Chào các em, thầy là một giáo viên dạy Hóa. Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập cân bằng phản ứng oxi hóa – khử khá hay và cũng là một dạng bài điển hình các em có thể gặp trong các bài kiểm tra. Chúng ta sẽ làm bài này bằng phương pháp thăng bằng electron một cách thật chi tiết và dễ hiểu nhé.

Chúng ta bắt đầu nào!

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố thay đổi trong phản ứng.
Để làm được bước này, các em cần nắm vững các quy tắc xác định số oxi hóa nhé.

\[ \overset{+2}{Fe}\overset{-2}{S} + H\overset{+5}{N}O_3 \rightarrow \overset{+3}{Fe}(NO_3)_3 + \overset{+3}{Fe}_2(\overset{+6}{S}O_4)_3 + \overset{+2}{N}O + H_2O \]

Nhìn vào phương trình, ta thấy các nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa là:
– Sắt (Fe): từ \(+2\) (trong FeS) lên \(+3\) (trong cả \(Fe(NO_3)_3\) và \(Fe_2(SO_4)_3\)).
– Lưu huỳnh (S): từ \(-2\) (trong FeS) lên \(+6\) (trong gốc \(SO_4^{2-}\)).
– Nitơ (N): từ \(+5\) (trong \(HNO_3\)) xuống \(+2\) (trong NO).

Lưu ý đặc biệt: Trong bài này, cả Fe và S trong cùng một hợp chất FeS đều bị oxi hóa. Do đó, để đơn giản, chúng ta sẽ coi FeS là một “phân tử” duy nhất tham gia vào quá trình nhường electron.

Bước 2: Viết quá trình oxi hóa và quá trình khử.

Quá trình oxi hóa (chất khử FeS nhường electron):
Trong quá trình này, Fe từ \(+2\) lên \(+3\) và S từ \(-2\) lên \(+6\).

\(Fe^{+2} \rightarrow Fe^{+3} + 1e\)
\(S^{-2} \rightarrow S^{+6} + 8e\)

Vậy, một phân tử FeS sẽ nhường tổng cộng \(1 + 8 = 9\) electron.
Ta viết gộp lại quá trình cho phân tử FeS:
\[ \overset{+2}{Fe}\overset{-2}{S} \rightarrow \overset{+3}{Fe} + \overset{+6}{S} + 9e \]

Quá trình khử (chất oxi hóa \(N^{+5}\) nhận electron):
Nitơ từ \(+5\) giảm xuống \(+2\).
\[ \overset{+5}{N} + 3e \rightarrow \overset{+2}{N} \]

Bước 3: Tìm hệ số thích hợp để cân bằng electron.
Mục tiêu của chúng ta là làm cho tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận.
Ta có các quá trình:
\[ \begin{array}{c|l} 1 \times & FeS \rightarrow Fe^{+3} + S^{+6} + 9e \\ 3 \times & N^{+5} + 3e \rightarrow N^{+2} \end{array} \]

Bội số chung nhỏ nhất của 9 và 3 là 9. Vì vậy, ta nhân quá trình khử với 3 và giữ nguyên (nhân với 1) quá trình oxi hóa.

Bước 4: Đặt các hệ số vào phương trình và cân bằng các nguyên tố.
Từ Bước 3, ta có các hệ số:
– 1 cho \(FeS\)
– 3 cho \(N^{+2}\) (tức là 3 NO)

Hãy đặt các hệ số này vào phương trình. Tuy nhiên, ta lại gặp một vấn đề: Fe và S sau phản ứng nằm ở hai chất sản phẩm khác nhau (\(Fe(NO_3)_3\) và \(Fe_2(SO_4)_3\)). Đây là một dạng bài “nâng cao” hơn một chút. Ta cần xử lý khéo léo như sau:

Ta thấy toàn bộ lưu huỳnh S từ FeS đi vào hợp chất \(Fe_2(SO_4)_3\). Hãy thử đặt hệ số để cân bằng nguyên tố Fe và S một cách hợp lý. Do Fe và S trong FeS có tỉ lệ 1:1, nên tổng số nguyên tử Fe và tổng số nguyên tử S ở vế phải cũng phải có tỉ lệ 1:1.

Giả sử có a phân tử \(Fe(NO_3)_3\) và b phân tử \(Fe_2(SO_4)_3\) tạo thành.
– Tổng số nguyên tử Fe ở vế phải là \((a + 2b)\).
– Tổng số nguyên tử S ở vế phải là \(3b\).
Ta phải có: \(a + 2b = 3b \Rightarrow a = b\).

Như vậy, tỉ lệ mol của \(Fe(NO_3)_3\) và \(Fe_2(SO_4)_3\) là 1:1. Điều này có nghĩa là cứ 3 nguyên tử FeS ban đầu sẽ tạo ra 1 phân tử \(Fe(NO_3)_3\) và 1 phân tử \(Fe_2(SO_4)_3\).

Bây giờ, chúng ta viết lại quá trình oxi hóa cho 3 phân tử FeS:

\(3FeS \rightarrow 3Fe^{+3} + 3S^{+6} + (3 \times 9)e \Rightarrow 3FeS \rightarrow 3Fe^{+3} + 3S^{+6} + 27e\)
Quá trình khử vẫn là: \(\overset{+5}{N} + 3e \rightarrow \overset{+2}{N}\)

Cân bằng electron lại:
\[ \begin{array}{c|l} 1 \times & 3FeS \rightarrow 3Fe^{+3} + 3S^{+6} + 27e \\ 9 \times & N^{+5} + 3e \rightarrow N^{+2} \end{array} \]

Từ đây ta có hệ số:
– 3 cho \(FeS\)
– 9 cho \(NO\)
– Từ 3 FeS, ta tạo ra 1 \(Fe(NO_3)_3\) và 1 \(Fe_2(SO_4)_3\) (vì tỉ lệ 1:1 và tổng Fe là 3, S là 3).

Ta điền các hệ số này vào phương trình:
\[ 3FeS + HNO_3 \rightarrow 1 Fe(NO_3)_3 + 1 Fe_2(SO_4)_3 + 9 NO + H_2O \]

Bây giờ ta cân bằng các nguyên tố còn lại.

Cân bằng nguyên tử N:
– Vế phải có: \(1 \times 3\) (trong \(Fe(NO_3)_3\)) + \(9\) (trong \(NO\)) = \(3 + 9 = 12\) nguyên tử N.
– Vậy, vế trái cần có 12 phân tử \(HNO_3\).

Phương trình lúc này là:
\[ 3FeS + 12HNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3 + Fe_2(SO_4)_3 + 9NO + H_2O \]

Cân bằng nguyên tử H:
– Vế trái có: \(12\) nguyên tử H (trong \(12HNO_3\)).
– Vế phải cần có \(12\) nguyên tử H. Vậy ta cần 6 phân tử \(H_2O\).

Phương trình lúc này là:
\[ 3FeS + 12HNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3 + Fe_2(SO_4)_3 + 9NO + 6H_2O \]

Bước 5: Kiểm tra lại toàn bộ phương trình (đặc biệt là nguyên tử Oxi).
Đây là bước cuối cùng nhưng rất quan trọng để chắc chắn chúng ta đã làm đúng.
– Vế trái: \(12 \times 3 = 36\) nguyên tử O.
– Vế phải: \((3 \times 3)\) (trong \(Fe(NO_3)_3\)) + \((4 \times 3)\) (trong \(Fe_2(SO_4)_3\)) + \(9\) (trong \(NO\)) + \(6\) (trong \(H_2O\))
\( = 9 + 12 + 9 + 6 = 36\) nguyên tử O.

Số nguyên tử O ở hai vế đã bằng nhau. Các nguyên tố khác cũng đã cân bằng. Vậy phương trình của chúng ta đã chính xác.

Kết luận:
Phương trình hóa học đã được cân bằng là:
\[ 3FeS + 12HNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3 + Fe_2(SO_4)_3 + 9NO + 6H_2O \]

Hy vọng với cách giải chi tiết từng bước này, các em đã hiểu rõ cách xử lý dạng bài tập này. Chìa khóa của bài toán là nhận ra tỉ lệ của các sản phẩm chứa nguyên tố bị oxi hóa. Chúc các em học tốt