Chào các em học sinh yêu quý! Hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau giải quyết một bài toán cân bằng phản ứng oxi hóa – khử rất thú vị và thường gặp trong chương trình Hóa học lớp 10, đặc biệt là các bạn theo bộ sách mới. Phản ứng này có sự tham gia của quặng sunfua kim loại, một loại phản ứng quan trọng trong công nghiệp.

Chúng ta sẽ sử dụng phương pháp thăng bằng electron, đây là phương pháp hiệu quả nhất để cân bằng các phản ứng phức tạp như thế này.

Đề bài: Cân bằng phương trình hóa học sau bằng phương pháp thăng bằng electron:
CuFeS2 + KMnO4 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + CuSO4 + K2SO4 + MnSO4 + H2O

Bây giờ, chúng ta cùng nhau đi từng bước một nhé!

Lời giải chi tiết:

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

Chúng ta sẽ viết số oxi hóa lên đầu mỗi nguyên tố trong các chất để dễ theo dõi sự thay đổi. Các nguyên tố có số oxi hóa không đổi (như O, H trong nước và axit, K trong K2SO4, Cu trong CuSO4) ta có thể bỏ qua hoặc xác định nhanh chóng.

• Trong \( \overset{+2}{Cu}\overset{+2}{Fe}\overset{-2}{S}_2 \): Đồng (Cu) có số oxi hóa là \( +2 \), Sắt (Fe) là \( +2 \), Lưu huỳnh (S) là \( -2 \). (Giải thích: Giả định Cu và Fe có số oxi hóa dương, S có số oxi hóa âm. Với CuFeS2, nếu Cu(+2) và Fe(+2), tổng số oxi hóa của Cu và Fe là \( +4 \). Để hợp chất trung hòa, \( 2S \) phải có tổng số oxi hóa là \( -4 \), vậy mỗi S là \( -2 \)).
• Trong \( K\overset{+7}{Mn}\overset{-2}{O}_4 \): Kali (K) là \( +1 \), Mangan (Mn) là \( +7 \), Oxi (O) là \( -2 \).
• Trong \( H_2\overset{+6}{S}\overset{-2}{O}_4 \): Hidro (H) là \( +1 \), Lưu huỳnh (S) là \( +6 \), Oxi (O) là \( -2 \).
• Trong \( \overset{+3}{Fe}_2(\overset{+6}{S}\overset{-2}{O}_4)_3 \): Sắt (Fe) là \( +3 \), gốc sunfat \( SO_4^{2-} \) có S là \( +6 \).
• Trong \( \overset{+2}{Cu}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O}_4 \): Đồng (Cu) là \( +2 \), gốc sunfat \( SO_4^{2-} \) có S là \( +6 \).
• Trong \( K_2\overset{+6}{S}\overset{-2}{O}_4 \): Kali (K) là \( +1 \), gốc sunfat \( SO_4^{2-} \) có S là \( +6 \).
• Trong \( \overset{+2}{Mn}\overset{+6}{S}\overset{-2}{O}_4 \): Mangan (Mn) là \( +2 \), gốc sunfat \( SO_4^{2-} \) có S là \( +6 \).
• Trong \( H_2\overset{-2}{O} \): Hidro (H) là \( +1 \), Oxi (O) là \( -2 \).

Các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi là:

• Sắt (Fe): từ \( +2 \) trong \( CuFeS_2 \) lên \( +3 \) trong \( Fe_2(SO_4)_3 \).
• Lưu huỳnh (S): từ \( -2 \) trong \( CuFeS_2 \) lên \( +6 \) trong các gốc \( SO_4^{2-} \).
• Mangan (Mn): từ \( +7 \) trong \( KMnO_4 \) xuống \( +2 \) trong \( MnSO_4 \).
• Đồng (Cu) giữ nguyên số oxi hóa \( +2 \).

Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa (nhường electron) và quá trình khử (nhận electron).

Chất khử là chất nhường electron, số oxi hóa tăng. Chất oxi hóa là chất nhận electron, số oxi hóa giảm.

• Quá trình oxi hóa (nhường electron) từ \( CuFeS_2 \):

Trong một phân tử \( CuFeS_2 \), có một nguyên tử Fe và hai nguyên tử S.

\[ \overset{+2}{Fe} \rightarrow \overset{+3}{Fe} + 1e \] (Fe nhường 1 electron)

\[ 2\overset{-2}{S} \rightarrow 2\overset{+6}{S} + 2 \times (6 – (-2))e = 2 \times 8e = 16e \] (2 nguyên tử S nhường tổng cộng 16 electron)

Vậy, tổng số electron mà một phân tử \( CuFeS_2 \) nhường là: \( 1e + 16e = 17e \).

Để tiện cho việc cân bằng sản phẩm có \( Fe_2(SO_4)_3 \) (chứa 2 nguyên tử Fe), ta sẽ nhân đôi quá trình oxi hóa của \( CuFeS_2 \):

\[ 2Cu\overset{+2}{Fe}\overset{-2}{S}_2 \rightarrow 2\overset{+3}{Fe} + 4\overset{+6}{S} + 2 \times 17e = 34e \]

(Giải thích: Việc nhân đôi ngay từ đầu giúp đảm bảo số nguyên tử Fe là chẵn, tránh xuất hiện phân số ở hệ số của \( Fe_2(SO_4)_3 \) khi đặt vào phương trình sau này. Hoặc có thể cân bằng bình thường rồi nhân chung tất cả hệ số nếu có phân số).

• Quá trình khử (nhận electron) từ \( KMnO_4 \):

\[ \overset{+7}{Mn} + 5e \rightarrow \overset{+2}{Mn} \] (Mn nhận 5 electron)

Bước 3: Cân bằng số electron nhường và nhận.

Tổng số electron nhường phải bằng tổng số electron nhận.

• Quá trình oxi hóa: \( 2CuFeS_2 \text{ nhường } 34e \)
• Quá trình khử: \( Mn^{+7} \text{ nhận } 5e \)

Bội số chung nhỏ nhất của 34 và 5 là \( 34 \times 5 = 170 \).

• Để có 170e nhường, ta nhân quá trình oxi hóa với 5:

\[ 5 \times (2CuFeS_2 \rightarrow 2Fe^{+3} + 4S^{+6} + 34e) \]

\[ 10CuFeS_2 \rightarrow 10Fe^{+3} + 20S^{+6} + 170e \]

• Để có 170e nhận, ta nhân quá trình khử với 34:

\[ 34 \times (Mn^{+7} + 5e \rightarrow Mn^{+2}) \]

\[ 34Mn^{+7} + 170e \rightarrow 34Mn^{+2} \]

Bước 4: Đặt các hệ số vừa tìm được vào phương trình ban đầu.

Từ quá trình thăng bằng electron, ta có các hệ số tương ứng:

• Hệ số của \( CuFeS_2 \) là 10.
• Hệ số của \( KMnO_4 \) là 34.
• Trên vế sản phẩm:
  • \( 10Fe^{+3} \) sẽ tạo thành \( 5Fe_2(SO_4)_3 \) (vì \( Fe_2(SO_4)_3 \) có 2 nguyên tử Fe).
  • \( 10Cu \) (từ \( 10CuFeS_2 \)) sẽ tạo thành \( 10CuSO_4 \).
  • \( 34Mn^{+2} \) sẽ tạo thành \( 34MnSO_4 \).
  • \( 34K \) (từ \( 34KMnO_4 \)) sẽ tạo thành \( 17K_2SO_4 \) (vì \( K_2SO_4 \) có 2 nguyên tử K).
  • \( 20S^{+6} \) (từ \( 10CuFeS_2 \)) sẽ tạo thành 20 gốc \( SO_4^{2-} \).

Tạm thời ta có phương trình:

\[ 10 CuFeS_2 + 34 KMnO_4 + H_2SO_4 \rightarrow 5 Fe_2(SO_4)_3 + 10 CuSO_4 + 17 K_2SO_4 + 34 MnSO_4 + H_2O \]

Bước 5: Cân bằng các nguyên tố còn lại (SO4, H, O).

Chúng ta sẽ cân bằng gốc sunfat \( SO_4^{2-} \) trước, sau đó là H và cuối cùng là O để kiểm tra.

• Cân bằng gốc \( SO_4^{2-} \):
  • Tổng số gốc \( SO_4^{2-} \) ở vế sản phẩm:
    • Trong \( 5Fe_2(SO_4)_3 \): \( 5 \times 3 = 15 \) gốc \( SO_4^{2-} \).
    • Trong \( 10CuSO_4 \): \( 10 \times 1 = 10 \) gốc \( SO_4^{2-} \).
    • Trong \( 17K_2SO_4 \): \( 17 \times 1 = 17 \) gốc \( SO_4^{2-} \).
    • Trong \( 34MnSO_4 \): \( 34 \times 1 = 34 \) gốc \( SO_4^{2-} \).
    • Tổng cộng có: \( 15 + 10 + 17 + 34 = 76 \) gốc \( SO_4^{2-} \).
  • Nguồn gốc của các \( SO_4^{2-} \):
    • 20 gốc \( SO_4^{2-} \) được tạo ra từ 20 nguyên tử S bị oxi hóa từ \( CuFeS_2 \).
    • Số gốc \( SO_4^{2-} \) còn lại phải đến từ \( H_2SO_4 \): \( 76 – 20 = 56 \) gốc \( SO_4^{2-} \).
  • Vậy, hệ số của \( H_2SO_4 \) là 56.
• Cân bằng nguyên tố Hidro (H):
  • Ở vế trái, \( 56H_2SO_4 \) cung cấp \( 56 \times 2 = 112 \) nguyên tử H.
  • Ở vế phải, tất cả H phải nằm trong \( H_2O \). Để có 112 nguyên tử H, ta cần \( 112 / 2 = 56 \) phân tử \( H_2O \).
  • Vậy, hệ số của \( H_2O \) là 56.
• Kiểm tra nguyên tố Oxi (O):
  • Tổng Oxi ở vế trái:
    • Trong \( 34KMnO_4 \): \( 34 \times 4 = 136 \) O.
    • Trong \( 56H_2SO_4 \): \( 56 \times 4 = 224 \) O.
    • Tổng cộng: \( 136 + 224 = 360 \) O.
  • Tổng Oxi ở vế phải:
    • Trong \( 5Fe_2(SO_4)_3 \): \( 5 \times 3 \times 4 = 60 \) O.
    • Trong \( 10CuSO_4 \): \( 10 \times 4 = 40 \) O.
    • Trong \( 17K_2SO_4 \): \( 17 \times 4 = 68 \) O.
    • Trong \( 34MnSO_4 \): \( 34 \times 4 = 136 \) O.
    • Trong \( 56H_2O \): \( 56 \times 1 = 56 \) O.
    • Tổng cộng: \( 60 + 40 + 68 + 136 + 56 = 360 \) O.
  • Số nguyên tử O ở hai vế đã bằng nhau. Phương trình đã được cân bằng chính xác.

Bước 6: Viết phương trình hóa học đã cân bằng hoàn chỉnh.

\[ 10 CuFeS_2 + 34 KMnO_4 + 56 H_2SO_4 \rightarrow 5 Fe_2(SO_4)_3 + 10 CuSO_4 + 17 K_2SO_4 + 34 MnSO_4 + 56 H_2O \]

Qua bài tập này, các em thấy rằng việc xác định đúng số oxi hóa và cân bằng electron là chìa khóa để giải quyết các phản ứng oxi hóa – khử phức tạp. Hãy luyện tập thường xuyên để thành thạo phương pháp này nhé!