Bài 15. Phản ứng oxi hoá - khử

Số oxi hoá là điện tích quy ước của nguyên tử trong phân tử khi coi tất cả các electron liên kết đều chuyển hoàn toàn về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Số oxi hoá được viết ở dạng số đại số, dấu viết trước, số viết sau.

Hai nguyên tử $\mathrm{H}$ giống nhau nên cặp electron liên kết không lệch về nguyên tử nào. Do vậy, mỗi nguyên tử $\mathrm{H}$ đều trung hoà điện, có điện tích bằng 0 và số oxi hoá là 0.
$$\begin{gathered} 0 \\ \mathrm{H}{\phantom{X}}_2 \end{gathered}$$

Số oxi hoá thường được dùng để lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá - khử.

Thông thường, số oxi hoá của nguyên tử được xác định trực tiếp từ công thức phân tử theo các quy tắc sau:

Trong đơn chất, số oxi hoá của nguyên tử bằng 0.
Ví dụ:
$$\begin{gathered} 0 \\ \mathrm{C} \end{gathered}$$ $$\begin{gathered} 0 \\ \mathrm{N}\mathrm{a} \end{gathered}$$ $$\begin{gathered} 0 \\ \mathrm{H}{\phantom{X}}_2 \end{gathered}$$ $$\begin{gathered} 0 \\ \mathrm{O}{\phantom{X}}_2 \end{gathered}$$

Trong phân tử các hợp chất, thông thường số oxi hoá của hydrogen là +1, của oxygen là -2, các kim loại điển hình có số oxi hoá dương bằng số electron hoá trị.

Số oxi hoá thường gặp của một số nguyên tử trong hợp chất
| Nguyên tử | Hydrogen | Oxygen | Kim loại kiềm (nhóm IA) | Kim loại kiềm thổ (nhóm IIA) | Aluminium |
|---|---|---|---|---|---|
| Số oxi hoá | +1 | -2 | +1 | +2 | +3 |

Trong hợp chất, tổng số oxi hoá của các nguyên tử trong phân tử bằng 0.
Ví dụ: $$\begin{gathered} +3-2 \\ \mathrm{A}\mathrm{l}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}{\phantom{X}}_3 \end{gathered}$$
Tổng số oxi hoá $=(+3)\cdot 2+(-2)\cdot 3=0$.

Trong ion đơn nguyên tử, số oxi hoá của nguyên tử bằng điện tích ion; trong ion đa nguyên tử, tổng số oxi hoá của các nguyên tử bằng điện tích ion.
Ví dụ: $$\begin{gathered} [-3+1 \\ \mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{X}}_4]{\phantom{X}}^{+} \end{gathered}$$
Tổng số oxi hoá $=(-3)+(+1)\cdot 4=+1$.

Sử dụng các quy tắc này có thể xác định số oxi hoá của một nguyên tử trong hợp chất khi biết số oxi hoá của các nguyên tử còn lại.
Ví dụ: Xác định số oxi hoá của nguyên tử $\mathrm{C}$ trong phân tử $\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3$.
Dựa vào Bảng 15.1, biết được số oxi hoá của $\mathrm{C}\mathrm{a}$ là +2 và $\mathrm{O}$ là –2.
$$\begin{gathered} +2\mathrm{x}-2 \\ \mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3 \end{gathered}$$
Phân tử $\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3$ trung hoà điện nên tổng số oxi hoá của các nguyên tử bằng 0:
$(+2)+x+(-2)\cdot 3=0$ nên $x=+4$.

Chất khử là chất nhường electron, chất oxi hoá là chất nhận electron.

Quá trình oxi hoá là quá trình chất khử nhường electron, quá trình khử là quá trình chất oxi hoá nhận electron.

Phản ứng oxi hoá - khử là phản ứng hoá học xảy ra đồng thời quá trình nhường và quá trình nhận electron.

Dấu hiệu để nhận biết phản ứng oxi hoá - khử là có sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tử.

Phương pháp thăng bằng electron được dùng để lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử theo nguyên tắc:
Tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận.

Bước 4. Đặt hệ số của chất oxi hoá và chất khử vào sơ đồ phản ứng, từ đó tính ra hệ số của các chất khác có mặt trong phương trình hoá học. Kiểm tra sự cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố ở hai vế.
$4\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3+5\mathrm{O}{\phantom{X}}_2\stackrel{}{\to }4\mathrm{N}\mathrm{O}+6\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$

Phản ứng cháy là phản ứng oxi hoá – khử xảy ra ở nhiệt độ cao giữa chất cháy và chất oxi hoá.

Trong phản ứng cháy, chất cháy thường là nhiên liệu (than đá, khí thiên nhiên, xăng, dầu,...), còn chất oxi hoá thường là oxygen. Sự cháy kèm theo sự toả nhiệt và phát sáng, tạo ra nhiệt lượng đủ để duy trì sự cháy.

Sau một thời gian sử dụng, nhiều thiết bị, máy móc, vật dụng bằng kim loại thường bị han gỉ do sự oxi hoá của oxygen trong không khí. Đặc biệt, nước ta có khí hậu nhiệt đới, độ ẩm cao nên sự han gỉ kim loại xảy ra rất phổ biến.

Trong công nghiệp, phần lớn các phản ứng hoá học xảy ra trong các quy trình sản xuất là phản ứng oxi hoá - khử. Ví dụ: Sulfuric acid là hoá chất quan trọng trong công nghiệp, được sản xuất chủ yếu từ sulfur hoặc quặng pyrite.

Sơ đồ phản ứng:
$\mathrm{S}\stackrel{+\mathrm{O}{\phantom{X}}_2,\mathrm{t}{\phantom{X}}^0}{\to }\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2\stackrel{+\mathrm{O}{\phantom{X}}_2,\mathrm{x}\mathrm{t},\mathrm{t}{\phantom{X}}^0}{\to }\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3\stackrel{+\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}}{\to }\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4$
$\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}{\phantom{X}}_2\stackrel{+\mathrm{O}{\phantom{X}}_2,\mathrm{t}{\phantom{X}}^0}{\to }\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$

Trong tự nhiên cũng xảy ra rất nhiều quá trình kèm theo phản ứng oxi hoá - khử.
Ví dụ:

Đây là hiện tượng cây lúa phát triển nhanh khi có những cơn mưa rào đầu tiên kèm theo sấm sét vào khoảng cuối mùa xuân.

Tia sét tạo ra tia lửa điện, là điều kiện cho nitrogen phản ứng với oxygen:
$\mathrm{N}{\phantom{X}}_2+\mathrm{O}{\phantom{X}}_2\stackrel{\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{l}\text{ử}\mathrm{a}\text{đ}\mathrm{i}\text{ệ}\mathrm{n}}{\to }2\mathrm{N}\mathrm{O}$
Khí $\mathrm{N}\mathrm{O}$ sinh ra nhanh chóng chuyển hoá thành $\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$ sau đó tiếp tục bị oxi hoá thành $\mathrm{H}\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3$:
$2\mathrm{N}\mathrm{O}+\mathrm{O}{\phantom{X}}_2\stackrel{}{\to }2\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$
$4\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2+\mathrm{O}{\phantom{X}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}\stackrel{}{\to }4\mathrm{H}\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3$
Nitric acid tan vào nước mưa và chuyển hoá thành gốc nitrate $(\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3{\phantom{X}}^{-}),$ cung cấp chất đạm cho cây lúa. Nhờ quá trình trên, hằng năm một lượng lớn phân đạm tự nhiên được bổ sung cho đất.

Trong thực tế, dung dịch thuốc tím $(\mathrm{K}\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4)$ được sử dụng phổ biến như một tác nhân oxi hoá mạnh để xác định hàm lượng các chất khử như iron(II), hydrogen peroxide, oxalic acid,...