Câu hỏi
Ăn mòn điện hóa học là quá trình oxi hóa - khử, trong đó kim loại bị ăn mòn do tác dụng của dung dịch chất điện li và tạo nên dòng electron chuyển dời trực tiếp (hoặc gián tiếp qua dây dẫn) từ cực âm (anot) đến cực dương (catot).
+ Anot (-) là nơi xảy ra bán phản ứng oxi hóa.
+ Catot (+) là nơi xảy ra bán phản ứng khử.
Điều kiện xảy ra sự ăn mòn điện hóa học là:
+ Các điện cực phải khác nhau về bản chất, có thể là cặp 2 kim loại khác nhau hoặc cặp kim loại với phi kim,…
+ Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau qua dây dẫn.
+ Các điện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch chất điện li.
Trong không khí ẩm, trên bề mặt của gang, thép luôn có một lớp nước rất mỏng đã hòa tan O2 và khí CO2 trong khí quyển, tạo thành một dung dịch chất điện li. Gang, thép có thành phần chính là sắt và cacbon tiếp xúc trực tiếp và cùng tiếp xúc với dung dịch điện li đó tạo nên vô số pin rất nhỏ mà sắt là anot và cacbon là catot.
Câu 1:
Bán phản ứng xảy ra tại anot của mỗi pin điện là
- A 2H2O + O2 + 4e → 4OH-.
- B 2H2O → 4H+ + O2 + 4e.
- C Fe2+ + 2e → Fe.
- D Fe → Fe2+ + 2e. Phương pháp giải:
Anot (-) là nơi xảy ra bán phản ứng oxi hóa.
Lời giải chi tiết:
Bán phản ứng xảy ra tại anot (-) là: Fe → Fe2+ + 2e.
Chọn D.
Câu 2:
Bán phản ứng xảy ra tại catot của mỗi pin điện là
- A 2H2O + O2 + 4e → 4OH-.
- B 2H2O → 4H+ + O2 + 4e.
- C Fe2+ + 2e → Fe.
- D Fe → Fe2+ + 2e. Phương pháp giải:
Catot (+) là nơi xảy ra bán phản ứng khử.
Lời giải chi tiết:
Bán phản ứng xảy ra tại catot (+) là: 2H2O + O2 + 4e → 4OH-.
Chọn A.
Câu 3:
Một sinh viên đưa ra các nhận xét sau:
(1) Nếu để gang, thép trong không khí khô thì không xảy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa.
(2) Thanh sắt nguyên chất để trong không khí ẩm bị ăn mòn điện hóa tương tự như gang, thép.
(3) Nếu để gang, thép trong bình khí O2 cũng xảy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa tương tự như trong không khí ẩm.
$2 \,\mathop {Mg}\limits_{}{0} \,\,+\,\, \mathop {O_2}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, 2 \mathop {Mg}\limits_{}{+2} \mathop {O}\limits_{}{-2} \,\,\,\,\,\,\,\, (1)$
Số oxi hóa của $Mg$ tăng từ $0$ lên $+2$ $\,\Rightarrow \,$ $Mg$ nhường electron:
$\mathop {Mg}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Mg}\limits_{}{+2} \,\,+\,\, 2e$
Oxi nhận electrron:
$\mathop {O}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 2e \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {O}\limits_{}{-2}$
$\Longrightarrow \,$ Quá trình $Mg$ nhường electron là quá trình oxi hóa $Mg$.
$\Longrightarrow \,$ Ở phản ứng $(1)$, chất oxi hóa là $Oxi$, chất khử là $Mg$.
$\bullet$ Thí dụ 2:
$\mathop {Cu}\limits_{}{+2} \mathop {O}\limits_{}{-2} \,\,+\,\, \mathop {H_2}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Cu}\limits_{}{0} \,\,+\,\, \mathop {H_2}\limits_{}{+1} \mathop {O}\limits_{}{-2} \,\,\,\,\,\,\,\, (2)$
Số oxi hóa của $Cu$ giảm từ $+2$ xuống $0$ $\,\Rightarrow \,$ $Cu$ trong $CuO$ nhận thêm $2e$:
$\mathop {Cu}\limits_{}{+2} \,\,+\,\, 2e \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Cu}\limits_{}{0}$
Số oxi hóa của $H$ tăng từ $0$ lên $+1$ $\,\Rightarrow \,$ $H$ nhường đi $1e$:
$\mathop {H}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {H}\limits_{}{+1} \,\,+\,\, 1e$
$\Longrightarrow \,$ Quá trình $\mathop {Cu}\limits_{}{+2}$ nhận thêm $2e$ gọi là quá trình khử $\mathop {Cu}\limits_{}{+2}$ (sự khử $\mathop {Cu}\limits_{}^{+2}$).
$\Longrightarrow \,$ Ở phản ứng $(2)$, chất oxi hóa là $CuO$, chất khử là $Hiđro$.
$\bullet \,$ Tóm lại:
- Chất khử (chất bị oxi hóa) là chất nhường electron.
- Chất oxi hóa (chất bị khử) là chất thu electron.
- Quá trình oxi hóa (sự oxi hóa) là quá trình nhường electron.
- Quá trình khử (sự khử) là quá trình thu electron.
2. Xét phản ứng không có oxi tham gia
$\bullet \,$ Thí dụ 3:
Phản ứng $(3)$ có sự thay đổi số oxi hóa, sự cho – nhận electron:
$\mathop {Na}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Na}\limits_{}{+1} \,\,+\,\, 1e$
$\mathop {Cl}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 1e \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Cl}\limits_{}{-1}$
$\bullet \,$ Thí dụ 4:
$\mathop {H_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, \mathop {Cl_2}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, 2\mathop {H}\limits_{}{+1} \mathop {Cl}\limits_{}{-1} \,\,\,\,\,\,\,\, (4)$
Phản ứng $(4)$ có sự thay đổi số oxi hóa của các chất, do cặp electron góp chung lệch về $Cl$.
$\bullet \,$ Thí dụ 5:
$\mathop {N}\limits_{}{-3} {H_4} \mathop {N}\limits_{}{+5} {O_3} \,\, {\overset{t^0}{\longrightarrow}} \,\, \mathop {N_2}\limits_{}^{+1} O \,\,+\,\, 2\, {H_2}O \,\,\,\,\,\,\,\, (5)$
Phản ứng $(5)$ nguyên tử $\mathop {N}\limits_{}{-3}$ nhường $e$, $\mathop {N}\limits_{}{+5}$ nhận $e$
$\longrightarrow \,$ có sự thay đổi số oxi hóa của một nguyên tố.
3. Phản ứng oxi hóa – khử
- 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.
II. LẬP PHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC CỦA PHẢN ỨNG OXI HÓA – KHỬ
$\bullet \,$ Phương pháp thăng bằng electron dựa trên nguyên tắc: tổng số electron do chất khử nhường bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận.
- Bước 1: Xác định số oxi hóa của các nguyên tố để tìm chất oxi hóa và chất khử.
- Bước 2: Viết quá trình oxi hóa và quá trình khử, cân bằng mỗi quá trình.
- Bước 3: Tìm hệ số thích hợp cho chất oxi hóa và chất khử sao cho tổng số electron cho bằng tổng số electron nhận.
- Bước 4: Đặt hệ số của các chất oxi hóa và chất khử vào sơ đồ phản ứng, từ đó tính ra hệ số các chất khác có trong phương trình. Kiểm tra cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố và cân bằng điện tích hai vế để hoàn thành phương trình hóa học.
$\bullet \,$ Thí dụ 1: Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa khử sau:
$N{H_3} \,\,+\,\, {Cl_2} \,\,\longrightarrow \,\, {N_2} \,\,+\,\, HCl$
- Bước 1:
$\mathop {N}\limits_{}{-3} \mathop {H_3}\limits_{}{+1} \,\,+\,\, \mathop {Cl_2}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {N_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, \mathop {H}\limits_{}{+1} \mathop {Cl}\limits_{}{-1}$
+ Số oxi hóa của $N$ tăng từ $-3$ lên $0\,$: Chất khử
+ Số oxi hóa của $Cl$ giảm từ $0$ xuống $-1\,$: Chất oxi hóa
- Bước 2:
+ Quá trình oxi hóa: $\,\,2\, \mathop {N}\limits_{}{-3} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {N_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 6e$
+ Quá trình khử: $\,\,\mathop {Cl_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 2e \,\, \longrightarrow \,\, 2\, \mathop {Cl}\limits_{}{-1}$
- Bước 3:
+ Quá trình oxi hóa: $\,\,(2\, \mathop {N}\limits_{}{-3} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {N_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 6e) \,\, \times 1$
+ Quá trình khử: $\,\,(\mathop {Cl_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 2e \,\, \longrightarrow \,\, 2\, \mathop {Cl}\limits_{}{-1}) \,\, \times 3$
$\Longrightarrow \, 2\, \mathop {N}\limits_{}{-3} \,\,+\,\, 3\, \mathop {Cl_2}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {N_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 6\, \mathop {Cl}\limits_{}{-1}$
- Bước 4:
$2\,N{H_3} \,\,+\,\, 3\, {Cl_2} \,\,\longrightarrow \,\, {N_2} \,\,+\,\, 6\, HCl$
$\bullet \,$ Thí dụ 2: Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa khử sau:
$\mathop {Mg}\limits_{}{0} \,\,+\,\, \mathop {Al}\limits_{}{+3} {Cl_3} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Mg}\limits_{}{+2} {Cl_2} \,\,+\,\, \mathop {Al}\limits_{}{0}$
$Mg$ là chất khử; $\mathop {Al}\limits_{}^{+3}$ (trong $AlCl_3$) là chất oxi hóa.
$(\mathop {Mg}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Mg}\limits_{}{+2} \,\,+\,\, 2e) \,\, \times 3$
$(\mathop {Al}\limits_{}{+3} \,\,+\,\, 3e \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Al}\limits_{}{0}) \,\, \times 2$
$\Longrightarrow \, 3\, \mathop {Mg}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 2\, \mathop {Al}\limits_{}{+3} \,\, \longrightarrow \,\, 3\, \mathop {Mg}\limits_{}{+2} \,\,+\,\, 2\, \mathop {Al}\limits_{}{0}$
Phương trình sẽ là:
$3\,Mg \,\,+\,\, 2\,Al{Cl_3} \,\,\longrightarrow \,\, 3\, Mg{Cl_2} \,\,+\,\, 2\,Al$
$\bullet \,$ Thí dụ 3: Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa khử sau:
$K \mathop {Cl}\limits_{}{+5} {O_3} \,\, \longrightarrow \,\, K \mathop {Cl}\limits_{}{-1} \,\,+\,\, K \mathop {Cl}\limits_{}^{+7} {O_4}$
$\mathop {Cl}\limits_{}^{+5}$ (trong $KCl{O_3}$) vừa là chất khử, vừa là chất oxi hóa.
$(\mathop {Cl}\limits_{}{+5} \,\,+\,\, 6e \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Cl}\limits_{}{-1}) \,\, \times 1$
$(\mathop {Cl}\limits_{}{+5} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Cl}\limits_{}{+7} \,\,+\,\, 2e) \,\, \times 3$
$\Longrightarrow \, 4\, \mathop {Cl}\limits_{}{+5} \,\, \longrightarrow \,\, 1\, \mathop {Cl}\limits_{}{-1} \,\,+\,\, 3\, \mathop {Cl}\limits_{}^{+7}$
Phương trình sẽ là:
$4\,KCl{O_3} \,\,\longrightarrow \,\, KCl \,\,+\,\, 3\, KCl{O_4}$
$\bullet \,$ Thí dụ 4: Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa khử sau:
$K \mathop {Cl}\limits_{}{+5} {O_3} \,\, \longrightarrow \,\, K \mathop {Cl}\limits_{}{-1} \,\,+\,\, \mathop {O_2}\limits_{}^{0}$
$\mathop {Cl}\limits_{}{+5}$ (trong $KCl{O_3}$) là chất oxi hóa; $\mathop {O}\limits_{}{-2}$ (trong $KCl{O_3}$) là chất khử.
$(\mathop {Cl}\limits_{}{+5} \,\,+\,\, 6e \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Cl}\limits_{}{-1}) \,\, \times 2$
$(2\,\mathop {O}\limits_{}{-2} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {O_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 4e) \,\, \times 3$
$\Longrightarrow \, 2\, \mathop {Cl}\limits_{}{+5} \,\,+\,\, 6\, \mathop {O}\limits_{}{-2} \,\, \longrightarrow \,\, 2\, \mathop {Cl}\limits_{}{-1} \,\,+\,\, 3\, \mathop {O_2}\limits_{}{0}$
Phương trình sẽ là:
$2\,KCl{O_3} \,\,\longrightarrow \,\, 2\,KCl \,\,+\,\, 3\, {O_2}$
$\bullet \,$ Thí dụ 5: Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa khử sau:
$\mathop {Fe}\limits_{}{+2} \mathop {S_2}\limits_{}{-1} \,\,+\,\, \mathop {O_2}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Fe_2}\limits_{}{+3} \mathop {O_3}\limits_{}{-2} \,\,+\,\, \mathop {S}\limits_{}{+4} \mathop {O_2}\limits_{}^{-2}$
$\mathop {Fe}\limits_{}{+2}\,$, $\mathop {S}\limits_{}{-1}$ (trong $Fe{S_2}$) là chất khử, $\mathop {O_2}\limits_{}^{0}$ là chất oxi hóa.
$\mathop {Fe}\limits_{}{+2} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Fe}\limits_{}{+3} \,\,+\,\, 1e$
$2\,\mathop {S}\limits_{}{-1} \,\, \longrightarrow \,\, 2\,\mathop {S}\limits_{}{+4} \,\,+\,\, 10e$
$(\mathop {Fe}\limits_{}{+2} \mathop {S_2}\limits_{}{-1} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Fe}\limits_{}{+3} \,\,+\,\, 2\,\mathop {S}\limits_{}{+4} \,\,+\,\, 11e) \,\, \times 4$
$(\mathop {O_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 4e \,\, \longrightarrow \,\, 2\,\mathop {O}\limits_{}{-2}) \,\, \times 11$
$\Longrightarrow \, 4\, \mathop {Fe}\limits_{}{+2} \mathop {S_2}\limits_{}{-1} \,\,+\,\, 11\,\mathop {O_2}\limits_{}{0} \,\, \longrightarrow \,\, 4\, \mathop {Fe}\limits_{}{+3} \,\,+\,\, 8\, \mathop {S}\limits_{}{+4} \,\,+\,\, 22\,\mathop {O}\limits_{}{-2}$
Phương trình sẽ là:
$4\,Fe{S_2} \,\,+\,\, 11\,{O_2} \,\,\longrightarrow \,\, 2\,{Fe_2}{O_3} \,\,+\,\, 8\, S{O_2}$
$\bullet \,$ Thí dụ 6: Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa khử sau:
$\mathop {Mn}\limits_{}{+4} {O_2} \,\,+\,\,H \mathop {Cl}\limits_{}{-1} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Mn}\limits_{}{+2} {Cl_2} \,\,+\,\, \mathop {Cl_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, {H_2}O$
$\mathop {Mn}\limits_{}{+4}$ (trong $Mn{O_2}$) là chất oxi hóa, $\mathop {Cl}\limits_{}{-1}$ (trong $HCl$) là chất khử.
$(\mathop {Mn}\limits_{}{+4} \,\,+\,\, 2e \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Mn}\limits_{}{+2}) \,\, \times 1$
$(2\,\mathop {Cl}\limits_{}{-1} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Cl_2}\limits_{}{0} \,\,+\,\, 2e) \,\, \times 1$
$\Longrightarrow \, \mathop {Mn}\limits_{}{+4} \,\,+\,\, 2\,\mathop {Cl}\limits_{}{-1} \,\, \longrightarrow \,\, \mathop {Mn}\limits_{}{+2} \,\,+\,\, \mathop {Cl_2}\limits_{}{0}$
Phương trình sẽ là:
$Mn{O_2} \,\,+\,\, 4\,HCl \,\,\longrightarrow \,\, Mn{Cl_2} \,\,+\,\, {Cl_2} \,\,+\,\, 2\,{H_2}O$
III. Ý NGHĨA CỦA PHẢN ỨNG OXI HÓA – KHỬ TRONG THỰC TIỄN
Phản ứng oxi hóa – khử là loại phản ứng hóa học khá phổ biến trong tự nhiên và có tầm quan trọng trong sản xuất và đời sống.
1. Trong đời sống
- Phản ứng oxi hóa – khử tạo ra năng lượng như: sự cháy của xăng dầu trong các động cơ đốt trong, sự cháy của than củi, các quá trình điện phân…