Phương pháp dạy cách cân bằng các phản ứng oxi hóa khử bằng cách xây dựng các phân tử

PHƯƠNG PHÁP DẠY CÁCH CÂN BẰNG CÁC PHẢN ỨNG OXI HĨA
KHỬ BẰNG CÁCH XÂY DỰNG CÁC PHÂN TỬ
Chương trình tiêu chuẩn năm thứ nhất bao gồm một phần về cân bằng các phản
ứng hóa học. Học sinh cảm thấy khó hiểu khái niệm này vì nó ngày càng được
trình bày dưới dạng thuật toán hoặc thủ tục toán học. Bài nộp này phác thảo một
phương pháp dạy học sinh cách cân bằng các phản ứng oxi hóa khử bằng cách sử
dụng các nguyên tắc hóa học đã biết: trạng thái oxi hóa (bao gồm sự gần đúng ion
của các phân tử), bảo toàn số lượng (bảo toàn khối lượng và tính khơng chuyển hóa
của các hạt hóa học) và các ion khán giả. Phương pháp này liên quan đến việc xác
định các cặp oxy hóa/khử và cân bằng các phản ứng oxy hóa/khử bộ xương
(mất/tăng điện tử) để củng cố mối liên hệ giữa thay đổi trạng thái oxy hóa và
chuyển điện tử. Các loại phân tử trong phản ứng sau đó được xây dựng bằng cách
thêm vào các nguyên tố khác có trạng thái oxy hóa liên kết của chúng, coi chúng là
các ion khán giả. Cân bằng số lượng electron trong các phản ứng oxy hóa và khử
dẫn đến phản ứng oxy hóa khử cân bằng. Phương pháp này đã được thử nghiệm
trên nhiều loại phản ứng và các ví dụ về ba loại phản ứng oxi hóa khử được trình
bày. Dự kiến học sinh sẽ có thể nắm vững khái niệm tiêu đề do có liên kết với các
khái niệm hóa học cơ bản, nâng cao hơn nữa sự hiểu biết của họ về các khái niệm
liên quan.
1. Giới thiệu
Việc cân bằng các phản ứng oxi hóa khử là một phần của chương trình hóa học
năm thứ nhất. Mục tiêu đằng sau bài tập này là mở rộng các khái niệm cơ bản của
phép cân bằng hóa học để xem xét các electron (ngoài các nguyên tử). Theo cách
này, học sinh được khuyến khích nghĩ về các electron như những vật thể có thể
chuyển giao giữa các lồi. Điều này có khả năng cho học sinh thấy rằng các
electron là một phần không thể thiếu của phản ứng. Điều này sau đó cung cấp một
liên kết (khái niệm) tự nhiên với cấu trúc electron và cấu trúc Lewis.
Qua nhiều năm, khái niệm quan trọng này đã phát triển từ một khái niệm hóa học
để hiểu thành một quy trình thuật tốn để nắm vững. 1 Kết quả của sự phát triển này
là các phương pháp được phát triển để cân bằng các phản ứng mang tính tốn học
hơn2 ,3 và do đó, trừu tượng hơn về mặt hóa học. Sự gia tăng tính trừu tượng này đã

dẫn đến việc học sinh khó nắm vững khái niệm này. 4 Điều này khơng có gì đáng
ngạc nhiên vì xu hướng toán học làm giảm mối liên hệ với các nguyên tắc hóa học,
được thấy trong sự ngắt kết nối5 giữa khả năng giải các bài toán thuật toán và khả
năng giải thích các khái niệm cơ bản của học sinh. Sự gia tăng tính trừu tượng


cũng là điều khơng mong muốn vì nó gây bất lợi một cách không tương xứng cho
những sinh viên thiếu nền tảng tốn học vững chắc. 6 Do đó, cơ sở toán học hoạt
động hiệu quả như một người gác cổng cho sự thành cơng trong phép cân bằng hóa
học. Việc mơ tả các phương trình oxi hóa khử dưới dạng các hệ cần giải bằng thuật
toán sẽ che giấu các khái niệm hóa học liên quan đối với học sinh và bài tập được
giảm xuống thành việc ghi nhớ thuộc lịng một thuật tốn7 .
Cách tiếp cận “nửa phản ứng”8 để cân bằng các phản ứng oxi hóa khử xác định các
lồi trải qua q trình oxy hóa và khử (và các sản phẩm tương ứng của chúng)
bằng cách tính tốn các trạng thái oxy hóa của tất cả các nguyên tố trong loài. Các
bước sau đây được áp dụng cho từng nửa phản ứng,
1. Các nguyên tố khác ngoài oxy và hydro được cân bằng bằng cách kiểm tra.
2. Các nguyên tử oxy được cân bằng bằng cách sử dụng các phân tử nước.
3. Các nguyên tử hydro được cân bằng nhờ sử dụng các ion H + .
4. Tổng điện tích được cân bằng bằng cách sử dụng các electron.
Phương pháp trên rõ ràng giả định rằng phản ứng xảy ra trong nước; đây là một giả
định hợp lý ở cấp độ năm đầu tiên. Quan trọng hơn, chuyển điện tử là bước cuối
cùng trong quy trình, trong khi chuyển điện tử là lý do chính cho phản ứng oxi hóa
khử. Sự tách biệt (các bước) này giữa q trình oxy hóa/khử và chuyển điện tử dẫn
đến sự tách biệt giữa hai khái niệm trong tâm trí của học sinh. Sự cân bằng của các
electron khơng cịn liên quan đến sự thay đổi trạng thái oxy hóa.
Các nguyên tắc làm cơ sở cho việc cân bằng các phản ứng (oxy hóa khử hoặc cách
khác) là nền tảng trong hóa học: bảo tồn khối lượng, tính khơng chuyển hóa của
các hạt hóa học (nguyên tử và điện tử) và chuyển điện tử giữa các loại bị oxy hóa
và khử. Do đó, điều quan trọng là học sinh được khuyến khích tham gia vào các

khái niệm này để giải quyết vấn đề cân bằng hóa học, vì cân bằng hóa học là trung
tâm của hóa học. Dùng đến “thanh tra”1 và các thuật toán toán học trừu tượng giúp
cải thiện rất ít sự hiểu biết của học sinh về các nguyên tắc hóa học cơ bản; trọng
tâm cần tập trung vào hóa học. Việc dạy học địi hỏi các khái niệm tiềm ẩn phải
được làm rõ ràng. Sự thông thạo đạt được khi học sinh có thể làm cho các khái
niệm rõ ràng trở nên tiềm ẩn.
2. Phương pháp đề xuất
Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng trong đó hai hoặc nhiều nguyên tử trải qua sự
thay đổi trạng thái oxi hóa của chúng. IUPAC định nghĩa trạng thái oxy hóa của


một nguyên tử là “điện tích của nguyên tử này sau khi xấp xỉ ion của các liên kết dị
nhân của nó”.9 Theo định nghĩa này, tất cả các nguyên tử trong phân tử đa nguyên
tố được mô tả là ion. Do đó, sự thay đổi trạng thái oxy hóa là sự thay đổi điện tích
của ion trong phân tử. Học sinh thường biết về khái niệm “ion khán giả” khi hóa
học oxi hóa khử (đặc biệt là phép cân bằng hóa học oxi hóa khử) được giới thiệu.
Trong phương pháp được đề xuất, khái niệm 'ion khán giả' được mở rộng cho các
ion dưới phân tử (các nguyên tử được gán điện tích bằng trạng thái oxy hóa của
chúng). Do đó, các phân tử được tạo thành từ 'ion', phù hợp với định nghĩa của
IUPAC về trạng thái oxy hóa. Sau đó, có thể biểu diễn rõ ràng một nửa phản ứng là
sự tăng hoặc giảm electron của các nguyên tử của một nguyên tố. Điều này củng
cố rõ ràng mối quan hệ giữa q trình oxy hóa/khử và chuyển điện tử. Nửa phản
ứng oxy hóa/khử được hồn thành bằng cách thêm đủ 'ion khán giả' (các số bằng
nhau ở cả hai vế của phương trình để đảm bảo cân bằng) để hoàn thành tất cả các
loài ở cả hai vế của phương trình. Quy trình có thể được tóm tắt bằng các bước sau
(áp dụng như nhau cho các nửa phản ứng oxi hóa và khử):
1. Nguyên tố bị oxi hóa/khử (vế trái của phương trình) và dạng bị khử/bị oxi hóa
tương ứng (vế phải) được xác định từ các trạng thái oxi hóa. Điều này tạo thành
một nửa phản ứng bộ xương.
2. Các electron được thêm vào để cân bằng điện tích.

3. Đủ 'nguyên tử khán giả' (với số oxi hóa của chúng là điện tích) được thêm đồng
đều vào cả hai phía của nửa phản ứng oxi hóa khung để tạo thành các phân
tử/ion. Điều này mang lại một nửa phản ứng.
4. Thêm H + vừa đủ (bằng nhau cho cả hai phía của phản ứng) để chuyển hóa tất cả
một. O 2- với nước (điều kiện axit)
b. O 2- đến [OH] - (điều kiện cơ bản)
c. H + khơng cân bằng được trung hịa với nước bằng cách thêm [OH] - (điều kiện
cơ bản).
Như trong phương pháp truyền thống, các nửa phản ứng oxy hóa và khử được nhân
với các hệ số phù hợp để cân bằng số lượng electron được chuyển. Sau đó, hai
phản ứng được thêm vào và kết quả được đơn giản hóa bằng cách loại bỏ các lồi
có mặt ở cả hai phía của phương trình.
Phương pháp này bắt nguồn từ khái niệm rằng các nguyên tố bị oxy hóa/khử trong
một phân tử không ảnh hưởng đến các nguyên tử khác có mặt. Những nguyên tử


khác này có thể được coi là nguyên tử khán giả vì số oxi hóa của chúng khơng thay
đổi trong phản ứng. Vì lý do này, chúng ta có thể cộng chúng một cách riêng biệt ở
cả hai vế của phương trình. Sau đó, chúng ta có thể xây dựng các phân tử và ion đa
nguyên tử tham gia vào phản ứng. Bằng cách thêm cùng một loại với số lượng
bằng nhau vào cả hai phía của phản ứng, chúng tôi đảm bảo rằng mọi bước đều
được cân bằng, do đó củng cố ngun tắc bảo tồn số lượng và giảm thiểu sai sót
khi làm việc.
3. Ví dụ
Mousavi10 đã mơ tả ba loại phản ứng oxi hóa khử và trình bày các phương pháp để
cân bằng chúng. Phản ứng loại I là những phản ứng trong đó một lồi phân tử trải
qua cả q trình oxy hóa và khử; tình trạng này được nhìn thấy trong các phản ứng
điện phân. Phản ứng loại II được định nghĩa là phản ứng trong đó một ngun tố có
nhiều trạng thái ơxi hóa ở vế phải của phương trình; đây là những điển hình của
phản ứng khơng cân xứng. Loại III bao gồm tất cả các phản ứng oxi hóa khử

khơng thuộc loại I và II. Ba tình huống này sẽ được xử lý bằng phương pháp hiện
tại bên dưới. Để rõ ràng, các phản ứng được xem xét bởi Mousavi10 được khám phá
ở đây.
3.1. Phản ứng loại I
Loại phản ứng này liên quan đến một chất phản ứng và nhiều sản phẩm. Một ví dụ
là điện phân nước.
(1)
Các trạng thái oxy hóa của các nguyên tố tham gia vào phản ứng này được đưa ra
dưới đây.
•

Bảng 1. Các trạng thái oxi hóa xảy ra trong quá trình điện phân nước

Nửa phản ứng oxy hóa xương là
(2)


Phản ứng này được nhân đơi để tính số lượng nguyên tử oxy ở vế phải (phân tử
oxy) của phương trình 1.
(3)
Tiếp theo, các phân tử ở vế trái của phản ứng được hình thành bằng cách thêm H + .
(4)
Phương trình 4 là nửa phản ứng oxi hóa .
Nửa phản ứng giảm bộ xương là
(5)
Phản ứng này được nhân đơi để tạo nên phân tử hydro.
(6)
Phương trình 6 là nửa phản ứng khử . Phương trình 6 phải được nhân đôi để cân
bằng số lượng electron trong nửa phản ứng oxy hóa và khử.
(7)

Thêm phương trình 4 và 7 (và giữ lại tất cả các điều khoản) dẫn đến
(số 8)
Hủy bỏ các điều khoản chung dẫn đến phản ứng rịng
(9)
3.2. Phản ứng loại II
Trong loại phản ứng này, ít nhất một nguyên tố có mặt ở hai trạng thái oxy hóa ở
phía bên tay phải của phản ứng. Một ví dụ về loại phản ứng này là q trình oxy
hóa natri kim loại trong nước, tạo thành natri hydroxit và giải phóng hydro.
(10)
Trạng thái oxi hóa của các nguyên tố là
•

Bảng 2. Các trạng thái oxy hóa xảy ra trong phản ứng của natri kim loại
với nước


Trong phản ứng này, natri bị oxy hóa và hydro bị khử. Nửa phản ứng oxy hóa
xương là
(11)
Lồi ở phía bên tay phải được hoàn thành bằng cách thêm một nguyên tử oxy
(trạng thái oxy hóa 2-) và một nguyên tử hydro (trạng thái oxy hóa 1+). Điều này
mang lại
(12)
Đây là một nửa phản ứng oxy hóa.
Nửa phản ứng giảm bộ xương là
(13)
Phản ứng này phải được nhân đôi để tạo ra khí hydro.
(14)
Đây là nửa phản ứng giảm.
Để kết hợp các nửa phản ứng oxy hóa và khử, số lượng electron được chuyển phải

bằng nhau. Do đó, Phương trình 12 phải được nhân đơi trước khi thêm vào Phương
trình 14. Phương trình thu được là (giữ tất cả các số hạng)
(15)
Loại bỏ các thuật ngữ thông thường và nhận ra rằng H + và [OH] - kết hợp với nhau
để tạo thành nước, phương trình cân bằng cuối cùng thu được.
(16)
3.3. Các phương trình phù hợp với cả hai loại I và II


Đây là một thể loại chứa một số lượng lớn các phản ứng. 10 Một ví dụ về loại phản
ứng này là sự tương tác giữa chì(IV) oxit và axit để tạo ra muối chì(II) trong khi
giải phóng khí oxy.
(17)
Sinh viên năm thứ nhất điển hình sẽ có thể xác định rằng ion nitrat đóng vai trị là
khán giả trong phản ứng này. Phản ứng tích cực là
(18)
Trạng thái oxi hóa của các nguyên tố trong phản ứng này được cho trong bảng dưới
đây.
•

Bảng 3. Các trạng thái oxi hóa xảy ra trong phản ứng của chì(IV) oxit
với axit

Trong phản ứng này, oxy bị oxy hóa và chì bị khử. Nửa phản ứng oxy hóa xương là
(19)
Phương trình này phải được nhân đơi để tạo thành khí oxy. Thêm Pb 4+ vào để hoàn
thành phân tử (PbO 2 ở vế trái),
(20)
Đây là một nửa phản ứng oxy hóa .
Nửa phản ứng khử xương là khử chì(IV) thành chì(II).

(21)
Hồn thiện phân tử (PbO 2 ở vế trái) dẫn đến
(22)


Đây là nửa phản ứng giảm.
Nhân đơi phương trình 22 (để cân bằng các electron) và thêm nó vào phương trình
20 mang lại
(23)
Bỏ qua các thuật ngữ chung (và nhận ra rằng Pb 4+ + 2O 2- → PbO 2 ) dẫn đến
(24)
Các ion oxit trong phản ứng trên được chuyển thành nước bằng ion H +
ra
phương trình cân bằng .

để tạo

(25)
Phản ứng này cũng có thể được cân bằng mà không xác định rằng ion nitrat là khán
giả. Tuy nhiên, việc áp dụng kiến thức về các ion khán giả là điều tự nhiên vì chính
khái niệm đó được sử dụng để xây dựng các phân tử. Quan trọng hơn, phương
trình 24 cho thấy rằng phản ứng xảy ra do bản chất axit của dung dịch (cần có axit)
và do đó sẽ xảy ra khi sử dụng bất kỳ axit nào khác. Cái nhìn sâu sắc về hóa học
này rất có giá trị và có thể thu được như một sản phẩm phụ của quá trình cân bằng
phương trình.
3.4. Phản ứng loại III
Loại III đề cập đến các phản ứng oxi hóa khử khơng được phân loại theo Loại I
hoặc II. Đây có thể là loại phản ứng dễ cân bằng nhất vì nó đại diện cho các cặp
oxi hóa và khử duy nhất. Sự hịa tan chu sa trong nước cường toan là một ví dụ.
(28)

Các trạng thái oxy hóa của các ngun tố được trình bày dưới đây.
•

Bảng 4. Các trạng thái oxy hóa xảy ra khi hòa tan chu sa trong nước
cường toan

Nửa phản ứng oxy hóa xương là


(29)
Thêm vào Hg 2+ để hoàn thành chất phản ứng HgS dẫn đến
(30)
Sản phẩm được hoàn thành bằng cách bổ sung đủ H + và Cl - , là khán giả của q
trình oxy hóa khử.
(31)
Đây là một nửa phản ứng oxy hóa .
Nửa phản ứng khử xương liên quan đến quá trình khử nitơ(V) thành nitơ(II).
(32)
Thêm O 2- và H + vừa đủ để tạo thành HNO 3 ; điều này cũng đáp ứng sự cần thiết
cho KHÔNG.
(33)
Các ion oxit ở phía bên tay phải được chuyển thành nước bằng cách thêm H + vừa
đủ .
(34)
Đây là nửa phản ứng giảm.
Để cân bằng các electron, phương trình 31 phải được nhân với 3 và phương trình
34 với 2. Cộng các phương trình kết quả sẽ mang lại
(35)
Loại bỏ các thuật ngữ thông thường và xác định rằng H + và Cl - tạo ra HCl, thu
được phương trình cân bằng cuối cùng .

(36)
4. Kết luận


Trạng thái oxy hóa có thể được sử dụng bởi sinh viên đại học năm thứ nhất để cân
bằng các phản ứng oxy hóa khử thậm chí phức tạp mà khơng cần ghi nhớ các thuật
tốn phức tạp; u cầu là họ có thể xác định các cặp oxi hóa và khử. Việc học được
nâng cao khi độ phức tạp của (các) khái niệm được giảm bớt và được kết nối với
các khái niệm đã biết (ngữ cảnh).11 Trình bày một phương pháp chỉ dựa trên các
nguyên tắc hóa học mà khơng cần dùng đến các quy trình tốn học phức tạp. Trong
phương pháp được phác thảo và minh họa ở đây, sự thay đổi số oxi hóa được liên
kết trực tiếp với số lượng electron cần thiết cho quy trình. Cách tiếp cận này tận
dụng phép tính gần đúng liên quan đến định nghĩa trạng thái oxy hóa (xấp xỉ ion)
và khái niệm ion khán giả để cho phép học sinh tiếp thu các định nghĩa về quá trình
oxy hóa và khử tương ứng là sự mất và nhận electron. Điều quan trọng là phải liên
hệ rõ ràng quá trình oxy hóa/khử với các ngun tử bị oxy hóa/khử vì một tỷ lệ lớn
học sinh xác định sai các loại liên quan đến chuyển điện tử. 7 Người ta hy vọng rằng
các nhà giáo dục sẽ thấy phương pháp này hữu ích trong việc cải thiện sự hiểu biết
về các khái niệm hóa học của học sinh.