Chào các em học sinh yêu quý! Hôm nay, thầy trò chúng ta sẽ cùng nhau “giải mã” một bài tập Hóa học rất thú vị, liên quan đến phản ứng oxi hóa – khử của kim loại với axit nitric. Đây là dạng bài thường gặp và đòi hỏi chúng ta phải nắm vững phương pháp cân bằng electron. Chúng ta sẽ cùng giải quyết bài tập này theo các bước chi tiết mà các em đã được học trong chương trình Sách giáo khoa mới (Kết nối tri thức, Chân trời sáng tạo, hoặc Cánh diều) nhé!

Bài tập của chúng ta là cân bằng phương trình phản ứng sau:
Mg + HNO₃ → Mg(NO₃)₂ + N₂O + N₂ + NH₄NO₃ + H₂O
(Biết tỉ lệ mol của N₂O : N₂ : NH₄NO₃ là 1 : 2 : 1)

Chúng ta sẽ sử dụng phương pháp thăng bằng electron để cân bằng phương trình này.

Lời giải chi tiết:

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

Bước này giúp chúng ta nhận diện được chất khử (nguyên tố nhường electron) và chất oxi hóa (nguyên tố nhận electron), từ đó biết được những nguyên tố nào thay đổi số oxi hóa trong phản ứng.

• Trong Mg: số oxi hóa của Mg là \(0\).
• Trong HNO₃: số oxi hóa của N là \(+5\).
• Trong Mg(NO₃)₂: số oxi hóa của Mg là \(+2\).
• Trong N₂O: số oxi hóa của N là \(+1\) (vì \(2 \times N + (-2) = 0 \implies 2N = +2 \implies N = +1\)).
• Trong N₂: số oxi hóa của N là \(0\).
• Trong NH₄NO₃: Đây là một hợp chất ion gồm ion amoni \((NH_4^+)\) và ion nitrat \((NO_3^-)\).
  • Trong ion \(NH_4^+\): số oxi hóa của N là \(-3\) (vì \(N + 4 \times (+1) = +1 \implies N = -3\)).
  • Trong ion \(NO_3^-\): số oxi hóa của N là \(+5\) (vì \(N + 3 \times (-2) = -1 \implies N = +5\)). Lưu ý rằng N trong nhóm \(NO_3^-\) này không thay đổi số oxi hóa so với HNO₃ ban đầu, nên chúng ta chỉ xét N trong \(NH_4^+\) là sản phẩm khử.

Vậy, các nguyên tố thay đổi số oxi hóa là:

• Mg: từ \(0\) lên \(+2\).
• N: từ \(+5\) xuống \(+1\) (trong N₂O), xuống \(0\) (trong N₂), và xuống \(-3\) (trong NH₄NO₃).

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

Chúng ta biểu diễn sự thay đổi số oxi hóa bằng cách ghi rõ số electron mà nguyên tố đó nhường hoặc nhận.

Quá trình oxi hóa (Mg nhường electron):

\[Mg^0 \longrightarrow Mg^{+2} + 2e\]

Quá trình khử (N⁺⁵ nhận electron):

Ở đây, N⁺⁵ bị khử thành nhiều sản phẩm khác nhau. Chúng ta sẽ tính tổng số electron mà N⁺⁵ đã nhận để tạo ra các sản phẩm này, dựa vào tỉ lệ mol đã cho.

Đặt hệ số của N₂O là \(1k\), của N₂ là \(2k\), và của NH₄NO₃ là \(1k\). Để đơn giản, chúng ta có thể chọn \(k=1\).

Số electron nhận để tạo thành các sản phẩm khử:

• Để tạo 1 mol N₂O: \(2N^{+5} + 8e \longrightarrow N_2^{+1}O\) (Mỗi nguyên tử N từ \(+5\) xuống \(+1\) nhận 4e. Hai nguyên tử N nhận \(2 \times 4 = 8e\)).
• Để tạo 2 mol N₂: \(2 \times (2N^{+5} + 10e \longrightarrow N_2^0)\) (Mỗi nguyên tử N từ \(+5\) xuống \(0\) nhận 5e. Hai nguyên tử N nhận \(2 \times 5 = 10e\). Vì có 2 mol N₂ nên tổng là \(2 \times 10e = 20e\)).
• Để tạo 1 mol NH₄NO₃: N trong \(NH_4^+\) chuyển từ \(N^{+5}\) xuống \(N^{-3}\).
  \[N^{+5} + 8e \longrightarrow N^{-3}\]
  (Mỗi nguyên tử N từ \(+5\) xuống \(-3\) nhận 8e).

Tổng số electron mà N⁺⁵ nhận theo tỉ lệ mol đã cho (1:2:1):

\[Tổng\ e\ nhận = (1 \times 8e) + (2 \times 10e) + (1 \times 8e) = 8e + 20e + 8e = 36e\]

Như vậy, cứ một “đơn vị” sản phẩm khử (1N₂O + 2N₂ + 1NH₄NO₃) thì sẽ có 36 electron được nhận.

Bước 3: Cân bằng số electron đã nhường và đã nhận.

Tổng số electron nhường phải bằng tổng số electron nhận. Điều này đảm bảo tuân thủ định luật bảo toàn electron.

• Số electron nhường bởi Mg: \(2e\)
• Số electron nhận bởi N⁺⁵: \(36e\)

Để tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận, chúng ta tìm bội chung nhỏ nhất của 2 và 36 là 36.

• Nhân quá trình oxi hóa với \(\frac{36}{2} = 18\).
• Nhân quá trình khử với \(\frac{36}{36} = 1\).

Vậy, chúng ta có các hệ số sau:

\[18 \times (Mg^0 \longrightarrow Mg^{+2} + 2e)\]
\[1 \times (36e \longrightarrow \text{sản phẩm khử})\ \text{tức là } (8e \text{ cho N2O} + 20e \text{ cho N2} + 8e \text{ cho NH4NO3})\]

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

Chúng ta sẽ đặt các hệ số vừa tìm được vào phương trình ban đầu:

\[18Mg + HNO_3 \longrightarrow 18Mg(NO_3)_2 + 1N_2O + 2N_2 + 1NH_4NO_3 + H_2O\]

Tiếp theo, chúng ta cân bằng các nguyên tố theo thứ tự: Kim loại (Mg), Phi kim (N), Hidro (H), Oxi (O).

• Cân bằng Mg: Đã có 18Mg ở cả hai vế (18Mg bên trái, 18Mg trong Mg(NO₃)₂ bên phải). Đã cân bằng.
• Cân bằng N:
  • Số N trong các sản phẩm khử:
    • Trong N₂O: \(1 \times 2 = 2\) N
    • Trong N₂: \(2 \times 2 = 4\) N
    • Trong NH₄NO₃: \(1 \times 2 = 2\) N (1N trong \(NH_4^+\) và 1N trong \(NO_3^-\))
  • Số N trong Mg(NO₃)₂ (N không thay đổi số oxi hóa): \(18 \times 2 = 36\) N
  • Tổng số N ở vế phải: \(36 + 2 + 4 + 2 = 44\) N.
  • Vậy, hệ số của HNO₃ ở vế trái là \(44\).

Phương trình tạm thời:

\[18Mg + 44HNO_3 \longrightarrow 18Mg(NO_3)_2 + N_2O + 2N_2 + NH_4NO_3 + H_2O\]

• Cân bằng H:
  • Số H ở vế trái (trong HNO₃): \(44\) H
  • Số H ở vế phải (trong NH₄NO₃): \(1 \times 4 = 4\) H
  • Số H cần cân bằng trong H₂O: \(44 – 4 = 40\) H.
  • Vậy, hệ số của H₂O là \(\frac{40}{2} = 20\).

Phương trình tạm thời:

\[18Mg + 44HNO_3 \longrightarrow 18Mg(NO_3)_2 + N_2O + 2N_2 + NH_4NO_3 + 20H_2O\]

• Kiểm tra lại O: (Đây là bước cuối cùng để đảm bảo tất cả các nguyên tố đã cân bằng đúng).
  • Số O ở vế trái (trong HNO₃): \(44 \times 3 = 132\) O
  • Số O ở vế phải:
    • Trong Mg(NO₃)₂: \(18 \times 2 \times 3 = 108\) O
    • Trong N₂O: \(1 \times 1 = 1\) O
    • Trong NH₄NO₃: \(1 \times 3 = 3\) O (từ nhóm \(NO_3^-\))
    • Trong H₂O: \(20 \times 1 = 20\) O
  • Tổng số O ở vế phải: \(108 + 1 + 3 + 20 = 132\) O

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

Phương trình hóa học đã cân bằng:

\[18Mg + 44HNO_3 \longrightarrow 18Mg(NO_3)_2 + N_2O + 2N_2 + NH_4NO_3 + 20H_2O\]

Thầy hy vọng qua bài giải chi tiết này, các em đã nắm vững hơn phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa – khử khi có nhiều sản phẩm khử và có tỉ lệ mol cho trước. Hãy luyện tập thêm nhiều bài tập tương tự để thành thạo nhé! Chúc các em học tốt!