Xin chào các em! Hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập cân bằng phản ứng oxi hóa – khử khá thú vị. Phản ứng của chúng ta là:
Fe(NO₃)₂ + H₂SO₄ –> Fe(NO₃)₃ + Fe₂(SO₄)₃ + H₂O + NO

Đây là một dạng phản ứng oxi hóa – khử phức tạp, trong đó sắt vừa tăng số oxi hóa (từ +2 lên +3) và vừa có nguyên tố nitơ trong ion nitrat (NO₃^–) giảm số oxi hóa (từ +5 xuống +2). Để cân bằng phản ứng này, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp thăng bằng electron.

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố
Chúng ta cần xác định số oxi hóa của tất cả các nguyên tố có sự thay đổi trong phản ứng.
Trong Fe(NO₃)₂: Fe có số oxi hóa +2.
Trong H₂SO₄: S có số oxi hóa +6, O có số oxi hóa -2, H có số oxi hóa +1.
Trong Fe(NO₃)₃: Fe có số oxi hóa +3.
Trong Fe₂(SO₄)₃: Fe có số oxi hóa +3, S có số oxi hóa +6, O có số oxi hóa -2.
Trong H₂O: H có số oxi hóa +1, O có số oxi hóa -2.
Trong NO: N có số oxi hóa +2, O có số oxi hóa -2.

Như vậy, các nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa là Fe (từ +2 lên +3) và N (trong NO₃^–, từ +5 xuống +2).

Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử
Quá trình oxi hóa: Fe⁺² bị oxi hóa lên Fe⁺³.
Fe⁺² –> Fe⁺³ + 1e
(Sắt từ số oxi hóa +2 tăng lên +3, nhường đi 1 electron)

Quá trình khử: N⁺⁵ trong ion NO₃^– bị khử xuống N⁺² trong NO.
N⁺⁵ + 3e –> N⁺²
(Nitơ từ số oxi hóa +5 giảm xuống +2, nhận vào 3 electron)

Bước 3: Tìm hệ số thích hợp để số electron nhường bằng số electron nhận
Để cân bằng electron, chúng ta cần tìm bội chung nhỏ nhất của 1 và 3, là 3.
Nhân quá trình oxi hóa với 3.
3 x (Fe⁺² –> Fe⁺³ + 1e) => 3Fe⁺² –> 3Fe⁺³ + 3e

Quá trình khử đã có 3 electron, nên hệ số là 1.
N⁺⁵ + 3e –> N⁺²

Vậy, hệ số của Fe ở vế trái là 3 và hệ số của N ở vế trái (trong NO₃^–) là 1. Hệ số của Fe⁺³ ở vế phải là 3 và hệ số của N trong NO là 1.

Bước 4: Điền hệ số vào phương trình hóa học
Dựa vào các hệ số đã tìm được, chúng ta điền vào phương trình:
3 Fe(NO₃)₂ + … H₂SO₄ –> 3 Fe(NO₃)₃ + … Fe₂(SO₄)₃ + … H₂O + 1 NO

Tuy nhiên, trong sản phẩm có Fe⁺³ vừa từ Fe(NO₃)₂ bị oxi hóa, vừa có thể có Fe⁺³ từ một hợp chất khác của sắt (nếu có). Trong bài toán này, Fe⁺³ chỉ có một nguồn duy nhất là từ Fe(NO₃)₂ bị oxi hóa và nó tạo ra cả Fe(NO₃)₃ và Fe₂(SO₄)₃. Đây là điểm mấu chốt và cũng là điểm dễ nhầm lẫn.

Chúng ta có 3 nguyên tử Fe ở dạng +2 ban đầu. Sau phản ứng, chúng tạo ra Fe⁺³. Một phần Fe⁺³ này nằm trong Fe(NO₃)₃, và một phần khác nằm trong Fe₂(SO₄)₃. Do Fe₂(SO₄)₃ có 2 nguyên tử Fe, nên nếu có 1Fe₂(SO₄)₃ thì sẽ có 2 nguyên tử Fe⁺³.

Tổng số nguyên tử Fe ở vế phải phải bằng tổng số nguyên tử Fe ở vế trái. Ở vế trái chúng ta có 3Fe trong 3Fe(NO₃)₂. Vậy ở vế phải tổng số nguyên tử Fe phải là 3.
Nếu ta giả sử có x mol Fe(NO₃)₃ và y mol Fe₂(SO₄)₃ thì số mol Fe⁺³ ở vế phải là x + 2y. Chúng ta phải có x + 2y = 3.

Bây giờ ta quay lại quá trình thăng bằng electron:
3Fe⁺² –> 3Fe⁺³ + 3e
N⁺⁵ + 3e –> N⁺² (ở đây là 1 NO, nên 1 nguyên tử N)

Điều này có nghĩa là 3 nguyên tử Fe bị oxi hóa. Số nguyên tử Fe ở vế trái là 3. Số nguyên tử N⁺⁵ bị khử thành N⁺² là 1 (trong 1 NO).

Ta cần xem xét ion SO₄^2-. Trong phản ứng này, H₂SO₄ đóng vai trò là môi trường axit và là nguồn cung cấp ion SO₄^2-. Số oxi hóa của S trong H₂SO₄ và trong Fe₂(SO₄)₃ đều là +6, nên đây không phải là phản ứng oxi hóa – khử của lưu huỳnh.

Hãy cân bằng nguyên tố Fe trước:
Vế trái: 3 Fe(NO₃)₂ => 3 nguyên tử Fe.
Vế phải: Fe(NO₃)₃ và Fe₂(SO₄)₃. Để có tổng cộng 3 nguyên tử Fe ở vế phải, ta có thể có 1 Fe(NO₃)₃ và 1 Fe₂(SO₄)₃ (tổng là 1 + 2 = 3 nguyên tử Fe). Hoặc có thể có 3 Fe(NO₃)₃ và 0 Fe₂(SO₄)₃. Hoặc 0 Fe(NO₃)₃ và 1.5 Fe₂(SO₄)₃ (không nguyên).

Cách làm phổ biến là cân bằng các nguyên tố oxi hóa – khử trước, sau đó cân bằng các nguyên tố còn lại.

Từ quá trình thăng bằng electron:
3Fe⁺² –> 3Fe⁺³ (nhường 3e)
1N⁺⁵ –> 1N⁺² (nhận 3e)

Vậy ta có tỉ lệ 3 Fe và 1 N trong sản phẩm.
Ta có 3Fe(NO₃)₂. Số Fe là 3.
Sản phẩm có NO, hệ số của NO là 1.
Sản phẩm có Fe⁺³. Ta cần 3 nguyên tử Fe⁺³ ở vế phải.
Nếu có 1 NO, tức là có 1 nguyên tử N⁺². Tỉ lệ từ N⁺⁵ sang N⁺² là 1:1. Vậy ta cần 1 ion NO₃^– ban đầu chứa N⁺⁵ để tạo ra 1 NO. Tuy nhiên, trong Fe(NO₃)₂, có 2 nhóm NO₃^–, tức là 2 nguyên tử N⁺⁵.

Đây là phản ứng oxi hóa sắt bởi axit nitric loãng.

Hãy xem xét lại số mol nguyên tử Fe:
Ta có 3Fe(NO₃)₂. Số mol Fe là 3 mol. Các Fe này đều bị oxi hóa lên Fe⁺³. Vậy ở vế phải, tổng số mol Fe⁺³ là 3 mol.
Sản phẩm có Fe(NO₃)₃ và Fe₂(SO₄)₃.
Nếu ta có 1 NO, nghĩa là 1 nguyên tử N bị khử từ +5 xuống +2.
Nếu có 1 NO, thì trong phản ứng có 1 N⁺⁵ ban đầu bị khử.
Trong 3Fe(NO₃)₂, có 6 nhóm NO₃^–, nghĩa là có 6 nguyên tử N⁺⁵.
Nếu 1 nguyên tử N⁺⁵ bị khử thành NO, thì còn lại 5 nguyên tử N⁺⁵ trong các nhóm NO₃^– không bị khử. Các nhóm NO₃^– này sẽ đi vào sản phẩm Fe(NO₃)₃.

Vậy, ta có:
3 Fe(NO₃)₂ –> … Fe(NO₃)₃ + … Fe₂(SO₄)₃ + … NO
Số Fe ban đầu = 3. Số Fe sản phẩm = 3.
Số N ban đầu trong các nhóm NO₃^– = 3 * 2 = 6.
Số N trong NO = 1.
Số N trong các nhóm NO₃^– còn lại = 6 – 1 = 5. Các nhóm NO₃^– này sẽ đi vào Fe(NO₃)₃.
Vậy ta có 5 nhóm NO₃^– ở vế phải (không tính những nhóm NO₃^– đi vào Fe₂(SO₄)₃, nhưng Fe₂(SO₄)₃ không có nhóm NO₃^–).
Số nhóm NO₃^– ở vế phải sẽ nằm trong Fe(NO₃)₃. Vậy ta có 5 nhóm NO₃^–. Vì Fe(NO₃)₃ có 3 nhóm NO₃^–, nên để có 5 nhóm NO₃^–, ta không thể có hệ số nguyên cho Fe(NO₃)₃.

Đây là lúc chúng ta cần quay lại tổng số nguyên tử Fe ở vế phải.
Ta có 3 nguyên tử Fe bị oxi hóa.
Số Fe⁺³ ở vế phải: nếu có a Fe(NO₃)₃ và b Fe₂(SO₄)₃ thì a + 2b = 3.

Hãy xem xét các nguyên tố trong từng hợp chất.
3 Fe(NO₃)₂ —> a Fe(NO₃)₃ + b Fe₂(SO₄)₃ + NO + H₂O
Cân bằng Fe: 3 = a + 2b.

Cân bằng N:
Trong 3Fe(NO₃)₂ có 3 * 2 = 6 nguyên tử N.
Trong a Fe(NO₃)₃ có a * 3 nguyên tử N.
Trong NO có 1 nguyên tử N.
Vậy 6 = 3a + 1 (nếu NO là sản phẩm duy nhất chứa N).
=> 3a = 5 => a = 5/3.
Khi a = 5/3, thay vào a + 2b = 3:
5/3 + 2b = 3 => 2b = 3 – 5/3 = 9/3 – 5/3 = 4/3 => b = 2/3.

Vậy ta có hệ số sơ bộ là:
3 Fe(NO₃)₂ —> (5/3) Fe(NO₃)₃ + (2/3) Fe₂(SO₄)₃ + NO + H₂O

Để có hệ số nguyên, ta nhân cả phương trình với 3:
9 Fe(NO₃)₂ —> 5 Fe(NO₃)₃ + 2 Fe₂(SO₄)₃ + 3 NO + H₂O

Bây giờ ta cân bằng các nguyên tố còn lại: S, H, O.
Cân bằng S:
Vế trái: 9 Fe(NO₃)₂ không chứa S. H₂SO₄ là chất tham gia, hệ số của nó ta sẽ xác định sau.
Vế phải: 2 Fe₂(SO₄)₃ chứa 2 * 3 = 6 nhóm SO₄^2-. Vậy có 6 nguyên tử S.
Do đó, ở vế trái, ta cần có 6 nhóm SO₄^2-, nghĩa là hệ số của H₂SO₄ là 6.
Ta có:
9 Fe(NO₃)₂ + 6 H₂SO₄ —> 5 Fe(NO₃)₃ + 2 Fe₂(SO₄)₃ + 3 NO + H₂O

Cân bằng H:
Vế trái: 6 H₂SO₄ chứa 6 * 2 = 12 nguyên tử H.
Vế phải: H₂O. Để có 12 nguyên tử H, hệ số của H₂O là 6.
Ta có:
9 Fe(NO₃)₂ + 6 H₂SO₄ —> 5 Fe(NO₃)₃ + 2 Fe₂(SO₄)₃ + 3 NO + 6 H₂O

Cân bằng O:
Vế trái:
Trong 9 Fe(NO₃)₂: 9 2 3 = 54 nguyên tử O.
Trong 6 H₂SO₄: 6 * 4 = 24 nguyên tử O.
Tổng cộng vế trái: 54 + 24 = 78 nguyên tử O.

Vế phải:
Trong 5 Fe(NO₃)₃: 5 3 3 = 45 nguyên tử O.
Trong 2 Fe₂(SO₄)₃: 2 3 4 = 24 nguyên tử O.
Trong 3 NO: 3 * 1 = 3 nguyên tử O.
Trong 6 H₂O: 6 * 1 = 6 nguyên tử O.
Tổng cộng vế phải: 45 + 24 + 3 + 6 = 78 nguyên tử O.

Số nguyên tử O ở hai vế bằng nhau. Vậy phương trình đã được cân bằng.

Bước 5: Viết phương trình hóa học đã cân bằng
9 Fe(NO₃)₂ + 6 H₂SO₄ —> 5 Fe(NO₃)₃ + 2 Fe₂(SO₄)₃ + 3 NO + 6 H₂O

Giải thích ngắn gọn lý do áp dụng phương pháp thăng bằng electron:
Phương pháp thăng bằng electron được áp dụng vì đây là phản ứng oxi hóa – khử, trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố. Phương pháp này giúp chúng ta xác định đúng tỉ lệ mol của các chất tham gia và sản phẩm dựa trên nguyên tắc bảo toàn electron (số electron nhường bằng số electron nhận).

Lưu ý: Trong các bài tập cân bằng phản ứng oxi hóa – khử, việc xác định đúng số oxi hóa ban đầu và cuối cùng của các nguyên tố là vô cùng quan trọng. Đôi khi, việc cân bằng các nguyên tố khác (như Fe hoặc N trong trường hợp này) trước khi cân bằng electron cũng có thể giúp định hướng hệ số ban đầu.
Chúc các em học tốt!