Bài 15: Phản ứng oxi hóa – khử | Hóa học 10 | Chương 4: Phản ứng oxi hóa - khử - Lớp 10 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 70)

Kim loại bị gỉ do xảy ra các phản ứng oxi hóa – khử.

Phản ứng oxi hoá – khử là loại phản ứng xảy ra phổ biến trong tự nhiên, trong đời sống, sản xuất và trong cơ thể con người.

Trong tự nhiên, phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong quá trình quang hợp, cháy rừng, núi lửa phun trào, lên men, phân hủy động thực vật,...

Trong đời sống và sản xuất, các quá trình oxi hóa – khử (như sự cháy của nhiên liệu, các quá trình điện phân, các phản ứng xảy ra trong pin, ắc quy, ...) cung cấp phần lớn năng lượng phục vụ cho các hoạt động của con người. Nhiều quá trình oxi hóa - khử là cơ sở của các quá trình sản xuất như luyện kim, sản xuất phân bón, dược phẩm, phẩm nhuộm, thuốc bảo vệ thực vật,...

Trong cơ thể người phản ứng của oxi hoá – khử xảy ra trong quá trình tiêu hóa thức ăn, oxi hóa dưỡng chất , lão hóa và nhiều quá trình sinh hóa.

(Trang 71)

MỤC TIÊU:

– Nêu được khái niệm và xác định được số oxi hoá của nguyên tử các nguyên tố trong hợp chất.

– Nêu được khái niệm và ý nghĩa của phản ứng oxi hoá – khử.

– Lập được phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử bằng phương pháp thăng bằng electron.

– Mô tả được một số phản ứng oxi hoá - khử quan trọng trong cuộc sống.

I. SỐ OXI HOÁ

1. Khái niệm

Số oxi hoá là điện tích quy ước của nguyên tử trong phân tử khi coi tất cả các electron liên kết đều chuyển hoàn toàn về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Số oxi hoá được viết ở dạng số đại số, dấu viết trước, số viết sau.

Ví dụ 1: Xét phân tử NaCl.

Nguyên tử Na nhường 1 electron cho nguyên tử CI, khi đó nguyên tử Na trở thành ion dương mang điện tích 1+ (số oxi hoá của Na là +1) và nguyên tử CI nhận 1 electron của nguyên tử Na trở thành ion âm mang điện tích 1− (số oxi hoá của CI là −1):

Ví dụ 2: Xét phân tử

Độ âm điện của nguyên tử O lớn hơn độ âm điện của nguyên tử H, nếu các cặp electron liên kết chuyển hoàn toàn về nguyên tử O thì nguyên tử
O có thêm 2 electron và trở thành ion âm có điện tích 2– (số oxi hoá của O là –2); mỗi nguyên tử H mất đi 1 electron và trở thành ion dương có điện tích 1+ (số oxi hoá của H là +1):

Ví dụ 3: Xét phân tử

(Trang 72)

Hai nguyên tử H giống nhau nên cặp electron liên kết không lệch về nguyên tử nào. Do vậy, mỗi nguyên tử H đều trung hoà điện, có điện tích bằng 0 và số oxi hoá là 0:

Số oxi hoá thường được dùng để lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử.

2. Quy tắc xác định số oxi hoá

Thông thường, số oxi hoá của nguyên tử được xác định trực tiếp từ công thức phân tử theo các quy tắc sau:

Quy tắc 1. Trong đơn chất, số oxi hoá của nguyên tử bằng 0.

Ví dụ: 

Quy tắc 2. Trong phân tử các hợp chất, thông thường số oxi hoá của hydrogen là +1, của oxygen là –2, các kim loại điển hình có số oxi hoá dương và có giá trị bằng số electron hoá trị.

Bảng 15.1. Số oxi hoá thường gặp của một số nguyên tử trong hợp chất

Quy tắc 3. Trong hợp chất, tổng số oxi hoá của các nguyên tử trong phân tử bằng 0.

Ví dụ:

Tổng số oxi hoá = (+3) . 2 + (-2) . 3 = 0

Quy tắc 4. Trong ion đơn nguyên tử, số oxi hoá của nguyên tử bằng điện tích ion; trong ion đa nguyên tử, tổng số oxi hoá của các nguyên tử bằng điện tích ion.

Ví dụ:

Tổng số oxi hoá = (–3) + (+1) . 4 = ±1.

ÁP DỤNG: Sử dụng các quy tắc này có thể xác định số oxi hoá của một nguyên tử trong hợp chất khi biết số oxi hoá của các nguyên tử còn lại.

Ví dụ: Xác định số oxi hoá của nguyên tử C trong phân tử

Dựa vào Bảng 15.1, biết được số oxi hoá của Ca là +2 và O là –2.

Số oxi hoá của từng nguyên tử:

Phân tử  trung hoà điện nên tổng số oxi hoá của các nguyên tử bằng 0:

(+2) + x + (−2) . 3 = 0 nên x = +4.

(Trang 73)

II. CHẤT OXI HOÁ, CHẤT KHỬ, PHẢN ỨNG OXI HOÁ – KHỬ

1. Chất oxi hoá, chất khử

Ví dụ 1: Đưa mẫu than gỗ nóng đỏ vào bình đựng khí

Trong phản ứng trên, nguyên tử C nhường 4 electron, là chất khử; phân tử nhận 4 electron, là chất oxi hoá.

(quá trình oxi hoá)

(quá trình khử)

Ví dụ 2: Phản ứng đốt cháy methane.

Chất oxi hoá là oxygen, chất khử là methane.

Ví dụ 3: Phản ứng khử bằng CO để sản xuất gang và thép.

Chất oxi hoá là iron(III) oxide, chất khử là carbon monoxide.

Chất khử là chất nhường electron, chất oxi hoá là chất nhận electron.

Quá trình oxi hoá là quá trình chất khử nhường electron, quá trình khử là quá trình chất oxi hoá nhận electron.

(Trang 74)

2. Phản ứng oxi hoá – khử 

Phản ứng oxi hoá – khử là phản ứng hoá học xảy ra đồng thời quá trình nhường electron và quá trình nhận electron.

Dấu hiệu để nhận biết phản ứng oxi hoá – khử là có sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tử.

III. LẬP PHƯƠNG TRÌNH HOÁ HỌC CỦA PHẢN ỨNG OXI HOÁ – KHỬ

Phương pháp thăng bằng electron được dùng để lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử theo nguyên tắc:

Tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận.

Ví dụ: Quá trình Ostwald (Ốt-xvan) dùng để sản xuất nitric acid từ ammonia, được đề xuất vào năm 1902. Ở giai đoạn đầu của quá trình, ammonia bị oxi hoá bởi oxygen ở nhiệt độ cao khi có chất xúc tác:

Theo phương pháp thăng bằng electron, phương trình hoá học của phản ứng trên được lập theo các bước như sau:

Bước 1. Xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá, từ đó xác định chất oxi hoá, chất khử:

Chất khử

Chất oxi hóa

Bước 2. Biểu diễn quá trình oxi hóa, quá trình khử:

Bước 3. Tìm hệ số thích hợp cho chất khử và chất oxi hoá dựa trên nguyên tắc:

Tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận.

(Trang 75)

Bước 4. Đặt hệ số của chất oxi hoá và chất khử vào sơ đồ phản ứng, từ đó tính ra hệ số của các chất khác có mặt trong phương trình hoá học. Kiểm tra sự cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố ở hai vế.

IV. PHẢN ỨNG OXI HOÁ – KHỬ TRONG THỰC TIỄN

Trong thực tiễn, phản ứng oxi hoá – khử rất phổ biến, dưới đây là một số trường hợp điển hình.

1. Sự cháy

Phản ứng cháy là phản ứng oxi hoá – khử xảy ra ở nhiệt độ cao giữa chất cháy và chất oxi hoá.

Trong phản ứng cháy, chất cháy thường là nhiên liệu (than đá, khí thiên nhiên, xăng, dầu,...), còn chất oxi hoá thường là oxygen. Sự cháy kèm theo sự toả nhiệt và phát sáng, tạo ra nhiệt lượng đủ để duy trì sự cháy.

Ví dụ: Phản ứng oxi hoá - khử xảy ra khi đốt cháy carbon trong than đá và butane trong khí gas:

2. Sự han gỉ kim loại

Sau một thời gian sử dụng, nhiều thiết bị, máy móc, vật dụng bằng kim loại thường bị han gỉ do sự oxi hoá bởi oxygen trong không khí. Đặc biệt, nước ta có khí hậu nhiệt đới, độ ẩm cao nên sự han gỉ kim loại xảy ra rất phổ biến.

Ví dụ: Trong không khí ẩm, các vật dụng bằng thép bị oxi hoá tạo gỉ sắt.

3. Sản xuất hoá chất

Trong công nghiệp, phần lớn các phản ứng hoá học xảy ra trong các quy trình sản xuất là phản ứng oxi hoá – khử. Ví dụ: Sulfuric acid là hoá chất quan trọng trong công nghiệp, được sản xuất chủ yếu từ sulfur hoặc quặng pyrite.

(Trang 76)

Sơ đồ phản ứng:

S

4. Chuyển hoá các chất trong tự nhiên

Trong tự nhiên cũng xảy ra rất nhiều quá trình kèm theo phản ứng oxi hoá - khử. Ví dụ:

Lúa chiêm lấp ló đầu bờ

Hễ nghe tiếng sấm phất cờ mà lên

(Ca dao Việt Nam)

Đây là hiện tượng cây lúa phát triển nhanh khi có những cơn mưa rào đầu tiên kèm theo sấm sét vào khoảng cuối mùa xuân.

Tia sét tạo ra tia lửa điện, là điều kiện cho nitrogen phản ứng với oxygen:

Khí NO sinh ra nhanh chóng chuyển hoá thành ,, sau đó tiếp tục bị oxi hoá thành

Nitric acid tan vào nước mưa và chuyển hoá thành gốc nitrate , cung cấp chất đạm cho cây lúa. Nhờ quá trình trên, hằng năm một lượng lớn phân đạm tự nhiên được bổ sung cho đất.

(Trang 77)

5. Xác định nồng độ một chất bằng phản ứng oxi hoá – khử

Trong thực tế, dung dịch thuốc tím

Ví dụ: Trong quá trình bảo quản, một mẫu iron(II) sulfate bị oxi hoá một phần thành hợp chất iron(III). Hàm lượng iron(II) sulfate còn lại trong mẫu được xác định thông qua phản ứng với dung dịch thuốc tím có nồng độ đã biết: