Đang tải bài học…

AP Chemistry

phản ứng oxi hóa–khử

redox reaction

Còn gọi: redox · phản ứng redox · oxidation-reduction reaction

Phản ứng oxi hóa–khử là quá trình hóa học trong đó các electron được chuyển dịch giữa các chất, làm thay đổi số oxi hóa của chúng.

Phản ứng oxi hóa–khử là loại phản ứng hóa học trong đó xảy ra sự chuyển dịch êlectron (electron) giữa các chất tham gia. Khi một chất nhường êlectron, số oxi hóa của nó tăng lên và ta nói chất đó bị oxi hóa; ngược lại, chất nhận êlectron sẽ có số oxi hóa giảm và bị khử. Do đó, quá trình oxi hóa và quá trình khử luôn diễn ra đồng thời, không thể tách rời nhau.

Để nhận diện loại phản ứng này, ta so sánh số oxi hóa của mỗi nguyên tố trước và sau phản ứng. Chất nhường êlectron được gọi là chất khử, còn chất nhận êlectron là chất oxi hóa. Nhờ đó, ta có thể tách phản ứng thành hai nửa: nửa oxi hóa và nửa khử, gọi là các bán phản ứng. Ví dụ, trong phản ứng giữa kẽm và ion đồng, ta viết: $\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-$ Phương trình này cho thấy mỗi nguyên tử (atom) kẽm nhường đi hai êlectron để trở thành ion kẽm.

Hệ quả quan trọng nhất của việc chuyển dịch êlectron là dòng êlectron có thể di chuyển qua mạch ngoài, tạo ra dòng điện. Vì vậy, pin galvani (galvanic cell) khai thác các phản ứng tự diễn biến để sinh ra điện năng, trong khi bình điện phân (electrolytic cell) lại dùng dòng điện để ép các phản ứng không tự diễn biến xảy ra. Tuy nhiên, dù theo chiều nào thì tổng số êlectron mà chất khử nhường cũng phải đúng bằng tổng số êlectron mà chất oxi hóa nhận.

Ký hiệu

• $e^-$ : electron
• $\text{O.S.}$ : oxidation state

Trực giác: Hãy tưởng tượng một cuộc giao dịch: người này cho đi tiền thì người kia phải nhận lấy, và trong phản ứng oxi hóa–khử, đồng tiền được trao đổi chính là các electron.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{\text{Red}} \rightarrow \htmlClass{fp-1}{\text{Ox}} + \htmlClass{fp-2}{n\,e^-}

Dùng để viết bán phản ứng oxi hóa (oxidation half-reaction), cho biết chất khử nhường bao nhiêu electron

Trong đó

\text{Red}

dạng khử (reduced form) — chất có số oxi hóa thấp hơn

\text{Ox}

dạng oxi hóa (oxidized form) — chất có số oxi hóa cao hơn

n

số electron nhường trên mỗi công thức chất

e^-

electron

\htmlClass{fp-0}{\text{Ox}} + \htmlClass{fp-1}{n\,e^-} \rightarrow \htmlClass{fp-2}{\text{Red}}

Khái niệm này sinh ra từ đâu

cuối thế kỷ 18 (tên gọi "redox": 1928)Antoine-Laurent LavoisierJoseph PriestleyG.E. StahlLouis-Bernard Guyton de MorveauLeonor Michaelis

Hay hiểu sai

Có phương trình đổi chỗ ion không có nghĩa là có phản ứng oxi hóa–khử.

Chất bị oxi hóa và chất oxi hóa là hai vai trò ngược nhau.

Oxi không phải lúc nào cũng có số oxi hóa $-2$ .

"Khử" là giảm số oxi hóa, dù khối lượng hay số nguyên tử có tăng.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh nghiên cứu phản ứng giữa dung dịch

\text{H}_2\text{O}_2

và dung dịch NaOCl, được biểu diễn bằng phương trình ion rút gọn sau:

\text{H}_2\text{O}_2(aq) + \text{OCl}^-(aq) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(l) + \text{Cl}^-(aq) + \text{O}_2(g)

Học sinh trộn 25,0 mL dung dịch

\text{H}_2\text{O}_2

0,100 M với lượng dư NaOCl và phản ứng xảy ra hoàn toàn.

aPhản ứng trên có phải là phản ứng oxi hóa–khử hay không? Dùng số oxi hóa để giải thích.
bChỉ ra chất bị oxi hóa, chất bị khử, và cho biết chất nào đóng vai trò chất oxi hóa, chất nào là chất khử.
cTính số mol electron đã được chuyển và số mol $\text{O}_2$ sinh ra.

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

phản ứng trung hòa (neutralization reactions)neutralization reactions

Khác nhau ở đâuPhản ứng oxi hóa–khử dựa trên sự chuyển dịch electron giữa các chất tham gia. Phản ứng trung hòa dựa trên sự chuyển dịch proton từ acid sang base.

Hay nhầm khiĐề cho phương trình có chất cho và chất nhận, học sinh vội kết luận là trung hòa mà không kiểm tra xem tác nhân cho nhận là electron hay proton.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 20, 28, 195.

Dùng để viết bán phản ứng khử (reduction half-reaction), cho biết chất oxi hóa nhận bao nhiêu electron

Trong đó

\text{Ox}

dạng oxi hóa (oxidized form) — chất có số oxi hóa cao hơn

n

số electron nhận trên mỗi công thức chất

e^-

electron

\text{Red}

dạng khử (reduced form) — chất có số oxi hóa thấp hơn

Khái niệm hình thành cuối thế kỷ 18 từ công trình của Joseph Priestley và Antoine-Laurent Lavoisier khi hai ông lật đổ thuyết nhiên tố để giải thích sự cháy; tên gọi "redox" chỉ xuất hiện năm 1928 trong một bài báo của Leonor Michaelis và Louis B. Flexner.

Sự cháy là phản ứng đầu tiên thuộc loại này được con người chú ý, đến mức Empedocles từng xếp lửa ngang hàng với đất, nước và không khí như một nguyên tố. Suốt thế kỷ 18, giới hóa học giải thích hiện tượng bằng thuyết nhiên tố mà G.E. Stahl phát biểu năm 1697, theo đó vật chất khi cháy giải phóng một thành phần gọi là nhiên tố. Khi Priestley phát hiện oxygen năm 1774, Lavoisier nhận ra đây chính là chìa khóa để giải thích việc kim loại và lưu huỳnh nặng thêm sau khi cháy. Trong Traité élémentaire de chimie, ông khẳng định sự cháy là sự kết hợp hóa học giữa oxygen trong khí quyển với chất cháy được.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe khó hiểu vì nó là một từ ghép lai: "redox" ghép từ reduction (sự khử) và oxidation (sự oxi hóa), lần đầu xuất hiện trong bài báo năm 1928 của Michaelis và Flexner, còn cụm "redox reaction" thì được ghi nhận từ năm 1936. Phần "ox" trong đó chính là dấu vết của oxygen: từ oxidation do các nhà hóa học Pháp đặt ra năm 1787, sang tiếng Anh năm 1791, và ban đầu chỉ có nghĩa hẹp là "kết hợp với oxygen" đúng theo cách Lavoisier hiểu sự cháy. Vì vậy tên gọi vẫn giữ chữ "ox" dù về sau, nhờ dòng nghiên cứu điện hóa khởi đi từ "điện động vật" của Galvani và chiếc pin Volta (voltaic cell) đầu tiên, người ta hiểu bản chất phản ứng là sự chuyển electron chứ không nhất thiết phải có mặt oxygen. Do đó một phản ứng oxi hóa–khử ngày nay có thể chẳng chứa nguyên tử oxygen nào, nhưng cái tên lịch sử thì ở lại.

Mẹo phòng thi

Muốn được điểm câu "is this a redox reaction?", phải viết ra số oxi hóa cụ thể.

Khi cân bằng nửa phản ứng (half-reaction), làm đúng thứ tự: nguyên tố chính, rồi O, rồi H, rồi điện tích.

Kiểm tra lại cả khối lượng lẫn điện tích trước khi nộp bài.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trước hết phải gán số oxi hóa (oxidation number) cho mọi nguyên tố ở cả hai vế, vì đó là công cụ duy nhất để nhận ra electron có thực sự đổi chủ hay không. Trong

\text{H}_2\text{O}_2

, hiđro là

+1

nên mỗi oxi là

-1

(đây là ngoại lệ quen thuộc của peoxit, không phải

-2

). Trong

\text{OCl}^-

, oxi giữ giá trị thường gặp

-2

, do tổng số oxi hóa phải bằng

-1

nên clo là

+1

2Bước 2: Làm tương tự với vế sản phẩm: trong

\text{H}_2\text{O}

oxi là

-2

, trong ion

\text{Cl}^-

clo là

-1

, còn trong đơn chất

\text{O}_2

oxi bằng

0

. So sánh hai vế, ta thấy oxi của

\text{H}_2\text{O}_2

đi từ

-1

lên

0

, còn clo đi từ

+1

xuống

-1

. Vì có ít nhất một nguyên tố đổi số oxi hóa nên câu trả lời cho ý (a) là có: đây đúng là phản ứng oxi hóa–khử.

3Bước 3: Cần cẩn thận rằng không phải mọi nguyên tử oxi đều thay đổi. Nguyên tử oxi trong

\text{OCl}^-

mang

-2

và đi vào

\text{H}_2\text{O}

cũng mang

-2

, tức là nó đứng yên; chỉ hai nguyên tử oxi xuất phát từ peoxit mới bị oxi hóa thành

\text{O}_2

. Do đó

\text{H}_2\text{O}_2

là chất bị oxi hóa, đồng thời đóng vai trò chất khử (reducing agent), còn

\text{OCl}^-

bị khử và là chất oxi hóa (oxidizing agent).

4Bước 4: Đếm electron qua hai nửa phản ứng (half-reaction): mỗi phân tử

\text{H}_2\text{O}_2

có hai nguyên tử oxi, mỗi nguyên tử nhường

1

electron, nên mất tổng cộng

2\ e^-

; ngược lại clo nhận

2\ e^-

khi đi từ

+1

về

-1

. Hai con số khớp nhau, giải thích vì sao hệ số của

\text{H}_2\text{O}_2

và

\text{OCl}^-

đều bằng 1 trong phương trình đã cho.

5Bước 5: Tính lượng chất cho ý (c):

n_{\text{H}_2\text{O}_2} = (0{,}0250\ \text{L})(0{,}100\ \text{M}) = 2{,}50\times10^{-3}

mol. Theo tỉ lệ

1:2

giữa

\text{H}_2\text{O}_2

và electron,

n_{e^-} = 2\times(2{,}50\times10^{-3}) = 5{,}00\times10^{-3}

mol. Theo tỉ lệ

1:1

giữa

\text{H}_2\text{O}_2

và

\text{O}_2

, ta được

n_{\text{O}_2} = 2{,}50\times10^{-3}

mol.

Phản ứng là oxi hóa–khử vì oxi trong $\text{H}_2\text{O}_2$ tăng từ $-1$ lên $0$ còn clo trong $\text{OCl}^-$ giảm từ $+1$ xuống $-1$ . $\text{H}_2\text{O}_2$ bị oxi hóa nên là chất khử, $\text{OCl}^-$ bị khử nên là chất oxi hóa. Với $2{,}50\times10^{-3}$ mol $\text{H}_2\text{O}_2$ phản ứng hết, có $5{,}00\times10^{-3}$ mol electron được chuyển và $2{,}50\times10^{-3}$ mol $\text{O}_2$ thoát ra.

2Ví dụ 2/2

Khí HCl có thể được điều chế bằng phản ứng giữa dung dịch

\text{H}_2\text{SO}_4

đặc và NaCl rắn:

\text{H}_2\text{SO}_4(aq) + 2\ \text{NaCl}(s) \rightarrow 2\ \text{HCl}(g) + \text{Na}_2\text{SO}_4(aq)

Một học sinh khẳng định rằng đây là một phản ứng oxi hóa–khử vì clo chuyển từ hợp chất ion sang hợp chất cộng hóa trị.

aNhận xét khẳng định của học sinh đó, có dẫn chứng bằng số oxi hóa.
bCho phản ứng $\text{MnO}_2(s) + 2\ \text{Cl}^-(aq) + 4\ \text{H}^+(aq) \rightarrow \text{Mn}^{2+}(aq) + \text{Cl}_2(g) + 2\ \text{H}_2\text{O}(l)$ . Chứng minh đây là phản ứng oxi hóa–khử và tính số mol electron chuyển khi 0,150 mol $\text{MnO}_2$ phản ứng hết.

1Bước 1: Gán số oxi hóa cho vế trái của phản ứng điều chế HCl. Trong

\text{H}_2\text{SO}_4

: hiđro

+1

, oxi

-2

, suy ra lưu huỳnh là

+6

vì

2(+1) + x + 4(-2) = 0

. Trong NaCl: natri

+1

, clo

-1

2Bước 2: Làm tiếp với vế phải. Trong HCl, hiđro là

+1

và clo vẫn là

-1

do clo có độ âm điện lớn hơn; trong

\text{Na}_2\text{SO}_4

, natri vẫn

+1

, oxi vẫn

-2

và lưu huỳnh vẫn

+6

. Không một nguyên tố nào đổi giá trị, nên khẳng định của học sinh là sai.

3Bước 3: Phải nói rõ vì sao lập luận của học sinh không đủ. Việc liên kết chuyển từ kiểu ion sang kiểu cộng hóa trị chỉ nói lên sự phân bố lại mật độ electron trong liên kết, chứ không phải sự chuyển hẳn electron giữa hai chất; tiêu chí duy nhất của phản ứng oxi hóa–khử là số oxi hóa phải thay đổi. Thực chất đây là phản ứng chuyển proton (axit–bazơ), xảy ra hoàn toàn vì HCl thoát ra khỏi hệ ở dạng khí.

4Bước 4: Sang ý (b), xét phản ứng với

\text{MnO}_2

. Ở vế trái, oxi là

-2

nên mangan trong

\text{MnO}_2

là

+4

, còn clo trong

\text{Cl}^-

là

-1

; ở vế phải, mangan trong

\text{Mn}^{2+}

là

+2

và clo trong đơn chất

\text{Cl}_2

là

0

. Vì vậy mangan bị khử (

+4 \rightarrow +2

, nhận

2\ e^-

) còn clo bị oxi hóa (

-1 \rightarrow 0

, mỗi nguyên tử nhường

1\ e^-

, hai nguyên tử nhường

2\ e^-

), đúng là phản ứng oxi hóa–khử với

\text{MnO}_2

là chất oxi hóa.

5Bước 5: Số electron cho và nhận cân bằng nhau ở mức

2\ e^-

cho mỗi

\text{MnO}_2

, nên

n_{e^-} = (0{,}150\ \text{mol})\times 2 = 0{,}300

mol electron. Nhân tiện, số mol

\text{Cl}_2

sinh ra bằng

0{,}150

mol theo tỉ lệ

1:1

với

\text{MnO}_2

Khẳng định của học sinh không đúng: trong phản ứng giữa $\text{H}_2\text{SO}_4$ và NaCl, số oxi hóa của mọi nguyên tố ( $\text{H} = +1$ , $\text{S} = +6$ , $\text{O} = -2$ , $\text{Na} = +1$ , $\text{Cl} = -1$ ) đều không đổi, nên đó là phản ứng chuyển proton chứ không phải oxi hóa–khử. Ngược lại, phản ứng của $\text{MnO}_2$ với $\text{Cl}^-$ trong môi trường axit là oxi hóa–khử thật sự vì $\text{Mn}$ giảm từ $+4$ xuống $+2$ và $\text{Cl}$ tăng từ $-1$ lên $0$ ; với 0,150 mol $\text{MnO}_2$ phản ứng hết thì có 0,300 mol electron được chuyển.

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