Chào các em học sinh thân mến!

Hôm nay, thầy rất vui khi được hướng dẫn các em giải một bài tập cân bằng phản ứng hóa học thú vị. Đây là dạng phản ứng tự oxi hóa – khử, hay còn gọi là phản ứng tự oxy hóa – khử (disproportionation), một kiến thức rất quan trọng trong chương trình Hóa học lớp 9, đặc biệt khi các em tiếp cận với phương pháp thăng bằng electron (hay cân bằng theo số oxi hóa) trong các bộ sách giáo khoa mới như Kết nối tri thức, Chân trời sáng tạo hay Cánh diều.

Chúng ta sẽ cùng nhau cân bằng phương trình sau:

\[\text{HNO}_2 \rightarrow \text{HNO}_3 + \text{NO} + \text{H}_2\text{O}\]

Thầy sẽ hướng dẫn các em từng bước một thật chi tiết và dễ hiểu nhé!

Phương pháp cân bằng: Phương pháp thăng bằng electron (cân bằng theo số oxi hóa)

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc bảo toàn electron: tổng số electron mà chất khử nhường phải bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận trong một phản ứng oxi hóa – khử. Chúng ta sẽ áp dụng 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 biết nguyên tố nào đã nhường (bị oxi hóa) và nguyên tố nào đã nhận (bị khử) electron.

• Trong hợp chất \(\text{HNO}_2\):
  • Số oxi hóa của H là \(+1\).
  • Số oxi hóa của O là \(-2\).
  • Để tổng số oxi hóa trong phân tử bằng 0, ta có: \((+1) + \text{x} + 2 \times (-2) = 0 \Rightarrow \text{x} = +3\).
    Vậy, số oxi hóa của N trong \(\text{HNO}_2\) là \(+3\).
• Trong hợp chất \(\text{HNO}_3\):
  • Số oxi hóa của H là \(+1\).
  • Số oxi hóa của O là \(-2\).
  • Để tổng số oxi hóa trong phân tử bằng 0, ta có: \((+1) + \text{y} + 3 \times (-2) = 0 \Rightarrow \text{y} = +5\).
    Vậy, số oxi hóa của N trong \(\text{HNO}_3\) là \(+5\).
• Trong hợp chất \(\text{NO}\):
  • Số oxi hóa của O là \(-2\).
  • Để tổng số oxi hóa trong phân tử bằng 0, ta có: \(\text{z} + (-2) = 0 \Rightarrow \text{z} = +2\).
    Vậy, số oxi hóa của N trong \(\text{NO}\) là \(+2\).
• Trong \(\text{H}_2\text{O}\), số oxi hóa của H là \(+1\) và O là \(-2\) (không thay đổi, nên ta thường không xét trong quá trình cân bằng electron).

Tóm lại, nguyên tố có số oxi hóa thay đổi là Nitơ (N):
\[\text{N}^{+3} \quad (\text{trong HNO}_2)\]
\[\text{N}^{+5} \quad (\text{trong HNO}_3)\]
\[\text{N}^{+2} \quad (\text{trong NO})\]

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

Ở bước này, chúng ta sẽ xác định nguyên tố nào bị oxi hóa (nhường electron) và nguyên tố nào bị khử (nhận electron), sau đó viết các bán phản ứng electron tương ứng.

• Quá trình oxi hóa (N nhường electron):

  Nitơ từ \(\text{N}^{+3}\) trong \(\text{HNO}_2\) tăng số oxi hóa lên \(\text{N}^{+5}\) trong \(\text{HNO}_3\). Quá trình này là quá trình oxi hóa, \(\text{HNO}_2\) đóng vai trò chất khử.

  \[\text{N}^{+3} \rightarrow \text{N}^{+5} + 2\text{e}^-\]

• Quá trình khử (N nhận electron):

  Nitơ từ \(\text{N}^{+3}\) trong \(\text{HNO}_2\) giảm số oxi hóa xuống \(\text{N}^{+2}\) trong \(\text{NO}\). Quá trình này là quá trình khử, \(\text{HNO}_2\) đóng vai trò chất oxi hóa.

  \[\text{N}^{+3} + 1\text{e}^- \rightarrow \text{N}^{+2}\]

Ở đây, một phân tử \(\text{HNO}_2\) vừa đóng vai trò chất khử, vừa đóng vai trò chất oxi hóa. Đây là một ví dụ điển hình của phản ứng tự oxi hóa – khử.

Bước 3: Cân bằng số electron nhường và nhận

Để đảm bảo tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận, ta sẽ tìm bội số chung nhỏ nhất của số electron ở hai quá trình và nhân chéo các hệ số thích hợp.

• Số electron nhường là \(2\).
• Số electron nhận là \(1\).
• Bội số chung nhỏ nhất của \(2\) và \(1\) là \(2\).

Vậy, ta nhân quá trình oxi hóa với \(1\) và quá trình khử với \(2\):

\[ \begin{array}{l} \text{N}^{+3} \rightarrow \text{N}^{+5} + 2\text{e}^- \quad (\times 1) \\ \text{N}^{+3} + 1\text{e}^- \rightarrow \text{N}^{+2} \quad (\times 2) \end{array} \]

Kết quả ta có:

\[ \begin{array}{l} \text{N}^{+3} \rightarrow \text{N}^{+5} + 2\text{e}^- \\ 2\text{N}^{+3} + 2\text{e}^- \rightarrow 2\text{N}^{+2} \end{array} \]

Từ đây, ta sẽ có các hệ số tương ứng với các nguyên tử N trong sản phẩm:

• Hệ số cho \(\text{N}^{+5}\) (trong \(\text{HNO}_3\)) là \(1\).
• Hệ số cho \(\text{N}^{+2}\) (trong \(\text{NO}\)) là \(2\).

Bước 4: Đặt hệ số vào phương trình và cân bằng các nguyên tố còn lại

Bây giờ chúng ta sẽ đặt các hệ số vừa tìm được vào phương trình phản ứng ban đầu.

\[\text{HNO}_2 \rightarrow 1\text{HNO}_3 + 2\text{NO} + \text{H}_2\text{O}\]

Tiếp theo, ta cân bằng số nguyên tử Nitơ ở vế trái (\(\text{HNO}_2\)). Tổng số nguyên tử N ở vế phải là \(1 (\text{trong HNO}_3) + 2 (\text{trong NO}) = 3\). Do đó, hệ số của \(\text{HNO}_2\) ở vế trái sẽ là \(3\).

\[3\text{HNO}_2 \rightarrow 1\text{HNO}_3 + 2\text{NO} + \text{H}_2\text{O}\]

Cuối cùng, chúng ta cân bằng các nguyên tố còn lại là Hidro (H) và Oxi (O) bằng phương pháp thông thường, bắt đầu từ Hidro (H) rồi đến Oxi (O).

• Cân bằng Hidro (H):
  • Vế trái: \(3 \times H = 3\) nguyên tử H.
  • Vế phải: \(1 \times H\) (trong \(\text{HNO}_3\)) + \(\text{x} \times 2H\) (trong \(\text{H}_2\text{O}\)).
    Để có \(3\) nguyên tử H ở vế phải, ta cần \(1\) nguyên tử H từ \(\text{HNO}_3\) và \(2\) nguyên tử H từ \(\text{H}_2\text{O}\). Điều này có nghĩa là hệ số của \(\text{H}_2\text{O}\) sẽ là \(1\).

  Phương trình tạm thời: \[\text{3HNO}_2 \rightarrow \text{HNO}_3 + \text{2NO} + \text{1H}_2\text{O}\]

• Cân bằng Oxi (O):

  Kiểm tra lại số nguyên tử Oxi để đảm bảo cân bằng cuối cùng. Nếu Oxi cân bằng, nghĩa là phương trình đã đúng.

  • Vế trái: \(3 \times 2 (\text{trong HNO}_2) = 6\) nguyên tử O.
  • Vế phải: \(1 \times 3 (\text{trong HNO}_3) + 2 \times 1 (\text{trong NO}) + 1 \times 1 (\text{trong H}_2\text{O}) = 3 + 2 + 1 = 6\) nguyên tử O.

  Số nguyên tử Oxi ở hai vế đã cân bằng!

Bước 5: Viết phương trình hóa học đã cân bằng hoàn chỉnh và kiểm tra lại

Phương trình đã cân bằng là:

\[\mathbf{3HNO_2 \rightarrow HNO_3 + 2NO + H_2O}\]

Chúng ta cùng kiểm tra lại lần cuối nhé:

• Số nguyên tử N: Vế trái có \(3\); Vế phải có \(1 + 2 = 3\). (Cân bằng)
• Số nguyên tử H: Vế trái có \(3\); Vế phải có \(1 + 2 = 3\). (Cân bằng)
• Số nguyên tử O: Vế trái có \(3 \times 2 = 6\); Vế phải có \(3 + 2 + 1 = 6\). (Cân bằng)

Tất cả các nguyên tố đều đã cân bằng. Như vậy, bài toán của chúng ta đã được giải quyết một cách chính xác!

Thầy hy vọng qua bài giải chi tiết này, các em đã nắm vững hơn phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa – khử bằng phương pháp thăng bằng electron. Đây là một kỹ năng rất quan trọng trong Hóa học. Hãy luyện tập thêm nhiều bài tập tương tự để thành thạo hơn nhé!

Chúc các em học tốt!