Xin chào các em học sinh yêu quý! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau ôn luyện và củng cố kiến thức về một trong những dạng bài tập quan trọng nhất của Hóa học lớp 10: Cân bằng phản ứng oxi hóa – khử. Đây là dạng bài thường xuyên xuất hiện trong các bài kiểm tra, bài thi, và là nền tảng để các em hiểu sâu hơn về các quá trình hóa học.

Để cân bằng một phản ứng oxi hóa – khử, chúng ta sẽ áp dụng phương pháp thăng bằng electron (hay còn gọi là phương pháp bảo toàn electron). Phương pháp này dựa trên nguyên tắc tổng số electron mà chất khử nhường phải bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận.

Các bước thực hiện như sau:

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

Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa (nhường electron) và quá trình khử (nhận electron).

Bước 3: Cân bằng số electron cho và nhận bằng cách nhân các quá trình với hệ số thích hợp.

Bước 4: Đặt các hệ số đã tìm được vào phương trình phản ứng.

Bước 5: Cân bằng các nguyên tố còn lại (thường là kim loại, phi kim, gốc axit, sau đó đến H và O).

Bây giờ, chúng ta hãy cùng nhau giải quyết ba bài tập cụ thể nhé!

—

Bài tập 1: Cân bằng phản ứng

\[Ca_3(PO_4)_2 + SiO_2 + C \rightarrow P_4 + CaSiO_3 + CO\]

Lời giải chi tiết:

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

• Trong \(Ca_3(PO_4)_2\): Ca có số oxi hóa là \(+2\), O có số oxi hóa là \(-2\). Vì tổng số oxi hóa trong phân tử bằng 0, ta có \(3 \times (+2) + 2 \times P + 2 \times 4 \times (-2) = 0 \Rightarrow 6 + 2P – 16 = 0 \Rightarrow 2P = 10 \Rightarrow P = +5\).
• Trong \(C\) (đơn chất): C có số oxi hóa là \(0\).
• Trong \(P_4\) (đơn chất): P có số oxi hóa là \(0\).
• Trong \(CO\): O có số oxi hóa là \(-2\). Do đó, C có số oxi hóa là \(+2\).
• Các nguyên tố còn lại như Ca, Si, O không thay đổi số oxi hóa (Si trong \(SiO_2\) và \(CaSiO_3\) đều là \(+4\)).
  
  (Giải thích: Chúng ta chỉ cần tập trung vào những nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa để xác định chất khử và chất oxi hóa. Các nguyên tố còn lại sẽ được cân bằng sau).

Vậy các nguyên tố thay đổi số oxi hóa là:

• P: từ \(+5\) (trong \(Ca_3(PO_4)_2\)) xuống \(0\) (trong \(P_4\)).
• C: từ \(0\) (trong \(C\)) lên \(+2\) (trong \(CO\)).

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

• Quá trình khử: Nguyên tố P giảm số oxi hóa từ \(+5\) xuống \(0\).

  \[P^{+5} + 5e^- \rightarrow P^0\]

  (Giải thích: Mỗi nguyên tử P nhận 5 electron để giảm số oxi hóa từ +5 xuống 0.)
  
  Vì sản phẩm là \(P_4\), ta cần 4 nguyên tử P tham gia quá trình khử:

  \[4P^{+5} + 20e^- \rightarrow P_4^0\]

  (Giải thích: Vì sản phẩm có 4 nguyên tử P trong một phân tử (P4), chúng ta nhân cả quá trình với 4 để cân bằng số nguyên tử P và tổng số electron nhận được.)

• Quá trình oxi hóa: Nguyên tố C tăng số oxi hóa từ \(0\) lên \(+2\).

  \[C^0 – 2e^- \rightarrow C^{+2}\]

  (Giải thích: Mỗi nguyên tử C nhường 2 electron để tăng số oxi hóa từ 0 lên +2.)

Bước 3: Cân bằng số electron cho và nhận.

• Số electron nhận: \(20e^-\)
• Số electron nhường: \(2e^-\)
• Bội số chung nhỏ nhất của 20 và 2 là 20.
  
  (Giải thích: Để tổng số electron cho bằng tổng số electron nhận, chúng ta tìm bội số chung nhỏ nhất và nhân các quá trình với hệ số tương ứng.)
• Nhân quá trình khử với 1:

  \[4P^{+5} + 20e^- \rightarrow P_4^0\]

• Nhân quá trình oxi hóa với 10:

  \[10C^0 – 20e^- \rightarrow 10C^{+2}\]

Bước 4: Đặt các hệ số đã tìm được vào phương trình phản ứng.

• Từ \(4P^{+5}\) mà \(Ca_3(PO_4)_2\) có 2P, nên hệ số của \(Ca_3(PO_4)_2\) là \(4/2 = 2\).
• Hệ số của \(C\) là 10.
• Hệ số của \(P_4\) là 1.
• Hệ số của \(CO\) là 10.

Ta được phương trình tạm thời:

\[2Ca_3(PO_4)_2 + SiO_2 + 10C \rightarrow P_4 + CaSiO_3 + 10CO\]

Bước 5: Cân bằng các nguyên tố còn lại.

• Cân bằng Ca:
  
  Vế trái có \(2 \times 3 = 6\) nguyên tử Ca (trong \(2Ca_3(PO_4)_2\)).
  
  Vế phải hiện có 1 nguyên tử Ca (trong \(CaSiO_3\)).
  
  Để cân bằng Ca, ta đặt hệ số 6 cho \(CaSiO_3\).

  \[2Ca_3(PO_4)_2 + SiO_2 + 10C \rightarrow P_4 + 6CaSiO_3 + 10CO\]

• Cân bằng Si:
  
  Vế phải có \(6 \times 1 = 6\) nguyên tử Si (trong \(6CaSiO_3\)).
  
  Vế trái hiện có 1 nguyên tử Si (trong \(SiO_2\)).
  
  Để cân bằng Si, ta đặt hệ số 6 cho \(SiO_2\).

  \[2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \rightarrow P_4 + 6CaSiO_3 + 10CO\]

• Kiểm tra các nguyên tố khác (P, C, O):
  • P: Vế trái \(2 \times 2 = 4\) P. Vế phải 4 P (trong \(P_4\)). Đã cân bằng.
  • C: Vế trái 10 C. Vế phải 10 C (trong \(10CO\)). Đã cân bằng.
  • O:
    
    Vế trái: \(2 \times 4 \times 2 (từ Ca_3(PO_4)_2) + 6 \times 2 (từ SiO_2) = 16 + 12 = 28\) O.
    
    Vế phải: \(6 \times 3 (từ CaSiO_3) + 10 \times 1 (từ CO) = 18 + 10 = 28\) O.
    
    O đã cân bằng.

Vậy, phương trình phản ứng đã cân bằng là:

\[2Ca_3(PO_4)_2 + 6SiO_2 + 10C \rightarrow P_4 + 6CaSiO_3 + 10CO\]

—

Bài tập 2: Cân bằng phản ứng

\[H_2C_2O_4 + KMnO_4 + H_2SO_4 \rightarrow CO_2 + K_2SO_4 + MnSO_4 + H_2O\]

Lời giải chi tiết:

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

• Trong \(H_2C_2O_4\): H là \(+1\), O là \(-2\). Ta có \(2 \times (+1) + 2 \times C + 4 \times (-2) = 0 \Rightarrow 2 + 2C – 8 = 0 \Rightarrow 2C = 6 \Rightarrow C = +3\).
• Trong \(KMnO_4\): K là \(+1\), O là \(-2\). Ta có \(+1 + Mn + 4 \times (-2) = 0 \Rightarrow Mn – 7 = 0 \Rightarrow Mn = +7\).
• Trong \(CO_2\): O là \(-2\). Ta có \(C + 2 \times (-2) = 0 \Rightarrow C = +4\).
• Trong \(MnSO_4\): \(SO_4^{2-}\) có S là \(+6\), O là \(-2\). Do đó, Mn có số oxi hóa là \(+2\).
• Các nguyên tố H, K, S, O còn lại không thay đổi số oxi hóa.
  
  (Giải thích: Tương tự bài 1, chúng ta chỉ cần tập trung vào các nguyên tố thay đổi số oxi hóa để thiết lập các quá trình oxi hóa-khử.)

Vậy các nguyên tố thay đổi số oxi hóa là:

• C: từ \(+3\) (trong \(H_2C_2O_4\)) lên \(+4\) (trong \(CO_2\)).
• Mn: từ \(+7\) (trong \(KMnO_4\)) xuống \(+2\) (trong \(MnSO_4\)).

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

• Quá trình oxi hóa: Nguyên tố C tăng số oxi hóa từ \(+3\) lên \(+4\).

  \[C_2^{+3} – 2e^- \rightarrow 2C^{+4}\]

  (Giải thích: Trong \(H_2C_2O_4\) có 2 nguyên tử C, mỗi nguyên tử C tăng 1 số oxi hóa (từ +3 lên +4), vậy tổng cộng 2 nguyên tử C nhường 2 electron.)

• Quá trình khử: Nguyên tố Mn giảm số oxi hóa từ \(+7\) xuống \(+2\).

  \[Mn^{+7} + 5e^- \rightarrow Mn^{+2}\]

  (Giải thích: Mỗi nguyên tử Mn nhận 5 electron để giảm số oxi hóa từ +7 xuống +2.)

Bước 3: Cân bằng số electron cho và nhận.

• Số electron nhường: \(2e^-\)
• Số electron nhận: \(5e^-\)
• Bội số chung nhỏ nhất của 2 và 5 là 10.
• Nhân quá trình oxi hóa với 5:

  \[5C_2^{+3} – 10e^- \rightarrow 10C^{+4}\]

• Nhân quá trình khử với 2:

  \[2Mn^{+7} + 10e^- \rightarrow 2Mn^{+2}\]

Bước 4: Đặt các hệ số đã tìm được vào phương trình phản ứng.

• Từ \(5C_2^{+3}\) ta có 5 phân tử \(H_2C_2O_4\).
• Từ \(10C^{+4}\) ta có 10 phân tử \(CO_2\).
• Từ \(2Mn^{+7}\) ta có 2 phân tử \(KMnO_4\).
• Từ \(2Mn^{+2}\) ta có 2 phân tử \(MnSO_4\).

Ta được phương trình tạm thời:

\[5H_2C_2O_4 + 2KMnO_4 + H_2SO_4 \rightarrow 10CO_2 + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + H_2O\]

Bước 5: Cân bằng các nguyên tố còn lại.

• Cân bằng K:
  
  Vế trái có \(2 \times 1 = 2\) nguyên tử K (trong \(2KMnO_4\)).
  
  Vế phải hiện có 2 nguyên tử K (trong \(K_2SO_4\)). Đã cân bằng.
• Cân bằng S (trong gốc \(SO_4^{2-}\)):
  
  Vế phải có 1 S (trong \(K_2SO_4\)) + 2 S (trong \(2MnSO_4\)) = 3 nguyên tử S.
  
  Vế trái hiện có 1 S (trong \(H_2SO_4\)).
  
  Để cân bằng S, ta đặt hệ số 3 cho \(H_2SO_4\).

  \[5H_2C_2O_4 + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 10CO_2 + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + H_2O\]

• Cân bằng H:
  
  Vế trái có \(5 \times 2 (từ H_2C_2O_4) + 3 \times 2 (từ H_2SO_4) = 10 + 6 = 16\) nguyên tử H.
  
  Vế phải hiện có 2 nguyên tử H (trong \(H_2O\)).
  
  Để cân bằng H, ta đặt hệ số 8 cho \(H_2O\).

  \[5H_2C_2O_4 + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 10CO_2 + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 8H_2O\]

• Kiểm tra nguyên tố O:
  
  Vế trái: \(5 \times 4 (từ H_2C_2O_4) + 2 \times 4 (từ KMnO_4) + 3 \times 4 (từ H_2SO_4) = 20 + 8 + 12 = 40\) O.
  
  Vế phải: \(10 \times 2 (từ CO_2) + 4 (từ K_2SO_4) + 2 \times 4 (từ MnSO_4) + 8 \times 1 (từ H_2O) = 20 + 4 + 8 + 8 = 40\) O.
  
  O đã cân bằng.

Vậy, phương trình phản ứng đã cân bằng là:

\[5H_2C_2O_4 + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 10CO_2 + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 8H_2O\]

—

Bài tập 3: Cân bằng phản ứng

\[Cu + NaNO_3 + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + Na_2SO_4 + NO + H_2O\]

Lời giải chi tiết:

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

• Trong \(Cu\) (đơn chất): Cu có số oxi hóa là \(0\).
• Trong \(NaNO_3\): Na là \(+1\), O là \(-2\). Ta có \(+1 + N + 3 \times (-2) = 0 \Rightarrow N – 5 = 0 \Rightarrow N = +5\).
• Trong \(CuSO_4\): \(SO_4^{2-}\) có S là \(+6\), O là \(-2\). Do đó, Cu có số oxi hóa là \(+2\).
• Trong \(NO\): O là \(-2\). Do đó, N có số oxi hóa là \(+2\).
• Các nguyên tố Na, H, S, O còn lại không thay đổi số oxi hóa.
  
  (Giải thích: Các nguyên tố này giữ nguyên số oxi hóa ở cả chất phản ứng và sản phẩm, không tham gia vào quá trình oxi hóa-khử.)

Vậy các nguyên tố thay đổi số oxi hóa là:

• Cu: từ \(0\) lên \(+2\).
• N: từ \(+5\) (trong \(NaNO_3\)) xuống \(+2\) (trong \(NO\)).

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

• Quá trình oxi hóa: Nguyên tố Cu tăng số oxi hóa từ \(0\) lên \(+2\).

  \[Cu^0 – 2e^- \rightarrow Cu^{+2}\]

  (Giải thích: Mỗi nguyên tử Cu nhường 2 electron để tăng số oxi hóa từ 0 lên +2.)

• Quá trình khử: Nguyên tố N giảm số oxi hóa từ \(+5\) xuống \(+2\).

  \[N^{+5} + 3e^- \rightarrow N^{+2}\]

  (Giải thích: Mỗi nguyên tử N nhận 3 electron để giảm số oxi hóa từ +5 xuống +2.)

Bước 3: Cân bằng số electron cho và nhận.

• Số electron nhường: \(2e^-\)
• Số electron nhận: \(3e^-\)
• Bội số chung nhỏ nhất của 2 và 3 là 6.
• Nhân quá trình oxi hóa với 3:

  \[3Cu^0 – 6e^- \rightarrow 3Cu^{+2}\]

• Nhân quá trình khử với 2:

  \[2N^{+5} + 6e^- \rightarrow 2N^{+2}\]

Bước 4: Đặt các hệ số đã tìm được vào phương trình phản ứng.

• Từ \(3Cu^0\) ta có 3 phân tử Cu.
• Từ \(3Cu^{+2}\) ta có 3 phân tử \(CuSO_4\).
• Từ \(2N^{+5}\) ta có 2 phân tử \(NaNO_3\).
• Từ \(2N^{+2}\) ta có 2 phân tử \(NO\).

Ta được phương trình tạm thời:

\[3Cu + 2NaNO_3 + H_2SO_4 \rightarrow 3CuSO_4 + Na_2SO_4 + 2NO + H_2O\]

Bước 5: Cân bằng các nguyên tố còn lại.

• Cân bằng Na:
  
  Vế trái có \(2 \times 1 = 2\) nguyên tử Na (trong \(2NaNO_3\)).
  
  Vế phải hiện có 2 nguyên tử Na (trong \(Na_2SO_4\)). Đã cân bằng.
• Cân bằng S (trong gốc \(SO_4^{2-}\)):
  
  Vế phải có 3 S (trong \(3CuSO_4\)) + 1 S (trong \(Na_2SO_4\)) = 4 nguyên tử S.
  
  Vế trái hiện có 1 S (trong \(H_2SO_4\)).
  
  Để cân bằng S, ta đặt hệ số 4 cho \(H_2SO_4\).

  \[3Cu + 2NaNO_3 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3CuSO_4 + Na_2SO_4 + 2NO + H_2O\]

• Cân bằng H:
  
  Vế trái có \(4 \times 2 = 8\) nguyên tử H (trong \(4H_2SO_4\)).
  
  Vế phải hiện có 2 nguyên tử H (trong \(H_2O\)).
  
  Để cân bằng H, ta đặt hệ số 4 cho \(H_2O\).

  \[3Cu + 2NaNO_3 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3CuSO_4 + Na_2SO_4 + 2NO + 4H_2O\]

• Kiểm tra nguyên tố O:
  
  Vế trái: \(2 \times 3 (từ NaNO_3) + 4 \times 4 (từ H_2SO_4) = 6 + 16 = 22\) O.
  
  Vế phải: \(3 \times 4 (từ CuSO_4) + 4 (từ Na_2SO_4) + 2 \times 1 (từ NO) + 4 \times 1 (từ H_2O) = 12 + 4 + 2 + 4 = 22\) O.
  
  O đã cân bằng.

Vậy, phương trình phản ứng đã cân bằng là:

\[3Cu + 2NaNO_3 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3CuSO_4 + Na_2SO_4 + 2NO + 4H_2O\]

—

Hy vọng qua ba ví dụ trên, các em đã nắm vững hơn phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa – khử bằng phương pháp thăng bằng electron. Hãy nhớ rằng, việc thực hành thường xuyên sẽ giúp các em thành thạo dạng bài này. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại hỏi thầy nhé!