- Các bước
- - Chung
- Kiểm tra số oxi hóa của chất phản ứng và sản phẩm
- Xác định các chất oxi hóa và khử
- Viết các bán phản ứng và cân bằng nguyên tử và điện tích
- Thay các hệ số của phương trình ion vào phương trình tổng quát
- - Cân bằng trong môi trường axit
- - Cân bằng trong môi trường cơ bản
- Ví dụ
- Bài tập
- Bài tập 1
- Các bước chung
- Cân bằng trong môi trường cơ bản
- Bài tập 2
- Các bước chung
- Cân bằng trong môi trường axit
- Người giới thiệu
Các phương pháp cân bằng oxi hóa khử là một trong đó cho phép cân bằng các phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa khử, mà nếu không sẽ là một nhức đầu. Ở đây một hoặc nhiều loài trao đổi electron; loài cho hoặc mất chúng được gọi là loài oxy hóa, trong khi loài chấp nhận hoặc thu được chúng, loài khử.
Trong phương pháp này, điều cần thiết là phải biết số oxy hóa của các loài này, vì chúng tiết lộ bao nhiêu electron mà chúng đã thu được hoặc mất đi trên mỗi mol. Nhờ đó, có thể cân bằng điện tích bằng cách viết các electron trong phương trình như thể chúng là chất phản ứng hoặc sản phẩm.
Các bán phản ứng tổng quát của một phản ứng oxi hóa khử cùng với ba chất chính trong quá trình cân bằng của chúng: H +, H2O và OH-. Nguồn: Gabriel Bolívar.
Hình ảnh trên cho thấy hiệu quả của các electron, e - được đặt làm chất phản ứng khi các loại oxy hóa thu được chúng; và là sản phẩm khi các loài khử mất chúng. Lưu ý rằng để cân bằng loại phương trình này cần phải nắm vững các khái niệm về số oxi hóa và số oxi hóa - khử.
Các loại H + , H 2 O và OH - , tùy thuộc vào pH của môi trường phản ứng, cho phép cân bằng oxy hóa khử, đó là lý do tại sao chúng ta rất phổ biến tìm thấy chúng trong các bài tập. Nếu môi trường có tính axit, chúng tôi sử dụng H + ; nhưng nếu ngược lại, môi trường là bazơ, thì chúng ta sử dụng OH - để cân bằng.
Bản chất của phản ứng quyết định độ pH của môi trường phải là bao nhiêu. Đó là lý do tại sao, mặc dù cân bằng có thể được thực hiện với giả định là môi trường axit hoặc bazơ, nhưng phương trình cân bằng cuối cùng sẽ cho biết liệu các ion H + và OH - có thực sự là thiết yếu hay không .
Các bước
- Chung
Kiểm tra số oxi hóa của chất phản ứng và sản phẩm
Giả sử phương trình hóa học sau:
Cu (s) + AgNO 3 (aq) → Cu (NO 3 ) 2 + Ag (s)
Điều này tương ứng với một phản ứng oxi hóa khử, trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của các chất phản ứng:
Cu 0 (s) + Ag + NO 3 (aq) → Cu 2+ (NO 3 ) 2 + Ag (s) 0
Xác định các chất oxi hóa và khử
Loại oxi hóa nhận electron bằng cách oxi hóa loại khử. Do đó, số oxi hóa của nó giảm dần: nó trở nên kém dương hơn. Trong khi đó, số oxi hóa của các chất khử tăng lên, vì nó mất điện tử: nó trở nên dương hơn.
Như vậy, trong phản ứng trước, đồng bị oxi hóa, vì nó chuyển từ Cu 0 thành Cu 2+ ; và bạc bị khử, khi nó đi từ Ag + đến Ag 0 . Đồng là chất khử, và bạc là chất oxy hóa.
Viết các bán phản ứng và cân bằng nguyên tử và điện tích
Xác định loài nào tăng hoặc mất electron, các bán phản ứng oxi hóa khử cho cả phản ứng khử và phản ứng oxi hóa được viết:
Cu 0 → Cu 2+
Ag + → Ag 0
Đồng mất hai điện tử, trong khi bạc tăng một điện tử. Chúng tôi đặt các electron trong cả hai nửa phản ứng:
Cu 0 → Cu 2+ + 2e -
Ag + + e - → Ag 0
Lưu ý rằng tải vẫn cân bằng trong cả hai nửa phản ứng; nhưng nếu chúng được cộng lại với nhau, định luật bảo toàn vật chất sẽ bị vi phạm: số electron phải bằng nhau trong hai nửa phản ứng. Do đó, phương trình thứ hai được nhân với 2 và hai phương trình được cộng:
(Cu 0 → Cu 2+ + 2e - ) x 1
(Ag + + e - → Ag 0 ) x 2
Cu 0 + 2Ag + + 2e - → Cu 2+ + 2Ag 0 + 2e -
Các điện tử bị khử bởi vì chúng ở phía bên của chất phản ứng và các sản phẩm:
Cu 0 + 2Ag + → Cu 2+ + 2Ag 0
Đây là phương trình ion tổng thể.
Thay các hệ số của phương trình ion vào phương trình tổng quát
Cuối cùng, các hệ số phân tích từ phương trình trước được chuyển sang phương trình đầu tiên:
Cu (s) + 2AgNO 3 (aq) → Cu (NO 3 ) 2 + 2Ag (s)
Lưu ý rằng 2 được định vị với AgNO 3 vì trong muối này bạc là Ag + và điều này cũng xảy ra với Cu (NO 3 ) 2 . Nếu cuối phương trình này không cân bằng thì ta tiến hành thử nghiệm.
Phương trình được đề xuất trong các bước trước đó có thể được cân bằng trực tiếp bằng thử và sai. Tuy nhiên, có những phản ứng oxi hóa khử cần môi trường axit (H + ) hoặc bazơ (OH - ) để diễn ra. Khi điều này xảy ra, nó không thể được cân bằng giả sử rằng môi trường là trung tính; như chỉ ra (cả H + và OH - đều không được thêm vào ).
Mặt khác, thuận tiện khi biết rằng các nguyên tử, ion hoặc hợp chất (chủ yếu là oxit) mà sự thay đổi số oxi hóa xảy ra được viết trong các bán phản ứng. Điều này sẽ được nêu rõ trong phần bài tập.
- Cân bằng trong môi trường axit
Khi môi trường là axit, cần dừng lại ở hai nửa phản ứng. Lần này khi cân bằng, chúng ta bỏ qua các nguyên tử oxy và hydro, và cả các electron. Các electron sẽ cân bằng cuối cùng.
Sau đó, ở phía của phản ứng có ít nguyên tử oxy hơn, chúng tôi thêm các phân tử nước để bù vào. Mặt khác, chúng tôi cân bằng các hydro với các ion H + . Và cuối cùng, chúng tôi thêm các electron và tiến hành theo các bước chung đã được nêu.
- Cân bằng trong môi trường cơ bản
Khi môi trường là bazơ, người ta tiến hành tương tự như trong môi trường axit với sự khác biệt nhỏ: lúc này ở phía có nhiều ôxy hơn, một số phân tử nước bằng ôxy dư này sẽ nằm; và mặt khác, các ion OH - để bù đắp cho hydro.
Cuối cùng, các electron được cân bằng, hai nửa phản ứng được thêm vào, và các hệ số của phương trình ion tổng thể được thay thế vào phương trình tổng quát.
Ví dụ
Các phương trình oxi hóa khử cân bằng và không cân bằng sau đây là ví dụ để xem chúng thay đổi bao nhiêu sau khi áp dụng phương pháp cân bằng này:
P 4 + ClO - → PO 4 3- + Cl - (không cân bằng)
P 4 + 10 ClO - + 6 H 2 O → 4 PO 4 3- + 10 Cl - + 12 H + (môi trường axit cân bằng)
P 4 + 10 ClO - + 12 OH - → 4 PO 4 3- + 10 Cl - + 6 H 2 O (môi trường bazơ cân bằng)
I 2 + KNO 3 → I - + KIO 3 + NO 3 - (không cân bằng)
3I 2 + KNO 3 + 3H 2 O → 5I - + KIO 3 + NO 3 - + 6H + (môi trường axit cân bằng)
Cr 2 O 2 7- + HNO 2 → Cr 3+ + NO 3 - (không cân bằng)
3HNO 2 + 5H + + Cr 2 O 2 7- → 3NO 3 - + 2Cr 3+ + 4H 2 O (môi trường axit cân bằng)
Bài tập
Bài tập 1
Cân bằng phương trình sau trong môi trường cơ bản:
I 2 + KNO 3 → I - + KIO 3 + NO 3 -
Các bước chung
Chúng tôi bắt đầu bằng cách viết ra số ôxy hóa của các loài mà chúng tôi nghi ngờ đã bị ôxy hóa hoặc khử; trong trường hợp này, các nguyên tử iốt:
I 2 0 + KNO 3 → I - + KI 5+ O 3 + NO 3 -
Lưu ý rằng iot có tính oxi hóa và đồng thời bị khử, vì vậy chúng ta tiến hành viết hai bán phản ứng tương ứng:
I 2 → I - (khử, cứ I - 1 electron bị tiêu hao)
I 2 → IO 3 - (oxi hóa, cứ IO thì có 3 - 5 electron được giải phóng)
Trong nửa phản ứng oxy hóa, chúng ta đặt anion IO 3 - , chứ không phải nguyên tử iot là I 5+ . Chúng tôi cân bằng các nguyên tử iốt:
I 2 → 2I -
I 2 → 2IO 3 -
Cân bằng trong môi trường cơ bản
Bây giờ chúng ta tập trung vào việc cân bằng bán phản ứng oxy hóa trong môi trường cơ bản, vì nó có một loại oxy hóa. Chúng tôi thêm vào mặt sản phẩm cùng một số phân tử nước vì có các nguyên tử oxy:
I 2 → 2IO 3 - + 6H 2 O
Và ở phía bên trái, chúng tôi cân bằng các hydro với OH - :
I 2 + 12OH - → 2IO 3 - + 6H 2 O
Ta viết hai nửa phản ứng và thêm các electron còn thiếu để cân bằng các điện tích âm:
I 2 + 2e - → 2I -
I 2 + 12OH - → 2IO 3 - + 6H 2 O + 10e -
Chúng tôi cân bằng số electron trong cả hai nửa phản ứng và thêm chúng:
(I 2 + 2e - → 2I - ) x 10
(I 2 + 12OH - → 2IO 3 - + 6H 2 O + 10e - ) x 2
12I 2 + 24 OH - + 20e - → 20I - + 4IO 3 - + 12H 2 O + 20e -
Các electron loại bỏ và chúng tôi chia tất cả các hệ số cho bốn để đơn giản hóa phương trình ion tổng thể:
(12I 2 + 24 OH - → 20I - + 4IO 3 - + 12H 2 O) x ¼
3I 2 + 6OH - → 5I - + IO 3 - + 3H 2 O
Và cuối cùng, chúng tôi thay thế các hệ số của phương trình ion trong phương trình đầu tiên:
3I 2 + 6OH - + KNO 3 → 5I - + KIO 3 + NO 3 - + 3H 2 O
Phương trình đã được cân bằng. So sánh kết quả này với cân bằng trong môi trường axit ở Ví dụ 2.
Bài tập 2
Cân bằng phương trình sau trong môi trường axit:
Fe 2 O 3 + CO → Fe + CO 2
Các bước chung
Chúng ta nhìn vào số oxi hóa của sắt và cacbon để tìm ra số oxi hóa hoặc khử của hai chất nào:
Fe 2 3+ O 3 + C 2+ O → Fe 0 + C 4+ O 2
Sắt đã bị khử, làm cho nó trở thành loại oxy hóa. Trong khi đó, cacbon đã bị oxy hóa, hoạt động như một chất khử. Các nửa phản ứng oxi hóa và khử liên quan là:
Fe 2 3+ O 3 → Fe 0 (khử, cho mỗi Fe 3 electron bị tiêu hao)
CO → CO 2 (sự oxi hóa, cứ CO 2 2 electron được giải phóng)
Lưu ý rằng chúng ta viết oxit là Fe 2 O 3 vì nó chứa Fe 3+ chứ không phải chỉ đặt Fe 3+ . Chúng tôi cân bằng các nguyên tử cần thiết ngoại trừ ôxy:
Fe 2 O 3 → 2Fe
CO → CO 2
Và chúng tôi tiến hành cân bằng trong môi trường axit ở cả hai bán phản ứng, vì có các loại oxy ở giữa.
Cân bằng trong môi trường axit
Chúng tôi thêm nước để cân bằng oxy, và sau đó H + để cân bằng hydro:
Fe 2 O 3 → 2Fe + 3H 2 O
6H + + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3H 2 O
CO + H 2 O → CO 2
CO + H 2 O → CO 2 + 2H +
Bây giờ chúng ta cân bằng các điện tích bằng cách đặt các electron tham gia vào các nửa phản ứng:
6H + + 6e - + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3H 2 O
CO + H 2 O → CO 2 + 2H + + 2e -
Chúng tôi cân bằng số electron trong cả hai nửa phản ứng và thêm chúng:
(6H + + 6e - + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3H 2 O) x 2
(CO + H 2 O → CO 2 + 2H + + 2e - ) x 6
12 H + + 12e - + 2Fe 2 O 3 + 6CO + 6H 2 O → 4Fe + 6H 2 O + 6CO 2 + 12H + + 12e -
Chúng tôi hủy bỏ các điện tử, ion H + và các phân tử nước:
2Fe 2 O 3 + 6CO → 4Fe + 6CO 2
Nhưng các hệ số này có thể được chia cho hai để đơn giản hóa phương trình hơn nữa, có:
Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2
Câu hỏi này đặt ra: cân bằng oxy hóa khử có cần thiết cho phương trình này không? Bằng cách thử và sai, nó sẽ nhanh hơn nhiều. Điều này cho thấy rằng phản ứng này tiến hành không phụ thuộc vào pH của môi trường.
Người giới thiệu
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập.
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 22 tháng 9 năm 2019). Làm thế nào để cân bằng các phản ứng oxy hóa khử. Phục hồi từ: thinkco.com
- Ann Nguyen & Luvleen Brar. (Ngày 05 tháng 6 năm 2019). Cân bằng các phản ứng oxy hóa khử. Hóa học LibreTexts. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
- Quimitube. (2012). Bài tập 19: Điều chỉnh một phản ứng oxi hóa khử trong môi trường bazơ bằng hai phản ứng bán hủy oxi hóa. Được khôi phục từ: quimitube.com
- Đại học Washington ở St. Louis. (sf). Các vấn đề thực hành: Phản ứng oxi hóa khử. Khôi phục từ: chemistry.wustl.edu
- John Wiley và các con trai. (Năm 2020). Làm thế nào để cân bằng phương trình oxy hóa khử. Phục hồi từ: dummies.com
- Rubén Darío OG (2015). Cân bằng phương trình hóa học. Được khôi phục từ: aprendeenlinea.udea.edu.co