Cân bằng phản ứng hóa khử CH3CHO + AgNO3 + NH3 + H2O→CH3COONH4 + NH4NO3 + Ag

Chào các em học sinh yêu quý! Hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau giải quyết một bài toán cân bằng phản ứng hóa học rất thú vị, đó là phản ứng tráng bạc của anđehit axetic (CH3CHO) với dung dịch bạc nitrat trong amoniac (thuốc thử Tollens). Đây là một phản ứng ôxi hóa – khử điển hình và chúng ta sẽ áp dụng phương pháp thăng bằng electron đã học nhé!

**Phản ứng cần cân bằng:**
CH3CHO + AgNO3 + NH3 + H2O → CH3COONH4 + NH4NO3 + Ag

Để cân bằng phản ứng này, chúng ta sẽ thực hiện theo các bước của **phương pháp thăng bằng electron** (hay còn gọi là phương pháp số oxi hóa) như sau:

***

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố thay đổi trong phản ứng.

Chúng ta sẽ xem xét các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi từ chất phản ứng sang sản phẩm.

• Trong ${\text{CH}}_3\text{CHO}$: Nguyên tử cacbon trong nhóm $\text{-CHO}$ có số oxi hóa là $+1$.
• Trong ${\text{AgNO}}_3$: Nguyên tử bạc ($\text{Ag}$) có số oxi hóa là $+1$.
• Trong ${\text{CH}}_3{\text{COONH}}_4$: Nguyên tử cacbon trong nhóm $\text{-COO}$ có số oxi hóa là $+3$.
• Trong $\text{Ag}$: Nguyên tử bạc ($\text{Ag}$) ở dạng đơn chất có số oxi hóa là $0$.

Các nguyên tố thay đổi số oxi hóa là $\text{C}$ và $\text{Ag}$.

Giải thích lý do: Bước này rất quan trọng vì nó giúp chúng ta xác định chính xác chất nào là chất khử (cho electron) và chất nào là chất oxi hóa (nhận electron), từ đó chúng ta mới có thể viết đúng quá trình cho và nhận electron.

***

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

• Quá trình oxi hóa: Nguyên tử cacbon (trong nhóm $\text{-CHO}$) từ số oxi hóa $+1$ lên $+3$. Nó đã nhường $2$ electron.

  $$\stackrel{+1}{\text{C}}(\text{trong}mspace\; width=”0.3em”>{\text{CH}}_3\text{CHO})\to \stackrel{+3}{\text{C}}(\text{trong}mspace\; width=”0.3em”>\; msub\text{CH}3{\text{COONH}}_4)+2\text{e}$$

• Quá trình khử: Nguyên tử bạc ($\text{Ag}$) từ số oxi hóa $+1$ xuống $0$. Nó đã nhận $1$ electron.

  $$\stackrel{+1}{\text{Ag}}(\text{trong}mspace\; width=”0.3em”>{\text{AgNO}}_3)+1\text{e}\to \stackrel{0}{\text{Ag}}$$

Giải thích lý do: Bước này giúp chúng ta hình dung rõ ràng sự trao đổi electron giữa các chất, là cốt lõi của phản ứng ôxi hóa – khử. Việc xác định đúng số electron nhường và nhận là tiền đề để cân bằng tổng số electron.

***

Bước 3: Cân bằng số electron nhường và nhận, sau đó đặt hệ số vào phương trình.

Để tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận, chúng ta tìm bội số chung nhỏ nhất của $2$ và $1$, đó là $2$.

• Quá trình oxi hóa ($2$e): nhân với $1$.
• Quá trình khử ($1$e): nhân với $2$.

$$\begin{array}{ll}1\times |& \stackrel{+1}{\text{C}}\to \stackrel{+3}{\text{C}}+2\text{e}\\ 2\times |& \stackrel{+1}{\text{Ag}}+1\text{e}\to \stackrel{0}{\text{Ag}}\end{array}$$

Đặt các hệ số vừa tìm được vào phương trình phản ứng ban đầu:

1
CH

₃

CHO
+
2
AgNO

₃

+
NH

₃

+
H

₂

O
→
1
CH

₃


COONH
4

+

NH
4


NO
3

+
2Ag

Giải thích lý do: Nguyên tắc cơ bản của cân bằng phản ứng oxi hóa – khử là tổng số electron mà chất khử nhường phải bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận. Việc nhân các quá trình với hệ số thích hợp đảm bảo nguyên tắc này được tuân thủ, từ đó xác định được tỉ lệ mol của các chất tham gia và sản phẩm chính.

***

Bước 4: Cân bằng các nguyên tố còn lại bằng phương pháp cân bằng đại số (hoặc thử chọn).

Với các hệ số đã có, chúng ta đặt các ẩn $\text{a}$, $\text{b}$, $\text{c}$ cho các chất còn lại: $\text{NH}$_$3$, $\text{H}$_$2$$\text{O}$ và $\text{NH}$_$4$$\text{NO}$_$3$.

1
CH

₃

CHO
+
2
AgNO

₃

+
aNH

₃

+
bH

₂

O
→
1
CH

₃


COONH
4

+

cNH
4


NO
3

+
2Ag

Bây giờ, chúng ta lần lượt cân bằng số lượng nguyên tử của từng nguyên tố (trừ C, Ag đã cân bằng) theo thứ tự ưu tiên: Kim loại khác (nếu có), Phi kim khác (N, S, Cl…), rồi đến Oxi và cuối cùng là Hiđro.

• Cân bằng nguyên tố Nitơ ($\text{N}$):

  Số nguyên tử $\text{N}$ ở vế trái: $2$ (trong $2{\text{AgNO}}_3$) $+$ $\text{a}$ (trong ${\text{aNH}}_3$) $=$ $2+\text{a}$

  Số nguyên tử $\text{N}$ ở vế phải: $1$ (trong ${\text{CH}}_3{\text{COONH}}_4$) $+$ $2\text{c}$ (trong ${\text{cNH}}_4{\text{NO}}_3$, lưu ý mỗi phân tử ${\text{NH}}_4{\text{NO}}_3$ có $2$ nguyên tử $\text{N}$) $=$ $1+2\text{c}$

  Vậy, ta có phương trình: $$2+\text{a}=1+2\text{c}\Rightarrow \text{a}+1=2\text{c}mspace\; width=”0.5em”>(1)$$

• Cân bằng nguyên tố Oxi ($\text{O}$):

  Số nguyên tử $\text{O}$ ở vế trái: $1$ (trong ${\text{CH}}_3\text{CHO}$) $+$ $2\times 3$ (trong $2{\text{AgNO}}_3$) $+$ $\text{b}$ (trong ${\text{bH}}_2\text{O}$) $=$ $1+6+\text{b}=7+\text{b}$

  Số nguyên tử $\text{O}$ ở vế phải: $2$ (trong ${\text{CH}}_3{\text{COONH}}_4$) $+$ $3\text{c}$ (trong ${\text{cNH}}_4{\text{NO}}_3$) $=$ $2+3\text{c}$

  Vậy, ta có phương trình: $$7+\text{b}=2+3\text{c}\Rightarrow \text{b}+5=3\text{c}mspace\; width=”0.5em”>(2)$$

• Cân bằng nguyên tố Hiđro ($\text{H}$):

  Số nguyên tử $\text{H}$ ở vế trái: $4$ (trong ${\text{CH}}_3\text{CHO}$) $+$ $3\text{a}$ (trong ${\text{aNH}}_3$) $+$ $2\text{b}$ (trong ${\text{bH}}_2\text{O}$) $=$ $4+3\text{a}+2\text{b}$

  Số nguyên tử $\text{H}$ ở vế phải: $7$ (trong ${\text{CH}}_3{\text{COONH}}_4$, gồm $3\text{H}$ trong ${\text{CH}}_3$ và $4\text{H}$ trong ${\text{NH}}_4$) $+$ $4\text{c}$ (trong ${\text{cNH}}_4{\text{NO}}_3$) $=$ $7+4\text{c}$

  Vậy, ta có phương trình: $$4+3\text{a}+2\text{b}=7+4\text{c}mspace\; width=”0.5em”>(3)$$

Chúng ta có hệ ba phương trình với ba ẩn:

1. $\text{a}+1=2\text{c}$
2. $\text{b}+5=3\text{c}$
3. $4+3\text{a}+2\text{b}=7+4\text{c}$

Từ (1), ta rút $\text{c}=\frac{\text{a}+1}{2}$.

Thay $\text{c}$ vào (2): $$mtext>b\; mo+5\; mo=3\; mrow\left(\frac{mtext>a\; mo+1}{2}\right)$$

Thay $\text{c}$ vào (3): $$mn4mo+3\; mtext>a\; mo+2\; mtext>b\; mo=7\; mo+4\; mrow>\left(\frac{mtext>a\; mo+1}{2}\right)$$

Từ (4) và (5), ta có hệ hai phương trình với $\text{a}$ và $\text{b}$:

1. $2\text{b}=3\text{a}–7$
2. $\text{a}+2\text{b}=5$

Thay $2\text{b}=3\text{a}–7$ vào phương trình (5): $$mtext>a\; mo+(\; mn3mtext>a\; mo-7\; mo)=5\; mo\Rightarrow \; mn4mtext>a\; mo=12\; mo\Rightarrow \; mtext>a\; mo=3$$

Thay $\text{a}=3$ vào phương trình $2\text{b}=3\text{a}–7$: $$mn2mtext>b\; mo=3\; mo(3)\; mo-7\; mo=9\; mo-7\; mo=2\; mo\Rightarrow \; mtext>b\; mo=1$$

Thay $\text{a}=3$ vào $\text{c}=\frac{\text{a}+1}{2}$: $$mtext>c\; mo=\; mfrac>mn3mo+1mn2mo=\; mfrac>42mo=2$$

Vậy, các hệ số là $\text{a}=3$, $\text{b}=1$, $\text{c}=2$.

Giải thích lý do: Sau khi đã cân bằng electron, phần còn lại của phản ứng liên quan đến các nguyên tố không thay đổi số oxi hóa (như N, H, O trong trường hợp này, vì NH3 và H2O đóng vai trò dung môi, chất tạo môi trường và tham gia vào sản phẩm). Việc cân bằng bằng phương pháp đại số đảm bảo rằng tổng số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế của phương trình là bằng nhau, tuân thủ định luật bảo toàn khối lượng. Cách này rất hiệu quả khi việc thử chọn thông thường trở nên phức tạp.

***

Bước 5: Viết phương trình phản ứng đã cân bằng hoàn chỉnh.

Thay các hệ số tìm được vào phương trình:

CH

₃

CHO
+
2
AgNO

₃

+
3
NH

₃

+
1
H

₂

O
→
CH

₃

COONH

₄

+
2
NH

₄

NO

₃

+
2
Ag

Chúng ta có thể bỏ số $1$ ở hệ số:

CH

₃

CHO
+
2
AgNO

₃

+
3
NH

₃

+
H

₂

O
→
CH

₃

COONH

₄

+
2
NH

₄

NO

₃

+
2
Ag

Kiểm tra lại:

• $\text{C}$: Trái $2$, Phải $2$. (Đã cân bằng)
• $\text{Ag}$: Trái $2$, Phải $2$. (Đã cân bằng)
• $\text{N}$: Trái $2$ (trong $2{\text{AgNO}}_3$) $+$ $3$ (trong $3{\text{NH}}_3$) $=$ $5$. Phải $1$ (trong ${\text{CH}}_3{\text{COONH}}_4$) $+$ $2\times 2$ (trong $2{\text{NH}}_4{\text{NO}}_3$) $=$ $1+4=5$. (Đã cân bằng)
• $\text{H}$: Trái $4$ (trong ${\text{CH}}_3\text{CHO}$) $+$ $3\times 3$ (trong $3{\text{NH}}_3$) $+$ $2\times 1$ (trong $1{\text{H}}_2\text{O}$) $=$ $4+9+2=15$. Phải $7$ (trong ${\text{CH}}_3{\text{COONH}}_4$) $+$ $4\times 2$ (trong $2{\text{NH}}_4{\text{NO}}_3$) $=$ $7+8=15$. (Đã cân bằng)
• $\text{O}$: Trái $1$ (trong ${\text{CH}}_3\text{CHO}$) $+$ $3\times 2$ (trong $2{\text{AgNO}}_3$) $+$ $1$ (trong $1{\text{H}}_2\text{O}$) $=$ $1+6+1=8$. Phải $2$ (trong ${\text{CH}}_3{\text{COONH}}_4$) $+$ $3\times 2$ (trong $2{\text{NH}}_4{\text{NO}}_3$) $=$ $2+6=8$. (Đã cân bằng)

Tất cả các nguyên tố đều đã cân bằng, vậy phương trình đã chính xác.

Hy vọng các em đã nắm rõ cách giải bài tập này. Chúc các em học tốt!