa trị, với Fe có 2 số oxi hóa dương là +2 và +3, Cr có 3 số oxi hóa dương là +2, +3 và +6, Cu có 2 số oxi hóa dương là +1 và +2. V. Thiết lập phương trình của phản ứng oxi hóa - khử Có một số cách để thiết lập phương trình của phản ứng oxi hóa - khử như phương pháp thăng bằng electron, phương pháp ion - electron, tất cả đều dựa vào nguyên lí bảo toàn khối lượng và bảo toàn điện tích. Ở đây chỉ đề cập đến phương pháp thăng bằng electron, vì đây là phương pháp đơn giản nhưng lại có thể cân bằng hầu hết các phản ứng oxi hóa khử. Các bước cân bằng theo phương pháp này như sau: Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong phản ứng (chỉ nên biểu diễn số oxi hóa của những nguyên tố nào có sự thay đổi số oxi hóa). Từ đó dựa vào dấu hiệu nhận biết để xác định chất oxi hóa, chất khử. Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử và cân bằng mỗi quá trình. Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho chất oxi hóa và chất khử theo nguyên tắc: tổng số electron cho bằng tổng số electron nhận. Tức là đi tìm bội số chung nhỏ nhất của số electron cho và số electron nhận, sau đó lấy bội số chung đó chia cho số electron cho hoặc nhận thì được hệ số của chất khử và chất oxi hóa tương ứng. Bước 4: Đặt hệ số của chất oxi hóa và chất khử vào phương trình phản ứng. Sau đó chọn hệ số thích hợp cho các chất không tham gia vào phản ứng oxi hóa - khử. VI. Điều kiện xảy ra phản ứng oxi hóa khử Khi một chất khử gặp một chất oxi hóa liệu có xảy ra phản ứng hóa học trong mọi trường hợp không? Thực tế không phải như vậy. Phản ứng oxi hóa khử xảy ra theo chiều: chất oxi hóa mạnh phản ứng với chất khử mạnh tạo ra chất oxi hóa yếu hơn và chất khử yếu hơn. Xét hai cặp oxi hóa - khử: Oxh1/Kh1 và Oxh2/Kh2 Oxh1 + Kh2 ® Kh1 + Oxh2 Phản ứng trên xảy ra khi : Tính oxi hóa : Oxh1 > Oxh2 Tính khử : Kh2 > Kh1 Thí dụ: Fe có tính khử mạnh hơn Cu và ion Cu2+ có tính oxi hóa mạnh hơn ion Fe2+ nên Fe đẩy được Cu ra khỏi muối của nó: Nhận xét: + Từ phản ứng oxi hóa - khử có thể so sánh được khả năng oxi hóa hoặc khử của các chất. + Hoặc nếu biết khả năng oxi hóa - khử của các chất có thể dự đoán được một phản ứng oxi hóa - khử có xảy ra hay không. VII. Các chất oxi hóa, chất khử thường gặp Đơn chất có thể là chất oxi hóa, có thể là chất khử Chất oxi hóa có thể là các đơn chất phi kim như: C, N2, O2, Cl2, Br2,.. những nguyên tử có cấu hình electron lớp ngoài cùng ns2np2 (C, Si), ns2np3 (N, P), ns2np4(O, S), ns2np5 (F, Cl, Br, I). Trong đó các halogen và oxi là những đơn chất oxi hóa mạnh nhất. Trong các nhóm IVA, VA, VIA, VIIA tính oxi hóa giảm theo chiều tăng dần của bán kính nguyên tử. Chất khử điển hình là những nguyên tử có số electron ở lớp ngoài cùng chứa từ một đến ba electron. Các kim loại kiềm và kiềm thổ ở các nhóm IA và IIA, là những chất khử mạnh. Trong từng nhóm A, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân, bán kính nguyên tử của kim loại tăng và khả năng khử của chúng cũng tăng lên. Thí dụ trong nhóm IA, tính khử yếu nhất là liti (Li) và tính khử mạnh nhất là xesi (Cs) trừ nguyên tố Fr là nguyên tố phóng xạ. Các phi kim cũng thể hiện tính khử như C, Si, H2. Có thể tóm tắt sự biến thiên tính chất oxi hóa - khử của các đơn chất trong bảng tuần hoàn theo bảng sau: Các hợp chất có thể là chất oxi hóa hoặc là chất khử. Các chất oxi hóa như KMnO4 (kali pemanganat), K2Cr2O7 (kali đicromat), KClO3 (kali clorat), NaClO (natri hipoclorit),...Các axit như H2SO4 đặc nóng, axit HNO3. Các hợp chất chứa oxi của halogen có tính chất oxi hóa biến đổi theo chiều sau: HClO HClO2 HClO3 HClO4 Chiều tăng tính axit, chiều giảm của tính oxi hóa. Chú ý: - Với KMnO4 tùy theo môi trường xảy ra phản ứng mà Mn+7 bị khử xuống các trạng thái oxi hóa khác nhau: + Môi trường axit (H+): Mn+7 ® Mn+2 (tồn tại ở dạng muối Mn2+) + Môi trường trung tính (H2O): Mn+7 ® Mn+4 (tồn tại ở dạng MnO2) + Môi trường kiềm (OH-): Mn+7 ® Mn+6 (tồn tại ở dạng K2MnO4) Thí dụ: (1) 2KMnO4 + 10KI + 8H2SO4 ® 2MnSO4 + 5I2 + 6K2SO4 + 8H2O (2) 2KMnO4 + 6KI + 4H2O ® 2MnO2 + 3I2 + 8KOH (3) 2KMnO4 + H2O2 + 2KOH ® 2K2MnO4 + O2 + 2H2O - Với HNO3 tùy theo bản chất của chất khử và nồng độ của axit mà N+5 bị khử xuống các trạng thái oxi hóa khác nhau: N+4 (NO2), N+2 (NO), N+1 (N2O), N0 (N2), N-3 (NH4NO3). Thí dụ: (1) Fe + 6HNO3đặc, nóng ® Fe(NO3)3 + 3NO2­ + 3H2O (2) Fe + 4HNO3loãng ® Fe(NO3)3 + NO­ + 2H2O Các hợp chất khử như H2S, NH3, CO, ... Một số chất vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử như H2O2, SO2, ...