a. Khái niệm

– Số oxi hoá là điện tích quy ước của nguyên tử trong phân từ khi coi tất cả các electron liên kết đều chuyện hoàn toàn về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

– Số oxi hoá được viết ở dạng số đại số, dấu viết trước, số viết sau.

Ví dụ 1: Xét phân tử NaCl

Nguyên tử Na nhường 1 electron cho nguyên tử Cl, khi đó nguyên tử Na trở thành ion dương mang điện tích +1 (số oxi hoá của Na là +1) và nguyên tử Cl trở thành ion âm mang điện tích -1 (số oxi hoá của Cl là -1): \(\mathop {Na}\limits^{ + 1} \mathop {Cl}\limits^{ – 1} \)

Ví dụ 2: Xét phân tử H₂O.

Độ âm điện của nguyên tử o lớn hơn độ âm điện của nguyên tử H, nếu các cặp electron liên kết chuyển hoàn toàn về nguyên tử O thì nguyên tử O có thêm 2 electron và trở thành ion âm có điện tích -2 (số oxi hoá của O là -2); mỗi nguyên tử H mất đi 1 electron và trở thành ion dương có điện tích +1 (số oxi hoá của H là +1): \(\mathop {{H_2}}\limits^{ + 1} \mathop O\limits^{ – 2} \)

Ví dụ 3: Xét phân tử H₂

H : H

Hai nguyên tử H giống nhau nên cặp electron liên kết không lệch về nguyên tử nào.

Do vậy, mỗi nguyên tử H đều trung hoà điện, có điện tích bằng 0 và số oxi hoá là 0.

\(\mathop {{H_2}}\limits^0 \)

Số oxi hoá thường được dùng để lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử.

b. Quy tắc xác định số oxi hoá

Thông thường, số oxi hoá của nguyên tử được xác định trực tiếp từ công thức phân tử theo các quy tắc sau:

Quy tắc 1. Trong đơn chất, số oxi hoá của nguyên tử bằng 0

Ví dụ:  \(\mathop C\limits^0 \,\,\,\,\,\,\mathop {Na}\limits^0 \,\,\,\,\,\mathop {{H_2}}\limits^0 \,\,\,\,\,\,\mathop {{O_2}}\limits^0 \)

Quy tắc 2. Trong phân tử các hợp chất, thông thường số oxi hoá của hydrogen là +1, của oxygen là -2, các kim loại điền hình có số oxi hoá dương bằng số electron hoá trị.

Bảng 15.1. Số oxi hoá thường gặp của một số nguyên tử trong hợp chất

Quy tắc 3. Trong hợp chất, tổng số oxi hoá của các nguyên tử trong phân tử bằng 0.

Ví dụ: \(\mathop {A{l_2}}\limits^{ + 3} \mathop {{O_3}}\limits^{ – 2} \) 

Tổng số oxi hoá = (+3).2 + (-2).3 = 0

Quy tắc 4. Trong ion đơn nguyên tử, SỐ oxi hoá của nguyên tử bằng điện tích ion trong ion đa nguyên tử, tổng số oxi hoá của các nguyên tử bằng điện tích lon.

Ví dụ: \(\,{\left[ {\mathop N\limits^{ – 3} \mathop {{H_4}}\limits^{ + 1} } \right]^ + }\,\,\)

Tổng số oxi hoá = (-3) + (+1).4 = +1.

ÁP DỤNG: Sử dụng các quy tắc này có thể xác định số oxi hoá của một nguyên tử | trong hợp chất khi biết số oxi hoá của các nguyên tử còn lại.

Ví dụ: Xác định số oxi hoá của nguyên tử C trong phân tử CaCO₃

Dựa vào Bảng 15. 1, biết được số oxi hoá của Ca là +2 và O là -2.

Số oxi hoá của từng nguyên tử: \(\mathop {Ca}\limits^{ + 2} \mathop C\limits^x \mathop {{O_3}}\limits^{ – 2} \) 

Phân tử CaCO₃ trung hoà điện nên tổng số oxi hoá của các nguyên tử bằng 0:

(+2) + x + (-2).3 = 0 nên x = +4.

– Số oxi hoá là điện tích quy ước của nguyên tử, được tính theo các quy tắc xác định số oxi hoá. – Chất khử là chất nhường electron, chất oxi hoá là chất nhận electron

a. Chất oxi hoá, chất khử

Ví dụ 1: Đưa mẫu thân gỗ nóng đỏ vào bình đựng khí O₂, mẫu than cháy sáng.

\(\mathop C\limits^0  + \mathop {{O_2}}\limits^0  \to \mathop C\limits^{ + 4} \mathop {{O_2}}\limits^{ – 2} \)

Trong phản ứng trên, nguyên tử C nhường 4 electron, là chất khử, phân tử O, nhận 4 electron, là chất oxi hoá.

C^o →  C⁺⁴ + 4e (quá trình oxi hoá)

\(\mathop {{O_2}}\limits^0 \) + 4e → 2\(\mathop O\limits^{ – 2} \) (quá trình khử)

Ví dụ 2: Phản ứng đốt cháy methane.

\(\mathop C\limits^{ + 4} \mathop {{O_2}}\limits^{ – 2} \)

Chất oxi hoá là oxygen, chất khử là methane.

Ví dụ 3: Phản ứng khử FeO, bằng CO để sản xuất gang và thép.

\(\mathop {F{e_2}}\limits^{ + 3} \mathop {{O_3}}\limits^{}  + 3\mathop {CO}\limits^0  \to 2\mathop {Fe}\limits^0  + 3\mathop C\limits^{ + 4} \mathop {{O_2}}\limits^{ – 2} \)

Chất oxi hoá là iron(III) oxide, chất khử là carbon monooxide

Chất khử là chất nhường electron, chất oxi hoá là chất nhận electron.

Quá trình oxi hoá là quá trình chất khử nhường electron, quá trình khử là quá trình chất Oxi hoá nhận electron.

b. Phản ứng oxi hoá – khử

– Phản ứng oxi hoá – khử là phản ứng hoá học xảy ra đồng thời quá trình nhường và quá trình nhận electron.

– Dấu hiệu để nhận biết phản ứng oxi hoá – khử là có sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tử.

Bản chất của phản ứng oxi hoá – khử: – Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng hóa học, trong đó có sự chuyển electron giữa các chất trong 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. + Quá trình oxh (sự oxh) là quá trình nhường electron.  + Quá trình khử (sự khử) là quá trình thu electron.

– Phương pháp thăng bằng electron được dùng để lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử theo nguyên tắc:

– Tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận.

Ví dụ: Quá trình Oswald (Ot-xvan) dùng để sản xuất nitric acid từ ammonia, được đề xuất vào năm 1902. Ở giai đoạn đầu của quá trình, ammonia bị oxi hoá bởi oxygen ở nhiệt độ cao khi có chất xúc tác: NH₃ + O₂ → NO + H₂O

– Theo phương pháp thăng bằng electron, phương trình hoá học của phản ứng trên được lập theo các bước như sau:

+ Bước 1. Xác định các nguyên tử có sự thay đổi số oxi hoá, từ đó xác định chất oxi hoá, chất khử:

\(\mathop N\limits^{ – 3} \mathop {{H_3}}\limits^{}  + \mathop {{O_2}}\limits^0  \to \mathop N\limits^{ + 2} \mathop O\limits^{ – 2}  + \mathop H\limits^{} \mathop {_2O}\limits^{ – 2} \)

+ Bước 2. Biểu diễn quá trình oxi hoá, quá trình khử:

N^-3 → N⁺² + 5e

\(\mathop {{O_2}}\limits^0 \) + 4e → 2O^-2

+ Bước 3. Tìm hệ số thích hợp cho chất khử và chất oxi hoá dựa trên nguyên tắc: Tổng số electron chất khử nhường bằng tổng số electron chất oxi hoá nhận.

+ Bước 4. Đặt hệ số của chất oxi hoá và chất khử vào sơ đồ phản ứng, từ đó tính ra hệ số của các chất khác có mặt trong phương trình hoá học. Kiểm tra sự cân bằng số nguyên tử của các nguyên tố ở hai vế.

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

Nguyên tắc lập phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá – khử theo phương pháp thăng bằng electron: \(\sum \) số electron chất khử nhường = \(\sum \) số electron chất oxi hoá nhận.

Trong thực tiễn, phản ứng oxi hoá – khử rất phổ biến, dưới đây là một số trường hợp điển hình.

a. Sự cháy

– Phản ứng cháy là phản ứng oxi hoá – khử xảy ra ở nhiệt độ cao giữa chất cháy và chất Oxi hoá. Trong phản ứng cháy, chất cháy thường là nhiên liệu (than đá, khi thiên nhiên, xăng. dầu,…), còn chất oxi hoá thường là oxygen. Sự cháy kèm theo sự toả nhiệt và phát sáng, tạo ra nhiệt lượng đủ để duy trì sự cháy.

Ví dụ: Phản ứng oxi hoá – khử xảy ra khi đốt cháy carbon trong than đá và butane trong khí gas

C + O₂ → CO₂

2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O

b. Sự han gỉ kim loại

– Sau một thời gian sử dụng, nhiều thiết bị, máy móc, vật dụng bằng kim loại thường bị han gi do sự oxi hoá của oxygen trong không khí. Đặc biệt, nước ta có khí hậu nhiệt đới, độ ẩm cao nên sự han gỉ kim loại xảy ra rất phổ biến.

Ví dụ: Trong không khí ấm, các vật dụng bằng thép bị oxi hoá tạo gỉ sắt.

4Fe + 3O₂ + xH₂O → 2Fe₂O₃.xH₂O

c. Sản xuất hoá chất

– Trong công nghiệp, phần lớn các phản ứng hoá học xảy ra trong các quy trình sản xuất là phản ứng oxi hoá – khử. Ví dụ: Sulfuric acid là hoá chất quan trọng trong công nghiệp, được sản xuất chủ yếu từ sulfur hoặc quặng pyrite.

– Sơ đồ phản ứng:

d. Chuyển hoá các chất trong tự nhiên

– Trong tự nhiên cũng xảy ra rất nhiều quá trình kèm theo phản ứng oxi hoá – khử.

Ví dụ:

Lúa chiêm lấp ló đầu bờ

Hễ nghe tiếng sấm phất cờ mà lên

                                                          (Ca dao Việt Nam)

– Đây là hiện tượng cây lúa phát triển nhanh khi có những cơn mưa rào đầu tiên kèm theo sấm sét vào khoảng cuối mùa xuân.

– Tia sét tạo ra tia lửa điện, là điều kiện cho nitrogen phản ứng với oxygen: N₂ + O₂ → 2NO

– Khí NO sinh ra nhanh chóng chuyền hoá thành NO₂, sau đó tiếp tục bị oxi hoá thành HNO₃:

2NO + O₂ → 2NO₂

4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

– Nitric acid tan vào nước mưa và chuyển hoá thành gốc nitrate (NO₃^–), cung cấp chất đạm cho cây lúa. Nhờ quá trình trên, hằng năm một lượng lớn phân đạm tự nhiên được bổ sung cho đất.

e. Xác định nồng độ một chất bằng phản ứng oxi hoá – khử

– Trong thực tế, dung dịch thuốc tím (KMnO₄) được sử dụng phổ biến như một tác nhân oxi hoá mạnh để xác định hàm lượng các chất khử như iron(II), hydrogen peroxide, oxalic acid,…

Ví dụ: Trong quá trình bảo quản, một mẫu iron(II) sulfate bị oxi hoá một phần thành hợp chất tron(III). Hàm lượng tron(II) sulfate còn lại trong mẫu được xác định thông qua phản ứng với dung dịch thuốc tím có nồng độ đã biết:

10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 8H₂SO₄ → 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O

Các phản ứng oxi hoá – khử xảy ra phổ biến trong thực tiễn: sự cháy, sự han gỉ của kim loại, sản xuất hoá chất, chuyển hoá nitrogen trong tự nhiên,…