Mở đầu
Phản ứng oxi hóa–khử xuất hiện trong sự cháy, gỉ kim loại, sản xuất hóa chất và nhiều chuyển hóa tự nhiên. Phân tích số oxi hóa giúp nhận ra vai trò của từng chất và sử dụng quá trình phù hợp, an toàn hơn.
Sự cháy và sự han gỉ
**Sự cháy** là phản ứng oxi hóa–khử xảy ra ở nhiệt độ cao giữa chất cháy và chất oxi hóa, thường là O₂. Phản ứng tỏa nhiệt, phát sáng và cần kiểm soát đủ ba yếu tố: chất cháy, chất oxi hóa, nguồn nhiệt.
**Sự han gỉ** là quá trình kim loại bị oxi hóa bởi môi trường. Trong không khí ẩm, sắt tạo gỉ theo sơ đồ tổng quát:
$$\mathrm{4Fe+3O_2+xH_2O\rightarrow2Fe_2O_3\cdot xH_2O}$$
Có thể hạn chế bằng sơn phủ, giữ khô, làm sạch bề mặt hoặc dùng biện pháp bảo vệ phù hợp.
Kiểm tra nhanh
Trong phản ứng Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂, Fe₂O₃ đóng vai trò gì?
Fe trong Fe₂O₃ không tăng số oxi hóa.
Fe(+3) nhận electron để thành Fe(0), nên Fe₂O₃ là chất oxi hóa.
Fe₂O₃ bị biến đổi thành Fe nên không phải chất xúc tác.
Fe₂O₃ là chất phản ứng chính.
Lời giải
**Cách làm**
Fe giảm số oxi hóa từ $+3$ xuống 0, tức bị khử. Chất chứa phần bị khử là chất oxi hóa, nên Fe₂O₃ là chất oxi hóa.
Sản xuất và chuyển hóa trong tự nhiên
Trong sản xuất sulfuric acid, sulfur hoặc quặng pyrite được oxi hóa tạo SO₂; SO₂ tiếp tục bị oxi hóa thành SO₃, sau đó chuyển thành H₂SO₄.
Trong khí quyển, tia lửa điện tạo điều kiện cho nitrogen phản ứng với oxygen:
$$\mathrm{N_2+O_2\xrightarrow{tia\ lửa\ điện}2NO}$$
$$\mathrm{2NO+O_2\rightarrow2NO_2}$$
$$\mathrm{4NO_2+O_2+2H_2O\rightarrow4HNO_3}$$
Nitric acid theo nước mưa tạo nitrate, bổ sung một phần nguồn nitrogen cho đất. Đây là ví dụ chuyển hóa tự nhiên có nhiều bước oxi hóa–khử.
Ví dụ mẫu: Bài tính theo phản ứng luyện sắt
Khử hoàn toàn 16,0 g Fe₂O₃ bằng CO dư:
$$\mathrm{Fe_2O_3+3CO\rightarrow2Fe+3CO_2}$$
Với $M_{\mathrm{Fe_2O_3}}=160$ g/mol:
$$n_{\mathrm{Fe_2O_3}}=\frac{16{,}0}{160}=0{,}10\ \mathrm{mol}.$$
Theo phương trình, $n_{\mathrm{Fe}}=2\times0{,}10=0{,}20$ mol. Với $M_{\mathrm{Fe}}=56$ g/mol:
$$m_{\mathrm{Fe}}=0{,}20\times56=11{,}2\ \mathrm{g}.$$
Phải cân bằng phương trình trước khi dùng tỉ lệ mol.
Lợi ích và tác hại
Phản ứng oxi hóa–khử có thể:
- **có lợi:** đốt nhiên liệu có kiểm soát, hoạt động của pin, luyện kim, sản xuất hóa chất, chuyển hóa dinh dưỡng;
- **có hại:** cháy rừng, ăn mòn kim loại, ôi thiu thực phẩm, tạo khí thải gây ô nhiễm.
Khi đánh giá một quá trình, cần xét sản phẩm, điều kiện, mức tiêu hao nguyên liệu và tác động môi trường, không chỉ xét phản ứng có tỏa nhiệt hay không.
Luyện tập
Khử hoàn toàn 0,25 mol Fe₂O₃ bằng CO dư theo phương trình trên. Số mol Fe lí thuyết thu được là bao nhiêu?
Đã chia đôi thay vì nhân theo hệ số.
Đã dùng tỉ lệ 1 : 1.
Tỉ lệ Fe₂O₃ : Fe là 1 : 2 nên thu được 0,50 mol.
Đây không phải tỉ lệ của Fe trong phương trình.
Lời giải
**Cách làm**
$n_{\mathrm{Fe}}=2n_{\mathrm{Fe_2O_3}}=2\times0{,}25=0{,}50$ mol.
Ghi nhớ
- Phản ứng oxi hóa–khử xuất hiện trong sự cháy, gỉ kim loại, sản xuất và chuyển hóa tự nhiên.
- Muốn phân tích cần xác định sự thay đổi số oxi hóa và vai trò các chất.
- Muốn tính toán phải cân bằng phương trình trước rồi dùng tỉ lệ mol.
Đang học