Oxi hóa và khử qua sự chuyển electron: Hóa học HSC
Tìm hiểu cách xác định sự oxi hóa, sự khử, chất oxi hóa và chất khử bằng cách theo dõi sự chuyển electron trong các phản ứng oxi hóa-khử.
Cho một dải kim loại kẽm vào dung dịch đồng(II) màu xanh lam và một hiện tượng khá lạ xảy ra: kim loại đồng bắt đầu phủ lên kẽm, trong khi các nguyên tử kẽm rời khỏi dải kim loại và đi vào dung dịch dưới dạng ion.
Thực sự thì thứ gì đã chuyển từ kẽm sang đồng?
Đó không phải là nguyên tử oxy, cũng không phải là proton. Sự chuyển giao quan trọng nhỏ hơn nhiều: các electron chuyển từ nguyên tử kẽm sang ion đồng(II). Một khi bạn có thể theo dõi sự chuyển giao electron này, việc xác định quá trình oxi hóa và quá trình khử sẽ trở nên dễ dàng hơn nhiều.
01Bắt đầu bằng cách theo dõi các electron
Xét phản ứng
\[ \ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)} \]
Trước khi đọc tiếp, hãy dự đoán điều gì xảy ra với các electron.
Một nguyên tử kẽm trung hòa trở thành \(\mathrm{Zn}^{2+}\). Để trở thành ion \(2+\), nó phải mất hai electron mang điện tích âm:
\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]
Trong khi đó, một ion \(\mathrm{Cu}^{2+}\) trở thành nguyên tử đồng trung hòa. Nó phải nhận hai electron:
\[ \ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu} \]
Hai sự biến đổi này có tên gọi riêng:
- oxi hóa là sự mất electron
- khử là sự nhận electron
Bạn có thể đã gặp mẹo ghi nhớ OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain, tức là oxi hóa là mất electron, khử là nhận electron. Mẹo này hữu ích, nhưng đừng chỉ dừng lại ở việc học thuộc. Ý tưởng quan trọng là electron được chuyển từ một tiểu phân sang một tiểu phân khác.
Hãy hình dung quá trình này giống như việc đưa vé xem hòa nhạc cho người khác. Nếu một người nhận được chiếc vé thì phải có người khác từ bỏ nó. Sự chuyển electron cũng hoạt động theo cách tương tự: một tiểu phân không thể nhận electron nếu không có một tiểu phân khác mất electron.
Phép so sánh này có giới hạn vì electron là những hạt thực sự chứ không phải những chiếc vé, và trong một phản ứng hóa học, electron không phải lúc nào cũng di chuyển trực tiếp qua dung dịch dưới dạng các hạt tự do. Các phương trình bán phản ứng là một cách để theo dõi electron đến từ đâu và đi đến đâu.
02Oxi hóa và khử luôn xảy ra cùng nhau
Giả sử kẽm mất hai electron:
\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]
Liệu đó có thể là toàn bộ phản ứng không?
Không. Các electron không thể đơn giản biến mất. Một tiểu phân khác phải nhận chúng.
Đó là lý do tại sao oxi hóa và khử là hai quá trình đi kèm với nhau. Khi kết hợp, chúng tạo thành một phản ứng oxi hóa-khử.
Trong phản ứng giữa kẽm và đồng:
- kẽm bị oxi hóa vì nó mất electron
- các ion đồng(II) bị khử vì chúng nhận electron
Hai phương trình
\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]
và
\[ \ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu} \]
được gọi là phương trình bán phản ứng. Mỗi phương trình biểu diễn một phía của quá trình chuyển electron.
Khi cộng chúng lại, các electron triệt tiêu:
\[ \ce{Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu} \]
Sự triệt tiêu này rất quan trọng. Nó xác nhận rằng số electron bị mất bằng số electron được nhận.
03Những tên gọi dễ gây nhầm lẫn nhất
Học sinh thường xác định đúng quá trình oxi hóa và khử, rồi lại đảo ngược chất oxi hóa và chất khử.
Quy tắc an toàn nhất là tập trung vào tác động của mỗi tiểu phân đối với tiểu phân còn lại.
| Tiểu phân | Điều gì xảy ra với nó? | Nó làm gì? | Tên gọi |
|---|---|---|---|
| Mất electron | Bị oxi hóa | Cho electron cho một tiểu phân khác | Chất khử |
| Nhận electron | Bị khử | Nhận electron từ một tiểu phân khác | Chất oxi hóa |
Vì vậy, trong
\[ \ce{Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu} \]
kẽm mất electron. Do đó, kẽm:
- bị oxi hóa, và
- là chất khử
Các ion đồng(II) nhận những electron đó. Do đó, \(\mathrm{Cu}^{2+}\):
- bị khử, và
- là chất oxi hóa
Ban đầu, các tên gọi này có vẻ ngược. Nhưng thực ra không phải vậy.
Chất khử được gọi là chất khử vì nó làm cho một tiểu phân khác bị khử. Để làm được điều đó, nó phải cho electron, nên bản thân chất khử bị oxi hóa.
Tương tự, chất oxi hóa làm cho một tiểu phân khác bị oxi hóa bằng cách nhận electron của tiểu phân đó. Bản thân chất oxi hóa bị khử.
Một cách hơi ngớ ngẩn để ghi nhớ: hãy tưởng tượng hai người trong một buổi hẹn hò tồi tệ trao nhau một chiếc áo khoác. Người cho chiếc áo khiến người kia ấm hơn, nhưng chính mình lại lạnh hơn. Tương tự, chất khử cho electron và làm cho tiểu phân kia bị khử, trong khi bản thân nó trải qua quá trình ngược lại.
04Một phương pháp đáng tin cậy để xác định từng tiểu phân
Khi được cho một phương trình oxi hóa-khử, hãy làm theo thứ tự này.
Bước 1: Tìm tiểu phân đã mất electron
Tìm một nguyên tử hoặc ion trở nên tích điện dương hơn, hoặc ít tích điện âm hơn.
Tiểu phân đó đã bị oxi hóa.
Bước 2: Tìm tiểu phân đã nhận electron
Tìm một nguyên tử hoặc ion trở nên ít tích điện dương hơn, hoặc tích điện âm hơn.
Tiểu phân đó đã bị khử.
Bước 3: Xác định các chất
Tiểu phân mất electron là chất khử.
Tiểu phân nhận electron là chất oxi hóa.
Bước 4: Kiểm tra số electron
Số electron bị mất phải bằng số electron được nhận sau khi các phương trình bán phản ứng được nhân với các hệ số thích hợp.
Bước kiểm tra cuối cùng này giúp phát hiện một số lượng đáng ngạc nhiên các lỗi sai.
Ví dụ có lời giải: Magie phản ứng với ion hydro
Magie phản ứng với một dung dịch axit theo phương trình
\[ \ce{Mg(s) + 2H+(aq) -> Mg^2+(aq) + H2(g)} \]
Hãy xác định tiểu phân bị oxi hóa, tiểu phân bị khử, chất khử và chất oxi hóa.
Bước 1
Magie ban đầu là \(\ce{Mg}\) trung hòa và trở thành \(\mathrm{Mg}^{2+}\). Nó đã mất hai electron:
\[ \ce{Mg -> Mg^2+ + 2e^-} \]
Magie bị oxi hóa.
Bước 2
Hai ion \(\mathrm{H}^{+}\) nhận hai electron để tạo thành một phân tử \(\ce{H2}\):
\[ \ce{2H+ + 2e^- -> H2} \]
Các ion hydro bị khử.
Bước 3
Magie cho electron, nên magie là chất khử.
Các ion hydro nhận electron, nên \(\mathrm{H}^{+}\) là chất oxi hóa.
Bước 4
Magie mất hai electron và các ion hydro nhận hai electron. Việc cân bằng electron là nhất quán.
Vì vậy, kết quả xác định đầy đủ là:
- tiểu phân bị oxi hóa: \(\ce{Mg}\)
- tiểu phân bị khử: \(\mathrm{H}^{+}\)
- chất khử: \(\ce{Mg}\)
- chất oxi hóa: \(\mathrm{H}^{+}\)
Sự chuyển electron này là cơ sở của nhiều phản ứng được đề cập trong khả năng phản ứng của kim loại với axit loãng.
05Đừng nhầm sự chuyển electron với từ “oxy”
Trong lịch sử, sự oxi hóa từng được liên hệ với các phản ứng có oxy tham gia. Ví dụ,
\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]
thực sự có sự oxi hóa của magie.
Nhưng “oxi hóa nghĩa là nhận thêm oxy” không phải là một định nghĩa đủ tổng quát.
Magie cũng bị oxi hóa trong phản ứng này:
\[ \ce{Mg + 2H+ -> Mg^2+ + H2} \]
Không hề có oxy trong phương trình.
Định nghĩa dựa trên sự chuyển electron áp dụng được cho cả hai trường hợp. Magie mất electron trong mỗi phản ứng.
Đối với các câu hỏi HSC về oxi hóa-khử, suy nghĩ theo sự mất và nhận electron sẽ cung cấp cho bạn một mô hình tổng quát hơn.
Ví dụ có lời giải: Nhôm phản ứng với ion đồng(II)
Xét
\[ \ce{2Al(s) + 3Cu^2+(aq) -> 2Al^3+(aq) + 3Cu(s)} \]
Hãy xác định các quá trình oxi hóa và khử, sau đó xác định chất oxi hóa và chất khử.
Bước 1
Mỗi nguyên tử nhôm mất ba electron:
\[ \ce{Al -> Al^3+ + 3e^-} \]
Nhôm bị oxi hóa.
Vì phản ứng tổng thể có hai nguyên tử nhôm, hãy nhân phương trình bán phản ứng với hai:
\[ \ce{2Al -> 2Al^3+ + 6e^-} \]
Bước 2
Mỗi ion \(\mathrm{Cu}^{2+}\) nhận hai electron:
\[ \ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu} \]
Có ba ion đồng(II) trong phản ứng, nên:
\[ \ce{3Cu^2+ + 6e^- -> 3Cu} \]
Bước 3
Tổng cộng nhôm mất sáu electron, trong khi các ion đồng(II) nhận sáu electron.
Do đó, sự chuyển electron được cân bằng.
Bước 4
Nhôm cung cấp electron, nên nó là chất khử.
\(\mathrm{Cu}^{2+}\) nhận electron, nên nó là chất oxi hóa.
Vì vậy, bức tranh đầy đủ là:
\[ \underbrace{\ce{2Al -> 2Al^3+ + 6e^-}}_{\text{oxi hóa}} \]
\[ \underbrace{\ce{3Cu^2+ + 6e^- -> 3Cu}}_{\text{khử}} \]
Lưu ý rằng các hệ số không cho bạn biết quá trình nào là oxi hóa. Nhôm có hệ số 2 và đồng(II) có hệ số 3, nhưng những con số đó chỉ giúp cân bằng sự chuyển electron. Bạn vẫn phải theo dõi các electron.
06Sự thay đổi điện tích là bằng chứng, không phải định nghĩa
Đối với các ion đơn giản, sự thay đổi điện tích giúp chúng ta dễ dàng nhìn thấy sự chuyển electron.
Ví dụ,
\[ \ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-} \]
là quá trình oxi hóa vì \(\mathrm{Fe}^{2+}\) mất một electron.
Và
\[ \ce{Fe^3+ + e^- -> Fe^2+} \]
là quá trình khử vì \(\mathrm{Fe}^{3+}\) nhận một electron.
Điện tích trở nên dương hơn thường là dấu hiệu của sự oxi hóa, trong khi điện tích bớt dương thường là dấu hiệu của sự khử.
Nhưng hãy cẩn thận với cách diễn đạt. Oxi hóa không được định nghĩa là “trở nên dương hơn”. Định nghĩa cơ bản vẫn là sự mất electron.
Điện tích chỉ đơn giản là một dấu hiệu hữu ích khi các tiểu phân tham gia phản ứng là ion.
07Vai trò thuộc về tiểu phân trong chính phản ứng cụ thể đó
Bạn rất dễ bị cám dỗ để học thuộc những phát biểu như “kim loại là chất khử” hoặc “\(\mathrm{Fe}^{3+}\) là chất oxi hóa”.
Những phát biểu đó có thể mô tả hành vi thường gặp, nhưng vai trò cuối cùng phải được xác định dựa trên phản ứng thực sự đang xảy ra.
Ví dụ:
\[ \ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-} \]
Ở đây, \(\mathrm{Fe}^{2+}\) mất một electron, nên nó đóng vai trò là chất khử.
Nhưng trong một phản ứng khác, một tiểu phân có thể tham gia theo cách khác. Các nhãn oxi hóa-khử mô tả vai trò trong sự chuyển electron, chứ không phải một đặc điểm cố định gắn vĩnh viễn với một tiểu phân hóa học.
Điều này trở nên đặc biệt hữu ích khi bạn học về dãy hoạt động hóa học của kim loại, vì dãy này giúp dự đoán những sự chuyển electron nào có khả năng xảy ra giữa kim loại và ion kim loại.
08Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Xét phản ứng
\[ \ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)} \]
Hãy xác định:
a. tiểu phân bị oxi hóa
b. tiểu phân bị khử
c. chất khử
d. chất oxi hóa
Viết các phương trình bán phản ứng oxi hóa và khử.
Lời giải 1
Kẽm bị oxi hóa và là chất khử, trong khi \(\mathrm{Ag}^{+}\) bị khử và là chất oxi hóa.
Kẽm chuyển từ \(\ce{Zn}\) trung hòa thành \(\mathrm{Zn}^{2+}\), vì vậy nó mất hai electron:
\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]
Đó là quá trình oxi hóa.
Mỗi ion bạc nhận một electron:
\[ \ce{Ag+ + e^- -> Ag} \]
Vì có hai ion bạc phản ứng, phương trình bán phản ứng khử có thể được nhân với hai:
\[ \ce{2Ag+ + 2e^- -> 2Ag} \]
Hai electron kẽm mất đi khớp chính xác với hai electron các ion bạc nhận được.
Do đó:
- tiểu phân bị oxi hóa: \(\ce{Zn}\)
- tiểu phân bị khử: \(\mathrm{Ag}^{+}\)
- chất khử: \(\ce{Zn}\)
- chất oxi hóa: \(\mathrm{Ag}^{+}\)
Một lỗi dễ mắc là gọi kẽm là chất oxi hóa vì kẽm đang bị oxi hóa. Tên gọi của các chất mô tả tác động mà một tiểu phân gây ra đối với chất phản ứng còn lại. Kẽm cung cấp electron và làm cho \(\mathrm{Ag}^{+}\) bị khử, nên kẽm là chất khử.
Câu hỏi 2
Một học sinh được cho phản ứng
\[ \ce{2Fe^3+(aq) + Sn^2+(aq) -> 2Fe^2+(aq) + Sn^4+(aq)} \]
Học sinh đó nói:
“Thiếc chuyển từ \(2+\) sang \(4+\), vì vậy nó đã nhận thêm hai điện tích dương và hẳn là đã nhận được thứ gì đó. Do đó thiếc bị khử.”
Hãy xác định xem học sinh đó có đúng không. Xác định tiểu phân bị oxi hóa và bị khử, hai chất tương ứng, đồng thời chứng minh rằng sự chuyển electron được cân bằng.
Lời giải 2
Học sinh đó không đúng. \(\mathrm{Sn}^{2+}\) bị oxi hóa và là chất khử, trong khi \(\mathrm{Fe}^{3+}\) bị khử và là chất oxi hóa.
Thiếc biến đổi theo
\[ \ce{Sn^2+ -> Sn^4+ + 2e^-} \]
Ion trở nên dương hơn vì nó đã mất hai electron mang điện tích âm. Nó không “nhận thêm các điện tích dương”.
Sắt trải qua quá trình
\[ \ce{Fe^3+ + e^- -> Fe^2+} \]
Mỗi ion \(\mathrm{Fe}^{3+}\) nhận một electron. Vì có hai ion sắt(III):
\[ \ce{2Fe^3+ + 2e^- -> 2Fe^2+} \]
Bây giờ việc theo dõi electron đã rõ ràng:
- \(\mathrm{Sn}^{2+}\) mất \(2e^-\)
- hai ion \(\mathrm{Fe}^{3+}\) nhận \(2e^-\)
Do đó:
- tiểu phân bị oxi hóa: \(\mathrm{Sn}^{2+}\)
- tiểu phân bị khử: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)
- chất khử: \(\mathrm{Sn}^{2+}\)
- chất oxi hóa: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)
Cách suy luận dễ mắc sai lầm là xem điện tích dương như thể nó là một chất được thêm vào. Thay vào đó, điện tích là kết quả tổng hợp của proton và electron. Khi số proton trong hạt nhân không đổi, việc trở nên tích điện dương hơn có nghĩa là electron đã bị mất.
Câu hỏi 3
Một dải kẽm sạch được đặt vào dung dịch chứa dư ion bạc.
Phản ứng là
\[ \ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)} \]
Sau một thời gian, khối lượng của dải kim loại đã tăng lên.
Một học sinh lập luận rằng do đó kẽm không thể đã bị oxi hóa vì “oxi hóa làm kẽm rời khỏi dải kim loại, nên dải kim loại phải nhẹ đi”.
Khối lượng mol là:
- Zn: \(65.4\ \text{g mol}^{-1}\)
- Ag: \(107.9\ \text{g mol}^{-1}\)
Kết luận của học sinh có hợp lý không? Hãy giải thích quá trình oxi hóa-khử và chỉ ra liệu khối lượng có thể tăng hay không.
Lời giải 3
Kết luận của học sinh không hợp lý. Kẽm vẫn có thể bị oxi hóa ngay cả khi tổng khối lượng của dải chất rắn tăng lên.
Quá trình oxi hóa là
\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]
nên các nguyên tử kẽm rời khỏi kim loại dưới dạng ion \(\mathrm{Zn}^{2+}\). Vì vậy, kẽm bị oxi hóa và là chất khử.
Các ion bạc trải qua quá trình khử:
\[ \ce{2Ag+ + 2e^- -> 2Ag} \]
Bạc được tạo thành có thể bám lên phần dải kẽm còn lại.
Với mỗi \(1.00\ \text{mol}\) Zn bị oxi hóa, dải kim loại mất
\[ 1.00\ \text{mol} \times 65.4\ \text{g mol}^{-1} = 65.4\ \text{g} \]
kẽm.
Nhưng cùng phản ứng đó tạo và lắng đọng \(2.00\ \text{mol}\) Ag:
\[ 2.00\ \text{mol} \times 107.9\ \text{g mol}^{-1} = 215.8\ \text{g} \]
bạc.
Nếu toàn bộ lượng bạc đó vẫn bám trên dải kim loại, độ thay đổi khối lượng tổng cộng là
\[ 215.8\ \text{g} - 65.4\ \text{g} = +150.4\ \text{g} \]
trên mỗi mol kẽm đã phản ứng.
Vì vậy, việc khối lượng đo được tăng lên hoàn toàn phù hợp với việc kẽm bị oxi hóa.
Giả định dễ mắc sai là cho rằng “bị oxi hóa” đồng nghĩa với “vật thể phải mất khối lượng”. Oxi hóa mô tả sự mất electron của một tiểu phân. Số chỉ trên cân phụ thuộc vào mọi vật chất đi vào hoặc rời khỏi vật thể được cân. Kẽm rời khỏi chất rắn, nhưng đồng thời một khối lượng bạc lớn hơn có thể được lắng đọng lên đó.
Câu hỏi 4
Một dung dịch chứa sắt trải qua hai phản ứng liên tiếp.
Giai đoạn 1:
\[ \ce{2Fe^3+ + 2I^- -> 2Fe^2+ + I2} \]
Giai đoạn 2:
\[ \ce{2Fe^2+ + Cl2 -> 2Fe^3+ + 2Cl^-} \]
Đối với mỗi giai đoạn:
a. xác định tiểu phân bị oxi hóa và bị khử
b. xác định chất khử và chất oxi hóa
Sau đó cộng hai phản ứng để thu được phương trình tổng thể. Hãy giải thích điều gì đã xảy ra với các tiểu phân sắt trong toàn bộ quá trình gồm hai giai đoạn.
Lời giải 4
Trong Giai đoạn 1, \(\mathrm{I}^{-}\) bị oxi hóa và đóng vai trò là chất khử, trong khi \(\mathrm{Fe}^{3+}\) bị khử và đóng vai trò là chất oxi hóa. Trong Giai đoạn 2, \(\mathrm{Fe}^{2+}\) bị oxi hóa và đóng vai trò là chất khử, trong khi \(\ce{Cl2}\) bị khử và đóng vai trò là chất oxi hóa. Xét cả hai giai đoạn, các tiểu phân sắt được tái tạo và triệt tiêu khỏi phản ứng tổng thể.
Trong Giai đoạn 1, iodide mất electron:
\[ \ce{2I^- -> I2 + 2e^-} \]
Các ion sắt(III) nhận chúng:
\[ \ce{2Fe^3+ + 2e^- -> 2Fe^2+} \]
Vì vậy:
- bị oxi hóa: \(\mathrm{I}^{-}\)
- bị khử: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)
- chất khử: \(\mathrm{I}^{-}\)
- chất oxi hóa: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)
Trong Giai đoạn 2, sự biến đổi của sắt diễn ra theo chiều ngược lại:
\[ \ce{2Fe^2+ -> 2Fe^3+ + 2e^-} \]
trong khi clo nhận các electron:
\[ \ce{Cl2 + 2e^- -> 2Cl^-} \]
Vì vậy:
- bị oxi hóa: \(\mathrm{Fe}^{2+}\)
- bị khử: \(\ce{Cl2}\)
- chất khử: \(\mathrm{Fe}^{2+}\)
- chất oxi hóa: \(\ce{Cl2}\)
Bây giờ cộng hai phản ứng đã cho:
\[ \begin{aligned} \ce{2Fe^3+ + 2I^-} &\ce{-> 2Fe^2+ + I2}\\ \ce{2Fe^2+ + Cl2} &\ce{-> 2Fe^3+ + 2Cl^-} \end{aligned} \]
Cả \(\ce{2Fe^3+}\) và \(\ce{2Fe^2+}\) đều xuất hiện ở hai phía đối diện và triệt tiêu nhau, còn lại
\[ \ce{2I^- + Cl2 -> I2 + 2Cl^-} \]
Trong toàn bộ quá trình, sắt bắt đầu dưới dạng \(\mathrm{Fe}^{3+}\), trở thành \(\mathrm{Fe}^{2+}\), rồi quay trở lại thành \(\mathrm{Fe}^{3+}\). Nó tham gia vào con đường chuyển electron nhưng không có sự thay đổi tổng cộng trong phương trình tổng thể.
Cách suy luận dễ mắc sai là gán một vai trò cố định duy nhất cho “sắt”. Cách này không đúng vì vai trò oxi hóa-khử thuộc về một tiểu phân trong một phản ứng cụ thể. \(\mathrm{Fe}^{3+}\) nhận electron trong Giai đoạn 1, trong khi \(\mathrm{Fe}^{2+}\) cho electron trong Giai đoạn 2.
Sự chuyển electron tổng thể diễn ra từ iodide sang clo, mặc dù sự chuyển này xảy ra thông qua các tiểu phân sắt trung gian.
Câu hỏi 5
Xét phản ứng
\[ \ce{2Cu+ -> Cu^2+ + Cu} \]
Một học sinh cho rằng đây không thể là phản ứng oxi hóa-khử vì chỉ có một loại tiểu phân phản ứng, \(\mathrm{Cu}^{+}\), nên không thể có một chất cho electron và một chất nhận electron riêng biệt.
a. Xác định phản ứng này có phải là phản ứng oxi hóa-khử hay không.
b. Viết các phương trình bán phản ứng oxi hóa và khử thích hợp.
c. Xác định các tiểu phân oxi hóa và khử.
d. Giải thích liệu một ion \(\mathrm{Cu}^{+}\) đơn lẻ có phải vừa mất vừa nhận một electron hay không.
e. Nếu toàn bộ phản ứng được đảo chiều, hãy xác định chất oxi hóa và chất khử trong phản ứng nghịch.
Lời giải 5
Phản ứng này là một phản ứng oxi hóa-khử, và \(\mathrm{Cu}^{+}\) vừa đóng vai trò là tiểu phân oxi hóa vừa đóng vai trò là tiểu phân khử vì các ion \(\mathrm{Cu}^{+}\) khác nhau trải qua những biến đổi chuyển electron ngược nhau.
Một ion \(\mathrm{Cu}^{+}\) có thể bị oxi hóa:
\[ \ce{Cu+ -> Cu^2+ + e^-} \]
Nó mất một electron, nên ion \(\mathrm{Cu}^{+}\) này đóng vai trò là chất khử.
Một ion \(\mathrm{Cu}^{+}\) khác có thể bị khử:
\[ \ce{Cu+ + e^- -> Cu} \]
Nó nhận một electron, nên ion \(\mathrm{Cu}^{+}\) này đóng vai trò là chất oxi hóa.
Cộng hai phương trình bán phản ứng ta được
\[ \ce{2Cu+ -> Cu^2+ + Cu} \]
Electron mà một ion đồng(I) mất đi chính là electron mà một ion khác nhận được.
Một ion \(\mathrm{Cu}^{+}\) đơn lẻ không cần phải vừa mất vừa nhận cùng một electron. Phương trình mô tả một tập hợp các ion. Một ion đồng(I) đi theo con đường oxi hóa, trong khi một ion khác đi theo con đường khử.
Đó là điểm khiến lập luận của học sinh không đúng. Một phản ứng oxi hóa-khử đòi hỏi sự mất và nhận electron diễn ra theo cặp, nhưng không yêu cầu chất cho electron và chất nhận electron ban đầu phải là hai tiểu phân khác nhau về mặt hóa học.
Bây giờ đảo chiều phản ứng:
\[ \ce{Cu^2+ + Cu -> 2Cu+} \]
Các phương trình bán phản ứng cũng đảo chiều.
Kim loại đồng bị oxi hóa:
\[ \ce{Cu -> Cu+ + e^-} \]
nên \(\ce{Cu}\) là chất khử.
Các ion đồng(II) bị khử:
\[ \ce{Cu^2+ + e^- -> Cu+} \]
nên \(\mathrm{Cu}^{2+}\) là chất oxi hóa.
Ý nghĩa sâu hơn là “chất oxi hóa” và “chất khử” không phải là những nhãn cố định vĩnh viễn. Chúng mô tả chiều chuyển động của electron trong phản ứng đang được xét.
Việc theo dõi electron này là nền tảng cho bước hữu ích tiếp theo trong hóa học oxi hóa-khử: dự đoán tiểu phân nào có khả năng nhường electron ngay từ đầu. Đối với kim loại, điều đó dẫn trực tiếp đến độ hoạt động tương đối và dãy hoạt động hóa học.