Xin chào các em học sinh thân mến! Hôm nay, cô trò chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập hóa học rất thú vị về phản ứng oxi hóa-khử. Đây là dạng bài tập quen thuộc trong chương trình Hóa học lớp 10 của chúng ta. Chúng ta sẽ áp dụng phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa-khử bằng thăng bằng electron để giải quyết bài toán này.

Các em lưu ý, trong phản ứng oxi hóa-khử, sẽ có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố. Việc cân bằng phản ứng này sẽ giúp chúng ta xác định đúng tỉ lệ mol giữa các chất tham gia và sản phẩm, từ đó phục vụ cho các bài toán tính toán sau này.

Chúng ta bắt đầu nhé!

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong các hợp chất trước và sau phản ứng.

Trong phản ứng: FeSO₄ + KMnO₄ + KHSO₄ -> Fe₂(SO₄)₃ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Chúng ta xét các nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa:

* Trong FeSO₄: Số oxi hóa của Fe là +2 (vì SO₄ có số oxi hóa -2).
Trong KMnO₄: Số oxi hóa của Mn là +7 (vì K có số oxi hóa +1, O có số oxi hóa -2. Ta có: +1 + x + 4(-2) = 0 => x = +7).
Trong Fe₂(SO₄)₃: Số oxi hóa của Fe là +3 (vì SO₄ có số oxi hóa -2. Ta có: 2x + 3(-2) = 0 => x = +3).
* Trong MnSO₄: Số oxi hóa của Mn là +2 (vì SO₄ có số oxi hóa -2).

Các nguyên tố khác như K, S (trong SO₄), O (trong SO₄), H không thay đổi số oxi hóa.

Bước 2: Viết các quá trình oxi hóa và quá trình khử, đồng thời xác định sự thay đổi số oxi hóa.

* Quá trình oxi hóa: Fe từ +2 lên +3.
Fe⁺² -> Fe⁺³ + 1e

* Quá trình khử: Mn từ +7 xuống +2.
Mn⁺⁷ + 5e -> Mn⁺²

Bước 3: Cân bằng sự trao đổi electron bằng cách nhân các quá trình với các hệ số thích hợp.

Để số electron nhường bằng số electron nhận, ta nhân quá trình oxi hóa với 5 và quá trình khử với 1.

Quá trình oxi hóa: 5 (Fe⁺² -> Fe⁺³ + 1e) => 5Fe⁺² -> 5Fe⁺³ + 5e
Quá trình khử: 1 (Mn⁺⁷ + 5e -> Mn⁺²) => Mn⁺⁷ + 5e -> Mn⁺²

Tổng số electron nhường là 5e, tổng số electron nhận là 5e.

Bước 4: Áp dụng các hệ số vào phương trình hóa học ban đầu.

Dựa vào sự thay đổi số oxi hóa, ta có các hệ số ban đầu:

* Hệ số của FeSO₄ (chứa Fe⁺²) là 5.
* Hệ số của KMnO₄ (chứa Mn⁺⁷) là 1.
* Hệ số của Fe₂(SO₄)₃ (chứa Fe⁺³) là 5/2 (vì có 2 nguyên tử Fe trong công thức, nên cần 5 nguyên tử Fe ban đầu chia cho 2 nguyên tử Fe trong sản phẩm).
* Hệ số của MnSO₄ (chứa Mn⁺²) là 1.

Phương trình tạm thời có dạng: 5FeSO₄ + 1KMnO₄ + KHSO₄ -> 5/2 Fe₂(SO₄)₃ + 1MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

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

Để tránh số thập phân, ta nhân toàn bộ phương trình với 2:

10FeSO₄ + 2KMnO₄ + KHSO₄ -> 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Bây giờ, chúng ta cân bằng từng nguyên tố một:

* K: Bên trái có 2 nguyên tử K (từ 2KMnO₄) + 1 nguyên tử K (từ KHSO₄) = 3 nguyên tử K. Bên phải có 2 nguyên tử K (từ K₂SO₄). Cần điều chỉnh hệ số của KHSO₄ và K₂SO₄. Ta tạm thời chưa cân bằng K.

* S:
* Bên trái có: 10 nguyên tử S (từ 10FeSO₄) + 1 nguyên tử S (từ KHSO₄) = 11 nguyên tử S.
Bên phải có: 5 3 = 15 nguyên tử S (từ 5Fe₂(SO₄)₃) + 2 nguyên tử S (từ 2MnSO₄) = 17 nguyên tử S.

Ta thấy số nguyên tử S ở hai vế chưa bằng nhau. Để dễ cân bằng, chúng ta sẽ cân bằng các nguyên tố kim loại và phi kim khác trước, sau đó quay lại cân bằng S và cuối cùng là O.

Hãy cân bằng lại K trước:
Bên trái có 2 K (trong 2KMnO₄). Bên phải có 2 K (trong K₂SO₄). Vậy hệ số của K₂SO₄ là 1.
Số K ở hai vế đã bằng nhau.

Bây giờ ta cân bằng nguyên tố S:
* Bên trái:
* Trong 10FeSO₄ có 10 S.
* Trong 2KMnO₄ không có S.
* Trong KHSO₄ có 1 S.
* Tổng S ở vế trái là: 10 + 1 = 11 S.

* Bên phải:
Trong 5Fe₂(SO₄)₃ có 5 3 = 15 S.
* Trong 2MnSO₄ có 2 S.
* Trong K₂SO₄ có 1 S.
* Tổng S ở vế phải là: 15 + 2 + 1 = 18 S.

Sự chênh lệch S ở hai vế là do nguyên tố S trong HSO₄^– đã tham gia vào việc tạo muối SO₄^2-. Trong môi trường axit mạnh (do KHSO₄), các ion SO₄^2- ban đầu của FeSO₄ và S trong KHSO₄ đều góp phần tạo ra các ion SO₄^2- ở sản phẩm.

Chúng ta cần một lượng S bổ sung ở vế trái để cân bằng với vế phải.
Số S cần bổ sung ở vế trái = 18 (vế phải) – 11 (vế trái hiện tại) = 7 nguyên tử S.
Số S này sẽ đến từ KHSO₄. Tuy nhiên, ta đã có 1 KHSO₄. Vậy cần thêm 7 KHSO₄ nữa.
Tổng cộng sẽ là 1 + 7 = 8 KHSO₄.

Khi thay đổi hệ số của KHSO₄ thành 8, ta cần cân bằng lại K.
Bên trái có 2 K (từ 2KMnO₄) + 8 K (từ 8KHSO₄) = 10 K.
Bên phải có 2 K (từ K₂SO₄). Cần 10 K ở bên phải, vậy hệ số của K₂SO₄ là 5.

Phương trình tạm thời với các hệ số điều chỉnh:
10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 8KHSO₄ -> 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + 5K₂SO₄ + H₂O

Bây giờ, ta kiểm tra lại số nguyên tử S:
* Bên trái: 10 S (từ 10FeSO₄) + 8 S (từ 8KHSO₄) = 18 S.
Bên phải: 5 3 = 15 S (từ 5Fe₂(SO₄)₃) + 2 S (từ 2MnSO₄) + 5 S (từ 5K₂SO₄) = 15 + 2 + 5 = 22 S.

Vẫn còn chênh lệch. Nguyên nhân là do chúng ta đã gộp tất cả các ion SO₄^2- lại một cách chưa chính xác. Hãy quay lại bước cân bằng S một cách cẩn thận hơn.

Chúng ta đã xác định được tỉ lệ: 10Fe⁺², 2Mn⁺⁷ -> 5Fe⁺³, 2Mn⁺².
Tổng số mol SO₄^2- từ FeSO₄ là 10 mol.
Tổng số mol SO₄^2- từ các nguồn khác tạo ra ở sản phẩm là: 5*3 (từ Fe₂(SO₄)₃) + 2 (từ MnSO₄) = 15 + 2 = 17 mol.
Số mol SO₄^2- ban đầu (từ FeSO₄) là 10 mol.
Số mol SO₄^2- cần tạo thêm là 17 – 10 = 7 mol.
Số mol SO₄^2- này sẽ đến từ KHSO₄. Vậy ta cần 7 mol KHSO₄.

Phương trình với hệ số 7 cho KHSO₄:
10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 7KHSO₄ -> 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Cân bằng K:
* Bên trái: 2 K (từ 2KMnO₄) + 7 K (từ 7KHSO₄) = 9 K.
* Bên phải: 2 K (từ K₂SO₄).
Ta cần 9 K ở bên phải, nhưng K₂SO₄ chỉ có 2 K. Vậy không thể cân bằng K bằng K₂SO₄ một mình.
Điều này cho thấy cách phân bổ SO₄^2- của chúng ta cần xem xét lại.

Hãy quay lại cách cân bằng S bằng cách xem xét tổng số nguyên tử S ở mỗi vế.
10FeSO₄ + 2KMnO₄ + xKHSO₄ -> 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + yK₂SO₄ + zH₂O

Cân bằng Fe: 10 ở trái -> 10 ở phải. Hệ số Fe₂(SO₄)₃ là 5. (Đã làm)
Cân bằng Mn: 2 ở trái -> 2 ở phải. Hệ số MnSO₄ là 2. (Đã làm)

Bây giờ cân bằng K:
* Vế trái: 2 (từ KMnO₄) + x (từ KHSO₄) = 2 + x
* Vế phải: 2y (từ K₂SO₄)
=> 2 + x = 2y (1)

Cân bằng S:
* Vế trái: 10 (từ FeSO₄) + x (từ KHSO₄)
* Vế phải: 5*3 (từ Fe₂(SO₄)₃) + 2 (từ MnSO₄) + y (từ K₂SO₄) = 15 + 2 + y = 17 + y
=> 10 + x = 17 + y (2)

Ta có hệ phương trình:
(1) 2 + x = 2y
(2) 10 + x = 17 + y

Từ (1), ta có x = 2y – 2.
Thế vào (2):
10 + (2y – 2) = 17 + y
8 + 2y = 17 + y
y = 17 – 8
y = 9

Thay y = 9 vào x = 2y – 2:
x = 2 * 9 – 2
x = 18 – 2
x = 16

Vậy hệ số của KHSO₄ là 16 và hệ số của K₂SO₄ là 9.
Phương trình tạm thời:
10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 16KHSO₄ -> 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + 9K₂SO₄ + H₂O

Bây giờ cân bằng H và O.
Cân bằng H:
* Vế trái: 16 H (từ 16KHSO₄)
* Vế phải: 2z (từ zH₂O)
=> 16 = 2z => z = 8

Phương trình cuối cùng:
10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 16KHSO₄ -> 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + 9K₂SO₄ + 8H₂O

Bước 6: Kiểm tra lại số nguyên tử của tất cả các nguyên tố ở hai vế.

Fe: Trái: 10. Phải: 5 2 = 10. (Đúng)
S: Trái: 10 (từ FeSO₄) + 16 (từ KHSO₄) = 26. Phải: 5 3 (từ Fe₂(SO₄)₃) + 2 (từ MnSO₄) + 9 (từ K₂SO₄) = 15 + 2 + 9 = 26. (Đúng)
K: Trái: 2 (từ KMnO₄) + 16 (từ KHSO₄) = 18. Phải: 9 2 (từ K₂SO₄) = 18. (Đúng)
* Mn: Trái: 2. Phải: 2. (Đúng)
O: Trái: 2 4 (từ KMnO₄) + 16 4 (từ KHSO₄) = 8 + 64 = 72. Phải: 5 3 4 (từ Fe₂(SO₄)₃) + 2 4 (từ MnSO₄) + 9 * 4 (từ K₂SO₄) + 8 (từ H₂O) = 60 + 8 + 36 + 8 = 112.
Có sự sai sót trong việc tính toán nguyên tử O. Chúng ta cần kiểm tra lại.

Thường thì, sau khi cân bằng các nguyên tố chính, việc cân bằng H và O sẽ là bước cuối cùng.
Hãy quay lại bước 5 và cân bằng H, O một cách thận trọng hơn.

Ta có phương trình với hệ số Fe, Mn, K, S đã ổn định như sau:
10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 16KHSO₄ -> 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + 9K₂SO₄ + zH₂O

Cân bằng nguyên tố H:
Bên trái có: 16 H (từ 16KHSO₄).
Bên phải có: 2z H (từ zH₂O).
Vậy: 16 = 2z => z = 8.

Bây giờ, ta kiểm tra nguyên tố O:
* Bên trái:
Trong 10FeSO₄: 10 4 = 40 nguyên tử O.
Trong 2KMnO₄: 2 4 = 8 nguyên tử O.
Trong 16KHSO₄: 16 4 = 64 nguyên tử O.
* Tổng O bên trái = 40 + 8 + 64 = 112 nguyên tử O.

* Bên phải:
Trong 5Fe₂(SO₄)₃: 5 3 * 4 = 60 nguyên tử O.
Trong 2MnSO₄: 2 4 = 8 nguyên tử O.
Trong 9K₂SO₄: 9 4 = 36 nguyên tử O.
Trong 8H₂O: 8 1 = 8 nguyên tử O.
* Tổng O bên phải = 60 + 8 + 36 + 8 = 112 nguyên tử O.

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

Kết luận:
Phương trình oxi hóa-khử đã được cân bằng là:
10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 16KHSO₄ -> 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + 9K₂SO₄ + 8H₂O

Hy vọng với cách trình bày chi tiết từng bước như vậy, các em đã hiểu rõ hơn về cách cân bằng phản ứng oxi hóa-khử bằng phương pháp thăng bằng electron. Nếu có bất kỳ câu hỏi nào, đừng ngần ngại hỏi cô nhé!