Chào các em học sinh, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập cân bằng phương trình hóa học bằng phương pháp thăng bằng electron, một phương pháp rất quan trọng trong hóa học lớp 10, đặc biệt là khi chúng ta học về phản ứng oxi hóa – khử. Bài toán hôm nay của chúng ta là cân bằng phản ứng phân hủy đồng(II) nitrat:

Cu(NO3)2 ---> CuO + NO2 + O2

Chúng ta sẽ thực hiện từng bước một theo đúng phương pháp đã học nhé!

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố thay đổi

Đầu tiên, chúng ta cần xác định số oxi hóa của tất cả các nguyên tố trong các chất tham gia và sản phẩm. Điều này giúp chúng ta biết được nguyên tố nào bị oxi hóa (tăng số oxi hóa), nguyên tố nào bị khử (giảm số oxi hóa).

• Trong \( \text{Cu(NO3)2} \):
  • Đồng (Cu): \( +2 \) (Luôn giữ số oxi hóa \(+2\) trong hợp chất này)
  • Oxi (O): \( -2 \)
  • Nitơ (N): Trong gốc \( \text{NO3}^- \), ta có \( \text{N} + 3 \times (-2) = -1 \Rightarrow \text{N} = +5 \). Vậy N có số oxi hóa \( +5 \).
• Trong \( \text{CuO} \):
  • Đồng (Cu): \( +2 \)
  • Oxi (O): \( -2 \)
• Trong \( \text{NO2} \):
  • Oxi (O): \( -2 \)
  • Nitơ (N): \( \text{N} + 2 \times (-2) = 0 \Rightarrow \text{N} = +4 \). Vậy N có số oxi hóa \( +4 \).
• Trong \( \text{O2} \):
  • Oxi (O): \( 0 \) (Vì là đơn chất)

Nhận xét:

• Số oxi hóa của Cu không thay đổi (từ \( +2 \) sang \( +2 \)).
• Số oxi hóa của N thay đổi từ \( +5 \) xuống \( +4 \). Đây là quá trình khử.
• Số oxi hóa của O thay đổi từ \( -2 \) (trong \( \text{Cu(NO3)2} \)) lên \( 0 \) (trong \( \text{O2} \)). Đây là quá trình oxi hóa. (Lưu ý: một phần Oxi vẫn giữ số oxi hóa \( -2 \) trong \( \text{CuO} \) và \( \text{NO2} \)).

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

Bây giờ, chúng ta sẽ viết các bán phản ứng (quá trình) thể hiện sự thay đổi số oxi hóa và cân bằng electron cho từng quá trình.

Quá trình khử (Nitơ):

Nitơ từ \( +5 \) trong \( \text{Cu(NO3)2} \) chuyển thành \( +4 \) trong \( \text{NO2} \). Mỗi nguyên tử N nhận \( 1 \) electron.

Trong một phân tử \( \text{Cu(NO3)2} \) có 2 nguyên tử N, vậy 2 nguyên tử N sẽ tham gia quá trình này:

\[ 2\text{N}^{+5} + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{N}^{+4} \]

Giải thích: Vì \( \text{N}^{+5} \) giảm xuống \( \text{N}^{+4} \) (giảm 1 đơn vị số oxi hóa), nên mỗi nguyên tử N nhận 1 electron. Do có 2 nguyên tử N trong \( \text{Cu(NO3)2} \), tổng số electron nhận là \( 2 \times 1 = 2 \) electron.

Quá trình oxi hóa (Oxi):

Oxi từ \( -2 \) trong \( \text{Cu(NO3)2} \) chuyển thành \( 0 \) trong \( \text{O2} \). Mỗi nguyên tử O nhường \( 2 \) electron.

Để tạo thành 1 phân tử \( \text{O2} \) (gồm 2 nguyên tử O), cần có 2 nguyên tử Oxi từ trạng thái \( -2 \) bị oxi hóa. Do đó, tổng số electron nhường là \( 2 \times 2 = 4 \) electron.

\[ 2\text{O}^{-2} \rightarrow \text{O}_2^0 + 4\text{e}^- \]

Giải thích: Vì \( \text{O}^{-2} \) tăng lên \( \text{O}^0 \) (tăng 2 đơn vị số oxi hóa), nên mỗi nguyên tử O nhường 2 electron. Để tạo thành 1 phân tử \( \text{O2} \), cần 2 nguyên tử O, vậy tổng số electron nhường là \( 2 \times 2 = 4 \) electron.

Bước 3: Cân bằng số electron nhường và nhận

Để đảm bảo tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận, chúng ta cần tìm bội số chung nhỏ nhất (BSCNN) của số electron trong hai quá trình trên.

• Tổng electron nhận (từ N): \( 2\text{e}^- \)
• Tổng electron nhường (từ O): \( 4\text{e}^- \)

BSCNN của 2 và 4 là 4.

Để đạt được 4 electron trao đổi, chúng ta cần:

• Nhân quá trình khử của N với \( \frac{4}{2} = 2 \).
• Nhân quá trình oxi hóa của O với \( \frac{4}{4} = 1 \).

Viết lại các quá trình với hệ số đã nhân:

\[ \text{Khử: } 2 \times (2\text{N}^{+5} + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{N}^{+4}) \Rightarrow 4\text{N}^{+5} + 4\text{e}^- \rightarrow 4\text{N}^{+4} \]
\[ \text{Oxi hóa: } 1 \times (2\text{O}^{-2} \rightarrow \text{O}_2^0 + 4\text{e}^-) \Rightarrow 2\text{O}^{-2} \rightarrow \text{O}_2^0 + 4\text{e}^- \]

Giải thích: Việc nhân các quá trình với hệ số thích hợp giúp đảm bảo rằng tổng số electron mà các chất nhường đi sẽ bằng tổng số electron mà các chất nhận vào, tuân theo định luật bảo toàn electron.

Bước 4: Đặt các hệ số vào phương trình và cân bằng các nguyên tố còn lại

Từ các quá trình đã cân bằng electron, chúng ta có các thông tin sau để đặt hệ số vào phương trình:

• Có 4 nguyên tử N thay đổi số oxi hóa, chúng sẽ tạo thành 4 phân tử \( \text{NO2} \). Vậy hệ số của \( \text{NO2} \) là 4.
• Có 2 nguyên tử O bị oxi hóa, chúng sẽ tạo thành 1 phân tử \( \text{O2} \). Vậy hệ số của \( \text{O2} \) là 1.

Bây giờ, chúng ta sẽ đặt các hệ số này vào phương trình và cân bằng các nguyên tố còn lại theo thứ tự kim loại, phi kim (trừ O, H), rồi đến O, H.

Cu(NO3)2 ---> CuO + 4NO2 + O2

Cân bằng Cu:

Ở vế phải có 1 Cu (trong CuO). Ở vế trái, để có 4 nguyên tử N (để tạo ra 4 \( \text{NO2} \)), ta cần 2 phân tử \( \text{Cu(NO3)2} \) (vì mỗi \( \text{Cu(NO3)2} \) có 2N). Khi đó, vế trái sẽ có 2 Cu. Vậy, ta cần 2 Cu ở vế phải, tức là 2 phân tử \( \text{CuO} \).

2Cu(NO3)2 ---> 2CuO + 4NO2 + O2

Cân bằng Oxi:

Cuối cùng, chúng ta kiểm tra lại nguyên tố Oxi.

• Tổng số nguyên tử O ở vế trái: \( 2 \times (3 \times 2) = 12 \) nguyên tử O.
• Tổng số nguyên tử O ở vế phải:
  • Trong \( \text{2CuO} \): \( 2 \times 1 = 2 \) nguyên tử O.
  • Trong \( \text{4NO2} \): \( 4 \times 2 = 8 \) nguyên tử O.
  • Trong \( \text{O2} \): \( 1 \times 2 = 2 \) nguyên tử O.

  Tổng cộng ở vế phải là \( 2 + 8 + 2 = 12 \) nguyên tử O.

Số nguyên tử Oxi ở hai vế đã bằng nhau.

Bước 5: Kiểm tra lại toàn bộ phương trình

Phương trình đã cân bằng hoàn chỉnh là:

2Cu(NO3)2 ---> 2CuO + 4NO2 + O2

Kiểm tra lại số lượng nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế:

• Cu: Vế trái = 2; Vế phải = 2. (Đã cân bằng)
• N: Vế trái = \( 2 \times 2 = 4 \); Vế phải = 4. (Đã cân bằng)
• O: Vế trái = \( 2 \times 3 \times 2 = 12 \); Vế phải = \( 2 \times 1 + 4 \times 2 + 1 \times 2 = 2 + 8 + 2 = 12 \). (Đã cân bằng)

Vậy là chúng ta đã hoàn thành việc cân bằng phương trình bằng phương pháp thăng bằng electron. Các em thấy không, phương pháp này rất logic và giúp chúng ta cân bằng được cả những phản ứng phức tạp một cách chính xác!

Chúc các em học tốt!