Cặp oxi hóa khử là gì? Lý thuyết về cặp oxi hóa khử? Hóa 12

1. Cặp oxi hóa khử là gì?

Cặp oxi hóa khử là một cụm từ dùng để chỉ hai loại chất trong một phản ứng hóa học, một chất chịu quá trình oxi hóa và một chất thực hiện quá trình khử tương ứng. Cặp oxi hóa khử thường ghi dưới dạng “chất oxi hóa/chất khử” (Ox/Kh), trong đó:

Chất oxi hóa (Oxidizing Agent): Đây là chất tham gia vào phản ứng bằng cách làm cho một chất khác bị mất electron. Trong quá trình này, chất oxi hóa sẽ tự nó bị khử đi.

Chất khử (Reducing Agent): Đây là chất tham gia vào phản ứng bằng cách cung cấp electron cho một chất khác, giúp chất đó bị oxi hóa. Trong quá trình này, chất khử sẽ tự nó bị oxi hóa đi.

Phản ứng oxi hóa-khử xảy ra khi chất oxi hóa lấy electron từ chất khử. Cặp oxi hóa khử là một khái niệm quan trọng trong hóa học và được sử dụng để mô tả các phản ứng oxi hóa-khử trong nhiều ngữ cảnh, chẳng hạn như trong việc hiểu các quá trình điện hóa, phản ứng redox, và trong các ứng dụng công nghiệp và môi trường

Khi xem xét một phản ứng oxi hóa-khử, bạn có thể xác định các cặp oxi hóa khử bằng cách tìm chất oxi hóa và chất khử trong phản ứng đó. Cặp oxi hóa khử là quan trọng trong việc hiểu và dự đoán các phản ứng hóa học và trong việc điều khiển quá trình oxi hóa-khử trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trong việc lưu trữ và sử dụng pin điện hóa, xử lý nước, và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác

2. Lý thuyết về cặp oxi hóa khử?

2.1. Chất oxi hóa, chất khử:

Nguyên tắc cơ bản của phản ứng oxi hóa-khử. Trong phản ứng này, chất khử chuyển electron cho chất oxi hóa, và chất oxi hóa nhận electron từ chất khử. Điều này thường đi kèm với việc chất khử bị oxi hóa (tăng số oxi hóa) và chất oxi hóa bị khử (giảm số oxi hóa). Quá trình oxi hóa và khử thường xảy ra cùng nhau để duy trì cân bằng electron trong phản ứng hóa học.

Trong một phản ứng oxi hóa-khử, quá trình oxi hóa (chất khử nhường electron) và quá trình khử (chất oxi hóa nhận electron) diễn ra cùng một lúc. Điều này giúp duy trì cân bằng electron trong phản ứng hóa học.

Dấu hiệu nhận biết phản ứng oxi hóa – khử là có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tử: Trong quá trình này, nguyên tử của chất khử mất electron và số oxi hóa tăng lên, trong khi nguyên tử của chất oxi hóa nhận electron và số oxi hóa giảm xuống. Sự thay đổi này thường được thể hiện thông qua việc biểu diễn số oxi hóa của các nguyên tử trong các phản ứng hóa học.

Số oxi hóa của một nguyên tử là một chỉ số cho biết mức độ “làm giàu oxi” của nguyên tử đó trong hợp chất. Khi số oxi hóa tăng, nguyên tử đó đã mất electron (oxi hóa), và khi số oxi hóa giảm, nguyên tử đó đã nhận electron (khử).

Ví dụ: Trong phản ứng oxi hóa-khử cơ bản, như phản ứng giữa natri (Na) và clor (Cl2): 2Na + Cl2 -> 2NaCl

Trong trường hợp này, số oxi hóa của natri tăng từ 0 lên +1 (vì nó mất một electron), trong khi số oxi hóa của clor giảm từ 0 xuống -1 (vì nó nhận một electron). Sự thay đổi này trong số oxi hóa của các nguyên tử trong phản ứng là một dấu hiệu rõ ràng của phản ứng oxi hóa-khử

2.2. Lập phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa – khử:

Bước 1: xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hóa trong phản ứng là bước quan trọng để xác định chất oxi hóa và chất khử. Thay đổi số oxi hóa của các nguyên tử thể hiện sự chuyển đổi electron giữa các chất trong phản ứng oxi hóa-khử. Sau khi xác định được chất oxi hóa và chất khử, bạn có thể tiến hành các bước tiếp theo của quá trình phản ứng oxi hóa-khử, chẳng hạn như viết phương trình phản ứng cân bằng và tính toán số mol hoặc khối lượng của các chất tham gia trong phản ứng:

3NH3++2CuOto→0Cu+0N2+H2O

– CuO (đồng oxit) là chất oxi hóa vì nguyên tố Cu trong CuO tăng số oxi hóa từ +2 lên thành 0 (từ Cu²⁺ thành Cu⁰) bằng cách nhận electron.

– NH3 (amoni) là chất khử vì nguyên tố N trong NH3 giảm số oxi hóa từ -3 lên thành 0 (từ N³⁻ thành N⁰) bằng cách nhường electron.

Bước 2: Biểu diễn quá trình oxi hóa và quá trình khử. Để làm điều này, bạn cần biểu diễn sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tử và cách chúng nhận hoặc nhường electron trong phản ứng.

Ví dụ:

+ Quá trình oxi hóa: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻

Ở đây, nguyên tử Cu chuyển từ trạng thái số oxi hóa 0 (trong Cu nguyên chất) lên trạng thái số oxi hóa +2 khi nhận 2 electron.

+ Quá trình khử: N⁻³ → N⁰ + 3e⁻

Nguyên tử N trong NH3 chuyển từ trạng thái số oxi hóa -3 lên trạng thái số oxi hóa 0 khi nhường 3 electron.

Bằng cách biểu diễn như vậy, bạn đã mô tả cụ thể quá trình oxi hóa và khử trong phản ứng

Bước 3:  Xác định hệ số dựa trên nguyên tắc bảo toàn electron. Nguyên tắc này cho biết tổng số electron mà chất khử nhường (cho) phải bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận.

Để thực hiện bước này, bạn cần điều chỉnh hệ số của các chất trong phản ứng sao cho tổng số electron của chất khử nhường bằng tổng số electron của chất oxi hóa nhận. Điều này đảm bảo rằng nguyên tắc bảo toàn electron được tuân theo trong phản ứng.

Ví dụ: trong phản ứng bạn đã đưa ra: CuO + 2NH3 → Cu + N2 + 3H2O . Chất khử: NH3; Chất oxi hóa: CuO

Bước đầu tiên là xác định số electron trong quá trình oxi hóa và khử:

– Quá trình oxi hóa (CuO → Cu): 2 electron được nhận bởi Cu.

– Quá trình khử (NH3 → N2): 3 electron được nhường bởi NH3.

Bây giờ, bạn cần điều chỉnh hệ số của các chất để tổng số electron chất khử nhường (3) bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận (2). Trong trường hợp này, bạn có thể nhân đôi số mol NH3 để cân bằng:

CuO + 2NH3 → Cu + N2 + 3H2O

Sau khi cân bằng, bạn đã đảm bảo rằng tổng số electron cho và tổng số electron nhận là bằng nhau, tuân theo nguyên tắc bảo toàn electron trong phản ứng

Bước 4: Trong quá trình xác định phản ứng oxi hóa-khử là đặt hệ số của chất oxi hóa và chất khử vào sơ đồ phản ứng và sau đó tính hệ số của các chất khác có mặt trong phương trình hóa học. Mục tiêu của bước này là cân bằng cả số nguyên tử của các nguyên tố trong phản ứng ở cả hai vế.

3. Phản ứng oxi hóa – khử trong thực tiễn:

Phản ứng oxi hóa-khử rất quan trọng trong thực tế và có nhiều ứng dụng quan trọng. Dưới đây là một số ví dụ về phản ứng oxi hóa-khử trong thực tế:

Điện phân nước: Quá trình điện phân nước là một ví dụ kinh điển về phản ứng oxi hóa-khử. Nước (H2O) bị phân ly thành khí hiđro (H2) và khí oxi (O2) thông qua phản ứng oxi hóa-khử sau:

2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)

Khí hiđro và khí oxi được sản xuất trong quá trình này có nhiều ứng dụng quan trọng. Khí hiđro thường được sử dụng trong ngành công nghiệp để sản xuất khí ammoniac (NH3), khí hydrocloric (HCl), và là một nguồn năng lượng sạch trong các ứng dụng năng lượng hydrogen fuel cell. Khí oxi thường được sử dụng trong hàn, cắt kim loại, và trong việc hỗ trợ đốt nhiên liệu.

Pin điện hóa hóa học: Phản ứng oxi hóa-khử xảy ra trong các loại pin điện hóa hóa học. Trong pin kẽm-ôxi (pin kiềm), ví dụ, chất oxi hóa là ion oxi (O2-) và chất khử là kẽm (Zn). Khi pin này hoạt động, kẽm bị oxi hóa thành ion kẽm (Zn2+) và cho electron. Electron di chuyển qua một dây dẫn để tạo ra dòng điện, và ion kẽm tương tác với ion oxi để tạo thành kẽm oxi (ZnO). Đây là cơ chế hoạt động của các pin kiềm thông thường.

Ứng dụng xử lý khí thải và nước thải: Trong các quá trình xử lý khí thải và nước thải, phản ứng oxi hóa-khử được sử dụng để loại bỏ các hợp chất hữu cơ và không hữu cơ có hại từ môi trường. Chẳng hạn, quá trình oxy hóa có thể loại bỏ khí sunfurơ (H2S) từ khí thải nhà máy và chất oxi hóa nước thải hữu cơ.

Oxi hóa trong hóa học hữu cơ: Trong hóa học hữu cơ, phản ứng oxi hóa-khử chủ yếu liên quan đến việc thay đổi trạng thái oxi hóa của các phân tử hữu cơ. Chẳng hạn, trong quá trình oxy hóa alkane (như metan) thành alkohol, phản ứng oxi hóa-khử đã xảy ra.

Hô hấp và sự sống của sinh vật: Trong quá trình hô hấp của các sinh vật, chẳng hạn con người, oxi (O2) trong không khí được hấp thụ để oxi hóa các chất hữu cơ và tạo ra năng lượng. Điều này là cơ chế cung cấp năng lượng cho sự sống của sinh vật và là một ví dụ về cách phản ứng oxi hóa-khử quan trọng trong tự nhiên.

Như vậy, phản ứng oxi hóa-khử không chỉ là một hiện tượng hóa học trừu tượng mà còn có ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày và ngành công nghiệp, giúp chúng ta nắm bắt và sử dụng năng lượng và xử lý chất thải một cách hiệu quả.