Hóa học 10 Cánh Diều Bài 13: Phản ứng oxi hóa - khử

- Nếu phân loại các phản ứng hoá học dựa theo số oxi hoá thì có hai loại sau: Phản ứng có sự thay đổi số oxi hoá và phản ứng không có sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tử trước và sau phản ứng.

a. Một số khái niệm

- Phản ứng oxi hoá- khử là phản ứng hoá học trong đó có sự thay đổi số oxi hoá của ít nhất một nguyên tố hoá học.

Ví dụ

2Ag + Cl₂ → 2AgCl      (1)

2AgNO₃ + BaCl₂ → AgCl + Ba(NO₃)₂       (2)

Cl₂ + 2NaOH → NaOCl + NaCl + H₂O      (3)

- Trong các phản ứng trên, phản ứng (1) là phản ứng oxi hoá - khử vì có sự thay đổi số oxi hoá của Ag và Cl. Phản ứng (3) là phản ứng tạo nước Javel, trong phản ứng này, dù chỉ có sự thay đổi số oxi hoá ở chlorine nhưng nó vẫn là phản ứng oxi hoá - khử. Phản ứng (2) không phải phản ứng oxi hoá - khử.

- Đối với phản ứng oxi hoá - khử, một số khái niệm sau thường được sử dụng:

+ Chất khử (chất bị oxi hoá) là chất nhường electron. Ví dụ Ag trong phản ứng (1).

+ Chất oxi hoá (chất bị khử) là chất nhận electron Ví dụ Cl₂, trong phản ứng (1).

+ Quá trình oxi hoá (sự oxi hoá) là quá trình nhường electron. Ví dụ quá trình Ag nhường electron trong phản ứng (1).

+ Quá trình khử (sự khử) là quá trình nhận electron. Ví dụ quá trình Cl nhận electron trong phản ứng (1).

b. Cân bằng phản ứng oxi hoá - khử theo phương pháp thăng bằng electron

- Phản ứng oxi hoá - khử có sự thay đổi số oxi hoá, tức là có các quá trình nhường và nhận electron. Ta có thể cân bằng các phản ứng oxi hoá - khử theo nguyên tắc trong một phản ứng, tổng số electron nhường phải bằng tổng số electron nhận.

Ví dụ 1: Cân bằng phản ứng: Al + O₂ → Al₂O₃

- Bước 1. Xác định sự thay đổi số oxi hoá trước và sau phản ứng của các nguyên tử.

\(\mathop {Al}\limits^0 {\rm{ }} + {\rm{ }}\mathop {{O_2}}\limits^0 \; \to \;{\mathop {Al}\limits^{ + 3} _2}{\mathop O\limits^{ - 2} _3}\)

- Bước 2. Viết các quá trình oxi hoá và quá trình khử.

\(\mathop {Al}\limits^0 {\rm{ }}\; \to \;\mathop {Al}\limits^{ + 3} \,\,\, + \,\,\,3e\)     (1)

\(\mathop O\limits^0 \;\,\, + \,\,2e\,\, \to \;\mathop O\limits^{ - 2} \)     (2)

- Bước 3. Thăng bằng electron bằng cách nhân thêm hệ số vào các quá trình nhường và nhận electron sao cho tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận. Cộng các quá trình (đã nhân hệ số) với nhau sẽ thu được sơ đồ (3).

2  x    \(\mathop {Al}\limits^0 {\rm{ }}\; \to \;\mathop {Al}\limits^{ + 3} \,\,\, + \,\,\,3e\)     (1)

3  x    \(\mathop O\limits^0 \;\,\, + \,\,2e\,\, \to \;\mathop O\limits^{ - 2} \)     (2)

→ \(2\mathop {Al}\limits^0 {\rm{ }} + {\rm{ 3}}\mathop O\limits^0 \; \to \;2\mathop {Al}\limits^{ + 3} \,\,\,\, + \,\,\,3\mathop O\limits^{ - 2} \)

Ví dụ 2: Cân bằng phản ứng: Cu +HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + NO  +  H₂O

- Bước 1. \(\mathop {Cu}\limits^0 {\rm{ }} + H\mathop N\limits^{ + 5} {O_{3\;}} \to {\rm{ }}\mathop {Cu}\limits^{ + 2} {\left( {N{O_3}} \right)_2}\; + {\rm{ }}\mathop N\limits^{ + 2} O\;{\rm{ }} + \;{\rm{ }}{H_2}O\)

- Bước 2.

\(\mathop {Cu}\limits^0 {\rm{ }} \to {\rm{ }}\mathop {Cu}\limits^{ + 2} \,\,\, + \,\,2e\)    (1)

\(\mathop N\limits^{ + 5} \,\,\,\, + \,\,\,3e\,\,\, \to \mathop N\limits^{ + 2} \)    (2)

Bước 3. 

\(\begin{array}{l}
3\,\,\,x\,\,\,\,\mathop {Cu}\limits^0 {\rm{ }} \to {\rm{ }}\mathop {Cu}\limits^{ + 2} \,\,\, + \,\,2e\\
2\,\,\,x\,\,\,\mathop N\limits^{ + 5} \,\,\,\, + \,\,\,3e\,\,\, \to {\rm{ }}\mathop N\limits^{ + 2} 
\end{array}\)

\(3\mathop {Cu}\limits^0 {\rm{ }} + 2\mathop N\limits^{ + 5}  \to {\rm{ }}\mathop {3Cu}\limits^{ + 2} \; + {\rm{ 2}}\mathop N\limits^{ + 2} \)    (3)

Bước 4. 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO  +  4H₂O

c. Ý nghĩa và một số phản ứng oxi hóa - khử quan trọng

- Phản ứng oxi hoá-khử có ý nghĩa rất quan trọng, hầu hết các quá trình tự nhiên và nhân tạo trên Trái Đất có liên quan đến phản ứng oxi hoá - khử.

- Một số loại phản ứng oxi hoá - khử quan trọng có thể kể ra như:

+ Phản ứng liên quan đến việc cung cấp năng lượng:

• Quá trình oxi hoá các phân tử thường giải phóng một lượng lớn năng lượng. 
• Từ xa xưa, con người đã biết cách đốt cháy than củi để lấy lửa sưởi ấm, nấu nướng,...Phản ứng sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt khi đốt than là: C + O₂ → CO₂
• Phản ứng này toả năng lượng.
• Các hoạt động của cơ thể đều cần năng lượng, sự hô hấp đã cung cấp oxygen để oxi hoá các chất, chẳng hạn đường glucose sinh ra năng lượng: C₆H₁₂O₆  +  6O₂ → 6CO₂  + 6H₂O
• Phản ứng này toả năng lượng.

+ Phản ứng liên quan đến việc lưu trữ năng lượng:

• Pin lithium – ion trong điện thoại, máy tính, cũng như acquy trong ô tô, xe máy có thể dự trữ năng lượng dưới dạng điện năng dựa vào các phản ứng oxi hoá - khử.
• Phản ứng quang hợp cũng là một trong những phản ứng oxi hoá - khử quan trọng nhất trên Trái Đất, năng lượng được lấy từ ánh sáng mặt trời và tích trữ trong tinh bột: 6CO₂ + 6H₂O →  C₆H₁₂O₆ + 6O₂

- ​Bên cạnh những phản ứng oxi hoá - khử quan trọng, có ích lợi đối với con người, còn có một loại phản ứng oxi hoá - khử diễn ra ngoài ý muốn, chẳng hạn các phản ứng ăn mòn kim loại, như sự tạo gỉ. Hằng năm, lượng kim loại mất đi do sự tạo gỉ vào khoảng 10-30% lượng kim loại được sản xuất ra, gây tổn thất rất lớn về kinh tế.