Xây dựng hệ thống bài tập phản ứng oxi hóa khử bậc đại học

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp b) Phương pháp cân bằng ion- electron Cân bằng theo phương pháp ion-electron áp dụng cho các phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong dung dịch có sự tham gia của môi trường : Axit, bazơ, nước. Khi cân bằng cũng sử dụng theo 4 bước như phương pháp thăng bằng electron nhưng chất oxi hóa, chất khử được viết đúng dạng mà nó tồn tại trong dung dịch theo nguyên tắc sau: 1. Nếu phản ứng có axit tham gia: + Vế nào thiếu bao nhiêu O thêm bấy nhiêu H2O để tạo ra H+ ở vế kia và NO3-  NO ngược lại. Ví dụ : Vế phải thiếu 2 O, thêm vế phải 2H2O để tạo vế trái 4 H+ sau đó cân bằng điện tích của bán phản ứng : NO3- + 4H+ + 3e  NO +2H2O 2. Nếu phản ứng có bazơ tham gia : + Vế nào thiếu bao nhiêu O thêm lượng OH- gấp đôi để tạo H2O ở vế kia và ngược lại. Ví dụ : Cr2O3  2CrO42- Vế trái thiếu 5O thêm vế trái 10 OH- để tạo 5H2O ở vế phải , sau đó cân bằng điện tích bán phản ứng . Cr2O3 +10 OH-  2CrO42- + 5H2O + 6e Ngoài ra học sinh cần phải linh hoạt trong các trường hợp ngoại lệ. 3. Nếu phản ứng có H2O tham gia : + Sản phẩm phản ứng tạo ra axit, theo nguyên tắc 1. + Sản phẩm phản ứng tạo ra bazơ, theo nguyên tắc 2. MnO4- + 2H2O +3e  MnO2 + 4OHPhạm vi áp dụng: Đối với các quá trình xảy ra trong dung dịch, có sự tham gia của môi trường ( H2O, dung dịch axit hoặc bazơ tham gia). c) Phương pháp đại số Nguyên tắc: Số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế phải bằng nhau. Các bước cân bằng: GVHD. Hoàng Quang Bắc 11 SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Đặt ẩn số là các hệ số hợp thức. Dùng định luật bảo toàn khối lượng để cân bằng nguyên tố và lập phương trình đại số. Chọn nghiệm tùy ý cho 1 ẩn, rồi dùng hệ phương trình đại số để suy ra các ẩn số còn lại. Ví dụ: a FeS2 + b O2 → c Fe2O3 + d SO2 Ta có: Fe : a = 2c S : 2a = d O : 2b = 3c + 2d Chọn c = 1 thì a=2, d=4, b = 11/2 Nhân hai vế với 2 ta được phương trình: 4 FeS2 + 8O2 → 2 Fe2O3 + 8 SO2 d) Phương pháp “chẵn – lẻ”: Một phản ứng sau khi đã cân bằng thì số nguyên tử của một nguyên tố ở vế trái bằng số nguyên tử nguyên tố đó ở vế phải. Vì vậy nếu số nguyên tử của một nguyên tố ở một vế là số chẵn thì số nguyên tử nguyên tố đó ở vế kia phải chẵn. Nếu ở một công thức nào đó số nguyên tử nguyên tố đó còn lẻ thì phải nhân đôi. Ví dụ: FeS2 + O2 → Fe2O3 + SO2 Ở vế trái số nguyên tử O2 là chẵn với bất kỳ hệ số nào. Ở vế phải, trong SO2 oxi là chẵn nhưng trong Fe2O3 oxi là lẻ nên phải nhân đôi. Từ đó cân bằng tiếp các hệ số còn lại. 2Fe2O3 → 4FeS2 → 8SO2 → 11O2 Đó là thứ tự suy ra các hệ số của các chất. Thay vào PTPU ta được: 4 FeS2 + 8O2 → 2 Fe2O3 + 8 SO2 e) Phương pháp tăng giảm số oxi hóa Phương pháp này tương tự phương pháp cân bằng electron, nó dựa trên sự tăng giảm số oxi hóa và tổng đại số sự tăng giảm số oxi hóa = 0. NH3 + O2 GVHD. Hoàng Quang Bắc 12  NO + H2O SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp -3 2x N +2 sè OXH t¨ng   N +2 –(-3) = 5 0 5x O -2 sè OXH gi¶m  O -2 - 0 = -2  4NO + 6H2O 4 NH3 + 5 O2 Ngoài các phương pháp trên có thể cân bằng theo các phương pháp sau: f) Phương pháp electron – đại số g) Phương pháp xuất phát từ nguyên tố chung nhất h) Phương pháp electron – điện tích 1.2. Khả năng oxi hóa - khử của các chất vô cơ ở điều kiện chuẩn Điều kiện chuẩn: T = 298K P = 1atm [ ] = 1M Ta đã biết, đối với phản ứng oxi hóa khử ở trạng thái chuẩn, giữa ΔG0 và E0pin có liên quan với nhau bởi phương trình: Năng lượng tự do Gip: ΔG0 = -nFE0 n là số electron trao đổi F là hằng số Faraday F = 96500(Culong/mol) F = 96500(J/mol.V ) (do 1C= 1J/V) Khi phản ứng tự diễn biến đã làm phát sinh suất điện động của pin, quá trình oxi hóa - khử xảy ra ở hai điện cực thì thế của chúng khác nhau. E0phản ứng >0 E0phản ứng= E0OXH - E0K = E0(+) + E0(-) = E0catot - E0anot Mặt khác ΔG0 của phản ứng có liên quan tới hằng số cân bằng bởi hệ thức: ΔG0 = - RTlnK Từ hai phương trình trên, ta được: - nFE0 = - RTlnK GVHD. Hoàng Quang Bắc 13 SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp E0 = RT lnK nF T= 298K, R= 8,314J/K.mol K= 10 n.E0 0,059 1.3 Khả năng oxi hóa - khử của các chất vô cơ ở điều kiện không chuẩn [1,3] (T.P = const) 1.3.1.Phương trình Nernst Đối với phản ứng oxi hóa khử dạng tổng quát: n1 Ox1 + n2Kh2 → n1Kh1 + n2Ox2 Khi phản ứng xảy ra trong dung dịch loãng, ta có hệ thức: ΔG = ΔG0 + RTlnK K= [Kh] [Ox] ΔG là biến thiên năng lượng tự do Gip của phản ứng ở điều kiện khác với điều kiện chuẩn. ΔG0 là biến thiên năng lượng tự do Gip của phản ứng ở điều kiện chuẩn. Ta biết rằng: ΔG0= -nFE0 → -nFEpu = -nFE0 + RTlnK  Epu = E0 - RT ln K nF (1) Epu = E0 - 8,314.298 .2,303.lg K n.96500 Epu = E0 - 0,059 0,059 [Kh] lgK = E0 lg (2) n [Ox] n Trong đó (1) là dạng tổng quát của phương trình Nernst, (2) là dạng cụ thể của phương trình Nernst mô tả sự phụ thuộc của thế khử của một cặp oxi GVHD. Hoàng Quang Bắc 14 SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp hóa - khử vào nồng độ của dạng oxi hóa và dạng khử của nó. E0 là thế khử tiêu chuẩn của cặp. Đối với các cặp kiểu: Mn+ + ne → M Ở đây M là kim loại, Mn+ ion kim loại tương ứng, dạng khử là các kim loại ở thể rắn, nồng độ dạng khử chỉ phụ thuộc vào số nguyên tử nằm trên bề mặt nên được xem là cố định, biểu thức Nernst có dạng: E = E0 - 0,059 lg[Mn+ ] n (3) Các công thức (2), (3) chỉ áp dụng cho các trường hợp khi chỉ có dạng oxi hóa và dạng khử tham gia phản ứng. Trong nhiều trường hợp các ion H+ và OHcũng tham gia phản ứng hay được tạo thành như là sản phẩm của phản ứng. Chú ý: Trong mọi trường hợp khi mà nồng độ của các chất bị sai lệch đi so với điều kiện chuẩn thì giá trị của thế điện cực và sức điện động của pin đều bị thay đổi. Điều đó có thể làm thay đổi chiều hướng hoặc mức độ diễn biến của phản ứng oxi hóa – khử. 1.3.2. Ứng dụng của phương trình Nernst [1,3]  Tính thế của bán phản ứng Ox + ne → Kh Epu =E0 + 0,059 [Ox] lg n [Kh] VD: Đối với bán phản ứng: Zn2+ + 2e → Epu = E0 + Zn E0 = -0,76V 0,059 lg[Zn 2+ ] 2  Tính thế của toàn phản ứng n1 Ox1 + n2Kh2 GVHD. Hoàng Quang Bắc 15 → n1Kh1 +n2Ox2 SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Có thể tiến hành theo 2 cách: Áp dụng phương trình Nernst tính thế của từng bán phản ứng sau đó tổ hợp lại. Epu = EOx - EKh Áp dụng phương trình Nernst tính thế của toàn phản ứng. Cách này ngắn gọn hơn. 0,059 [Ox]n [Kh]n Epu =E + lg n1n 2 [Ox]n [Kh]n 0 pu 2 1 1 2 Nếu Epu >0 phản ứng diễn ra theo chiều thuận. Nếu Epu 0 + Ag Phản ứng xảy ra theo chiều thuận ( do AgI tạo thành là hợp chất ít tan làm cho nồng độ ion Ag+ giảm mạnh dẫn đến E của điện cực giảm mạnh và có giá trị âm). GVHD. Hoàng Quang Bắc 17 SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa