Xin chào các em, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập cân bằng phản ứng oxi hóa khử khá thú vị. Cô sẽ hướng dẫn các em từng bước để giải quyết bài toán này một cách dễ dàng nhất.

Phản ứng đã cho là: Fe + HNO3 => Fe(NO3)3 + NO + NO2 + H2O
Đặc biệt, chúng ta có thêm thông tin tỉ lệ mol: NO : NO2 = 1 : 2

a) Cân bằng phản ứng oxi hoá khử trên?

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong phản ứng.
Cô nhắc lại một số quy tắc cơ bản để xác định số oxi hóa:

• Số oxi hóa của các đơn chất bằng 0.
• Số oxi hóa của H trong hầu hết các hợp chất là +1 (trừ hidrua kim loại).
• Số oxi hóa của O trong hầu hết các hợp chất là -2 (trừ peoxit và hợp chất với Flo).
• Số oxi hóa của các ion đơn nguyên tử bằng điện tích của ion đó.
• Trong một phân tử hoặc ion trung hòa, tổng số oxi hóa của các nguyên tố bằng 0.
• Trong một ion đa nguyên tử, tổng số oxi hóa của các nguyên tố bằng điện tích của ion đó.

Áp dụng các quy tắc này, ta có:

• Trong Fe: Số oxi hóa là 0.
• Trong HNO3: H là +1, O là -2, vậy N có số oxi hóa là +5. (Ta có: (+1) + N + 3*(-2) = 0 => N = +5)
• Trong Fe(NO3)3: Fe là số oxi hóa dương (thường là số oxi hóa cao nhất của kim loại). Ion NO3- có điện tích -1. Vậy Fe có số oxi hóa là +3.
• Trong NO: O là -2, vậy N có số oxi hóa là +2. (Ta có: N + (-2) = 0 => N = +2)
• Trong NO2: O là -2, vậy N có số oxi hóa là +4. (Ta có: N + 2*(-2) = 0 => N = +4)
• Trong H2O: H là +1, O là -2.

Vậy, ta có các số oxi hóa như sau:
Fe (0) + HNO3 (+1, +5, -2) => Fe(NO3)3 (+3, +5, -2) + NO (+2, -2) + NO2 (+4, -2) + H2O (+1, -2)

Bước 2: Xác định quá trình oxi hóa và quá trình khử.
Quá trình oxi hóa là quá trình số oxi hóa của một nguyên tố tăng lên.
Quá trình khử là quá trình số oxi hóa của một nguyên tố giảm xuống.
Trong phản ứng này:

• Nguyên tố Fe có số oxi hóa từ 0 lên +3. Vậy Fe là chất khử, bị oxi hóa.
• Nguyên tố N trong HNO3 có số oxi hóa từ +5 xuống +2 (trong NO) và xuống +4 (trong NO2). Vậy N trong HNO3 là chất oxi hóa, bị khử.

Ta viết các bán phản ứng:
*Quá trình oxi hóa:
Fe0 -> Fe+3 + 3e

*Quá trình khử:
Nguyên tố N có hai số oxi hóa sau phản ứng là +2 và +4, với tỉ lệ mol NO : NO2 = 1 : 2. Điều này có nghĩa là cứ 1 phân tử NO tạo ra thì có 2 phân tử NO2 tạo ra. Hay tỉ lệ số mol của N+2 và N+4 là 1:2.
Ta có thể biểu diễn quá trình khử theo hai hướng:
N+5 + 3e -> N+2
N+5 + 1e -> N+4

Bước 3: Tìm bội chung nhỏ nhất (BCNN) của số electron.
Để cân bằng phản ứng này, ta có thể sử dụng phương pháp đại số hoặc phương pháp thăng bằng electron kết hợp với thông tin tỉ lệ mol.
Chúng ta sẽ sử dụng phương pháp thăng bằng electron kết hợp với thông tin tỉ lệ mol đã cho.

Vì tỉ lệ NO : NO2 = 1 : 2, ta có thể coi như trong một “đơn vị” phản ứng, ta tạo ra 1 phân tử NO và 2 phân tử NO2.
Số mol electron nhường khi tạo ra 1 phân tử NO: 1 phân tử Fe nhường 3 electron.
Số mol electron nhận để tạo ra 1 phân tử NO: N+5 nhận 3 electron để thành N+2.
Số mol electron nhận để tạo ra 2 phân tử NO2: N+5 nhận 1 electron để thành N+4. Vậy, để tạo ra 2 phân tử NO2, cần 2 * 1 = 2 electron.

Tổng số electron mà N+5 nhận để tạo ra 1 phân tử NO và 2 phân tử NO2 là: 3 (cho NO) + 2 (cho NO2) = 5 electron.

Bây giờ, ta cân bằng số electron nhường và nhận:
Số electron nhường: 3 (từ Fe)
Số electron nhận: 5 (từ N+5)
BCNN(3, 5) = 15.

Bước 4: Nhân hệ số vào các phân tử.
Để có 15 electron nhường, ta cần nhân quá trình oxi hóa với 15/3 = 5.
5 Fe -> 5 Fe+3 + 15e
Để có 15 electron nhận, ta cần nhân quá trình khử với 15/5 = 3.
3 N+5 + 15e -> (1 NO) + (2 NO2)
Tuy nhiên, ta cần phân bổ số mol của N+5 cho từng sản phẩm NO và NO2 theo tỉ lệ đã cho.
Tỉ lệ sản phẩm tạo thành là 1 NO và 2 NO2.
Vậy, ta cần 3 nguyên tử N+5 tham gia vào quá trình khử.
Số mol của Fe tham gia phản ứng là 5.

Ta sẽ sử dụng hệ số tỉ lệ 1:2 cho NO và NO2 để xác định hệ số của HNO3.
Nếu ta có 5 nguyên tử Fe, số nguyên tử Fe trong Fe(NO3)3 là 5.
Nếu tỉ lệ NO:NO2 = 1:2, ta có thể coi là có 1 phần NO và 2 phần NO2.
Cân bằng electron đã cho ta hệ số 5 cho Fe và hệ số chung cho quá trình tạo ra NO và NO2 là 3.
Ta cần 3 nguyên tử N+5 tham gia vào quá trình khử.
Theo tỉ lệ NO : NO2 = 1 : 2, ta sẽ cần 1 nguyên tử N cho NO và 2 nguyên tử N cho NO2.
Vậy, hệ số cho NO sẽ là 1 và hệ số cho NO2 sẽ là 2.

Bây giờ ta sẽ thử nghiệm với các hệ số:
5 Fe + x HNO3 -> 5 Fe(NO3)3 + 1 NO + 2 NO2 + y H2O

Bước 5: Cân bằng nguyên tố Nitơ (N).
Số nguyên tử N ở vế trái là x.
Số nguyên tử N ở vế phải:
Trong Fe(NO3)3: 5 * 3 = 15 nguyên tử N.
Trong NO: 1 nguyên tử N.
Trong NO2: 2 nguyên tử N.
Tổng số nguyên tử N ở vế phải là: 15 + 1 + 2 = 18 nguyên tử N.
Vậy, x = 18.
Phản ứng có dạng: 5 Fe + 18 HNO3 -> 5 Fe(NO3)3 + 1 NO + 2 NO2 + y H2O

Bước 6: Cân bằng nguyên tố Hydro (H).
Số nguyên tử H ở vế trái là 18.
Số nguyên tử H ở vế phải là 2y.
Vậy, 2y = 18 => y = 9.
Phản ứng có dạng: 5 Fe + 18 HNO3 -> 5 Fe(NO3)3 + 1 NO + 2 NO2 + 9 H2O

Bước 7: Kiểm tra lại số nguyên tử Oxi (O).
Số nguyên tử O ở vế trái: 18 * 3 = 54.
Số nguyên tử O ở vế phải:
Trong Fe(NO3)3: 5 3 3 = 45.
Trong NO: 1 * 1 = 1.
Trong NO2: 2 * 2 = 4.
Trong H2O: 9 * 1 = 9.
Tổng số nguyên tử O ở vế phải: 45 + 1 + 4 + 9 = 59.
Số nguyên tử O ở hai vế chưa bằng nhau. Điều này cho thấy chúng ta cần điều chỉnh lại cách áp dụng tỉ lệ mol.

Cô xin lỗi các em, cô đã có một chút nhầm lẫn trong việc áp dụng tỉ lệ mol ngay từ đầu. Chúng ta sẽ quay lại bước 3 và áp dụng một cách chính xác hơn.

Bước 3 (Sửa lại): Tìm hệ số cân bằng dựa trên electron và tỉ lệ mol.
Chúng ta đã xác định được:
Fe từ 0 lên +3, nhường 3e.
N từ +5 xuống +2, nhận 3e.
N từ +5 xuống +4, nhận 1e.

Tỉ lệ mol sản phẩm NO : NO2 = 1 : 2.
Ta có thể biểu diễn tổng quát:
5 Fe + x HNO3 -> 5 Fe(NO3)3 + a NO + b NO2 + y H2O
Với b = 2a (theo tỉ lệ NO:NO2 = 1:2)

Cân bằng electron:
Số electron nhường bởi 5 Fe: 5 * 3 = 15e.
Số electron nhận bởi a NO: a * 3e.
Số electron nhận bởi b NO2: b * 1e.
Tổng electron nhận: 3a + b = 15.
Thay b = 2a vào phương trình:
3a + 2a = 15
5a = 15
a = 3.
Vậy, hệ số của NO là 3.
Hệ số của NO2 là b = 2a = 2 * 3 = 6.

Vậy là chúng ta có:
5 Fe + x HNO3 -> 5 Fe(NO3)3 + 3 NO + 6 NO2 + y H2O

Bước 4 (Sửa lại): Cân bằng nguyên tố Nitơ (N).
Số nguyên tử N ở vế trái là x.
Số nguyên tử N ở vế phải:
Trong Fe(NO3)3: 5 * 3 = 15 nguyên tử N.
Trong NO: 3 * 1 = 3 nguyên tử N.
Trong NO2: 6 * 1 = 6 nguyên tử N.
Tổng số nguyên tử N ở vế phải là: 15 + 3 + 6 = 24 nguyên tử N.
Vậy, x = 24.
Phản ứng có dạng: 5 Fe + 24 HNO3 -> 5 Fe(NO3)3 + 3 NO + 6 NO2 + y H2O

Bước 5 (Sửa lại): Cân bằng nguyên tố Hydro (H).
Số nguyên tử H ở vế trái là 24.
Số nguyên tử H ở vế phải là 2y.
Vậy, 2y = 24 => y = 12.
Phản ứng có dạng: 5 Fe + 24 HNO3 -> 5 Fe(NO3)3 + 3 NO + 6 NO2 + 12 H2O

Bước 6 (Sửa lại): Kiểm tra lại số nguyên tử Oxi (O).
Số nguyên tử O ở vế trái: 24 * 3 = 72.
Số nguyên tử O ở vế phải:
Trong Fe(NO3)3: 5 3 3 = 45.
Trong NO: 3 * 1 = 3.
Trong NO2: 6 * 2 = 12.
Trong H2O: 12 * 1 = 12.
Tổng số nguyên tử O ở vế phải: 45 + 3 + 12 + 12 = 72.
Số nguyên tử O ở hai vế đã bằng nhau. Vậy phản ứng đã được cân bằng.

Phản ứng cân bằng là: 5 Fe + 24 HNO3 -> 5 Fe(NO3)3 + 3 NO + 6 NO2 + 12 H2O

b) Cho biết số phân tử chất khử, số phân tử chất oxi hoá, chất môi trường?

Chất khử là chất bị oxi hóa, nghĩa là số oxi hóa của nguyên tố trong chất đó tăng lên. Trong phản ứng này, Fe có số oxi hóa từ 0 lên +3. Vậy, Fe là chất khử.
Số phân tử chất khử là hệ số của Fe trong phương trình cân bằng, đó là 5 phân tử.

Chất oxi hóa là chất bị khử, nghĩa là số oxi hóa của nguyên tố trong chất đó giảm xuống. Trong phản ứng này, nguyên tố N trong HNO3 có số oxi hóa từ +5 xuống +2 (trong NO) và +4 (trong NO2). Vậy, HNO3 là chất oxi hóa.
Số phân tử chất oxi hóa là hệ số của HNO3 trong phương trình cân bằng, đó là 24 phân tử.

Chất môi trường là chất tham gia vào phản ứng oxi hóa khử nhưng không thay đổi số oxi hóa. Tuy nhiên, trong các phản ứng oxi hóa khử với HNO3 hoặc H2SO4 đặc, axit thường được coi là môi trường phản ứng vì nó cung cấp môi trường axit cho phản ứng và nguyên tố N (trong HNO3) hoặc S (trong H2SO4) là nguyên tố trung tâm của quá trình oxi hóa khử. Trong trường hợp này, mặc dù N trong HNO3 bị biến đổi số oxi hóa, nhưng nếu xét vai trò của phân tử HNO3 nói chung, nó vừa là chất oxi hóa vừa cung cấp môi trường axit. Tuy nhiên, theo cách hiểu phổ biến trong chương trình Hóa học lớp 10, chất môi trường thường là chất mà một trong các nguyên tố của nó thay đổi số oxi hóa. Trong các bài tập cân bằng oxi hóa khử, chúng ta thường tập trung vào việc xác định chất khử, chất oxi hóa và sản phẩm.

Trong trường hợp này, HNO3 đóng vai trò vừa là chất oxi hóa (do nguyên tố N từ +5 xuống +2 và +4) vừa là chất tham gia cung cấp gốc NO3- cho muối Fe(NO3)3. Nước (H2O) là sản phẩm của phản ứng.
Nếu xét theo định nghĩa chặt chẽ, không có chất nào chỉ đóng vai trò là “chất môi trường” mà không tham gia vào quá trình trao đổi electron. Tuy nhiên, nếu câu hỏi muốn hỏi về các thành phần tham gia phản ứng, thì:

• Chất khử: Fe (5 phân tử)
• Chất oxi hóa: HNO3 (24 phân tử)
• Các chất còn lại trong phản ứng là sản phẩm hoặc tham gia vào quá trình oxi hóa khử.

Trong một số tài liệu, có thể coi HNO3 là chất oxi hóa và môi trường phản ứng do nó cung cấp ion H+ cho phản ứng. Nhưng để rõ ràng nhất trong phạm vi bài tập này, ta xác định:

• Số phân tử chất khử: 5
• Số phân tử chất oxi hoá: 24
• Chất môi trường: Trong phản ứng này, HNO3 vừa là chất oxi hóa, vừa tạo môi trường axit. Nếu cần chỉ ra một chất đóng vai trò “môi trường” thì HNO3 là ứng viên phù hợp nhất.

Tuy nhiên, cô lưu ý các em rằng khái niệm “chất môi trường” đôi khi có thể gây nhầm lẫn. Trong các bài tập cân bằng oxi hóa khử, trọng tâm chính là xác định chất khử và chất oxi hóa.

Hy vọng với những giải thích chi tiết này, các em đã hiểu rõ cách cân bằng phản ứng oxi hóa khử và xác định các thành phần trong phản ứng. Nếu có bất kỳ câu hỏi nào, đừng ngần ngại hỏi cô nhé!