Chào các em, thầy/cô sẽ hướng dẫn các em giải bài tập cân bằng phản ứng oxi hóa – khử này. Đây là một phản ứng tương đối phức tạp, vì có đến 3 nguyên tố thay đổi số oxi hóa. Với dạng bài này, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp thăng bằng electron.

Lý do chọn phương pháp: Phương pháp thăng bằng electron đặc biệt hiệu quả cho các phản ứng oxi hóa – khử phức tạp, nơi nhiều nguyên tố cùng thay đổi số oxi hóa, giúp chúng ta tìm ra hệ số các chất một cách chính xác và có hệ thống.

Bây giờ chúng ta cùng bắt đầu nhé!

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

  Ta xác định số oxi hóa của các nguyên tố trước và sau phản ứng:
  \( \overset{+2}{Fe}\overset{-1}{S_2} + H\overset{+5}{N}O_3 \rightarrow \overset{+3}{Fe}(NO_3)_3 + H_2\overset{+6}{S}O_4 + \overset{+1}{N_2}O + H_2O \)
  Lưu ý: Trong hợp chất \(FeS_2\) (pyrit sắt), số oxi hóa của Fe là +2 và của S là -1.

  Các nguyên tố thay đổi số oxi hóa là:

  • Fe: từ +2 lên +3
  • S: từ -1 lên +6
  • N: từ +5 xuống +1

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

  Quá trình oxi hóa (chất khử là \(FeS_2\)):
  Trong phân tử \(FeS_2\), cả Fe và S đều nhường electron. Ta xét đồng thời sự thay đổi số oxi hóa của cả phân tử:
  \( FeS_2 \rightarrow Fe^{+3} + 2S^{+6} \)
  Số electron nhường được tính như sau: 1 nguyên tử Fe nhường \(3 – 2 = 1\) electron. 2 nguyên tử S nhường \(2 \times [6 – (-1)] = 14\) electron.
  Tổng số electron nhường là: \(1 + 14 = 15\) electron.
  Vậy, quá trình oxi hóa là:
  \( FeS_2 \rightarrow Fe^{+3} + 2S^{+6} + 15e \)

  Quá trình khử (chất oxi hóa là \(HNO_3\)):
  \( 2N^{+5} + 8e \rightarrow N_2^{+1} \) (trong \(N_2O\))
  Lưu ý ta phải cân bằng số nguyên tử N trước khi cân bằng electron.

• Bước 3: Tìm bội chung nhỏ nhất của số electron cho và nhận để thăng bằng electron.

  Ta có hệ thống các quá trình cho và nhận electron:
  \( \begin{array}{c|c} 8 \times & FeS_2 \rightarrow Fe^{+3} + 2S^{+6} + 15e \\ 15 \times & 2N^{+5} + 8e \rightarrow N_2^{+1} \end{array} \)

  Bội chung nhỏ nhất của 15 và 8 là 120.
  Ta nhân quá trình oxi hóa với 8 và nhân quá trình khử với 15.

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

  Từ các hệ số nhân ở Bước 3, ta đặt vào phương trình:

  • Hệ số 8 cho \(FeS_2\).
  • Hệ số 8 cho \(Fe(NO_3)_3\).
  • Hệ số \(8 \times 2 = 16\) cho \(H_2SO_4\).
  • Hệ số 15 cho \(N_2O\).

  Phương trình lúc này có dạng:
  \( 8FeS_2 + HNO_3 \rightarrow 8Fe(NO_3)_3 + 16H_2SO_4 + 15N_2O + H_2O \)

• Bước 5: Cân bằng các nguyên tố còn lại (theo thứ tự kim loại, phi kim, H, O).

  Chúng ta đã cân bằng Fe và S. Bây giờ ta cân bằng các nguyên tố còn lại.

  Cân bằng nguyên tố N:
  Số nguyên tử N ở vế phải = (số N trong \(8Fe(NO_3)_3\)) + (số N trong \(15N_2O\))
  \( \rightarrow \) Số N (vế phải) = \(8 \times 3 + 15 \times 2 = 24 + 30 = 54\) nguyên tử.
  Vậy, hệ số của \(HNO_3\) ở vế trái là 54.
  Phương trình trở thành:
  \( 8FeS_2 + 54HNO_3 \rightarrow 8Fe(NO_3)_3 + 16H_2SO_4 + 15N_2O + H_2O \)

  Cân bằng nguyên tố H:
  Số nguyên tử H ở vế trái = 54 (trong \(54HNO_3\)).
  Số nguyên tử H ở vế phải = (số H trong \(16H_2SO_4\)) + (số H trong \(H_2O\))
  \( \rightarrow 54 = 16 \times 2 + \text{Hệ số } H_2O \times 2 \)
  \( \rightarrow 54 = 32 + \text{Hệ số } H_2O \times 2 \)
  \( \rightarrow \text{Hệ số } H_2O \times 2 = 22 \)
  \( \rightarrow \text{Hệ số } H_2O = 11 \)
  Phương trình trở thành:
  \( 8FeS_2 + 54HNO_3 \rightarrow 8Fe(NO_3)_3 + 16H_2SO_4 + 15N_2O + 11H_2O \)

• Bước 6: Kiểm tra lại số nguyên tử Oxi ở hai vế.

  Đây là bước cuối cùng để xác nhận phương trình đã được cân bằng đúng.

  Vế trái: \(54 \times 3 = 162\) nguyên tử O.

  Vế phải: \( (8 \times 3 \times 3) + (16 \times 4) + (15 \times 1) + (11 \times 1) \)
  \( = 72 + 64 + 15 + 11 = 162 \) nguyên tử O.

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

KẾT LUẬN

Phương trình hóa học sau khi đã cân bằng là:
\( 8FeS_2 + 54HNO_3 \rightarrow 8Fe(NO_3)_3 + 16H_2SO_4 + 15N_2O + 11H_2O \)

Hy vọng với lời giải chi tiết từng bước này, các em đã hiểu rõ cách áp dụng phương pháp thăng bằng electron để giải quyết các bài toán phức tạp. Chúc các em học tốt