Chào các em, cô rất vui được cùng các em giải quyết một bài tập cân bằng phản ứng oxi hóa-khử rất hay và tổng quát trong chương trình Hóa học 10. Dạng bài này sẽ giúp các em nắm vững bản chất của sự thay đổi số oxi hóa và phương pháp thăng bằng electron.

Chúng ta sẽ sử dụng phương pháp thăng bằng electron. Đây là phương pháp cốt lõi để cân bằng các phản ứng oxi hóa-khử phức tạp, dựa trên nguyên tắc: tổng số electron mà chất khử nhường bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận.

Bây giờ, chúng ta sẽ đi vào giải chi tiết bài toán.

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

  Trước hết, ta cần xác định đúng công thức của các chất. Magie (Mg) là kim loại nhóm IIA, nên trong hợp chất muối nó luôn có hóa trị II. Vậy công thức đúng của muối là Mg(NO₃)₂. Phương trình của chúng ta có dạng tổng quát:
  Mg + HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + N_xO_y + H₂O

  Bây giờ, ta xác định số oxi hóa:

  • Mg ở dạng đơn chất có số oxi hóa là \(0\). Trong Mg(NO₃)₂, số oxi hóa là \(+2\).
    → Mg là chất khử.
  • N trong HNO₃ có số oxi hóa là \(+5\). (Vì H là \(+1\), O là \(-2\)).
  • N trong gốc NO₃^– của muối Mg(NO₃)₂ vẫn là \(+5\), không thay đổi. Gốc này đóng vai trò môi trường.
  • N trong hợp chất N_xO_y có số oxi hóa là \(+\frac{2y}{x}\). (Vì O là \(-2\)).
    → N⁺⁵ trong HNO₃ là chất oxi hóa.

  Tóm lại:
  
  \( \overset{0}{Mg} + H\overset{+5}{N}O_3 \longrightarrow \overset{+2}{Mg}(NO_3)_2 + \overset{+2y/x}{N}_xO_y + H_2O \)

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

  Ta biểu diễn sự cho và nhận electron của các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi.

  • Quá trình oxi hóa (sự nhường electron):
    \( \overset{0}{Mg} \longrightarrow \overset{+2}{Mg} + 2e \)
  • Quá trình khử (sự nhận electron):
    Để tạo ra 1 phân tử N_xO_y, cần x nguyên tử N.
    
    \( x\overset{+5}{N} + (5x – 2y)e \longrightarrow \overset{+2y/x}{N}_x \)

• Bước 3: Tìm hệ số thích hợp để thăng bằng electron

  Ta tìm bội số chung nhỏ nhất của số electron nhường (2) và số electron nhận \((5x – 2y)\) để nhân chéo, đảm bảo tổng electron nhường bằng tổng electron nhận.

  \[
  \begin{array}{c|l}
  (5x – 2y) \times & \overset{0}{Mg} \longrightarrow \overset{+2}{Mg} + 2e \\
  2 \times & x\overset{+5}{N} + (5x – 2y)e \longrightarrow \overset{+2y/x}{N}_x \\
  \end{array}
  \]

• Bước 4: Đặt các hệ số vào phương trình hóa học và cân bằng các nguyên tố còn lại

  Từ Bước 3, ta có các hệ số cho các chất có nguyên tố thay đổi số oxi hóa:

  \((5x – 2y)\)Mg + … HNO₃ → \((5x – 2y)\)Mg(NO₃)₂ + 2N_xO_y + … H₂O

  Bây giờ, ta cân bằng các nguyên tố còn lại theo thứ tự: nguyên tố kim loại (đã xong), gốc axit (N), sau đó là H và cuối cùng kiểm tra lại bằng O.

  • Cân bằng nguyên tố N:
    
    Tổng số nguyên tử N ở vế phải (VP) = N trong Mg(NO₃)₂ + N trong N_xO_y
    
    VP: \( N = (5x – 2y) \times 2 + 2 \times x = 10x – 4y + 2x = 12x – 4y \)
    
    Toàn bộ số nguyên tử N này đến từ HNO₃ ở vế trái (VT). Vậy hệ số của HNO₃ là \((12x – 4y)\).
    
    \((5x – 2y)\)Mg + \((12x – 4y)\)HNO₃ → \((5x – 2y)\)Mg(NO₃)₂ + 2N_xO_y + … H₂O
  • Cân bằng nguyên tố H:
    
    Số nguyên tử H ở VT = \((12x – 4y)\) (trong HNO₃).
    
    Số nguyên tử H ở VP nằm trong H₂O. Để có \((12x – 4y)\) nguyên tử H, ta cần \(\frac{12x – 4y}{2} = (6x – 2y)\) phân tử H₂O.
    
    Vậy hệ số của H₂O là \((6x – 2y)\).

• Bước 5: Hoàn thành và kiểm tra lại phương trình

  Phương trình đầy đủ sau khi đã có các hệ số:

  \((5x – 2y)\)Mg + \((12x – 4y)\)HNO₃ → \((5x – 2y)\)Mg(NO₃)₂ + 2N_xO_y + \((6x – 2y)\)H₂O

  Kiểm tra lại nguyên tố O (bước quan trọng nhất):

  • VT: Số O = \( (12x – 4y) \times 3 = 36x – 12y \)
  • VP: Số O = O_{(trong muối)} + O_{(trong oxit)} + O_{(trong nước)}
    
    Số O = \( (5x – 2y) \times 2 \times 3 + 2 \times y + (6x – 2y) \times 1 \)
    
    Số O = \( (30x – 12y) + 2y + (6x – 2y) \)
    
    Số O = \( 36x – 12y \)

  Vế trái = Vế phải. Vậy phương trình đã được cân bằng chính xác.

Áp dụng thử với một trường hợp cụ thể

Để các em dễ hình dung, giả sử sản phẩm khử là khí NO.

Khi đó, N_xO_y là NO, tức là \(x=1, y=1\).

Ta thay \(x=1, y=1\) vào công thức hệ số tổng quát vừa tìm được:

• Hệ số của Mg: \( 5(1) – 2(1) = 3 \)
• Hệ số của HNO₃: \( 12(1) – 4(1) = 8 \)
• Hệ số của Mg(NO₃)₂: \( 5(1) – 2(1) = 3 \)
• Hệ số của NO: \( 2 \)
• Hệ số của H₂O: \( 6(1) – 2(1) = 4 \)

Phương trình cân bằng là:

3Mg + 8HNO₃ → 3Mg(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Hi vọng với cách giải chi tiết và tổng quát này, các em có thể tự tin giải quyết mọi bài tập tương tự. Chúc các em học tốt!