Chào các em học sinh yêu quý! Hôm nay, cô trò chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập Hóa học lớp 10 rất thú vị liên quan đến phản ứng của lưu huỳnh với các axit mạnh. Bài tập này giúp chúng ta rèn luyện kỹ năng cân bằng phản ứng oxi hóa – khử bằng phương pháp thăng bằng electron, một phương pháp vô cùng quan trọng. Cô sẽ hướng dẫn các em từng bước một nhé.

Chúng ta sẽ bắt đầu với câu a: Lập các phương trình hóa học của phản ứng theo phương pháp thăng bằng electron.

Bước 1: Xác định các nguyên tố có sự thay đổi số oxi hóa trong mỗi phản ứng.

Chúng ta cần xem xét số oxi hóa của từng nguyên tố trong các chất tham gia và sản phẩm.

Phản ứng (1): S + H2SO4 → SO2 + H2O
– Trong S (đơn chất): Số oxi hóa của S là 0.
– Trong H2SO4: Số oxi hóa của H là +1, của O là -2. Vậy số oxi hóa của S trong H2SO4 là: 2*(+1) + S + 4*(-2) = 0 => S = +6.
– Trong SO2: Số oxi hóa của O là -2. Vậy số oxi hóa của S trong SO2 là: S + 2*(-2) = 0 => S = +4.
– Trong H2O: Số oxi hóa của H là +1, của O là -2.

Ta thấy, nguyên tố S có sự thay đổi số oxi hóa từ 0 lên +4. Nguyên tố S trong H2SO4 có số oxi hóa +6, và trong SO2 có số oxi hóa +4. Do đó, cả S đơn chất và S trong H2SO4 đều có khả năng tham gia vào phản ứng oxi hóa – khử. Tuy nhiên, H2SO4 đặc nóng có tính oxi hóa mạnh, nó sẽ oxi hóa S. Vì vậy, ta xét sự thay đổi số oxi hóa của S từ 0 lên +4 và S trong H2SO4 từ +6 xuống +4.

Phản ứng (2): S + HNO3 → SO2 + NO2 + H2O
– Trong S (đơn chất): Số oxi hóa của S là 0.
– Trong HNO3: Số oxi hóa của H là +1, của O là -2. Vậy số oxi hóa của N trong HNO3 là: (+1) + N + 3*(-2) = 0 => N = +5.
– Trong SO2: Số oxi hóa của S là +4.
– Trong NO2: Số oxi hóa của O là -2. Vậy số oxi hóa của N trong NO2 là: N + 2*(-2) = 0 => N = +4.
– Trong H2O: Số oxi hóa của H là +1, của O là -2.

Ta thấy, nguyên tố S có sự thay đổi số oxi hóa từ 0 lên +4. Nguyên tố N có sự thay đổi số oxi hóa từ +5 xuống +4.

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

Quá trình oxi hóa là quá trình nhường electron, số oxi hóa tăng.
Quá trình khử là quá trình nhận electron, số oxi hóa giảm.

Phản ứng (1):
– Quá trình oxi hóa: S⁰ → S⁺⁴ + 4e
– Quá trình khử: S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴

Phản ứng (2):
– Quá trình oxi hóa: S⁰ → S⁺⁴ + 4e
– Quá trình khử: N⁺⁵ + 1e → N⁺⁴

Bước 3: Cân bằng electron cho mỗi quá trình.

Phản ứng (1):
– Quá trình oxi hóa: S⁰ → S⁺⁴ + 4e (Đã cân bằng electron)
– Quá trình khử: S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴ (Đã cân bằng electron)

Phản ứng (2):
– Quá trình oxi hóa: S⁰ → S⁺⁴ + 4e (Đã cân bằng electron)
– Quá trình khử: N⁺⁵ + 1e → N⁺⁴ (Đã cân bằng electron)

Bước 4: Tìm bội số chung nhỏ nhất (BSCNN) của số electron nhường và nhận để cân bằng số electron.

Phản ứng (1):
– Số electron nhường: 4
– Số electron nhận: 2
– BSCNN(4, 2) = 4.
– Ta nhân quá trình oxi hóa với 1 và quá trình khử với 2.

Phản ứng (2):
– Số electron nhường: 4
– Số electron nhận: 1
– BSCNN(4, 1) = 4.
– Ta nhân quá trình oxi hóa với 1 và quá trình khử với 4.

Bước 5: Nhân hệ số thích hợp vào các chất tương ứng trong phương trình hóa học ban đầu.

Phản ứng (1):
– S⁰ → S⁺⁴ (hệ số 1)
– 2 * (S⁺⁶ + 2e → S⁺⁴) => 2S⁺⁶ + 4e → 2S⁺⁴ (hệ số 2 cho S⁺⁶, hệ số 2 cho S⁺⁴ tạo thành)

Áp dụng vào phương trình: S + H2SO4 → SO2 + H2O
– Hệ số 1 cho S (chất khử).
– Hệ số 2 cho S trong H2SO4 (S⁺⁶). Vậy ta có 2H2SO4.
– Hệ số 2 cho SO2 (S⁺⁴ tạo thành từ S⁺⁶).
– Hệ số 1 cho SO2 (S⁺⁴ tạo thành từ S⁰).
Tổng cộng có 1+2=3 nguyên tử S⁺⁴ tạo thành SO2. Vậy ta có 3SO2.

Phương trình tạm thời: S + 2H2SO4 → 3SO2 + H2O
Bây giờ, ta cân bằng các nguyên tố còn lại: O và H.

Bên trái: 2*2 + 2*4 = 4 + 8 = 12 nguyên tử O.
Bên phải: 3*2 + 1 = 6 + 1 = 7 nguyên tử O.
Bên trái: 2*2 + 2*2 = 4 + 4 = 8 nguyên tử H.
Bên phải: 2 nguyên tử H.

Ta thấy, số nguyên tử oxi và hydro chưa cân bằng. Để cân bằng số nguyên tử oxi và hydro, chúng ta cần điều chỉnh hệ số của nước.
Nhìn vào H, bên trái có 4H (từ 2H2SO4), bên phải cần 4H, vậy ta thêm hệ số 2 cho H2O.
Kiểm tra lại O: Bên trái 4+8 = 12 O. Bên phải: 3*2 + 2*1 = 6 + 2 = 8 O. Vẫn chưa cân bằng.

Ta cần xem lại quá trình cân bằng. Khi cân bằng electron, ta xác định được tỉ lệ giữa chất oxi hóa và chất khử.
Phản ứng (1):
– S⁰ nhường 4e.
– S⁺⁶ nhận 2e.
Tỉ lệ mol giữa S⁰ và S⁺⁶ là 1:2. Điều này có nghĩa là cứ 1 mol S⁰ phản ứng thì cần 2 mol S⁺⁶.
Nếu có 1 mol S⁰ phản ứng, nó tạo ra 1 mol SO2.
Nếu có 2 mol S⁺⁶ phản ứng, nó tạo ra 2 mol SO2.
Vậy tổng số mol SO2 tạo thành là 1 + 2 = 3 mol.

Ta có phương trình: S + H2SO4 → SO2 + H2O
Theo tỉ lệ electron đã cân bằng:
1 S⁰ (hệ số 1)
2 S⁺⁶ (hệ số 2 cho H2SO4)
3 SO2 (tổng S⁺⁴ tạo thành)

Phương trình cân bằng ban đầu: 1 S + 2 H2SO4 → 3 SO2 + …
Bây giờ ta cân bằng các nguyên tố còn lại.
Số nguyên tử H bên trái: 2 * 2 = 4.
Số nguyên tử H bên phải cần là 4, vậy hệ số cho H2O là 2.
Phương trình trở thành: S + 2 H2SO4 → 3 SO2 + 2 H2O
Kiểm tra lại số nguyên tử O:
Bên trái: 2 * 4 = 8.
Bên phải: 3 2 + 2 1 = 6 + 2 = 8.
Số nguyên tử O đã cân bằng.

Vậy phương trình hóa học cân bằng của phản ứng (1) là:
S + 2H2SO4 → 3SO2 + 2H2O

Phản ứng (2):
– S⁰ → S⁺⁴ + 4e (hệ số 1)
– 4 * (N⁺⁵ + 1e → N⁺⁴) => 4N⁺⁵ + 4e → 4N⁺⁴ (hệ số 4 cho N⁺⁵, hệ số 4 cho N⁺⁴ tạo thành)

Áp dụng vào phương trình: S + HNO3 → SO2 + NO2 + H2O
– Hệ số 1 cho S (chất khử).
– Hệ số 4 cho N trong HNO3 (N⁺⁵). Vậy ta có 4HNO3.
– Hệ số 1 cho SO2 (S⁺⁴).
– Hệ số 4 cho NO2 (N⁺⁴).

Phương trình tạm thời: S + 4HNO3 → SO2 + 4NO2 + H2O
Bây giờ, ta cân bằng các nguyên tố còn lại: O và H.

Bên trái: 4 nguyên tử O trong 4HNO3.
Bên phải: 2 (trong SO2) + 4*2 (trong NO2) = 2 + 8 = 10 nguyên tử O.
Số nguyên tử O chưa cân bằng.

Bên trái: 4 nguyên tử H trong 4HNO3.
Bên phải: 2 nguyên tử H trong H2O.

Để cân bằng số nguyên tử H, ta cần 4 nguyên tử H bên phải, vậy hệ số cho H2O là 2.
Phương trình trở thành: S + 4HNO3 → SO2 + 4NO2 + 2H2O
Kiểm tra lại số nguyên tử O:
Bên trái: 4.
Bên phải: 2 + 4*2 + 2*1 = 2 + 8 + 2 = 12.
Vẫn chưa cân bằng.

Có vẻ như việc cân bằng oxy và hydro sau khi đã có hệ số cho các chất oxi hóa – khử cần được thực hiện cẩn thận hơn.
Chúng ta có: 1 S + 4 HNO3 → 1 SO2 + 4 NO2 + H2O
Cân bằng H trước: Bên trái có 4 H, vậy cần 2 H2O.
1 S + 4 HNO3 → 1 SO2 + 4 NO2 + 2 H2O
Bây giờ đếm O:
Bên trái: 4 nguyên tử O (từ HNO3).
Bên phải: 1*2 (từ SO2) + 4*2 (từ NO2) + 2*1 (từ H2O) = 2 + 8 + 2 = 12 nguyên tử O.
Vẫn chưa cân bằng.

Chúng ta đã xác định đúng tỉ lệ về sự thay đổi số oxi hóa.
Trong phản ứng (2), S⁰ là chất khử, HNO3 (cụ thể là N⁺⁵) là chất oxi hóa.
1 mol S nhường 4 electron.
4 mol HNO3 (N⁺⁵) nhận 4 electron.
Tỉ lệ S : HNO3 = 1 : 4.

Vậy phương trình cân bằng của phản ứng (2) là:
S + 4HNO3 → SO2 + 4NO2 + 2H2O
Kiểm tra lại:
S: 1 vế trái, 1 vế phải. Cân bằng.
N: 4 vế trái, 4 vế phải. Cân bằng.
H: 4 vế trái, 2*2 = 4 vế phải. Cân bằng.
O: 4*3 = 12 vế trái. 1*2 + 4*2 + 2*1 = 2 + 8 + 2 = 12 vế phải. Cân bằng.

Vậy là chúng ta đã hoàn thành câu a.

Bây giờ, chúng ta chuyển sang câu b: Cho biết tỉ lệ chất khử và chất oxi hóa mỗi phản ứng trên.

Để xác định chất khử và chất oxi hóa, chúng ta dựa vào sự thay đổi số oxi hóa đã phân tích ở Bước 1.
– Chất khử là chất nhường electron, số oxi hóa tăng.
– Chất oxi hóa là chất nhận electron, số oxi hóa giảm.

Phản ứng (1): S + 2H2SO4 → 3SO2 + 2H2O
– Nguyên tố S có số oxi hóa 0 trong S (chất tham gia) tăng lên +4 trong SO2 (sản phẩm). Do đó, S là chất khử.
– Nguyên tố S có số oxi hóa +6 trong H2SO4 (chất tham gia) giảm xuống +4 trong SO2 (sản phẩm). Do đó, H2SO4 là chất oxi hóa.
Tỉ lệ chất khử (S) và chất oxi hóa (H2SO4) trong phản ứng (1) là 1 : 2.

Phản ứng (2): S + 4HNO3 → SO2 + 4NO2 + 2H2O
– Nguyên tố S có số oxi hóa 0 trong S (chất tham gia) tăng lên +4 trong SO2 (sản phẩm). Do đó, S là chất khử.
– Nguyên tố N có số oxi hóa +5 trong HNO3 (chất tham gia) giảm xuống +4 trong NO2 (sản phẩm). Do đó, HNO3 là chất oxi hóa.
Tỉ lệ chất khử (S) và chất oxi hóa (HNO3) trong phản ứng (2) là 1 : 4.

Các em thân mến, bài tập này đã giúp chúng ta củng cố lại kiến thức về phương pháp thăng bằng electron, cách xác định chất khử, chất oxi hóa và tỉ lệ của chúng. Hãy luyện tập thêm nhiều bài tập tương tự để nắm vững kiến thức hơn nữa nhé. Chúc các em học tốt!