Xin chào các em, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau cân bằng một phản ứng hóa học thú vị. Thầy sẽ hướng dẫn các em từng bước một để giải bài tập này một cách thật dễ dàng.

Phản ứng chúng ta cần cân bằng là:
Fe(OH)₂ + HNO₃ →

Đầu tiên, chúng ta cần xác định các nguyên tố có mặt trong phản ứng và số oxi hóa của chúng.

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố

Trong Fe(OH)₂:
– Oxi (O) có số oxi hóa là -2.
– Hiđro (H) có số oxi hóa là +1.
– Nhóm OH có tổng số oxi hóa là -1.
– Vì Fe(OH)₂ là hợp chất trung hòa về điện, tổng số oxi hóa của các nguyên tử phải bằng 0. Do đó, số oxi hóa của Sắt (Fe) là +2 (vì \(+2 + 2*(-1) = 0\)).

Trong HNO₃:
– Hiđro (H) có số oxi hóa là +1.
– Oxi (O) có số oxi hóa là -2.
– Trong phân tử HNO₃, tổng số oxi hóa là 0. Do đó, số oxi hóa của Nitơ (N) là +5 (vì \(+1 + x + 3*(-2) = 0 \Rightarrow x = +5\)).

Trong sản phẩm, chúng ta dự đoán sẽ có muối của sắt và axit nitric bị khử. Thông thường, sắt trong hợp chất Fe(OH)₂ sẽ có số oxi hóa +2. Axit nitric HNO₃ có số oxi hóa của N là +5, có tính oxi hóa mạnh, có thể oxi hóa Fe(+2) lên Fe(+3). Trong môi trường axit, sản phẩm khử của N(+5) có thể là NO, NO₂, N₂O, N₂, NH₄NO₃ tùy thuộc vào điều kiện. Tuy nhiên, với HNO₃ loãng và sắt dễ bị oxi hóa, sản phẩm khử phổ biến là khí NO.

Giả sử sản phẩm là Fe(NO₃)₃ và NO.
Trong Fe(NO₃)₃:
– Fe có số oxi hóa +3.
– Nhóm NO₃ có tổng số oxi hóa -1.

Trong NO:
– Oxi (O) có số oxi hóa là -2.
– Nitơ (N) có số oxi hóa là +2 (vì \(x + (-2) = 0 \Rightarrow x = +2\)).

Bước 2: Xác định các quá trình oxi hóa và khử

– Quá trình oxi hóa: Fe từ số oxi hóa +2 lên +3.
Fe⁰ → Fe³⁺ + 1e

– Quá trình khử: N từ số oxi hóa +5 xuống +2.
N⁵⁺ + 3e → N²⁺

Bước 3: Cân bằng electron

Để số electron nhường bằng số electron nhận, ta nhân quá trình oxi hóa với 3 và quá trình khử với 1.
– Quá trình oxi hóa: Fe⁰ → Fe³⁺ + 1e (nhân 3) → 3Fe⁰ → 3Fe³⁺ + 3e
– Quá trình khử: N⁵⁺ + 3e → N²⁺ (nhân 1) → N⁵⁺ + 3e → N²⁺

Bước 4: Điền hệ số vào phương trình hóa học

Dựa vào các hệ số electron đã cân bằng, ta điền vào phương trình ban đầu:

3Fe(OH)₂ + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O

– Từ quá trình oxi hóa, ta có 3 nguyên tử Fe từ +2 lên +3, vậy hệ số của Fe(OH)₂ là 3 và hệ số của Fe(NO₃)₃ là 1.
3Fe(OH)₂ + HNO₃ → 1Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O

– Từ quá trình khử, ta có 1 nguyên tử N từ +5 xuống +2, vậy hệ số của NO là 1.
3Fe(OH)₂ + HNO₃ → 1Fe(NO₃)₃ + 1NO + H₂O

Bước 5: Cân bằng các nguyên tố còn lại

Bây giờ chúng ta cân bằng các nguyên tố còn lại theo thứ tự: N, H, O.

– Cân bằng nguyên tử N:
Bên trái có 1 nguyên tử N trong HNO₃.
Bên phải có 3 nguyên tử N trong Fe(NO₃)₃ và 1 nguyên tử N trong NO, tổng cộng là \(3 + 1 = 4\) nguyên tử N.
Để cân bằng, hệ số của HNO₃ phải là 4.
3Fe(OH)₂ + 4HNO₃ → 1Fe(NO₃)₃ + 1NO + H₂O

– Cân bằng nguyên tử H:
Bên trái có \(3 \times 2 = 6\) nguyên tử H trong 3Fe(OH)₂ và 4 nguyên tử H trong 4HNO₃, tổng cộng là \(6 + 4 = 10\) nguyên tử H.
Bên phải có 2 nguyên tử H trong H₂O.
Để có 10 nguyên tử H bên phải, hệ số của H₂O phải là 5 (vì \(5 \times 2 = 10\)).
3Fe(OH)₂ + 4HNO₃ → 1Fe(NO₃)₃ + 1NO + 5H₂O

– Cân bằng nguyên tử O:
Bây giờ chúng ta kiểm tra lại nguyên tử O để đảm bảo phương trình đã cân bằng.
Bên trái: \(3 \times 2\) (trong Fe(OH)₂) + \(4 \times 3\) (trong HNO₃) = \(6 + 12 = 18\) nguyên tử O.
Bên phải: \(1 \times 3 \times 3\) (trong Fe(NO₃)₃) + \(1 \times 1\) (trong NO) + \(5 \times 1\) (trong H₂O) = \(9 + 1 + 5 = 15\) nguyên tử O.

Chúng ta thấy số nguyên tử O chưa cân bằng. Điều này có nghĩa là giả định về sản phẩm khử (NO) có thể chưa hoàn toàn chính xác hoặc cách cân bằng nhóm nguyên tử chưa hợp lý.

Chúng ta quay lại bước cân bằng nhóm NO₃. Trong sản phẩm Fe(NO₃)₃, có 3 nhóm NO₃.
Ban đầu ta có: 3Fe(OH)₂ + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O
Sắt đã được cân bằng: 3Fe(OH)₂ + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O (hệ số 3 cho Fe(OH)₂ và 1 cho Fe(NO₃)₃)

Bây giờ ta xét nhóm NO₃:
Bên phải có 3 nhóm NO₃ trong Fe(NO₃)₃.
Số nguyên tử N trong sản phẩm là 3 (trong Fe(NO₃)₃) + số nguyên tử N trong NO.
Số nguyên tử N ở vế trái là trong HNO₃.

Chúng ta hãy sử dụng phương pháp cân bằng ion electron hoặc cân bằng tổng quát. Tuy nhiên, với các giáo trình mới, việc tập trung vào các nguyên tố thay đổi số oxi hóa và sau đó cân bằng các nguyên tố còn lại là phương pháp phổ biến.

Hãy xem lại quá trình khử: N⁵⁺ + 3e → N²⁺. Đây là cho 1 nguyên tử N.
Quá trình oxi hóa: Fe²⁺ → Fe³⁺ + 1e. Đây là cho 1 nguyên tử Fe.

Ta cần 3 nguyên tử Fe được oxi hóa, vậy sẽ nhường 3 electron.
Để nhận 3 electron, ta cần 1 nguyên tử N⁵⁺.

Phương trình cân bằng electron:
3Fe²⁺ → 3Fe³⁺ + 3e
N⁵⁺ + 3e → N²⁺

Như vậy, ta sẽ có 3 nguyên tử Fe ở dạng Fe³⁺ và 1 nguyên tử N ở dạng N²⁺.

Phương trình chưa cân bằng:
Fe(OH)₂ + HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O

Điền hệ số dựa trên electron:
3Fe(OH)₂ + HNO₃ → 1Fe(NO₃)₃ + 1NO + H₂O

Bây giờ ta cân bằng các nguyên tố còn lại:
– Sắt (Fe): Đã cân bằng (3 ở cả hai vế).
– Nitơ (N):
Bên phải có 3 nguyên tử N trong Fe(NO₃)₃ và 1 nguyên tử N trong NO, tổng cộng là \(3 + 1 = 4\) nguyên tử N.
Bên trái, Nitơ chỉ có trong HNO₃. Vậy hệ số của HNO₃ là 4.
3Fe(OH)₂ + 4HNO₃ → 1Fe(NO₃)₃ + 1NO + H₂O

– Hiđro (H):
Bên trái có \(3 \times 2\) (trong Fe(OH)₂) + \(4 \times 1\) (trong HNO₃) = \(6 + 4 = 10\) nguyên tử H.
Bên phải, Hiđro chỉ có trong H₂O. Để có 10 nguyên tử H, hệ số của H₂O là 5.
3Fe(OH)₂ + 4HNO₃ → 1Fe(NO₃)₃ + 1NO + 5H₂O

– Oxi (O):
Bên trái: \(3 \times 2\) (trong Fe(OH)₂) + \(4 \times 3\) (trong HNO₃) = \(6 + 12 = 18\) nguyên tử O.
Bên phải: \(1 \times 3 \times 3\) (trong Fe(NO₃)₃) + \(1 \times 1\) (trong NO) + \(5 \times 1\) (trong H₂O) = \(9 + 1 + 5 = 15\) nguyên tử O.

Vẫn chưa cân bằng O. Điều này xảy ra khi ta chưa tính hết số nhóm NO₃.
Nhóm NO₃ đóng vai trò vừa là chất oxi hóa, vừa là môi trường.

Ta có:
3Fe(OH)₂ + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O

Số nhóm NO₃ ở vế phải là 3 (trong Fe(NO₃)₃) + 1 (trong NO) = 4.
Tuy nhiên, HNO₃ ban đầu là 4.

Chúng ta cần xem xét kỹ vai trò của HNO₃. Một phần HNO₃ đóng vai trò là axit để tạo muối, phần còn lại đóng vai trò là chất oxi hóa.

Số nhóm NO₃ trong Fe(NO₃)₃ là 3.
Vậy, ta cần ít nhất 3 phân tử HNO₃ để tạo thành Fe(NO₃)₃.
3Fe(OH)₂ + 3HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ (chưa hợp lý vì số Fe chưa cân bằng)

Hãy quay lại cách cân bằng số mol chất tham gia và sản phẩm.

3Fe(OH)₂ + xHNO₃ → yFe(NO₃)₃ + zNO + wH₂O

Dựa trên sự thay đổi số oxi hóa:
3Fe(OH)₂ cho 3Fe²⁺.
HNO₃ có N⁵⁺.
Sản phẩm: Fe³⁺ và N²⁺.

3Fe²⁺ → 3Fe³⁺ + 3e
N⁵⁺ + 3e → N²⁺

Vậy ta có hệ số cho Fe là 3 và hệ số cho N (trong NO) là 1.
3Fe(OH)₂ + xHNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + 1NO + wH₂O

Bây giờ cân bằng nguyên tử N:
Vế phải có \(3 \times 3\) (trong Fe(NO₃)₃) + \(1 \times 1\) (trong NO) = \(9 + 1 = 10\) nguyên tử N.
Vế trái, N chỉ có trong HNO₃. Vậy hệ số của HNO₃ là 10.
3Fe(OH)₂ + 10HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + 1NO + wH₂O

Bây giờ cân bằng nguyên tử H:
Vế trái có \(3 \times 2\) (trong Fe(OH)₂) + \(10 \times 1\) (trong HNO₃) = \(6 + 10 = 16\) nguyên tử H.
Vế phải, H chỉ có trong H₂O. Để có 16 nguyên tử H, hệ số của H₂O là 8 (vì \(8 \times 2 = 16\)).
3Fe(OH)₂ + 10HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + 1NO + 8H₂O

Bây giờ kiểm tra nguyên tử O:
Vế trái: \(3 \times 2\) (trong Fe(OH)₂) + \(10 \times 3\) (trong HNO₃) = \(6 + 30 = 36\) nguyên tử O.
Vế phải: \(3 \times 3 \times 3\) (trong Fe(NO₃)₃) + \(1 \times 1\) (trong NO) + \(8 \times 1\) (trong H₂O) = \(27 + 1 + 8 = 36\) nguyên tử O.

Nguyên tử O đã cân bằng.

Kết quả cuối cùng:

Phương trình hóa học đã cân bằng là:
3Fe(OH)₂ + 10HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + 1NO + 8H₂O

Giải thích ngắn gọn:

Chúng ta đã áp dụng phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa – khử dựa trên sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố.
1. Xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong các chất tham gia và sản phẩm.
2. Viết các bán phản ứng oxi hóa và khử.
3. Cân bằng electron bằng cách nhân các bán phản ứng với các hệ số thích hợp để số electron nhường bằng số electron nhận.
4. Điền các hệ số vào phương trình hóa học cho các chất có sự thay đổi số oxi hóa.
5. Cân bằng các nguyên tố còn lại theo thứ tự hợp lý (thường là kim loại, phi kim khác, rồi đến H và O).
6. Kiểm tra lại số nguyên tử của tất cả các nguyên tố ở hai vế của phương trình.

Hy vọng các em đã hiểu rõ cách giải bài tập này. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại hỏi thầy nhé!