Chúng ta cùng phân tích đề bài:

Đề bài cho biết, hàm lượng ethanol trong máu người lái xe không vượt quá 0,02% theo khối lượng. Để xác định hàm lượng này, người ta dùng phương pháp chuẩn độ ethanol bằng dung dịch K2Cr2O7 trong môi trường axit H2SO4. Phản ứng oxi hóa-khử xảy ra như sau: ion Cr+6 trong K2Cr2O7 bị khử thành ion Cr+3, còn ethanol (C2H5OH) bị oxi hóa thành acetaldehyde (CH3CHO).

Đề bài hỏi: Khi chuẩn độ 25g huyết tương máu của một lái xe cần dùng 20ml dung dịch K2Cr2O7 0,01M. Người lái xe có vi phạm luật không? Tại sao?

Chúng ta sẽ giải bài tập này từng bước một.

Bước 1: Viết và cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa-khử.

Phản ứng oxi hóa-khử là phản ứng trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố.
Ở đây, chúng ta có:
C2H5OH (ethanol) bị oxi hóa thành CH3CHO (acetaldehyde).
Cr+6 trong K2Cr2O7 bị khử thành Cr+3.

Để cân bằng phản ứng oxi hóa-khử, chúng ta có thể sử dụng phương pháp thăng bằng electron.

Xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong các chất tham gia phản ứng và sản phẩm:
Trong C2H5OH: C có số oxi hóa trung bình là -2. H là +1, O là -2.
Trong CH3CHO: C trong nhóm CH3 là -3, C trong nhóm CHO là +1. Số oxi hóa trung bình của C là ( -3 + 1 ) / 2 = -1.
Trong Cr2O7^2-: Oxi hóa của O là -2, vậy 2 Số oxi hóa của Cr + 7 (-2) = -2 => 2 * Số oxi hóa của Cr = +12 => Số oxi hóa của Cr là +6.
Trong Cr^3+: Số oxi hóa của Cr là +3.

Quá trình oxi hóa:
C2H5OH -> CH3CHO
Số oxi hóa của C thay đổi từ -2 lên -1. Có 2 nguyên tử C trong phân tử ethanol.
Độ tăng số oxi hóa của 1 nguyên tử C là (-1) – (-2) = +1.
Độ tăng số oxi hóa của 2 nguyên tử C là 2 * (+1) = +2.
C2H5OH – 2e -> CH3CHO + 2H+ (cần cân bằng theo nguyên tố H và O sau, hoặc viết dạng ion và cân bằng O bằng H2O, H+ bằng H+)

Quá trình khử:
Cr2O7^2- -> Cr^3+
Số oxi hóa của Cr thay đổi từ +6 xuống +3.
Độ giảm số oxi hóa của 1 nguyên tử Cr là (+6) – (+3) = +3.
Trong ion Cr2O7^2-, có 2 nguyên tử Cr.
Độ giảm số oxi hóa của 2 nguyên tử Cr là 2 * (+3) = +6.
Cr2O7^2- + 6e -> 2Cr^3+

Bây giờ chúng ta cân bằng electron:
Nhân quá trình oxi hóa với 3 và quá trình khử với 1 để số electron nhường bằng số electron nhận.
3 * (C2H5OH – 2e -> CH3CHO + 2H+) => 3C2H5OH – 6e -> 3CH3CHO + 6H+
1 * (Cr2O7^2- + 6e -> 2Cr^3+) => Cr2O7^2- + 6e -> 2Cr^3+

Cộng hai quá trình lại:
3C2H5OH + Cr2O7^2- -> 3CH3CHO + 2Cr^3+ + 6H+

Bây giờ chúng ta cần hoàn thiện phương trình trong môi trường axit H2SO4. Ta cần thêm H+ để cân bằng điện tích và nguyên tố.
Trong môi trường axit, K2Cr2O7 điện li thành 2K+ và Cr2O7^2-. H2SO4 điện li thành 2H+ và SO4^2-.

Phản ứng đầy đủ dạng phân tử:
Cr2O7^2- + 14H+ + 6e -> 2Cr^3+ + 7H2O (khử)
C2H5OH + H2O -> CH3CHO + 4H+ + 4e (oxi hóa – số oxi hóa C trung bình từ -2 lên -1, nhưng để cân bằng chính xác thì C trong nhóm CH3 từ -3 lên -3, C trong nhóm CHO từ +1 lên +3, vậy độ tăng là 6. Nhưng ở đây là C trung bình. Nếu xét theo từng nguyên tử C thì khó. Ta có thể cân bằng theo kiểu đơn giản hơn là ethanol thành acetaldehyde, 2 nguyên tử C, thay đổi số oxi hóa là 2. Cần 2e. Tuy nhiên, khi cân bằng với chất oxi hóa mạnh như K2Cr2O7 thì phản ứng phức tạp hơn.
Để dễ dàng, ta xem xét số nguyên tử C thay đổi số oxi hóa.
C2H5OH: C(a) có số oxi hóa -3, C(b) có số oxi hóa -1. Trung bình -2.
CH3CHO: C(a) có số oxi hóa -3, C(b) có số oxi hóa +1. Trung bình -1.
Độ tăng số oxi hóa trung bình là (-1) – (-2) = +1 cho mỗi nguyên tử C. Vậy cả phân tử có 2 nguyên tử C thì độ tăng là +2.
C2H5OH – 2e -> CH3CHO + 2H+ (chưa cân bằng O và H)

Phương trình ion rút gọn chuẩn:
3C2H5OH + Cr2O7^2- + 8H+ -> 3CH3CHO + 2Cr^3+ + 11H2O

Trong đề bài có K2Cr2O7 và H2SO4, vậy ta sẽ viết phương trình dạng phân tử:
3C2H5OH + K2Cr2O7 + 4H2SO4 -> 3CH3CHO + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 11H2O

Tuy nhiên, để tính toán nồng độ mol, chúng ta thường dùng tỉ lệ mol dựa trên phương trình ion rút gọn hoặc phương trình phân tử đã cân bằng chính xác. Tỉ lệ mol quan trọng nhất là giữa K2Cr2O7 (hay Cr2O7^2-) và C2H5OH.
Từ phương trình ion rút gọn: 3C2H5OH phản ứng với 1Cr2O7^2-.
Vậy tỉ lệ mol là: n(C2H5OH) / 3 = n(Cr2O7^2-) / 1

Bước 2: Tính số mol K2Cr2O7 đã dùng.

Đề bài cho thể tích dung dịch K2Cr2O7 là 20ml và nồng độ mol là 0,01M.
Đổi thể tích sang lít: 20 ml = 20 / 1000 L = 0,02 L.
Số mol K2Cr2O7 được tính theo công thức: n = C * V
trong đó:
n là số mol (mol)
C là nồng độ mol (M)
V là thể tích dung dịch (L)

n(K2Cr2O7) = 0,01 mol/L * 0,02 L = 0,0002 mol.

Vì K2Cr2O7 phân li hoàn toàn trong dung dịch thành 2K+ và Cr2O7^2-, nên số mol ion Cr2O7^2- cũng bằng số mol K2Cr2O7.
n(Cr2O7^2-) = 0,0002 mol.

Bước 3: Tính số mol ethanol (C2H5OH) đã phản ứng.

Dựa vào tỉ lệ mol từ phương trình phản ứng đã cân bằng: 3C2H5OH phản ứng với 1Cr2O7^2-.
Suy ra: n(C2H5OH) = 3 * n(Cr2O7^2-)
n(C2H5OH) = 3 * 0,0002 mol = 0,0006 mol.

Bước 4: Tính khối lượng ethanol (C2H5OH) có trong mẫu huyết tương.

Khối lượng mol của ethanol (C2H5OH) là:
M(C2H5OH) = 2 M(C) + 6 M(H) + 1 * M(O)
M(C2H5OH) = 2 12 + 6 1 + 1 * 16 = 24 + 6 + 16 = 46 g/mol.

Khối lượng ethanol được tính theo công thức: m = n * M
trong đó:
m là khối lượng (g)
n là số mol (mol)
M là khối lượng mol (g/mol)

m(C2H5OH) = 0,0006 mol * 46 g/mol = 0,0276 g.

Bước 5: Tính phần trăm khối lượng của ethanol trong mẫu huyết tương.

Đề bài cho biết khối lượng mẫu huyết tương là 25g.
Phần trăm khối lượng của ethanol trong mẫu huyết tương được tính theo công thức:
% khối lượng = (Khối lượng chất tan / Khối lượng dung dịch hoặc hỗn hợp) * 100%

% khối lượng C2H5OH = (m(C2H5OH) / m(huyết tương)) * 100%
% khối lượng C2H5OH = (0,0276 g / 25 g) * 100%
% khối lượng C2H5OH = 0,001104 * 100% = 0,1104 %.

Bước 6: So sánh và đưa ra kết luận.

Theo luật định, hàm lượng ethanol trong máu người lái xe không vượt quá 0,02% theo khối lượng.
Kết quả tính toán cho thấy, hàm lượng ethanol trong máu của người lái xe này là 0,1104 %.

So sánh: 0,1104 % > 0,02 %.

Kết luận: Người lái xe này đã vi phạm luật giao thông.

Tại sao: Vì hàm lượng ethanol trong máu của người lái xe (0,1104%) đã vượt quá mức cho phép theo quy định của pháp luật (0,02%).

Các em thấy đó, Hóa học không chỉ là những công thức, phương trình trên sách vở mà còn có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thế giới xung quanh và đưa ra những quyết định đúng đắn.

Hy vọng qua bài tập này, các em đã nắm vững hơn cách giải các bài toán về phản ứng oxi hóa-khử và tính toán nồng độ. Nếu có bất kỳ câu hỏi nào, các em cứ mạnh dạn hỏi thầy nhé!