Xây dựng hệ thống bài tập phản ứng oxi hóa khử bậc đại học

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

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC VIẾT TẮT ................................................................. 4
MỞ ĐẦU ............................................................................................ 5
1. Lí do chọn đề tài ................................................................................. 5
2. Mục đích xây dựng .......................................................................... 6
3. Nhiệm vụ của đề tài ............................................................................ 6
4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 6
5. Giả thuyết khoa học ............................................................................ 6
6. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 6
7. Điểm mới của đề tài ............................................................................ 6

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................... 7
1.1. Mở đầu ............................................................................................. 7
1.1.1. Khái niệm, phân loại ..................................................................... 7
1.1.1.1. Khái niệm ................................................................................... 7
1.1.1.2. Phân loại .................................................................................... 8
1.1.2. Một số phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa - khử ............. 10
1.2. Khả năng oxi hóa - khử của các chất vô cơ ở điều kiện
chuẩn ................................................................................................................. 13
1.3. Khả năng oxi hóa - khử của các chất vô cơ ở điều kiện không
chuẩn ..................................................................................................... 14
1.3.1. Phương trình Nernst .................................................................... 14
1.3.2. Ứng dụng của phương trình Nernst ............................................ 15
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thế điện cực ...................................... 16
1.3.4. Giản đồ Latimer .......................................................................... 19

GVHD. Hoàng Quang Bắc

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

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

DANH MỤC VIẾT TẮT

BSCNN

: Bội số chung nhỏ nhất

OXH

: Oxi hóa

CK

: Chất khử

HDTL

: Hướng dẫn trả lời

CNH

: Công nghiệp hóa

HĐH

: 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

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Ngày nay, cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trên thế giới diễn ra mạnh
mẽ với tốc độ nhanh chóng mặt. Theo tính toán của các nhà khoa học thì cứ
bình quân khoảng 4- 5 năm thì khối lượng tri thức nhân loại tăng lên gấp đôi
cũng theo đà đó thì hóa học không phải là ngoại lệ. Vì vậy trong xu thế toàn
cầu hóa hiện nay, việc trang bị kiến thức nhằm tạo ra những con người có đủ
năng lực trình độ để nắm bắt khoa học kỹ thuật, đủ bản lĩnh để làm chủ vận
mệnh đất nước là vấn đề sống còn của Quốc gia. Tuy nhiên trên thực tế cho
thấy công nghiệp đã phát triển trong khi đó nguồn lao động chân tay lại chiếm
ưu thế rất lớn so với đội ngũ cán bộ kỹ thuật. Điều đó làm ảnh hưởng rất lớn
tới tốc độ và kết quả của quá trình CNH, HĐH đất nước.Vậy một câu hỏi đặt
ra là chúng ta sẽ phải làm gì trước tình hình đó.
Trả lời điều này, đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ IX của Đảng cộng
sản Việt Nam đã họp và khẳng định: "Phát triển giáo dục - đào tạo là một
trong những động lực quan trọng thúc đẩy sự nghiệp CNH, HĐH, là điều kiện
phát huy nguồn lực con người, yếu tố cơ bản để phát triển xã hội, tăng trưởng
kinh tế nhanh và bền vững". Bởi vậy, “Nâng cao dân trí - Đào tạo nhân lực –
Bồi dưỡng nhân tài” luôn là nhiệm vụ hàng đầu của giáo dục - đào tạo. Trong
đó việc đào tạo và bồi dưỡng kiến thức cho sinh viên là nhiệm vụ tất yếu của
mỗi trường đại học và của mỗi giảng viên. Trong những năm gần đây, Bộ
giáo dục và đào tạo đã khuyến khích sử dụng đa dạng các phương pháp dạy
học tích cực nhằm hoạt động hóa người học. Muốn được như vậy thì nguồn
bài tập, câu hỏi phải phong phú, đa dạng.
Tuy vậy, với môn học có mức độ tư duy cao và một khả năng vận dụng
kiến thức tổng hợp thì việc chuẩn bị các dạng câu hỏi TNKQ là dường như

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


Nghiên cứu đưa ra hệ thống câu hỏi và các dạng bài tập.



Nghiên cứu hướng dẫn đưa ra cách giải, phân loại thành hệ thống hóa

kiến thức và bao quát nội dung môn học của chương.
4. Phạm vi nghiên cứu
 Sinh viên trường đại học, học sinh trung học phổ thông.


Nâng cao chất lượng dạy và học tích cực, hoạt động hóa người học, đáp

ứng mục tiêu giáo dục hiện nay.
5. Giả thuyết khoa học
Giải pháp quan trọng cho việc nâng cao năng lực tự học của sinh viên,
vận dụng linh hoạt lí thuyết đã học vào việc giải bài tập lí thuyết, dạng bài tập
ứng dụng thực tiễn trong đời sống và sản xuất.
6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu, thực tế giảng dạy.
7. Điểm mới của đề tài
Bài tập đa dạng khái quát toàn bộ nội dung lí thuyết.
GVHD. Hoàng Quang Bắc

6

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa

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.

GVHD. Hoàng Quang Bắc

7

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

+ Đối với các phân tử và ion đa nguyên tử, liên kết cộng hóa trị, số oxi hóa
của các nguyên tố được tính theo các nguyên tắc trên.Về nguyên tắc, để xác định
số oxi hóa phải biết cấu tạo phân tử và độ âm điện tương đối của các nguyên tố,
tuy nhiên trong thực tế, có thể xác định số oxi hóa của các nguyên tố trong hợp
chất thông thường dựa vào các tiêu chuẩn sau:


Hiđro thường có số oxi hóa là +1, trừ trường hợp các hiđrua kim

loại, trong đó hiđro có số oxi hóa là -1.


Oxi thường có số oxi hóa là -2, trừ trường hợp F2O (+2) và các

peoxit (-1).


Tổng số số oxi hóa của tất cả các nguyên tố của phân tử bằng 0; còn

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:



Fe + 2HCl

FeCl2 + H2

Chỉ có một quá trình oxi hoá và một quá trình khử.
Quá trình oxi hoá: Fe



Fe2+ + 2e



2H ++ 2e

Quá trình khử :

H2

b) Loại có sự tham gia của môi trường
+ Môi trường phản ứng có thể là chất oxi hoá :
VD: 3 Cu + 8HNO3 

3Cu(NO3)2 + 2 NO + 4H2O

HNO3 vừa là chất oxi hóa vừa đóng vai trò môi trường.
+ Môi trường chính là chất khử:
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

 N2O + 2H2O

Nguyên tố đó là N
d) Loại phản ứng tự oxi hoá - khử
Chất khử và chất oxi hoá là cùng một nguyên tố trong chất đó:
Cl2 + 2NaOH
GVHD. Hoàng Quang Bắc



NaCl + NaClO + H2O
9

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Nguyên tố clo vừa là chất khử vừa là chất oxi hóa.
e) Loại phức tạp.
Có nhiều quá trình oxi hoá và khử ( 3 quá trình trở lên). Trong loại này
cũng có thể có sự tham gia của môi trường, phản ứng nội phân tử hay phản
ứng tự oxi hoá khử .
VD:
+ 4FeS2 + 11O2  2Fe2O3 + 8SO2
+ 2 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

10

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp
b) Phương pháp cân bằng ion- electron

Cân bằng theo phương pháp ion-electron áp dụng cho các phản ứng oxi
hóa – khử xảy ra trong dung dịch có sự tham gia của môi trường : Axit, bazơ,
nước. Khi cân bằng cũng sử dụng theo 4 bước như phương pháp thăng bằng
electron nhưng chất oxi hóa, chất khử được viết đúng dạng mà nó tồn tại trong
dung dịch theo nguyên tắc sau:
1. Nếu phản ứng có axit tham gia:
+ Vế nào thiếu bao nhiêu O thêm bấy nhiêu H2O để tạo ra H+ ở vế kia và
NO3-  NO

ngược lại. Ví dụ :

Vế phải thiếu 2 O, thêm vế phải 2H2O để tạo vế trái 4 H+ sau đó cân bằng
điện tích của bán phản ứng :

NO3- + 4H+ + 3e  NO +2H2O

2. Nếu phản ứng có bazơ tham gia :
+ Vế nào thiếu bao nhiêu O thêm lượng OH- gấp đôi để tạo H2O ở vế
kia và ngược lại. Ví dụ : Cr2O3

 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

Ta có: Fe : a = 2c
S : 2a = d
O : 2b = 3c + 2d
Chọn c = 1 thì a=2, d=4, b = 11/2
Nhân hai vế với 2 ta được phương trình:
4 FeS2 + 8O2 → 2 Fe2O3 + 8 SO2
d) 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:
4 FeS2 + 8O2 → 2 Fe2O3 + 8 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

O

-2
sè OXH gi¶m


O

-2 - 0 = -2

 4NO + 6H2O

4 NH3 + 5 O2

Ngoài các phương pháp trên có thể cân bằng theo các phương pháp sau:
f) Phương pháp electron – đại số
g) Phương pháp xuất phát từ nguyên tố chung nhất
h) Phương pháp electron – điện tích
1.2. Khả năng oxi hóa - khử của các chất vô cơ ở điều kiện chuẩn
Điều kiện chuẩn:
T = 298K
P = 1atm
[ ] = 1M
Ta đã biết, đối với phản ứng oxi hóa khử ở trạng thái chuẩn, giữa ΔG0
và E0pin có liên quan với nhau bởi phương trình:
Năng lượng tự do Gip: ΔG0 = -nFE0
n là số electron trao đổi
F là hằng số Faraday
F = 96500(Culong/mol)

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

n.E0
0,059

1.3 Khả năng oxi hóa - khử của các chất vô cơ ở điều kiện không chuẩn [1,3]
(T.P = const)
1.3.1.Phương trình Nernst
Đối với phản ứng oxi hóa khử dạng tổng quát:
n1 Ox1 + n2Kh2 →

n1Kh1 + n2Ox2

Khi phản ứng xảy ra trong dung dịch loãng, ta có hệ thức:
ΔG = ΔG0 + RTlnK

K=

[Kh]
[Ox]

ΔG là biến thiên năng lượng tự do Gip của phản ứng ở điều kiện khác với
điều kiện chuẩn.
ΔG0 là biến thiên năng lượng tự do Gip của phản ứng ở điều kiện chuẩn.
Ta biết rằng:
ΔG0= -nFE0
→ -nFEpu = -nFE0 + RTlnK

 Epu = E0 -

RT
ln K

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

Khóa luận tốt nghiệp

hóa - khử vào nồng độ của dạng oxi hóa và dạng khử của nó. E0 là thế khử
tiêu chuẩn của cặp.
Đối với các cặp kiểu: Mn+ + ne → M
Ở đây M là kim loại, Mn+ ion kim loại tương ứng, dạng khử là các kim
loại ở thể rắn, nồng độ dạng khử chỉ phụ thuộc vào số nguyên tử nằm trên bề
mặt nên được xem là cố định, biểu thức Nernst có dạng:
E = E0 -

0,059
lg[Mn+ ]
n

(3)

Các công thức (2), (3) chỉ áp dụng cho các trường hợp khi chỉ có dạng oxi
hóa và dạng khử tham gia phản ứng. Trong nhiều trường hợp các ion H+ và OHcũng tham gia phản ứng hay được tạo thành như là sản phẩm của phản ứng.
Chú ý: Trong mọi trường hợp khi mà nồng độ của các chất bị sai lệch đi
so với điều kiện chuẩn thì giá trị của thế điện cực và sức điện động của pin
đều bị thay đổi. Điều đó có thể làm thay đổi chiều hướng hoặc mức độ diễn
biến của phản ứng oxi hóa – khử.
1.3.2. Ứng dụng của phương trình Nernst [1,3]
 Tính thế của bán phản ứng
Ox + ne → Kh

Epu =E0 +

0,059 [Ox]

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

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp
Có thể tiến hành theo 2 cách:

Áp dụng phương trình Nernst tính thế của từng bán phản ứng sau đó tổ
hợp lại.
Epu = EOx - EKh
Áp dụng phương trình Nernst tính thế của toàn phản ứng. Cách này
ngắn gọn hơn.
0,059 [Ox]n [Kh]n
Epu =E +
lg
n1n 2 [Ox]n [Kh]n
0
pu

2

1

1

2

Nếu Epu >0 phản ứng diễn ra theo chiều thuận.
Nếu Epu <0 phản ứng diễn ra theo chiều ngược lại.
VD:
a) Tính thế chuẩn của pin gồm điện cực Zn2+/Zn và Cu2+/Cu
b) Nếu giữ nồng độ của Zn2+ không đổi và bằng 1M, còn nồng độ của

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 )

2

10

2

Vậy khi tăng nồng độ của Cu2+ lên 10 lần thế của pin chỉ tăng thêm ≃ 0,03V
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thế điện cực
a) Ảnh hưởng của sự thay đổi nồng độ
Khi thay đổi nồng độ của các chất oxi hóa và chất khử thì thế của mỗi
điện cực và sức điện động của pin đều thay đổi.

GVHD. Hoàng Quang Bắc

16

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

b) Ảnh hưởng của sự tạo thành hợp chất ít tan
Nếu trong dung dịch có mặt của cấu tử tạo hợp chất ít tan với dạng khử
hoặc dạng oxi hóa đều làm cho thế điện cực thay đổi.
+ Nếu tạo hợp chất ít tan với dạng OXH làm cho thế điện cực giảm.
+ Nếu tạo hợp chất ít tan với dạng khử làm cho thế điện cực tăng.
+ Nếu tạo hợp chất ít tan với cả dạng khử và dạng oxi hóa thì dạng nào
bền hơn sẽ quyết định đến thế khử.

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

phản ứng được với các dung dịch axit loãng. Nhưng thực tế Ag có thể tác
dụng với dung dịch HI 1M để giải phóng H2 .
Ag + H+ + IAg + I-

AgI +1/2 H2

AgI + 1e

Ag+ + 1e → Ag↓
E = E0 + 0,059lg[Ag+]
T= [Ag+].[I-] = 8,3.10-17
→

[Ag+] = 8,3.10-17

E = 0,8 +0,059.lg(8,3.10-17) = - 0,149V < E 0 2H

Epu =E0 2H

+

H2

- EAg

+

H2

= 0 + 0,149 = 0,149V > 0

+

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.

VD: Dựa vào thế điện cực chuẩn thì Ag không phản ứng được với dung
dịch HCN nhưng thực tế có xảy ra phản ứng do tạo thành phức chất
[Ag(CN)2]2Ag + 4HCN
Ag+ + 2CN-

2H[Ag(CN)2] + H2
[Ag(CN)2]- với Kb =7.1019

Hãy giải thích thực tế đó.
Áp dụng phương trình Nernst cho nửa phản ứng
[Ag(CN)2]- + 1e
E= E0Ag

Ag + 2CN-

+0,059.lg[Ag+ ]

+

Ag

Ag  CN 2 
,
Kb =  +
[Ag ].[CN- ]2
-

Khi [Ag(CN)2]- = [CN]- = 1M thì [Ag+] =
Vậy E = E Ag CN




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

chuẩn.
Epu >0 phản ứng diễn biến theo chiều thuận
→ Ag tác dụng được với HCN 1M giải phóng H2
d) Ảnh hưởng của môi trường
Đối với quá trình oxi hóa khử có ion H+ hoặc OH- tham gia thì thế của quá
trình phụ thuộc cả vào giá trị pH của môi trường, vì vậy sự thay đổi pH của dung
dịch sẽ ảnh hưởng tới chiều tự diễn biến của phản ứng oxi hóa – khử.
MnO-4 + 8H+ + 5e

Mn 2+ + 4H2O

Mn 2+ 
0,059
E= E lg
8
5
MnO-4  . H+ 
0

E phụ thuộc vào pH của môi trường: môi trường axit càng mạnh ([H +]
càng lớn) khả năng oxi hóa của MnO4- càng mạnh.
1.3.4. Giản đồ Latimer
1.3.4.1. Giản đồ
E
E
E
A 
 A1 
 A 2 ... 
 An

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

+n e
A 
A1 

 A3
E
E
1
0
1

2
0
2

E03

GVHD. Hoàng Quang Bắc

19

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

E30 =

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 

 A2
0
1

0
2

+ Nếu E01 > E02 sẽ xảy ra sự hợp phân : A + A2 →
A1 →

+ Nếu E02 > E01 sẽ xảy ra sự dị phân :

A1
A + A2

+0,77V
-0,44V
 Fe2+ 
 Fe
VD: Fe3+ 

E01 > E02 xảy ra sự hợp phân
2Fe3+ + Fe →

3Fe2+

c) Dự đoán sản phẩm của phản ứng oxi hóa - khử
VD : KMnO4 + HI trong trường hợp:
+ HI dư
+ KMnO4 dư

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

20

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Từ giản đồ ta thấy 3 tiểu phân không bền với sự dị phân là HOI,MnO42-,
Mn3+.
Ngoài ra Mn cũng không bền nên trong môi trường axit nên ta không
cần xét tới chúng.
Do đó giản đồ cần xét đơn giản như sau:
1,7
1,23
MnO-4 
 MnO2 
 Mn 2+
1,7
1,2
0,54
H5IO6 
 IO3- 
 I3- 
I-

+ Trường hợp HI dư: (nhỏ từng giọt KMnO4 vào HI) thì khi đó sản
phẩm của phản ứng cần phải phù hợp với sự hiện diện của ion iodua..
IO-3 không thể hình thành được bởi nó tác dụng với I- dư để tạo ion I-3

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

Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp
*Xét độ bền của các dạng :

C

A
ΔG<0

B
ΔG<0

A
B

C
Hình a

Hình b

A,C : bền

A,C : không bền

B: không bền

B: bền

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

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa


Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp
Các kết quả được vẽ trên hình 1.3.5.

Hãy xem xét đoạn nối H2O2 và H2O:
Ở điểm tương ứng với số oxi hóa -1 thì nE0 = -0,70V, ở điểm tương
ứng với số oxi hóa -2 thì nE0 = -2,46V. Vậy sự chênh lệch đó là -1,76V.
Sự thay đổi số oxi hóa từ H2O2 đến H2O là -1. Do đó E0 đối với cặp
H2O2/ H2O là (-1,76)/(-1) = 1,76V là phù hợp với giản đồ Latimer.
nE0 (V)
1

0

(-1; -0,70)

-1

-2
(-2;-2,46).
Số OXH
-2

-1

0

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

nhau thì electron chuyển từ phức chất này sang phức chất kia.
Ví dụ:
Fe2+.aq + Ce4+. aq → Fe3+.aq + Ce3+.aq
Hai cơ chế chung của quá trình trao đổi electron là cơ chế ngoại cầu và
cơ chế nội cầu. Đối với cơ chế ngoại cầu, mỗi phức chất hoàn toàn giữ
nguyên vỏ phối trí của mình và electron đi qua cả hai vỏ phối trí đó. Đối với
cơ chế nội cầu, hai phức tạo ra một sản phẩm trung gian, trong đó ít ra có một
phối tử chung, nghĩa là thuộc sở hữu đồng thời của cả hai cầu phối trí.
1.4.1. Cơ chế truyền electron – Cơ chế cầu nội và cơ chế cầu ngoại.
 Cơ chế ngoại cầu.
Cơ chế này đúng khi phản ứng trao đổi phối tử giữa hai chất tham gia
phản ứng diễn ra chậm hơn nhiều so với quá trình chuyển electron.
Ví dụ:
[FeII(CN)6 ]4- + [ IrIV(Cl)6 ]2- = [FeIII(CN)6 ]3- + [IrIII(Cl)6 ]3Hai phức chất phản ứng đều thuộc loại phức chất trơ. Thời gian bán chuyển
hoá 1/2 đối với quá trình hidrat hoá trong dung dich 0,1M lớn hơn 0,1 ms, còn
phản ứng chuyển electron ở 250C có hằng số tốc độ khoảng 105 l.mol-1.s-1.
 Cơ chế cầu nội.
H.Taube và trường phái của ông bằng thực nghiệm đã chứng minh
nhiều phản ứng diễn ra qua trạng thái chuyển tiếp chứa cầu phối tử.
Ví dụ:
[Co(NH3)5X]2+ +[Cr(hiđ)]2++5H3O+ = [Cr(H2O)5X]2++ [Co(hiđ)]2+ + 5NH4+(*)
(ở đây X = F-, Cl-, Br-, I-, SO42-, NCS-, N3- , PO43-, P2O74-, CH3COO-,
C3H7COO-, cromat, sucxinat, oxalat, maleat).
GVHD. Hoàng Quang Bắc

24

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa

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.

GVHD. Hoàng Quang Bắc

25

SV. Phạm Thị Hiền K35B – Hóa