SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM Cân bằng phản ứng oxi hoá - khử bằng phương pháp thăng bằng electron. I. Mở đầu I.1. Lí do chọn đề tài Cách cân bằng phản ứng oxi hoá - khử là phần khó đối với học sinh. Đây là kiến thức mới đối với học sinh lớp 10. Ở những lớp dưới học sinh đã làm quen với khái niệm phản ứng oxi hoá - khử nhưng trong phạm vi hẹp là phản ứng đó phải có nguyên tố oxi tham gia phản ứng. Vậy bằng cách nào đó có thể giúp học sinh biết đựoc một số khái niệm về trong chương phản ứng oxi hoá - khử và đặc biệt là cân bằng phản ứng oxi hoá - khử. Việc học sinh khá giỏi hiểu và vận dụng cân bằng oxi hoá - khử đã khó nhưng đối với học sinh trung bình và yếu thì việc biết và vận dụng được việc này còn khó hơn. I.2. Mục đích nghiên cứu. Giúp cho một số đối tượng học sinh trung bình và yếu có thể biết cân bằng một số phản ứng oxi hoá - khử thường gặp. Qua việc cân bằng được các phản ứng oxi hoá - khử giúp học sinh giải được một số dạng toán hoá học. I.3. Kết quả cần đạt đựoc. Học sinh trung bình cân bằng đựoc phản ứng oxi hoá - khử có liên quan đến môi trường phản ứng. Học sinh yếu cân bằng đựoc phản ứng của axit sunfuric đặc, nitric với kim loại hoặc phi kim. I.4. Đối tượng nghiên cứu. Học sinh khối 10 ở các lớp KHCB A. II. Nội dung II.1. Cơ sở lí luận. II.1.1. Khái niệm về liên kết cộng hoá trị và liên kết ion 1 II.1.1.1. Liên kết ion: Một số hợp chất hoá học được tạo nên nhờ sự chuyển electron hoá trị từ nguyên tử này sang nguyên tử kia, nguyên tử mất electron biến thành ion dương và nguyên tử thu electron biến thành ion âm, rồi các ion mang điện ngược dấu đó hút nhau và lại gần nhau Na Cl Na Cl 3s 1 3s 2 3p 5 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Những hợp chất được tạo nên bằng cách như trên gọi là hợp chất ion. Kiểu liên kết hoá học trong các phân tử đó gọi là liên kết ion.Trong trường hợp này ta sẽ xác định được điện tích của nguyên tử trong phân tử. Ví dụ: NaCl: Nguyên tử Na có điện tích 1+ Nguyên tử Cl có điện tích 1- II.1.1.2. Liên kết cộng hoá trị: Những phân tử đơn chất như H 2, Cl 2 hoặc phân tử hợp chất của những nguyên tố gần giống nhau như SO 2 , CO 2 thì việc hình thành liên kết không phải bằng cách như trên. những phân tử loại này được hình thành bằng cách nguyên tử đưa ra những electron hoá trị của mình để tạo thành 1 hay 2, 3 cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử Ví dụ: Cl . + . Cl → Cl : Cl Trong phân tử Cl 2 mỗi nguyên tử Cl đều không mang điện do cặp electron chung không lệch về bên nào (điện tích của mỗi nguyên tử Cl đều bằng 0) Đối với phân tử HCl thì sự hình thành chúng như sau: H • + •Cl → H :Cl Trong phân tử HCl cặp electron dùng chung lệch về phía nguyên tử Cl nên H mang điện tích dương và Cl mang điện tích âm H δ+ Cl δ− (δ < 1) Trong những phân tử như thế này thì ta không thể xác định được số điện tích nguyên của nguyên tử II.1.2. Khái niệm số oxi hoá : 2 Số oxi hoá của một nguyên tố trong phân tử là điện tích của nguyên tử nguyên tố đó nếu giả định liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử là liên kết ion Ví dụ: Đối với phân tử đơn chất như H 2 . Điện tích của mỗi nguyên tử bằng 0 nên số oxi hoá bằng 0. Đối với phân tử có liên kết cộng hoá trị có cực như HCl thì coi như δ = 1, lúc này ta mới có thể xác định được số oxi hoá của H là +1 và của Cl là -1. Đối với phân tử có liên kết ion như NaCl thì đương nhiên là Na có số oxi hoá +1 và Cl có số oxi hoá là -1 II.1.3. Cách xác định số oxi hoá: Theo 4 qui tắc (trong SGK Hóa học 10) II.1.4. Định nghĩa : II.1.4.1. Phản ứng oxi hoá - khử: là phản ứng hoá học trong đó có sự chuyển electron giữa các chất phản ứng; hay phản ứng oxi hoá - khử là phản ứng hoá học trong đó có sự thay đổi số oxi hoá của một số nguyên tố II.1.4.2. Chất khử là chất nhường electron hay là chất có số oxi hoá tăng sau phản ứng. Chất khử còn được gọi là chất bị oxi hoá II.1.4.3. Chất oxi hoá là chất nhận electron hay là chất có số oxi hoá giảm sau phản ứng. Chất oxi hoá còn được gọi là chất bị khử II.1.4.4. Sự oxi hoá (quá trình oxi hoá) một chất là làm cho chất đó nhường electron hay làm tăng số oxi hoá của chất đó. II.1.4.5. Sự khử (quá trình khử) một chất là làm cho chất đó nhận electron hay làm giảm số oxi hoá của chất đó. II.2. Thực trạng nghiên cứu. Qua các năm giải dạy cho thấy hầu hết học sinh đặc biệt là những học sinh trung bình và yếu rất ‘sợ’ môn hoá. Thực tế khi vào lớp 10 trong thời gian còn chưa quen với việc học ở bậc trung học phổ thông thì học sinh gặp phải vấn đề khó là việc cân bằng các phản ứng trong đó có phản ứng oxi hoá - khử. Để cân bằng phản ứng oxi hoá - khử học sinh mất nhiều thời gian và thường không chính xác. Qua bài kiểm tra 45 phút số một trong các năm học hầu hết khi học sinh cân bằng đúng phản ứng thường giải các bài toán rất nhanh và chính xác. 3 II.3. Biện pháp thực hiện Vấn đề 1: Xác định số oxi hoá của nguyên tử các nguyên tố. - Đây là một mắt xích quan trọng làm cơ sở để viết các bán phương trình nhường, nhận electron một cách đúng đắn nhất. - Để thực hiện tốt việc này tôi thực hiện từng bước một theo trình tự đã có trong sách giáo khoa quan trọng. Bước 1: Số oxi hoá của đơn chất. Ví dụ 1: Xác định số oxi hoá của các đơn chất sau: O 2 , Fe, Cu, Al, N 2 , S Bước 2: Trong hầu hết hợp chất số oxi hoá của oxi luôn bằng -2 và của hiđro bằng +1. Bước 3: Số oxi hoá của ion. Ví dụ 2: Xác định số oxi hoá của các ion trong các trường hợp sau. a. Na + , Al 3+ , Fe 2+ , K + , Cr 3+ , Fe 3+ , Zn 2+ b. S 2- , O 2- . Cl - , Bước 4: Tổng số oxi hoá trong một phân tử bằng không và trong ion đa nguyên tử bằng điện tích của ion đấy. Ví dụ 3: Xác định số oxi hoá (x) của Photpho trong phân tử: H 3 PO 4 . Ta có 3(+1) + 1(x)+ 4(-2) = 0 giải ra x = +5. Xác định số oxi hoá (y) của Nitơ trong ion NO 3 - . Ta có 1(y) + 3(-2) = -1 giải ra y = +5. Mục đích của việc xác đinh đúng số oxi hoá sẽ giúp học sinh cảm thấy nhẹ nhàng trong việc cân bằng các phản ứng. Từ việc xác định đúng số oxi hoá học sinh xác định số electron nhường và electron nhận dễ hơn. Vấn đề 2: Biết các khái niệm - Chất khử (chất bị oxi hoá) là chất nhường electron. - Chất oxi hoá (chất bị khử) là chất thu electron. - Quá trình khử (sự khử) là quá trình nhận electron. - Quá trình oxi hoá (sự oxi hoá) là quá trình nhận electron. Ví dụ 1: Số oxi hoá của một nguyên tố trong phân tử là: 4 A. Nguyên tử khối của nguyên tố đó. B. Số liên kết của nguyên tử nguyên tố đó với các nguyên tử khác trong phân tử C. Điện tích của nguyên tử nguyên tố đó trong phân tử. D. Điện tích qui ước của nguyên tử nguyên tố đó trong phân tử. Giáo viên hướng dẫn cho học sinh( GVHD) : A. Nguyên tử khối của một nguyên tố là khối lượng nguyên tử tính theo u (đv.C). → SAI. B. Số liên kết của nguyên tử trong phân tử là số cặp electron dùng chung mà một nguyên tử nguyên tố đó tạo ra Ví dụ: O=O O có 2 liên kết O=C=O C có 4 liên kết O có 2 liên kết → SAI C.Trong hợp chất ion thì xác định được điện tích của nguyên tử theo đơn vị điện tích Ví dụ: Na + Cl - Nhưng trong hợp chất cộng hoá trị thì không xác định được điện tích của nguyên tử theo đơn vị điện tích. Ví dụ: CO 2 Cặp electron dùng chung lệch về phía O. Không có sự cho hẳn electron của nguyên tử C cho O → SAI. D. Trong trường hợp phân tử có liên kết cộng hoá trị, nếu giả thiết cặp electron dùng chung lệch hẳn về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn thì ta sẽ xác định được điện tích.Vậy đây là điện tích qui ước chứ không phải là điện tích thật của nguyên tử. → Đúng Mục đích: + Khắc sâu khái niệm số oxi hoá + củng cố một số kiến thức cũ 5 Ví dụ 2: Chất khử là chất : A. Có số oxi hoá giảm sau phản ứng B. Có số oxi hoá tăng sau phản ứng C. Nhận electron D. Có số oxi hoá không đổi GVHD: chất nhường e là chất khử chất nhận e là chất oxi hoá Vấn đề 3: Lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá - khử. - ở đây giúp học sinh làm quen và cảm thấy đơn giản tôi lựa chọn một số phản ứng đơn giản, quen thuộc. Ví dụ 3: Lập phương trình hoá học của phản ứng giữa Natri với Clo. Sơ đồ phản ứng: Na + Cl 2 → NaCl Bước 1: Xác định số oxi hoá của các nguyên tử nguyên tố trong phản ứng. Na 0 + Cl 2 0 → Na +1 Cl -1 Số oxi hoá của Na tăng 0 đến +1: Na chất khử. Số oxi hoá của Cl 2 giảm từ 0 đến -1: Cl 2 chất oxi hoá. Bước 2: Lập quá trình khử và quá trình oxi hoá: Na → Na +1 + 1e (quá trình oxi hoá) Cl 2 + 2e → 2Cl -1 (quá trình khử). Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho chất oxi hoá và chất khử sao cho tổng số electron do chất khử nhường bằng tổng số electron do chất oxi hoá nhận. 2* Na → Na +1 + 1e 1* Cl 2 + 2e → 2Cl -1 . Bứơc 4: Đưa các hệ số vào phương trinh và kiểm tra lại. 2Na + Cl 2 → 2NaCl. Qua ví dụ giúp học sinh làm quen với việc thực hiện các bước khi cân bằng một phản ứng oxi hoá - khử. Ví dụ 4: Lập phương trình phản ứng giữa Hiđro và Oxi H 2 + O 2 → H 2 O. Bước 1: Xác định số oxi hoá của các nguyên tử nguyên tố trong phản ứng. 6 H 2 0 + O 2 0 → H 2 +1 O -2 Số oxi hoá của H 2 tăng 0 đến +1: H 2 chất khử. Số oxi hoá của O 2 giảm từ 0 đến -2: O 2 chất oxi hoá. Bước 2: Lập quá trình khử và quá trình oxi hoá: H 2 → 2H +1 + 2e (quá trình oxi hoá) O 2 + 4e → 2O -2 (quá trình khử). Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho chất oxi hoá và chất khử sao cho tổng số electron do chất khử nhường bằng tổng số electron do chất oxi hoá nhận. 2* H 2 → 2H +1 + 2e 1* O 2 + 4e → 2O -2 . Bứơc 4: Đưa các hệ số vào phương trinh và kiểm tra lại. 2 H 2 + O 2 → 2H 2 O. Thông qua ví dụ thực hiện dần các thao tác khi tiến hành cân bằng phản ứng oxi hoá - khử bằng phương pháp thăng bằng electron. Ví dụ 5: Lập phương trình khử Fe 2 O 3 bằng khí CO. Fe 2 O 3 + CO → Fe + CO 2 . Bước 1: Xác định số oxi hoá của các nguyên tử nguyên tố trong phản ứng. Fe +3 2 O -2 3 +C +2 O -2 → Fe 0 + C +4 O -2 2 Số oxi hoá của cacbon tăng +2 đến +4: CO chất khử. Số oxi hoá của sắt giảm từ + 3 đến 0 : Fe 2 O 3 chất oxi hoá. Bước 2: Lập quá trình khử và quá trình oxi hoá: Fe +3 + 3e → Fe 0 (quá trình khử) C +2 → C +4 + 2e (quá trình oxi hoá). Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho chất oxi hoá và chất khử sao cho tổng số electron do chất khử nhường bằng tổng số electron do chất oxi hoá nhận. 2* Fe +3 + 3e → Fe 0 3* C +2 → C +4 + 2e . Bứơc 4: Đưa các hệ số vào phương trinh và kiểm tra lại. Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2 . 7 Trong ví dụ này giúp học sinh thực hiện thành thạo các bước khi cân bằng một phản ứng oxi hoá - khử. Ví dụ 6: FeS 2 + O 2 → Fe 2 O 3 + SO 2 Tổng hệ số nguyên của các chất trong phản ứng trên là: A. 25 B. 23 C.24 D. 26 GVHD: Cách 1 Xác định số oxi hoá: Fe +2 S 2 -1 + O 2 0 → Fe 2 +3 O 3 -2 + S +4 O 2 -2 Viết các quá trình oxi hoá và khử. Cân bằng mỗi quá trình theo nguyên tắc tổng số e mà các chất khử cho bằng tổng số e mà các chất oxi hoá nhận Fe +2 -1e → Fe +3 + 2S -1 -10e → 2S +4 4x FeS 2 -11e → Fe +3 + 2S +4 11x O 2 + 4e → 2O -2 4FeS 2 + 11O 2 → 4Fe +3 + 8S +4 +22O -2 Phương trình cân bằng: 4FeS 2 +11O 2 → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 Tổng hệ số của các chất trong phản ứng trên là 4+11+2+8= 25 → Chọn A đúng Cách 2: không cần xác định số oxi hoá của Fe và S trong phân tử FeS 2 .Vì tổng số oxi hoá của các nguyên tố trong phân tử bằng không FeS 2 - 11e → Fe +3 + 2S +4 (+3 + 2 × 4 = 11 ) Mục đích : - củng cố cách cân bằng phản ứng oxi hoá - khử bằng phương pháp thăng bằng e - Rèn luyện kỹ năng cân bằng phản ứng oxi hoá - khử 8 - Kiến thức mới : + phản ứng cháy của FeS 2 +cân bằng phản ứng oxihóa-khử mà không cần xác định số oxi hoá của một số nguyên tố trong một số hợp chất + cấu tạo phân tử FeS 2 Ví dụ 8: Cân bằng phản ứng sau bằng phương pháp cân bằng e Cu 2 FeS x +O 2 → Cu 2 O + Fe 3 O 4 +SO 2 GVHD: Cách 1 Cu 2 +1 Fe +2 S x -4/x + O 2 0 → Cu 2 +1 O -2 + Fe 3 +8/3 O 4 -2 +S +4 O 2 -2 3Fe +2 -2e → 3Fe +8/3 xS -4/x -(4x + 4)e → xS +4 Ta có: 2 ×3 Cu 2 FeS X - (12x +14) e → 6Cu +1 + 3Fe +8/3 +3xS +4 (6x + 7)x O 2 + 4e → 2O -2 Phương trình cân bằng : 6Cu 2 FeS x + (6x+7) O 2 → 6Cu 2 O + 2Fe 3 O 4 +6xSO 2 Lưu ý: có thể chọn số oxi hoá của Cu là +2 , số oxi hoá của Fe là +2 , lúc đó ta sẽ tính được số oxi hoá của S là -6/x. Cách 2 : không cần xác định số oxi hoá của Cu, Fe, S trong phân tử Cu 2 FeS X 3 Cu 2 FeS x - (12x +14) e → 6Cu +1 + 3Fe +8/3 +3xS +4 ( 6.1+3.8/3 + 4.3x) = 14+12x Mục đích : + rèn luyện kỹ năng cân bằng phản ứng oxi hoá - khử theo 2 cách như trên + kiến thức mới: cân bằng phản ứng có hệ số bằng chữ Ví dụ 9: Cân bằng phản ứng oxi hoá - khử sau bằng phương pháp cân bằng e Fe 3 O 4 + CO → Fe + CO 2 Cách 1: xác định số oxi hoá trung bình của Fe 9 1 x 3Fe +8/3 + 8e → 3 Fe 0 4 x C +2 - 2e → C +4 Phương trình cân bằng Fe 3 O 4 + 4CO → 3Fe + 4CO 2 Cách 2: xác định số oxi hoá riêng của từng nguyên tử Fe trong phân tử Fe 3 O 4 Fe +2 .2Fe +3 +8e → 3Fe 0 Mục đích: - Rèn luyện kỹ năng cân bằng phản ứng oxi hoá - khử - Kiến thức mới : + phản ứng khử sắt từ oxit bằng CO + khái niệm số oxi hoá trung bình Ví dụ 10: Cho phản ứng : Al + HNO 3 → Al(NO 3 ) 3 + NO↑ + N 2 O↑ +H 2 O Biết V NO : V NO = 2 : 3 .Tổng hệ số của chất oxi hóa và chất môi trường là: A. 48 B. 38 C.10 D. 5 GVHD: Cách 1 N +5 +3e → N +2 ( NO) (1) 2N +5 +8e → 2N +1 (N 2 O) (2) Nhân (1) với 2 và nhân (2) với 3 rồi cộng lại ta có: ( Do n NO : n NO =2:3 ) 1x 8N +5 + 30e → 2N +5 + 6N +1 10x Al O -3e → Al +3 10Al + 38 HNO 3 → 10Al(NO 3 ) 3 + 2NO +3N 2 O +19H 2 O Cách 2: Cân bằng 2 phản ứng : Al +4 HNO 3 → Al(NO 3 ) 3 + NO +2H 2 O (1) 8 Al +30 HNO 3 → 8 Al(NO 3 ) 3 +3N 2 O +15H 2 O (2) Nhân phương trình (1) với 2 rồi cộng với phương trình (2) ta có: 10Al + 38HNO 3 → 10Al(NO 3 ) 3 + 2NO + 3N 2 O + 19H 2 O Chất oxihóa là HNO 3 (8 phân tử), chất môi trường là HNO 3 (30 phân tử ) 10