SKKN Hướng dẫn học sinh cân bằng phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa – khử

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
I.1. Lí do chọn đề tài
Một thực tế ở các trường THPT hiện nay là học sinh không còn ưu tiên chọn môn khối có bộ môn Hóa học như trước đây, mà chuyển sang đăng kí học và thi các tổ hợp môn khác. Có nhiều trường, có có rất ít học sinh thi tổ hợp KHTN và số học sinh đăng kí thi tuyển đại học theo tổ hợp có môn Hóa học lại còn ít hơn nhiều, thậm chí có trường con số này bằng không.
Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tình trạng trên, trong đó có một số nguyên nhân cơ bản sau:
Thứ nhất, đồ dùng, dụng cụ dạy học còn thiếu, trang thiết bị cần thiết cho giờ học môn Hóa học ở trên lớp và thậm chí là cả giờ học thực hành, thí nghiệm còn hạn chế, làm cho các giờ học thực hành đáng lẽ ra là rất hấp dẫn lại trở thành nhàm chán, kém hiệu quả.
Thứ hai, cách trình bày, biên soạn sách giáo khoa của môn Hóa học mặc dù đã có nhiều đổi mới theo xu thế chung, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Người ta chủ yếu chú trọng kiến thức, chưa coi trọng hình thức, ít liên hệ thực tế… làm cho môn học có phần xa rời cuộc sống.
Thứ ba, nguyên nhân quan trọng nhất là kiến thức môn học khô khan, rời rạc, có nhiều nội dung kiến thức rất khó, cộng thêm các kì thi có những câu hỏi, bài tập “rất lạ”,  học sinh phải vận dụng nhiều phương pháp khác nhau – thậm chí biến đổi các chất ban đầu thành chất không có thật – mới giải được…Đáng chú ý trong chương trình Hóa học THPT, có nội dung “Phản ứng oxi hóa – khử” là phần kiến thức rất khó, đặc biệt là cách lập phương trình phản ứng oxi hóa – khử, được đưa vào ngay học kì một của lớp 10. Vô tình, nội dung này đã loại bỏ ý định học chuyên sâu hơn về môn Hóa học của nhiều học sinh. Không chỉ có vậy, nội dung kiến thức này còn theo suốt cả chương trình THPT, cùng với các kiến thức cũng không thua kém về độ khó như este, peptit, protein…lại tiếp tục là nguyên nhân gây ra hiện tượng có thêm nhiều học sinh “ từ bỏ ” môn Hóa học.
Mong muốn giúp học sinh hình thành kĩ năng lập phương trình phản ứng oxi hóa – khử, từ đó vận dụng tốt kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử, giúp các em tự tin đối mặt với môn Hóa, hơn nữa là để các em “quay trở lại” với môn Hóa học ở trường THPT. Từ đó tôi chọn đề tài “Hướng dẫn học sinh lập phương trình phản ứng oxi hóa – khử”
I.2. Mục đích, nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu của đề tài.
+ Điều tra về khả năng lựa chọn môn Hóa để thi THPT của học sinh.
+ Xây dựng và vận dụng tài liệu “Hướng dẫn học sinh cân bằng phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa – khử” vào dạy học hóa học.

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
II.1. Cơ sở lí luận và thực tiễn.
Ở trường THPT hiện nay, việc tiếp thu và vận dụng kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử nói chung, lập phương trình phản ứng oxi hóa – khử nói riêng gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt là với học sinh lớp 10, những học sinh đang còn ít nhiều cảm thấy bối rối khi chuyển đổi từ THCS lên THPT. Điều này dẫn đến hệ lụy lâu dài là làm hạn chế khả năng học tập môn Hóa Học của học sinh ở trường THPT, vì các em luôn cần đến kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử trong suốt quá trình học ở đây.
Theo đánh giá của bản thân, tôi thấy có các nguyên nhân chính sau đây:
Thứ nhất, học sinh ở THCS có thời lượng học Hóa học rất ít, mỗi tuần chỉ một đến 2 tiết, trong hai năm học lớp 8 và lớp 9. Trong các kì thi tốt nghiệp, thi vào lớp 10 không thi môn Hóa học (trừ thi vào các trường chuyên). Vì vậy các em chỉ cấn học cho xong chương trình là được, còn lại tập trung cho các môn có trong các kì thi sắp tới. Kết quả tất yếu là kiến thức tối thiểu về Hóa học của phần lớn các em không đảm bảo cho việc học Hóa ở THPT.
Thứ hai, nội dung “Phản ứng oxi hóa – khử” là phần kiến thức rất khó, đặc biệt là cách lập phương trình phản ứng oxi hóa – khử. Để học tốt phần kiến thức này đòi hỏi ở mỗi học sinh phải có một vốn kiến thức nhất định, một phương pháp học tập hiệu quả cộng với sự đam mê đích thực – là điều thực sự còn thiếu ở đa số học sinh học sinh THPT hiện nay.
Thứ ba, các nội dung đưa vào chương trình hóa học ở bậc THPT nói chung, phần phản ứng oxi hóa – khử nói riêng chỉ chú trọng về  kiến thức, không chú trọng việc liên hệ thực tế cuộc sống, để thông qua đó kích thích sự tò mò, hứng thú ở người học.
II.2. Hướng dẫn học sinh cân bằng phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa – khử.
II.2.1. Định nghĩa .
Thí dụ 1:
Số oxh của Mg tăng từ 0 lên +2, Mg nhường electron:

Số oxh của oxi giảm từ 0 về -2. Oxi nhận electrron:
→ Ở phản ứng (1): Chất oxi hóa là oxi, chất khử là Ca.
Quá trình Ca nhường electron là quá trình oxh Ca. Quá trình oxi nhận electron là quá trình khử oxi.
Thí dụ 2;
→ Ở phản ứng (2):
Quá trình Li nhường electron là quá trình oxh Li.
Quá trình clo nhận electron là quá trình khử clo.
Phản ứng này có sự thay đổi số oxi hóa, có sự cho nhận electron:

Thí dụ 3:
Trong phản ứng (3) có sự thay đổi số oxi hóa của các nguyên tố, do cặp electron góp chung lệch về clo hay nói cách khác là có sự dịch chuyển electron.  Ở các phản ứng (1), (2), (3) đều có chung bản chất, đó là sự dịch chuyển electron giữa các chất tham gia phản ứng, chúng đều là các phản ứng oxi hóa – khử.
Kết luận:
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 trong đó có sự thay đổi số oxi hóa của một số nguyên tố.
Chất oxi hóa (bị khử ) là chất thu electron, có số oxi hóa giảm xuống.
Chất khử (bị oxi hóa) là chất nhường electron, có số oxi hóa tăng lên.
Qúa trình oxi hóa (sự oxi hoá) là quá trình nhường electron, quá trình  nàyxảy ra trên chất khử.
Qúa trình khử (sự khử) là quá trình thu electron, xảy ra trên chất oxi hoá.  Sự oxi hóa và sự khử xảy ra đồng thời, nên trong phản ứng oxi hóa – khử bao giờ cũng có chất oxi hóa và chất khử.
II.2.2. Cách cân bằng phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa – khử.
Phản ứng oxi hóa – khử và kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử chiếm một phần tương đối lớn trong chương trình hóa học phổ thông. Vì vậy, lâp phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa – khử một cách thành thạo là đòi hỏi tất yếu đối với những học sinh THPT muốn học tốt môn Hóa Học. Tuy nhiên, để lập được phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa – khử và vận dụng kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử là một thách thức thực sự đối với nhiều học sinh, kể cả học sinh khá và giỏi về môn Hóa Học.
Để lập được phương trình hóa học của phản ứng oxi hóa – khử có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, sau đây xin được giới thiệu một số phương pháp cơ bản và hiệu quả nhất.
II.2.2.1. Phương pháp đại số.
Đây là phương pháp mà mọi học sinh đều có thể nghĩ tới khi lập phương trình hóa học của các phản ứng khác nhau. Phương pháp này cũng khá hiệu quả đối với các phản oxi hóa – khử không quá phức tạp.
Thí dụ 1:
Các vật bằng nhôm, ngay sau khi sản xuất liền bị oxi hóa bởi oxi không khí tạo ra lớp nhôm oxit rất mỏng ở bên ngoài. Lập phương trình hóa học của phản ứng đó, biết sơ  đồ của phản ứng như sau:
Al + O2 ⎯⎯→t0 Al2O3
Thông thường, ta xác định hệ số của O2 và Al2O3 trước. Ở đây ta thấy số nguyên tử oxi trước phản ứng là 2, sau phản ứng là 3 nguyên tử, ta sẽ đặt hệ số của của O2 và của Al2O3 sao cho số nguyên tử oxi trước phản ứng bằng số nguyên tử oxi sau phản ứng là và bằng bội số chung nhỏ nhất của 2 và 3. Vậy hệ số của O2 là 3, của Al2O3 là 2
Al + 3O2 ⎯⎯→t0 2Al2O3
Đên đây, việc xác định hệ số của Al trở nên rất dễ dàng. Ta thấy ngay, để bảo toàn nguyên tố nhôm thì hệ số của Al phải có giá trị là 4.
Đến đây ta có phương trình hóa học của phản ứng nhôm tác dụng oxi là:
4Al + 3O2 ⎯⎯→t0 2Al2O3
Lớp nhôm oxit này tuy rất mỏng nhưng nó có tác dụng ngăn không cho nhôm tiếp tục phản ứng với oxi.
Thí dụ 2:
Quá trình luyện gang, thép, xảy ra nhiều phản ứng hóa học, trong đó có phản ứng khử Fe2O3 thành Fe3O4. Lập phương trình hóa học của phản ứng đó, biết sơ  đồ của phản ứng như sau:
Fe2O3 + CO ⎯⎯→t0 Fe3O4 + CO2
Tương tự Thí dụ 1, ở đây ta xác đinh hệ số của Fe2O3 và Fe3O4 trước. Ta dễ dàng nhận thấy bội số chung nhỏ nhất của số nguyên tử sắt trước và sau phản ứng là 6, vậy hệ số của Fe2O3 là 3, của Fe3O4 là 2.
3Fe2O3 + CO ⎯⎯→t0 2Fe3O4 + CO2
Đến đây, ta sẽ xác định hệ số của CO và CO2. Có hai cách đơn giản để xác định hệ số của CO và CO2.
Cách thứ nhất, ta tiếp tục sử dụng phương pháp đại số, Gọi a là hệ số của
CO, đó cũng chính là hệ số của CO2. Áp dụng bảo toàn đối với nguyên tố oxi ta có:
3.3 + a = 2.4 + 2a → a = 1.
Phương trình hóa học sẽ là:
3Fe2O3 + CO ⎯⎯→t0 2Fe3O4 + CO2
Cách thứ hai, ta dễ dàng nhận thấy, cứ có 3Fe2O3 tạo ra 2Fe3O4, thì tách ra 1 nguyên tử oxi kết hợp vừa đủ với 1 phân tử CO tạo ra 1 phân tử CO2. Vậy, hệ số của CO, CO2 đều là 1.
Sau đó, Fe3O4 tiếp tục bị khử, cuối cùng tạo ra Fe, thành phần chính của gang, thép thông thường.
Thí dụ 3.
Thuốc nổ đen có thành phần gồm diêm tiêu, bột than và bột lưu huỳnh, đã được dùng làm thuốc cháy, thuốc nổ từ xa xưa. Lập phương trình hóa học của phản ứng đó, biết sơ đồ của phản ứng như sau:
KNO3 + C + S ⎯⎯→t0 K2S + N2 + CO2
Đây là phản ứng có nhiều chất tham gia, tạo ra nhiều sản phẩm, đặc biệt là có nhiều chất oxi hóa, làm cho học sinh sẽ gặp khó khăn khi lập phương trình hóa học của nó.
Nếu để ý, ta sẽ  thấy tỉ lệ giữa K và S trong sản phẩm là 2/1, từ đó dự kiến hệ số của KNO3 là 2, của S là 1 để đảm bảo tỉ lệ giữa K và S.
2KNO3 + C + S ⎯⎯→t0 K2S + N2 + CO2
Để bảo toàn N ta sẽ có hệ số của N2 là 1, bảo toàn O hệ số của CO2 là 3.
2KNO3 + C + S ⎯⎯→t0 K2S + N2 + 3CO2
Tương tự cho C với hệ số là 3. Vậy ta có phương trình hóa học là:
2KNO3 + 3C + S ⎯⎯→t0 K2S + N2 + 3CO2  Thí dụ 4.
Khi ta nấu bếp gas, hay đốt lửa bằng bật lửa gas, tức là ta đang oxi hóa khí gas bằng oxi không khí. Lập phương trình hóa học của phản ứng đó, biết sơ  đồ của phản ứng như sau:
C4H10 + O2 ⎯⎯→t0 CO2 + H2O
Ta nhận thấy, trong sơ đồ trên, lượng O2 phụ thuộc vào lượng CO2, H2O, lượng CO2, H2O lại phụ thuộc vào C4H10. Vậy ta sẽ xác định hệ số của CO2, H2O theo C4H10 trước. Trong 1 phân tử C4H10 có 4 nguyên tử C và 10 nguyên tử H, từ đó, để bảo toàn C, H thì hệ số của CO2, H2O lần lượt là 4 và 5.
C4H10 + O2 ⎯⎯→t0 4CO2 + 5H2O
Đến dây, ta dễ dàng nhận ra tổng số nguyên tử oxi sau phản ứng là 13, nên hệ số tạm thời của O2 là 13/2.
C4H10 + 13/2O2 ⎯⎯→t0 4CO2 + 5H2O
Để có phương trình hóa học hoàn chỉnh ta chỉ cần nhân các hệ số với 2 và khi đó phương trình hóa học sẽ là:
2C4H10 + 13O2 ⎯⎯→t08CO2 +10H2O
Thí dụ 5.
Khi người ta dùng rượu (nồng độ cao), cồn để nấu, nướng thức ăn, tức là thực hiện phản ứng oxi hóa etanol bởi oxi không khí. Lập phương trình hóa học của phản ứng đó, khi biết sơ  đồ của phản ứng như sau:
C2H6O + O2 ⎯⎯→t0 CO2 + H2O
Tương tự thí dụ 4, ta xác định được hệ số của CO2, H2O lần lượt là 2 và 3
C2H6O + O2 ⎯⎯→t0 2CO2 + 3H2O
Đến dây, ta nhận thấy tổng số nguyên tử oxi sau phản ứng là 7, nhưng cần chú ý là trước phản ứng đã có sẵn 1 nguyên tử oxi trong ancol, nên chỉ cần 6
nguyên tử oxi nữa là đủ. Vậy, hệ số của O2 là 3 và phương trình hóa học sẽ như sau:
C4H10O + 3O2 ⎯⎯→t0 2CO2 + 3H2O
Ta thấy rằng phương pháp đại số tương đối đễ hiểu, nhiều học sinh có thể lập được PTHH của các phản ứng khá nhanh chóng. Tuy nhiên, điều đó chỉ đúng với các phản ứng hóa học đơn giản, ít chất tham gia, ít chất tạo thành trong quá trình phản ứng. Đối với những phản ứng phức tạp hơn, đặc biệt là các phản ứng oxi hóa – khử phức tạp, cần có những phương pháp khác hiệu quả hơn.
II.2.2.2. Phương pháp thăng bằng electron.
Để lập PTHH của phản ứng theo phương pháp thăng bằng electron cần dựa trên các cơ sở sau:
Thứ nhất, giả sử trong phản ứng oxi hóa – khử, chất khử nhường hẳn  electron cho chất oxi hóa.
Thứ hai, tổng số electron do chất khử nhường phải đúng bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận.
Việc lập PTHH của phản ứng theo phương pháp thăng bằng electron được tiến hành theo bốn bước.
Thí dụ 1: Lập PTHH của phản ứng đốt cháy photpho trong điều kiện thiếu oxi bằng phương pháp thăng bằng electron, biết phản ứng xảy ra theo sơ đồ sau:
P + O2 ⎯⎯→t0 P2O3
Bước 1: Xác định chất oxi hóa, chất khử.
Để xác định chất oxi hóa, chất khử một cách nhanh chóng, ta nên dựa vào sự thay đổi số oxi hóa. Như chúng ta đã biết, trong phản ứng hóa – khử, chất khử có số oxi hóa tăng trong quá trình phản ứng,còn chất oxi hóa có số oxi hóa giảm. Ở sơ đồ trên ta nhận thấy, photpho có số oxi hóa tăng từ 0 lên +3, là chất khử, còn oxi có số oxi hóa giảm từ 0 về -2, là chất oxi hóa.
Bước 2: Viết quá trình oxi hóa (quá trình nhường electron), quá trình khử (quá trình nhận electron) và cân bằng cho mỗi quá trình.
Ta nhận thấy, photpho có số oxi hóa tăng từ 0 lên +3, vậy mỗi nguyên tử photpho nhường 3e. Oxi  có số oxi hóa giảm từ 0 về -2, vậy mỗi nguyên tử oxi nhận 2e, tuy nhiên ở đây một phân tử oxi có hai nguyên tử nên nhận 4e.
P0 ⎯⎯→ P+3 + 3e    O2 + 4e ⎯⎯→ 2O−2
Bước 3: Tìm hệ số cho chất oxi hóa và chất khử.
Để xác định hệ số cho chất oxi hóa và chất khử, ta dựa trên nguyên tắc tổng số electron do chất khử nhường phải đúng bằng tổng số electron chất oxi hóa nhận, thường ta sẽ nhân sao cho tổng số electron nhường bằng tổng số electron nhận và bằng bội số chung nhỏ nhất của số electron nhường và số electron nhận. Ở đây, số electron nhường là 3, số electron nhận là 4, vậy bội số chung nhỏ nhất là 12, nên quá trình khử được nhân với 4, quá trình oxi hóa được nhân với 3.
4(P0 ⎯⎯→ P+3 + 3e)
3(O0 2 + 4e ⎯⎯→ 3O−2 )
Bước 4: Đặt các hệ số chất oxi hóa và chất khử vào sơ đồ, từ đó tính ra hệ số các chất khác có mặt trong phương trình hóa học. Kiểm tra sự cân bằng số nguyên tử các nguyên tố ở hai vế.
Lần lượt đặt hệ số của photpho, oxi là 4 và 3 vào sơ đồ ta được.
4P + 3O2 ⎯⎯→t0 P2O3
Để xác định hệ số của P2O3, cần chú ý rằng,trong phân tử P2O3 có hai photpho, cần nhân 2 để có đủ bốn photpho. Từ đó PTHH có được là:
4P + 3O2 ⎯⎯→t0 P2O3
Thí dụ 2: Lập PTHH của phản ứng oxi hóa SO2 bởi oxi (sử dụng trong quá trình sản xuất axit sunfuric) bằng phương pháp thăng bằng electron, biết phản ứng xảy ra theo sơ đồ sau:

Bước 1: Xác định chất oxi hóa, chất khử.
Ta nhận thấy, lưu huỳnh có số oxi hóa tăng từ +4 lên +6, là chất khử, còn oxi có số oxi hóa giảm từ 0 về -2, là chất oxi hóa.
Bước 2: Viết quá trình oxi hóa (quá trình nhường electron), quá trình khử (quá trình nhận electron) và cân bằng cho mỗi quá trình.
Ở đây, lưu huỳnh có số oxi hóa tăng từ +4 lên +6, vậy mỗi nguyên tử lưu huỳnh nhường 2e. Tương tự Thí dụ 1, hai nguyên tử oxi nhận 4e.
S+4 ⎯⎯→ S+6 + 2e
O0 2 + 4e ⎯⎯→ 2O−2
Bước 3: Tìm hệ số cho chất oxi hóa và chất khử.
Ta có, số electron nhường là 2, số electron nhận là 4, vậy bội số chung nhỏ nhất là 4, nên quá trình khử được nhân với 2, quá trình oxi hóa được nhân với 1.
2(S+4 ⎯⎯→ S+6 + 2e)
O0 2 + 4e ⎯⎯→ 2O−2
Bước 4: Đặt các hệ số chất oxi hóa và chất khử vào sơ đồ, từ đó tính ra hệ số các chất khác có mặt trong phương trình hóa học. Kiểm tra sự cân bằng số nguyên tử các nguyên tố ở hai vế.
Theo bước 3, ta có hệ số của SO2, O2, SO3 lần lượt là 2, 1, 2, được PTHH là:

Chú ý: Số nguyên tử oxi ở bước 3 là hai nguyên tử, trước khi nhận electron viết là O2, sau khi nhận electron viết là 2O−2
Thí dụ 3: Lập PTHH phản ứng đốt quặng pirit trong quá trình sản xuất gang thép, biết phản ứng xảy ra theo sơ đồ sau:
FeS2 + O2 ⎯⎯→t0 Fe2O3 + SO2
Bước 1: Xác định chất oxi hóa, chất khử.
Ta nhận thấy, oxi có số oxi hóa giảm từ 0 về -2, là chất oxi hóa, còn sắt và lưu huỳnh có số oxi hóa tăng lần lượt từ +2 lên +3 và -1 lên +4, là các chất khử.   Bước 2: Viết quá trình oxi hóa (quá trình nhường electron), quá trình khử (quá trình nhận electron) và cân bằng cho mỗi quá trình.
Oxi có số oxi hóa giảm từ 0 về -2, vậy mỗi nguyên tử oxi nhận 2e, hai nguyên tử nhận 4e.
O0 2 + 4e ⎯⎯→ 2O−2
Sắt và lưu huỳnh có số oxi hóa tăng lần lượt từ +2 lên +3 và -1 lên +4, mỗi nguyên tử sắt nhường 1e, mỗi nguyên tử lưu huỳnh nhường 5e. Fe+2 ⎯⎯→ Fe+3 + 1e
S−1 ⎯⎯→ S+4 + 5e
Ở đây sắt và lưu huỳnh có tỉ lệ nguyên tử 1/2, vậy cứ có một sắt, sẽ có tương ứng hai lưu huỳnh. Ta cần giữ đúng tỉ lệ này trong suốt quá trình lập PTHH.  Gộp hai quá trình nhường electron lại, ta có:
Fe+2 + 2S−1 ⎯⎯→ Fe+3 + 2S+4 + 11e
Thí dụ 4: Lập PTHH phản ứng cháy nổ của thuốc nổ đen theo sơ đồ sau
KNO3 + C + S ⎯⎯→t0 K2S + N2 + CO2
Bước 1: Xác định chất oxi hóa, chất khử.
Ta nhận thấy, cacbon có số oxi hóa tăng từ 0 lên +4, là chất khử, còn nitơ và lưu huỳnh có số oxi hóa giảm lần lượt từ +5 về 0 và 0 về -2 là các chất oxi hóa.
Bước 2: Viết quá trình oxi hóa (quá trình nhường electron), quá trình khử (quá trình nhận electron) và cân bằng cho mỗi quá trình.
Cacbon có số oxi hóa tăng từ 0 lên +4, vậy mỗi nguyên tử cacbon  nhường
4e.
C0 ⎯⎯→ C+4 + 4e