Phản ứng oxi hóa khử (Redox reaction/Oxidation-reduction reaction)

Khái niệm cơ bản:

• Oxi hóa: Quá trình một chất mất electron. Số oxi hóa của chất bị oxi hóa tăng.
• Khử: Quá trình một chất nhận electron. Số oxi hóa của chất bị khử giảm.
• Chất oxi hóa: Chất nhận electron và bị khử. Nó gây ra sự oxi hóa cho chất khác. (Còn được gọi là chất oxy hóa)
• Chất khử: Chất cho electron và bị oxi hóa. Nó gây ra sự khử cho chất khác. (Còn được gọi là chất khử)

Số Oxi hóa

Số oxi hóa là một con số được gán cho một nguyên tố trong một hợp chất hoặc ion để thể hiện điện tích giả định của nguyên tố đó nếu tất cả các liên kết trong phân tử là liên kết ion. Nó giúp xác định chất nào bị oxi hóa và chất nào bị khử trong một phản ứng.

Quy tắc xác định số oxi hóa:

• Số oxi hóa của nguyên tố ở dạng đơn chất bằng 0. Ví dụ: $O_2$, $Fe$, $Cl_2$.
• Số oxi hóa của ion đơn nguyên tử bằng điện tích của ion đó. Ví dụ: $Na^+$ (+1), $Cl^-$ (-1), $Mg^{2+}$ (+2).
• Tổng số oxi hóa của các nguyên tố trong một phân tử trung hòa bằng 0.
• Tổng số oxi hóa của các nguyên tố trong một ion đa nguyên tử bằng điện tích của ion đó.
• Trong hầu hết các hợp chất, số oxi hóa của oxi là -2 (ngoại trừ peroxide như $H_2O_2$ là -1 và superoxide là -1/2).
• Trong hầu hết các hợp chất, số oxi hóa của hidro là +1 (ngoại trừ hydrua kim loại như $NaH$ là -1).
• Kim loại kiềm (nhóm IA) luôn có số oxi hóa +1 trong hợp chất.
• Kim loại kiềm thổ (nhóm IIA) luôn có số oxi hóa +2 trong hợp chất.

Ví dụ

Phản ứng giữa Magie ($Mg$) và Oxy ($O_2$) tạo thành Magie oxit ($MgO$):

$2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO$

• $Mg$: Số oxi hóa thay đổi từ 0 lên +2 (mất electron, bị oxi hóa, là chất khử).
• $O_2$: Số oxi hóa thay đổi từ 0 xuống -2 (nhận electron, bị khử, là chất oxi hóa).

Ứng dụng

Phản ứng oxi hóa – khử đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình, bao gồm:

• Hô hấp tế bào: Quá trình sinh năng lượng trong cơ thể sống.
• Quang hợp: Quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học ở thực vật.
• Ăn mòn kim loại: Quá trình kim loại bị oxi hóa bởi môi trường.
• Pin và ắc quy: Sử dụng phản ứng redox để tạo ra dòng điện.
• Sản xuất kim loại: Chiết tách kim loại từ quặng.
• Khử trùng và tẩy trắng: Sử dụng chất oxi hóa mạnh để tiêu diệt vi khuẩn và làm trắng.

Cân bằng Phản ứng Oxi hóa – Khử

Cân bằng phản ứng oxi hóa – khử đảm bảo bảo toàn cả khối lượng (số nguyên tử mỗi nguyên tố) và điện tích. Có hai phương pháp phổ biến:

• Phương pháp số oxi hóa:

1. Xác định số oxi hóa của tất cả các nguyên tố trong phản ứng.
2. Xác định nguyên tố nào bị oxi hóa và nguyên tố nào bị khử.
3. Viết hai bán phản ứng, một cho quá trình oxi hóa và một cho quá trình khử.
4. Cân bằng số nguyên tử của nguyên tố bị oxi hóa/khử ở hai vế của mỗi bán phản ứng.
5. Cân bằng điện tích bằng cách thêm electron ($e^-$).
6. Nhân mỗi bán phản ứng với một hệ số thích hợp để số electron cho bằng số electron nhận.
7. Cộng hai bán phản ứng lại với nhau, triệt tiêu các electron và rút gọn nếu cần.
8. Cân bằng các nguyên tố còn lại (thường là oxy và hydro) bằng cách thêm $H_2O$ vào môi trường axit hoặc $OH^-$ vào môi trường bazơ.

• Phương pháp bán phản ứng (ion-electron):

1. Viết phương trình ion rút gọn của phản ứng.
2. Tách thành hai bán phản ứng: oxi hóa và khử.
3. Cân bằng nguyên tử của mỗi nguyên tố (trừ H và O) trong mỗi bán phản ứng.
4. Cân bằng oxy bằng cách thêm $H_2O$.
5. Cân bằng hydro bằng cách thêm $H^+$ (trong môi trường axit) hoặc $OH^-$ (trong môi trường bazơ).
6. Cân bằng điện tích bằng cách thêm electron.
7. Nhân mỗi bán phản ứng với hệ số thích hợp để số electron cho bằng số electron nhận.
8. Cộng hai bán phản ứng, triệt tiêu các electron và rút gọn.
9. Nếu cần, chuyển phương trình ion rút gọn về dạng phân tử bằng cách thêm các ion đã loại bỏ ban đầu.

Ví dụ cân bằng phương pháp số oxi hóa:

$Fe^{2+} + MnO_4^- \rightarrow Fe^{3+} + Mn^{2+}$ (môi trường axit)

• $Fe^{2+}$: +2 $\rightarrow$ $Fe^{3+}$: +3 (oxi hóa)
• $MnO_4^-$: Mn +7 $\rightarrow$ $Mn^{2+}$: +2 (khử)

Bán phản ứng oxi hóa: $Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + e^-$

Bán phản ứng khử: $MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O$

Nhân bán phản ứng oxi hóa với 5: $5Fe^{2+} \rightarrow 5Fe^{3+} + 5e^-$

Cộng hai bán phản ứng: $5Fe^{2+} + MnO_4^- + 8H^+ \rightarrow 5Fe^{3+} + Mn^{2+} + 4H_2O$

Các Loại Phản ứng Oxi hóa – Khử

Một số loại phản ứng oxi hóa – khử thường gặp:

• Phản ứng hóa hợp: Hai hay nhiều chất đơn giản kết hợp tạo thành một chất phức tạp. Ví dụ: $2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO$
• Phản ứng phân hủy: Một chất phức tạp bị phân hủy thành hai hay nhiều chất đơn giản hơn. Ví dụ: $2KClO_3 \rightarrow 2KCl + 3O_2$
• Phản ứng thế: Một nguyên tố thay thế nguyên tố khác trong hợp chất. Ví dụ: $Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu$
• Phản ứng đốt cháy: Phản ứng giữa một chất với oxi, thường tạo ra nhiệt và ánh sáng. Ví dụ: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$
• Phản ứng disproportionation (tự oxi hóa – khử): Một nguyên tố vừa bị oxi hóa vừa bị khử trong cùng một phản ứng. Ví dụ: $Cl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O$

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry. Pearson Education Limited.
• Chang, R. (2010). Chemistry. McGraw-Hill.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt phản ứng oxi hóa – khử với các loại phản ứng hóa học khác?

Trả lời: Điểm khác biệt chính nằm ở sự thay đổi số oxi hóa. Trong phản ứng oxi hóa – khử, luôn có ít nhất một nguyên tố thay đổi số oxi hóa của nó. Các phản ứng không có sự thay đổi số oxi hóa, ví dụ như phản ứng trao đổi ion (ví dụ: $NaCl + AgNO_3 \rightarrow NaNO_3 + AgCl$), không phải là phản ứng oxi hóa – khử.

Vai trò của môi trường (axit, bazơ, trung tính) trong phản ứng oxi hóa – khử là gì?

Trả lời: Môi trường ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng và cách chúng ta cân bằng phương trình. Trong môi trường axit, ta sử dụng $H^+$ và $H_2O$ để cân bằng, trong môi trường bazơ ta sử dụng $OH^-$ và $H_2O$, còn trong môi trường trung tính, ta có thể sử dụng cả $H^+$ và $OH^-$ hoặc chỉ $H_2O$.

Tại sao việc cân bằng phản ứng oxi hóa – khử lại quan trọng?

Trả lời: Cân bằng phản ứng đảm bảo định luật bảo toàn khối lượng và định luật bảo toàn điện tích được tuân thủ. Nó cung cấp tỉ lệ chính xác giữa các chất tham gia và sản phẩm, điều này rất quan trọng trong các tính toán định lượng và trong việc hiểu cơ chế phản ứng.

Ngoài phương pháp số oxi hóa và phương pháp bán phản ứng, còn phương pháp nào khác để cân bằng phản ứng oxi hóa – khử không?

Trả lời: Có một số phương pháp khác, tuy ít phổ biến hơn, chẳng hạn như phương pháp đại số. Tuy nhiên, phương pháp số oxi hóa và phương pháp bán phản ứng thường được sử dụng rộng rãi hơn do tính trực quan và dễ áp dụng.

Ứng dụng của phản ứng oxi hóa – khử trong công nghiệp là gì?

Trả lời: Phản ứng oxi hóa – khử có vô số ứng dụng trong công nghiệp, bao gồm sản xuất kim loại (luyện kim), sản xuất hóa chất, pin và ắc quy, xử lý nước thải, tẩy trắng, và nhiều quá trình khác. Ví dụ, quá trình sản xuất nhôm từ quặng bauxite liên quan đến việc khử $Al_2O_3$ thành $Al$ bằng điện phân.