T 3.4.1 Teoria
Najważniejsze pojęcia:
Reakcje redoks to takie reakcje, które zachodzą z wymianą elektronów między cząstkami substratów. Elektrony nie są cząstkami chemicznymi i nie mogą być ani substratem, ani produktem żadnych reakcji. Stąd zasada bilansu elektronowego.
Stopień utlenienia ―pojęcie umowne określające ładunek jaki powstałby na atomie przy założeniu, że wszystkie wiązania w cząsteczce byłyby wiązaniami jonowymi.
Proces utlenienia ―reakcja w trakcie przebiegu, której pierwiastki oddają elektrony i zwiększają swój stopień utlenienia.
Zn ⟶ Zn2+ + 2e
Proces redukcji ―reakcja w trakcie przebiegu, której pierwiastki przyjmują elektrony i zmniejszają swój stopień utlenienia.
Fe3+ ⟶ Fe2+ + 1e
Utleniacz ―w reakcji redoks cząsteczka chemiczna, w której jeden z pierwiastków się redukuje czyli przyjmuje elektrony i obniża swój stopień utlenienia.
Reduktor ―w reakcji redoks cząsteczka chemiczna, w której jeden z pierwiastków się się utlenia czyli oddaje elektrony i zwiększa swój stopień utlenienia.
Określanie stopni utlenienia pierwiastków:
- suma stopni utlenienia pierwiastków w związku chemicznym jest równa zero;
- stopień utlenienia fluoru z związku chemicznym zawsze jest równy -I;
- stopień utlenienia litowców w związkach jest równy I a berylowców II;
- stopień utlenienia tlenu w związkach chemicznych jest równy -II. Wyjątki nadtlenki (-I) np. H2O2, K2O2, BaO2 oraz fluorek tlenu (stopień utlenienia II) OF2;
- stopień utlenienia wodoru jest równy I w połączeniu z niemetalami (z wyjątkiem boru). W wodorkach metali stopień utlenienia wodoru jest równy -I;
- stopień utlenienia pierwiastków w stanie wolnym jest równy zero;
- stopień utlenienia jonu prostego jest równy ładunkowi jonu;
- suma stopni utlenienia wszystkich atomów w jonie złożonym jest równa ładunkowi tego jonu;
Bilans jonowo – elektronowy
Reakcje utlenienia i redukcji to takie reakcje w trakcie przebiegu, których pierwiastki zmieniają swoje stopnie utlenienia.
W jaki sposób robimy bilans jonowo ― elektronowy?
W tej metodzie do uzgadniania reakcji nie używamy stopni utlenienia (czasem bardzo trudno je określić) a ilość wymienianych elektronów ustalamy na podstawie bilansu masy i ładunku.
- reakcje zachodzące w środowisku kwasowym (do bilansu używamy jonów H+ i H2O)
MnO4ー + H+ + NO2ー ⟶Mn2+ + NO3ー + H2O
Etapy:
- wybieramy jony, które występują w różnie formie po stronie substratów i produktów.
MnO4ー ⟶ Mn2+
NO2ー ⟶ NO3ー
- następnie dodajemy wodę w ilości brakującego tlenu
MnO4ー ⟶ Mn2+ + 4H2O
NO2ー + H2O ⟶ NO3ー
- teraz dodajemy jony H+ aby uzgodnić atomy wodoru;
MnO4ー + 8H+ ⟶ Mn2+ + + 4H2O
NO2ー + H2O⟶ NO3ー + 2H+
- następnie dodajemy elektrony tak aby ładunki po obu stronach równania były jednakowe;
MnO4ー + 8H+ + 5e ⟶ Mn2+ + + 4H2O
NO2ー + H2O⟶ NO3ー + 2H+ + 2e
- pierwsze równanie mnożymy razy 2 a drugie razy 5 aby ilość wymienianych elektronów w obu równaniach była taka sama. Współczynniki stechiometryczne, które pojawiły się w równaniach połówkowych przepisujemy do równania sumarycznego.
2MnO4ー + 6H+ + 5NO2ー ⟶ 2Mn2+ + 5NO3ー + 3H2O
Reakcje zachodzące w środowisku zasadowym (do bilansu używamy jonów OHー i H2O)
MnO4ー + H2O + NO2ー ⟶ MnO2 + NO3ー + OHー
Etapy:
Bilansowanie reakcji w środowisku zasadowym jest trochę trudniejsze, ponieważ atomy wodoru są zarówno w wodzie jak i jonach OHー
- wybieramy jony, które występują w różnie formie po stronie substratów i produktów.
MnO4ー ⟶ MnO2
NO2ー ⟶ NO3ー
- następnie dodajemy wodę w ilości brakującego tlenu a po drugiej stronie równania jeszcze raz wodę w ilości atomów wodoru;
MnO4ー + 4H2O⟶ MnO2 + 2H2O
NO2ー + H2O⟶ NO3ー + 2H2O
- teraz dodajemy jony OHー w ilości ostatnio dodanej wody;
MnO4ー + 4H2O ⟶ MnO2 + 2H2O + 4OHー
NO2ー + H2O + 2OHー⟶ NO3ー + 2H2O
4) następnie dodajemy elektrony tak aby ładunki po obu stronach równania były jednakowe;
MnO4ー + 4H2O + 3e⟶ MnO2 + 2H2O + 4OHー
NO2ー + H2O + 2OHー⟶ NO3ー + 2H2O + 2e
5) pierwsze równanie mnożymy razy 2 a drugie razy 3 aby ilość wymienianych elektronów w obu równaniach była taka sama. Współczynniki stechiometryczne, które pojawiły się w równaniach połówkowych przepisujemy do równania sumarycznego pamiętając aby zredukować jednakowe jony i cząsteczki, które są po obu stronach równania.
2MnO4ー + H2O + 3NO2ー ⟶ 2MnO2 + 3NO3ー + 2OHー