FeCl2+KMnO4+H2SO4 -> Fe(SO4)3 + Cl2+MnSO4+K2SO4+H2O cân bằng pp thăng bằng e

Chào các em học sinh yêu quý!

Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau “giải mã” một phản ứng oxi hóa – khử phức tạp bằng phương pháp thăng bằng electron. Đây là một phương pháp rất hiệu quả giúp chúng ta cân bằng các phương trình hóa học mà phương pháp đại số thông thường gặp nhiều khó khăn.

Giải thích ngắn gọn về phương pháp thăng bằng electron:

Phương pháp thăng bằng electron (hay cân bằng theo số oxi hóa) dựa trên nguyên tắc cơ bản là tổng số electron mà chất khử nhường phải bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận trong một phản ứng. Việc này đảm bảo định luật bảo toàn electron được tuân thủ, giúp phương trình được cân bằng chính xác.

Chúng ta sẽ tiến hành cân bằng phản ứng sau đây từng bước một nhé!

Phản ứng cần cân bằng:

FeCl2 + KMnO4 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + Cl2 + MnSO4 + K2SO4 + H2O

BƯỚC 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố có sự thay đổi

Đầu tiên, chúng ta sẽ xác định số oxi hóa của tất cả các nguyên tố trong các chất tham gia và sản phẩm của phản ứng:

• Trong FeCl2: ${\text{Fe}}^{+2}$, ${\text{Cl}}^{–1}$
• Trong KMnO4: ${\text{K}}^{+1}$, ${\text{Mn}}^{+7}$, ${\text{O}}^{–2}$
• Trong H2SO4: ${\text{H}}^{+1}$, ${\text{S}}^{+6}$, ${\text{O}}^{–2}$
• Trong Fe2(SO4)3: ${\text{Fe}}^{+3}$ (gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$ không thay đổi số oxi hóa)
• Trong Cl2: ${\text{Cl}}_2^0$
• Trong MnSO4: ${\text{Mn}}^{+2}$ (gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$ không thay đổi số oxi hóa)
• Trong K2SO4: ${\text{K}}^{+1}$ (gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$ không thay đổi số oxi hóa)
• Trong H2O: ${\text{H}}^{+1}$, ${\text{O}}^{–2}$

Các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi là:

• Sắt (Fe): từ ${\text{Fe}}^{+2}$ lên ${\text{Fe}}^{+3}$ (tăng số oxi hóa)
• Clo (Cl): từ ${\text{Cl}}^{–1}$ lên ${\text{Cl}}_2^0$ (tăng số oxi hóa)
• Mangan (Mn): từ ${\text{Mn}}^{+7}$ xuống ${\text{Mn}}^{+2}$ (giảm số oxi hóa)

BƯỚC 2: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử

Chúng ta sẽ viết các quá trình nhường electron (quá trình oxi hóa) và nhận electron (quá trình khử), đồng thời cân bằng số nguyên tử và số electron cho mỗi quá trình.

1. Quá trình oxi hóa (nhường electron):

Ở đây, cả Fe và Cl trong FeCl2 đều bị oxi hóa. Chúng ta sẽ tính tổng số electron nhường cho một đơn vị FeCl2:

$$\begin{array}{l}{\text{Fe}}^{+2}\to {\text{Fe}}^{+3}+1\text{e}\\ 2{\text{Cl}}^{–1}\to msubsup>\text{Cl}20+2\text{e}\\ \text{Tổng số electron nhường}=1+2=3\text{e}\end{array}$$

Giải thích: Mỗi nguyên tử Fe từ ${\text{Fe}}^{+2}$ lên ${\text{Fe}}^{+3}$ nhường 1 electron. Mỗi 2 nguyên tử Cl từ ${\text{Cl}}^{–1}$ tạo thành phân tử ${\text{Cl}}_2^0$ nhường 2 electron (mỗi ${\text{Cl}}^{–1}$ nhường 1e). Vậy, tổng cộng có 3 electron được nhường.

2. Quá trình khử (nhận electron):

$$\begin{array}{l}{\text{Mn}}^{+7}+5\text{e}\to {\text{Mn}}^{+2}\end{array}$$

Giải thích: Mỗi nguyên tử Mn từ ${\text{Mn}}^{+7}$ xuống ${\text{Mn}}^{+2}$ nhận 5 electron.

BƯỚC 3: Cân bằng tổng số electron nhường và nhận

Để tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận, chúng ta tìm bội số chung nhỏ nhất (BCNN) của số electron nhường và nhận, sau đó nhân các quá trình với hệ số thích hợp:

• Số electron nhường: 3
• Số electron nhận: 5
• BCNN(3, 5) = 15

Vậy, chúng ta sẽ nhân quá trình nhường electron với 5 và quá trình nhận electron với 3:

$$\begin{array}{l}\text{5}\times \left\{\begin{array}{l}{\text{Fe}}^{+2}\to {\text{Fe}}^{+3}+1\text{e}\\ 2{\text{Cl}}^{–1}\to {\text{Cl}}_2^0+2\text{e}\end{array}\right\}\text{(Tổng 3e nhường)}\\ \text{3}\times \left\{\begin{array}{l}{\text{Mn}}^{+7}+5\text{e}\to {\text{Mn}}^{+2}\end{array}\right\}\text{(Tổng 5e nhận)}\end{array}$$

Hệ số cân bằng sơ bộ:

• Cho các chất chứa Fe và Cl (tức là FeCl2, Fe2(SO4)3, Cl2) sẽ được đặt theo bội số 5.
• Cho các chất chứa Mn (tức là KMnO4, MnSO4) sẽ được đặt theo bội số 3.

BƯỚC 4: Đặt hệ số vào phương trình phản ứng

Bắt đầu đặt các hệ số vừa tìm được vào phương trình:

$5\text{Fe}{\text{Cl}}_2+3\text{KMn}{\text{O}}_4+{\text{H}}_2\text{S}{\text{O}}_4\to \text{F}{\text{e}}_2{\left(\text{S}{\text{O}}_4\right)}_{}3+{\text{Cl}}_2+3\text{MnS}{\text{O}}_4+{\text{K}}_2\text{S}{\text{O}}_4+{\text{H}}_2\text{O}$

Tiếp theo, cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố đã thay đổi số oxi hóa ở cả hai vế:

• Fe: Vế trái có 5 Fe. Vế phải trong ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$ có 2 Fe. Để có 5 Fe, ta đặt hệ số là $\frac{5}{2}$ cho ${\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$.
• Cl: Vế trái có $5\times 2=10$ Cl. Vế phải trong ${\text{Cl}}_2$ có 2 Cl. Để có 10 Cl, ta đặt hệ số là 5 cho ${\text{Cl}}_2$.
• K: Vế trái có 3 K. Vế phải trong ${\text{K}}_2{\text{SO}}_4$ có 2 K. Để có 3 K, ta đặt hệ số là $\frac{3}{2}$ cho ${\text{K}}_2{\text{SO}}_4$.

Phương trình tạm thời (có thể có phân số):

$5\text{Fe}{\text{Cl}}_2+3\text{KMn}{\text{O}}_4+{\text{H}}_2\text{S}{\text{O}}_4\to \frac{5}{2}\text{F}{\text{e}}_2{\left(\text{S}{\text{O}}_4\right)}_{}3+5{\text{Cl}}_2+3\text{MnS}{\text{O}}_4+\frac{3}{2}{\text{K}}_2\text{S}{\text{O}}_4+{\text{H}}_2\text{O}$

Để loại bỏ phân số, ta nhân toàn bộ phương trình với 2:

$10\text{Fe}{\text{Cl}}_2+6\text{KMn}{\text{O}}_4+{\text{H}}_2\text{S}{\text{O}}_4\to 5\text{F}{\text{e}}_2{\left(\text{S}{\text{O}}_4\right)}_{}3+10{\text{Cl}}_2+6\text{MnS}{\text{O}}_4+3{\text{K}}_2\text{S}{\text{O}}_4+{\text{H}}_2\text{O}$

BƯỚC 5: Cân bằng các nguyên tố còn lại

Bây giờ, chúng ta sẽ cân bằng các nguyên tố chưa được cân bằng, đó là S (trong nhóm SO4), H và O. Thường thì chúng ta cân bằng S trước, sau đó là H, và cuối cùng là O để kiểm tra lại.

1. Cân bằng S (trong gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$):

• Số gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$ ở vế phải:
• Trong $5{\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$: $5\times 3=15$ gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$
• Trong $6{\text{MnSO}}_4$: $6\times 1=6$ gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$
• Trong $3{\text{K}}_2{\text{SO}}_4$: $3\times 1=3$ gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$
• Tổng số gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$ ở vế phải là: $15+6+3=24$ gốc.
• Vế trái, tất cả gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$ đến từ ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$. Do đó, ta cần 24 phân tử ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$.

Phương trình sau khi cân bằng gốc ${\text{SO}}_4^{–2}$ (và S):

2. Cân bằng H:

• Vế trái có $24\times 2=48$ nguyên tử H (từ ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$).
• Vế phải, tất cả H đều nằm trong ${\text{H}}_2\text{O}$. Để có 48 H, ta cần 24 phân tử ${\text{H}}_2\text{O}$.

Phương trình sau khi cân bằng H:

$10\text{Fe}{\text{Cl}}_2+6\text{KMn}{\text{O}}_4+24{\text{H}}_2\text{S}{\text{O}}_4\to 5\text{F}{\text{e}}_2{\left(\text{S},{\text{O}}_4\right)}_{})3+10{\text{Cl}}_2+6\text{MnS}{\text{O}}_4+3{\text{K}}_2\text{S}{\text{O}}_4+\mathbf{24}{\text{H}}_2\text{O}$

3. Kiểm tra cân bằng O:

Đây là bước cuối cùng để kiểm tra xem toàn bộ phương trình đã cân bằng đúng hay chưa.

• Số nguyên tử O ở vế trái:
• Trong $6{\text{KMnO}}_4$: $6\times 4=24$ O
• Trong $24{\text{H}}_2{\text{SO}}_4$: $24\times 4=96$ O
• Tổng O vế trái: $24+96=120$ O
• Số nguyên tử O ở vế phải:
• Trong $5{\text{Fe}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3$: $5\times 3\times 4=60$ O
• Trong $6{\text{MnSO}}_4$: $6\times 4=24$ O
• Trong $3{\text{K}}_2{\text{SO}}_4$: $3\times 4=12$ O
• Trong $24{\text{H}}_2\text{O}$: $24\times 1=24$ O
• Tổng O vế phải: $60+24+12+24=120$ O

Số nguyên tử O ở hai vế bằng nhau (120 = 120). Vậy phương trình đã được cân bằng chính xác!

PHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC CÂN BẰNG HOÀN CHỈNH:

Chúc mừng các em đã hoàn thành bài tập khó này! Hãy luyện tập thêm để thành thạo phương pháp thăng bằng electron nhé.