Cân bằng phương trình:K2Cr2O7 + C2H5OH + H2SO4 –> CH3CHO + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + …

Chào các em học sinh yêu quý!

Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa – khử rất hay gặp trong chương trình Hóa học lớp 12. Đây là một phản ứng đặc trưng của hợp chất hữu cơ (ancol) với chất oxi hóa mạnh trong môi trường axit.

Để giải quyết bài toán này, chúng ta sẽ áp dụng phương pháp thăng bằng electron – một phương pháp hiệu quả và phổ biến để cân bằng các phản ứng oxi hóa – khử. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc bảo toàn electron: tổng số electron mà chất khử nhường bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận.

Chúng ta cùng bắt đầu nhé!

Đề bài: Cân bằng phương trình phản ứng sau:

K₂Cr₂O₇ + C₂H₅OH + H₂SO₄ → CH₃CHO + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

Lời giải chi tiết:

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

Chúng ta sẽ tính số oxi hóa của các nguyên tố có khả năng thay đổi trong phản ứng:

• Trong ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7$: K là $+1$, O là $–2$.
  $$2\times (+1)+2\times \mathrm{Cr}+7\times (–2)=0\Rightarrow 2+2\mathrm{Cr}–14=0\Rightarrow 2\mathrm{Cr}=12\Rightarrow \mathrm{Cr}=+6$$
  Vậy, Crom có số oxi hóa là $+6$.
• Trong ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$ (ancol etylic): H là $+1$, O là $–2$.
  $$2\times \mathrm{C}+6\times (+1)+1\times (–2)=0\Rightarrow 2\mathrm{C}+6–2=0\Rightarrow 2\mathrm{C}=–4\Rightarrow \mathrm{C}=–2$$
  Vậy, Cacbon có số oxi hóa trung bình là $–2$.
• Trong ${\mathrm{CH}}_3\mathrm{CHO}$ (anđehit axetic): H là $+1$, O là $–2$.
  $$2\times \mathrm{C}+4\times (+1)+1\times (–2)=0\Rightarrow 2\mathrm{C}+4–2=0\Rightarrow 2\mathrm{C}=–2\Rightarrow \mathrm{C}=–1$$
  Vậy, Cacbon có số oxi hóa trung bình là $–1$.
• Trong ${\mathrm{Cr}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$: Gốc ${\mathrm{SO}}_4$ có hóa trị II, tức là điện tích ${2–}^{}$.
  $$2\times \mathrm{Cr}+3\times (–2)=0\Rightarrow 2\mathrm{Cr}–6=0\Rightarrow 2\mathrm{Cr}=6\Rightarrow \mathrm{Cr}=+3$$
  Vậy, Crom có số oxi hóa là $+3$.
• Các nguyên tố khác như K, S (trong ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4$ và ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4$), H, O không thay đổi số oxi hóa.

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

• Quá trình khử: Crom từ $+6$ xuống $+3$.
  Trong ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7$ có 2 nguyên tử Cr, trong ${\mathrm{Cr}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$ cũng có 2 nguyên tử Cr.
  $$2\stackrel{+6}{\mathrm{Cr}}+2\times (6–3)e^{–}\to 2\stackrel{+3}{\mathrm{Cr}}$$
  $$2\stackrel{+6}{\mathrm{Cr}}+6e^{–}\to 2\stackrel{+3}{\mathrm{Cr}}$$
• Quá trình oxi hóa: Cacbon từ $–2$ lên $–1$.
  Trong ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$ có 2 nguyên tử C, trong ${\mathrm{CH}}_3\mathrm{CHO}$ cũng có 2 nguyên tử C.
  Mỗi nguyên tử C tăng $(–1)–(–2)=1$ đơn vị. Do có 2 nguyên tử C, tổng số electron nhường là $2\times 1=2$ electron.
  $${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}\to {\mathrm{CH}}_3\mathrm{CHO}+2e^{–}$$

Bước 3: Cân bằng electron trao đổi.

Để tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận, chúng ta tìm bội chung nhỏ nhất của số electron.

• Số electron nhận: $6$
• Số electron nhường: $2$
• Bội chung nhỏ nhất (BCNN) của $6$ và $2$ là $6$.

Do đó, nhân quá trình khử với $1$ và quá trình oxi hóa với $3$:

  $$1\times |2\stackrel{+6}{\mathrm{Cr}}+6e^{–}\to 2\stackrel{+3}{\mathrm{Cr}}$$

  $$3\times |{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}\to {\mathrm{CH}}_3\mathrm{CHO}+2e^{–}$$

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

Hệ số của ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7$ là $1$, của ${\mathrm{Cr}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$ là $1$.

Hệ số của ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$ là $3$, của ${\mathrm{CH}}_3\mathrm{CHO}$ là $3$.

Ta có phương trình tạm thời:

$${\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7+3{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}+{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\to 3{\mathrm{CH}}_3\mathrm{CHO}+{\mathrm{Cr}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3+{\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

Bước 5: Cân bằng các nguyên tố còn lại theo thứ tự kim loại, phi kim (trừ O, H), O và H.

1. Cân bằng K:
   
   Vế trái: $2\mathrm{K}$ (trong ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7$).
   
   Vế phải: $2\mathrm{K}$ (trong ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4$).
   
   Nguyên tố K đã cân bằng (hệ số của ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4$ là $1$).
2. Cân bằng S:
   
   Vế phải: Có $3\mathrm{S}$ (trong ${\mathrm{Cr}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$) $+1\mathrm{S}$ (trong ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4$) $=4\mathrm{S}$.
   
   Vế trái: Cần $4\mathrm{S}$ từ ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4$. Vậy, hệ số của ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4$ là $4$.

   Phương trình tạm thời sau khi cân bằng S:

   $${\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7+3{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}+4{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\to 3{\mathrm{CH}}_3\mathrm{CHO}+{\mathrm{Cr}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3+{\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

3. Cân bằng H:
   
   Vế trái: $3\times 6$ (trong $3{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$) $+4\times 2$ (trong $4{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4$) $=18+8=26\mathrm{H}$.
   
   Vế phải: $3\times 4$ (trong $3{\mathrm{CH}}_3\mathrm{CHO}$) $=12\mathrm{H}$.
   
   Số nguyên tử H cần thêm vào vế phải là $26–12=14\mathrm{H}$.
   
   Để cân bằng 14H, ta thêm $7$ phân tử ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ vào vế phải.
4. Kiểm tra O:
   
   Vế trái: $7$ (trong ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7$) $+3\times 1$ (trong $3{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$) $+4\times 4$ (trong $4{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4$) $=7+3+16=26\mathrm{O}$.
   
   Vế phải: $3\times 1$ (trong $3{\mathrm{CH}}_3\mathrm{CHO}$) $+3\times 4$ (trong ${\mathrm{Cr}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$) $+4$ (trong ${\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4$) $+7\times 1$ (trong $7{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$) $=3+12+4+7=26\mathrm{O}$.
   
   Số nguyên tử O đã cân bằng.

Phương trình cuối cùng đã cân bằng:

$${\mathrm{K}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7+3{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}+4{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\to 3{\mathrm{CH}}_3\mathrm{CHO}+{\mathrm{Cr}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3+{\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4+7{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$

Chúc các em học tốt và luôn yêu thích môn Hóa học!