Phương trình bán phản ứng oxi hóa – khử: Cân bằng phản ứng HSC Chemistry
Tìm hiểu cách lập các bán phương trình oxi hóa và khử, cân bằng chúng trong môi trường axit và kiềm, rồi kết hợp thành phương trình oxi hóa - khử hoàn chỉnh.
Một dải kẽm có thể được đặt trong dung dịch đồng(II) màu xanh và dần dần bị phủ một lớp đồng. Thoạt nhìn, phương trình ion có vẻ gần như quá đơn giản:
\[
\ce{Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu}
\]
Các nguyên tử đã được cân bằng. Điện tích cũng đã được cân bằng. Vậy chính xác thì điều gì đã xảy ra?
Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán các electron đã đi đâu. Kẽm ban đầu trung hòa và cuối cùng trở thành \(\mathrm{Zn}^{2+}\). Đồng bắt đầu ở dạng \(\mathrm{Cu}^{2+}\) và cuối cùng trở thành trung hòa. Sự thay đổi điện tích này chính là manh mối: kẽm phải nhường electron, còn ion đồng phải nhận electron.
Các bán phương trình làm cho sự chuyển electron vốn bị ẩn này trở nên rõ ràng.
01Phương trình oxi hóa – khử thực chất là sự theo dõi electron
Tách phản ứng kẽm-đồng thành hai quá trình:
\[
\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-}
\]
\[
\ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu}
\]
Ở đây, \(\ce{e^-}\) biểu thị một electron.
Nguyên tử kẽm mất hai electron. Đây là sự oxi hóa.
Ion đồng(II) nhận hai electron. Đây là sự khử.
Một mẹo ghi nhớ hữu ích là OIL RIG:
- oxi hóa là mất electron
- khử là nhận electron
Nhưng đừng chỉ dừng lại ở câu ghi nhớ. Ý tưởng hữu ích hơn là phản ứng oxi hóa – khử là một quá trình chuyển giao electron. Một chất mất bao nhiêu electron thì một chất khác phải nhận đúng bấy nhiêu electron.

Hãy hình dung các electron giống như hai vé hòa nhạc được chuyền từ người này sang người khác. Nếu kẽm trao hai vé, đồng không thể bằng cách nào đó nhận ba vé. Các con số phải khớp nhau.
Phép so sánh này có giới hạn vì electron không phải là những vật nhỏ có nhãn riêng di chuyển trong dung dịch từ một nguyên tử kẽm cụ thể đến một ion đồng cụ thể. Phương trình chỉ là cách theo dõi sự biến đổi tổng thể.
02Điều gì làm cho một bán phương trình được cân bằng?
Một bán phương trình phải thỏa mãn hai yêu cầu riêng biệt:
- số nguyên tử của mỗi nguyên tố phải bằng nhau ở hai vế
- tổng điện tích phải bằng nhau ở hai vế
Xét:
\[
\ce{Zn -> Zn^2+}
\]
Số nguyên tử kẽm đã cân bằng, nhưng điện tích thì chưa. Vế trái có điện tích \(0\), trong khi vế phải có điện tích \(+2\).
Thêm hai electron vào vế phải sẽ cân bằng điện tích:
\[
\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-}
\]
Điện tích ở vế phải lúc này là:
\[
+2 + 2(-1) = 0
\]
Vì vậy, cả số nguyên tử lẫn điện tích đều được cân bằng.
Từ đó có một quy tắc kiểm tra nhanh: nếu số nguyên tử đã cân bằng nhưng điện tích chưa cân bằng, bạn vẫn chưa hoàn thành bán phương trình.
03Oxi hóa và khử: electron nằm ở vế nào?
Bạn không cần phải đoán.
Nếu electron xuất hiện ở vế phải, chúng đang được tạo ra:
\[
\ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-}
\]
Đó là sự oxi hóa.
Nếu electron xuất hiện ở vế trái, chúng đang được tiêu thụ:
\[
\ce{Ag^+ + e^- -> Ag}
\]
Đó là sự khử.
Bạn cũng có thể kiểm tra số oxi hóa.
Trong \(\ce{Fe^2+ -> Fe^3+}\), sắt trở nên dương hơn. Nó đã mất một electron.
Trong \(\ce{Ag^+ -> Ag}\), bạc thay đổi từ \(+1\) xuống \(0\). Nó đã nhận một electron.
Ví dụ có lời giải: Nhôm phản ứng với ion bạc
Viết các bán phương trình oxi hóa và khử, sau đó lập phương trình tổng thể đã cân bằng cho phản ứng của nhôm với các ion \(\mathrm{Ag}^{+}\) tạo thành \(\mathrm{Al}^{3+}\) và bạc kim loại.
Bước 1
Nhôm thay đổi từ số oxi hóa \(0\) lên \(+3\), vì vậy mỗi nguyên tử nhôm mất ba electron:
\[
\ce{Al -> Al^3+ + 3e^-}
\]
Đây là sự oxi hóa.
Bước 2
Mỗi ion bạc nhận một electron:
\[
\ce{Ag^+ + e^- -> Ag}
\]
Đây là sự khử.
Bước 3
Bán phương trình của nhôm tạo ra ba electron, trong khi bán phương trình của bạc chỉ tiêu thụ một electron. Nhân toàn bộ bán phương trình của bạc với \(3\):
\[
\ce{3Ag^+ + 3e^- -> 3Ag}
\]
Không được chỉ nhân riêng electron. Mọi hệ số trong bán phương trình đều phải được nhân.
Bước 4
\[
\begin{aligned}
\ce{Al} &\ce{-> Al^3+ + 3e^-}\\
\ce{3Ag^+ + 3e^-} &\ce{-> 3Ag}
\end{aligned}
\]
Do đó:
\[
\ce{Al + 3Ag^+ -> Al^3+ + 3Ag}
\]
Bước 5
Có một nguyên tử Al và ba nguyên tử Ag ở mỗi vế.
Vế trái có điện tích \(+3\). Vế phải cũng có điện tích \(+3\).
Các hệ số còn cho chúng ta biết một điều về mặt vật lý: một mol nguyên tử nhôm có thể cung cấp đủ electron để khử ba mol ion bạc.
Cách nhìn theo sự chuyển electron này cũng chính là nền tảng của các phản ứng thế kim loại và dãy hoạt động của kim loại.
04Khi xuất hiện oxi và hiđro, hãy dùng một phương pháp cố định
Các bán phương trình trở nên khó xử lý hơn khi xuất hiện những chất như \(\ce{MnO4^-}\), \(\ce{Cr2O7^2-}\) hoặc \(\ce{H2O2}\).
Cố gắng cân bằng mọi thứ cùng lúc thường chỉ khiến bài toán rối hơn. Trong dung dịch axit, hãy thực hiện theo thứ tự sau:
- cân bằng mọi nguyên tố trừ H và O
- cân bằng O bằng \(\ce{H2O}\)
- cân bằng H bằng \(\mathrm{H}^{+}\)
- cân bằng điện tích bằng \(\ce{e^-}\)
- kiểm tra cả nguyên tử lẫn điện tích
Thứ tự này quan trọng vì mỗi bước giải quyết một vấn đề mà không phá vỡ những gì đã được cân bằng ở các bước trước.
Ví dụ có lời giải: Permanganat phản ứng với ion sắt(II)
Trong dung dịch axit, các ion permanganat, \(\ce{MnO4^-}\), bị khử thành \(\mathrm{Mn}^{2+}\), trong khi các ion \(\mathrm{Fe}^{2+}\) bị oxi hóa thành \(\mathrm{Fe}^{3+}\). Hãy lập phương trình ion tổng thể đã cân bằng.
Bước 1
\[
\ce{MnO4^- -> Mn^2+}
\]
Mangan đã được cân bằng.
Bước 2
Có bốn nguyên tử oxi ở vế trái, vì vậy thêm bốn phân tử nước vào vế phải:
\[
\ce{MnO4^- -> Mn^2+ + 4H2O}
\]
Bước 3
Bốn phân tử nước chứa tám nguyên tử hiđro, vì vậy thêm \(8\mathrm{H}^{+}\) vào vế trái:
\[
\ce{MnO4^- + 8H^+ -> Mn^2+ + 4H2O}
\]
Bước 4
Trước khi thêm electron, điện tích ở vế trái là
\[
-1 + 8 = +7
\]
trong khi điện tích ở vế phải là \(+2\).
Để giảm điện tích ở vế trái từ \(+7\) xuống \(+2\), thêm năm electron vào vế trái:
\[
\ce{MnO4^- + 8H^+ + 5e^- -> Mn^2+ + 4H2O}
\]
Electron là chất phản ứng, nên đây là một bán phương trình khử.
Bước 5
\[
\ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-}
\]
Mỗi ion sắt(II) nhường một electron.
Bước 6
Bán phương trình permanganat tiêu thụ năm electron. Nhân bán phương trình của sắt với \(5\):
\[
\ce{5Fe^2+ -> 5Fe^3+ + 5e^-}
\]
Bước 7
\[
\ce{MnO4^- + 8H^+ + 5Fe^2+ -> Mn^2+ + 4H2O + 5Fe^3+}
\]
Kiểm tra điện tích:
Vế trái:
\[
-1 + 8 + 5(2) = +17
\]
Vế phải:
\[
2 + 5(3) = +17
\]
Vì vậy phương trình đã được cân bằng.
Hãy chú ý hệ số \(5\) thực sự cho bạn biết điều gì: để khử một ion permanganat thành \(\mathrm{Mn}^{2+}\) cần năm electron, nên cần năm ion \(\mathrm{Fe}^{2+}\) để cung cấp chúng.
05Điều gì thay đổi trong dung dịch kiềm?
Việc để \(\mathrm{H}^{+}\) xuất hiện trong đáp án cuối cùng của một dung dịch có tính kiềm mạnh sẽ không hợp lý. Trong môi trường đó có rất ít \(\mathrm{H}^{+}\) tự do.
Một phương pháp đáng tin cậy là:
- cân bằng bán phương trình như thể phản ứng xảy ra trong môi trường axit
- thêm đủ \(\ce{OH^-}\) vào cả hai vế để phản ứng với toàn bộ \(\mathrm{H}^{+}\)
- thay mỗi cặp \(\ce{H^+ + OH^-}\) bằng \(\ce{H2O}\)
- triệt tiêu lượng nước xuất hiện ở cả hai vế
Ví dụ, giả sử permanganat bị khử thành mangan đioxit, \(\ce{MnO2}\).
Trước tiên, cân bằng trong điều kiện axit:
\[
\ce{MnO4^- + 4H^+ + 3e^- -> MnO2 + 2H2O}
\]
Bây giờ thêm \(4\ce{OH^-}\) vào cả hai vế:
\[
\ce{MnO4^- + 4H^+ + 4OH^- + 3e^- -> MnO2 + 2H2O + 4OH^-}
\]
Vì \(\ce{H^+ + OH^- -> H2O}\):
\[
\ce{MnO4^- + 4H2O + 3e^- -> MnO2 + 2H2O + 4OH^-}
\]
Triệt tiêu hai phân tử nước:
\[
\ce{MnO4^- + 2H2O + 3e^- -> MnO2 + 4OH^-}
\]
Bây giờ phương trình phù hợp với điều kiện kiềm.
06Kết hợp các bán phương trình: quy tắc bắt buộc
Các electron phải được triệt tiêu hoàn toàn.
Giả sử một bán phương trình tạo ra hai electron và bán phương trình kia tiêu thụ ba electron:
\[
\ce{A -> B + 2e^-}
\]
\[
\ce{C + 3e^- -> D}
\]
Bạn không thể đơn giản cộng chúng lại. Hai electron được tạo ra trong khi ba electron bị tiêu thụ.
Bội chung nhỏ nhất của \(2\) và \(3\) là \(6\), vì vậy nhân bán phương trình thứ nhất với \(3\) và bán phương trình thứ hai với \(2\).
Chỉ khi đó bạn mới có thể cộng chúng.
Đây là cùng một kiểu logic với việc quy đồng mẫu số trong phân số. Hóa học thì khác, nhưng vấn đề theo dõi đại lượng tương tự nhau: các đại lượng phải được đưa về tương thích trước khi có thể kết hợp.
07Kiểm tra năm điểm trước khi chấp nhận một phương trình oxi hóa – khử
Một phương trình trông có vẻ cân bằng vẫn có thể sai. Hãy kiểm tra cả năm điểm.
| Kiểm tra | Cần tự hỏi điều gì? |
|---|---|
| Nguyên tử | Mỗi nguyên tố có xuất hiện với số lượng bằng nhau ở hai vế không? |
| Điện tích | Tổng điện tích có giống hệt nhau ở hai vế không? |
| Electron | Nếu các bán phương trình đã được kết hợp, tất cả electron đã được triệt tiêu chưa? |
| Công thức | Tôi có giữ nguyên từng chất hóa học thay vì thay đổi chỉ số dưới để ép phương trình cân bằng không? |
| Điều kiện | Những chất như \(\mathrm{H}^{+}\), \(\ce{OH^-}\), \(\mathrm{Mn}^{2+}\) hoặc \(\ce{MnO2}\) có phù hợp với điều kiện đã cho không? |
Kiểm tra cuối cùng rất dễ bị bỏ qua. Cân bằng về mặt toán học là điều cần thiết, nhưng điều đó không chứng minh rằng phương trình mô tả đúng quá trình hóa học thực sự xảy ra.
08Những sai lầm dễ mắc nhất
Thay đổi công thức hóa học để cân bằng nguyên tử
Giả sử bạn cần hai ion clorua. Hãy viết:
\[
\ce{2Cl^-}
\]
Đừng biến \(\mathrm{Cl}^{-}\) thành \(\ce{Cl2^-}\).
Hệ số thay đổi số lượng tiểu phân. Chỉ số dưới thay đổi bản chất của chất.
Cân bằng nguyên tử nhưng quên cân bằng điện tích
Điều này đặc biệt thường gặp khi có oxi và hiđro. Luôn tính tổng điện tích ở mỗi vế sau khi đã cân bằng các nguyên tử.
Chỉ nhân một phần của bán phương trình
Nếu
\[
\ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-}
\]
cần được nhân với \(5\), kết quả là:
\[
\ce{5Fe^2+ -> 5Fe^3+ + 5e^-}
\]
chứ không phải:
\[
\ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + 5e^-}
\]
Phương trình thứ hai không bảo toàn điện tích và không mô tả cùng một quá trình.
Cho rằng một phương trình oxi hóa – khử đã cân bằng thì nhất thiết xảy ra tự phát
Cân bằng bán phương trình trả lời một câu hỏi về tỉ lượng: nếu các quá trình oxi hóa và khử này xảy ra cùng nhau, chúng cần có tỉ lệ như thế nào?
Bản thân việc cân bằng không cho bạn biết phản ứng đó có thuận lợi về mặt năng lượng hay không. Muốn biết điều đó cần thêm thông tin hóa học, chẳng hạn như thế khử.
09Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Nhôm kim loại phản ứng với các ion \(\mathrm{Cu}^{2+}\) tạo thành các ion \(\mathrm{Al}^{3+}\) và đồng kim loại.
Viết bán phương trình oxi hóa, bán phương trình khử và phương trình ion tổng thể đã cân bằng.
Lời giải 1
Phương trình tổng thể đã cân bằng là
\[
\ce{2Al + 3Cu^2+ -> 2Al^3+ + 3Cu}
\]
Nhôm bị oxi hóa:
\[
\ce{Al -> Al^3+ + 3e^-}
\]
Các ion đồng(II) bị khử:
\[
\ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu}
\]
Một cách làm dễ bị hấp dẫn là cộng ngay hai phương trình này vì từng bán phương trình riêng lẻ đều đã cân bằng. Cách đó sai vì nhôm tạo ra ba electron trong khi đồng chỉ tiêu thụ hai electron.
Bội chung nhỏ nhất của \(3\) và \(2\) là \(6\).
Nhân bán phương trình của nhôm với \(2\):
\[
\ce{2Al -> 2Al^3+ + 6e^-}
\]
Nhân bán phương trình của đồng với \(3\):
\[
\ce{3Cu^2+ + 6e^- -> 3Cu}
\]
Cộng hai phương trình và triệt tiêu sáu electron ta được:
\[
\ce{2Al + 3Cu^2+ -> 2Al^3+ + 3Cu}
\]
Điện tích vế trái là \(3(+2)=+6\), còn điện tích vế phải là \(2(+3)=+6\), vì vậy điện tích cũng được bảo toàn cùng với các nguyên tử.
Câu hỏi 2
Trong dung dịch axit, các ion dicromat, \(\ce{Cr2O7^2-}\), oxi hóa các ion iodua, \(\mathrm{I}^{-}\), thành iot, \(\ce{I2}\). Dicromat bị khử thành \(\mathrm{Cr}^{3+}\).
Hãy lập cả hai bán phương trình và phương trình ion tổng thể đã cân bằng.
Lời giải 2
Phương trình tổng thể đã cân bằng là
\[
\ce{Cr2O7^2- + 14H^+ + 6I^- -> 2Cr^3+ + 3I2 + 7H2O}
\]
Bắt đầu với quá trình khử dicromat:
\[
\ce{Cr2O7^2- -> 2Cr^3+}
\]
Bảy nguyên tử oxi đòi hỏi bảy phân tử nước ở vế phải:
\[
\ce{Cr2O7^2- -> 2Cr^3+ + 7H2O}
\]
Bảy phân tử nước đó chứa mười bốn nguyên tử hiđro, vì vậy thêm \(14\mathrm{H}^{+}\) vào vế trái:
\[
\ce{Cr2O7^2- + 14H^+ -> 2Cr^3+ + 7H2O}
\]
Điện tích ở vế trái là
\[
-2+14=+12
\]
trong khi điện tích ở vế phải là
\[
2(+3)=+6
\]
Thêm sáu electron vào vế trái:
\[
\ce{Cr2O7^2- + 14H^+ + 6e^- -> 2Cr^3+ + 7H2O}
\]
Đối với quá trình oxi hóa iodua:
\[
\ce{2I^- -> I2 + 2e^-}
\]
Một lỗi thường gặp là viết \(\ce{I^- -> I2}\) rồi chỉ cân bằng điện tích. Các nguyên tử iot phải được cân bằng trước: một phân tử \(\ce{I2}\) chứa hai nguyên tử iot.
Nhân bán phương trình iodua với \(3\):
\[
\ce{6I^- -> 3I2 + 6e^-}
\]
Bây giờ cộng hai bán phương trình và triệt tiêu sáu electron:
\[
\ce{Cr2O7^2- + 14H^+ + 6I^- -> 2Cr^3+ + 3I2 + 7H2O}
\]
Tổng điện tích ở vế trái là
\[
-2+14-6=+6
\]
và tổng điện tích ở vế phải là \(+6\).
Câu hỏi 3
Các ion hypoclorit, \(\ce{ClO^-}\), oxi hóa các ion iodua thành iot trong dung dịch kiềm. Hypoclorit bị khử thành ion clorua.
Hãy lập phương trình ion tổng thể đã cân bằng và xác định chất oxi hóa và chất khử.
Lời giải 3
Phương trình tổng thể đã cân bằng là
\[
\ce{ClO^- + H2O + 2I^- -> Cl^- + I2 + 2OH^-}
\]
Chất oxi hóa là \(\ce{ClO^-}\), còn chất khử là \(\mathrm{I}^{-}\).
Trước tiên hãy cân bằng quá trình khử hypoclorit. Cách dễ nhất là bắt đầu như thể dung dịch có tính axit:
\[
\ce{ClO^- -> Cl^-}
\]
Cân bằng oxi bằng nước:
\[
\ce{ClO^- -> Cl^- + H2O}
\]
Cân bằng hiđro:
\[
\ce{ClO^- + 2H^+ -> Cl^- + H2O}
\]
Bây giờ cân bằng điện tích. Vế trái có điện tích \(+1\), trong khi vế phải có điện tích \(-1\), vì vậy thêm hai electron vào vế trái:
\[
\ce{ClO^- + 2H^+ + 2e^- -> Cl^- + H2O}
\]
Vì phản ứng xảy ra trong dung dịch kiềm, thêm \(2\ce{OH^-}\) vào cả hai vế:
\[
\ce{ClO^- + 2H^+ + 2OH^- + 2e^- -> Cl^- + H2O + 2OH^-}
\]
Chuyển \(\ce{2H^+ + 2OH^-}\) thành \(2\ce{H2O}\) rồi triệt tiêu một phân tử nước:
\[
\ce{ClO^- + H2O + 2e^- -> Cl^- + 2OH^-}
\]
Iodua bị oxi hóa:
\[
\ce{2I^- -> I2 + 2e^-}
\]
Số electron đã bằng nhau, nên có thể cộng trực tiếp hai bán phương trình:
\[
\ce{ClO^- + H2O + 2I^- -> Cl^- + I2 + 2OH^-}
\]
Một quan niệm sai dễ mắc là xác định iot là chất oxi hóa vì iot xuất hiện ở phía sản phẩm. Chất oxi hóa là chất làm cho một chất khác bị oxi hóa và bản thân nó bị khử. Ở đây, \(\ce{ClO^-}\) nhận electron, vì vậy nó là chất oxi hóa.
Câu hỏi 4
Trong dung dịch axit, các ion permanganat phản ứng với hiđro peoxit. Permanganat bị khử thành \(\mathrm{Mn}^{2+}\), trong khi hiđro peoxit bị oxi hóa thành \(\ce{O2}\).
Hãy lập phương trình ion tổng thể đã cân bằng. Sau đó xác định tỉ lệ mol \(\ce{MnO4^- : H2O2}\).
Một học sinh lập luận rằng một phân tử \(\ce{H2O2}\) chỉ nhường một electron vì số oxi hóa của oxi thay đổi từ \(-1\) trong hiđro peoxit lên \(0\) trong khí oxi. Hãy giải thích sai sót trong lập luận này.
Lời giải 4
Phương trình đã cân bằng là
\[
\ce{2MnO4^- + 6H^+ + 5H2O2 -> 2Mn^2+ + 8H2O + 5O2}
\]
nên tỉ lệ mol \(\ce{MnO4^- : H2O2}\) là \(2:5\). Mỗi phân tử \(\ce{H2O2}\) nhường hai electron, không phải một.
Bán phương trình khử permanganat là:
\[
\ce{MnO4^- + 8H^+ + 5e^- -> Mn^2+ + 4H2O}
\]
Bây giờ lập bán phương trình oxi hóa hiđro peoxit.
Bắt đầu với:
\[
\ce{H2O2 -> O2}
\]
Các nguyên tử oxi đã cân bằng. Cân bằng hiđro bằng cách thêm \(2\mathrm{H}^{+}\) vào vế phải:
\[
\ce{H2O2 -> O2 + 2H^+}
\]
Vế phải lúc này có điện tích \(+2\). Thêm hai electron vào vế phải:
\[
\ce{H2O2 -> O2 + 2H^+ + 2e^-}
\]
Hai bán phương trình lần lượt chuyển năm và hai electron. Bội chung nhỏ nhất của chúng là \(10\).
Nhân bán phương trình permanganat với \(2\):
\[
\ce{2MnO4^- + 16H^+ + 10e^- -> 2Mn^2+ + 8H2O}
\]
Nhân bán phương trình peoxit với \(5\):
\[
\ce{5H2O2 -> 5O2 + 10H^+ + 10e^-}
\]
Cộng chúng lại:
\[
\ce{2MnO4^- + 16H^+ + 5H2O2 -> 2Mn^2+ + 8H2O + 5O2 + 10H^+}
\]
Triệt tiêu \(10\mathrm{H}^{+}\) ở hai vế:
\[
\ce{2MnO4^- + 6H^+ + 5H2O2 -> 2Mn^2+ + 8H2O + 5O2}
\]
Lập luận dựa trên số oxi hóa của học sinh đã nhận ra sự thay đổi từ \(-1\) lên \(0\), nhưng chỉ tính một nguyên tử oxi. Một phân tử \(\ce{H2O2}\) chứa hai nguyên tử oxi.
Mỗi nguyên tử oxi thay đổi từ \(-1\) lên \(0\), tương ứng với việc mất một electron cho mỗi nguyên tử oxi. Vì vậy, một phân tử \(\ce{H2O2}\) tương ứng với tổng cộng hai electron.
Đây là lý do số oxi hóa rất hữu ích, nhưng bạn vẫn phải liên hệ sự thay đổi trên mỗi nguyên tử với số lượng nguyên tử đó trong chất.
Câu hỏi 5
Các ion permanganat phản ứng với các ion sulfit, \(\ce{SO3^2-}\), trong một dung dịch có tính kiềm mạnh. Quan sát thấy chất rắn màu nâu \(\ce{MnO2}\), trong khi sulfit được chuyển thành sulfat, \(\ce{SO4^2-}\).
Hãy lập phương trình ion tổng thể đã cân bằng.
Một học sinh khác bắt đầu bằng một phương trình trong môi trường axit, trong đó permanganat tạo thành \(\mathrm{Mn}^{2+}\), sau đó thêm \(\ce{OH^-}\) để loại bỏ \(\mathrm{H}^{+}\), và thu được một phương trình cân bằng cả nguyên tử lẫn điện tích. Học sinh đó cho rằng vì vậy phương trình của mình phải có giá trị tương đương đối với phản ứng trong môi trường kiềm này.
Hãy giải thích chính xác vì sao kết luận đó không suy ra được.
Lời giải 5
Phương trình phù hợp với điều kiện kiềm đã cho và sản phẩm \(\ce{MnO2}\) quan sát được là
\[
\ce{2MnO4^- + 3SO3^2- + H2O -> 2MnO2 + 3SO4^2- + 2OH^-}
\]
Phương trình của học sinh kia có thể được cân bằng về mặt đại số, nhưng chỉ riêng việc cân bằng nguyên tử và điện tích không chứng minh rằng những chất được giả định là sản phẩm thực sự được tạo thành trong các điều kiện đã cho.
Bắt đầu với bán phương trình khử permanganat trong dung dịch kiềm:
\[
\ce{MnO4^- + 2H2O + 3e^- -> MnO2 + 4OH^-}
\]
Bây giờ cân bằng quá trình oxi hóa sulfit.
Bắt đầu ở dạng trong môi trường axit:
\[
\ce{SO3^2- -> SO4^2-}
\]
Thêm nước để cung cấp nguyên tử oxi còn thiếu:
\[
\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2-}
\]
Cân bằng hiđro:
\[
\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2- + 2H^+}
\]
Bây giờ cân bằng điện tích bằng hai electron ở vế phải:
\[
\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2- + 2H^+ + 2e^-}
\]
Chuyển phương trình này sang điều kiện kiềm bằng cách thêm \(2\ce{OH^-}\) vào cả hai vế:
\[
\ce{SO3^2- + H2O + 2OH^- -> SO4^2- + 2H2O + 2e^-}
\]
Triệt tiêu một phân tử nước:
\[
\ce{SO3^2- + 2OH^- -> SO4^2- + H2O + 2e^-}
\]
Bán phương trình permanganat tiêu thụ ba electron, còn bán phương trình sulfit tạo ra hai electron. Bội chung nhỏ nhất là \(6\).
Nhân bán phương trình permanganat với \(2\):
\[
\ce{2MnO4^- + 4H2O + 6e^- -> 2MnO2 + 8OH^-}
\]
Nhân bán phương trình sulfit với \(3\):
\[
\ce{3SO3^2- + 6OH^- -> 3SO4^2- + 3H2O + 6e^-}
\]
Cộng chúng lại:
\[
\ce{2MnO4^- + 4H2O + 3SO3^2- + 6OH^- -> 2MnO2 + 8OH^- + 3SO4^2- + 3H2O}
\]
Triệt tiêu sáu \(\ce{OH^-}\) và ba \(\ce{H2O}\):
\[
\ce{2MnO4^- + 3SO3^2- + H2O -> 2MnO2 + 3SO4^2- + 2OH^-}
\]
Bây giờ đến điểm khó hơn.
Có thể lấy một bán phương trình permanganat khác, phù hợp với môi trường axit,
\[
\ce{MnO4^- + 8H^+ + 5e^- -> Mn^2+ + 4H2O}
\]
kết hợp nó với quá trình oxi hóa sulfit, rồi loại bỏ \(\mathrm{H}^{+}\) về mặt đại số bằng \(\ce{OH^-}\). Phương trình thu được có thể bảo toàn cả nguyên tử lẫn điện tích.
Điều đó không chứng minh rằng nó mô tả thí nghiệm này.
Học sinh đã ngầm giả định rằng \(\mathrm{Mn}^{2+}\) vẫn là sản phẩm khử trong điều kiện kiềm mạnh. Nhưng đề bài cung cấp bằng chứng trực tiếp về sản phẩm thực tế: một chất rắn \(\ce{MnO2}\) màu nâu được tạo thành. Vì vậy, bán phương trình phải biểu diễn quá trình khử thành \(\ce{MnO2}\), chứ không phải quá trình khử thành \(\mathrm{Mn}^{2+}\).
Đây là giới hạn quan trọng của phương pháp cân bằng bán phương trình. Nó có thể cho bạn biết liệu các quá trình oxi hóa và khử được đề xuất có thể kết hợp với nhau theo cách nhất quán về electron và nguyên tử hay không. Bản thân nó không thể quyết định bán phản ứng nào trong số những bán phản ứng khả dĩ về mặt hóa học sẽ thực sự xảy ra trong một tập hợp điều kiện cụ thể.
Để đưa ra quyết định tiếp theo đó cần thông tin về môi trường phản ứng và xu hướng tương đối của các chất trong việc nhận electron. Trong điện hóa học, đó là lúc thế khử của các bán pin galvanic trở nên hữu ích.