Cân bằng: MnO2 + HCl —> MnCl2 + Cl2 + H2O theo phương pháp xác định oxi hóa.

Chào các em học sinh yêu quý,

Trong chương trình Hóa học lớp 10, phương pháp xác định số oxi hóa (hay còn gọi là phương pháp thăng bằng electron) là một công cụ rất quan trọng để cân bằng các phản ứng oxi hóa – khử. Phương pháp này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự trao đổi electron giữa các chất trong phản ứng.

Chúng ta sẽ áp dụng phương pháp này để cân bằng phản ứng: MnO₂ + HCl –> MnCl₂ + Cl₂ + H₂O.

Lý do áp dụng phương pháp xác định số oxi hóa:

Phản ứng này là một phản ứng oxi hóa – khử, nghĩa là có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tố. Phương pháp xác định số oxi hóa cho phép chúng ta cân bằng chính xác số electron mà chất khử nhường đi và số electron mà chất oxi hóa nhận về, đảm bảo định luật bảo toàn electron được tuân thủ trong mọi phản ứng.

Các bước giải chi tiết:

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong phương trình.

• Trong $\text{Mn}{\text{O}}_2$: Oxi có số oxi hóa là $–2$. Vì có 2 nguyên tử Oxi, tổng số oxi hóa là $2\times (–2)=–4$. Để hợp chất trung hòa điện, Mangan phải có số oxi hóa là $+4$.
• Trong $\text{HCl}$: Hiđro có số oxi hóa là $+1$. Clo có số oxi hóa là $–1$.
• Trong $\text{Mn}{\text{Cl}}_2$: Clo có số oxi hóa là $–1$. Vì có 2 nguyên tử Clo, tổng số oxi hóa là $2\times (–1)=–2$. Để hợp chất trung hòa điện, Mangan phải có số oxi hóa là $+2$.
• Trong ${\text{Cl}}_2$: Đây là đơn chất, nên Clo có số oxi hóa là $0$.
• Trong ${\text{H}}_2\text{O}$: Hiđro có số oxi hóa là $+1$, Oxi có số oxi hóa là $–2$.

Ta thấy các nguyên tố thay đổi số oxi hóa là:

• Mangan: từ ${\text{Mn}}^{+4}$ xuống ${\text{Mn}}^{+2}$.
• Clo: từ ${\text{Cl}}^{–1}$ lên ${\text{Cl}}^0$ (trong ${\text{Cl}}_2$).

Bước 2: Xác định chất oxi hóa, chất khử và viết quá trình oxi hóa, quá trình khử.

• Quá trình khử: Mangan nhận electron.
  
  ${\text{Mn}}^{+4}+2\text{e}\to {\text{Mn}}^{+2}$
  
  (Mangan trong $\text{Mn}{\text{O}}_2$ là chất oxi hóa)
• Quá trình oxi hóa: Clo nhường electron.
  
  $2{\text{Cl}}^{–1}\to {\text{Cl}}_2^0+2\text{e}$
  
  (Clo trong $\text{HCl}$ là chất khử)
  
  Lưu ý: Một số nguyên tử Cl trong HCl không thay đổi số oxi hóa, chúng chỉ đóng vai trò tạo môi trường axit và tạo muối MnCl₂. Chỉ những nguyên tử Cl tạo thành Cl₂ mới thay đổi số oxi hóa.

Bước 3: Cân bằng số electron đã cho và nhận.

• Số electron nhận: $2$
• Số electron nhường: $2$

Số electron nhận đã bằng số electron nhường ($2=2$), nên ta giữ nguyên hệ số của mỗi quá trình là $1$.

Sơ đồ cân bằng electron:

Bước 4: Đặt các hệ số vào phương trình hóa học.

Từ quá trình khử, ta có hệ số của $\text{Mn}{\text{O}}_2$ và $\text{Mn}{\text{Cl}}_2$ là $1$.

Từ quá trình oxi hóa, ta có hệ số của ${\text{Cl}}_2$ là $1$. Số nguyên tử Clo thay đổi số oxi hóa là $2$ (để tạo thành $1$ phân tử ${\text{Cl}}_2$).

Ta có phương trình tạm thời:

$1\text{Mn}{\text{O}}_2+x\text{HCl}\to 1\text{Mn}{\text{Cl}}_2+1{\text{Cl}}_2+y{\text{H}}_2\text{O}$

Bước 5: Cân bằng các nguyên tố còn lại (O, H và các ion không tham gia phản ứng oxi hóa – khử).

• Cân bằng nguyên tố Mn: Đã có $1$ nguyên tử Mn ở hai vế.
• Cân bằng nguyên tố Cl:
  • Ở vế phải, có $2$ nguyên tử Cl trong $\text{Mn}{\text{Cl}}_2$ (Clo không thay đổi số oxi hóa, đóng vai trò môi trường).
  • Và $2$ nguyên tử Cl trong ${\text{Cl}}_2$ (Clo thay đổi số oxi hóa).
  • Tổng số nguyên tử Cl ở vế phải là $2+2=4$.
  • Vậy, hệ số của $\text{HCl}$ ở vế trái là $4$.

  Phương trình tạm thời:

  $1\text{Mn}{\text{O}}_2+4\text{HCl}\to 1\text{Mn}{\text{Cl}}_2+1{\text{Cl}}_2+y{\text{H}}_2\text{O}$

• Cân bằng nguyên tố O:
  • Ở vế trái, có $2$ nguyên tử O trong $1\text{Mn}{\text{O}}_2$.
  • Để cân bằng, ta cần $2$ nguyên tử O ở vế phải. Vậy, hệ số của ${\text{H}}_2\text{O}$ là $2$.

  Phương trình tạm thời:

  $1\text{Mn}{\text{O}}_2+4\text{HCl}\to 1\text{Mn}{\text{Cl}}_2+1{\text{Cl}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}$

• Cân bằng nguyên tố H:
  • Ở vế trái, có $4$ nguyên tử H trong $4\text{HCl}$.
  • Ở vế phải, có $2\times 2=4$ nguyên tử H trong $2{\text{H}}_2\text{O}$.
  • Nguyên tố H đã cân bằng.

Bước 6: Kiểm tra lại sự cân bằng của tất cả các nguyên tố.

• Mn: $1$ (trái) = $1$ (phải)
• O: $2$ (trái) = $2$ (phải)
• H: $4$ (trái) = $4$ (phải)
• Cl: $4$ (trái) = $2$ (trong $\text{Mn}{\text{Cl}}_2$) $+$ $2$ (trong ${\text{Cl}}_2$) = $4$ (phải)

Tất cả các nguyên tố đã được cân bằng.

Phương trình hóa học đã cân bằng hoàn chỉnh là:

$\text{Mn}{\text{O}}_2+4\text{HCl}\to \text{Mn}{\text{Cl}}_2+{\text{Cl}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}$

Chúc các em học tốt!