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 sẽ hướng dẫn các em cân bằng một phương trình phản ứng hóa học thuộc loại oxi hóa – khử khá thú vị và thường gặp trong chương trình Hóa học lớp 10 của chúng ta.

Giải thích ngắn gọn phương pháp:
Chúng ta sẽ sử dụng phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa – khử dựa trên sự thay đổi số oxi hóa (hay còn gọi là phương pháp thăng bằng electron). Phương pháp này giúp đảm bảo tổng số electron mà chất khử nhường ra phải bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận vào, từ đó đảm bảo định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn nguyên tố trong phản ứng.

Bây giờ, chúng ta cùng nhau đi vào các bước cụ thể nhé!

Lời giải chi tiết:

Phương trình cần cân bằng là:
${\text{CuFeS}}_2+{\text{O}}_2+{\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3+{\text{H}}_2\text{O}\to {\text{CuSO}}_4+{\text{FeSO}}_4+{\text{H}}_2{\text{SO}}_4$

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố thay đổi.
Chúng ta sẽ xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong từng hợp chất. Để ý rằng gốc ${\text{SO}}_4^{2-}$ không thay đổi số oxi hóa của lưu huỳnh trong gốc đó (luôn là ${\text{S}}^{6+}$).

• Trong ${\text{CuFeS}}_2$: ${\text{Cu}}^{2+}$, ${\text{Fe}}^{2+}$, ${\text{S}}^{2-}$.
• Trong ${\text{O}}_2$: ${\text{O}}^0$.
• Trong ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$: ${\text{Fe}}^{3+}$.
• Trong ${\text{H}}_2\text{O}$: ${\text{H}}^{1+}$, ${\text{O}}^{2-}$.
• Trong ${\text{CuSO}}_4$: ${\text{Cu}}^{2+}$, ${\text{S}}^{6+}$.
• Trong ${\text{FeSO}}_4$: ${\text{Fe}}^{2+}$, ${\text{S}}^{6+}$.
• Trong ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$: ${\text{H}}^{1+}$, ${\text{S}}^{6+}$.

Các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi là:

• ${\text{S}}^{2-}$ (trong ${\text{CuFeS}}_2$) → ${\text{S}}^{6+}$ (trong ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$)
• ${\text{O}}^0$ (trong ${\text{O}}_2$) → ${\text{O}}^{2-}$ (trong ${\text{H}}_2\text{O}$ và các gốc ${\text{SO}}_4^{2-}$ mới tạo thành)
• ${\text{Fe}}^{3+}$ (trong ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$) → ${\text{Fe}}^{2+}$ (trong ${\text{FeSO}}_4$)

Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử.
Chúng ta sẽ xét sự thay đổi số oxi hóa trên mỗi phân tử tham gia phản ứng.

• Quá trình oxi hóa (nhường electron):
  Trong một phân tử ${\text{CuFeS}}_2$, có 2 nguyên tử Lưu huỳnh từ ${\text{S}}^{2-}$ chuyển thành ${\text{S}}^{6+}$ (trong ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$).
  Sự thay đổi số oxi hóa của 2 nguyên tử S là: $2\times (6-(-2\left)\right)=2\times 8=16$ electron.
  $2{\text{S}}^{2-}\to 2{\text{S}}^{6+}+16{\text{e}}^{-}$
• Quá trình khử (nhận electron):
  1. Trong một phân tử ${\text{O}}_2$, có 2 nguyên tử Oxi từ ${\text{O}}^0$ chuyển thành ${\text{O}}^{2-}$.
  Sự thay đổi số oxi hóa của 2 nguyên tử O là: $2\times (0-(-2\left)\right)=4$ electron.
  ${\text{O}}_2^0+4{\text{e}}^{-}\to 2{\text{O}}^{2-}$
  2. Trong một phân tử ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$, có 2 nguyên tử Sắt từ ${\text{Fe}}^{3+}$ chuyển thành ${\text{Fe}}^{2+}$.
  Sự thay đổi số oxi hóa của 2 nguyên tử Fe là: $2\times (3-2)=2$ electron.
  $2{\text{Fe}}^{3+}+2{\text{e}}^{-}\to 2{\text{Fe}}^{2+}$

Bước 3: Cân bằng tổng số electron cho và nhận.
Đặt các hệ số thích hợp sao cho tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận.

Giả sử ta lấy 1 phân tử ${\text{CuFeS}}_2$. Nó sẽ nhường ra 16 electron.
Tổng số electron nhận phải bằng 16. Electron được nhận bởi ${\text{O}}_2$ và ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$.

Gọi a là hệ số của ${\text{O}}_2$ và b là hệ số của ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$.
Số electron nhận từ ${\text{O}}_2$ là $4\times \text{a}$.
Số electron nhận từ ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$ là $2\times \text{b}$.

Tổng số electron nhận: $4\text{a}+2\text{b}=16$
Chia cả hai vế cho 2: $2\text{a}+\text{b}=8$

Chúng ta cần chọn cặp giá trị nguyên dương cho a và b sao cho tổng bằng 8, và hợp lý với các nguyên tố khác. Ta có thể thử một số cặp:

• Nếu $\text{a}=1$, thì $\text{b}=6$.
• Nếu $\text{a}=2$, thì $\text{b}=4$.
• Nếu $\text{a}=3$, thì $\text{b}=2$.
• Nếu $\text{a}=4$, thì $\text{b}=0$ (trường hợp này ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$ không tham gia, không hợp lý).

Thường thì ta sẽ chọn các hệ số nhỏ nhất có thể, thử với cặp $\text{a}=3$ và $\text{b}=2$.

Vậy, ta có các hệ số tương ứng cho 1 phân tử ${\text{CuFeS}}_2$ là:
$1\times {\text{CuFeS}}_2$
$3\times {\text{O}}_2$
$2\times {\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$

Bước 4: Đặt các hệ số vào phương trình và cân bằng các nguyên tố còn lại theo phương pháp thông thường.

Với các hệ số vừa tìm được, ta có phương trình tạm thời:

Cân bằng các nguyên tố theo thứ tự ưu tiên: Kim loại → Phi kim (trừ O, H) → H → O.

• Nguyên tố Cu:
  Vế trái: 1 nguyên tử Cu (trong ${\text{CuFeS}}_2$)
  Vế phải: e nguyên tử Cu (trong )
  → $\text{e}=1$.
• Nguyên tố Fe:
  Vế trái: 1 nguyên tử Fe (trong ${\text{CuFeS}}_2$) + $2\times 2=4$ nguyên tử Fe (trong ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$) = 5 nguyên tử Fe.
  Vế phải: f nguyên tử Fe (trong ${\text{FeSO}}_4$)
  → $\text{f}=5$.
• Nguyên tố S:
  Vế trái: 2 nguyên tử S (trong ${\text{CuFeS}}_2$) + $2\times 3=6$ nguyên tử S (trong ) = 8 nguyên tử S.
  Vế phải: 1 nguyên tử S (trong ) + 5 nguyên tử S (trong ${\text{FeSO}}_4$) + g nguyên tử S (trong ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$) = $1+5+\text{g}=6+\text{g}$.
  → $8=6+\text{g}$ → $\text{g}=2$.
• Nguyên tố H:
  Vế phải: $2\times 2=4$ nguyên tử H (trong ).
  Vế trái: $\text{d}\times 2$ nguyên tử H (trong ${\text{H}}_2\text{O}$).
  →2d=4 → $\text{d}=2$.
• Nguyên tố O (kiểm tra):
  Vế trái: $3\times 2$ (trong ${\text{O}}_2$) + $2\times 3\times 4$ (trong ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$) + $2\times 1$ (trong ${\text{H}}_2\text{O}$)
  $=6+24+2=32$ nguyên tử O.
  Vế phải: $1\times 4$ (trong ${\text{CuSO}}_4$) + $5\times 4$ (trong ${\text{FeSO}}_4$) + $2\times 4$ (trong ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$)
  $=4+20+8=32$ nguyên tử O.
  Số nguyên tử O hai vế bằng nhau, vậy các hệ số đã chọn là chính xác.

Phương trình hóa học đã cân bằng hoàn chỉnh là:

${\text{CuFeS}}_2+3{\text{O}}_2+2{\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3+2{\text{H}}_2\text{O}\to {\text{CuSO}}_4+5{\text{FeSO}}_4+2{\text{H}}_2{\text{SO}}_4$

Các em nhớ luyện tập thêm các dạng bài tập tương tự để nắm vững phương pháp này nhé!