Chào các em học sinh yêu quý! Hôm nay, thầy trò chúng ta sẽ cùng nhau “giải mã” một bài toán hóa học rất thú vị về phản ứng oxi hóa – khử, một trong những dạng bài quan trọng trong chương trình Hóa học lớp 10 theo sách giáo khoa mới. Bài toán này sẽ giúp các em củng cố kỹ năng xác định số oxi hóa, cân bằng phản ứng bằng phương pháp thăng bằng electron, và đặc biệt là nhận diện chất oxi hóa, chất khử trong phản ứng.

Hãy cùng bắt đầu nào!

Phản ứng cần xác định hệ số là:

\[ \text{FexOy} + \text{HNO3} \longrightarrow \text{Fe(NO3)3} + \text{NO} + \text{H2O} \]

Lời giải chi tiết:

Để xác định hệ số của chất bị khử và chất bị oxi hóa, chúng ta sẽ áp dụng phương pháp thăng bằng electron theo các bước sau:

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

Đây là bước đầu tiên và quan trọng nhất để nhận biết các quá trình oxi hóa và khử. Chúng ta sẽ ghi số oxi hóa trên đầu mỗi nguyên tố có thể thay đổi.

• Trong \( \text{FexOy} \): O có số oxi hóa là \( -2 \), vậy Fe có số oxi hóa là \( \frac{+2y}{x} \) (vì \( x \times \text{số oxi hóa của Fe} + y \times (-2) = 0 \)).
• Trong \( \text{HNO3} \): H là \( +1 \), O là \( -2 \), vậy N có số oxi hóa là \( +5 \) (vì \( +1 + \text{số oxi hóa của N} + 3 \times (-2) = 0 \)).
• Trong \( \text{Fe(NO3)3} \): Nhóm \( \text{NO3} \) có hóa trị \( -1 \), vậy Fe có số oxi hóa là \( +3 \). Trong gốc \( \text{NO3}^- \), N vẫn là \( +5 \) và O là \( -2 \), không đổi.
• Trong \( \text{NO} \): O là \( -2 \), vậy N có số oxi hóa là \( +2 \).
• Trong \( \text{H2O} \): H là \( +1 \), O là \( -2 \), không đổi.

Chúng ta có thể thấy sự thay đổi số oxi hóa ở Fe và N:

\[ \text{Fe}^{\frac{+2y}{x}}\text{xO}^{\text{-2}}\text{y} + \text{H}^{+1}\text{N}^{+5}\text{O}^{-2}\text{3} \longrightarrow \text{Fe}^{+3}(\text{N}^{+5}\text{O}^{-2}\text{3})\text{3} + \text{N}^{+2}\text{O}^{-2} + \text{H}^{+1}\text{2}\text{O}^{-2} \]

Bước 2: Xác định chất oxi hóa và chất khử.

Dựa vào sự thay đổi số oxi hóa, chúng ta xác định:

• Nguyên tố Fe trong \( \text{FexOy} \) có số oxi hóa từ \( \frac{+2y}{x} \) tăng lên \( +3 \).

  => Vậy, \( \text{FexOy} \) là chất bị oxi hóa (hay chất khử).

• Nguyên tố N trong \( \text{HNO3} \) có số oxi hóa từ \( +5 \) giảm xuống \( +2 \) (trong \( \text{NO} \)).

  => Vậy, \( \text{HNO3} \) là chất bị khử (hay chất oxi hóa).

Bước 3: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử.

Đây là bước mô tả sự nhường và nhận electron. Đối với \( \text{FexOy} \), chúng ta xét \( x \) nguyên tử Fe.

• Quá trình oxi hóa (Fe nhường electron):
  \( \text{xFe}^{\frac{+2y}{x}} \longrightarrow \text{xFe}^{+3} + \text{x} \left( 3 – \frac{2y}{x} \right) \text{e}^- \)
  \( \text{xFe}^{\frac{+2y}{x}} \longrightarrow \text{xFe}^{+3} + (3x – 2y) \text{e}^- \)
  
  Giải thích: Mỗi nguyên tử Fe nhường \( (3 – \frac{2y}{x}) \) electron. Vì có \( x \) nguyên tử Fe trong \( \text{FexOy} \), nên tổng số electron nhường là \( x \times (3 – \frac{2y}{x}) = (3x – 2y) \).
• Quá trình khử (N nhận electron):
  \( \text{N}^{+5} + 3\text{e}^- \longrightarrow \text{N}^{+2} \)
  
  Giải thích: Mỗi nguyên tử N có số oxi hóa từ \( +5 \) giảm xuống \( +2 \), nghĩa là nhận vào 3 electron.

Bước 4: Tìm hệ số thích hợp cho quá trình oxi hóa và khử bằng phương pháp bội số chung nhỏ nhất (BSCNN).

Để số electron nhường bằng số electron nhận, ta nhân chéo các số electron đã trao đổi:

• Số electron nhường là \( (3x – 2y) \).
• Số electron nhận là \( 3 \).

Ta sẽ nhân quá trình oxi hóa với 3 và quá trình khử với \( (3x – 2y) \):

\[ \begin{array}{l} \text{xFe}^{\frac{+2y}{x}} \longrightarrow \text{xFe}^{+3} + (3x – 2y) \text{e}^- \quad | \times 3 \\ \text{N}^{+5} + 3\text{e}^- \longrightarrow \text{N}^{+2} \quad \quad \quad \quad | \times (3x – 2y) \end{array} \]

Kết quả:

\[ \begin{array}{l} 3\text{xFe}^{\frac{+2y}{x}} \longrightarrow 3\text{xFe}^{+3} + 3(3x – 2y) \text{e}^- \\ (3x – 2y)\text{N}^{+5} + 3(3x – 2y)\text{e}^- \longrightarrow (3x – 2y)\text{N}^{+2} \end{array} \]

Bước 5: Đặt các hệ số vào phương trình phản ứng.

Từ các hệ số vừa tìm được, ta đặt vào phương trình:

\[ 3 \text{FexOy} + \text{HNO3} \longrightarrow 3\text{x Fe(NO3)3} + (3x – 2y) \text{NO} + \text{H2O} \]

Tiếp theo, ta cân bằng các nguyên tố còn lại theo thứ tự: Kim loại (Fe) đã cân bằng, phi kim (N), Hidro (H), và cuối cùng là Oxi (O) để kiểm tra.

• Cân bằng N (nitơ):
  Số nguyên tử N ở vế phải (sau phản ứng) là:
  \( 3x \times 3 \) (trong \( \text{Fe(NO3)3} \)) \( + (3x – 2y) \times 1 \) (trong \( \text{NO} \))
  \( = 9x + 3x – 2y = 12x – 2y \)
  Vậy, hệ số của \( \text{HNO3} \) ở vế trái (trước phản ứng) là \( (12x – 2y) \).

Phương trình tạm thời là:

\[ 3 \text{FexOy} + (12x – 2y) \text{HNO3} \longrightarrow 3\text{x Fe(NO3)3} + (3x – 2y) \text{NO} + \text{H2O} \]

• Cân bằng H (hidro):
  Số nguyên tử H ở vế trái (trong \( \text{HNO3} \)) là \( (12x – 2y) \).
  Số nguyên tử H ở vế phải (trong \( \text{H2O} \)) là \( 2 \times \text{hệ số của H2O} \).
  Vậy, hệ số của \( \text{H2O} \) là \( \frac{(12x – 2y)}{2} = 6x – y \).

Phương trình đã cân bằng hoàn chỉnh:

\[ 3 \text{FexOy} + (12x – 2y) \text{HNO3} \longrightarrow 3\text{x Fe(NO3)3} + (3x – 2y) \text{NO} + (6x – y) \text{H2O} \]

Bước 6: Kiểm tra lại phương trình (bằng cách đếm số nguyên tử Oxi).

Đây là bước bắt buộc để đảm bảo phương trình đã được cân bằng chính xác.

• Số nguyên tử Oxi ở vế trái:
  \( 3y \) (trong \( \text{FexOy} \)) \( + (12x – 2y) \times 3 \) (trong \( \text{HNO3} \))
  \( = 3y + 36x – 6y = 36x – 3y \)
• Số nguyên tử Oxi ở vế phải:
  \( 3x \times 3 \times 3 \) (trong \( \text{Fe(NO3)3} \)) \( + (3x – 2y) \times 1 \) (trong \( \text{NO} \)) \( + (6x – y) \times 1 \) (trong \( \text{H2O} \))
  \( = 27x + 3x – 2y + 6x – y \)
  \( = (27 + 3 + 6)x – (2 + 1)y \)
  \( = 36x – 3y \)

Số nguyên tử Oxi ở hai vế bằng nhau \( (36x – 3y) \). Vậy phương trình đã được cân bằng chính xác.

Bước 7: Xác định hệ số của chất bị khử và chất bị oxi hóa.

Từ phương trình cân bằng cuối cùng:

\[ 3 \text{FexOy} + (12x – 2y) \text{HNO3} \longrightarrow 3\text{x Fe(NO3)3} + (3x – 2y) \text{NO} + (6x – y) \text{H2O} \]

• Chất bị oxi hóa (chất khử) là \( \text{FexOy} \). Hệ số của nó là \( \mathbf{3} \).
• Chất bị khử (chất oxi hóa) là \( \text{HNO3} \). Hệ số của nó là \( \mathbf{(12x – 2y)} \).

Vậy là chúng ta đã hoàn thành bài toán một cách chi tiết và chính xác. Các em hãy luyện tập thêm các dạng bài tương tự để nắm vững phương pháp thăng bằng electron nhé!