Phân tích sự hình thành và phát triển khái niệm phản ứng oxi hóa- khử trong chương trình hóa học phổ thông.

Phân tích sự hình thành và phát triển khái niệm phản ứng oxi hóa – khử trong chương trình hóa học phổ thông

Quá trình hình thành, hoàn thiện kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử cho học sinh được trải dài 5 năm, từ lớp 8 cho đến lớp 12. Cùng với thời gian, đối tượng tiếp thu kiến thức là học càng thay đổi về khả năng nhận thức do vậy để kết quả giảng dạy có hiệu suất cao đòi hỏi người thầy cần nắm vững bố cục của toàn bộ chương trình, để có thể giảng dạy đúng đối tượng, biết vận dụng linh hoạt kiến thức trong quá trình giảng dạy.

khái niệm phản ứng oxi hóa- khử

I. Cấp THCS.

1. Chương trình hóa học líp 8.

Ngay trong bài đầu tiên – Bài mở đầu [66 – tr 3] mặc dù hs chưa được học pư  hóa học, nhưng sách giáo khoa đã cho các em làm quen với kiến thức oxi hóa – khử thông qua thí nghiệm ( Fe + HCl – chưa viết phương trình phản ứng).

Tiếp theo các em được trang bị những kiến thức oxi hóa – khử ở mức sơ đẳng nhất,   với khái niệm đầu tiên: “sự oxi hóa” ( sự oxi hóa là sự tác dụng của oxi với một chất. Chất ở đây có thể là đơn chất hay hợp chất, thậm chí còn được làm quen với hai từ “điện phân”.

Học tiếp tục được làm quen kiến thức oxi hóa – khử thông qua khái niệm “tính khử” (tính khử chứ không phải sự khử!). Tương tự khái niệm sự oxi hóa, khái niệm tính khử cũng chỉ dừng ở mức độ cụ thể, chưa tổng quát cho mọi trường hợp. Cụ thể sách giáo khoa thông qua ví dụ:

                   H2 (k) + CuO (r)    =>    Cu (r)  + H2O (h)      (*)

Qua pư (*) ta thấy khí hiđrô đó chiếm nguyên tố oxi trong hợp chất CuO: hiđrô có tính khử (khử oxi) (khí hiđrô đó chiếm nguyên tố oxi trong CuO. [66 tr 105].

Tiếp theo các em chính thức được trang bị  những nét sơ lược nhất về phản ứng oxi hóa – khử (chưa tổng quát) [66 tr 110]. Do là năm đầu tiên (líp 8 THCS) học sinh tiếp cận và làm quen với bộ môn hóa học, nên cách trình bày về phản ứng oxi hóa – khử còng rất đơn giản và trực quan thông qua một phản ứng  cụ thể đó là phản ứng  (*). Dựa vào phản ứng  này người ta đã chỉ ra:

          Khí hiđrô đó chiếm nguyên tố oxi trong CuO, nên H2 là chất khử.

          CuO đã nhường oxi cho hiđrô, nên CuO là chất oxi hóa.

Trong phản ứng  (*) đã xảy ra quá trình tách oxi khỏi hợp chất CuO ta nói đó xảy ra sự khử CuO tạo Cu và quá trình kết hợp của nguyên tử oxi trong CuO với H2 ta núi đó xảy ra sự oxi hóa H2 tạo thành H2O…

Từ đó đi đến định nghĩa:

Sự khử: Sự tách oxi khỏi hợp chất.

Sự oxi hóa: Sự tác dụng của oxi với một chất.

Chất khử: Chất chiếm oxi của chất khác.

Chất oxi hóa: Chất nhường oxi cho chất khác.

Sự khửsự oxi hóa  là hai quá trình tuy  ngược nhau nhưng xảy ra đồng thời trong một pư ”.

Từ sự phân tích và nhận xét như­ trên, đã đưa ra định nghĩa về phản ứng oxi hóa – khử như­ sau:

Phản ứng  oxi hóa – khử : là phản ứng  hóa học trong đó xảy ra đồng thời sự oxi hóa và sự khử ”(Trong phản ứng  của oxi với các bon, bản thân oxi cũng là chất oxi hóa).

  Nói tóm lại: ở chương trình lớp 8 các kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử, mới được giới thiệu ở mức sơ khai nhất, một cách hình thức không chỉ rõ được bản chất của phản ứng  (học sinh thừa nhận định nghĩa sự oxi hóa, sự khử, chất oxh, chất khử gắn liền với sự nhường hoặc nhận oxi).

Lưu ý rằng với cách giới thiệu (như­ đã trình bày) mới chỉ giúp cho học sinh có khái niệm ban đầu  về một loại  phản ứng  mới, giúp học sinh ghi nhớ khái niệm, chỉ dừng ở mức thông qua một Bài cụ thể.

Đồng thời cũng phải nói thêm rằng với cách nêu vấn đề và dẫn dắt như trên, sẽ khiến cho học sinh dễ ngộ nhận rằng phản ứng oxi hóa – khử luôn là phản ứng có sự tách và hóa hợp của các nguyên tố với nguyên tố oxi, hay phản ứng oxi hóa – khử phải có sự tham gia của hợp chất có chứa oxi, nhưng trong thực tế ta dễ nhận thấy rằng không hẳn như vậy, điều này không hoàn toàn đúng.

 Khác với cách trang bị kiến thức oxi hóa – khử trước đây (chưa thí điểm) học sinh còn được mở rộng kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử có thể gắn với sự nhường nhận (H) thậm chí cả sự chuyển dịch (e) (mức độ giới thiệu qua- 66 tr 112 ].

2. Chương trình hóa học líp 9.

Chương trình đã cho học sinh ôn khá nhiều phản ứng oxi hóa – khử, nhất là khi học về các chất cụ thể (thậm chí cả điện phân hay tính tẩy màu của Clo ẩm là do tính oxh mạnh của HClO,  đề cập đến tính chất đặc trưng của chúng, thông qua các Bài cô thể.

Nh­ư vậy có thể nói rằng thông qua những Bài cụ thể chương trình hóa học lớp 9 đã phần nào củng cố cho học những kiến thức ban đầu về phản ứng oxi hóa – khử.

Nhưng cũng phải nói thêm rằng với những kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử được trang bị ở lớp 8 quá đơn giản, chưa có tính khái quát (định nghĩa sự oxi hóa, sự khử, chất oxh cũng như chất khử gắn liền với sự nhường hoặc nhận oxi hay một chất cụ thể…). Do vậy lên lớp 9 chương trình (sách giáo khoa) tiếp tục có đề cập khá nhiều pư  oxh – k phản ứng oxi hóa – khử cụ thể nhưng giáo viên lại chưa có cơ sở để căn cứ vào đó, củng cố các kiến thức. Mặt khác kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử chưa giúp cho học sinh ghi nhớ các tính chất một cách khái quát.

Qua sự phân tích cho thấy, trong chương trình hóa học lớp 9, hs đã được hiểu biết thêm về phản ứng oxi hóa – khử qua các Bài cụ thể chưa khái quát, bởi vậy việc củng cố kiến thức về pư oxh – k còn rất nhiều hạn chế.

II. Cấp THPT (ban KHTN).

Ở bậc trung học phổ thông, kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử   được trang bị liên tục, hoàn thiện một cách khá đầy đủ, đúng bản chất và trình bày ở nội dung chương trình cả ba lớp 10, 11, 12  của bậc học này.

1. Chương trình hóa học líp 10.

  Học sinh được trang bị khái niệm số oxi hóa [60 tr 89], khái niệm mở đầu bổ trợ, không thể thiếu cho phản ứng oxi hóa – khử đã được chính thức nghiên cứu một cách hoàn chỉnh và tương đối đầy đủ.

Số oxi hóa của một nguyên tố trong hợp chất là điện tích của nguyên tử nguyên tố đó trong phân tử nếu giả định liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử là liên kết ion.

Với các khái niệm trong sách giáo khoa học sinh chỉ xác định được chất oxi hóa, chất khử ở một số phản ứng  thấy rõ sự nhường (e) như­ kim loại với ion kim loại, kim loại với phi kim, kim loại với axit. Sau khi nắm vững khái niệm số oxi hóa thì học sinh hiểu và xác định chất oxi hóa, chất khử, quá trình oxi hóa, quá trình khử và phản ứng oxi hóa – khử dễ dàng hơn, đúng bản chất hơn.

Khái niệm số oxi hóa  tuy chỉ là giả định song có rất nhiều ý nghĩa

* Làm cho các em bước đầu hiểu cụ thể hơn các kiến thức oxi hóa – khử như­: chất khử, chất oxh , sự khử, sự oxh và phản ứng oxi hóa – khử.

* Dựa vào sự thay đổi số oxi hóa, học sinh phân biệt được phản ứng oxi hóa – khử với các phản ứng  khác.

* Giúp cho việc xác định khả năng oxi hóa, khả năng khử của một chất, một nguyên tố nhờ việc xác định số oxi hóa của nguyên tố đó là cao nhất, thấp nhất, hay ở mức trung gian.

Trên cơ sở trang bị cho hs  khái niệm số oxi hóa, quy tắc tính số oxi hóa [60 tr 90], chính là phương tiện giúp các em phát hiện ra phản ứng oxi hóa – khử, phân biệt phản ứng oxi hóa – khử với phản ứng hóa học khác căn cứ có sự thay đổi soh của các nguyên tử nguyên tố trong pư  hóa học (trước và sau phản ứng) ngoài ra nó cũng được áp dụng để xây dựng phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa – khử“pp thăng bằng (e)”: một phương pháp cân bằng dùng riêng cho dạng phản ứng oxi hóa – khử). Sau khi các em đã được trang bị những kiến thức nhất định về cấu tạo nguyên tử về liên kết hóa học. Trên cơ sở lý thuyết chủ đạo về cấu tạo chất, các kiến thức về phản ứng oxi hóa – khử được trình bày một cách cơ bản, hiện đại, khái quát [60 tr 4→ 101]: ở đây có các khái niệm, định nghĩa được đưa ra một cách (tương đối) ngắn gọn và chính xác mà lại tổng quát (khác với lớp 8: gắn với sự nhường, nhận oxi) đã nêu bật đựơc bản chất của một quá trình hóa học từ đó làm cho học sinh dễ hình dung, dễ nhớ và quan trọng là dạy cho các em biết cách tư duy khoa học khi xem xét nghiên cứu một vấn đề khoa học (nói chung) một pư hóa học (nói riêng) thì cần phải chỉ ra được đặc điểm riêng, dấu hiệu bản chất của vấn đề khoa học, pư  hóa học đang nghiên cứu chứ không chỉ dừng lại ở những dấu hiệu hình thức (bên ngoài) của chúng.

          * Chất khử (chất bị oxi hóa): Là chất nhường (e) hay là chất có soh  tăng sau pư

          * Chất oxh (chất bị khử): Là chất nhận (e), hay là chất có soh  giảm  sau pư .

          * Sự khử một chất là làm cho chất đó nhận (e) hay làm giảm soh  của chất đó.

          * Sù oxh một chất là làm cho chất đó nhường (e) hay làm tăng soh của chất đó.

Và ở đây khái niệm pư  oxh – k được đưa ra dưới dạng tổng quát nhất, cụ thể: “pư  oxh – k là pư  trong đó có sự chuyển (e) giữa các chất pư ”. (Hay là pư  hóa học trong đó có sự thay đổi soh  của một số nguyên tố)

          4  Na0   +  O0 2                 =>        2  Na+1 2O-2                (1)

Fe0                +   CuSO4           =>          Fe+2 SO4   +    Cu0            (2)

          H02            +    Cl02           =>                     2  H+1Cl-1                   (3)

         2 Fe+2Cl-1+   Cl02          =>        2  Fe+3Cl-13                                           (4)

Qua ba pư  đầu đã hình thành cho thấy rõ sự chuyển (e) từ nguyên tử sang nguyên tử (1), từ nguyên tử sang ion (2), không có sự chuyển (e) (3) mà gắn với sự thay đổi soh của các nguyên tử. Nhưng trước hết ngay từ đầu chương trình đã cho hs nhìn lại phản ứng oxi hóa – khử gắn với kiến thức cũ (gắn với sự nhường nhận oxi ở lớp 8). Tiếp đó xảy ra đồng thời sự oxh và sự khử trong một pư, rồi đi đến bản chất là sự chuyển (e), sù thay đổi soh của các nguyên tố.

 Có chăng sách giáo khoa nên đưa thêm ví dụ (4) gắn với sự chuyển (e)  từ ion sang nguyên tử.

 SGK càng đưa ra trình tự rất cụ thể (nguyên tắc chung nhất) để lập pư oxh – k theo 4 bước cân bằng: pp thăng bằng (e) (tổng số (e) do chất khử nhường phải đúng bằng tổng số (e) mà chất oxh nhận) [60 tr 104]. Ngoài ra  còn giới thiệu thêm cho các em lập phương trình pư oxh- k theo pp soh

Ngay sau khi đã trang bị cho hs kiến thức về pư  oxh – k, sgk đã cho hs nghiên cứu đại diện hai nhóm nguyên tố [60 tr 113 →182] Với tính chất của của các đơn chất như: Cl2, O2 , S…(các phi kim điển hình), còng như các hợp chất của chúng đều chứa đựng bản chất oxh – k) đặc biệt là H2SO4 (nhất là axit đặc) do vậy hầu hết các pư  hóa học được đưa ra  trong hai chương này chủ yếu là pư  oxh – k (chủ yếu là vô cơ), có nhiều dạng khó và nêu một số dạng của pư  oxh – k (như khái niệm pư   tù oxi hoỏ – tự khử  đồng thời có giải thích tính tẩy màu của Clo Èm, tính oxh mạnh của các hợp chất chứa oxi của Clo, bên cạnh đú cũn đề cập cả đến pư   điện phân [60 tr 120,129,136].

Thông qua việc nghiên cứu tính chất của các nguyên tố, các hợp chất của chúng, kiến thức về pư  thường xuyên được củng cố, mở rộng, nâng cao hơn khi tiếp cận với những đối tượng cụ thể, ngược lại nhờ kiến thức về pư oxh – k, nên hs sẽ hết sức thuận lợi khi tiếp thu kiến thức mới. Qua các Bài được xét trong chương trình hs sẽ được mở rộng thêm về các dạng pư  oxh – k, không chỉ dừng lại ở pư oxh – k đơn giản (một chất khử và một chất oxi húa).

Tuy chương trình không đề cập đến khái niệm cặp oxh – k  nhưng cũng tạo tiền đề bước đầu cho việc hình thành khái niệm này. (Trong các vớ dô những kim loại yếu, đứng sau (H) tác dụng H2SO4 đặc thu được SO2, còn những kim loại trung bình, mạnh, đứng trước (H) trong dãy thế điện cực ngoài thu được  SO2, còn có thể S, H2S .

 Qua phân tích nghiên cứu chương trình sgk hóa học líp 10 ban khoa học tự nhiên chúng tôi nhận thấy:

 * Các kiến thức cơ bản về pư  oxh – k đã được trang bị các kiến thức này đã nêu rõ bản chất của sù oxh – k.

* Đã trang bị cho hs kiến thức, về lập phương trình pư  oxh – k  theo pp thăng bằng (e) để hs tù nhận biết được pư  oxh – k, cách cân bằng “pư  oxh – k ”.

* Đã bước đầu hình thành ý tưởng cho hs về cặp oxh – k, pư   oxh – k theo từng nấc, mức độ khả năng pư  oxh – k tạo tiền đề cho các em có cơ sở nghiên cứu các phần tiếp theo được tốt hơn”.

  • Chương trình hóa học líp 11.

Trong chương trình hóa học líp 11 ban KHTN việc trang bị và nâng cao, phát triển kiến thức oxh – k được thực hiện thông qua con đường gián tiếp, cụ thể qua phần tính chất nhóm Nitơ, nhóm Cacbon, tính chất của các hợp chất hữu cơ.

Chương trình hóa học líp 10 các em mới chỉ dừng ở mức biết viết phương trình pư oxh – k dưới dạng phân tử, bước đầu nhận xét về vai trò của các chất tham gia pư oxh – k để từ đó phát hiện ra chất khử, chất oxh và mở rộng hơn là chất đóng vai trò môi trường (có soh không thay đổi trong pư). Sang đến líp 11 các em đã biết cách viết phương trình  ion (đầy đủ), ion rút gọn sau khi các em đã được trang bị kiến thức về điện ly [58 tr 24], đồng thời cũng mở ra yêu cầu mới về việc hình thành khái niệm pư oxh – k dưới dạng ion rút gọn.

Khác với phương trình pư oxh – k dạng phân tử, dạng ion rút gọn phản ánh đúng trạng thái tồn tại thực của các chất khử, chất oxh trong dd, mặt khỏc nó cũng chỉ rõ vai trò của từng “cấu tử” trong pư  oxh – k.

Vớ dô [58 tr 70] (Phương trình pư  dạng phân tử)

                   3 Cu + 8 NaNO3+ 4 H2SO4   3Cu(NO3)2 +2NO+ 4 Na2SO4 + 4 H2O

Phương trình ion rút gọn :

                    3  Cu  + 8 H+   +  2 NO3                           3  Cu2+  +  2 NO      +  4   H2O   (1)

                                                                     (xanh)    (không màu)

Qua phương trình (1) các  em dễ nhận thấy Cu chất khử, NO3 chất oxh và H+: đúng vai trò môi trường.

Với cách biểu diễn phương trình pư oxh – k dưới dạng phương trình ion đã đưa ra khỏi niờm pư  ion – (e), đó cũng là cơ sở để ta có thể cung cấp mét pp cân bằng phương trình pư  oxh – k mới đó là pp ion – (e) (bên cạnh pp thăng bằng (e), pp soh mà ở líp 10 sgk đã giới thiệu)

Tương tù nh­ S , Cl2, thì Nitơ cũng là một nguyên tố (phi kim điển hình có nhiều ứng dụng) có nhiều trạng thái (mức) oxi hóa.

          -3         0             +1     +2            +3     +4            +5

          NH3    N2       N2O        NO      HNO2      NO2      HNO3

Qua phần tính chất hóa học của axit HNO3 (hợp chất của nitơ nói chung), rất nhiều kiến thức về pư oxh – k (pư  theo từng nấc, oxh – k nội phân tử, mức độ mạnh yếu của pư oxh – k phô thuộc các điều kiện tiến hành pư  như nồng độ, nhiệt độ, chất xúc tác) được củng cố, nâng cao thông qua các hàng loạt các Bài cô thể (xin xem thêm chương hai của luận văn).

Sau khi học chương 4, 5 chương trình húa lớp 9 THCS, đến đây [58 tr 117] hs lại bắt đầu nghiên cứu về hợp chất hữu cơ (mức độ cao hơn) tất nhiên không được học xác định soh các hợp chất hữu cơ và cách cân bằng phương trình pư oxh – k hữu cơ nhưng rất nhiều pư  oxh – k hữu cơ được nghiên cứu. Do vậy việc ỏp dụng pp thăng bằng (e) (và cả pp ion – (e)) để cân bằng pư oxh – k chưa trở thành yêu cầu của chương trình. Thiết nghĩ đây cũng là điểm cần bổ sung, để việc hình thành, nâng cao kiến thức về pư oxh – k hài hòa giữa vô cơ và hữu cơ, cũng như kiến thức về pư oxh – k của các em đầy đủ, hoàn thiện ngang tầm trong khu vực đồng thời đáp ứng yêu cầu thi vào ĐH, CĐ và các trường chuyên nghiệp.

Trên cơ sở nền tảng kiến thức đã được trang bị một cách có hệ thống ở líp 10, đến líp 11 kiến thức về pư  oxh – k được hoàn thiện không những thế còn được mở rộng và nâng cao (phân loại, pp cân bằng cũng như điều kiện ảnh hưởng tới pư  oxh – k).

  • Chương trình hóa học líp 12.

Trọng tâm giải quyết chương trình líp 12 là cung cấp cho hs  khả năng dự đoán chiều pư oxh – k. Điều này được bắt đầu bằng việc hình thành, hoàn thiện cho hs kiến thức cặp oxh – k là một kiến thức rất quan trọng để suy đoán chiều hướng pư .

Dãy điện húa dựa trờn sự sắp xếp khả năng pư  oxh – k của các cặp thực chất là

sự sắp xếp theo thứ tự tăng dần của thế điện cực tiêu chuẩn (E0v). Dùa vào dãy điện hóa mà hs đã có thể suy đoán khả năng pư  giữa các kim loại với axit (ion H+),  kim loại với các dd chứa các ion kim loại khác.

Dựa trên khái niệm này đã hình thành cho hs khả năng dự đoán pư  oxh – k trong bình điện phân và trong pin điện, để từ đó giải thích chặt chẽ bản chất pư  xảy ra trong quá trình điện phân để điều chế kim loại  và trong sự ăn mòn kim loại.

Tuy vậy, đáng tiếc trong chương trình và sách giáo khoa lại chưa mạnh dạn khai thác tính chất thuận nghịch của các quá trình  oxh – k. (Ox + ne  khử)    (Bài Fe+3 + e Fe+2 ) đã đề cập đến. Điều này rất quan trọng để hiểu được sự tương tác của các cặp oxh – k: dạng oxh  thu (e) của chất khử mạnh, dạng khử nhường (e) cho chất oxi húa mạnh hơn.

Bên cạnh đó sách giáo khoa cũng chưa đề cặp đến các cặp oxh – k khác ngoài các

cặp ion kim loại/kim loại (Mn+/M) mà trong thực tế các pư  oxh – k  khác (ngoài pư  liên quan đến cặp Mn+/M) lại  khá phổ biến và quan trọng.

*- Khái niệm về cặp oxi hóa- khử và chiều phản ứng oxi hóa- khử.

Trong chương trình phổ thông, khái niệm về cặp oxh – k và chiều pư  oxh – k chỉ được đưa vào ở chương trình líp 12 sau khi học dãy điện hóa. Nhằm giúp cho hs vận dụng để nghiên cứu tính chất của kim loại và hợp chất kim loại.

          Cặp oxh – k liên hợp Ox1 /Kh1 có quan hệ chất oxh bị khử thành dạng khử liên hợp:

                    Ox1  + ne                         Kh1

Quy ước: Viết dạng oxh trên dạng khử

Trong mét pư  có hai cặp oxh – k liên hợp Ox1/Kh1; Ox2 /Kh2

                    Ox1  +                Kh2                         Ox2  +Kh1

Có hai quá trình

          Ox1  +  ne                                Kh1

                    Kh2                                     Ox2  ne (me!)

Dạng oxh càng mạnh thì dạng khử càng yếu và ngược lại. Đó là ý nghĩa định tính của khái niệm cặp oxh – k, phản ỏnh rõ bản chất pư  oxh – k và khả năng oxh – k. Từ đó có khả năng suy đoán chiều pư oxh – k: chất khử mạnh pư với chất oxh mạnh để tạo chất oxh yếu hơn và chất khử yếu hơn.

Tóm lại đồng thời với khái niệm chất oxi hóa, chất khử, khái niệm cặp oxh – k liên hợp cũng có thể được trang bị, hoàn thiện trong chương trình hóa học phổ thông. Nhằm giúp cho hs có cơ sở lý luận để giải quyết các tình huống hóa học mà không nhớ máy móc hay đoán mò.

Đến lớp 12 kiến thức về pư  oxh – k của hs tiếp tục được củng cố, hoàn thiện và phát triển mặt khác làm cơ sở để hiểu rõ hơn những điều đã học, tiếp thu kiến thức mới tốt hơn.

Leave a comment

Reply