Cân bằng phương trình hóa học: SO2 + KMnO4 + H2O → MnSO4 + K2SO4 + H2SO4

1. Cân bằng phương trình: SO2 + KMnO4 + H2O → MnSO4 + K2SO4 + H2SO4

Để thực hiện phản ứng giữa SO2 và KMnO4, cần có điều kiện sau:

- Sử dụng dung môi H2SO4 loãng

Cân bằng phản ứng SO2 + KMnO4 + H2O bằng phương pháp thăng bằng electron:

Xác định sự thay đổi số oxi hóa như sau:

S + 4O2 + KMnO4 + H2O → MnSO4 + K2SO4 + H2SO4

Khi điều chỉnh hệ số cân bằng, phương trình phản ứng sẽ trở thành:

5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O → 2MnSO4 + K2SO4 + 2H2SO4

2. Khám phá đặc điểm của SO2 và KMnO4

2.1. Khám phá về SO2

a. Định nghĩa:

Khí lưu huỳnh có công thức hóa học là SO2, còn được gọi là sulfur dioxide hoặc anhydrit lưu huỳnh. Đây là sản phẩm chính thu được từ việc đốt cháy lưu huỳnh.

SO2, hay còn gọi là axit sunfurơ, hình thành từ việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, hoặc trong quá trình nấu chảy quặng nhôm, đồng, kẽm, chì và sắt.

b. Nguồn gốc:

- Trong môi trường tự nhiên, SO2 xuất hiện dưới nhiều dạng khác nhau. Khi có ngọn lửa, việc đốt cháy gỗ và các vật liệu hữu cơ khác tạo ra nhiệt độ cao và phát sinh dung nham cùng với khói, trong đó có khí SO2. Các quá trình phân hủy sinh học và phản ứng hóa học tự nhiên cũng có thể sản sinh SO2. Ví dụ, các hợp chất sinh học chứa lưu huỳnh khi phân hủy sẽ tạo ra khí SO2 và các oxit lưu huỳnh.

- Tuy nhiên, hoạt động của con người đã tạo ra một lượng SO2 thải ra đáng kể. Các nhà máy như nhà máy lọc dầu, luyện kim, sản xuất xi măng và các ngành công nghiệp khác thải ra khói chứa SO2. Các phương tiện giao thông như ô tô, xe máy và máy bay cũng phát sinh khí SO2. Việc đốt rác, gỗ, than và đốt rừng cũng là nguồn phát thải SO2.

- Thêm vào đó, các hoạt động cá nhân như hút thuốc lá và sử dụng thiết bị gas trong môi trường không thoáng khí cũng góp phần vào lượng SO2 phát thải.

- Hiện nay, toàn cầu tiêu thụ khoảng 2 tỷ tấn than và gần 1 tỷ tấn xăng dầu mỗi năm. Nếu hàm lượng lưu huỳnh trong các nguồn này là khoảng 1%, thì lượng SO2 phát thải vào khí quyển lên tới khoảng 60 triệu tấn/năm. Điều này đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, đe dọa sự sống trên hành tinh.

c. Tính chất vật lý và hóa học:

- Tính chất vật lý:

Khí sulfur dioxide, hay SO2, là một chất khí không màu, nặng hơn không khí. Nó có mùi hắc, độc hại và dễ hòa tan trong nước.

SO2 có điểm sôi là -72,4°C và điểm đông đặc là -10°C. Nó là một chất khử mạnh mẽ, có khả năng làm bay hơi nước và làm mất màu dung dịch brom cũng như giấy thử phenolphthalein.

Khi hòa tan trong nước, SO2 tạo ra dung dịch axit yếu H2SO3.

- Tính chất hóa học:

Lưu huỳnh đioxit (SO2) còn gọi là oxit axit, và khi nó tiếp xúc với nước, sẽ hình thành dung dịch axit sunfurơ (H2SO3).

Phương trình phản ứng giữa SO2 và nước trong phòng thí nghiệm là:

SO2 + H2O → H2SO3

Axit sunfurơ (H2SO3) là một axit yếu hơn so với axit sunfuric, không ổn định và có thể phân hủy thành SO2 và nước. SO2 cũng phản ứng với dung dịch bazơ để tạo ra hai loại muối: muối trung tính như Na2SO3 chứa ion sunfit (SO3) và muối axit như NaHSO3 chứa ion hiđrosunfit (HSO3).

Trong hợp chất SO2, lưu huỳnh có số oxi hóa +4 và có khả năng tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử, có thể bị khử hoặc bị oxi hóa.

- Đặc điểm về tính chất oxi hóa và khử:

SO2 có khả năng vừa oxi hóa vừa khử. Nó hoạt động như một chất khử khi phản ứng với các chất oxi hóa mạnh như halogen hoặc thuốc tím. Ví dụ:

5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O → K2SO4 + 2MnSO4 + 2H2SO4

Ngược lại, SO2 có thể hoạt động như một chất oxi hóa khi phản ứng với các chất khử mạnh hơn như H2S hoặc Mg. Ví dụ:

SO2 + 2H2S → 3S + 2H2O

SO2 + 2Mg → S + 2MgO

​d. Tác hại của SO2

- Ảnh hưởng của khí lưu huỳnh đến sức khỏe con người:

Tiếp xúc với khí lưu huỳnh có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, như khó thở, sưng niêm mạc họng, viêm phổi, nhiễm trùng đường hô hấp và mắt. Khi khí lưu huỳnh phản ứng với nước và oxi, tạo ra axit sunfuric (H2SO4), axit này có thể gây ra bệnh tật trong hệ hô hấp, làm giảm hiệu suất máu, ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa đường và protein, và có thể gây thiếu hụt vitamin. Phản ứng này còn có thể dẫn đến tắc nghẽn mạch máu và suy giảm khả năng lưu thông oxy đến các tế bào hồng cầu.

- Ảnh hưởng của khí lưu huỳnh đối với môi trường:

Khí sulfur dioxide (SO2) được coi là một yếu tố gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường. Nguyên nhân chính của khí SO2 hiện nay chủ yếu đến từ khí thải của thuốc lá, nhà máy, hệ thống sưởi, và phương tiện giao thông. SO2 góp phần vào ô nhiễm không khí, hiện tượng mưa axit, gây hại cho công trình, cây cối và động thực vật.

Tuy nhiên, mặc dù SO2 có tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe, nó vẫn có những ứng dụng quan trọng trong công nghiệp.

2.2. Tìm hiểu về KMnO4

a. Khái niệm:

Kali Permanganat, hay còn gọi là KMnO4, là một hợp chất vô cơ nổi tiếng với màu tím khi hòa tan trong nước, nên thường được gọi là thuốc tím. KMnO4 là một chất oxi hóa mạnh, không gây hại cho sản phẩm cuối cùng trong các phản ứng hóa học và thường được sản xuất từ các hợp chất như oxit mangan.

Johann Rudolf Glauber, một nhà hóa học người Đức, đã phát hiện ra KMnO4 vào năm 1659. Hợp chất này tan trong nước và bao gồm hai ion: ion kali (K+) và ion permanganat (MnO4-).

b. Tính chất vật lý và hóa học:

* Tính chất vật lý:

- KMnO4 là một chất rắn tinh thể, không mùi, với màu sắc từ tím đến đỏ sáng.

- Nó hòa tan trong nước, axeton, axit acetic, metanol và pyridin.

- Dễ hòa tan trong ethanol và các dung môi hữu ích khác.

- Mật độ của nó là 2,7 g/ml, với khối lượng mol đạt 158,034 g/mol.

- Có điểm nóng chảy rất cao, đạt 2400 ℃.

- Thường xuất hiện dưới dạng bột, tinh thể hoặc viên nén.

- Điểm sôi của nó là 100 ℃.

- Chỉ số oxy hóa của nó là +7.

- Cấu trúc phân tử của KMnO4: Kali permanganat là hợp chất ion bao gồm cation kali (K+) và anion permanganat (MnO4-). Trong anion permanganat (MnO4-), nguyên tử mangan liên kết với bốn nguyên tử oxy qua ba liên kết đôi và một liên kết đơn. Nguyên tử mangan có trạng thái oxy hóa +7. Phân tử KMnO4 có hình dạng tứ diện.

- Tính chất hóa học của thuốc tím:

- Kali permanganat là một chất oxi hóa mạnh mẽ, thường được dùng làm chất oxi hóa trong nhiều phản ứng hóa học.

- Khả năng oxi hóa của KMnO4 thể hiện qua phản ứng oxi hóa khử, khi dung dịch màu tím đậm chuyển thành không màu và sau đó thành dung dịch màu nâu.

- Phản ứng oxi hóa khử của KMnO4 có thể thực hiện trong cả môi trường axit và bazơ.

3. Bài tập ứng dụng liên quan

Câu 1. Phương pháp nào sau đây được dùng để điều chế khí sunfua trong phòng thí nghiệm?

A. Đốt lưu huỳnh trong không khí.

B. Cho dung dịch K2SO3 phản ứng với H2SO4 đặc.

C. Cho tinh thể K2SO3 phản ứng với H2SO4 đặc.

D. Đốt cháy khí H2S trong không khí.

Đáp án C

Giải thích: Trong phòng thí nghiệm, khí SO2 được điều chế bằng cách cho tinh thể K2SO3 phản ứng với dung dịch H2SO4 đặc. Phản ứng hóa học diễn ra như sau:

K2SO3 (rắn) + H2SO4 (dung dịch) → K2SO4 (dung dịch) + H2O (lỏng) + SO2 (khí)

A. Đốt lưu huỳnh trong không khí là phương pháp phổ biến để sản xuất SO2 trong ngành công nghiệp.

B. Lựa chọn này không chính xác vì K2SO3 thường được sử dụng ở dạng tinh thể chứ không phải ở dạng dung dịch.

D. Đốt cháy khí H2S trong không khí không phải là phương pháp điều chế SO2 trong phòng thí nghiệm.

Câu 2. Thuốc thử nào dưới đây dùng để phân biệt giữa khí H2S và khí CO2?

A. Dung dịch HCl.

B. Dung dịch Pb(NO3)2.

C. Dung dịch K2SO4.

D. Dung dịch NaCl.

Đáp án B

Giải thích: Để phân biệt khí H2S với khí CO2, dung dịch Pb(NO3)2 được sử dụng. Khí H2S sẽ phản ứng tạo kết tủa đen PbS, trong khi khí CO2 không có phản ứng này.

Phản ứng hóa học xảy ra như sau:

H2S + Pb(NO3)2 → PbS (kết tủa đen) + 2HNO3

A. Dung dịch HCl không đủ khả năng phân biệt giữa H2S và CO2.

C. Dung dịch K2SO4 không phải là lựa chọn đúng cho mục đích phân biệt này.

D. Dung dịch NaCl cũng không phải là thuốc thử chính xác để phân biệt H2S và CO2.

Câu 3. Trong các dãy chất dưới đây, dãy nào chứa các chất có tính oxi hóa khi phản ứng với SO2?

A. Dung dịch BaCl2, CaO và nước brom.

B. Dung dịch NaOH, O2 và dung dịch KMnO4.

C. O2, nước brom và dung dịch KMnO4.

D. H2S, O2 và nước brom.

Đáp án C

Giải thích: Các chất trong dãy C có khả năng oxi hóa khi gặp SO2. SO2 có thể bị oxi hóa thành SO3 khi phản ứng với O2 và có thể tương tác với nước brom (Br2) và dung dịch KMnO4 trong các phản ứng oxi hóa.

Phản ứng hóa học:

1. 2SO2 + O2 → 2SO3

2. SO2 + Br2 + 2H2O → 2HBr + H2SO4

3. 5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O → 2MnSO4 + K2SO4 + 2H2SO4

A. Dung dịch BaCl2 và CaO không có khả năng oxi hóa SO2.

B. Dung dịch NaOH không thể hiện tính oxi hóa khi phản ứng với SO2.

D. Khí H2S không liên quan đến khả năng oxi hóa của SO2.

Đây là toàn bộ nội dung bài viết của Mytour về cân bằng phương trình SO2 + KMnO4 + H2O → MnSO4 + K2SO4 + H2SO4. Cảm ơn quý độc giả đã theo dõi bài viết!