CuFeS2 + O2 + Fe2(SO4)3 + H2O → CuSO4 + FeSO4 + H2SO4 cân bằng bằng oxi hoá khử…

Chào các em học sinh yêu quý! Hôm nay, thầy trò chúng ta sẽ cùng giải quyết một bài tập cân bằng phản ứng oxi hóa – khử tương đối thú vị và phức tạp. Để cân bằng những phản ứng như thế này một cách chính xác, chúng ta cần áp dụng phương pháp thăng bằng electron một cách cẩn thận và tuần tự.

Phương pháp thăng bằng electron được áp dụng khi trong phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa của một hoặc nhiều nguyên tố, tức là có sự chuyển dịch electron giữa các chất. Mục tiêu của phương pháp là đảm bảo tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận, từ đó xác định được tỉ lệ các chất tham gia và sản phẩm, giúp cân bằng phương trình hóa học.

Đề bài: Cân bằng phương trình phản ứng sau bằng phương pháp oxi hóa – khử và tính tổng hệ số các chất trong phương trình đã cân bằng.

${\mathrm{CuFeS}}_2+O_2+{\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3+H_{2}O\to {\mathrm{CuSO}}_4+{\mathrm{FeSO}}_4+H_2{\mathrm{SO}}_4$

Lời giải chi tiết:

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

Chúng ta sẽ xác định số oxi hóa của từng nguyên tố trong các chất tham gia và sản phẩm:

• Trong ${\mathrm{CuFeS}}_2$ (Chalcopyrite, một khoáng vật phức tạp):
  • Cu có số oxi hóa $+1$
  • Fe có số oxi hóa $+3$
  • S có số oxi hóa $–2$

  (Tổng số oxi hóa: $(+1)+(+3)+2\cdot (–2)=0$)

• Trong $O_2$: O có số oxi hóa $0$
• Trong ${\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$: Fe có số oxi hóa $+3$ (gốc ${\mathrm{SO}}_4^{2–}$ có hóa trị II)
• Trong $H_{2}O$: H có số oxi hóa $+1$, O có số oxi hóa $–2$
• Trong ${\mathrm{CuSO}}_4$: Cu có số oxi hóa $+2$
• Trong ${\mathrm{FeSO}}_4$: Fe có số oxi hóa $+2$
• Trong $H_2{\mathrm{SO}}_4$: S có số oxi hóa $+6$ (H: $+1$, O: $–2$)

Các nguyên tố thay đổi số oxi hóa là:

• Cu: từ $+1$ lên $+2$
• Fe: từ $+3$ xuống $+2$
• S: từ $–2$ lên $+6$
• O: từ $0$ xuống $–2$

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

Trong phản ứng này, chúng ta có một chất khử phức tạp (${\mathrm{CuFeS}}_2$) và hai chất oxi hóa ($O_2$ và ${\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$).

a) Quá trình oxi hóa (nhường electron):

Xét 1 phân tử ${\mathrm{CuFeS}}_2$:

• Cu nhường electron:
  ${\mathrm{Cu}}_{+1}^{}\to {\mathrm{Cu}}_{+2}^{}+1e$ (nhường 1e)
• S nhường electron: Có 2 nguyên tử S trong ${\mathrm{CuFeS}}_2$
  $2S_{–2}^{}\to 2S_{+6}^{}+2\cdot (6–(–2\left)\right)e=2S_{+6}^{}+16e$ (nhường 16e)
• Fe trong ${\mathrm{CuFeS}}_2$ nhận electron (quá trình khử):
  ${\mathrm{Fe}}_{+3}^{}+1e\to {\mathrm{Fe}}_{+2}^{}$ (nhận 1e)

Tổng số electron nhường của 1 phân tử ${\mathrm{CuFeS}}_2$ (tính cả sự thay đổi của Cu, Fe, S):

${\mathrm{CuFeS}}_2\to {\mathrm{Cu}}_{+2}^{}+{\mathrm{Fe}}_{+2}^{}+2S_{+6}^{}$

Số electron nhường = (từ Cu) + (từ S) – (từ Fe) = $1+16–1=16e$

Vậy, 1 phân tử ${\mathrm{CuFeS}}_2$ nhường 16 electron.

b) Quá trình khử (nhận electron):

• Oxi trong $O_2$ nhận electron:
  $O_2^0+4e\to 2O_{–2}^{}$ (nhận 4e)
• Sắt trong ${\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$ nhận electron: Có 2 nguyên tử Fe trong ${\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$
  $2{\mathrm{Fe}}_{+3}^{}+2e\to 2{\mathrm{Fe}}_{+2}^{}$ (nhận 2e)

Bước 3: Cân bằng số electron nhường và nhận.

Đặt hệ số cho các quá trình:

$\underset{\text{nhường 16e}}{\overset{}{{\mathrm{CuFeS}}_2}}\cdot a$

$\underset{\text{nhận 4e}}{\overset{}{O_2}}\cdot b$

$\underset{\text{nhận 2e}}{\overset{}{{\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3}}\cdot c$

Theo định luật bảo toàn electron, tổng số electron nhường phải bằng tổng số electron nhận:

$a\cdot 16=b\cdot 4+c\cdot 2$

Để đơn giản, chúng ta có thể chọn $a=1$ (thông thường chọn hệ số của chất có số nguyên tử thay đổi nhiều nhất là 1, hoặc là chất khử).

Khi đó: $16=4b+2c$

Chia cả hai vế cho 2: $8=2b+c$

Từ phương trình này, chúng ta có thể thử các giá trị nguyên dương nhỏ cho $b$ để tìm $c$ và sau đó cân bằng các nguyên tố khác.

• Nếu $b=1$, thì $c=8–2=6$.
• Nếu $b=2$, thì $c=8–4=4$.
• Nếu $b=3$, thì $c=8–6=2$.
• Nếu $b=4$, thì $c=8–8=0$ (trường hợp này loại vì ${\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$ là chất phản ứng).

Chúng ta sẽ chọn cặp hệ số nhỏ nhất có thể, thường là cặp cuối cùng trước khi một hệ số trở thành 0. Thử với $b=3$ và $c=2$.

Vậy, các hệ số ban đầu chúng ta có là:

$1{\mathrm{CuFeS}}_2+3O_2+2{\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3+D{H}_{2}O\to E{\mathrm{CuSO}}_4+F{\mathrm{FeSO}}_4+G{H}_2{\mathrm{SO}}_4$

Bước 4: Cân bằng các nguyên tố còn lại theo thứ tự kim loại, phi kim, H, O.

1. Cân bằng Cu:
   • Vế trái: 1 nguyên tử Cu (trong ${\mathrm{CuFeS}}_2$)
   • Vế phải: $E$ nguyên tử Cu (trong ${\mathrm{CuSO}}_4$)
   • Vậy: $E=1$
2. Cân bằng Fe:
   • Vế trái: 1 nguyên tử Fe (trong ${\mathrm{CuFeS}}_2$) + $2\cdot 2=4$ nguyên tử Fe (trong $2{\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$). Tổng = $1+4=5$ nguyên tử Fe.
   • Vế phải: $F$ nguyên tử Fe (trong ${\mathrm{FeSO}}_4$)
   • Vậy: $F=5$
3. Cân bằng S:
   • Vế trái: 2 nguyên tử S (trong ${\mathrm{CuFeS}}_2$) + $2\cdot 3=6$ nguyên tử S (trong $2{\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$). Tổng = $2+6=8$ nguyên tử S.
   • Vế phải: $E$ nguyên tử S (trong ${\mathrm{CuSO}}_4$) + $F$ nguyên tử S (trong ${\mathrm{FeSO}}_4$) + $G$ nguyên tử S (trong $H_2{\mathrm{SO}}_4$).
     $=1+5+G=6+G$.
   • Vậy: $8=6+G\Rightarrow G=2$
4. Cân bằng H:
   • Vế trái: $D\cdot 2$ nguyên tử H (trong $D{H}_{2}O$)
   • Vế phải: $G\cdot 2$ nguyên tử H (trong $G{H}_2{\mathrm{SO}}_4$). Vì $G=2$, nên $2\cdot mn2=4$ nguyên tử H.
   • Vậy: $2D=4\Rightarrow D=2$
5. Kiểm tra O (nguyên tố cuối cùng):
   • Vế trái: $3\cdot 2$ (trong $3O_2$) + $2\cdot mn3\cdot 4$ (trong $2{\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$) + $2\cdot mn1$ (trong $2H_{2}O$)
     $=6+24+2=32$ nguyên tử O.
   • Vế phải: $1\cdot 4$ (trong $1{\mathrm{CuSO}}_4$) + $5\cdot 4$ (trong $5{\mathrm{FeSO}}_4$) + $2\cdot 4$ (trong $2H_2{\mathrm{SO}}_4$)
     $=4+20+8=32$ nguyên tử O.
   • Số nguyên tử O hai vế bằng nhau, vậy phương trình đã cân bằng đúng.

Bước 5: Viết phương trình hóa học đã cân bằng và tính tổng hệ số.

Phương trình đã cân bằng là:

${\mathrm{CuFeS}}_2+3O_2+2{\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3+2H_{2}O\to {\mathrm{CuSO}}_4+5{\mathrm{FeSO}}_4+2H_2{\mathrm{SO}}_4$

Tổng hệ số của các chất trong phương trình là:

$1+3+2+2+1+5+2=16$

Thầy hy vọng lời giải chi tiết này sẽ giúp các em hiểu rõ hơn về cách cân bằng các phản ứng oxi hóa – khử phức tạp. Chúc các em học tốt!