[Ogólna] Reakcje redoks :: Kompendium / Polski Serwis Naukowy

Polecamy również:

[F.liniowa] Równanie kierunkowe, równanie ogólne

[F.wielomianowa] Rozkład na czynniki, dodawanie, mnożenie, dzielenie wielomianów

[F. kwadratowa] Równania z parametrem, wzory Viete'a

[Ogólna] Typy reakcji (syntezy, analizy, wymiany).

Spis treści

1 Stopień utlenienia

2a Reakcje REDOKS - czyli utleniania i redukcji - tzw. REDOKSy

2b Bilansowanie równań REDOKS - sposób postępowania

2c Reakcje dysproporcjonowania (inaczej: dysmutacji)

1. Stopień utlenienia

Liczba elektronów, które dany atom przekazał/przyjąłby do/od innego atomu w ramach tworzenia z nim wiązania chemicznego
(przy założeniu, że wszystkie te wiązania miałyby charakter jonowy)

Jakkolwiek jest to pojęcie teoretyczne, to użyteczność jego polega na obejmowaniu przezeń wszystkich związków chemicznych bez względu na występujące w nich rodzaje wiązań chemicznych.

Zapis stopnia utlenienia

1. Nad symbolem pierwiastka znak

lub

.
Oczywiście za wyjątkiem sytuacji gdy stopień utlenienia wynosi .

2. Cyfra arabska za znakiem

lub

określające stopień utlenienia pierwiastka. Jeśli stopień utlenienia wynosi np.

to cyfę

także trzeba zapisać. Podobnie jeśli wynosi on

.

Przykłady
$\begin{tabular} \small{+5} & \small{-2} \\ N_2 &O_5 \\ \end{tabular}$

$\begin{tabular} \small{+1} & \small{-2} \\ H_2 &O \\ \end{tabular}$

Skąd jednak wiedzieć: czy ma być plus czy minus, ile wynosi stopień utlenienia?
O tym poniżej...

Reguły postępowania przy obliczania stopnia utlenienia pierwiastków.
Te zasady należy zapamiętać!

Stopień utlenienia...
1. pierwiastków w stanie wolnym (atomy, cząsteczki...) przyjmujemy za

$\begin{tabular} \small{0} & \small{0} & \small{0}\\ Ag & H_2 & Cl_2\\ \end{tabular}$

2. tlenu wynosi zawsze {-2}

za wyjątkiem:
nadtlenków, w których {-1}

oraz
fluorków (

lub

)
czy ponadtlenków (np. w KO_2

ma ${-}\frac{1}{2}$

3. wodoru wynosi zawsze

za wyjątkiem wodorków metali - {-1}

4. fluoru we wszystkich związkach wynosi

5. stopień utlenienia atomów węgla zmienia się w granicach:

od {-4}

w $\begin{tabular} \small{-4} & \small{+1} \\ C & H_4 \\ \end{tabular}$

do

w $\begin{tabular} \small{+4} & \small{-2} \\ C & O_2 \\ \end{tabular}$ .

6. pierwiastki pierwszych dwóch grup głównych występują wyłącznie na jednym stopniu utlenienia:

litowce:

berylowce

7. pierwiastka w jonie prostym jest równy ładunkowi tego jonu
np. Ag^+

stopień utl. =

8. wypadkowy stopień utlenienia obojętnej elektrycznie cząsteczki zawsze musi wynosić

.

9. metale zazwyczaj przyjmują dodatnie stopnie utlenienia

10. inne przydatne wyjątki:

* w tiosiarczanach, np.:

- tiosiarczan sodu -
jeden atom siarki jest na +6 a drugi na -2 stopniu utlenienia

* w Fe_3O_4

(bardziej poprawny zapis: $FeO \cdot Fe_2O_3$ ) jeden atom żelaza znajduje się na +2, a dwa na +3 stopniu utlenienia.

Przykłady
Przykład 1. CaO

$\begin{tabular} \small{?} & \small{?} \\ Ca&O \\ \end{tabular}$

1. Uwzględniamy reguły (z punktów 1-10):

$\red\begin{tabular} \small{+2} & \small{-2} \\ Ca&O \\ \end{tabular}$

Przykład 2. H_2SO4

$\begin{tabular} \small{?} & \small{?} & \small{?} \\ H_2&S&O_4 \\ \end{tabular}$

1. Uwzględniamy reguły (z punktów 1-10):

$\blue\begin{tabular} \small{+1} & \small{x} & \small{-2} \\ H_2&S&O_4 \\ \end{tabular}$

2. Wykorzystujemy zasadę, że wypadkowy stopień utlenienia obojętnej cząsteczki ma być równy 0 - układamy równanie, które pozwoli obliczyć stopień utlenienia siarki (uwzględniamy znane dzięki regułom stopnie utlenienia pierwiastków oraz liczby atomów tych pierwiastków !):

$\small 2 \cdot (+1) + x + 4\cdot(-2) =0$

$\small x=+6$

$\red\begin{tabular} \small{+1} & \small{+6} & \small{-2} \\ H_2&S&O_4 \\ \end{tabular}$

Przykład 3. KMnO4

$\begin{tabular} \small{?} & \small{?} & \small{?} \\ K&Mn&O_4 \\ \end{tabular}$
1. Uwzględniamy reguły (z punktów 1-10):

$\blue\begin{tabular} \small{+1} & \small{x} & \small{-2} \\ K&Mn&O_4 \\ \end{tabular}$

2. Wykorzystujemy zasadę jak w punkcie 2 przykładu 2:

$\small 1 \cdot (+1) + x + 4\cdot(-2) =0$

$\small x=+7$

$\red\begin{tabular} \small{+1} & \small{+7} & \small{-2} \\ K&Mn&O_4 \\ \end{tabular}$

2a. Reakcje REDOKS - czyli utleniania i redukcji - klasyczne REDOKSy

utlenianie - każdy proces podwyższania stopnia utleniania.
Podwyższanie stopnia utleniania polega na oddawaniu elektronów przez dany atom.

redukcja - każdy proces obniżania stopnia utleniania.
Obniżanie stopnia utleniania polega na przyłączaniu elektronów przez dany atom.

:idea:

Jak to łatwo zapamiętać?
Utlenianie: oddawanie (-) ujemnego (-) elektronu - czyli "dwa minusy", które dają plus.
Redukowanie: czyli obniżanie --> żeby obniżyć - przyłącza się elektron(y) (które są ujemne).

Zjawiska te zawsze współistnieją ze sobą (przebiegają równocześnie).

Reakcje, w których mają one miejsce nazywamy
reakcjami REDOKS (redukcji i utleniania).

Pozostaje nam jeszcze wyjaśnienie dwóch podstawowych pojęć:

utleniacz - pobiera elektrony (jest ich akceptorem) - przez co redukuje (obniża) swój stopień utlenienia a zwiększa stopień utlenienia reduktora

Do utleniaczy należą:

:arrow:

pierwiastki najbardziej elektroujemne - $\small{F_2, Cl_2, Br_2, I_2, O_2}$
:arrow:

związki, w których pewne pierwiastki występują na najwyższych stopniach utlenienia
(np. $\small{KMnO_4, HNO_3, K_2Cr_2O_7}$ )
:arrow:

jony metali na wyższym stopniu (np. $\small{Fe^{3+}, Cu^{2+}}$ ), jon wodorowy, jony metali szlachetnych

reduktor - oddaje elektrony (jest ich dawcom czyli donorem) - przez co zwiększa swój stopień utlenienia a zmniejsza czyli redukuje stopień utleniania utleniacza

Do reduktorów należą:

:arrow:

pierwiastki najbardziej elektrododatnie - $\small{Na, K, Li, Mg, Ca}$
:arrow:

jony metali i niemetali na niższym stopniu utlenienia - $\small{Fe^{2+}, S^{2-}}$
:arrow:

niemetale - $\small{C, N, S}$
:arrow:

fluorowce (w formie anionow) - $\small{Cl^{-},Br^{-} ...$
:arrow:

związki chemiczne, które zawierają atomy metali i niemetali na niższym stopniu utlenienia
(np. $\small{SbCl_2, FeCl_2, H_2SO_3}$ )

Przykład
$\red\begin{tabular} \small{0} & & \small{0} & & \small{+4} & \small{-2}\\ C & + & O_2 & \longrightarrow &C&O_2\\ \end{tabular}$

W powyższym przykładzie mamy do czynienia z reakcją redoks.
Obserwujemy bowiem zarówno podwyższenie stopnia utlenienia, jak i obniżenie.

Jeśli stopień utlenienia pojedynczego atomu zmienił się o x, to znaczy, że musiało przewędrować również tyle samo elektronów.

W przypadku zmiany stopnia 2 lub więcej atomów danego pierwiastka liczbę elektronów trzeba odpowiednio pomnożyć - jak w poniższym przykładzie w przypadku tlenu.

Przedstawmy więc te zjawiska z uwzględnieniem "wędrówki elektronów" - tzw. reakcje połówkowe:

$\blue\begin{tabular} \small{0} & & & \small{+4} & \\ C & -4e & \longrightarrow & C & \tiny{\text{(utlenienie)}}\\ \end{tabular}$
$\blue\begin{tabular} \small{0} & & & \small{-2} & \\ O_2 & +4e & \longrightarrow & 2 O & \tiny{\text{(redukcja)}}\\ \end{tabular}$

Pierwiastkiem, który podwyższył swój stopień utlenienia jest węgiel (reduktor).
Tlen natomiast był akceptorem elektronów (utleniaczem)- doszło przez to do redukcji jego stopnia utlenienia.

2b. Bilansowanie równań REDOKS - sposób postępowania:

1. Zapisać schemat reakcji.

2. Określić/obliczyć stopnie utlenienia wszystkich pierwiastków po obu stronach równania.

3. Zidentyfikować pierwiastki, które zmieniły swój stopień utlenienia.

4. Napisać schematy równań połówkowych. Określić czy dane równanie połówkowe dotyczy procesu utlenienia czy redukcji.

5. Pomnożyć równania połówkowe przez takie liczby aby liczy elektronów przyjętych i oddanych były sobie równe (czyli dobrać najniższe wspólne mnożniki).
(Najczęstsza sytuacja: wystarczy pomnożyć równanie pierwsze przez liczbę elektronów z równania drugiego - i na odwrót).

6. Dodać stronami równania połówkowe. Uzupełnij współczynniki powstałego równania.

7. Przepisać ustalone w punkcie 6 współczynniki do schematu równania głównego (sporządzonego w punkcie 1) a następnie w sposób tradycyjny zbilansować (uzgodnić) równanie reakcji - w kolejności:
- od prawej strony do lewej
- współczynniki przy reduktorze/utleniaczu (czy zostały dobrze dobrane w punkcie 6)
- współczynniki dla metali
- tlen
- wodór

Przykład

Zbilansuj równanie reakcji redoks:
$KMnO_4 + HNO_2 + H_2SO_4 \longrightarrow MnSO_4 + K_2SO_4 + HNO_3 + H_2O$ .

1. Powyższe, nieuzgodnione równanie stanowi nasz wyjściowy schemat reakcji
2. Określamy stopnie utlenienia:

$\begin{array}\tiny{+1}& \tiny{+7}& \tiny{-2}&& \tiny{+1}& \tiny{+3}& \tiny{-2}&& \tiny{+1}& \tiny{+6}& \tiny{-2}& \\ K&Mn&O_{4}&+&H&N&O_2& + & H_2 & S & O_4 & \longrightarrow\\ \end{array}$

$\begin{array} & \tiny{+2} & \tiny{+6} & \tiny{-2} & & \tiny{+1} & \tiny{+6} & \tiny{-2} & & \tiny{+1} & \tiny{+5} & \tiny{-2} & & \tiny{+1} & \tiny{-2} \\ \longrightarrow & Mn & S & O4 & + & K_2 & S & O_4 & + & H & N &O_3 & + & H_2 & O \\ \end{array}$ .

3. Zmianie uległy stopnie utlenienia manganu oraz azotu.

4.

$\blue\begin{tabular} \small{+7} & & & \small{+2} & \\ Mn & +5e & \longrightarrow & Mn & \small\text{(redukcja)}\\ \end{tabular} \\ \blue\begin{tabular} \small{+3} & & & \small{+5} & \\ N & -2e & \longrightarrow & N & \small\text{(utlenianie)}\\ \end{tabular}$

5.

$\red\begin{tabular} {cccccc|cc} \small{+7} & & & \small{+2} & & & \cdot 2 & \\ Mn & +5e & \longrightarrow & Mn & \searrow & \nearrow & & \\ \small{+3} & & & \small{+5} & \nearrow & \searrow & & ( 10 ) \\ N & -2e & \longrightarrow & N & & & \cdot 5 & \\ \end{tabular}$

$\blue\begin{tabular} \small{+7} & & & \small{+2} & \\ 2 Mn & +10e & \longrightarrow & 2 Mn \\ \end{tabular} \\ \blue\begin{tabular} \small{+3} & & & \small{+5} & \\ 5 N & -10e & \longrightarrow & 5 N \\ \end{tabular}$

6. Dodajemy stronami

$\begin{tabular} \small{+7} & & & & \small{+3} & & & & & \small{+2} & & \small{+5}\\ 2 Mn & + & \cancel{10e} & + & 5 N & - & \cancel{ 10e} & \longrightarrow & 2 & Mn & + & 5 N \\ \end{tabular}$

7. Uwzględniamy współczynniki z punktu 6 w naszym "roboczym" równaniu z punktu 1.

$2 KMnO_4 + 5 HNO_2 + H_2SO_4 \longrightarrow \\ \longrightarrow 2 MnSO_4 + K_2SO_4 + 5 HNO_3 + H_2O$ .

Uzgadniamy pozostałe współczynniki zaczynając od sprawdzenia liczby atomów potasu, grup SO_4

, atomów tlenu i wodoru...

$2 KMnO_4 + 5 HNO_2 + 3 H_2SO_4 \longrightarrow \\ \longrightarrow 2 MnSO_4 + K_2SO_4 + 5 HNO_3 + 3 H_2O$

Gotowe

2c. Reakcje REDOKS - dysproporcjonowania (inaczej: dysmutacji)

polegają na zmianie stopnia utlenienia wyłącznie jednego rodzaju atomów, np:

$\red\begin{tabular} \small{+1} & \small{-1} & & \small{0}& & \small{+1} & \small{-2}\\ 2 H_2 & O_2 & \longrightarrow & O_2 & + & 2 H_2 & O\\ \end{tabular}$

W powyższej reakcji stopień utlenienia zmienia wyłącznie tlen. I to zarówno obniża, jak i podwyższa.

Wszelkie uwagi (dostrzeżone błędy/nieścisłości etc.) proszę zgłaszać poprzez PW.

komentuj publikację