Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành khóa luận với đề tài: “Xây dựng hệ thống bài tập phản
ứng oxi hóa – khử bậc đại học”, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc ơn đến Th.S
Hoàng Quang Bắc người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực
hiện và tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thiện khóa luận.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô Khoa Hóa
Trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi
trong 4 năm học tập tại trường và đã hết sức giúp đỡ tạo điều kiện để khóa
luận hoàn thiện đúng thời hạn.
Và tập thể các bạn sinh viên cùng lớp, gia đình đã động viên giúp đỡ
trong thời gian nghiên cứu để tôi có thể hoàn thiện khóa luận này.
Tôi xin chân thành cám ơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2013
Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Hiền

GVHD. Hoàng Quang Bắc

1

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp


2

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.3.4.1. Giản đồ ..................................................................................... 19
1.3.4.2. Ứng dụng của giản đồ Latimer ................................................ 19
1.3.5. Giản đồ Frost .............................................................................. 21
1.4. Cơ chế phản ứng oxi hóa - khử..................................................... 23
1.4.1. Cơ chế truyền electron – cơ chế cầu nội và cơ chế cầu
ngoại ...................................................................................................... 24
1.4.2. Cơ chế phản ứng chuyển nguyên tử hay nhóm nguyên tử ................ 27
1.4.3. Sự kết hợp 2 cơ chế..................................................................... 27
1.5. Tính cân bằng trong dung dịch phản ứng oxi hóa – khử ............... 29
1.6. Sự tạo thành sản phẩm phản ứng oxi hóa – khử ............................ 30
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BÀI TẬP ĐỊNH TÍNH ................................... 33
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BÀI TẬP ĐỊNH LƯỢNG............................... 49
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 74
PHỤ LỤC HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI ........................................................... 76

GVHD. Hoàng Quang Bắc

3



: Hiện đại hóa

TNKQ

: Trắc nghiệm khách quan

PTPU

: Phương trình phản ứng

PTHH

: Phương trình hóa học

VD

: Ví dụ

CTCT

: Công thức cấu tạo

GVHD. Hoàng Quang Bắc

4

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa



GVHD. Hoàng Quang Bắc

5

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

chưa thể đầy đủ, chưa có tính sáng tạo, nhạy bén và phát triển tư duy được.
Do vậy, trong hoàn cảnh này sự duy trì và phát triển hệ thống câu hỏi là
không thể thiếu để lĩnh hội và tiếp thu tri thức môn học.
Với lý do trên, chúng tôi đã mạnh dạn lựa chọn đề tài: “Xây dựng hệ
thống bài tập phản ứng oxi hóa – khử bậc đại học”.
Với đề tài này, tôi hy vọng sẽ góp phần nâng cao hướng dạy và học tích
cực để phát triển năng lực tư duy, sáng tạo, độc lập của người học.
2. Mục đích nghiên cứu


Hệ thống hóa kiến thức phản ứng oxi hóa – khử bậc đại học.



Hệ thống bài tập tự luận hóa vô cơ bậc đại học về phản ứng oxi

hóa – khử. Xây dựng bài tập định tính, bài tập định lượng.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Mở đầu
1.1.1. Khái niệm, phân loại
1.1.1.1 Khái niệm [3]
Trong chương trình hóa học phổ thông, chúng ta được biết hai loại
phản ứng :
Loại thứ nhất: Bao gồm những phản ứng mà nguyên tố trong chất phản
ứng không thay đổi số oxi hóa như: Phản ứng trao đổi, phản ứng phân hủy, phản
ứng kết hợp…
Loại thứ hai: Bao gồm các phản ứng trong đó các nguyên tố tham gia có sự
thay đổi số oxi hóa. Phản ứng này gọi là phản ứng oxi hóa - khử là một phản ứng
quan trọng.
Để có cơ sở hiểu bản chất của phản ứng oxi hóa – khử trước hết cần có khái
niệm về số oxi hóa.
 Số oxi hóa
+ Số oxi hóa còn gọi là bậc oxi hóa, mức oxi hóa hay trạng thái oxi hóa.
Theo thuyết “điện hóa trị” trong tất cả các hợp chất hóa học chỉ tồn tại
liên kết ion.
+ Số oxi hóa của một nguyên tố trong hợp chất là điện tích của nguyên tử
nguyên tố đó trong phân tử của hợp chất với giả thiết rằng các liên kết trong phân
tử đều là liên kết ion. Như vậy người ta đã gán một cách quy ước cặp electron liên
kết của 2 nguyên tử được chuyển hẳn sang nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.
+ Đối với các hợp chất ion, chứa các ion đơn nguyên tử, số oxi hóa của
các nguyên tố bằng chính điện tích của các ion tương ứng được tạo thành từ
các nguyên tử của chúng.

tổng tương ứng của một ion thì bằng điện tích của nó.
+ Giá trị: Số OXH có thể là số dương, số không, số âm và viết dấu (+),
(-) phía trước chữ số.
 Chất oxi hóa là chất nhận electron hay là chất có số OXH giảm sau
phản ứng.
 Chất khử là chất nhường electron ( mất hoặc cho electron) hay là
chất có số OXH tăng sau phản ứng.
 Quá trình khử ( sự khử): là quá trình nhận electron.
 Quá trình oxi hóa ( sự oxi hóa): là quá trình nhường electron.
 Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học trong đó có sự chuyển
electron giữa các chất phản ứng; hay phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa
học trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tố.
1.1.1.2 Phân loại phản ứng: [17]
a) Loại cơ bản :
Chỉ có một quá trình oxi hoá và một quá trình khử.
Chất khử và chất oxi hoá ở hai chất khác nhau.
Không có sự tham gia của môi trường phản ứng.
GVHD. Hoàng Quang Bắc

8

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp
VD:





16HCl + 2KMnO4

2 KCl + 2MnCl2 +

5 Cl2 +8 H2O

HCl vừa là chất khử vừa đóng vai trò môi trường.
+ Môi trường chính là một chất khác:
6FeSO4 + K2Cr2O7 + 7H2SO4  3Fe2(SO4)3 +Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O
Môi trường là H2SO4
c) Loại phản ứng oxi hoá nội oxi hóa – khử:
Chất oxi hoá và chất khử ở trong cùng một chất. Chúng có thể là các
nguyên tử, ion hay các nguyên tố khác nhau hoặc các nguyên tử hay ion của
cùng một nguyên tố nhưng có vai trò khác nhau trong cùng một chất.
VD:
+ Chất khử và chất oxi hoá ở trong cùng một chất nhưng là các nguyên tố
khác nhau:

2KClO3



2KCl + 3O2

+ Chất khử và chất oxi hoá là cùng một nguyên tố nhưng có vai trò
khác nhau trong chất:

NH4NO3



2N2 + O2 + 4H2O

+ Phản ứng oxi hoá - khử nội phân tử phức tạp.
FeS + 6HNO3



Fe(NO3)3 + H2SO4 + 3NO + 2H2O

Có sự tham gia của môi trường là HNO3
1.1.2. Một số phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử
Có nhiều phương pháp cân bằng phương trình phản ứng oxi hóa khử,
tất cả đều dựa theo nguyên tắc bảo toàn khối lượng và bảo toàn điện tích.
a) Phương pháp thăng bằng electron
Nguyên tắc: Dựa vào sự bảo toàn electron nghĩa là tổng số electron của
chất khử nhường phải bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận.
Các bước cân bằng:
Bước 1: Xác định số oxi hoá của những nguyên tố có số oxi hoá thay đổi.
Bước 2: Viết quá trình oxi hoá và quá trình khử, cân bằng mỗi quá trình.
Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho tổng số electron do chất khử nhường
bằng tổng số electron mà chất oxi hoá nhận.
Hệ số chất khử = BSCNN ( số e nhường, số e nhận) / (số e nhường).
Hệ số chất OXH = BSCNN ( số e nhường, số e nhận) / (số e nhận).
Bước 4: Đặt hệ số của các oxi hoá và chất khử vào sơ đồ phản ứng.
Cân bằng các nguyên tố còn lại: Kim loại → phi kim → O,H…
Hoàn thành phương trình.
GVHD. Hoàng Quang Bắc


 2CrO42-

Vế trái thiếu 5O thêm vế trái 10 OH- để tạo 5H2O ở vế phải , sau đó cân
bằng điện tích bán phản ứng .
Cr2O3 +10 OH-  2CrO42- + 5H2O + 6e
Ngoài ra học sinh cần phải linh hoạt trong các trường hợp ngoại lệ.
3. Nếu phản ứng có H2O tham gia :
+ Sản phẩm phản ứng tạo ra axit, theo nguyên tắc 1.
+ Sản phẩm phản ứng tạo ra bazơ, theo nguyên tắc 2.
MnO4- + 2H2O +3e  MnO2 + 4OHPhạm vi áp dụng: Đối với các quá trình xảy ra trong dung dịch, có sự
tham gia của môi trường ( H2O, dung dịch axit hoặc bazơ tham gia).
c) Phương pháp đại số
Nguyên tắc: Số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế phải bằng nhau.
Các bước cân bằng:
GVHD. Hoàng Quang Bắc

11

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Đặt ẩn số là các hệ số hợp thức. Dùng định luật bảo toàn khối lượng để
cân bằng nguyên tố và lập phương trình đại số.
Chọn nghiệm tùy ý cho 1 ẩn, rồi dùng hệ phương trình đại số để suy ra
các ẩn số còn lại.
Ví dụ: a FeS2 + b O2 → c Fe2O3 + d SO2

e) Phương pháp tăng giảm số oxi hóa
Phương pháp này tương tự phương pháp cân bằng electron, nó dựa trên
sự tăng giảm số oxi hóa và tổng đại số sự tăng giảm số oxi hóa = 0.
NH3 + O2
GVHD. Hoàng Quang Bắc

12

 NO + H2O
SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp
-3

2x N

+2
sè OXH t¨ng



N

+2 –(-3) = 5
0

5x


F = 96500(J/mol.V ) (do 1C= 1J/V)

Khi phản ứng tự diễn biến đã làm phát sinh suất điện động của pin, quá
trình oxi hóa - khử xảy ra ở hai điện cực thì thế của chúng khác nhau. E0phản ứng >0
E0phản ứng= E0OXH - E0K = E0(+) + E0(-) = E0catot - E0anot
Mặt khác ΔG0 của phản ứng có liên quan tới hằng số cân bằng bởi hệ
thức: ΔG0 = - RTlnK
Từ hai phương trình trên, ta được:
- nFE0 = - RTlnK
GVHD. Hoàng Quang Bắc

13

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

E0 =

RT
lnK
nF

T= 298K, R= 8,314J/K.mol
K= 10


nF

(1)

Epu = E0 -

8,314.298
.2,303.lg K
n.96500

Epu = E0 -

0,059
0,059 [Kh]
lgK = E0 lg
(2)
n
[Ox]
n

Trong đó (1) là dạng tổng quát của phương trình Nernst, (2) là dạng cụ
thể của phương trình Nernst mô tả sự phụ thuộc của thế khử của một cặp oxi
GVHD. Hoàng Quang Bắc

14

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

lg
n
[Kh]

VD: Đối với bán phản ứng:
Zn2+ + 2e →
Epu = E0 +

Zn

E0 = -0,76V

0,059
lg[Zn 2+ ]
2

 Tính thế của toàn phản ứng
n1 Ox1 + n2Kh2

GVHD. Hoàng Quang Bắc

15

→

n1Kh1 +n2Ox2

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa



Cu2+ tăng 10 lần so với nồng độ chuẩn, điều gì xảy ra?
Lời giải:
Zn + Cu2+ →
a) E0pin = E0Ox - E0Kh = E0Cu
b)

Epin

2+

Cu

Zn2+ + Cu
-E0Zn

= 0,34-(-0,76) = 1,1V

2+

Zn

0,059 [Zn 2+ ]
=E =
lg
2
[Cu 2+ ]
0
pin

Epin = 1,1- 0,059 lg 1 = (1,1+ 0,059 )

VD: Ag có phản ứng với dung dịch HI 1M không?
Biết E0Ag

= 0,8V, E02H

+

= 0V,TAgCl = 8,3.10-17

+

Ag

H2

Lời giải:
Ở điều kiện chuẩn dựa vào E0Ag

= 0,8V, E02H

+

= 0V thì Ag không

+

H2

Ag



+

Ag

Phản ứng xảy ra theo chiều thuận ( do AgI tạo thành là hợp chất ít tan
làm cho nồng độ ion Ag+ giảm mạnh dẫn đến E của điện cực giảm mạnh và
có giá trị âm).

GVHD. Hoàng Quang Bắc

17

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

c) Ảnh hưởng của sự tạo phức
Sự có mặt của các chất có khả năng tạo phức với một trong các dạng oxi
hóa hay khử đã làm thay đổi nồng độ của chúng do đó thế điện cực thay đổi nên
kéo theo sự thay đổi chiều hướng và mức độ phản ứng oxi hóa – khử.
Nếu cả hai dạng oxi hóa và dạng khử đều có khả năng tạo phức với cùng
một thuốc thử thì nồng độ của chúng sẽ thay đổi khác nhau tùy theo độ bền của
phức tạo thành.
Thông thường dạng oxi hóa có khả năng tạo phức mạnh hơn dạng khử, do
đó sự tạo phức sẽ làm giảm nồng độ của dạng oxi hóa nhiều hơn nồng độ dạng
khử và thế điện cực khi có chất tạo phức thường giảm xuống.




2 

1
1
=
=1,4.10-20 M
19
K b 7.10

=0,8+0,059lg(1,4.10-20 )=0,8-1,17= -0,37V

-

Ag

GVHD. Hoàng Quang Bắc

18

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Vì thế điện cực của nửa phản ứng trên âm hơn thế của điện cực hidro

0
1

0
2

0

n

A1, A2…,An đều chứa cùng một nguyên tố
Số OXH của nó giảm từ A →An
VD: pH = 0
0,56
0,27
0,95
1,5
-1,18
MnO-4 
MnO42- 
MnO3-4 
MnO2 
Mn3+ 
Mn 2+ 

Mn

1.3.4.2. Ứng dụng của giản đồ Latimer
a) Tính thế cặp chưa biết
+n e

n1E10 +n 2 E02
n1 +n 2

Cách xác định E30
A +n1e → A1

ΔG1

A1 + n2e → A3

ΔG2

A + (n1 +n2) → A3

ΔG3

Ta có: ΔG3 = ΔG1 + ΔG2

 -(n1+ n2)FE03 = -n1FE01 -n2FE02
n1E10 +n 2 E02
E =
n1 +n 2
0
3

b) Dự đoán trạng thái oxi hóa bền của nguyên tố
E
E
A 
 A1 

0,56
2,27
0,95
1,5
-1,18
MnO-4 
MnO42- 
MnO2 
Mn3+ 
Mn 2+ 

Mn

1,7V

1,23V

1,7
1,14
1,45
0,54
H5IO6 
 IO3- 
HOI 
I3- 
I-

1,2V
GVHD. Hoàng Quang Bắc


Tương tự MnO2 không được hình thành vì nó có khả năng oxi hóa IPTHH:
15I- + 2MnO4- +16H+ →

5I3- +2Mn2+ +8H2O

+ Trường hợp KMnO4 dư
Mn2+ không thể hình thành do nó kết hợp với MnO-4 dư tạo ra MnO2 ( sự
hợp phân).
I - không bị oxi hóa hoàn toàn tạo I-3 mà tạo IO-3 hoặc H5IO6 vì ion I-3
có khả năng khử MnO-4.
Do vậy phản ứng xảy ra tạo hỗn hợp sản phẩm
→ IO-3 + 2MnO2 + H2O

I- + 2MnO4- + 2H+

3I- + 8MnO4- +11H+ +2 H2O →

3H5IO6 +8MnO2

1.3.5. Giản đồ Frost [3]
Là đường biểu diễn sự phụ thuộc của giá trị nE0 của cặp X(N)/X(0) vào
số oxi hóa N của nó ( n là số e thay đổi từ số oxi hóa 0 đến số oxi hóa N).
Đường nối 2 điểm càng dốc thì thế của cặp tương ứng càng cao.
Khả năng phản ứng giữa hai cặp dựa vào độ dốc các cặp: Dạng oxi hóa
của cặp dốc hơn, dạng khử của cặp ít dốc hơn.
GVHD. Hoàng Quang Bắc

21

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Hình a: Ta thấy một ion hoặc một phân tử (B) ở giản đồ Frost là không
bền, chịu sự dị phân nếu nó nằm ở phía trên đường thẳng nối 2 tiểu phân
trước nó (A) và sau nó (C). Ở đó cho thấy năng lượng Gip trung bình của hai
tiểu phân (A và C) thấp hơn năng lượng Gip của chất B có số oxi hóa trung
gian giữa chúng và do đó B không bền đối với sự dị phân.
Hình b: Một chất B nằm ở phía dưới đường thẳng nối 2 tiểu phân trước
A và sau nó C trên giản đồ Frost thì bền hơn 2 tiểu phân A, C đó, bởi vì năng
lượng Gip trung bình của B thấp hơn. Theo đó phản ứng hợp phân của A và C
là thuận lợi về mặt nhiệt động.
VD: Dựng đồ thị Frost cho hệ oxy từ đồ thị Latimer sau:
0,7V
O2

1,76V
H2O

H2O2

1,23V
Các số oxi hoá của O là 0, -1, -2.
Với cặp O2/H2O2: n = -1; E0 = 0,70V
→ nE0 = -0,70V
Với cặp O2/H2O: n = -2 , E0 = 1,23V
→ nE0 = -2,46V
Dựng đồ thị gồm toạ độ (-1; -0,70) và (-2;-2,46).
GVHD. Hoàng Quang Bắc

22



Hình 1.3.5 Giản đồ Frost với oxi trong dung dịch axit.
1.4. Cơ chế phản ứng oxi hóa - khử [3]
Các phản ứng oxi hoá - khử có thể xảy ra theo 2 cơ chế:
+ Cơ chế truyền electron:
Fe3+.aq + Fe2+.aq → Fe2+. aq + Fe3+. aq
+ Cơ chế truyền nguyên tử:
SO32-

+

ClO3- → SO42- + ClO2-

Nói chung thì phản ứng oxi hoá - khử xảy ra được hoặc là do sự chuyển
trực tiếp electron từ tiểu phân này đến tiểu phân khác hoặc là do sự chuyển

GVHD. Hoàng Quang Bắc

23

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nguyên tử này đã gây ra hiệu quả electron chuyển từ phân tử này sang phân tử
khác.
Phản ứng truyền electron là phản ứng khi hai phức chất tiếp xúc với

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Tốc độ phản ứng (*) giảm xuống khi thay đổi X theo trật tự:
I- > Br- > Cl- > F-. Trật tự này là hợp lí nếu thừa nhận khả năng dẫn
electron từ Cr (II) đến Co (III) được xác định bởi độ phân cực của cầu nối X.
Phức chất của Co (III) trơ, phức chất aquơ của Cr (II) không bền. Ngược
lại, ở các sản phẩm [Cr(H2O )5X]2+ trơ, ion [Co(hiđ)]2+ không bền. Người ta xác
định được rằng sự chuyển X từ [Co(NH3)5X]2+ sang [Cr(H2O)5X]2+ diễn ra một
cách định lượng.
Điều này được giải thích tốt nhất, nếu thừa nhận cơ chế :
Cơ chế nội cầu.
[CrII(H2O)6]2+ + [CoIII(NH3 )5Cl]2+ = [(H2O)5CrIIClCoIII(NH3)5(H2O)]4+
chuyển electron
[CrIII(H2O)5Cl]2++[CoII(NH3)5(H2O)]2+=[(H2O)5CrIIIClCoII(NH3)5H2O]4+
+ H+ , H2O
[Co(H2O)6]2+ + 5NH4+
Vì tất cả các phức chất của Cr(III), kể cả [CrII(H2O)6]2+và [CrIII(H2O)5Cl]2+
đều trơ đối với sự thế, cho nên dựa trên sự tạo thành định lượng [CrIII(H2O)5Cl]2+
có thể giả thiết rằng sự chuyển electron Cr(II) → Co(III) và sự chuyển ion
clorua từ Co sang Cr là những quá trình liên quan với nhau và quá trình này
sẽ không xảy ra được nếu không có quá trình kia. Cách duy nhất có thể chấp
nhận được theo quan điểm hoá học để giải thích những vấn đề này là giả thiết
có sự tạo thành sản phẩm trung gian với cầu nối clo.
 Nguyên lý Frank – Condon
Trong quá trình chuyển electron thì không có sự thay đổi vị trí hay
cách phân bố không gian của các nguyên tử.
Sự truyền electron trong quá trình oxi hoá - khử không được kèm theo
sự thay đổi spin của nó.