Giáo án Bài 15. Phản ứng oxi hoá – khử

Tạo tình huống có vấn đề: HS nhận ra trong phản ứng có sự chuyển electron giữa các nguyên tử, từ đó nêu được nhiệm vụ học tập của bài.

HS quan sát mô phỏng 3D trên trang bài học NeoEdu: nhúng đinh sắt sạch vào cốc dung dịch $\mathrm{CuSO_4}$ 0,1 M. Trả lời ba câu hỏi: (1) Lớp chất rắn màu đỏ bám trên đinh sắt là chất gì? (2) Vì sao dung dịch nhạt màu dần? (3) Giữa Fe và $\mathrm{Cu^{2+}}$ có sự trao đổi hạt nào không? Hạt đó là gì?

Dự kiến của HS: lớp đỏ là kim loại đồng (Cu) bám lên; dung dịch nhạt màu vì ion $\mathrm{Cu^{2+}}$ bị giảm dần; có sự chuyển electron từ Fe sang $\mathrm{Cu^{2+}}$.
Nhiệm vụ học tập GV ghi lên bảng: Làm thế nào mô tả sự chuyển electron này bằng số oxi hoá và các khái niệm oxi hoá, khử?

Nêu được khái niệm số oxi hoá; xác định được số oxi hoá của nguyên tử trong đơn chất, hợp chất và ion.

HS làm việc theo kĩ thuật mảnh ghép với 4 nhóm chuyên gia, mỗi nhóm nghiên cứu một trường hợp: đơn chất; hợp chất trung hoà; ion; ngoại lệ với peroxide và hydride kim loại. Nhóm hoàn thành Phiếu học tập số 1, sau đó ghép nhóm mới để chia sẻ.
Nhiệm vụ chính: (a) Nêu khái niệm số oxi hoá và quy tắc tổng số oxi hoá nhân số nguyên tử bằng điện tích phân tử hoặc ion. (b) Xác định số oxi hoá của S trong $\mathrm{H_2SO_4}$, Mn trong $\mathrm{MnO_4^-}$, O trong $\mathrm{H_2O_2}$, Fe trong Fe và trong $\mathrm{Fe_2O_3}$. (c) Nêu ngoại lệ của O, H và F.

Khái niệm: số oxi hoá là điện tích quy ước của nguyên tử khi giả định mọi liên kết trong phân tử đều là liên kết ion; không nhất thiết là điện tích thật trong liên kết cộng hoá trị.
Quy tắc HS rút ra:

• Đơn chất: số oxi hoá của nguyên tử bằng 0.
• Tổng số oxi hoá nhân số nguyên tử bằng điện tích phân tử (bằng 0) hoặc điện tích ion: $\sum_i n_i\,x_i = q$.
• H thường +1, O thường −2, F luôn −1 trong hợp chất.
• Ngoại lệ: O trong peroxide ($\mathrm{H_2O_2}$) có −1; H trong hydride kim loại (ví dụ $\mathrm{LiH}$) có −1.
  Kết quả: S trong $\mathrm{H_2SO_4}$ là +6; Mn trong $\mathrm{MnO_4^-}$ là +7; O trong $\mathrm{H_2O_2}$ là −1; Fe trong Fe là 0 và trong $\mathrm{Fe_2O_3}$ là +3.

Nêu được khái niệm chất oxi hoá, chất khử, quá trình oxi hoá, quá trình khử và phản ứng oxi hoá – khử; xác định được chúng trong phản ứng của kim loại với dung dịch muối và với acid.

HS làm theo nhóm thí nghiệm kết hợp kĩ thuật khăn trải bàn:
(1) Thí nghiệm thật dưới sự hướng dẫn của GV: nhúng đinh sắt sạch vào ống nghiệm chứa khoảng 5 mL dung dịch $\mathrm{CuSO_4}$ loãng, quan sát trong 5 phút, ghi hiện tượng.
(2) Quan sát mô phỏng trên NeoEdu: nhúng đinh sắt vào $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng; kính lúp cho thấy Fe nhường electron cho $\mathrm{H^+}$.
Nhiệm vụ: điền Phiếu học tập số 2 gồm số oxi hoá trước và sau phản ứng của Fe và Cu (hoặc H), số electron nhường hoặc nhận, và xác định chất khử, chất oxi hoá, quá trình oxi hoá, quá trình khử. Dùng ví dụ $\mathrm{Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu}$ để kiểm tra lại.

Phản ứng: $\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}$.
Bảng HS điền:

• Fe: số oxi hoá 0 → +2; nhường 2 electron; là chất khử; bị oxi hoá; quá trình $\mathrm{Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e}$ là quá trình oxi hoá.
• $\mathrm{Cu^{2+}}$: số oxi hoá +2 → 0; nhận 2 electron; là chất oxi hoá; bị khử; quá trình $\mathrm{Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu}$ là quá trình khử.
• Số electron nhường bằng số electron nhận.
  Với $\mathrm{H_2SO_4}$ loãng: $\mathrm{H^+}$ nhận electron thành $\mathrm{H_2}$ (bọt khí), Fe là chất khử.
  Kết luận HS rút ra: chất khử là chất nhường electron, số oxi hoá tăng; chất oxi hoá là chất nhận electron, số oxi hoá giảm; phản ứng có sự thay đổi số oxi hoá của một số nguyên tố là phản ứng oxi hoá – khử. Trong ví dụ Zn là chất khử, $\mathrm{Cu^{2+}}$ là chất oxi hoá.

Lập được phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử bằng phương pháp thăng bằng electron.

GV hướng dẫn cả lớp cân bằng $\mathrm{Fe + O_2 \rightarrow Fe_2O_3}$ theo sáu bước trong Phiếu học tập số 3: (1) xác định số oxi hoá thay đổi; (2) viết quá trình oxi hoá và quá trình khử; (3) tìm hệ số sao cho số electron nhường bằng số electron nhận; (4) đặt hệ số vào phương trình; (5) kiểm tra số nguyên tử từng nguyên tố và điện tích; (6) rút gọn hệ số về nguyên tối giản. Sau đó nhóm cân bằng $\mathrm{Al + Cu^{2+} \rightarrow Al^{3+} + Cu}$.

Với $\mathrm{4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3}$:

• Mỗi Fe từ 0 lên +3 nhường 3 electron; 4 nguyên tử Fe nhường tổng 12 electron.
• Mỗi O từ 0 xuống −2 nhận 2 electron; 6 nguyên tử O nhận tổng 12 electron.
• Cân bằng electron, kiểm tra Fe = 4 và O = 6 ở cả hai vế.
• Hệ số: 4, 3, 2; tổng ba hệ số là 9.
  Với $\mathrm{Al + Cu^{2+} \rightarrow Al^{3+} + Cu}$: $\mathrm{Al \rightarrow Al^{3+} + 3e}$ (nhân 2); $\mathrm{Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu}$ (nhân 3); phương trình cân bằng: $\mathrm{2Al + 3Cu^{2+} \rightarrow 2Al^{3+} + 3Cu}$; hai vế đều có điện tích +6; 6 electron nhường bằng 6 electron nhận.
  HS rút ra công thức: $\sum n_{e,\,\text{nhường}} = \sum n_{e,\,\text{nhận}}$.

Vận dụng quy tắc số oxi hoá, khái niệm chất khử, chất oxi hoá và cân bằng electron để giải bài tập; đánh giá đúng sai các phát biểu về phản ứng oxi hoá – khử.

HS làm cá nhân trong 6 phút các bài tập ghi trên bảng phụ:
Bài 1. Số oxi hoá của S trong $\mathrm{H_2SO_4}$ là bao nhiêu?
Bài 2. Số oxi hoá của O trong $\mathrm{H_2O_2}$ là bao nhiêu?
Bài 3. Trong $\mathrm{Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu}$, chất oxi hoá là: A. Zn; B. $\mathrm{Cu^{2+}}$; C. Cu sau phản ứng; D. $\mathrm{Zn^{2+}}$.
Bài 4. Một ion $\mathrm{Fe^{2+}}$ biến thành $\mathrm{Fe^{3+}}$ nhường bao nhiêu electron?
Bài 5. Đánh giá: a) Chất khử có số oxi hoá tăng; b) Chất oxi hoá là chất bị oxi hoá; c) Tổng electron nhường bằng tổng electron nhận; d) $\mathrm{HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O}$ là phản ứng oxi hoá – khử vì toả nhiệt.
Bài 6. Cân bằng $\mathrm{Al + Cu^{2+} \rightarrow Al^{3+} + Cu}$ và kiểm tra điện tích. Sau đó 2 HS đổi bài cho nhau kiểm tra.

Đáp án:

• Bài 1: +6 (vì $2(+1) + x + 4(-2) = 0$).
• Bài 2: −1 (vì $2(+1) + 2x = 0$; peroxide là ngoại lệ).
• Bài 3: B. $\mathrm{Cu^{2+}}$ nhận 2 electron và bị khử.
• Bài 4: 1 electron (số oxi hoá tăng từ +2 lên +3).
• Bài 5: a) Đúng; b) Sai (chất oxi hoá bị khử); c) Đúng; d) Sai (không có nguyên tố nào thay đổi số oxi hoá; phản ứng trung hoà không phải phản ứng oxi hoá – khử, toả nhiệt không phải tiêu chí phân loại).
• Bài 6: $\mathrm{2Al + 3Cu^{2+} \rightarrow 2Al^{3+} + 3Cu}$; bảo toàn Al, Cu và điện tích +6 ở hai vế.

Nêu được ý nghĩa của phản ứng oxi hoá – khử trong đời sống và sản xuất; vận dụng khái niệm chất khử, chất oxi hoá để giải thích một số ứng dụng thực tế.

HS làm việc nhóm 4 người, mỗi cặp chọn một ứng dụng trong các ứng dụng: đốt nhiên liệu trong động cơ và nhà máy nhiệt điện; luyện gang từ quặng $\mathrm{Fe_2O_3}$ bằng CO; pin và acquy; chống ăn mòn kim loại và xử lí nước bằng chất oxi hoá. Nhiệm vụ: (1) xác định chất khử và chất oxi hoá trong ứng dụng đã chọn; (2) cân bằng phương trình $\mathrm{Fe_2O_3 + CO \rightarrow Fe + CO_2}$ bằng phương pháp thăng bằng electron; (3) nêu một lợi ích và một tác hại cần kiểm soát trong thực tế. Có thể giao phần này làm bài tập về nhà.

Phương trình luyện gang cân bằng: $\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2}$.
Lập luận: mỗi Fe từ +3 xuống 0 nhận 3 electron, 2 nguyên tử Fe nhận 6 electron; mỗi C từ +2 lên +4 nhường 2 electron, 3 nguyên tử C nhường 6 electron.
Ứng dụng tiêu biểu HS trình bày: đốt nhiên liệu – C và H trong nhiên liệu là chất khử, O₂ là chất oxi hoá, giải phóng năng lượng; pin và acquy – kim loại là chất khử, ion trong dung dịch hoặc chất oxi hoá trong pin nhận electron, tạo dòng điện; chống ăn mòn – kim loại bị oxi hoá trong môi trường ẩm, biện pháp như sơn phủ hoặc mạ làm ngăn cản quá trình này.