Chào các em học sinh yêu quý!

Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập hóa học rất thú vị, liên quan đến phản ứng oxi hóa – khử của kim loại với muối nitrat trong môi trường axit. Đây là một dạng bài tập quan trọng, thường gặp trong chương trình Hóa học lớp 11.

Đề bài yêu cầu chúng ta viết phương trình phản ứng giữa \(NaNO3\), \(NaHSO4\) và \(Cu\), đồng thời giải thích rõ cách cân bằng.

Đầu tiên, chúng ta hãy cùng phân tích các chất tham gia phản ứng:

• \(Cu\) (Đồng): Là một kim loại kém hoạt động, đóng vai trò là chất khử (bị oxi hóa).
• \(NaNO3\) (Natri nitrat): Là một muối nitrat. Ion \(NO3-\) trong môi trường axit có tính oxi hóa mạnh.
• \(NaHSO4\) (Natri hidrosunfat): Là một muối axit. Khi tan trong nước, nó phân li tạo ra ion \(H+\), cung cấp môi trường axit cho phản ứng. Cụ thể, \(NaHSO4\) phân li hoàn toàn thành \(Na+\), \(H+\) và \(SO4^2-\).

Như vậy, bản chất của phản ứng này là \(Cu\) tác dụng với ion \(NO3-\) trong môi trường \(H+\). Sản phẩm của phản ứng oxi hóa – khử này sẽ là \(Cu^2+\) và sản phẩm khử của \(NO3-\) (thường là \(NO\) hoặc \(NO2\), tùy thuộc vào nồng độ axit và điều kiện phản ứng). Với \(NaHSO4\) cung cấp \(H+\), chúng ta thường giả định sản phẩm khử là \(NO\) (khí nitơ monoxit).

Chúng ta sẽ sử dụng phương pháp thăng bằng electron để cân bằng phương trình này, vì đây là một phản ứng oxi hóa – khử.

Các bước giải chi tiết:

Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố thay đổi và viết quá trình oxi hóa, quá trình khử.

• Trong \(Cu\), số oxi hóa của \(Cu\) là \(0\). Sau phản ứng, \(Cu\) sẽ bị oxi hóa thành \(Cu^2+\) (số oxi hóa \(+2\)).
• Trong \(NaNO3\), số oxi hóa của \(N\) là \(+5\). Sau phản ứng, \(N\) (trong \(NO3-\)) sẽ bị khử thành \(N\) (trong \(NO\)) có số oxi hóa \(+2\).

Quá trình oxi hóa:

\[ \mathrm{Cu^0 \to Cu^{2+}} \]

Quá trình khử:

\[ \mathrm{N^{+5} \to N^{+2}} \]

Bước 2: Viết các nửa phản ứng (quá trình nhường và nhận electron) và cân bằng số electron.

a) Quá trình oxi hóa (Cu nhường electron):

\[ \mathrm{Cu^0 \to Cu^{2+} + 2e^-} \quad (\text{1}) \]

Giải thích: Nguyên tử \(Cu\) nhường 2 electron để chuyển thành ion \(Cu^2+\). Số electron nhường bằng sự thay đổi số oxi hóa từ \(0\) lên \(+2\).

b) Quá trình khử (NO3- nhận electron trong môi trường H+):

Trong môi trường axit (\(H+\)), ion \(NO3-\) chuyển thành \(NO\). Chúng ta cần cân bằng nguyên tố oxi bằng \(H2O\) và nguyên tố hidro bằng \(H+\).

• Đầu tiên, cân bằng \(N\): Đã cân bằng (1 \(N\) ở cả hai vế).
• Tiếp theo, cân bằng \(O\): Vế trái có 3 nguyên tử \(O\) (trong \(NO3-\)), vế phải có 1 nguyên tử \(O\) (trong \(NO\)). Ta thêm 2 phân tử \(H2O\) vào vế phải để cân bằng \(O\).

\[ \mathrm{NO_3^- \to NO + 2H_2O} \]

• Sau đó, cân bằng \(H\): Vế phải có \(2 \times 2 = 4\) nguyên tử \(H\) (trong \(2H2O\)). Ta thêm 4 ion \(H+\) vào vế trái.

\[ \mathrm{NO_3^- + 4H^+ \to NO + 2H_2O} \]

• Cuối cùng, cân bằng điện tích bằng electron:
  • Tổng điện tích vế trái: \((-1) + (+4) = +3\).
  • Tổng điện tích vế phải: \(0 + 0 = 0\).

  Để cân bằng điện tích, ta thêm 3 electron vào vế trái.

\[ \mathrm{NO_3^- + 4H^+ + 3e^- \to NO + 2H_2O} \quad (\text{2}) \]

Giải thích: Ion \(NO3-\) nhận 3 electron và 4 ion \(H+\) để tạo thành \(NO\) và \(H2O\). Số electron nhận bằng sự thay đổi số oxi hóa của \(N\) từ \(+5\) xuống \(+2\), tức là \(3\) electron.

Bước 3: Cân bằng tổng số electron cho và nhận.

Để số electron nhường bằng số electron nhận, ta tìm bội số chung nhỏ nhất của 2 (từ quá trình oxi hóa) và 3 (từ quá trình khử), là 6.

• Nhân toàn bộ phương trình (1) với 3:

\[ \mathrm{3Cu^0 \to 3Cu^{2+} + 6e^-} \]

• Nhân toàn bộ phương trình (2) với 2:

\[ \mathrm{2NO_3^- + 8H^+ + 6e^- \to 2NO + 4H_2O} \]

Bước 4: Cộng hai nửa phản ứng đã cân bằng electron và rút gọn.

Cộng hai phương trình đã nhân hệ số lại với nhau và triệt tiêu \(6e-\) ở cả hai vế:

\[ \mathrm{3Cu + 2NO_3^- + 8H^+ \to 3Cu^{2+} + 2NO + 4H_2O} \]

Bước 5: Chuyển phương trình ion rút gọn về phương trình phân tử.

Bây giờ, chúng ta sẽ đưa các ion thành các hợp chất ban đầu và sản phẩm cuối cùng.

• \(3Cu\) giữ nguyên.
• \(2NO3-\) sẽ đến từ \(2NaNO3\). Điều này bổ sung \(2Na+\) vào vế trái.
• \(8H+\) sẽ đến từ \(8NaHSO4\). Điều này bổ sung \(8Na+\) và \(8SO4^2-\) vào vế trái.
• \(3Cu^2+\) sẽ kết hợp với \(SO4^2-\) (từ \(NaHSO4\)) để tạo thành \(CuSO4\). Vì có \(3Cu^2+\), ta cần \(3SO4^2-\) để tạo thành \(3CuSO4\).
• \(2NO\) giữ nguyên.
• \(4H2O\) giữ nguyên.
• Các ion còn lại: \(Na+\) (tổng cộng \(2 + 8 = 10\) ion) và \(SO4^2-\) (còn lại \(8 – 3 = 5\) ion) sẽ kết hợp với nhau để tạo thành \(Na2SO4\). Với 10 \(Na+\) và 5 \(SO4^2-\), chúng ta sẽ có \(5Na2SO4\).

Vậy, phương trình cân bằng ở dạng phân tử là:

\[ \mathrm{3Cu + 2NaNO_3 + 8NaHSO_4 \to 3CuSO_4 + 2NO \uparrow + 4H_2O + 5Na_2SO_4} \]

Bước 6: Kiểm tra lại sự cân bằng về số nguyên tử mỗi nguyên tố và điện tích (nếu là ion).

• Cu: Trái = 3, Phải = 3 (Đã cân bằng)
• Na: Trái = 2 (từ NaNO3) + 8 (từ NaHSO4) = 10, Phải = \(5 \times 2\) (từ Na2SO4) = 10 (Đã cân bằng)
• N: Trái = 2, Phải = 2 (Đã cân bằng)
• S: Trái = 8, Phải = 3 (từ CuSO4) + 5 (từ Na2SO4) = 8 (Đã cân bằng)
• H: Trái = 8, Phải = \(4 \times 2\) = 8 (Đã cân bằng)
• O: Trái = \(2 \times 3\) (từ NaNO3) + \(8 \times 4\) (từ NaHSO4) = 6 + 32 = 38
  Phải = \(3 \times 4\) (từ CuSO4) + 2 (từ NO) + 4 (từ H2O) + \(5 \times 4\) (từ Na2SO4) = 12 + 2 + 4 + 20 = 38 (Đã cân bằng)

Tất cả các nguyên tử đều đã cân bằng. Phương trình đã hoàn chỉnh.

Kết luận:

Phản ứng giữa Đồng, Natri nitrat và Natri hidrosunfat là một phản ứng oxi hóa – khử, trong đó Đồng bị oxi hóa, còn ion nitrat trong môi trường axit bị khử. Sản phẩm của phản ứng là Đồng sunfat, khí nitơ monoxit, nước và Natri sunfat.

Hi vọng bài giải chi tiết này giúp các em nắm vững hơn cách cân bằng phương trình oxi hóa – khử bằng phương pháp thăng bằng electron! Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại hỏi thầy nhé.