Chào các em học sinh yêu quý của cô! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một dạng bài tập hóa học quen thuộc nhưng đòi hỏi sự tỉ mỉ và chính xác: cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa – khử bằng phương pháp ion – electron. Bài tập của chúng ta hôm nay là: KMnO4 + K2SO3 + H2O = MnO2 + KOH + K2SO4.

Các em hãy nhớ lại kiến thức về phương pháp ion – electron mà chúng ta đã học nhé. Bước đầu tiên và quan trọng nhất là xác định các nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa trong phản ứng.

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

Chúng ta sẽ xét từng chất:
– Trong KMnO4: K có số oxi hóa là +1, O có số oxi hóa là -2. Vậy Mn có số oxi hóa là x. Ta có: \(+1 + x + 4 \times (-2) = 0\). Suy ra \(x = +7\). Vậy số oxi hóa của Mn trong KMnO4 là +7.
– Trong K2SO3: K có số oxi hóa là +1, O có số oxi hóa là -2. Vậy S có số oxi hóa là y. Ta có: \(2 \times (+1) + y + 3 \times (-2) = 0\). Suy ra \(y = +4\). Vậy số oxi hóa của S trong K2SO3 là +4.
– Trong H2O: H có số oxi hóa là +1, O có số oxi hóa là -2.
– Trong MnO2: O có số oxi hóa là -2. Vậy Mn có số oxi hóa là z. Ta có: \(z + 2 \times (-2) = 0\). Suy ra \(z = +4\). Vậy số oxi hóa của Mn trong MnO2 là +4.
– Trong KOH: K có số oxi hóa là +1, O có số oxi hóa là -2, H có số oxi hóa là +1.
– Trong K2SO4: K có số oxi hóa là +1, O có số oxi hóa là -2. Vậy S có số oxi hóa là t. Ta có: \(2 \times (+1) + t + 4 \times (-2) = 0\). Suy ra \(t = +6\). Vậy số oxi hóa của S trong K2SO4 là +6.

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

Qua việc xác định số oxi hóa, chúng ta thấy:
– Số oxi hóa của Mn thay đổi từ +7 (trong KMnO4) xuống +4 (trong MnO2). Đây là sự giảm số oxi hóa, do đó đây là quá trình khử.
– Số oxi hóa của S thay đổi từ +4 (trong K2SO3) lên +6 (trong K2SO4). Đây là sự tăng số oxi hóa, do đó đây là quá trình oxi hóa.

Bây giờ chúng ta sẽ viết bán phản ứng cho từng quá trình, có xét đến môi trường phản ứng. Môi trường ở đây là trung tính hoặc hơi kiềm do có sự xuất hiện của H2O và KOH được tạo ra.

Quá trình khử (Sự nhận electron):
Nguyên tử Mn trong KMnO4 đã nhận electron.
Ta có: \(Mn^{+7} \rightarrow Mn^{+4}\)
Để cân bằng số nguyên tử, ta có: \(Mn^{+7} \rightarrow Mn^{+4}\) (không cần cân bằng nguyên tử Mn vì đã là 1)
Để cân bằng điện tích, ta thêm electron: \(Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4}\)
Trong môi trường trung tính hoặc kiềm, chúng ta sẽ cân bằng nguyên tử O bằng cách thêm phân tử H2O và cân bằng điện tích bằng cách thêm ion OH-. Tuy nhiên, ở đây chúng ta có MnO2 là sản phẩm, ta có thể viết như sau:
\(KMnO_4 + … \rightarrow MnO_2 + …\)
Xem xét số nguyên tử Mn: đã cân bằng.
Số oxi hóa của Mn thay đổi từ +7 xuống +4, nghĩa là nhận 3 electron.
Trong môi trường trung tính hoặc hơi kiềm, chúng ta cần cân bằng nguyên tử O bằng nước và môi trường axit thì cân bằng bằng H+.
Ở đây, ta thấy có H2O ở vế trái và KOH ở vế phải.
Ta sẽ cân bằng bán phản ứng:
\(Mn^{+7} \rightarrow Mn^{+4}\)
Cân bằng nguyên tử Mn: đã cân bằng.
Cân bằng điện tích bằng electron: \(Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4}\)

Quá trình oxi hóa (Sự nhường electron):
Nguyên tử S trong K2SO3 đã nhường electron.
Ta có: \(S^{+4} \rightarrow S^{+6}\)
Để cân bằng số nguyên tử, ta có: \(S^{+4} \rightarrow S^{+6}\) (đã cân bằng nguyên tử S là 1)
Để cân bằng điện tích, ta thêm electron: \(S^{+4} \rightarrow S^{+6} + 2e^-\)

Bước 3: Cân bằng electron.

Để phương trình tổng cộng có electron bị triệt tiêu, số electron nhường phải bằng số electron nhận.
Số electron nhận trong quá trình khử là 3e-.
Số electron nhường trong quá trình oxi hóa là 2e-.
Bội số chung nhỏ nhất của 3 và 2 là 6.
Ta nhân quá trình khử với 2 và quá trình oxi hóa với 3.

Quá trình khử sau khi nhân: \(2 \times (Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4}) \implies 2Mn^{+7} + 6e^- \rightarrow 2Mn^{+4}\)
Quá trình oxi hóa sau khi nhân: \(3 \times (S^{+4} \rightarrow S^{+6} + 2e^-) \implies 3S^{+4} \rightarrow 3S^{+6} + 6e^-\)

Bước 4: Viết phương trình ion rút gọn và điền hệ số vào phương trình phân tử.

Bây giờ, chúng ta sẽ đưa các ion tương ứng vào các bán phản ứng để có phương trình ion rút gọn.
Từ quá trình khử: \(2Mn^{+7} + 6e^- \rightarrow 2Mn^{+4}\)
Trong phương trình gốc, \(Mn^{+7}\) có trong \(KMnO_4\). Sản phẩm là \(MnO_2\).
Do đó, ta có thể xem xét bán phản ứng ở dạng phân tử hơn:
\(2KMnO_4 \rightarrow 2MnO_2\) (chưa cân bằng điện tích và các nguyên tố khác)

Từ quá trình oxi hóa: \(3S^{+4} \rightarrow 3S^{+6} + 6e^-\)
Trong phương trình gốc, \(S^{+4}\) có trong \(K_2SO_3\). Sản phẩm là \(K_2SO_4\).
Ta có thể xem xét bán phản ứng ở dạng phân tử hơn:
\(3K_2SO_3 \rightarrow 3K_2SO_4\) (chưa cân bằng)

Bây giờ chúng ta sẽ kết hợp hai quá trình đã cân bằng electron và điền vào phương trình phân tử.
Ta có hệ số 2 cho các chất chứa Mn và hệ số 3 cho các chất chứa S.

Phương trình ban đầu: KMnO4 + K2SO3 + H2O = MnO2 + KOH + K2SO4

Dựa vào hệ số từ bước 3, ta điền hệ số 2 cho KMnO4 và MnO2, hệ số 3 cho K2SO3 và K2SO4:
2KMnO4 + 3K2SO3 + H2O = 2MnO2 + KOH + 3K2SO4

Bây giờ chúng ta cần cân bằng các nguyên tố còn lại, đặc biệt là K, O, H.
– Cân bằng nguyên tử K:
Vế trái: 2 K (trong 2KMnO4) + 3 * 2 K (trong 3K2SO3) = 2 + 6 = 8 K.
Vế phải: X K (trong KOH) + 3 * 2 K (trong 3K2SO4) = X + 6 K.
Vậy ta cần \(8 = X + 6\), suy ra \(X = 2\). Ta điền hệ số 2 cho KOH.

Phương trình tạm thời: 2KMnO4 + 3K2SO3 + H2O = 2MnO2 + 2KOH + 3K2SO4

– Cân bằng nguyên tử O:
Vế trái: 2 4 O (trong 2KMnO4) + 3 3 O (trong 3K2SO3) + Y O (trong H2O) = 8 + 9 + Y = 17 + Y.
Vế phải: 2 2 O (trong 2MnO2) + 2 1 O (trong 2KOH) + 3 * 4 O (trong 3K2SO4) = 4 + 2 + 12 = 18.
Ta cần \(17 + Y = 18\), suy ra \(Y = 1\). Ta điền hệ số 1 cho H2O.

Phương trình cuối cùng: 2KMnO4 + 3K2SO3 + 1H2O = 2MnO2 + 2KOH + 3K2SO4

Bước 5: Kiểm tra lại.

Hãy cùng kiểm tra lại xem các nguyên tố đã cân bằng chưa:
– K: Vế trái: 2 + 3*2 = 8. Vế phải: 2 + 3*2 = 8. (Cân bằng)
– Mn: Vế trái: 2. Vế phải: 2. (Cân bằng)
– S: Vế trái: 3. Vế phải: 3. (Cân bằng)
– O: Vế trái: 2*4 + 3*3 + 1*1 = 8 + 9 + 1 = 18. Vế phải: 2*2 + 2*1 + 3*4 = 4 + 2 + 12 = 18. (Cân bằng)
– H: Vế trái: 1*2 = 2. Vế phải: 2*1 = 2. (Cân bằng)

Vậy phương trình đã được cân bằng chính xác.

Kết luận:

Phương trình hóa học đã cân bằng là:
2KMnO4 + 3K2SO3 + H2O = 2MnO2 + 2KOH + 3K2SO4

Qua bài tập này, cô hy vọng các em đã nắm vững hơn cách cân bằng phương trình oxi hóa – khử bằng phương pháp ion – electron. Hãy luôn nhớ luyện tập thường xuyên để kỹ năng của mình ngày càng tiến bộ nhé! Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại hỏi cô. Chúc các em học tốt!