Chào các em, cô là giáo viên Hóa học. Hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập rất hay và điển hình trong chương trình Hóa học lớp 11, đó là viết phương trình ion cho phản ứng oxi hóa – khử phức tạp giữa sắt(II) đisunfua và axit nitric đặc, nóng.

Chúng ta sẽ thực hiện bài giải một cách chi tiết qua từng bước để các em có thể hiểu rõ bản chất của phản ứng nhé.

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

Đầu tiên, chúng ta cần xác định đúng số oxi hóa của các nguyên tố trước và sau phản ứng. Đây là bước quan trọng nhất!

– Trong hợp chất FeS₂ (sắt(II) đisunfua hay pirit sắt): Hợp chất này được coi như tạo bởi ion Fe²⁺ và ion S₂²⁻.

• Sắt (Fe) có số oxi hóa là \(+2\).
• Lưu huỳnh (S): Vì trong ion S₂²⁻ có 2 nguyên tử S, nên số oxi hóa của mỗi nguyên tử S là \(-1\).

– Trong HNO₃: H có số oxi hóa \(+1\), O có số oxi hóa \(-2\), vậy N có số oxi hóa là \(+5\).

– Sản phẩm của phản ứng gồm:

• Do HNO₃ đặc, nóng là chất oxi hóa rất mạnh nên Fe⁺² sẽ bị oxi hóa lên số oxi hóa cao nhất là \(+3\), tạo ra ion Fe³⁺.
• Lưu huỳnh S⁻¹ cũng bị oxi hóa lên số oxi hóa cao nhất là \(+6\), tạo ra ion sunfat SO₄²⁻.
• N⁺⁵ trong HNO₃ đặc sẽ bị khử, tạo ra sản phẩm khử là khí NO₂ (có số oxi hóa của N là \(+4\)).
• Và sản phẩm phụ là H₂O.

Tóm tắt sự thay đổi số oxi hóa:
Fe⁺² → Fe⁺³
S⁻¹ → S⁺⁶
N⁺⁵ → N⁺⁴

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

Chúng ta sẽ viết các bán phản ứng để thể hiện sự cho và nhận electron.

– Quá trình oxi hóa (sự cho electron):
Trong bài toán này, cả Fe và S trong cùng một phân tử FeS₂ đều nhường electron. Ta sẽ viết gộp quá trình oxi hóa cho cả phân tử FeS₂.
\[ \text{FeS}_2 \rightarrow \text{Fe}^{3+} + 2\text{S}^{+6} \]
Bây giờ, ta cân bằng số electron nhường:
Nguyên tử Fe nhường: \(3 – 2 = 1\) electron.
Hai nguyên tử S nhường: \(2 \times [6 – (-1)] = 2 \times 7 = 14\) electron.
Tổng số electron mà một phân tử FeS₂ nhường là: \(1 + 14 = 15\) electron.
Vậy, quá trình oxi hóa hoàn chỉnh là:
\[ \text{FeS}_2 \rightarrow \text{Fe}^{3+} + 2\text{S}^{+6} + 15\text{e} \]
– Quá trình khử (sự nhận electron):
\[ \text{N}^{+5} + 1\text{e} \rightarrow \text{N}^{+4} \text{ (trong NO}_2\text{)} \]

Bước 3: Cân bằng electron

Để tổng số electron cho bằng tổng số electron nhận, ta tìm bội số chung nhỏ nhất của 15 và 1, là 15. Sau đó, nhân hệ số thích hợp vào hai quá trình trên:
\[ \begin{array}{c|c}
1 & \text{FeS}_2 \rightarrow \text{Fe}^{3+} + 2\text{S}^{+6} + 15\text{e} \\
\hline
15 & \text{N}^{+5} + 1\text{e} \rightarrow \text{N}^{+4}
\end{array} \]
Từ đây, ta có hệ số của các chất tham gia và sản phẩm chính:
– 1 phân tử FeS₂.
– 1 ion Fe³⁺.
– 2 gốc SO₄²⁻ (tương ứng với 2S⁺⁶).
– 15 phân tử NO₂ (tương ứng với 15N⁺⁴).

Bước 4: Viết và cân bằng phương trình phân tử

Dựa vào các hệ số vừa tìm được, ta đưa vào phương trình phản ứng ở dạng phân tử để cân bằng các nguyên tố còn lại.
\[ \text{FeS}_2 + \text{HNO}_3 \rightarrow \text{Fe(NO}_3)_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 + \text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
Đặt hệ số vào:
\[ 1\text{FeS}_2 + \text{HNO}_3 \rightarrow 1\text{Fe(NO}_3)_3 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 + 15\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
Bây giờ ta cân bằng các nguyên tố khác:
– Cân bằng nguyên tố N:
Vế phải có \(1 \times 3 + 15 = 18\) nguyên tử N. Vậy hệ số của HNO₃ là 18.
\[ \text{FeS}_2 + 18\text{HNO}_3 \rightarrow \text{Fe(NO}_3)_3 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 + 15\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
– Cân bằng nguyên tố H:
Vế trái có 18 nguyên tử H. Vế phải có \(2 \times 2 = 4\) nguyên tử H trong H₂SO₄. Vậy số nguyên tử H trong H₂O là \(18 – 4 = 14\). Suy ra hệ số của H₂O là \(14 / 2 = 7\).
\[ \text{FeS}_2 + 18\text{HNO}_3 \rightarrow \text{Fe(NO}_3)_3 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 + 15\text{NO}_2 + 7\text{H}_2\text{O} \]
– Kiểm tra lại nguyên tố O:
Vế trái: \(18 \times 3 = 54\) nguyên tử O.
Vế phải: \((3 \times 3) + (2 \times 4) + (15 \times 2) + 7 = 9 + 8 + 30 + 7 = 54\) nguyên tử O.
Phương trình đã được cân bằng chính xác.

Bước 5: Viết phương trình ion rút gọn

Từ phương trình phân tử đã cân bằng, ta sẽ chuyển sang phương trình ion. Ta cần xác định các chất điện li mạnh, chất khí, chất kết tủa hoặc chất điện li yếu.

– Phương trình phân tử:
\[ \text{FeS}_2 + 18\text{HNO}_3 \rightarrow \text{Fe(NO}_3)_3 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 + 15\text{NO}_2 + 7\text{H}_2\text{O} \]
– Chuyển sang phương trình ion đầy đủ (chất nào điện li mạnh thì viết dưới dạng ion, còn lại giữ nguyên):
FeS₂ là chất rắn, không tan, không điện li.
HNO₃, Fe(NO₃)₃, H₂SO₄ là các chất điện li mạnh.
NO₂ là chất khí, H₂O là chất điện li rất yếu.
\[ \text{FeS}_2 + 18\text{H}^+ + 18\text{NO}_3^- \rightarrow \text{Fe}^{3+} + 3\text{NO}_3^- + 4\text{H}^+ + 2\text{SO}_4^{2-} + 15\text{NO}_2 + 7\text{H}_2\text{O} \]
– Rút gọn các ion giống nhau ở hai vế (ion spectator):
Ta thấy ở hai vế đều có ion NO₃⁻ và H⁺. Ta sẽ rút gọn chúng.
Vế trái có 18 NO₃⁻, vế phải có 3 NO₃⁻. Rút gọn còn 15 NO₃⁻ ở vế trái.
Vế trái có 18 H⁺, vế phải có 4 H⁺. Rút gọn còn 14 H⁺ ở vế trái.

Sau khi rút gọn, ta được phương trình ion rút gọn cuối cùng:
\[ \text{FeS}_2 + 14\text{H}^+ + 15\text{NO}_3^- \rightarrow \text{Fe}^{3+} + 2\text{SO}_4^{2-} + 15\text{NO}_2 + 7\text{H}_2\text{O} \]

Vậy là chúng ta đã hoàn thành bài tập. Phương trình ion rút gọn trên đã thể hiện đúng bản chất của phản ứng: FeS₂ tác dụng với môi trường axit (H⁺) và chất oxi hóa (NO₃⁻) để tạo ra các sản phẩm tương ứng.

Chúc các em học tốt!