Sáng kiến kinh nghiệm Dự đoán sản phẩm phản ứng oxi hoá ─ khử

Nội dung text: Sáng kiến kinh nghiệm Dự đoán sản phẩm phản ứng oxi hoá ─ khử

1. §ç Thanh Nam THPT Lª Hoµn Đề tài: DỰ ĐOÁN SẢN PHẨM PHẢN ỨNG OXI HOÁ ─ KHỬ A. ĐẶT VẤN ĐỀ: Như chúng ta đã biết, viết và cân bằng phản ứng là yếu tố cơ bản hàng đầu trong hoá học. Ở chương trình hoá học phổ thông, học sinh biết viết các phản ứng dựa vào tính chất của các hợp chất vô cơ. Tuy nhiên, với các phản ứng oxi hoá khử sản phẩm của phản ứng thường không tuân theo các tính chất thông thường đã học. Hầu hết các em viết phương trình phản ứng loại này chỉ biết dựa vào các phương trình phản ứng cụ thể, chứ không có phương pháp tư duy sáng tạo nào. Đây là bế tắc của nhiều học sinh. Không biết được sản phẩm của phản ứng tức là không viết được phương trình phản ứng hoá học. Như vậy, mọi vấn đề của bài toán đều bị bế tắc. Qua những năm giảng dạy bộ môn hoá học, bản thân tôi nhận thấy rằng cần phải đưa ra những nguyên tắc chung để học sinh có thể dự đoán được chính xác phản ứng oxi hoá - khử chứ không phải nhớ từng phản ứng bằng kinh nghiệm. B. NỘI DUNG. I. Căn cứ vào số oxi hoá Số oxi hoá là dấu hiệu đầu tiên để biết phản ứng có xảy ra theo hướng phản ứng oxi hoá - khử hay không; cũng như đánh giá vai trò của một chất khi nó tham gia phản ứng phản ứng oxi hoá - khử. - Nếu số oxi hoá của nguyên tố cao nhất thì chất đó chỉ có thể đóng vai trò là chất oxi hoá. Số oxi hoá dương cao nhất của nguyên tố bằng số thứ tự của nhóm. Riêng với kim loại, nếu tồn tại ở dạng cation độc lập, thì số oxi hoá dương cao nhất là +3. Thí dụ: Số oxi hoá dương cao nhất của S ( nhóm VIA) là (+6); số oxi hoá dương cao nhất của Fe (nhóm VIIIB) trong hợp chất phức là (+8), nhưng dạng ion độc lập chỉ là (+3). Nếu số oxi hoá của nguyên tố là thấp nhất, chất chứa nguyên tố đó chỉ có thể đóng vai trò chất khử. Số oxi hoá thấp nhất của nguyên tố phi kim bằng (8 - số thứ tự của nhóm), số oxi hoá thấp nhất của kim loại bắng 0 (vì nguyên tử kim loại không 1
2. §ç Thanh Nam THPT Lª Hoµn bao giờ nhận electron để trở thành ion âm được). Thí dụ: số oxi hoá âm thấp nhất của Clo (nhóm VIIA) là (8-7=1). Số oxi hoá của nguyên tố là trung gian thì chất chứa nguyên tố đó có thể thể hiện cả tính khử lẫn tính oxi hoá. Nếu gặp chất khử thì nó đóng vai trò chất oxi hoá và ngược lại. Thí dụ: số oxi hoá của nguyên tố lưu huỳnh ở SO2 nằm trong khoảng (-2<+4<+6). Nếu tác dụng với H2S (với trị số -2 là thấp nhất) chỉ là chất khử, SO 2 lúc này phải đóng vai trò chất oxi hoá. Phản ứng xảy ra: SO2 + 2H2S → 3 S + 2H2O ‾ +7 Nếu tác dụng với MnO 4 (Mn cao nhất - chỉ đóng vai trò chất oxi hoá) trong + môi trường H lúc này SO2 phải đóng vai trò chất khử. + 2‾ 2+ Phản ứng xảy ra: 5 SO2 + 2MnO4‾ + 8H → 5SO4 + 2Mn + 4H2O II. Căn cứ vào chiều hướng phản ứng oxi hoá - khử. 2.1. Cặp oxi hoá - khử. 2.1.1. Khái niệm về cặp oxi hoá - khử. Chất oxi hoá và chất khử của cùng một nguyên tố hoá học tạo nên cặp oxi hoá - khử của nguyên tố đó. Nếu nguyên tố đố là kim loại thì cặp oxi hoá khử đó gọi là cặp oxi hoá - khử của kim loại. Qui ước: Chất oxi hóa viết trước, cách chất khử một dấu gạch chéo(/). 3+ 2+ ‾ Thí dụ: Fe /Fe ; Br2/2Br 2.2.2. Dãy oxi hoá - khử của kim loại (dãy điện hoá): Tính chất oxi hoá của ion kim loại tăng. K+ Na+ Mg2+ Al3+ Zn2+ Fe2+ Ni2+ Sn2+ Pb2+ H+ Cu2+ Fe3+ Hg2+ Ag+ Hg2+ Pt2+ Au3+ K Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Fe2+ Hg Ag Hg Pt Au Tính chất khử của kim loại giảm “Dãy điện hoá của kim loại là một dãy những cặp oxi hoá - khử được xắp xếp theo chiều tăng tính chất oxi hoá của các ion kim loại và chiều giảm tính chất khử của kim loại”. 2
3. §ç Thanh Nam THPT Lª Hoµn 2.2. Chiều hướng của phản ứng oxi hoá khử. Phản ứng oxi hoá - khử chỉ xảy ra theo chiều: chất oxi hoá mạnh tác dụng với chất khử mạnh tạo thành chất oxi hoá yếu hơn và chất khử yếu hơn. Chất oxi hoá yếu Chất oxi hoá mạnh Chất khử mạnh Chất khử yếu 2.3 Ý nghĩa của dãy điện hoá: - Xác định về mặt định tính một phản ứng nào đó có thể xảy ra hay không. - ử dụng dãy điện hoá có thể viết được những phản ứng mà tính chất thông thường của các hợp chất vô cơ không thể chỉ rõ được. Thí dụ: Cu + 2FeCl3 → CuCl2 + 2FeCl3 3AgNO3 + 3FeSO4 → 3Ag + Fe2(SO4)3 + Fe(NO3)3 Chỉ rõ trật tự phản ứng xảy ra khi cho hỗn hợp có nhiều chất đều có khả năng phản ứng trên cơ sở đó để tính toán. III.GIỚI THIỆU NHÓM CHẤT KHỬ PHỔ BIẾN. Chất khử sẽ ứng với chất có chứa nguyên tố có số oxi hoá thấp nhất hoặc trung gian. Nó có thể là: - Đơn chất kim loại, đơn chất phi kim (C,S,P,N ). - Hợp chất (muối, bazơ, axit, oxit) như: FeCl2, CuS2, Fe(OH)2, HBr, H2S, CO, Cu2O 2+ ‾ 2 - ion (cation,anion) như: Fe , Cl , SO3 ‾ IV. Giới thiệu nhóm oxi hoá phổ biến. 4.1. Anion NO3‾ 4.1.1. Xét trong môi trường H+ + Anion NO3‾ trong môi trường H có thể “ngầm” hiểu là HNO3 Đó là sản phẩm oxi hoá mạnh, sản phẩm khử của NO3‾ ứng với số oxi hoá thấp + của Nitơ – có thể là: NO2, NO, N2O, N2, NH4 . 3
4. §ç Thanh Nam THPT Lª Hoµn Sản phẩm khử phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Bản chất của chất khử. Chất khử càng mạnh, số oxi hoá của N bị hạ xuống càng thấp. Chẳng hạn với + cá kim loại từ Zn trở về trước có thể khử NO 3‾ đến NH4 ; nhưng các kim loại từ Cu trở về sau (tính khử yếu) thường chỉ khử đến NO2, NO - Nồng độ của chất phản ứng. Thường nồng độ loãng tạo NO, đặc tạo NO2. Thực tế không đơn giản như vậy vì trong quá trình phản ứng nồng độ chất phản ứng thay đổi liên tục, do đó thường thu được hỗn hợp các sản phẩm ( để viết chính xác cần căn cứ vào cá giả thiết). + Nếu H và NO3‾ lấy từ hai nguồn khá nhau, khi đề không nói rõ thì được hiểu đó là loãng. - Điều kiện thực hiện phản ứng - thường xét nhiệt độ. Nếu ở nhiệt độ cao tính oxi hoá càng mạnh, nhiệt độ thấp tính oxi hoá kém; chưa kể sự phối hợp giữa nồng độ và nhiệt độ có thể gây nên hiện tượng thụ động hoá. + Thí dụ: Với HNO 3 rất loãng, lạnh thì tính oxi hoá của H lớn hơn của NO 3‾ nên sản phẩm tạo ra là H2 và kim loại phản ứng chỉ đạt tới số oxi hoá thấp (không xét ở CTPT). Fe + 2HNO3 rất loãng,lạnh → Fe(NO3)2 + H2 Chú ý 1: Al, Fe, Cr bị thụ động hoá với HNO3 đặc, nguội. Tính chất này thường được dùng để tách Al, Fe ra khỏi các kim loại hoạt động khác; muốn tách riêng Fe và Al dùng kiềm để chỉ mình Al phản ứng. Nhận xét: + Như vậy, nếu dùng chất khử là kim loại khi tác dụng với H , NO3‾ ta dùng sơ đồ phản ứng (trong đó n ứng với số oxi hoá cao nhất của kim loại ở dạng ion độc lập). 4
5. §ç Thanh Nam THPT Lª Hoµn NO2(khí màu nâu đỏ, bị kiềm hấp thu, làm đỏ quỷ tím ẩm) NO(khí không màu hoá nâu trong không khí) N2O( khí không màu nặng hơn không khí) + n+ M + H + NO3‾→M + H2O + N2 (khí không màu nhẹ hơn không khí) + NH4 (không có khí bay ra, dung dịch sau phản ứng cho tác dụng với kiềm dư thì thu được khí có mùi khai làm xanh quỳ ẩm). Chú ý 2: - M là kim loại khác Au, Pt. - Khi phải dùng công thức tổng quát: N xOy và xác định được tỷ lệ x:y = 2:3 thì phải hiểu đó là hỗn hợp “đồng số mol” của NO và NO2. - Dù nồng độ đặc hay loãng nếu có các thuật ngữ gợi ý ở trên thì phải viết đúng sản phẩm ấy. - Nếu thay M bằng hợp chất của nó (dạng phân tủ hoạc ion) ứng với số oxi hoá trung gian thì phản ứng xảy ra tương tự. - Cần nhớ nếu trong trường hợp chất có cả nguyên tố có khả năng thể hiện tính khử thì nó cũng đồng thời bi oxi hoá và cũng bị đẩy đến số oxi hoá cao nhất (thường 2- gặp hợp chất chứa lưu huỳnh, khi đó sẽ tạo SO4 ) như: Fe3O4, FeCO3, FeO, Fe(OH)2, 2+ Fe , FeS2, FeS, Cu2S, CuS2, Cu2O (riêng CuS chỉ phản ứng với HNO3). Thí dụ: FeCO3 + 4H(NO3)3 → Fe(NO3)3 + CO2 + NO2 + H2O + 3+ 2‾ FeS2 + 4H + 5NO3‾ → Fe + 2SO4 + 5NO +2H2O - Nếu M là phi kim thì sản phẩm khử của NO 3‾ tương tự trên nhưng sản phẩm muối được thay thế bằng hợp chất ứng với số oxi hoá cao nhất của phi kim, thường xét C, S, P phản ứng với phi kim cần đun nóng. Thí dụ: C + 4HNO3 đặc → CO2 + 4NO2 + 2H2O S + 6HNO3 đặc→ H2SO4 + 6NO2 + 2H2O 3P + 5HNO3loãng + 2H2O→ 3H3PO4 + 5NO 5
6. §ç Thanh Nam THPT Lª Hoµn ‾ 4.1.2. NO3 trong môi trường kiềm mạnh. ‾ Thể hiện tính oxi hoá tương đối mạnh, sản phẩm khử NO3 là NH3. Thường xét phản ứng của các nguyên tố có hợp chất lưỡng tính: Al, (1-n) Zn,Cr kim loại bị đến số oxi hoá cao nhất như ở dạng anion MO 2 ; luôn có H2 thoát ra vì đồng thời có phản ứng của nguyên tố lưỡng tính với kiwmf. Khi viết và cân bằng phương trình nên tách riêng hai phản ứng. 4.1.3. NO3‾ trong môi trường trung tính (H2O). Không thể hiện tính oxi hoá. Riêng khi nhiệt phân muối nitrat (xem tính chất hợp chất vô cơ). 4.2. H2SO4 đặc. +6 Với H2SO4 loãng không thể hiện tính oxi hoá của S . Với H2SO4 đặc: Sản phẩm khử có thể là: - Lưu huỳnh(S): rắn, bột màu vàng. - Khí SO2: khí có mùi hắc, sốc, làm nhạt màu dung dịch nước Brôm, dung dịch thuốc tím; làm quỳ ẩm hoá đỏ; bị kiềm hấp thụ - Khí H2S: khí mùi trứng thối, khí tác dụng với kiềm, khí làm đỏ quỳ - Muối sunfua (S2‾ không có khí bay ra). 2‾ Nếu H2SO4 đặc, nóng, dư thì sản phẩm luôn là SO 2 vì nếu tạo S, H 2S, S thì tiếp tục có phản ứng với H2SO4 để tạo SO2. SO2 M + H2SO4 đặc → M2(SO4)n + H2O + S H2S S2‾ Trong đó n là số oxi hoá của kim loại. Chú ý : - Thông thường nếu đề không nói rõ cứ viết sản phẩm SO2 là đúng, đặc biệt với các kim loại có tính khử trung bình và yếu. 6
7. §ç Thanh Nam THPT Lª Hoµn - Có thể phải xác định sản phẩm dựa vào tỷ lệ mol giữa các chất phản ứng khi M chưa biết hoá trị (nên dùng bán phảnứng với từng sản phẩm, xét đúng tỷ lệ đề cho để xét với điều kiện n nguyên dương và kết luận sản phẩm đúng) hoặc biết hoá trị thì phải thoả mãn dữ kiện nào đó của đề cho. - Chất khử ở đây không chỉ là kim loại, mà còn có thể là hợp chất của kim loại đang ở số oxi hoá thấp (tạo muối sunfat ứng với hoá trị cao) hoặc là phi kim như C, S (tạo sản phẩm ứng với số oxi hoá cao nhất). Thí dụ: 2FeCO3 + 4H2SO4 đặc, nóng → Fe2(SO4)3 + SO2 + 2CO2 + 4H2O S + 2H2SO4 đặc, nóng → 3SO2 + 2H2O C + 2H2SO4 đặc, nóng → CO2 + 2SO2 + 2H2O - Al, Fe, Cr thụ động với C đặc, nguội. + - Với Fe khi tác dụng với H + NO3‾ hoặc H2SO4 đặc cần lưu ý tới trường hợp Fe dư, khi đó sau phản ứng Fe =Fe3+ + 3e có thêm phản ứng Fe + 2Fe3+ = 3Fe2+ (tuỳ Fe dư ở mức độ nào mà dung dịch thu được chỉ chứa Fe 2+ hoặc cả Fe 2+ và cả Fe3+ chưa bị khử hết). - Sản phẩm khử của HNO 3 hoặc H2SO4 còn có thể phải sử dụng phương pháp trị số trung bình để xác định . Khi biết (hay tính được) M trung bình của hỗn hợp khí, vận dụng tính chất Mmin < Mtrung bình < Mmax và liệt kê tất cả các sản phẩm có thể tạo thành để đối chiếu rồi kết luận chọn khí sản phẩm thoả mãn. ‾ ‾ 4.3. MnO4 (thường dùng KMnO4; mầu tím là của MnO4 ). Thể hiện tính oxi hoá ở cả 3 môi trường, sản phẩm khử phụ thuộc vào môi trường phản ứng. Chất khử thường xét là ion kim loại đang ở số oxi hoá thấp, hoặc 2+ 2- 2- anion ứng với số oxi hoá thấp của phi kim chẳng hạn Fe , SO3 , S , hoặc một số khí như SO2, H2S ‾ + 4.3.1. MnO4 trong môi trường H (axit mạnh). ‾ + 2+ Xảy ra bán phản ứng: MnO4 + 8H + 5e → Mn + 4H2O ‾ 4.3.2. MnO4 trong môi trường OH‾ (kiềm mạnh). ‾ 2‾ Xảy ra bán phản ứng: MnO4 + e → MnO4 7