Bảo toàn electron: công thức, cách giải và bài tập

Trả lời nhanh

Bảo toàn electron nghĩa là trong phản ứng oxi hoá – khử, tổng số mol electron do chất khử nhường luôn bằng tổng số mol electron do chất oxi hoá nhận: Σ n_{e nhường} = Σ n_{e nhận}. Với mỗi chất, n_e = số mol chất × số electron trao đổi của một đơn vị chất đó. Phương pháp này giúp bỏ qua các bước trung gian và không cần viết đầy đủ phương trình.

1. Bảo toàn electron là gì?

Trong phản ứng oxi hoá – khử, electron không tự sinh ra hay mất đi. Chất khử cho đi bao nhiêu electron thì chất oxi hoá phải nhận đúng bấy nhiêu. Đó là nội dung của định luật bảo toàn electron.

Công thức tổng quát:

Σ n_{chất khử} × (số e nhường) = Σ n_{chất oxi hoá} × (số e nhận)

Điểm mạnh của phương pháp: chỉ cần biết trạng thái số oxi hoá đầu và cuối của các chất, không cần quan tâm phản ứng xảy ra qua mấy giai đoạn. Vì vậy nó rất hợp với bài hỗn hợp nhiều kim loại, nhiều sản phẩm khử, hoặc kim loại bị oxi hoá bởi O₂ rồi tan trong axit.

2. Các bước giải một bài bảo toàn electron

Xác định chất khử và chất oxi hoá. Chất khử thường là kim loại, Fe²⁺, S, C…; chất oxi hoá thường là HNO₃, H₂SO₄ đặc, O₂, Cl₂, Fe³⁺, KMnO₄…
Chỉ xét trạng thái đầu và cuối. Ví dụ Fe → Fe³⁺ (nhường 3e) hay Fe → Fe²⁺ (nhường 2e) tuỳ axit dư hay kim loại dư.
Tính số mol electron nhường và nhận theo bảng ở mục 3.
Lập phương trình Σ n_{e nhường} = Σ n_{e nhận}, kết hợp phương trình khối lượng hoặc số mol để giải ẩn.
Kiểm tra lại xem có sản phẩm khử ẩn (như NH₄NO₃) hay không.

3. Bảng số electron trao đổi hay gặp

Quá trình	Số e trao đổi	Ghi chú
M → Mⁿ⁺ (Na, Mg, Al, Zn…)	n e / 1 mol M	Na: 1; Mg, Zn, Cu (thường): 2; Al: 3
Fe → Fe²⁺ / Fe → Fe³⁺	2 / 3	Axit HCl, H₂SO₄ loãng cho Fe²⁺; HNO₃, H₂SO₄ đặc dư cho Fe³⁺
N⁺⁵ (NO₃^–) → NO₂	1 e / 1 mol NO₂
N⁺⁵ → NO	3 e / 1 mol NO
N⁺⁵ → N₂O	8 e / 1 mol N₂O	Mỗi N nhận 4e, có 2 N
N⁺⁵ → N₂	10 e / 1 mol N₂	Mỗi N nhận 5e, có 2 N
N⁺⁵ → NH₄⁺ (NH₄NO₃)	8 e / 1 mol NH₄⁺
S⁺⁶ (H₂SO₄ đặc) → SO₂	2 e / 1 mol SO₂
S⁺⁶ → S	6 e / 1 mol S
S⁺⁶ → H₂S	8 e / 1 mol H₂S
2H⁺ → H₂	2 e / 1 mol H₂	Axit HCl, H₂SO₄ loãng
O₂ → 2O^2-	4 e / 1 mol O₂	Hoặc 2 e / 1 mol nguyên tử O
Cl₂ → 2Cl^–	2 e / 1 mol Cl₂
Fe³⁺ → Fe²⁺	1 e
MnO₄^– → Mn²⁺ (môi trường axit)	5 e
Cr₂O₇^2- → 2Cr³⁺	6 e / 1 mol ion	Có 2 nguyên tử Cr

Mẹo nhớ: với sản phẩm có hai nguyên tử (N₂, N₂O, Cl₂, O₂), hãy nhân số e mỗi nguyên tử với 2 rồi mới tính theo mol phân tử.

4. Công thức suy ra từ bảo toàn electron

4.1. Kim loại + HNO₃

Số mol NO₃^– trong muối kim loại = n_{e trao đổi}.
m_muối = m_{kim loại} + 62·n_e + 80·n_NH₄NO₃ (n_e là tổng electron nhận, gồm cả phần tạo NH₄⁺).
n_{HNO₃ phản ứng} = n_e + n_NO₂ + n_NO + 2n_N₂O + 2n_N₂ + 2n_NH₄NO₃. Gộp lại ta có dạng quen thuộc: 4n_NO + 2n_NO₂ + 10n_N₂O + 12n_N₂ + 10n_NH₄NO₃.

4.2. Kim loại + H₂SO₄ đặc, nóng

Số mol SO₄^2- trong muối = n_e/2.
m_muối = m_{kim loại} + 96·n_e/2 = m_{kim loại} + 48·n_e.
Nếu sản phẩm khử chỉ là SO₂: n_H₂SO₄ = 2n_SO₂.

4.3. Hỗn hợp Fe và các oxit sắt tan trong axit có tính oxi hoá mạnh

Quy đổi hỗn hợp thành Fe và O. Fe nhường 3e (lên Fe³⁺), O nhận 2e, axit nhận n_e. Từ 3n_Fe = 2n_O + n_e và m = 56n_Fe + 16n_O ta rút ra:

m_Fe = 0,7·m_{hỗn hợp} + 5,6·n_{e nhận (của axit)}

Công thức chỉ đúng khi axit dư và Fe lên hết Fe³⁺. Nếu chỉ yêu cầu làm nhanh, hãy nhớ cách rút gọn này nhưng vẫn phải hiểu nguồn gốc của nó.

5. Ví dụ có lời giải

Ví dụ 1: một kim loại, một sản phẩm khử

Hoà tan hoàn toàn 5,6 gam Fe trong dung dịch HNO₃ loãng dư, NO là sản phẩm khử duy nhất. Tính thể tích NO (đktc).

Giải. n_Fe = 0,1 mol; HNO₃ dư nên Fe → Fe³⁺, nhường 0,3 mol e. N⁺⁵ + 3e → N⁺² nên 3n_NO = 0,3 → n_NO = 0,1 mol. V = 0,1 × 22,4 = 2,24 lít.

Ví dụ 2: sản phẩm khử “ẩn” NH₄NO₃

Cho 2,4 gam Mg và 2,7 gam Al tan hết trong dung dịch HNO₃ loãng, chỉ thu được 0,05 mol N₂O (không có khí khác). Tính khối lượng muối trong dung dịch.

Giải. n_Mg = 0,1; n_Al = 0,1. Electron nhường: 0,1×2 + 0,1×3 = 0,5 mol. Electron nhận để tạo N₂O: 0,05×8 = 0,4 mol. Còn thiếu 0,1 mol e, nên phải có NH₄⁺ với n = 0,1/8 = 0,0125 mol.

m_muối = 5,1 + 62×0,5 + 80×0,0125 = 5,1 + 31 + 1 = 37,1 gam. (Kiểm tra: 0,1×148 + 0,1×213 + 0,0125×80 = 14,8 + 21,3 + 1 = 37,1 g.)

Ví dụ 3: hỗn hợp Fe và oxit sắt

Hoà tan hết 12 gam hỗn hợp X gồm Fe, FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ trong H₂SO₄ đặc, nóng dư, thu được 3,36 lít SO₂ (đktc, sản phẩm khử duy nhất). Tính khối lượng muối.

Giải. n_SO₂ = 0,15 mol → n_{e nhận} = 0,3 mol. m_Fe = 0,7×12 + 5,6×0,3 = 8,4 + 1,68 = 10,08 g → n_Fe = 0,18 mol. Muối là Fe₂(SO₄)₃: 0,09 mol × 400 = 36 gam.

Kiểm tra: n_O = (12 − 10,08)/16 = 0,12 mol; 3×0,18 = 0,54 và 2×0,12 + 0,3 = 0,54. Hai vế bằng nhau, kết quả hợp lý.

Ví dụ 4: chuẩn độ oxi hoá – khử

20 mL dung dịch FeSO₄ phản ứng vừa đủ với 10 mL dung dịch KMnO₄ 0,02M trong môi trường H₂SO₄ loãng. Tính nồng độ mol của FeSO₄.

Giải. n_MnO₄^– = 0,01×0,02 = 2×10^-4 mol, nhận 5×2×10^-4 = 10^-3 mol e. Fe²⁺ → Fe³⁺ nhường 1e nên n_Fe²⁺ = 10^-3 mol. C_M = 10^-3/0,02 = 0,05M.

6. Lỗi sai thường gặp

Quên NH₄NO₃. Khi kim loại mạnh (Mg, Al, Zn) tác dụng HNO₃ loãng, nếu electron nhường lớn hơn electron khí nhận thì hãy nghĩ ngay đến NH₄⁺.
Xác định sai số oxi hoá của Fe. Fe dư sẽ khử Fe³⁺ về Fe²⁺; axit dư mới cho Fe³⁺. Hãy đọc kỹ từ “dư” hay “vừa đủ”.
Nhầm số e của khí hai nguyên tử: N₂O là 8e chứ không phải 4e; N₂ là 10e chứ không phải 5e.
Áp dụng cho phản ứng không có sự thay đổi số oxi hoá (như oxit bazơ + axit). Khi đó phải dùng bảo toàn nguyên tố hoặc bảo toàn điện tích.
Tính e nhận của H₂ sai khi dùng axit không có tính oxi hoá của gốc axit: chỉ có H⁺ nhận e, 1 mol H₂ ứng với 2 mol e.

7. Bài luyện tập

Bài 1. Cho 6,4 gam Cu tan hết trong HNO₃ đặc, dư. Tính thể tích NO₂ (đktc), biết NO₂ là sản phẩm khử duy nhất.

Bài 2. Hoà tan hoàn toàn 13 gam Zn trong HNO₃ loãng, chỉ thu được khí N₂ (không có NH₄⁺). Tính thể tích N₂ (đktc).

Bài 3. Hỗn hợp gồm 0,1 mol Fe và 0,1 mol Cu tan hết trong H₂SO₄ đặc, nóng dư. Tính thể tích SO₂ (đktc).

Đáp án

Bài 1: n_Cu = 0,1 → nhường 0,2 mol e → n_NO₂ = 0,2 mol → V = 4,48 lít.
Bài 2: n_Zn = 0,2 → nhường 0,4 mol e; 10n_N₂ = 0,4 → n_N₂ = 0,04 mol → V = 0,896 lít.
Bài 3: axit dư nên Fe → Fe³⁺: nhường 0,1×3 + 0,1×2 = 0,5 mol e; 2n_SO₂ = 0,5 → n_SO₂ = 0,25 mol → V = 5,6 lít.

8. Khi nào nên dùng bảo toàn electron?

Hãy nghĩ đến phương pháp này khi đề có các dấu hiệu: nhiều kim loại cùng tác dụng với một chất oxi hoá, có nhiều sản phẩm khử, hỗn hợp kim loại và oxit, hoặc kim loại bị oxi hoá hai giai đoạn (đốt trong O₂ rồi hoà tan trong axit). Thường chỉ cần kết hợp thêm một phương trình về khối lượng hoặc số mol là giải được.

Cùng chuyên đề: Bài nằm trong mục lục Tổng hợp công thức Hóa học quan trọng thường gặp từ lớp 8 đến lớp 12. Bài trước: Cách tính số oxi hóa: quy tắc, công thức và bài tập có đáp án.

Câu hỏi thường gặp

Công thức bảo toàn electron là gì?

Σ số mol electron chất khử nhường = Σ số mol electron chất oxi hoá nhận. Số mol electron của mỗi chất bằng số mol chất nhân với số electron nhường hoặc nhận của một đơn vị chất đó.

Khi nào cần nghĩ đến muối NH4NO3 trong bài bảo toàn electron?

Khi kim loại có tính khử mạnh (Mg, Al, Zn) tác dụng với HNO3 loãng mà số mol electron kim loại nhường lớn hơn số mol electron các khí sinh ra nhận. Phần electron còn thiếu được NH4+ nhận, mỗi mol NH4+ nhận 8 mol electron.

Bảo toàn electron có dùng được cho mọi phản ứng không?

Không. Chỉ dùng cho phản ứng oxi hoá – khử, tức là có sự thay đổi số oxi hoá. Với phản ứng trao đổi ion như oxit bazơ với axit, cần dùng bảo toàn nguyên tố hoặc bảo toàn điện tích.

Hỗn hợp Fe và oxit sắt tan trong H2SO4 đặc nóng tính khối lượng Fe thế nào?

Quy đổi thành Fe và O, rồi áp dụng bảo toàn electron. Khi axit dư và Fe lên Fe3+, ta có m(Fe) = 0,7·m(hỗn hợp) + 5,6·n(e axit nhận).