Số oxi hóa, chất oxi hóa–chất khử và cân bằng bằng nửa phản ứng

Số oxi hóa ghi lại điều gì

Số oxi hóa là điện tích mà một nguyên tử sẽ mang nếu mọi liên kết giữa các nguyên tử khác nhau hoàn toàn là liên kết ion, với các electron dùng chung được gán cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn; electron dùng chung giữa các nguyên tử giống hệt nhau được chia đều. Đó là một phép đếm hình thức, không phải điện tích đo được. Trong nước, oxi được gán −2 và mỗi hiđro +1, dù các điện tích riêng phần thực tế nhỏ hơn nhiều.

Sự oxi hóa là sự tăng số oxi hóa, tương ứng với việc mất electron. Sự khử là sự giảm số oxi hóa, tức nhận electron. Hai quá trình này luôn xảy ra cùng nhau, vì electron do một loại mất đi phải được loại khác nhận. Trong mọi phương trình oxi hóa–khử, tổng độ tăng số oxi hóa bằng tổng độ giảm, và mọi phương pháp cân bằng đều dựa trên sự bằng nhau đó.

Xác định số oxi hóa theo thứ tự ưu tiên

Hãy áp dụng các quy tắc từ đầu danh sách xuống. Khi hai quy tắc mâu thuẫn, quy tắc ở trên thắng, và nguyên tử chưa biết cuối cùng trong công thức được tìm bằng hiệu số.

Với ion đihiđro photphat, H₂PO₄⁻: 2(+1) + P + 4(−2) = −1, nên P = +5. Với ion tetrathionat, S₄O₆²⁻: 4S + 6(−2) = −2, nên bốn nguyên tử lưu huỳnh cộng lại là +10 và trung bình là +2.5. Kết quả phân số có nghĩa là các nguyên tử của cùng một nguyên tố nằm trong những môi trường khác nhau và số được báo cáo là giá trị trung bình. Magnetit, Fe₃O₄, trung bình là +8/3 vì chứa một Fe²⁺ cho mỗi hai Fe³⁺.

• Nguyên tử trong đơn chất là 0 (Fe, O₂, S₈).
• Ion đơn nguyên tử bằng điện tích của nó (Mg²⁺ là +2, Br⁻ là −1).
• Các số oxi hóa trong một công thức cộng lại bằng điện tích tổng của nó.
• Flo là −1 trong mọi hợp chất của nó.
• Kim loại nhóm 1 là +1 và kim loại nhóm 2 là +2 trong các hợp chất.
• Hiđro là +1 với phi kim và −1 trong các hiđrua kim loại như NaH.
• Oxi thường là −2, nhưng là −1 trong peoxit (H₂O₂), −½ trong supeoxit (KO₂), và +2 trong OF₂.
• Clo, brom và iot thường là −1, trừ khi liên kết với oxi hoặc với một halogen nhẹ hơn.

Gọi tên chất oxi hóa và chất khử

Chất oxi hóa nhận electron và làm cho chất khác bị oxi hóa, nên chính nó bị khử. Chất khử nhường electron và chính nó bị oxi hóa. Hãy gọi tên cả loại chứ không chỉ một nguyên tử.

Xét 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l). Sắt tăng từ +2 lên +3, nên Fe²⁺ bị oxi hóa và là chất khử. Oxi giảm từ −1 trong peoxit xuống −2 trong nước, nên H₂O₂ bị khử và là chất oxi hóa. Hiđro giữ nguyên +1 suốt quá trình. Hai ion sắt mỗi ion mất một electron và hai nguyên tử oxi peoxit mỗi nguyên tử nhận một, nên hai electron được nhường và hai được nhận.

Một loại có thể đóng cả hai vai. Trong Cl₂ + 2OH⁻ → Cl⁻ + ClO⁻ + H₂O, một nguyên tử clo đi từ 0 xuống −1 và nguyên tử kia từ 0 lên +1. Đây là phản ứng tự oxi hóa–khử, và Cl₂ vừa là chất oxi hóa vừa là chất khử.

Cân bằng bằng nửa phản ứng trong môi trường axit

Tách sự oxi hóa khỏi sự khử cho phép bạn cân bằng từng sự chuyển electron riêng, rồi gộp hai nửa sao cho các electron triệt tiêu. Nước cung cấp nguyên tử oxi và H⁺ cung cấp nguyên tử hiđro vì đó là những loại thực sự có mặt trong nước có tính axit.

Ví dụ có lời giải 1. Trong axit, đicromat oxi hóa nitrit: Cr₂O₇²⁻ + NO₂⁻ → Cr³⁺ + NO₃⁻. Crom đi từ +6 xuống +3 và nitơ từ +3 lên +5. Nửa oxi hóa: NO₂⁻ + H₂O → NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻, với điện tích −1 ở mỗi vế. Nửa khử: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O, với điện tích +6 ở mỗi vế. Sáu electron khớp với hai nguyên tử crom mỗi nguyên tử đổi ba đơn vị.

Nhân nửa oxi hóa với 3 để cả hai nửa đều có 6e⁻, rồi cộng: Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 3NO₂⁻ + 3H₂O → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3NO₃⁻ + 6H⁺. Triệt tiêu 6H⁺ và 3H₂O ở mỗi vế: Cr₂O₇²⁻ + 8H⁺ + 3NO₂⁻ → 2Cr³⁺ + 3NO₃⁻ + 4H₂O. Kiểm tra: Cr 2 và 2; N 3 và 3; O 7 + 6 = 13 và 9 + 4 = 13; H 8 và 8; điện tích −2 + 8 − 3 = +3 và +6 − 3 = +3.

• Tách phương trình khung thành một nửa oxi hóa và một nửa khử.
• Cân bằng mọi nguyên tố trừ O và H.
• Cân bằng O bằng cách thêm H₂O, rồi cân bằng H bằng cách thêm H⁺.
• Cân bằng điện tích bằng cách thêm electron vào vế dương hơn.
• Nhân các nửa sao cho electron khớp nhau, cộng chúng lại và triệt tiêu mọi thứ có ở cả hai vế.
• Kiểm tra nguyên tử và điện tích, và xác nhận không còn electron nào.

Chuyển phương pháp sang môi trường bazơ

Trong môi trường bazơ, OH⁻ có nhiều và phương trình cuối cùng không nên chứa H⁺. Hãy cân bằng như thể dung dịch có tính axit, rồi thêm đủ OH⁻ vào cả hai vế để biến mọi H⁺ thành nước. Thêm cùng một loại vào cả hai vế giữ cho phương trình vẫn cân bằng.

Ví dụ có lời giải 2. Hipoclorit oxi hóa crom(III) hiđroxit thành cromat trong môi trường bazơ: Cr(OH)₃ + ClO⁻ → CrO₄²⁻ + Cl⁻. Crom đi từ +3 lên +6 và clo từ +1 xuống −1. Nửa oxi hóa: Cr(OH)₃ + H₂O → CrO₄²⁻ + 5H⁺ + 3e⁻. Nửa khử: ClO⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → Cl⁻ + H₂O. Bội chung nhỏ nhất của 3 và 2 là 6, nên nhân đôi nửa thứ nhất và nhân ba nửa thứ hai.

Cộng và triệt tiêu cho 2Cr(OH)₃ + 3ClO⁻ → 2CrO₄²⁻ + 3Cl⁻ + 4H⁺ + H₂O. Thêm 4OH⁻ vào cả hai vế; ở vế phải, 4H⁺ + 4OH⁻ thành 4H₂O. Kết quả: 2Cr(OH)₃(s) + 3ClO⁻(aq) + 4OH⁻(aq) → 2CrO₄²⁻(aq) + 3Cl⁻(aq) + 5H₂O(l). Kiểm tra: Cr 2 và 2; Cl 3 và 3; O 6 + 3 + 4 = 13 và 8 + 5 = 13; H 6 + 4 = 10 và 10; điện tích −7 ở mỗi vế.

Những sai lầm thường gặp khi ghi sổ oxi hóa–khử

Hầu hết lỗi oxi hóa–khử là lỗi ghi sổ, và mỗi lỗi có một phép kiểm tra riêng.

Như phép thử cuối cùng, hãy xác nhận chỉ bằng số oxi hóa rằng electron nhường bằng electron nhận. Trong ví dụ có lời giải 2, hai nguyên tử crom mỗi nguyên tử mất 3 electron (tổng 6) và ba nguyên tử clo mỗi nguyên tử nhận 2 (cũng là 6).

• Gọi một nguyên tử là chất oxi hóa hay chất khử: hãy viết Cr₂O₇²⁻ là chất oxi hóa, chứ không phải crom.
• Đếm sự thay đổi theo từng nguyên tử thay vì theo từng công thức: Cr₂O₇²⁻ → 2Cr³⁺ cần 6 electron, không phải 3.
• Đặt electron sai vế: chúng là sản phẩm trong nửa oxi hóa và là chất phản ứng trong nửa khử. Nếu kiểm tra điện tích không đạt, hãy xem chỗ này trước.
• Cân bằng oxi bằng O, O₂ hay O²⁻ thay vì H₂O. Ion oxit tự do không tồn tại trong nước.
• Để lại H⁺ trong đáp án môi trường bazơ, hoặc quên triệt tiêu nước sau khi thêm OH⁻.
• Cho rằng oxi luôn là −2: hãy kiểm tra peoxit, supeoxit và liên kết O–F.
• Lẫn lộn ký hiệu: số oxi hóa được viết dấu trước (+3); điện tích ion được viết số trước (3+).