Phản ứng oxi hóa - khử là gì? Cơ chế, vai trò, ứng dụng

Phản ứng oxi hóa - khử là gì?

- Phản ứng oxi hóa - khử là những phản ứng hóa học mà trong phản ứng có sự chuyển đổi các electron giữa các chất tham gia vào phản ứng hóa học, trong đó các nguyên tử có trạng thái oxi hóa thay đổi so với ban đầu.

- Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học trong đó xảy ra đồng thời sự oxi hóa và sự khử.

+ Sự khử là sự tách oxi khỏi hợp chất. Chất bị khử là chất nhận electron, số oxi hóa của chất này giảm xuống.

+ Sự oxi hóa là sự tác dụng của oxi với một chất. Chất bị oxi hóa là chất nhường electron, số oxi hóa của chất này tăng lên.

Cơ chế của phản ứng oxi hóa - khử

Cơ chế của phản ứng oxi hóa - khử là sự chuyển electron giữa các chất tham gia phản ứng. Trong phản ứng này, có một chất sẽ nhường electron cho chất khác. Chất nhường electron được gọi là chất khử, và chất nhận electron được gọi là chất oxi hóa.

Sự chuyển electron trong phản ứng oxi hóa - khử có thể được biểu diễn bằng phương trình sau:

A → B + ne

Trong đó:

A là chất khử

B là chất oxy hóa

n là số electron chuyển từ A sang B

Sự chuyển electron trong phản ứng oxi hóa - khử có thể xảy ra theo hai cách:

Cách 1: Chất khử nhường electron trực tiếp cho chất oxy hóa.

Ví dụ: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂

Trong phản ứng này, Mg nhường 2 electron cho 2 ion H+ của HCl, tạo thành ion Mg²⁺ và 2 phân tử H₂.

Cách 2: Chất khử nhường electron cho một chất trung gian, chất trung gian này sau đó nhường electron cho chất oxy hóa. 

Ví dụ: 2Cu + O₂ → 2CuO

Trong phản ứng này, Cu nhường 2 electron cho ion O^2- của O₂, tạo thành ion Cu²⁺. Ion Cu²⁺ sau đó nhường 2 electron cho 2 ion O^2- khác, tạo thành 2 phân tử CuO.

Phân loại phản ứng oxi hóa - khử

Phản ứng oxi hóa - khử được phân loại dựa trên các tiêu chí dưới đây:

Theo số electron tham gia

- Phản ứng oxi hóa - khử một electron

- Phản ứng oxi hóa - khử nhiều electron

Theo tính chất của chất tham gia

- Phản ứng oxi hóa - khử giữa kim loại và phi kim

- Phản ứng oxi hóa - khử giữa kim loại và axit

- Phản ứng oxi hóa - khử giữa kim loại và muối

Theo điều kiện phản ứng

- Phản ứng oxi hóa - khử trong môi trường axit

- Phản ứng oxi hóa - khử trong môi trường bazơ

Theo loại sản phẩm tạo thành

- Phản ứng oxi hóa - khử tạo ra sản phẩm có chứa oxi

- Phản ứng oxi hóa - khử tạo ra sản phẩm không chứa oxi.

Theo vai trò trong phản ứng

- Phản ứng tự oxi hóa - tự khử

- Phản ứng oxi hóa - khử không hoàn toàn

- Phản ứng oxi hóa - khử hoàn toàn

Ý nghĩa của phản ứng oxi hóa - khử

- Trong hóa học, phản ứng oxi hóa - khử được sử dụng để điều chế các chất hóa học, phân tích các chất hóa học,...

- Trong sinh học, phản ứng oxi hóa - khử là cơ sở của nhiều quá trình sinh học quan trọng như hô hấp, quang hợp, quá trình sinh hóa,...

- Trong công nghiệp, phản ứng oxi hóa - khử được sử dụng trong nhiều quá trình sản xuất quan trọng như luyện kim, sản xuất hóa chất, sản xuất phân bón,...

Vai trò của phản ứng oxi hóa - khử

- Trong tự nhiên:

+ Quá trình hô hấp của thực vật: Hô hấp là quá trình oxi hóa các chất dinh dưỡng trong tế bào để giải phóng năng lượng. Quá trình này diễn ra theo hai giai đoạn: Giai đoạn hiếu khí (Glucozo + O2 → CO2 + H2O + ATP) và giai đoạn kị khí (Glucozo → 2CH3CHO + 2CO2 + 2ATP).

+ Quá trình trao đổi chất

+ Quá trình quang hợp: Quang hợp là quá trình sử dụng ánh sáng mặt trời để tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ. Quá trình này diễn ra theo hai giai đoạn: sáng (6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2) và tối (C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O)

+ Quá trình sinh hóa: Nhiều quá trình sinh hóa trong tế bào đều liên quan đến phản ứng oxi hóa - khử, chẳng hạn như quá trình tổng hợp protein, quá trình phân giải thức ăn,... 

+ Sự phân hủy sinh học: Sự phân hủy sinh học là một quá trình oxi hóa - khử, trong đó các chất hữu cơ bị phân hủy bởi vi sinh vật để tạo ra các chất vô cơ.

- Trong đời sống

+ Quá trình đốt cháy: Các nhà máy điện sử dụng các phản ứng oxi hóa - khử để sản xuất điện chẳng hạn như phản ứng đốt cháy than, dầu mỏ, khí đốt,...

+ Quá trình nấu ăn: Quá trình nấu ăn là một quá trình oxi hóa - khử, trong đó nhiệt lượng làm tăng tốc độ phản ứng oxi hóa của các chất dinh dưỡng trong thực phẩm, giúp chúng dễ tiêu hóa hơn.

+ Quá trình tắm rửa: Quá trình tắm rửa là một quá trình oxi hóa - khử, trong đó xà phòng và nước tham gia oxi hóa các chất bẩn trên da, giúp làm sạch da.

- Trong công nghiệp

+ Sản xuất sắt thép

+ Sản xuất axit sunfuric

+ Sản xuất phân bón: phản ứng oxi hóa - khử được sử dụng để sản xuất nhiều loại phân bón khác nhau như phân đạm (N2 + 3H2 → 2NH3), phân lân: P2O5, phân kali: KCl

+ Các phản ứng oxi hóa - khử được sử dụng để sản xuất các hóa chất khác nhau, chẳng hạn như phản ứng sản xuất amoniac từ nitơ và hydro.

+ Sản xuất dược phẩm

+ Luyện kim: Các phản ứng oxi hóa - khử được sử dụng để tách các kim loại ra khỏi quặng, chẳng hạn như phản ứng nấu chảy quặng sắt để thu được sắt.

+ Trong công nghiệp thực phẩm, các phản ứng oxi hóa - khử được sử dụng để sản xuất các thực phẩm khác nhau, chẳng hạn như phản ứng lên men rượu bia.

Ví dụ minh họa về phản ứng oxi hóa - khử

Phản ứng nhiệt nhôm để điều chế kim loại: 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3

Phản ứng điện phân để điều chế kim loại: CuSO4 → Cu + SO2 + O2

Phản ứng tổng hợp axit nitric: 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

Phản ứng thủy phân este: CH3COOC2H5 + H2O → CH3COOH + C2H5OH

Phản ứng trung hòa axit - bazơ: HCl + NaOH → NaCl + H2O

Phản ứng khử ion kim loại: Cu2+ + Fe → Cu + Fe2+

Phản ứng nhiệt phân: CaCO3 → CaO + CO2

Ứng dụng của phản ứng oxi hóa - khử

- Trong hóa học, phản ứng oxi hóa - khử được ứng dụng để điều chế các chất hóa học, phân tích các chất hóa học,...

+ Điều chế các chất hóa học: Phản ứng oxi hóa - khử được sử dụng để điều chế các chất hóa học quan trọng như axit, bazơ, muối, kim loại,...
Ví dụ: Phản ứng oxi hóa khử giữa kim loại và phi kim được sử dụng để điều chế nhiều kim loại như sắt, đồng, nhôm,...

+ Phân tích các chất hóa học: Phản ứng oxi hóa - khử được sử dụng để phân tích các chất hóa học, xác định thành phần của các chất,...
Ví dụ: Phản ứng oxi hóa khử giữa kim loại và axit được sử dụng để xác định nồng độ của axit trong dung dịch.

- Trong sinh học: 

+ Hô hấp: Hô hấp là quá trình giải phóng năng lượng từ thức ăn trong cơ thể. Quá trình này được thực hiện bởi các phản ứng oxi hóa - khử, trong đó các nguyên tố cacbon, hydro và oxy trong thức ăn bị oxi hóa, giải phóng năng lượng cho cơ thể sử dụng.

+ Quang hợp: Quang hợp là quá trình tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ bằng năng lượng ánh sáng. Quá trình này được thực hiện bởi các phản ứng oxi hóa - khử, trong đó nước bị oxi hóa, giải phóng oxy cho khí quyển, còn carbon dioxide bị khử, tạo thành các chất hữu cơ.

+ Quá trình sinh hóa: Quá trình sinh hóa là quá trình diễn ra trong tế bào, bao gồm các quá trình như trao đổi chất, tổng hợp protein,... Các quá trình sinh hóa đều cần có sự tham gia của các phản ứng oxi hóa - khử.

- Trong công nghiệp:

+ Luyện kim: Luyện kim là quá trình tách kim loại ra khỏi quặng. Quá trình này được thực hiện bằng các phản ứng oxi hóa - khử, trong đó các kim loại bị khử, tách khỏi quặng.

+ Sản xuất hóa chất: Sản xuất hóa chất là quá trình tạo ra các chất hóa học từ các nguyên liệu ban đầu. Quá trình này được thực hiện bằng các phản ứng oxi hóa - khử, trong đó các chất hóa học được tạo ra bằng cách oxi hóa hoặc khử các chất khác. 

+ Sản xuất phân bón: Sản xuất phân bón là quá trình tạo ra các loại phân bón để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Quá trình này được thực hiện bằng các phản ứng oxi hóa - khử, trong đó các nguyên tố dinh dưỡng cho cây trồng được tạo ra bằng cách oxi hóa hoặc khử các chất khác.