Chào các em, thầy là giáo viên Hóa học lớp 10 của các em đây.

Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập cân bằng phản ứng oxi hóa – khử khá hay và đòi hỏi sự tư duy một chút. Đây là một dạng bài quen thuộc nhưng có thêm điều kiện về tỉ lệ sản phẩm khử, chúng ta hãy cùng nhau phân tích thật kỹ nhé.

Phản ứng của chúng ta là sự tác dụng giữa Sắt(II) oxit và axit nitric, tạo ra nhiều sản phẩm khử. Chú ý rằng sản phẩm tạo thành là nước (H₂O) chứ không phải khí H₂ nhé.

Để cân bằng phản ứng này, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp thăng bằng electron. Các em hãy làm theo từng bước sau:

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

Trong phản ứng này, chúng ta cần xác định số oxi hóa của Fe và N trước và sau phản ứng.

\( \overset{+2}{Fe} \overset{-2}{O} \quad + \quad H \overset{+5}{N} O_3 \quad \rightarrow \quad \overset{+3}{Fe} (NO_3)_3 \quad + \quad \overset{+4}{N} O_2 \quad + \quad \overset{+2}{N} O \quad + \quad H_2O \)

Như vậy, ta thấy:
– Nguyên tố Sắt (Fe) có số oxi hóa tăng từ \(+2\) lên \(+3\).
– Nguyên tố Nitơ (N) có số oxi hóa giảm từ \(+5\) xuống \(+4\) (trong NO₂) và \(+2\) (trong NO).

Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử.

– Quá trình oxi hóa (chất khử là FeO):
Sắt nhường 1 electron.
\( \overset{+2}{Fe} \quad \rightarrow \quad \overset{+3}{Fe} \quad + \quad 1e \)

– Quá trình khử (chất oxi hóa là HNO₃):
Đây là bước quan trọng nhất vì Nitơ \(+5\) bị khử xuống hai mức oxi hóa khác nhau với tỉ lệ mol \(NO_2 : NO = a : b\). Chúng ta sẽ viết một quá trình khử tổng hợp cho cả hai sản phẩm này.

Giả sử có \(a\) mol \(NO_2\) và \(b\) mol \(NO\) được tạo thành.
Để tạo ra \(a\) mol \(NO_2\), cần: \( a \times (\overset{+5}{N} \quad + \quad 1e \quad \rightarrow \quad \overset{+4}{N}) \)
Để tạo ra \(b\) mol \(NO\), cần: \( b \times (\overset{+5}{N} \quad + \quad 3e \quad \rightarrow \quad \overset{+2}{N}) \)

Tổng hợp lại, tổng số mol N⁺⁵ tham gia khử là \( (a+b) \), và tổng số electron nhận là \( (a \times 1 + b \times 3) = (a + 3b) \).
Ta có quá trình khử gộp như sau:
\( (a+b)\overset{+5}{N} \quad + \quad (a + 3b)e \quad \rightarrow \quad a\overset{+4}{N} \quad + \quad b\overset{+2}{N} \)

Bước 3: Tìm hệ số thích hợp để thăng bằng electron.

Tổng số electron nhường phải bằng tổng số electron nhận.

\[ \begin{array}{c|l}
(a + 3b) \times & \overset{+2}{Fe} \quad \rightarrow \quad \overset{+3}{Fe} \quad + \quad 1e \\
1 \times & (a+b)\overset{+5}{N} \quad + \quad (a + 3b)e \quad \rightarrow \quad a\overset{+4}{N} \quad + \quad b\overset{+2}{N} \\
\end{array} \]

Nhân chéo hệ số, ta có:
– Hệ số của \( \overset{+2}{Fe} \) và \( \overset{+3}{Fe} \) là \( (a + 3b) \).
– Hệ số của \( \overset{+4}{N} \) (trong \(NO_2\)) là \( a \).
– Hệ số của \( \overset{+2}{N} \) (trong \(NO\)) là \( b \).

Bước 4: Đặt các hệ số vào phương trình phản ứng.

Ta điền các hệ số vừa tìm được vào các chất tương ứng trong phương trình.

\( (a + 3b)FeO \quad + \quad HNO_3 \quad \rightarrow \quad (a + 3b)Fe(NO_3)_3 \quad + \quad aNO_2 \quad + \quad bNO \quad + \quad H_2O \)

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

– Cân bằng nguyên tố Nitơ (N):
Ở vế phải (VP), tổng số nguyên tử N là:
– Trong \(Fe(NO_3)_3\): \( 3 \times (a + 3b) \)
– Trong \(NO_2\): \( a \)
– Trong \(NO\): \( b \)
Tổng N (VP) = \( 3(a + 3b) + a + b = 3a + 9b + a + b = 4a + 10b \).
Số N này chính là hệ số của \(HNO_3\) ở vế trái (VT).

Phương trình lúc này là:
\( (a + 3b)FeO \quad + \quad (4a + 10b)HNO_3 \quad \rightarrow \quad (a + 3b)Fe(NO_3)_3 \quad + \quad aNO_2 \quad + \quad bNO \quad + \quad H_2O \)

– Cân bằng nguyên tố Hiđro (H):
Ở vế trái (VT), số nguyên tử H là \( (4a + 10b) \) trong \(HNO_3\).
Ở vế phải (VP), H chỉ có trong \(H_2O\).
Để cân bằng, số phân tử \(H_2O\) sẽ là: \( \frac{4a + 10b}{2} = (2a + 5b) \).

Bước 6: Viết phương trình hoàn chỉnh và kiểm tra lại.

Phương trình hóa học sau khi cân bằng hoàn chỉnh là:
\[ (a + 3b)FeO + (4a + 10b)HNO_3 \rightarrow (a + 3b)Fe(NO_3)_3 + aNO_2 + bNO + (2a + 5b)H_2O \]

Bây giờ, chúng ta sẽ kiểm tra lại số nguyên tử Oxi ở hai vế để chắc chắn rằng mình đã làm đúng.

– Vế Trái (VT):
Số O trong FeO: \( 1 \times (a + 3b) = a + 3b \)
Số O trong HNO₃: \( 3 \times (4a + 10b) = 12a + 30b \)
Tổng O (VT) = \( (a + 3b) + (12a + 30b) = 13a + 33b \)

– Vế Phải (VP):
Số O trong Fe(NO₃)₃: \( 3 \times 3 \times (a + 3b) = 9(a + 3b) = 9a + 27b \)
Số O trong NO₂: \( 2 \times a = 2a \)
Số O trong NO: \( 1 \times b = b \)
Số O trong H₂O: \( 1 \times (2a + 5b) = 2a + 5b \)
Tổng O (VP) = \( (9a + 27b) + 2a + b + (2a + 5b) = (9a+2a+2a) + (27b+b+5b) = 13a + 33b \)

Số nguyên tử Oxi ở hai vế đã bằng nhau. Vậy phương trình đã được cân bằng chính xác.

KẾT LUẬN

Phương trình cân bằng cuối cùng của chúng ta là:

\( (a + 3b)FeO + (4a + 10b)HNO_3 \rightarrow (a + 3b)Fe(NO_3)_3 + aNO_2 + bNO + (2a + 5b)H_2O \)

Vậy là chúng ta đã hoàn thành việc cân bằng phương trình. Đây là một dạng bài tập nâng cao một chút, đòi hỏi các em phải xử lý khéo léo tỉ lệ của sản phẩm khử. Các em hãy xem lại từng bước và tự mình thực hành lại nhé.

Chúc các em học tốt