Đang tải bài học…

AP Chemistry

nửa phản ứng

half-reaction

Còn gọi: bán phản ứng

Nửa phản ứng là phương trình chỉ mô tả riêng quá trình oxi hóa hoặc riêng quá trình khử, trong đó số electron trao đổi được viết rõ.

Trong một phản ứng oxi hóa–khử (redox reaction), việc cho và nhận điện tử luôn xảy ra đồng thời, nhưng để tính toán cho gọn người ta thường tách hai việc đó ra và xét từng cái một. Mỗi phương trình tách ra như vậy là một nửa phản ứng, và điểm khác biệt so với phương trình tổng là điện tử được viết hiện ra như một chất thật sự tham gia. Ở nửa oxi hóa, điện tử nằm bên sản phẩm vì chất đó bị mất điện tử. Ngược lại, ở nửa khử, điện tử nằm bên chất phản ứng vì chất đó nhận thêm điện tử. Chẳng hạn với phản ứng giữa $\mathrm{Sn^{2+}}$ và $\mathrm{Fe^{3+}}$ , ta viết $\mathrm{Sn^{2+}} \rightarrow \mathrm{Sn^{4+}} + 2e^-$ và $2\,\mathrm{Fe^{3+}} + 2e^- \rightarrow 2\,\mathrm{Fe^{2+}}$ .

Hai nửa này không độc lập với nhau, bởi điện tử không thể tự sinh ra hay biến mất giữa chừng. Do đó điều kiện ghép nối là

$n_{\text{nhường}} = n_{\text{nhận}}$

nghĩa là số mol điện tử mà chất khử (reducing agent) nhường phải đúng bằng số mol điện tử mà chất oxi hóa nhận. Vì vậy, khi đã nhân hệ số để hai con số này bằng nhau, cộng hai nửa phản ứng lại thì điện tử ở hai vế triệt tiêu và ta thu được phương trình tổng (overall reaction) đã cân bằng cả nguyên tố lẫn điện tích. Đây chính là cốt lõi của phương pháp nửa phản ứng, trong đó môi trường axit được cân bằng thêm bằng $\mathrm{H_2O}$ và $\mathrm{H^+}$ , còn môi trường bazơ thì dùng thêm $\mathrm{OH^-}$ .

Ý nghĩa của cách tách này vượt xa việc cân bằng phương trình. Trong pin điện hóa, mỗi nửa phản ứng thực sự diễn ra ở một điện cực (electrode) riêng, nên bảng thế khử chuẩn được lập theo từng nửa phản ứng chứ không theo phản ứng tổng. Nhờ đó, người học có thể lắp ghép hai nửa bất kỳ để dự đoán chiều tự diễn biến và tính $E^\circ_{\text{pin}} = E^\circ_{\text{catot}} - E^\circ_{\text{anot}}$ , tức hiệu hai thế khử chuẩn của nửa xảy ra ở catot và nửa xảy ra ở anot.

Ký hiệu

• $\mathrm{Ox} + ne^- \rightarrow \mathrm{Red}$
• $E^\circ$ , $n$

Đơn vịSố electron $n$ tính bằng mol (không thứ nguyên trong phương trình); $E^\circ$ tính bằng vôn (V)

Trực giác: Giống như ghi sổ một vụ chuyển tiền: một bên ghi "chi ra", một bên ghi "thu vào", và hai con số bắt buộc phải khớp nhau.

Công thức

\text{Oxidation: } \htmlClass{fp-0}{A} \rightarrow \htmlClass{fp-1}{A^{n+}} + \htmlClass{fp-2}{ne^-}

Dùng để viết nửa phản ứng oxi hóa, cho thấy electron là sản phẩm

Trong đó

A

Chất khử (reductant) bị oxi hóa

n

Số electron nhường

e^-

Electron

\text{Reduction: } \htmlClass{fp-0}{B^{m+}} + \htmlClass{fp-1}{me^-} \rightarrow \htmlClass{fp-2}{B}

Dùng để viết nửa phản ứng khử, cho thấy electron là chất tham gia

Trong đó

Khái niệm này sinh ra từ đâu

Các nguồn tra cứu được không ghi lại một cá nhân hay mốc năm cụ thể cho sự ra đời của khái niệm; điều chắc chắn là nửa phản ứng hình thành như một cách tách phản ứng oxi hóa – khử (redox reaction) thành hai phần rời để cân bằng phương trình và mô tả những gì xảy ra tại từng điện cực.

Một phương trình oxi hóa – khử đầy đủ thường rất khó cân bằng, vì số nguyên tử và số oxi hóa thay đổi cùng lúc ở nhiều chất. Cách xử lý là tách nó ra: xét riêng chất nhường electron, rồi xét riêng chất nhận electron, cân bằng từng phần một rồi mới ghép lại. Nhu cầu thứ hai đến từ điện hóa. Trong một pin Galvani (galvanic cell), hai quá trình này thực sự diễn ra ở hai nơi tách biệt nhau trong không gian — một ở cực dương (anode), một ở cực âm (cathode) — nên viết chúng thành hai phương trình riêng không phải là mẹo tính toán mà là mô tả đúng hiện thực vật lý.

Hay hiểu sai

Electron được thêm sau cùng, không dùng để cân nguyên tử.

Trong nhánh khử, electron phải nằm ở vế trái cùng với chất bị khử.

Hệ số nhân phải làm số electron của hai nhánh bằng nhau, không phải nhân tùy ý.

Thế điện cực không nhân với hệ số khi ta nhân đôi hay nhân ba một nhánh.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Trong phòng thí nghiệm, dung dịch nitric acid loãng hòa tan đồng kim loại và giải phóng khí

NO

không màu. Nhánh chứa nitrogen của quá trình này đi từ

NO_3^-

thành

NO

, xảy ra trong dung dịch có dư

H^+

(môi trường acid).

aCân bằng nửa phản ứng khử $NO_3^- \rightarrow NO$ trong môi trường acid.
bGiải thích vì sao electron chỉ được thêm vào ở bước cuối cùng chứ không phải ngay từ đầu.

1Bước 1: Cân bằng nguyên tố chính trước, ở đây là nitrogen. Mỗi vế đã có đúng một nguyên tử

N

nên chưa cần đổi hệ số:

NO_3^- \rightarrow NO

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyPhản ứng hóa học · bài “Phản ứng oxi hóa–khử (redox)” — khoá AP Chemistry

Cần trướcsố oxi hóa

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

nửa pin (half-cell)half-cell

Khác nhau ở đâuNửa phản ứng là phương trình hóa học mô tả quá trình nhường hoặc nhận electron. Nửa pin là ngăn vật lý chứa điện cực và dung dịch điện li nơi nửa phản ứng diễn ra.

Hay nhầm khiĐề hỏi về thành phần cấu tạo pin thì cần nửa pin; đề hỏi cân bằng electron hay tính thế điện cực thì cần nửa phản ứng.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 19, 955–956.

B^{m+}

Chất oxi hóa (oxidant) bị khử

m

Số electron nhận

e^-

Electron

\htmlClass{fp-0}{n} = \htmlClass{fp-1}{m} \text{ (electron balance)}

Điều kiện để cộng hai nửa phản ứng thành phương trình oxi hóa-khử hoàn chỉnh: tổng electron nhường bằng tổng electron nhận

Trong đó

n

Tổng số electron nhường trong nửa phản ứng oxi hóa

m

Tổng số electron nhận trong nửa phản ứng khử

Vì sao mang đúng cái tên này?

Chữ "nửa" (half) nói lên đúng thân phận của loại phương trình này: nó chỉ là một nửa câu chuyện. Một nửa phản ứng viết ra vẫn còn thừa hoặc thiếu electron nên không thể tự đứng một mình; phải có nửa còn lại nhận đúng số electron đó thì mới thành một phản ứng hoàn chỉnh. Tên gọi thứ hai, "phản ứng nửa pin" (half-cell reaction), đến từ chỗ khác: trong pin điện hóa, mỗi quá trình thật sự chiếm cứ một nửa của pin, và ranh giới giữa hai nửa ấy là ranh giới vật lý chứ không chỉ là ranh giới trên giấy.

Mẹo phòng thi

Viết bốn bước cân bằng ra nháp trước khi động vào con số.

Kiểm tra lại cả số nguyên tử lẫn tổng điện tích trước khi khoanh đáp án.

Với bài pin điện, xác định điện cực oxi hóa (anode) và điện cực khử (cathode) trước khi tính toán.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Cân bằng oxygen bằng cách thêm

H_2O

vào vế thiếu. Vế trái có 3 nguyên tử

O

, vế phải mới có 1, nên thêm 2 phân tử nước bên phải:

NO_3^- \rightarrow NO + 2H_2O

3Bước 3: Cân bằng hydrogen bằng

H^+

— đây là lý do đề phải nói rõ "môi trường acid". Vế phải đang có 4 nguyên tử

H

, nên thêm

4H^+

vào vế trái:

4H^+ + NO_3^- \rightarrow NO + 2H_2O

. Lúc này mọi nguyên tố đã cân bằng.

4Bước 4: Cân bằng điện tích bằng electron. Vế trái có tổng điện tích

4(+1) + (-1) = +3

, vế phải trung hòa (

0

). Muốn hai vế bằng nhau phải thêm

3e^-

vào vế trái:

3e^- + 4H^+ + NO_3^- \rightarrow NO + 2H_2O

. Kiểm tra lại:

+3 - 3 = 0

, khớp với vế phải.

5Bước 5: Đối chiếu với số oxi hóa (oxidation number) để chắc chắn không nhầm: nitrogen đi từ

+5

trong

NO_3^-

xuống

+2

trong

NO

, tức nhận đúng 3 electron. Con số này trùng với hệ số vừa tìm được bằng cách cân bằng điện tích, nên kết quả đáng tin.

6Bước 6: Trả lời ý (b). Electron không phải là một nguyên tố cần cân bằng về khối lượng mà là công cụ để cân bằng điện tích, nên chỉ khi đã cố định xong toàn bộ hệ số của

H^+

và

H_2O

thì tổng điện tích hai vế mới là con số cuối cùng. Nếu thêm electron ngay từ đầu, mỗi lần bổ sung

H^+

ở bước sau lại làm lệch điện tích và ta phải sửa lại số electron. Do đó thứ tự chuẩn luôn là: nguyên tố chính, rồi

O

, rồi

H

, cuối cùng mới đến điện tích.

Nửa phản ứng khử cân bằng trong môi trường acid là $3e^- + 4H^+ + NO_3^- \rightarrow NO + 2H_2O$ : mỗi ion nitrate nhận 3 electron và tiêu thụ 4 ion $H^+$ để tạo một phân tử $NO$ cùng hai phân tử nước. Electron được đặt ở vế trái vì đây là nhánh khử, và nó chỉ xuất hiện ở bước cuối vì trước đó tổng điện tích hai vế còn thay đổi theo từng lần thêm $H^+$ .

2Ví dụ 2/2

Chuẩn độ oxalate bằng dung dịch

KMnO_4

trong môi trường acid được mô tả bằng hai nửa phản ứng đã cân bằng riêng: nhánh oxi hóa

C_2O_4^{2-} \rightarrow 2CO_2 + 2e^-

nhường

2e^-

, còn nhánh khử

MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O

nhận

5e^-

aPhải nhân mỗi nhánh với hệ số nào để electron triệt tiêu hết khi cộng hai nhánh?
bViết phương trình ion tổng cộng đã cân bằng và kiểm tra lại bằng điện tích.

1Bước 1: Số electron nhường phải bằng đúng số electron nhận, nên ta tìm bội chung nhỏ nhất (least common multiple) của 2 và 5. Vì

\text{lcm}(2,5) = 10

, cả hai nhánh đều phải được đưa về mức

10e^-

2Bước 2: Chia

10

cho số electron của từng nhánh để ra hệ số nhân: nhánh oxi hóa nhân

10/2 = 5

, nhánh khử nhân

10/5 = 2

. Đây chính là đáp án của ý (a).

3Bước 3: Nhân toàn bộ từng nhánh, kể cả

H^+

và

H_2O

, chứ không chỉ nhân riêng electron:

5C_2O_4^{2-} \rightarrow 10CO_2 + 10e^-

và

2MnO_4^- + 16H^+ + 10e^- \rightarrow 2Mn^{2+} + 8H_2O

4Bước 4: Cộng hai nhánh và gạch

10e^-

ở hai vế vì chúng xuất hiện với số lượng bằng nhau:

5C_2O_4^{2-} + 2MnO_4^- + 16H^+ \rightarrow 10CO_2 + 2Mn^{2+} + 8H_2O

Phương trình tổng không được còn electron nào; nếu còn thì hệ số nhân đã sai.

5Bước 5: Kiểm tra khối lượng. Carbon:

5 \times 2 = 10

bên trái,

10

bên phải. Manganese:

2

và

2

. Hydrogen:

16

và

8 \times 2 = 16

. Oxygen:

5 \times 4 + 2 \times 4 = 28

bên trái,

10 \times 2 + 8 = 28

bên phải. Tất cả đều khớp.

6Bước 6: Kiểm tra điện tích, bước mà thí sinh hay bỏ qua. Vế trái:

5(-2) + 2(-1) + 16(+1) = -10 - 2 + 16 = +4

; vế phải:

2(+2) = +4

. Hai vế bằng nhau nên phương trình đã cân bằng trọn vẹn, và

MnO_4^-

đóng vai trò chất oxi hóa (oxidizing agent).

Nhánh oxi hóa được nhân với 5, nhánh khử được nhân với 2, đưa cả hai về cùng $10e^-$ để electron triệt tiêu khi cộng. Phương trình ion tổng cộng là $5C_2O_4^{2-} + 2MnO_4^- + 16H^+ \rightarrow 10CO_2 + 2Mn^{2+} + 8H_2O$ , cân bằng cả về số nguyên tử lẫn điện tích ( $+4$ ở mỗi vế). Nói theo ngôn ngữ chuẩn độ: cứ 2 mol $MnO_4^-$ phản ứng vừa đủ với 5 mol oxalate, tỉ lệ mà bài toán tính nồng độ sẽ dùng đến.

phương pháp ion-electron (sắp có)

Liên quanphản ứng oxi hóa–khửnửa pin (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.