Chào các em, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập cân bằng phương trình phản ứng hóa học rất thú vị. Đây là dạng bài tập cơ bản trong chương trình Hóa học lớp 10, giúp chúng ta rèn luyện kỹ năng sử dụng các nguyên tắc cân bằng phương trình.

Phương trình phản ứng của chúng ta là:
Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + NO + H2O

Đề bài cho biết hệ số của HNO3 là 8. Nhiệm vụ của chúng ta là tìm tổng hệ số của Zn và NO sau khi cân bằng.

Trước hết, chúng ta cần xác định đây là phản ứng oxi hóa – khử. 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 trong phản ứng.

Trong Zn: số oxi hóa là 0 (vì là đơn chất).
Trong HNO3: H là +1, O là -2, vậy N sẽ là +5 để tổng bằng 0.
Trong Zn(NO3)2: Zn là +2, nhóm NO3 có điện tích -1. Vậy N trong NO3 vẫn là +5.
Trong NO: O là -2, vậy N sẽ là +2.
Trong H2O: H là +1, O là -2.

Bước 2: Xác định nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa.

Nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa là N.
Số oxi hóa của N trong HNO3 từ +5 xuống +2 trong NO.
Số oxi hóa của Zn từ 0 lên +2 trong Zn(NO3)2.

Bước 3: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử.

Quá trình khử (sự giảm số oxi hóa): N(+5) + 3e⁻ → N(+2)
Số electron nhận vào là 3.

Quá trình oxi hóa (sự tăng số oxi hóa): Zn(0) → Zn(+2) + 2e⁻
Số electron nhường ra là 2.

Bước 4: Cân bằng electron.

Để số electron nhường bằng số electron nhận, ta nhân quá trình khử với 2 và quá trình oxi hóa với 3.
(N(+5) + 3e⁻ → N(+2)) x 2
(Zn(0) → Zn(+2) + 2e⁻) x 3

Điều này cho ta:
2N(+5) + 6e⁻ → 2N(+2)
3Zn(0) → 3Zn(+2) + 6e⁻

Vậy, hệ số ban đầu cho các chất tham gia vào quá trình oxi hóa – khử là:
– Hệ số của Zn là 3.
– Hệ số của NO là 2 (vì N trong NO là sản phẩm của quá trình khử).

Bước 5: Điền các hệ số tìm được vào phương trình hóa học và cân bằng các nguyên tố còn lại.

Phương trình ban đầu: Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + NO + H2O
Dựa trên bước 4, ta điền hệ số cho Zn và NO:
3Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + 2NO + H2O

Bây giờ, chúng ta cần cân bằng nguyên tố N.
Ở vế phải, tổng số nguyên tử N là:
N trong Zn(NO3)2: 1 nguyên tử Zn tạo ra 1 phân tử Zn(NO3)2, trong đó có 2 nhóm NO3, vậy có 2 nguyên tử N.
N trong 2NO: có 2 nguyên tử N.
Tổng cộng ở vế phải có 2 + 2 = 4 nguyên tử N.

Như vậy, ở vế trái, trong HNO3, chúng ta cần có 4 nguyên tử N. Điều này có nghĩa là hệ số của HNO3 phải là 4.
3Zn + 4HNO3 → Zn(NO3)2 + 2NO + H2O

Tuy nhiên, đề bài cho biết hệ số của HNO3 là 8. Điều này có nghĩa là phương trình chúng ta đang cân bằng chỉ là tỉ lệ tối giản của các hệ số.

Để hệ số của HNO3 là 8, chúng ta cần nhân tất cả các hệ số tìm được ở bước 4 và bước cân bằng N với một hệ số chung.
Nếu hệ số HNO3 là 4, mà đề bài cho là 8, thì ta đã nhân với hệ số là 8/4 = 2.
Vậy, chúng ta nhân tất cả các hệ số ban đầu với 2.

Hệ số của Zn: 3 x 2 = 6
Hệ số của HNO3: 4 x 2 = 8 (đúng theo đề bài)
Hệ số của Zn(NO3)2: 1 x 2 = 2
Hệ số của NO: 2 x 2 = 4

Phương trình trở thành:
6Zn + 8HNO3 → 2Zn(NO3)2 + 4NO + H2O

Bây giờ, chúng ta cân bằng nguyên tố O và H.
Kiểm tra số nguyên tử N ở vế trái: 8 nguyên tử N trong 8HNO3.
Kiểm tra số nguyên tử N ở vế phải: 2 nguyên tử N trong 2Zn(NO3)2 + 4 nguyên tử N trong 4NO = 6 nguyên tử N.
Có sự sai lệch ở đây. Chúng ta cần xem lại cách cân bằng N.

Quay lại bước 5, khi ta điền hệ số cho Zn và NO:
3Zn + HNO3 → 1Zn(NO3)2 + 2NO + H2O

Cân bằng nguyên tử N:
N ở vế phải: 2 (trong Zn(NO3)2) + 2 (trong NO) = 4 nguyên tử N.
Vậy hệ số của HNO3 ở vế trái phải là 4.
3Zn + 4HNO3 → 1Zn(NO3)2 + 2NO + H2O

Bây giờ, cân bằng nguyên tử O:
O ở vế trái: 4 nguyên tử O trong 4HNO3.
O ở vế phải: 2 x 3 = 6 (trong Zn(NO3)2) + 2 (trong NO) = 8 nguyên tử O.
Số O chưa bằng nhau.

Cân bằng nguyên tử H:
H ở vế trái: 4 nguyên tử H trong 4HNO3.
Để cân bằng, vế phải cần có 4 nguyên tử H, vậy hệ số của H2O là 2.
3Zn + 4HNO3 → 1Zn(NO3)2 + 2NO + 2H2O

Bây giờ, chúng ta kiểm tra lại tất cả các nguyên tố:
Zn: Trái 3, Phải 1. Chưa bằng.
N: Trái 4, Phải 2 (trong Zn(NO3)2) + 2 (trong NO) = 4. Bằng.
H: Trái 4, Phải 2 x 2 = 4. Bằng.
O: Trái 4 x 3 = 12. Phải 2 x 3 = 6 (trong Zn(NO3)2) + 2 (trong NO) + 2 (trong H2O) = 6 + 2 + 2 = 10. Chưa bằng.

Có vẻ như việc cân bằng N và O đang gặp khó khăn. Chúng ta cần cẩn thận hơn trong việc xác định nguồn gốc của N.
N trong HNO3 có thể đi vào Zn(NO3)2 và NO.

Chúng ta quay lại với tỉ lệ tối giản từ phương pháp thăng bằng electron:
3Zn + …HNO3 → 1Zn(NO3)2 + 2NO + …H2O

Số nguyên tử N ở vế phải:
N trong Zn(NO3)2: 1 nguyên tử Zn tạo ra 1 phân tử Zn(NO3)2, nên có 2 nguyên tử N từ gốc NO3⁻.
N trong 2NO: có 2 nguyên tử N.
Tổng số nguyên tử N ở vế phải liên quan đến sản phẩm là 2 + 2 = 4.
Vậy, hệ số của HNO3 ở vế trái phải là 4.
3Zn + 4HNO3 → 1Zn(NO3)2 + 2NO + H2O

Bây giờ, chúng ta cân bằng O và H.
Cân bằng O:
Vế trái: 4 x 3 = 12 nguyên tử O.
Vế phải: 1 x 3 (trong Zn(NO3)2) + 2 (trong NO) + (hệ số H2O x 1).
12 = 6 + 2 + hệ số H2O
12 = 8 + hệ số H2O
Hệ số H2O = 12 – 8 = 4.

Phương trình cân bằng là:
3Zn + 4HNO3 → 1Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Bây giờ kiểm tra lại tất cả các nguyên tố:
Zn: Trái 3, Phải 1. Vẫn chưa bằng.

Có một lỗi trong quá trình cân bằng. Chúng ta hãy kiểm tra lại quá trình oxi hóa – khử.
N(+5) trong HNO3 nhận electron để thành N(+2) trong NO.
Zn(0) nhường electron để thành Zn(+2) trong Zn(NO3)2.

Tỉ lệ từ thăng bằng electron: 3 nguyên tử Zn và 2 nguyên tử N bị khử.
Vậy, ta có thể dự đoán hệ số ban đầu:
3Zn + …HNO3 → 1Zn(NO3)2 + 2NO + …H2O

Số nguyên tử N ở vế phải:
N trong Zn(NO3)2: 1 Zn tạo ra 1 Zn(NO3)2, vậy có 2 nhóm NO3. Tổng cộng là 2 nguyên tử N.
N trong 2NO: có 2 nguyên tử N.
Tổng cộng N ở vế phải từ sản phẩm NO3 và NO là 2 + 2 = 4.
Vậy, hệ số của HNO3 ở vế trái là 4.

3Zn + 4HNO3 → 1Zn(NO3)2 + 2NO + H2O

Cân bằng O:
Vế trái: 4 x 3 = 12 nguyên tử O.
Vế phải: 1 x 3 (trong Zn(NO3)2) + 2 (trong NO) + hệ số H2O.
12 = 6 + 2 + hệ số H2O
12 = 8 + hệ số H2O
Hệ số H2O = 4.

Phương trình cân bằng là:
3Zn + 4HNO3 → 1Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Kiểm tra lại:
Zn: Trái 3, Phải 1.
N: Trái 4, Phải 2 + 2 = 4.
H: Trái 4, Phải 4 x 2 = 8.
O: Trái 12, Phải 6 + 2 + 4 = 12.

Số nguyên tử Zn và H chưa bằng.
Chúng ta cần xem lại vai trò của HNO3. HNO3 vừa là chất oxi hóa (do N+5), vừa là môi trường axit (do H+), và là nguồn gốc của nhóm NO3⁻.

Hãy thử lại với phương pháp cân bằng nguyên tố theo từng bước một, không dựa vào tỉ lệ ban đầu ngay.
Zn + HNO3 → Zn(NO3)2 + NO + H2O

Ta đã xác định quá trình oxi hóa – khử với tỉ lệ 3:2 cho Zn:N.
3Zn + …HNO3 → …Zn(NO3)2 + 2NO + …H2O

Bây giờ, ta cần xác định hệ số của Zn(NO3)2. Vì có 3 nguyên tử Zn ban đầu, ta sẽ tạo ra 3 phân tử Zn(NO3)2.
3Zn + …HNO3 → 3Zn(NO3)2 + 2NO + …H2O

Bây giờ, đếm tổng số nguyên tử N ở vế phải:
N trong 3Zn(NO3)2: 3 x 2 = 6 nguyên tử N.
N trong 2NO: 2 nguyên tử N.
Tổng cộng ở vế phải là 6 + 2 = 8 nguyên tử N.
Vậy, ở vế trái, ta cần 8 nguyên tử N trong HNO3. Hệ số của HNO3 là 8.
3Zn + 8HNO3 → 3Zn(NO3)2 + 2NO + …H2O

Bây giờ, cân bằng nguyên tử H.
Vế trái có 8 nguyên tử H trong 8HNO3.
Để cân bằng, vế phải cần có 8 nguyên tử H. Hệ số của H2O là 4.
3Zn + 8HNO3 → 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Cuối cùng, kiểm tra nguyên tử O.
Vế trái: 8 x 3 = 24 nguyên tử O.
Vế phải: 3 x 2 x 3 (trong Zn(NO3)2) + 2 (trong NO) + 4 x 1 (trong H2O)
= 18 + 2 + 4 = 24 nguyên tử O.
Số nguyên tử O đã bằng hai vế.

Vậy phương trình hóa học đã cân bằng là:
3Zn + 8HNO3 → 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Đề bài cho biết hệ số của HNO3 là 8, điều này hoàn toàn khớp với phương trình chúng ta vừa cân bằng.

Bây giờ, chúng ta cần tìm tổng hệ số của Zn và NO.
Hệ số của Zn là 3.
Hệ số của NO là 2.

Tổng hệ số của Zn và NO là: 3 + 2 = 5.

Vậy, nếu hệ số của HNO3 là 8 thì tổng hệ số của Zn và NO là 5.

Các em thấy đó, để giải bài tập này, chúng ta cần áp dụng phương pháp thăng bằng electron một cách cẩn thận, sau đó điền các hệ số vào phương trình và cân bằng các nguyên tố còn lại. Bước kiểm tra lại cuối cùng là rất quan trọng để đảm bảo phương trình đã cân bằng chính xác.

Chúc các em học tốt!