Phương pháp ion – electron: cân bằng phản ứng oxi hoá khử thành hai bài toán nhỏ

Phần 1. Cân bằng bằng cách mò, và những phương trình không mò nổi

Với phản ứng đơn giản, học sinh cân bằng bằng cách thử: nhìn, đoán hệ số, kiểm lại, sửa. Cách ấy nhanh và dùng được cho phần lớn phản ứng trao đổi.

Nhưng có một nhóm phản ứng mà mò gần như không ra:

Bảy chất, hệ số lớn, và nước xuất hiện ở vế phải mà không có ở vế trái — tức số nguyên tử H và O phụ thuộc vào chính các hệ số đang phải tìm. Mò ở đây là thử hàng chục tổ hợp.

Phương pháp thăng bằng electron trong sách giáo khoa giải được, nhưng nó vẫn để lại một bước mơ hồ: sau khi cân bằng số electron cho, nhận, việc cân bằng H và O vẫn phải làm bằng mắt.

Phương pháp ion – electron (còn gọi là phương pháp nửa phản ứng) đóng nốt lỗ hổng đó: mọi bước đều có quy tắc, kể cả bước thêm $\mathrm{H^+}$ và $\mathrm{H_2O}$.

Phần 2. Bản chất: tách thành hai phản ứng, mỗi cái cân riêng

Một phản ứng oxi hoá khử thực ra là hai quá trình xảy ra cùng lúc: một chất nhường electron, một chất nhận. Viết tách chúng ra thành hai nửa phản ứng, cân bằng từng cái, rồi ghép lại.

Năm bước cho môi trường AXIT

Bước 1 — Tách hai nửa phản ứng theo nguyên tố đổi số oxi hoá.

Bước 2 — Cân bằng nguyên tố chính (không phải H và O).

Bước 3 — Cân bằng OXI bằng cách thêm $\mathrm{H_2O}$ vào vế thiếu oxi.

Bước 4 — Cân bằng HIDRO bằng cách thêm $\mathrm{H^+}$ vào vế thiếu hidro.

Bước 5 — Cân bằng ĐIỆN TÍCH bằng cách thêm $\mathrm{e^-}$, rồi nhân chéo hai nửa cho số electron bằng nhau và cộng lại.

Thứ tự oxi trước, hidro sau là bắt buộc: thêm $\mathrm{H_2O}$ sẽ làm thay đổi số hidro, nên phải chốt oxi xong mới đụng tới hidro. Làm ngược lại là quay vòng vô tận.

Môi trường BAZƠ: thêm một bước thứ sáu

Cân bằng như môi trường axit cho tới hết, rồi trung hoà mọi $\mathrm{H^+}$ bằng cách cộng thêm đúng bấy nhiêu $\mathrm{OH^-}$ vào CẢ HAI vế. Mỗi cặp $\mathrm{H^+ + OH^-}$ ở một vế gộp thành $\mathrm{H_2O}$; rút gọn nước thừa ở hai vế là xong.

Ba lưu ý

• Phép kiểm điện tích là phép kiểm mạnh nhất của cả phương pháp. Tổng điện tích hai vế phải bằng nhau. Nó bắt được gần như mọi lỗi mà phép đếm nguyên tử bỏ sót.
• $\mathrm{H^+}$ chỉ được dùng trong môi trường axit, $\mathrm{OH^-}$ chỉ trong môi trường bazơ. Viết $\mathrm{H^+}$ trong một phản ứng xảy ra ở môi trường kiềm là mô tả một thứ không tồn tại ở đó.
• Ion không đổi số oxi hoá thì không xuất hiện trong phương trình ion. $\mathrm{K^+}$ và $\mathrm{SO_4^{2-}}$ ở ví dụ đầu bài chỉ là ion khán giả; chúng chỉ quay lại khi viết phương trình phân tử.

Phần 3. Bài toán thực chiến

Đề. Cân bằng phương trình ion sau trong môi trường axit:

$$\mathrm{MnO_4^- + Fe^{2+} \to Mn^{2+} + Fe^{3+}}$$

Hệ số của $\mathrm{H^+}$ trong phương trình đã cân bằng là A. $4$ B. $8$ C. $16$ D. $2$

Cách 1 — Cân bằng electron rồi đoán H và O

Học sinh xác định: Mn từ $+7$ xuống $+2$, nhận $5e$; Fe từ $+2$ lên $+3$, nhường $1e$. Vậy hệ số là $1$ và $5$:

Rồi đến phần H và O: "Vế trái có 4 oxi, phải thêm nước ở vế phải… bao nhiêu nước thì bấy nhiêu H⁺?" — và nhiều em dừng ở $\mathrm{4H^+}$, chọn A.

Điểm yếu. Số nước đúng là $4$, nhưng mỗi phân tử $\mathrm{H_2O}$ cần hai nguyên tử H, nên số $\mathrm{H^+}$ phải là $8$ chứ không phải $4$. Lỗi này không lộ ra nếu chỉ đếm oxi; nó chỉ lộ khi đếm hidro hoặc khi kiểm điện tích.

Cách 2 — Năm bước, không bỏ bước nào

Nửa khử (Mn nhận electron):

Bước	Kết quả
1–2. Tách và cân nguyên tố chính	$\mathrm{MnO_4^- \to Mn^{2+}}$
3. Cân oxi bằng $\mathrm{H_2O}$	$\mathrm{MnO_4^- \to Mn^{2+} + 4H_2O}$
4. Cân hidro bằng $\mathrm{H^+}$	$\mathrm{MnO_4^- + 8H^+ \to Mn^{2+} + 4H_2O}$
5. Cân điện tích bằng $\mathrm{e^-}$	$\mathrm{MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \to Mn^{2+} + 4H_2O}$

Kiểm bước 5: vế trái $(-1) + (+8) + (-5) = +2$; vế phải $+2$ ✓

Nửa oxi hoá (Fe nhường electron):

Ghép: nhân nửa oxi hoá với $5$ để số electron khớp, rồi cộng hai nửa:

Đáp án B.

Hai phép kiểm, mười giây:

• Nguyên tử: Mn $1{=}1$ · Fe $5{=}5$ · O $4{=}4$ · H $8{=}8$ ✓
• Điện tích: vế trái $(-1) + (+10) + (+8) = +17$; vế phải $(+2) + (+15) = +17$ ✓

Ba phương án còn lại: A ($4$) lấy số $\mathrm{H^+}$ bằng số $\mathrm{H_2O}$; C ($16$) nhân đôi thừa; D ($2$) cân theo một phân tử nước duy nhất.

	Thăng bằng electron rồi mò H, O	Ion – electron
Bước thêm $\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{H^+}$	làm bằng mắt	có quy tắc, thứ tự cố định
Môi trường bazơ	phải xử lý riêng	thêm một bước cuối
Phản ứng tự oxi hoá khử	rất rối	hai nửa vẫn tách được
Tự kiểm	đếm nguyên tử	đếm nguyên tử và điện tích
Dùng tiếp cho điện hoá	không	chính là hai nửa ở hai điện cực

⭐ Phép kiểm đáng dạy ngay ngày đầu: tổng điện tích hai vế phải bằng nhau. Nó không đòi hiểu gì thêm về phản ứng, mất mười giây, và bắt được lớp lỗi mà phép đếm nguyên tử bỏ sót — cụ thể là quên electron hoặc quên $\mathrm{H^+}$.

Cùng phản ứng ấy nhưng trong môi trường bazơ

Cân như môi trường axit trước:

Nhân $2$ và $3$ rồi cộng:

Bây giờ mới chuyển sang kiềm: cộng $\mathrm{2OH^-}$ vào cả hai vế. Vế trái $\mathrm{2H^+ + 2OH^- \to 2H_2O}$; vế phải có sẵn $\mathrm{H_2O}$ nên tổng thành $\mathrm{H_2O + 2OH^-}$. Rút gọn một $\mathrm{H_2O}$ ở hai vế:

Kiểm điện tích: trái $(-2) + (-6) = -8$; phải $(-6) + (-2) = -8$ ✓

Một bước thêm vào, và phương pháp phủ nốt nhóm phản ứng mà sách giáo khoa thường né.

Phần 4. Góc giáo viên

Phương pháp ion – electron phục vụ năng lực nhận thức hoá học: học sinh thấy oxi hoá khử là hai quá trình có thật, xảy ra riêng biệt — đúng như trong pin điện hoá, nơi hai nửa ấy nằm ở hai cốc khác nhau.

• Dạy nó như bước chuẩn bị cho chương ĐIỆN HOÁ. Hai nửa phản ứng ở đây chính là hai phản ứng điện cực ở lớp 12. Nói rõ điều đó và học sinh có lý do để đầu tư.
• Bắt buộc kiểm ĐIỆN TÍCH sau mỗi nửa phản ứng, không chỉ ở cuối. Bắt lỗi sớm rẻ hơn nhiều so với bắt lỗi ở phương trình gộp.
• Nhấn vào thứ tự "oxi trước, hidro sau". Học sinh làm ngược thứ tự sẽ rơi vào vòng lặp và kết luận rằng phương pháp không chạy.
• Ra bài tập chỉ yêu cầu VIẾT một nửa phản ứng. Rất nhanh để chấm, và nhắm đúng vào chỗ khó của cả phương pháp.

Bẫy đề thi. Thứ nhất, số $\mathrm{H^+}$ bằng hai lần số $\mathrm{H_2O}$ — phương án ứng với "bằng số nước" luôn có mặt. Thứ hai, đề nói môi trường kiềm mà học sinh vẫn viết $\mathrm{H^+}$ trong đáp án cuối. Thứ ba, đề hỏi hệ số trong phương trình phân tử chứ không phải phương trình ion: khi ấy phải đưa các ion khán giả trở lại, và hệ số có thể khác.

Phần 5. Bài tập tự luyện

Bài 1. Cân bằng trong môi trường axit: $\mathrm{Cr_2O_7^{2-} + Fe^{2+} \to Cr^{3+} + Fe^{3+}}$.

Gợi ý: Cr từ $+6$ xuống $+3$, mỗi ion $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$ nhận $6e$. Có $7$ oxi nên cần $7\mathrm{H_2O}$ và $14\mathrm{H^+}$. Đáp án: $\mathrm{Cr_2O_7^{2-} + 6Fe^{2+} + 14H^+ \to 2Cr^{3+} + 6Fe^{3+} + 7H_2O}$. Kiểm điện tích: trái $(-2)+(+12)+(+14) = +24$; phải $(+6)+(+18) = +24$ ✓

Bài 2. Chuẩn độ dung dịch $\mathrm{FeSO_4}$ bằng $20{,}0$ mL dung dịch $\mathrm{KMnO_4}$ $0{,}020$ M trong môi trường $\mathrm{H_2SO_4}$. Tính khối lượng $\mathrm{FeSO_4}$ đã phản ứng.

Gợi ý: tỉ lệ mol $\mathrm{MnO_4^- : Fe^{2+}} = 1 : 5$ đọc thẳng từ phương trình vừa cân. Đáp án: $n(\mathrm{MnO_4^-}) = 0{,}020 \times 0{,}020 = 4{,}0\cdot10^{-4}$ mol ⇒ $n(\mathrm{Fe^{2+}}) = 2{,}0\cdot10^{-3}$ mol ⇒ $m = 2{,}0\cdot10^{-3} \times 152 = 0{,}304$ g.

---

Oxi hoá khử là chương mà một hệ số $\mathrm{H^+}$ sai vẫn cho ra một phương trình trông cân đối. Thầy cô có thể dựng bộ đề luyện đúng dạng này trên Grade: chấm tự động ngay khi nộp kèm lời giải chi tiết từng câu, và xem tỷ lệ chọn phương án bằng đúng số phân tử nước — con số ấy đo đúng số em đang cân oxi mà quên cân hidro. Dùng thử miễn phí tại đây.

---