Một số phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa khử

    MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG

PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ

1. Phương pháp nguyên tử nguyên tố

Đây là một phương pháp khá đơn giản. Khi cân bằng ta cố ý viết các đơn chất khí (H₂, O₂, C1₂, N₂…) dưới dạng nguyên tử riêng biệt rồi lập luận qua một số bước.

Ví dụ: Cân bằng phản ứng P + O₂ –> P₂O₅

Ta viết: P + O –> P₂O₅

Để tạo thành 1 phân tử P₂O₅ cần 2 nguyên tử P và 5 nguyên tử O:

2P + 5O –> P₂O₅

Nhưng phân tử oxi bao giờ cũng gồm hai nguyên tử, như vậy nếu lấy 5 phân tử oxi tức là số nguyên tử oxi tăng lên gấp 2 thì số nguyên tử P và số phân tử P₂O₅ cũng tăng lên gấp 2, tức 4 nguyên tử P và 2 phân tử P₂O₅.

Do đó: 4P + 5O₂ –> 2P₂O₅

2. Phương pháp hóa trị tác dụng

Hóa trị tác dụng là hóa trị của nhóm nguyên tử hay nguyên tử của các nguyên tố trong chất tham gia và tạo thành trong PUHH.

Áp dụng phương pháp này cần tiến hành các bước sau:

+ Xác định hóa trị tác dụng:

II – I       III – II              II-II         III – I

BaCl₂ + Fe₂(SO₄)₃ –> BaSO₄ + FeCl₃

Hóa trị tác dụng lần lượt từ trái qua phải là:

II – I – III – II – II – II – III – I

Tìm bội số chung nhỏ nhất của các hóa trị tác dụng:

BSCNN(1, 2, 3) = 6

+ Lấy BSCNN chia cho các hóa trị ta được các hệ số:

6/II = 3, 6/III = 2, 6/I = 6

Thay vào phản ứng:

3BaCl₂ + Fe₂(SO₄)₃ –> 3BaSO₄ + 2FeCl₃

Dùng phương pháp này sẽ củng cố được khái niệm hóa trị, cách tính hóa trị, nhớ hóa trị của các nguyên tố thường gặp.

3. Phương pháp dùng hệ số phân số

Đặt các hệ số vào các công thức của các chất tham gia phản ứng, không phân biệt số nguyên hay phân số sao cho số nguyên tử của mỗi nguyên tố ở hai vế bằng nhau. Sau đó khử mẫu số chung của tất cả các hệ số.

Ví dụ: P + O₂ –> P₂O₅

+ Đặt hệ số để cân bằng: 2P + 5/2O₂ –> P₂O₅

+ Nhân các hệ số với mẫu số chung nhỏ nhất để khử các phân số. Ỏ đây nhân 2.

2.2P + 2.5/2O₂ –> 2P₂O₅

hay 4P + 5O₂ –> 2P₂O₅

4. Phương pháp “chẵn – lẻ”

Một phản ứng sau khi đã cân bằng thì số nguyên tử của một nguyên tố ở vế trái bằng số nguyên tử nguyên tố đó ở vế phải. Vì vậy nếu số nguyên tử của một nguyên tố ở một vế là số chẵn thì số nguyên tử nguyên tố đó ở vế kia phải chẵn. Nếu ở một công thức nào đó số nguyên tử nguyên tố đó còn lẻ thì phải nhân đôi.

Ví dụ: FeS₂ + O₂ –> Fe₂O₃ + SO₂

Ở vế trái số nguyên tử O₂ là chẵn với bất kỳ hệ số nào. Ở vế phải, trong SO₂ oxi là chẵn nhưng trong Fe₂O₃ oxi là lẻ nên phải nhân đôi. Từ đó cân bằng tiếp các hệ số còn lại.

2Fe₂O₃ –> 4FeS₂ –> 8SO₂ + 11O₂

Đó là thứ tự suy ra các hệ số của các chất. Thay vào PTPU ta được:

4FeS₂ + 11O₂ –> 2Fe₂O₃ + 8SO₂

5. Phương pháp xuất phát từ nguyên tố chung nhất

Chọn nguyên tố có mặt ở nhiều hợp chất nhất trong phản ứng để bắt đầu cân bằng hệ số các phân tử.

Ví dụ: Cu + HNO₃ –>Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

Nguyên tố có mặt nhiều nhất là nguyên tố oxi, ở vế phải có 8 nguyên tử, vế trái có 3. Bội số chung nhỏ nhất của 8 và 3 là 24, vậy hệ số của HNO₃ là 24 /3 = 8

Ta có 8HNO₃ –> 4H₂O + 2NO (Vì số nguyên tử N ở vế trái chẵn)

3Cu(NO₃)₂ –> 3Cu

Vậy phản ứng cân bằng là:

3Cu + 8HNO₃ –> 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

6. Phương pháp cân bằng electron

Cân bằng qua ba bước:

a. Xác định sự thay đổi số oxi hóa.

b. Lập thăng bằng electron.

c. Đặt các hệ số tìm được vào phản ứng và tính các hệ số còn lại.

Ví dụ. Cân bằng phản ứng:

FeS + HNO3 –> Fe(NO3)3 + N2O + H2SO4 + H2O

a. Xác định sự thay đổi số oxi hóa:

Fe⁺² –> Fe⁺³

S^-2 –> S⁺⁶

N⁺⁵ –> N⁺¹

(Viết số oxi hóa này phía trên các nguyên tố tương ứng)

b. Lập thăng bằng electron:

Fe⁺² –> Fe⁺³ + 1e

S^-2 –> S⁺⁶ + 8e

FeS –> Fe⁺³ + S⁺⁶ + 9e

2N⁺⁵ + 8e –> 2N⁺¹

–> Có 8FeS và 9N₂O.

c. Đặt các hệ số tìm được vào phản ứng và tính các hệ số còn lại:

8FeS + 42HNO₃ –> 8Fe(NO₃)₃ + 9N₂O + 8H₂SO₄ + 13H₂O

Ví dụ 2. Phản ứng trong dung dịch bazo:

NaCrO₂ + Br₂ + NaOH –> Na₂CrO₄ + NaBr

CrO₂^- + 4OH^- –> CrO₄^2- + 2H₂O + 3e

Br₂ + 2e –> 2Br^-

Phương trình ion:

2CrO₂^- + 8OH^- + 3Br₂ –> 2CrO₄^2- + 6Br^- + 4H₂O

Phương trình phản ứng phân tử:

2NaCrO₂ + 3Br₂ + 8NaOH –> 2Na₂CrO₄ + 6NaBr + 4H₂O

Ví dụ 3. Phản ứng trong dung dịch có H₂O tham gia:

KMnO₄ + K₂SO₃ + H₂O –> MnO₂ + K₂SO₄

MnO₄^- + 3e + 2H₂O –> MnO₂ + 4OH^-

SO₃^2- + H₂O –> SO₄^2- + 2H⁺ + 2e

Phương trình ion:

2MnO₄^- + H₂O + 3SO₃^2- –> 2MnO₂ + 2OH^- + 3SO₄^2-

Phương trình phản ứng phân tử:

2KMnO₄ + 3K₂SO₃ + H₂O –> 2MnO₂ + 3K₂SO₄ + 2KOH

7. Phương pháp cân bằng đại số

Dùng để xác định hệ số phân tử của chất tham gia và thu được sau phản ứng hoá học, ta coi hệ số là các ẩn số và kí hiệu bằng các chữ cái a, b, c, d… rồi dựa vào mối tương quan giữa các nguyên tử của các nguyên tố theo định luật bảo toàn khối lượng để lập ra một hệ phương trình bậc nhất nhiều ẩn số. Giải hệ phương trình này và chọn các nghiệm là các số nguyên dương nhỏ nhất ta sẽ xác định được hệ số phân tử của các chất trong phương trình phản ứng hoá học.

Ví dụ: Cân bằng phản ứng:

Cu + HNO₃ –> Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O

Kí hiều các hệ số phải tìm là các chữ a, b, c, d, e và ghi vào phương trình ta thu được:

aCu + bHNO₃ –> cCu(NO₃)₂ + dNO + eH₂O

+ Xét số nguyên tử Cu: a = c (1)

+ Xét số nguyên tử H: b = 2e (2)

+ Xét số nguyên tử N: b = 2c + d (3)

+ Xét số nguyên tử O: 3b = 6c + d + e (4)

Ta được hệ phương trình 5 ẩn và giải như sau:

Rút e = b/2 từ phương trình (2) và d = b – 2c từ phương trình (3) và thay vào phương trình (4):

3b = 6c + b – 2c + b/2

=> b = 8c/3

Ta thấy để b nguyên thì c phải chia hết cho 3. Trong trường hợp này để hệ số của phương trình hoá học là nhỏ nhất ta cần lấy c = 3. Khi đó: a = 3, b = 8, d = 2, e = 4

Vậy phương trình phản ứng trên có dạng:

3Cu + 8HNO₃ –> 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Ở ví dụ trên trong phương trình hoá học có 5 chất (Cu, HNO₃, Cu(NO₃)₂, NO, H₂O) và 4 nguyên tố (Cu, H, N, O) khi lập hệ phương trình đại số để cân bằng ta được một hệ 4 phương trình với 5 ẩn số. Hay nói một cách tổng quát, ta có n ẩn số và n – 1 phương trình.

Như vậy khi lập một hệ phương trình đại số để cân bằng một phương trình hoá học, nếu có bao nhiêu chất trong phương trình hoá học thì có bấy nhiêu ẩn số và nếu có bao nhiêu nguyên tố tạo nên các hợp chất đó thì có bấy nhiêu phương trình.