Chào các em học sinh yêu quý của cô! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài toán cân bằng phản ứng hóa học bằng phương pháp thăng bằng electron, một phương pháp rất quan trọng trong chương trình Hóa học lớp 10 của chúng ta.

Chúng ta sẽ cùng nhau giải bài tập:
KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 —-> Fe2(SO4)3 + K2SO4 + MnSO4 + H2O

Phương pháp thăng bằng electron bao gồm các bước cơ bản như sau:

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

Chúng ta sẽ xem xét số oxi hóa của từng nguyên tố trong các hợp chất trước và sau phản ứng.

Trong KMnO4:
K có số oxi hóa là +1 (kim loại kiềm).
O có số oxi hóa là -2.
Vậy Mn có số oxi hóa là x. Ta có: (+1) + x + 4*(-2) = 0 => x = +7.
Vậy, số oxi hóa của Mn trong KMnO4 là +7.

Trong FeSO4:
SO4 có điện tích là -2.
Vậy Fe có số oxi hóa là +2.
Số oxi hóa của O là -2, S là +6.

Trong H2SO4:
H có số oxi hóa là +1.
O có số oxi hóa là -2.
S có số oxi hóa là +6.

Trong Fe2(SO4)3:
SO4 có điện tích là -2. Vậy 3 gốc SO4 có điện tích là -6.
Để hợp chất trung hòa về điện, 2 nguyên tử Fe có tổng điện tích là +6.
Vậy mỗi nguyên tử Fe có số oxi hóa là +3.

Trong K2SO4:
K có số oxi hóa là +1.
SO4 có điện tích là -2.
Vậy số oxi hóa của S là +6.

Trong MnSO4:
SO4 có điện tích là -2.
Vậy Mn có số oxi hóa là +2.

Trong H2O:
H có số oxi hóa là +1.
O có số oxi hóa là -2.

Như vậy, các nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa là:
– Mn: từ +7 (trong KMnO4) xuống +2 (trong MnSO4).
– Fe: từ +2 (trong FeSO4) lên +3 (trong Fe2(SO4)3).

Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử, đồng thời cân bằng số nguyên tử của nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa.

Quá trình oxi hóa (nguyên tố nhường electron):
Fe(+2) —-> Fe(+3)

Để cân bằng số nguyên tử Fe, ta thấy đã có 1 nguyên tử Fe ở mỗi bên.
Để cân bằng điện tích, Fe(+2) mất 1 electron để trở thành Fe(+3).
Fe(+2) —-> Fe(+3) + 1e

Quá trình khử (nguyên tố nhận electron):
Mn(+7) —-> Mn(+2)

Để cân bằng số nguyên tử Mn, ta thấy đã có 1 nguyên tử Mn ở mỗi bên.
Để cân bằng điện tích, Mn(+7) nhận 5 electron để trở thành Mn(+2).
Mn(+7) + 5e —-> Mn(+2)

Bước 3: Nhân các quá trình với hệ số thích hợp để số electron cho bằng số electron nhận.

Số electron cho trong quá trình oxi hóa là 1.
Số electron nhận trong quá trình khử là 5.
Bội chung nhỏ nhất của 1 và 5 là 5.
Ta nhân quá trình oxi hóa với 5 và quá trình khử với 1.

Quá trình oxi hóa:
5 * (Fe(+2) —-> Fe(+3) + 1e) => 5Fe(+2) —-> 5Fe(+3) + 5e

Quá trình khử:
1 * (Mn(+7) + 5e —-> Mn(+2)) => Mn(+7) + 5e —-> Mn(+2)

Tổng số electron cho là 5.
Tổng số electron nhận là 5.

Bước 4: Điền các hệ số vào sơ đồ phản ứng, cân bằng các nguyên tố còn lại.

Dựa vào các hệ số electron đã cân bằng, ta điền vào sơ đồ phản ứng:
5FeSO4 + 1KMnO4 + H2SO4 —-> Fe2(SO4)3 + K2SO4 + MnSO4 + H2O

Từ quá trình oxi hóa, ta có 5 nguyên tử Fe bị oxi hóa từ +2 lên +3. Do đó, ta cần 5 phân tử FeSO4 ban đầu. Tuy nhiên, sản phẩm Fe2(SO4)3 có 2 nguyên tử Fe, nên ta cần xem xét kỹ.

Hãy nhìn vào số nguyên tử Fe trong sản phẩm Fe2(SO4)3. Có 2 nguyên tử Fe. Điều này có nghĩa là cần có 2 phân tử Fe(+3) được tạo ra. Nếu ta nhân quá trình oxi hóa với 5, ta có 5Fe(+2) —-> 5Fe(+3). Vậy sản phẩm Fe2(SO4)3 sẽ là bao nhiêu phân tử?

Chỗ này chúng ta cần điều chỉnh một chút. Số nguyên tử Fe trong Fe2(SO4)3 là 2. Vậy số Fe(+3) tạo thành là 2.
Do đó, quá trình oxi hóa phải tạo ra 2Fe(+3).
2Fe(+2) —-> 2Fe(+3) + 2e

Nhưng số electron cho và nhận phải bằng nhau.
Quá trình khử: Mn(+7) + 5e —-> Mn(+2)
Để số electron cho bằng 5, ta cần 5 nguyên tử Fe(+2) bị oxi hóa.
5Fe(+2) —-> 5Fe(+3) + 5e

Số nguyên tử Fe trong Fe2(SO4)3 là 2. Điều này có nghĩa là hệ số của Fe2(SO4)3 sẽ là 1 phân tử (vì có 2 nguyên tử Fe).
Nếu có 1 phân tử Fe2(SO4)3, thì có 2 nguyên tử Fe(+3). Vậy số electron cho là 2e.
Quá trình oxi hóa lúc này sẽ là: 2Fe(+2) —-> 2Fe(+3) + 2e

Nhưng số electron nhận ở quá trình khử là 5. Vậy chúng ta cần tìm bội số chung của số electron.
Số electron cho là 2 (nếu hệ số Fe2(SO4)3 là 1).
Số electron nhận là 5.
Bội chung nhỏ nhất của 2 và 5 là 10.

Vậy, ta cần nhân quá trình oxi hóa với 5 và quá trình khử với 2.

Quá trình oxi hóa:
5 * (2Fe(+2) —-> 2Fe(+3) + 2e) => 10Fe(+2) —-> 10Fe(+3) + 10e

Quá trình khử:
2 * (Mn(+7) + 5e —-> Mn(+2)) => 2Mn(+7) + 10e —-> 2Mn(+2)

Bây giờ, ta điền các hệ số vào sơ đồ phản ứng:
Ta có 10 nguyên tử Fe(+2) tham gia oxi hóa, tạo thành 10 nguyên tử Fe(+3). Tuy nhiên, trong sản phẩm Fe2(SO4)3, Fe có số oxi hóa là +3 và có 2 nguyên tử Fe trong 1 phân tử.
Vậy để có 10 nguyên tử Fe(+3) thì ta sẽ có 5 phân tử Fe2(SO4)3.
5Fe2(SO4)3. Điều này có vẻ không đúng với đề bài.

Chúng ta hãy quay lại cách hiểu ban đầu và xem xét lại sản phẩm.
Sản phẩm Fe2(SO4)3 có nghĩa là 2 nguyên tử Fe, mỗi nguyên tử có số oxi hóa +3.
Nghĩa là ta tạo ra 2Fe(+3).

Quá trình oxi hóa ban đầu:
Fe(+2) —-> Fe(+3) + 1e

Quá trình khử ban đầu:
Mn(+7) + 5e —-> Mn(+2)

Cân bằng electron:
Nhân quá trình oxi hóa với 5.
5Fe(+2) —-> 5Fe(+3) + 5e
Nhân quá trình khử với 1.
Mn(+7) + 5e —-> Mn(+2)

Bây giờ, ta có 5 nguyên tử Fe bị oxi hóa lên +3. Tuy nhiên, sản phẩm Fe2(SO4)3 có 2 nguyên tử Fe.
Điều này có nghĩa là hệ số của FeSO4 và Fe2(SO4)3 cần được cân bằng sao cho số nguyên tử Fe trước và sau phản ứng bằng nhau và phù hợp với quá trình oxi hóa-khử.

Nếu ta có 2 nguyên tử Fe(+3) trong sản phẩm Fe2(SO4)3, thì đã cho đi 2 electron.
Vậy quá trình oxi hóa là: 2Fe(+2) —-> 2Fe(+3) + 2e.

Quá trình khử: Mn(+7) + 5e —-> Mn(+2).

Để số electron cho bằng số electron nhận, ta tìm bội chung nhỏ nhất của 2 và 5 là 10.
Nhân quá trình oxi hóa với 5: 5 * (2Fe(+2) —-> 2Fe(+3) + 2e) => 10Fe(+2) —-> 10Fe(+3) + 10e.
Nhân quá trình khử với 2: 2 * (Mn(+7) + 5e —-> Mn(+2)) => 2Mn(+7) + 10e —-> 2Mn(+2).

Bây giờ ta điền hệ số vào phương trình:
Trước phản ứng ta có 10 nguyên tử Fe(+2).
Sau phản ứng, ta tạo ra 10 nguyên tử Fe(+3). Sản phẩm chứa Fe(+3) là Fe2(SO4)3. Mỗi phân tử Fe2(SO4)3 có 2 nguyên tử Fe(+3).
Vậy, để có 10 nguyên tử Fe(+3), ta cần 10 / 2 = 5 phân tử Fe2(SO4)3.

Trước phản ứng ta có 2 nguyên tử Mn(+7).
Sau phản ứng, ta tạo ra 2 nguyên tử Mn(+2). Sản phẩm chứa Mn(+2) là MnSO4.
Vậy, ta cần 2 phân tử MnSO4.

Phương trình bây giờ là:
KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 —-> 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + H2O

Nhìn vào số nguyên tử Fe ở sản phẩm, ta có 5 * 2 = 10 nguyên tử Fe.
Vậy ở chất phản ứng, ta cần 10 phân tử FeSO4.
10KMnO4 + 10FeSO4 + H2SO4 —-> 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + H2O

Bây giờ ta đếm các nguyên tố còn lại:
Nguyên tố K: Bên trái có 1 nguyên tử K trong KMnO4. Bên phải có 2 nguyên tử K trong K2SO4. Vậy hệ số của KMnO4 phải là 2.
2KMnO4 + 10FeSO4 + H2SO4 —-> 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + H2O

Kiểm tra lại nguyên tố Mn: Bên trái có 2 nguyên tử Mn trong 2KMnO4. Bên phải có 2 nguyên tử Mn trong 2MnSO4. Đã cân bằng.

Bây giờ ta đếm nguyên tố S. Đây là bước phức tạp nhất khi có nhiều hợp chất chứa S.
Bên phải có S trong:
5Fe2(SO4)3: 5 * 3 = 15 nguyên tử S.
K2SO4: 1 nguyên tử S.
2MnSO4: 2 nguyên tử S.
Tổng cộng bên phải có: 15 + 1 + 2 = 18 nguyên tử S.

Bên trái có S trong:
10FeSO4: 10 nguyên tử S.
H2SO4: Số nguyên tử S trong H2SO4 chưa biết hệ số.

Vậy, số nguyên tử S trong H2SO4 cần dùng là: 18 (tổng S bên phải) – 10 (từ FeSO4) = 8 nguyên tử S.
Do đó, hệ số của H2SO4 là 8.

Phương trình cân bằng tạm thời là:
2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 —-> 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + H2O

Cuối cùng, ta cân bằng nguyên tố Oxi (hoặc Hidro). Thường là Hidro để kiểm tra.
Bên trái có Hidro trong: 8H2SO4 => 8 * 2 = 16 nguyên tử H.
Bên phải có Hidro trong: H2O.
Để có 16 nguyên tử H bên phải, ta cần 16 / 2 = 8 phân tử H2O.

Phương trình cân bằng cuối cùng là:
2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 —-> 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O

Bước 5: Kiểm tra lại.

Bên trái:
K: 2 * 1 = 2
Mn: 2 * 1 = 2
Fe: 10 * 1 = 10
S: 10 1 + 8 1 = 18
O: 2 4 + 10 4 + 8 * 4 = 8 + 40 + 32 = 80
H: 8 * 2 = 16

Bên phải:
Fe: 5 * 2 = 10
S: 5 3 + 1 1 + 2 * 1 = 15 + 1 + 2 = 18
K: 1 * 2 = 2
Mn: 2 * 1 = 2
O: 5 3 4 + 1 4 + 2 4 + 8 * 1 = 60 + 4 + 8 + 8 = 80
H: 8 * 2 = 16

Số nguyên tử của mỗi nguyên tố bằng nhau ở hai vế. Vậy phương trình đã được cân bằng.

Phương trình cân bằng là:
2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 —-> 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O

Các em thấy không, phương pháp thăng bằng electron giúp chúng ta xác định chính xác các hệ số một cách logic. Hãy luyện tập thật nhiều để thành thạo nhé!