Trong hóa học đặc biệt là phản ứng oxi hóa–khử thì hiểu rõ cách điện tích với electron được di chuyển giữa các chất phản ứng đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Một trong những nguyên lý then chốt để phân tích phản ứng đó là định luật bảo toàn electron. Là công cụ quan trọng giúp cân bằng các phương trình phản ứng giải quyết các bài tập liên quan đến sự chuyển hóa electron. Bài viết này sẽ giải thích chi tiết về định luật này, cách áp dụng nó trong thực tiễn cùng hướng dẫn một số bài toán mẫu giúp học sinh lớp 10 – 11 dễ dàng tiếp cận nội dung.
Định nghĩa định luật bảo toàn electron
Định luật bảo toàn electron phát biểu rằng trong một phản ứng oxi hóa–khử, tổng số electron mà chất khử nhường ra phải bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận lại. Nói cách khác electron không thể bị sinh ra hoặc mất đi trong quá trình phản ứng, chúng chỉ chuyển từ chất này sang chất khác.
Nguyên tắc này được ghi dưới biểu thức ∑ nₑ cho = ∑ nₑ nhận.
Nó đảm bảo nguyên lý bảo toàn điện tích vì điện tích do electron mang theo được chuyển mà không bị thừa hoặc thiếu giúp bảo toàn điện tích tổng thể trong phản ứng.
Vì sao định luật quan trọng với phản ứng oxi hóa–khử
Trong phản ứng oxi hóa–khử thường có hai quá trình xảy ra đồng thời
-
Quá trình oxi hóa, nơi chất khử mất electron
-
Quá trình khử, nơi chất oxi hóa nhận electron
Nếu số electron nhường và nhận không trùng khớp, phương trình phản ứng sẽ không đúng cân bằng dẫn đến sai lệch trong tính toán. Do đó định luật bảo toàn electron giúp học sinh, nhà hóa học đảm bảo bài giải phản ánh đúng cân bằng electron từ đó đảm bảo cân bằng khối lượng và điện tích.
Hướng dẫn áp dụng định luật
Khi giải toán oxi hóa–khử cần thực hiện các bước sau
Bước 1 Xác định chất khử và chất oxi hóa
Xác định chất mất electron (chất khử) và chất nhận electron (chất oxi hóa). Việc xác định này dựa trên số oxi hóa của nguyên tố trong các chất tham gia phản ứng.
Bước 2 Viết hai sơ đồ bán phản ứng
Viết sơ đồ thể hiện chất khử nhường electron với hệ số electron thích hợp và sơ đồ chất oxi hóa nhận electron.
Bước 3 Sử dụng biểu thức bảo toàn electron
Cân bằng số electron trong hai sơ đồ bằng cách nhân hệ số cho hoặc nhận electron phù hợp để tổng electron nhường ra bằng tổng electron nhận.
Bước 4 Kết hợp và cân bằng phương trình đầy đủ
Sau khi cân bằng electron gộp hai bán phản ứng lại cân bằng thêm nguyên tố khác với điện tích để có phương trình phản ứng hoàn chỉnh.
Bước 5 Kiểm tra lại cân bằng nguyên tố, electron, điện tích
Đảm bảo mọi số mol nguyên tố và tổng số electron cân bằng trên hai vế.
Ví dụ bài tập thực tế
Ví dụ đơn giản
Cho phản ứng giữa mangan (MnO₄⁻) và ion clorua trong dung dịch. Viết phương trình cân bằng electron.
Là dạng bài phổ biến giúp học sinh luyện khả năng xác định số electron cần thiết cho chất khử và chất oxi hóa.
Ví dụ nâng cao
Cho kim loại Al tác dụng với dung dịch axit mạnh tạo ra hỗn hợp khí và dung dịch muối. Áp dụng định luật bảo toàn electron để xác định số mol chất khử, chất oxi hóa, nồng độ dung dịch.
Khi áp dụng đúng có thể giải được bài toán phức tạp liên quan đến nhiều phản ứng cùng lúc kể cả phản ứng trung gian không cần xét đích danh.
Những lưu ý khi áp dụng
-
Định luật chỉ dùng cho phản ứng oxi hóa–khử không áp dụng cho phản ứng khác
-
Có thể áp dụng để cân bằng nhiều phương trình hoặc cả quá trình phức tạp
-
Việc xác định đúng chất nào là khử, nào là oxi hóa rất quan trọng
-
Thường kết hợp với định luật bảo toàn nguyên tố, khối lượng để hoàn thiện phương trình phản ứng
Liên hệ với định luật bảo toàn điện tích
Định luật bảo toàn electron là một trường hợp đặc biệt của định luật lớn hơn là bảo toàn điện tích. Trong hệ cô lập tổng điện tích không thay đổi qua quá trình phản ứng hóa học vật lý. Khi electron di chuyển từ chất này sang chất kia tổng điện tích vẫn không đổi.
Không chỉ giới hạn ở hóa học còn xuất hiện trong vật lý, điện học, cơ học hạt nhân chi phối cả quá trình tạo hạt trong vật lý nguyên tử.
Định luật bảo toàn electron là nguyên tắc cơ sở trong hóa học đặc biệt khi giải toán oxi hóa–khử. Bảo đảm tính nhất quán chính xác trong phương trình phản ứng giúp cân bằng tốt về điện tích với số mol electron. Nắm vững định luật này giúp học sinh giải quyết hiệu quả bài tập hóa 10 – 11 đặc biệt bài nâng cao có nhiều thi chất oxi hóa–khử hỗn hợp.